雷 鵬，徐柏聰，方 枝，溫 蒙，梅 丹

（武漢科技大學(xué) 冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jīng)濟(jì)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(yīng)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(jìn)行擴(kuò)散退火，使鍍鋅層與鋼基體之間發(fā)生擴(kuò)散和反應(yīng)，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(shí)間等都是影響合金化鍍層結(jié)構(gòu)的重要因素，在生產(chǎn)過程中必須對(duì)這些因素進(jìn)行嚴(yán)格地控制才能得到符合要求的產(chǎn)品。通過理論研究和CFD仿真技術(shù)，計(jì)算加熱爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，分析爐內(nèi)溫度達(dá)不到工藝要求的原因，并據(jù)此提出流場(chǎng)優(yōu)化方案，在不增加加熱功率的條件下，顯著提高爐內(nèi)溫度從而提高能效。

2 合金化均熱爐生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)溫度，使鍍鋅層與鋼基體之間發(fā)生擴(kuò)散和反應(yīng)，并形成合適的合金相結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(dòng)段，加熱電阻分布其中。加熱電阻是應(yīng)用電磁加熱的原理工作的：當(dāng)大塊金屬導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)或處于變化磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)渦旋電場(chǎng)，產(chǎn)生渦電流。由于大塊導(dǎo)體的電阻很小，因此，渦流的強(qiáng)度很大，會(huì)產(chǎn)生很大的焦耳熱[3]。爐內(nèi)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(duì)流換熱、鋼板內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、以及加熱電阻與鋼板之間的熱輻射[4]。從流動(dòng)角度來說，爐內(nèi)氣體有因溫度升高而自發(fā)形成的自然對(duì)流，以及由于鋼板傳送帶給流體的摩擦力形成的強(qiáng)迫對(duì)流[5]。

3 基于CFD的爐內(nèi)流場(chǎng)仿真

3.1 計(jì)算域的建立及網(wǎng)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格[6]。根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)和和傳熱方式的差異，計(jì)算模型分為固體域和流體域。固體域模型網(wǎng)格總數(shù)為94109，流體域模型網(wǎng)格總數(shù)為1914452。如圖2所示。

圖2 合金化均熱爐保溫段幾何計(jì)算模型及網(wǎng)格

3.2 數(shù)學(xué)模型

空氣在均熱爐中的流動(dòng)可看做三維、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。紊流模型選用用k－ε雙方程模型。流動(dòng)和傳熱控制方程如下：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

能量守恒方程：

湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程：

湍流脈動(dòng)動(dòng)能耗散率方程：

其中：

流固耦合方程：在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體與固體應(yīng)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(gè)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(jù)合金爐現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置邊界條件如下：鋼板運(yùn)動(dòng)速度2m／s，初始溫度750K；正常工作時(shí)加熱功率58480W／m2；保溫段環(huán)境溫度300K；鋼板的傳熱系數(shù)：60.5W／（m×K）；固體域壁面無滑移。爐內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為理想氣體。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過對(duì)均熱爐的三維流場(chǎng)仿真，得到爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和溫度分布，并分析加熱功率對(duì)流場(chǎng)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(duì)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(nèi)氣體溫度越高。具體對(duì)比見表1。

表1 不同工況下，溫度和流速的對(duì)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?yàn)闊峁β试龃螅瑲怏w的浮升力也增大，出口處熱空氣外溢現(xiàn)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(nèi)溫度。

4 基于流場(chǎng)優(yōu)化的能效提升方案

根據(jù)以上流場(chǎng)分析，考慮以在均熱爐出口處增設(shè)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(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)如圖4所示。電阻加熱功率相同的情況下，鋼板表面溫度對(duì)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(chǎng)

圖5 相同功率下鋼板表面溫度對(duì)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(duì)稱的兩塊擋板可以顯著提高均熱爐內(nèi)的溫度，鋼板表面平均溫度可達(dá)1000K，比不加擋板時(shí)提高了75%，從而提升能效。

5 結(jié)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(nèi)溫度，鋼板表面溫度比不加擋板時(shí)提高了75%，從而提升能效，達(dá)到節(jié)能的目的。

[1]程 浩.新編連續(xù)熱鍍鋅鋼板實(shí)用手冊(cè)[M].北京：北方工業(yè)出版社，2007.

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[3]廖耀發(fā).大學(xué)物理教程（上冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，1998：245.

[4]陳 黟，吳味隆.熱工學(xué)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2010：114～115.

[5]蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)（第五版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012：270～273.

[6]紀(jì)兵兵，陳金瓶.ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012：154～162.

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