氣刀工藝參數(shù)對熱鍍鋅板亮點缺陷的影響分析與模擬

鮑成人，康永林*，李研

（1.北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200）

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氣刀工藝參數(shù)對熱鍍鋅板亮點缺陷的影響分析與模擬

鮑成人1，2，康永林1，*，李研2

（1.北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200）

針對厚度規(guī)格在2.0 mm以上，雙面鋅重大于180 g/m2的熱鍍鋅鋼板生產過程中帶鋼表面極易出現(xiàn)亮點缺陷的問題，采用掃描電鏡對缺陷表面及截面進行觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷位置的鋅層偏薄，呈現(xiàn)明顯的凹坑狀。運用 Fluent軟件對氣刀吹鋅過程的氣體流動情況進行三維數(shù)值模擬，通過分析得出厚規(guī)格鍍鋅板生產過程中氣刀射程過大是造成該亮點缺陷的主要原因。通過調整氣刀工藝參數(shù)，有效避免了帶鋼表面亮點缺陷的發(fā)生。

熱鍍鋅；亮點缺陷；厚度；氣刀吹掃；數(shù)值模擬

First-author's address: School of Materials Science and Engineering， University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China

熱鍍鋅板具有良好的耐蝕性、加工成型性、焊接性及涂裝性等優(yōu)點，在汽車、建筑和家電行業(yè)得到廣泛應用。隨著各企業(yè)鍍鋅產品表面質量的逐步提升，客戶對鍍鋅板表面質量的要求也越來越嚴格［1-2］。亮點缺陷是純鋅鍍層表面一種常見且非常細微的缺陷，其產生原因復雜，主要有以下幾個方面：鍍鋅基板表面缺陷，鍍鋅過程中清洗不良，爐內異物壓入，鍍鋅過程中產生的缺陷，鋅渣與鋅灰，氣刀吹掃飛濺，光整工作輥表面異物粘附，等等［3-4］。本文針對產線生產時出現(xiàn)的亮點缺陷，研究了其微觀形貌和成分，對其產生原因進行了分析，并采用數(shù)值模擬的方法考察了氣刀工藝參數(shù)，提出解決方案和應對措施。

1　試驗材料及方法

試驗材料為厚度規(guī)格在2.0 mm以上，鋅重大于Z180（即雙面180 g/m2）的熱鍍鋅鋼板，現(xiàn)場生產停機后在氣刀上方冷卻塔前取樣，從而排除冷卻塔塔頂輥、光整機等后續(xù)輥系對缺陷的影響。首先對缺陷進行宏觀形貌分析，并選取典型的缺陷區(qū)域進行取樣，對基板進行掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）分析。然后將局部的樣品置于體積分數(shù)為50%的鹽酸溶液中浸泡5 min，清洗掉表面殘留的鋅層和鹽酸溶液，進行宏觀形貌分析。

選用模擬仿真軟件Fluent分析氣刀氣體流場對鋅層表面的影響，該軟件可用來模擬和分析復雜幾何區(qū)域內的流體流動與傳熱現(xiàn)象，從不可壓流到中等程度可壓流乃至高度可壓流范圍內的復雜流場都適用。該軟件采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，因此能達到好的收斂精度［5-6］。結合圖1所示的現(xiàn)場氣刀設備實際情況，簡化并建立氣刀噴吹帶鋼表面的三維模型，如圖2所示。

圖1 氣刀吹鋅過程示意圖Figure 1 Diagram showing the process of air knife blowing

圖2 氣刀吹鋅過程的三維模型Figure 2 3D model simulating the air knife blowing process

氣刀對稱安裝于帶鋼兩側，原點位于兩側氣刀之間軸向平面上的帶鋼邊部處，氣流噴吹方向為 x方向，帶鋼運行方向為y方向，帶鋼寬度方向為z方向。在氣刀結構一定的情況下，高速氣流經過氣刀腔形成均勻穩(wěn)定的流場，可不對氣刀腔進行建模［7］。由于氣刀寬度方向上具有對稱性，取1/2氣刀寬度為計算區(qū)域可簡化計算。本次數(shù)值模擬建立的三維模型的網格劃分采用六面體網格，在氣刀出口、帶鋼邊部以及壁面附近區(qū)域進行網格加密，網格數(shù)量約為150萬。

2　亮點缺陷組織分析

亮點缺陷的形貌如圖3所示，從圖3a的宏觀形貌上看大概有20多個亮點缺陷，其特點為：呈彗星狀，存在明顯的拖尾，在帶鋼上下表面不規(guī)則分布，邊部較為嚴重，中部較為輕微。為確定該缺陷的形成原因，對缺陷進行了微觀形貌觀察以及能譜分析。圖3b為缺陷處的SEM照片，從中看出此缺陷呈現(xiàn)一個不規(guī)則形狀，邊部發(fā)白，有凸起感。圖3c為亮點缺陷放大200倍的SEM照片，可見這種亮點缺陷實際上是一個約3 mm長的凹坑，亮點缺陷位置的表面形貌與正常位置存在明顯差異。采用掃描電鏡對亮點缺陷位置的截面進行了觀察，見圖3d，亮點缺陷的截面高度明顯降低。

圖3 熱鍍鋅板表面亮點缺陷形貌Figure 3 Morphology of bright spot defect on surface of hot-dip galvanized steel strip

采用體積分數(shù)為50%的鹽酸溶液浸泡5 min后，清洗掉表面殘留的鋅層和鹽酸溶液，對缺陷位置的基板表面進行觀察，如圖4a所示，從中可見亮點位置附近鍍鋅基板形貌正常。繼續(xù)對缺陷進行了能譜分析，結果見圖4b，亮點缺陷處的主要成分為Fe，無退火過程中產生的氧化物，說明與基板以及退火工藝無關，應是鍍鋅氣刀工藝所產生，主要為鍍層不均勻所導致。

圖4 缺陷位置基板表面形貌及能譜分析Figure 4 Morphology image and energy-dispersive spectrum at the position where bright spot defect appeared on the black plate

對帶鋼生產過程中氣刀的工藝參數(shù)進行了反查，檢測了3卷，每卷取3個樣品，取平均值，結果見圖5。由圖5可以看出，單位面積（每平方米）內亮點個數(shù)與氣刀射程有對應關系，并且在氣刀射程大于12 mm時，帶鋼亮點個數(shù)明顯增多。

圖5 亮點個數(shù)與氣刀射程的對應關系Figure 5 Relationship between the number of bright spot and the distance between air knife and steel strip

氣刀工藝參數(shù)的選擇主要影響氣刀的氣流對帶鋼表面壓力的分布，進而影響帶鋼表面鍍層的均勻性，因此需要對氣刀壓力分布情況進行分析。

3　氣刀參數(shù)數(shù)值模擬分析

3. 1 邊界條件設置

將入口邊界條件設為壓力進口邊界條件（Pressure-inlet），壓力范圍為15 ～ 50 kPa。將出口邊界條件設為壓力出口邊界條件（Pressure-outlet），出口處與大氣相接通，所以壓力設為一個大氣壓（101.325 kPa）。帶鋼表面、氣刀壁面都設為壁面邊界（Wall），并采用非平衡壁面函數(shù)法（Non-equilibrium wall function），其中帶鋼表面在Fluent里設置其為可移動邊界條件（Moving wall），速率范圍為0.5 ～ 2.0 m/s。

3. 2 氣刀工況參數(shù)選取

為研究各主要工藝參數(shù)對氣刀刮鋅作用的影響規(guī)律，根據現(xiàn)場提供的實際氣刀的各種工況參數(shù)來模擬帶鋼表面受力分布，設計進氣壓力P0分別為15、20、25、30、35、40、45和50 kPa，射程Z分別為8、10、11、12、13、14、16、18、20和22 mm。

通過定義正壓力峰值Pmax和壓力半值寬b描述指標，可以定量表征氣刀工作機理，有利于建立鋅層厚度控制數(shù)學模型。

Pmax──氣刀噴吹作用下帶鋼表面正壓力的峰值，該值越大，刮鋅能力越強。

b──帶鋼表面正壓力衰減為峰值的一半時距刀唇中心線的距離，該值越小，氣流越集中，鍍層均勻性越好。

3. 3 氣刀進氣壓力的影響

氣刀進氣壓力是鋅層厚度控制工藝中最重要的工藝參數(shù)，也是鋅層厚度控制中的主要工藝手段。開口度取為定值（D = 1.2 mm），進氣壓力P0取值范圍為15 ～ 50 kPa，分10、14和18 mm三種射程值進行模擬計算，研究不同氣刀進氣壓力對帶鋼表面壓力分布情況的影響。

從圖6和圖7可以看出，當進氣壓力增加時，正壓力峰值隨之增加，二者呈明顯的線性關系，并且隨著射程Z（刀唇與帶鋼表面距離）變大，正壓力峰值的變化幅度有所減弱；壓力半值寬b隨進氣壓力的增加而減小，并且隨著射程Z變大，壓力半值寬的變化幅度增大。

圖6 不同氣刀射程下正壓力峰值Pmax隨進氣壓力P0的變化Figure 6 Variation of positive peak pressure Pmax with inlet pressure P0 at different distance between air knife and steel strip

圖7 不同氣刀射程下壓力半值寬b隨進氣壓力P0的變化Figure 7 Variation of half-pressure distance b with inlet pressure P0 at different distance between air knife and steel strip

綜上可知，當進氣壓力增大時，帶鋼表面正壓力峰值會隨之線性增大，與此同時，壓力半值寬隨之減小，意味著氣刀噴吹出來的氣流更加集中，因而在其他因素不變的情況下，更有利于獲得均勻的鍍層。

圖8 不同進氣壓力下正壓力峰值Pmax隨氣刀射程Z的變化Figure 8 Variation of positive peak pressure Pmax with the distance Z between air knife and steel strip at different inlet pressures

圖9 不同進氣壓力下壓力半值寬b隨氣刀射程Z的變化Figure 9 Variation of half-pressure distance b with the distance Z between air knife and steel strip at different inlet pressures

綜上可知，當氣刀射程Z在8 ～ 12 mm范圍內時，壓力分布隨射程增加的變化并不明顯，由于帶鋼表面正壓力峰值衰減較小，同時壓力半值寬較小，說明氣流集中，因此氣刀刮鋅能力較強；當Z ＞12 mm后，隨著射程增加，正壓力峰值開始迅速衰減，而壓力半值寬的增大也說明氣流不斷發(fā)散，因此氣刀刮鋅能力迅速減弱，鍍層均勻性會變差。

根據以上分析結果，結合現(xiàn)場實際，采用光學顯微鏡對鍍鋅板截面進行觀察測量，獲得沿帶鋼寬度方向鋅層厚度分布情況，如圖10所示。由圖10可見，將氣刀射程范圍由原來的8 ～ 25 mm縮小為8 ～ 12 mm，使得鋅層厚度沿帶鋼寬度方向的均勻性得到明顯改善，同時帶鋼亮點缺陷的問題得到解決。

4　結論

（1） 厚規(guī)格鍍鋅板亮點缺陷位置為凹坑，鋅層明顯較正常位置偏薄，缺陷位置的基板表面形貌無異常，可以認為是鋅層不均勻所致。

（2） 氣刀壓力和射程會對帶鋼表面的正壓力及壓力半寬值產生明顯影響，射程大于12 mm會使氣流分散，降低刮鋅能力，使鋅層均勻性變差，從而導致亮點缺陷產生。

（3） 生產厚鍍層帶鋼時，氣刀的射程設為8 ～ 12 mm，可以獲得均勻鍍層，有效避免亮點缺陷的產生。

［1］ 康永林. 近年我國熱軋及冷軋板帶生產現(xiàn)狀分析［J］. 鞍鋼技術， 2013 （1）: 1-5.

［2］ 張啟富， 劉邦津， 黃健中. 現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社， 2007.

［3］ GOSSET A， BUCHLIN J M. Jet wiping in hot-dip galvanization ［J］. Journal of Fluids Engineering， 2007， 129 （4）: 466-475.

［4］ 仲海峰， 劉邦津， 張啟富. 國外鋼板熱鍍鋅技術進展［J］. 腐蝕與防護， 2002， 23 （11）: 474-478.

［5］ TAKEISHI Y， MORINO H. Mechanism and prevention of edge over coating in continuous hot-dip galvanizing ［J］. ISIJ International， 2000， 40 （11）: 1127-1133.

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［ 編輯：溫靖邦 ］

Analysis and numerical simulation of the effect of air knife parameters on bright spot defect of hot-dip galvanized steel strip

BAO Cheng-ren， KANG Yong-lin*， LI Yan

During the production of hot-dip galvanized steel strip with a thickness over 2.0 mm and a zinc coating weight over 180 g/m2for both side， a kind of bright spot defect is likely to occur on the surface. The surface and cross-section of such defect were observed by scanning electron microscopy. It was found that the defect appears to be a pit due to thinner zinc coating on it compared with the normal positions. The blowing of air knife was simulated using a three-dimensional model established by the software FLUENT. The too long distance between air knife and steel strip was considered to be the main cause for the bright spot defect. The occurrence of bright spot defect was eliminated effectively by modifying the parameters of air knife blowing.

hot-dip galvanizing； bright spot defect； thickness； air knife blowing； numerical simulation

TG174.443

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0402 - 05

2015-11-19

2016-02-25

鮑成人（1981-），男，河北秦皇島人，在讀博士研究生，研究方向為材料科學與工程。

康永林，博士，教授，（E-mail） kangylin@ustb.edu.cn。