熱鍍鋅板合金化過程能效提升關鍵技術研究

雷 鵬，徐柏聰，方 枝，溫 蒙，梅 丹

（武漢科技大學 冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081）

1 引言

熱鍍鋅及其合金化是鋼鐵材料最常見、最有效、最經濟的耐大氣腐蝕的工藝之一。這種鍍鋅板由于具有良好的涂料的密著性和焊接性而應用廣泛。合金化是指把熱鍍鋅得到的純鍍鋅層立即在450～550℃下進行擴散退火，使鍍鋅層與鋼基體之間發生擴散和反應，獲得鐵含量在7%～15%之間的鋅鐵合金鍍層的過程[1]。合金化爐的加熱方式、氣流的空間分布、保溫溫度和時間等都是影響合金化鍍層結構的重要因素，在生產過程中必須對這些因素進行嚴格地控制才能得到符合要求的產品。通過理論研究和CFD仿真技術，計算加熱爐內溫度場和流場，分析爐內溫度達不到工藝要求的原因，并據此提出流場優化方案，在不增加加熱功率的條件下，顯著提高爐內溫度從而提高能效。

2 合金化均熱爐生產工藝及原理概述

如圖1所示，合金化爐位于鋅鍋的正上方，從合金化爐的結構來看，可分為加熱段、均熱爐和冷卻段。合金化加熱爐將熱鍍鋅后的鋼帶加熱到一定的合金化反應溫度，使鍍鋅層與鋼基體之間發生擴散和反應，并形成合適的合金相結構和最佳的鐵含量，然后在冷卻段完成合金化鍍鋅層的不同的晶格層的形成，鍍鋅層就變成了由不同的晶格結構構成的合金化層[2]。

圖1 合金化爐幾何模型

均熱段又分為固定段和移動段，加熱電阻分布其中。加熱電阻是應用電磁加熱的原理工作的：當大塊金屬導體在磁場中運動或處于變化磁場中時，導體內部會出現渦旋電場，產生渦電流。由于大塊導體的電阻很小，因此，渦流的強度很大，會產生很大的焦耳熱[3]。爐內的換熱方式包括加熱電阻與空氣之間和空氣與鋼板之間的對流換熱、鋼板內部的熱傳導、以及加熱電阻與鋼板之間的熱輻射[4]。從流動角度來說，爐內氣體有因溫度升高而自發形成的自然對流，以及由于鋼板傳送帶給流體的摩擦力形成的強迫對流[5]。

3 基于CFD的爐內流場仿真

3.1 計算域的建立及網格的劃分

利用ICEM CFD建立合金化爐保溫段的三維模型，并劃分結構網格[6]。根據流動介質和和傳熱方式的差異，計算模型分為固體域和流體域。固體域模型網格總數為94109，流體域模型網格總數為1914452。如圖2所示。

圖2 合金化均熱爐保溫段幾何計算模型及網格

3.2 數學模型

空氣在均熱爐中的流動可看做三維、穩態流動。紊流模型選用用k－ε雙方程模型。流動和傳熱控制方程如下：

連續性方程：

運動方程：

能量守恒方程：

湍流脈動動能方程：

湍流脈動動能耗散率方程：

其中：

流固耦合方程：在流固耦合交界面處，應滿足流體與固體應力（τ）、位移（d）、熱流量（q）、溫度（T）等變量的相等或守恒，即滿足如下4個方程：

其中，qf指流體的熱改變量，qs指固體的熱該變量[9]。

3.3 邊界條件

根據合金爐現場運行參數，設置邊界條件如下：鋼板運動速度2m／s，初始溫度750K；正常工作時加熱功率58480W／m2；保溫段環境溫度300K；鋼板的傳熱系數：60.5W／（m×K）；固體域壁面無滑移。爐內流動介質為理想氣體。

3.4 數值模擬結果與分析

通過對均熱爐的三維流場仿真，得到爐內氣體運動趨勢和溫度分布，并分析加熱功率對流場和鋼板溫度的影響。圖3為兩種情況下的鋼板表面的溫度分布。

分別對比兩種工況下的溫度云圖，可以看出電阻的加熱功率越大，流體的速度越大，爐內氣體溫度越高。具體對比見表1。

表1 不同工況下，溫度和流速的對比

由表1可見，熱功率增大100%，出口氣體的溫度僅增大4%，說明增大功率并不能解決溫度不高的問題。因為熱功率增大，氣體的浮升力也增大，出口處熱空氣外溢現象明顯，造成熱損失。所以必須抑制熱空氣的外溢，從而提高爐內溫度。

4 基于流場優化的能效提升方案

根據以上流場分析，考慮以在均熱爐出口處增設擋板的方式，來抑制高溫氣流的逸出。在合金化爐出口處加上擋板后，爐內溫度場和速度場如圖4所示。電阻加熱功率相同的情況下，鋼板表面溫度對比情況如圖5所示。

圖3 空氣溫度云圖（＋Z視角） 加擋板后的溫度場

圖5 相同功率下鋼板表面溫度對比

擋板通過減少出口面積，有效地減少了高溫氣流的溢出。顯然，在同等功率下，頂部加上對稱的兩塊擋板可以顯著提高均熱爐內的溫度，鋼板表面平均溫度可達1000K，比不加擋板時提高了75%，從而提升能效。

5 結語

相同電阻熱功率下，頂部加上兩塊擋板可以有效防止高溫氣流溢出，提高爐內溫度，鋼板表面溫度比不加擋板時提高了75%，從而提升能效，達到節能的目的。

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