鍍錫板無鉻鈍化液噴射特性數(shù)值模擬

李樹賢, 牛文勇, 黃鈺迪, 李建平

(東北大學 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室, 遼寧 沈陽 110819)

鍍錫板廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)及制作各種容器、沖壓產(chǎn)品、包裝材料等領(lǐng)域[1].目前對于鍍錫板的鈍化處理主要采用重鉻酸鹽陰極電解鈍化,但其中含有的Cr6+對人體和環(huán)境都有很大傷害.因此對于無鉻鈍化產(chǎn)線的開發(fā)及無鉻鈍化液的均勻噴涂就顯得十分重要.

對于霧化特性的研究一直是一個經(jīng)典的方向, Wang等[2]對液壓支架間多噴嘴干涉噴霧顆粒粒度的分布規(guī)律進行了分析和表征,結(jié)果表明,多噴嘴霧化干涉效應(yīng)可以縮小噴嘴場重疊區(qū)域,提高顆粒分布的均勻性.姜瑞[3]通過改變離心噴嘴的切向槽的入口數(shù)、傾斜角度及霧化工質(zhì)的物性參數(shù),研究了不同參數(shù)條件下的霧化特性,實驗得出隨著傾斜角度的增加,霧化錐角先增大后減小,噴嘴出口處的速度也是先增大后減小.Sato等[4]采用激光全息影法和計算流體動力學(CFD)模擬技術(shù)研究了噴霧碰撞前后液滴Sauter平均直徑(SMD)空間分布差異,并對其影響進行了分析,結(jié)果表明當噴霧碰撞角大于90°時,向前滾動的噴霧液滴SMD較向后滾動的液滴大.對于噴盤噴霧霧化效果及其均勻性的模擬過程鮮有研究.

本文在對某鋼廠現(xiàn)有產(chǎn)線改進的前提下,采用某課題組提供的鈍化液,主要采用ANSYS-Fluent模擬旋轉(zhuǎn)噴盤噴霧裝置散射過程,分別模擬噴盤轉(zhuǎn)速、間距、噴盤與帶鋼距離、噴盤數(shù)量對高速旋轉(zhuǎn)噴盤表面流體霧化均勻性效果的影響規(guī)律,獲取可指導(dǎo)設(shè)備結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù),并采用SEM,XPS對所得產(chǎn)品進行了驗證檢測.

1 實驗方法及過程

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

旋轉(zhuǎn)噴盤簡化后的幾何模型主要由入射口、旋轉(zhuǎn)域、帶鋼、霧化場組成,如圖1所示.根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定入射口直徑為2 mm,旋轉(zhuǎn)噴盤直徑為80 mm,設(shè)置半徑為500 mm的圓形區(qū)域為計算域.Ansys網(wǎng)格劃分的精度對計算結(jié)果精度具有重要意義[5].在二維模型中,內(nèi)外結(jié)構(gòu)的尺寸相差較大,為確保結(jié)果的準確性,中心采用較密集網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖1 旋轉(zhuǎn)噴盤霧化示意圖

圖2 計算域與旋轉(zhuǎn)噴盤網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件及計算方法

在模擬中,入射口設(shè)置為速度進口邊界(velocity-inlet),計算域最外表面圓設(shè)置為流出邊界(outflow),帶鋼接觸面設(shè)置為trap邊界,捕捉邊界對液滴軌跡的運算在邊界終止,可以獲得液滴碰撞鋼板之后的大小等信息.噴盤的高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置為瞬態(tài)運動,需將其網(wǎng)格設(shè)置為滑移網(wǎng)格.在計算過程中,每隔2個單元區(qū)域會分配一定轉(zhuǎn)速,沿網(wǎng)格的界面進行滑動,但這2個單元區(qū)域的網(wǎng)格并不會改變[6].實驗中選用適合帶旋修正的k-ε湍流模型,考慮到液滴的破碎與聚合，選取TAB破碎模型,采用隨機漫步模型追蹤液滴軌跡.求解方式采用Simple算法,設(shè)置時間步長為10-4s,采用Fluent19.2對旋轉(zhuǎn)噴盤表面的霧化流場進行數(shù)值模擬.

2 結(jié)果與討論

2.1 噴盤旋轉(zhuǎn)速度對霧化效果的影響

為了準確觀察液滴在高速旋轉(zhuǎn)的噴盤表面的運行軌跡,通過后處理追蹤單一粒子束在時間為0.05,0.07,0.1 s時的位置分布,如圖3所示.旋轉(zhuǎn)區(qū)域的速度矢量圖如圖4所示,可以明顯觀察到液滴從入射口流出,經(jīng)噴盤高速旋轉(zhuǎn)并與空氣相互作用后,相互碰撞破碎,霧化范圍不斷擴大最終達到鋼板表面.

圖3 液滴在不同時刻的運動軌跡

圖4 旋轉(zhuǎn)區(qū)域的速度矢量圖

選取帶鋼面上與液滴接觸一側(cè)作為液滴采樣表面,收集不同轉(zhuǎn)速下的液滴數(shù)據(jù).不同轉(zhuǎn)速下液滴的算術(shù)平均直徑d32和Sauter平均直徑d10如圖5所示.高速旋轉(zhuǎn)的噴盤產(chǎn)生了離心場,液滴在這一過程中碰撞破碎加劇,轉(zhuǎn)速越高,破碎效果越明顯,液滴直徑越小.單液滴的直徑信息并不能完全表示整體的發(fā)散程度,對不同轉(zhuǎn)速下采樣表面液滴直徑分布進行了統(tǒng)計,如圖6所示.為了更好對比液滴直徑分布,選取柱狀圖中數(shù)目前三的液滴直徑進行分析.當轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時,液滴直徑主要集中在90～115 μm,占比71%,在這一區(qū)間,分布均勻,各粒徑大小區(qū)域內(nèi)的液滴百分比數(shù)量相當;轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時,液滴直徑經(jīng)過破碎后明顯減小,直徑55～80 μm的液滴為76%,液滴尺寸分布較為集中.液滴尺寸不同表明旋轉(zhuǎn)后霧化程度差距明顯,效果也會不同,因此需要控制液滴集中分布在某一尺寸范圍內(nèi),才能保證噴涂均勻,霧化效果更好.液滴直徑尺寸差值在20 μm內(nèi)的液滴數(shù)目占采樣表面全部液滴數(shù)超過70%,認為液滴達到使用要求.液滴速度對液滴破碎造成一定影響,因此需要對其速度分布進行統(tǒng)計,如圖7所示.分析表明液滴速度隨轉(zhuǎn)速的增加而增大,不同轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的速度峰值及液滴集中程度差異明顯,不同轉(zhuǎn)速下液滴速度主要集中在峰值位置處.轉(zhuǎn)速n為2 000 r/min時,液滴速度集中在2.5 m/s;n為6 000 r/min時,速度小于5.5 m/s的液滴占比很小,速度大致分布在5～7 m/s之間.結(jié)合以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,轉(zhuǎn)速增加,液滴速度隨之增加,液滴的破碎效果明顯,直徑明顯下降,在所要求尺寸范圍內(nèi)分布更加集中,霧化效果更明顯.因此,為了保證霧化效果,達到液滴尺寸大小分布和占比,選用轉(zhuǎn)速為6 000 r/min更為合適.

圖5 不同轉(zhuǎn)速下采樣表面液滴算術(shù)平均直徑和Sauter平均直徑

2.2 噴盤與帶鋼距離對霧化特性的影響

噴盤與帶鋼間距也會對霧化效果產(chǎn)生很大影響.在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時,選取噴盤與帶鋼之間的距離H分別為40, 60, 80,100,120 mm進行

圖6 不同轉(zhuǎn)速下采樣表面液滴直徑分布

圖7 不同轉(zhuǎn)速下液滴速度分布

模擬,選取一個最佳的距離.在噴涂過程中,不同距離噴出的液滴沿帶鋼寬度方向分布差異明顯,帶鋼與液滴接觸一側(cè)采集的液滴沿帶鋼方向的分布如圖8所示.可以明顯觀察到液滴在不同工況下均為兩側(cè)均勻正態(tài)分布,并且液滴主要集中分布在以滯止點為中心半徑100 mm內(nèi).為了對比噴盤與帶鋼距離所造成的差距,對帶鋼中心100 mm范圍內(nèi)的液滴進行統(tǒng)計.當H=40 mm時,霧化范圍內(nèi)的液滴所占比例為78%;當H=120 mm時,所占比例下降至74%.可見隨著距離的增加,液滴受到空氣曳力越大,使液滴衰減較多,導(dǎo)致采樣面的液滴總量變少,滯止點中心范圍內(nèi)密度下降,減小帶鋼與噴盤的距離以保證更多的有效涂覆量,可以更好滿足實際要求.液滴的涂覆量與其速度關(guān)系密切,當液滴從噴盤轉(zhuǎn)出的速度較大時,即使受到一定阻力也能保證其涂覆到帶鋼表面,相反,如果速度較小,由于空氣曳力及液滴間的干涉現(xiàn)象,還未到達鋼板速度衰減為0,就不能保證一定的涂覆量.對不同距離處帶鋼面上的液滴速度統(tǒng)計如圖9所示,帶鋼上采樣面液滴速度呈中心對稱分布并隨距離的增加呈現(xiàn)下降趨勢.噴盤與帶鋼距離超過100 mm后液滴沿帶鋼采樣面分布基本不再變化,與速度變化趨勢具有一定相關(guān)性.當n=6 000 r/min時,為避免帶鋼與噴盤距離較近時對帶鋼運行的影響,距離應(yīng)大于40 mm,才能保證帶鋼的運行不受干擾.為了保證無鉻鈍化液的均勻噴涂,兩側(cè)的液滴應(yīng)均勻分布.在100 mm后,帶鋼兩側(cè)液滴分布基本不變,均在有效范圍內(nèi),距離越近,液滴數(shù)量越多,分布密集程度較好,鈍化液的利用率越高,選用H=100 mm更合適.

2.3 噴盤間距對霧化特性的影響

噴盤排布會對霧化范圍造成嚴重影響,間距較小干涉現(xiàn)象嚴重,會使液滴分布不均勻,難以保證霧化效果.選取噴盤間距h分別為40,60,80,100,120 mm時進行計算,討論不同噴盤間距對霧化均勻性的影響.隨噴盤間距的增加,液滴碰撞聚合增多,液滴的Sauter直徑增大,但直徑的變化幅度不大.當噴盤間距為40 mm時,液滴的平均Sauter直徑為73.9 μm;當噴盤間距增加到120 mm時,平均Sauter直徑增加到75.2 μm.5種噴盤間距下的液滴沿帶鋼寬度的分布如圖10所示.隨著噴盤間距的增加,在滯止點附近噴霧液滴所占百分比有所下降.噴盤間距為40 mm時, 霧化范圍比較集中, 但區(qū)域較窄, 間距增大,涉區(qū)中心液滴所占百分比下降,霧化范圍變寬.這是因為噴盤間距較小時,液滴的干涉區(qū)域較大,液滴之間的相互作用變強,更容易碰撞和聚合,因此在這一區(qū)域液滴更為集中,形成的霧化區(qū)域更窄.為了綜合考慮液滴的霧化情況,對采樣表面液滴的速度分布進行了統(tǒng)計,如圖11所示.改變噴盤間距,液滴的速度分布趨勢大致相同, 在鋼板中心向兩邊速度逐漸增大,其中心出現(xiàn)速度的低谷,這是因為鋼板的中心為兩轉(zhuǎn)盤液滴的最遠交叉點,干涉現(xiàn)象的作用加上液滴在噴涂過程中受到的阻力影響,導(dǎo)致速度衰減嚴重,因此到達鋼板時速度達到了最小值.h=40 mm時,液滴速度為2 m/s;h=120 mm時,液滴速度為1 m/s.噴盤間距增加, 導(dǎo)致液滴碰撞時間和碰撞面積下降.考慮到帶鋼兩側(cè)液滴的均勻性,最終選擇80 mm作為應(yīng)用距離.

圖8 噴盤與帶鋼不同距離處采樣表面液滴分布

圖9 噴盤距帶鋼不同距離時采樣表面液滴速度分布

圖10 不同噴盤間距采樣表面液滴沿帶鋼寬度方向分布

圖11 不同噴盤間距下采樣表面液滴速度沿帶鋼寬度方向分布

2.4 噴盤數(shù)量對霧化特性的影響

為保證生產(chǎn)效率,在實際生產(chǎn)時要保證帶鋼的寬度,因此多個噴盤布置之后的霧化情況更值得深入研究.多噴盤模型采用之前的模擬參數(shù),噴盤轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min,噴盤與帶鋼的間距H=100 mm,各噴盤之間的距離h=80 mm,增設(shè)了三噴盤的霧化模型,與之前的單噴盤、雙噴盤進行對比分析,進一步了解干涉區(qū)域液滴之間的相互作用.單噴盤模型時,液滴的平均直徑和平均Sauter直徑分別為75.2,81.3 μm;三噴盤模型時,液滴的平均直徑和平均Sauter直徑分別降低至72.3,76.5 μm.這是由于噴盤并列排布時,液滴之間的聚合及破碎現(xiàn)象都會增加,相鄰噴盤的液滴互相干擾加劇,相互碰撞、重合的概率隨之增大,粒徑較大的液滴可以進一步碎化,提高區(qū)域內(nèi)液滴分布的均勻性,使得液滴的最小直徑有所減小,最大直徑有所增加.由于這一過程中聚合破碎的比例大致相同,甚至破碎更有優(yōu)勢,因此直徑呈下降趨勢,但變化不明顯.為進一步探究噴盤數(shù)對霧化程度的影響,對不同直徑所占百分比進行了統(tǒng)計,如圖12所示.

在單噴盤情況下, 50～90 μm的液滴比例約為76%;在雙噴盤情況下45～90 μm的液滴比例為79%;在三噴盤情況下,45～95 μm的液滴比例約為81%.可知增加噴盤個數(shù)后,滿足液滴粒徑尺寸的區(qū)間范圍增大,可提高霧化效果的均勻性.研究了液滴沿帶鋼方向的速度分布,液滴的速度不僅對霧化程度有影響,還對無鉻鈍化液的附著力具有重要意義.液滴的速度分布圖如圖13所示,可知單噴盤時霧化液滴速度大約在4～6 m/s范圍內(nèi),滯止點中心的液滴速度與周圍液滴速度相差約3 m/s,且速度從邊部到中心點急劇增長,造成帶鋼表面線上速度分布很不均勻.雙噴盤時的液滴速度主要為5～8 m/s,存在兩個干涉區(qū),過渡區(qū)的速度約為5 m/s;三噴盤時的霧滴速度為5.25～6.5 m/s.增加噴盤數(shù)量, 一定范圍內(nèi)液滴速度差值減小,分布更加均勻.隨噴盤數(shù)的增加,液滴數(shù)增加,聚合后速度減小,整體上增加噴盤數(shù)對液滴的速度影響不大.

圖12 不同噴盤數(shù)的液滴直徑分布

圖13 不同噴盤數(shù)時采樣面液滴速度分布

2.5 無鉻鈍化膜的試驗研究及性能分析

采用模擬參數(shù)對獲得的無鉻鈍化膜進行了分析檢測,并對未鈍化和有鉻鈍化膜進行了對比.由圖14可知,未鈍化鍍錫板的表面分布著大小相近的圓形微孔,凹坑缺陷處為加工中的氧化鐵殘留,熱軋時帶鋼表面會壓入部分鐵皮,酸洗后會殘留下凹坑[7],對基板自身的耐蝕性造成影響,但對鍍錫后的表面層幾乎沒有影響.軟熔后的表層存在較多的紋路與凹陷,由于板的錫層很薄,紋路與凹陷應(yīng)為軋制基板時軋輥引起,軟熔后的流平作用也未使其消除[8].與鈍化前的鍍錫板相比,現(xiàn)場制備的無鉻鈍化鍍錫板表面并未見明顯變化,與鉻酸鹽鈍化后的產(chǎn)品也未見明顯差異,但軋制時氧化鐵皮的壓入也會使表面分布著微型圓孔.經(jīng)過無鉻鈍化后,膜的整體結(jié)構(gòu)較為致密,表面平整無裂紋,會在鍍錫板表面凹陷不平處聚集,對鍍錫層具有良好完整的覆蓋性,能夠起到一定的保護作用.

圖14 不同處理工藝下鍍錫板表面形貌

2.6 鈍化膜元素分析

不同工藝下鍍錫板全譜如圖15所示,采用無鉻鈍化工藝后,表面除了基體成分Sn,Fe,外,還存在Zr,Ti元素,說明鍍錫板表面存在鈍化膜,各元素的具體含量如表1所示.

圖15 不同處理工藝下XPS掃描譜圖

表1 不同處理工藝下元素的原子分數(shù)

無鉻鈍化面掃元素分布如圖16所示,可知,Ti,Zr元素作為鈍化膜骨架分布在鍍錫板表面,采用噴涂和擠干設(shè)備無鉻鈍化實驗板.由于噴霧設(shè)備霧化效果良好,各元素均勻分布在鍍錫板表面,鈍化液成膜效果更好.

圖16 無鉻鈍化面掃元素分布圖

3 結(jié) 論

1) 在噴盤高速旋轉(zhuǎn)離心霧化過程中,離心力為主導(dǎo)作用,轉(zhuǎn)速變化對噴盤霧化的液滴直徑有直接影響,轉(zhuǎn)速越高,液滴的平均直徑越小,噴盤轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min時,液滴破碎直徑為55～80 μm,占比76%.

2) 隨帶鋼與噴盤距離的增加,液滴集中在一定范圍內(nèi)的液滴所占百分比下降,為了保證霧化寬度和效果,選取H=100 mm作為帶鋼與噴盤的距離.

3) 噴盤之間間距變化時,液滴干涉區(qū)域和液滴之間的碰撞隨之變化,噴盤間距增加,干涉區(qū)的液滴霧化寬度及所占百分比有所減小,選取噴盤間距h=80 mm作為應(yīng)用距離.

4) 隨噴盤數(shù)量的增加,液滴之間的碰撞及聚合作用加劇,液滴平均直徑呈細微變小的趨勢,可提高液滴粒徑和速度分布的均勻性,在一定程度上提升霧化效果.

5) 采用實驗參數(shù)制得的無鉻鈍化膜表面光滑平整,不存在裂紋和空洞等缺陷,無鉻鈍化液均勻覆蓋在基板上.