·1418 工程科学学报，第38卷，第10期 锌渣是影响镀锌板表面质量的最重要因素网，锌渣在 带钢（出） 镀锌过程中很容易被镀锌钢板黏附，从而形成锌渣缺 回锌管 抽锌管 带钢（进） 陷，控制锌渣的形成对提高热镀锌钢板的表面质量尤 为重要四 国内外学者关于热镀锌的研究大多数集中于锌锅 感应加热 中锌液流场和温度场.为了更好地认识锌液的流动状 上稳定辊 态对锌渣去除的影响，陈海瑞等可对不同工况下锌锅 下稳定辊 沉没辊 感活 内流动与传热进行了数值模拟研究.朱翊淳因对普通 图1锌锅物理模型 锌锅（无体外锌液净化循环系统）内的锌渣分布进行 Fig.1 Physical model of the zinc pot 研究，尝试通过添加挡板的方式减少锌渣在带钢上的 附着.赖焕新等切提到锌渣的运动轨迹是受到其物理 18u CoRe Fp= P D2 24 (2) 性质的影响，运动轨迹的变化将对带钢镀层质量产生 影响，但并没有给出具体的影响规律.因此，研究锌渣 1 p d(u-u) 的不同物性对带钢附着的影响显得非常必要. F.=2 p di (3) 董安平网尝试将电磁净化分离技术应用到热镀锌 式中：u是连续相速度；M。是颗粒速度：μ是流体的分 锅中锌渣的去除，通过抽取锌锅内的锌液至外加电磁 子黏性系数；8，为x方向的重力加速度：p和p。分别是 净化流槽中，经体外循环净化后的锌液再经回锌管重 流体与颗粒的密度；F,是x方向的其他作用力，这些 新流回锌锅内，达到降低锌锅内锌渣浓度的目的.由 “其他”作用力中最重要的是附加质量力，是为了使颗 于抽锌管、回锌管及锌液泵的安置，导致锌锅的流场、 粒周围流体加速而引起的附加作用力；D。是颗粒直 温度场和锌渣浓度场均发生变化，特别是锌渣浓度场 径；Re是相对雷诺数；Cn为曳力系数；1a,和a是由 的变化可能会为钢板表面质量带来较大的影响.因 Re确定的系数，表达式如下： 此，研究体外循环系统下锌渣在带钢上的浓度分布及 e=p吧，lu。-ul (4) 锌渣在锌锅内的扩散显得很有必要. L 本文通过Ansys Fluent对锌锅内锌渣的扩散和运 ,2,3 动规律进行数值模拟，采用基于欧拉一拉格朗日方法 Co=a)Re+Re (5) 的离散相模型(discrete phase model,DPM),模拟流场 这里采用随机轨道模型来计算锌液湍流流动对锌 中的离散相，可以对锌渣颗粒运动轨迹进行跟踪.假 渣运动轨迹的影响.该模型假定锌渣和锌液湍流之间 设体外循环系统净化效率0%的情况下，分析通过回 的相互影响等同于很多小漩涡的干扰过程.同时假定 锌管的锌渣颗粒的扩散，并且给出不同锌渣颗粒在带 每个漩涡上速度的脉动分量满足正态分布.对于k一ε 钢上的沉积规律及在在锌锅内的扩散轨迹，从而为合 模型计算的流动，各点的湍动能是已知的，根据各向同 理制定体外电磁循环净化分离锌渣的方案提供依据. 性假设，则有 (6) 物理和数值计算方法 u'=专√a2=专√2k乃. 式中，“为流体脉动速度，专为正态分布的随机数， 1.1物理模型 √之为当地速度脉动的均方根值，k为湍流动能。通 根据某钢厂在役锌锅尺寸建立如图1模型（电磁 过以上各式，即可求出锌渣颗粒在各个方向上的瞬时 净化装置不是本文分析重点，故进行简化处理)，其几 速度和随机轨道位置 何尺寸为7.12m×3.64m×2.50m,其中抽锌管与回锌 管直径为0.1m.坐标原点位于锌液表面最右侧中心 2边界条件 位置A点 2.1壁面条件 1.2离散相模型 锌锅四周及底部按照壁面处理，为无滑移边界条 假设锌渣为球形颗粒，锌渣颗粒在Lagrangian坐 标系下模拟离散相并弥散在连续相锌液中.根据作用 件，锌渣颗粒与锌锅壁及带钢碰撞类型为rp,抽锌管 与回锌管设为escape类型.带钢设为移动边界，稳定 在锌渣颗粒上平衡力，可以得到锌渣颗粒在Lagrangian 辊及沉没辊设为旋转边界.锌渣的初始体积分数为 坐标系下的运动方程（颗粒惯性=作用在颗粒上的各 0.12%.本实验工况的带钢速度为2ms,带钢宽度 种力)，如式(1)所示. 为1800mm,带钢进锅温度为465℃，抽锌管和回锌管 =F.(u-4,)+g.p,-p)p,+(（) 的质量流量为10th d工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 锌渣是影响镀锌板表面质量的最重要因素［3］，锌渣在 镀锌过程中很容易被镀锌钢板黏附，从而形成锌渣缺 陷，控制锌渣的形成对提高热镀锌钢板的表面质量尤 为重要［4］． 国内外学者关于热镀锌的研究大多数集中于锌锅 中锌液流场和温度场． 为了更好地认识锌液的流动状 态对锌渣去除的影响，陈海瑞等［5］对不同工况下锌锅 内流动与传热进行了数值模拟研究． 朱翊淳［6］对普通 锌锅( 无体外锌液净化循环系统) 内的锌渣分布进行 研究，尝试通过添加挡板的方式减少锌渣在带钢上的 附着． 赖焕新等［7］提到锌渣的运动轨迹是受到其物理 性质的影响，运动轨迹的变化将对带钢镀层质量产生 影响，但并没有给出具体的影响规律． 因此，研究锌渣 的不同物性对带钢附着的影响显得非常必要． 董安平［8］尝试将电磁净化分离技术应用到热镀锌 锅中锌渣的去除，通过抽取锌锅内的锌液至外加电磁 净化流槽中，经体外循环净化后的锌液再经回锌管重 新流回锌锅内，达到降低锌锅内锌渣浓度的目的． 由 于抽锌管、回锌管及锌液泵的安置，导致锌锅的流场、 温度场和锌渣浓度场均发生变化，特别是锌渣浓度场 的变化可能会为钢板表面质量带来较大的影响． 因 此，研究体外循环系统下锌渣在带钢上的浓度分布及 锌渣在锌锅内的扩散显得很有必要． 本文通过 Ansys Fluent 对锌锅内锌渣的扩散和运 动规律进行数值模拟，采用基于欧拉--拉格朗日方法 的离散相模型( discrete phase model，DPM) ，模拟流场 中的离散相，可以对锌渣颗粒运动轨迹进行跟踪． 假 设体外循环系统净化效率 0% 的情况下，分析通过回 锌管的锌渣颗粒的扩散，并且给出不同锌渣颗粒在带 钢上的沉积规律及在在锌锅内的扩散轨迹，从而为合 理制定体外电磁循环净化分离锌渣的方案提供依据． 1 物理和数值计算方法 1. 1 物理模型 根据某钢厂在役锌锅尺寸建立如图 1 模型( 电磁 净化装置不是本文分析重点，故进行简化处理) ，其几 何尺寸为7. 12 m × 3. 64 m × 2. 50 m，其中抽锌管与回锌 管直径为 0. 1 m． 坐标原点位于锌液表面最右侧中心 位置 A 点． 1. 2 离散相模型 假设锌渣为球形颗粒，锌渣颗粒在 Lagrangian 坐 标系下模拟离散相并弥散在连续相锌液中． 根据作用 在锌渣颗粒上平衡力，可以得到锌渣颗粒在 Lagrangian 坐标系下的运动方程( 颗粒惯性 = 作用在颗粒上的各 种力) ，如式( 1) 所示． dup dt = FD ( u － up ) + gx ( ρp － ρ) /ρp + Fx ． ( 1) 图 1 锌锅物理模型 Fig． 1 Physical model of the zinc pot FD = 18μ ρpD2 p CD Ｒe 24 ． ( 2) Fx = 1 2 ρ ρp d( u － up ) dt ． ( 3) 式中: u 是连续相速度; up 是颗粒速度; μ 是流体的分 子黏性系数; gx 为 x 方向的重力加速度; ρ 和 ρp 分别是 流体与颗粒的密度; Fx 是 x 方向的其他作用力，这些 “其他”作用力中最重要的是附加质量力，是为了使颗 粒周围流体加速而引起的附加作用力; Dp 是颗粒直 径; Ｒe 是相对雷诺数; CD为曳力系数; α1、α2 和 α3 是由 Ｒe 确定的系数［9］，表达式如下: Ｒe = ρDp | up － u | μ ． ( 4) CD = α1 + α2 Ｒe + α3 Ｒe2 ． ( 5) 这里采用随机轨道模型来计算锌液湍流流动对锌 渣运动轨迹的影响． 该模型假定锌渣和锌液湍流之间 的相互影响等同于很多小漩涡的干扰过程． 同时假定 每个漩涡上速度的脉动分量满足正态分布． 对于 k--ε 模型计算的流动，各点的湍动能是已知的，根据各向同 性假设，则有 u' = ξ 槡u'2 = ξ 槡2k /3． ( 6) 式中，u'为 流 体 脉 动 速 度，ξ 为 正 态 分 布 的 随 机 数， 槡u'2 为当地速度脉动的均方根值，k 为湍流动能． 通 过以上各式，即可求出锌渣颗粒在各个方向上的瞬时 速度和随机轨道位置． 2 边界条件 2. 1 壁面条件 锌锅四周及底部按照壁面处理，为无滑移边界条 件，锌渣颗粒与锌锅壁及带钢碰撞类型为 trap，抽锌管 与回锌管设为 escape 类型． 带钢设为移动边界，稳定 辊及沉没辊设为旋转边界． 锌渣的初始体积分数为 0. 12% ． 本实验工况的带钢速度为 2 m·s － 1，带钢宽度 为 1800 mm，带钢进锅温度为 465 ℃，抽锌管和回锌管 的质量流量为 10 t·h － 1 ． · 8141 ·