熱鍍鋅液中鋅渣的電磁分離理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、熱鍍鋅鋼板大量應(yīng)用于汽車內(nèi)外板，高表面質(zhì)量是其必需具備的基本條件。鍍鋅液中的鋅渣是影響鍍鋅板表面質(zhì)量的最重要因素，由鋅渣引起的各種缺陷造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前防止鋅渣缺陷產(chǎn)生的措施主要是通過(guò)鍍鋅工藝控制和設(shè)備改造，抑制鋅渣的形成。隨著材料電磁加工技術(shù)的發(fā)展，電磁凈化已經(jīng)成為具有應(yīng)用前景的新型金屬熔體凈化工藝。嘗試將電磁凈化技術(shù)應(yīng)用于熱鍍鋅液中鋅渣的去除，揭示外加電磁場(chǎng)作用下鋅渣相的電磁分離機(jī)理和分布變化，不僅具有重要的理論價(jià)值，而且對(duì)

2、于高質(zhì)量熱鍍鋅產(chǎn)品的生產(chǎn)也具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。
　　 針對(duì)熱鍍鋅液中鋅渣去除的研究現(xiàn)狀，本文通過(guò)電磁分離熱鍍鋅液中鋅渣這一新工藝開展了如下研究：(1)揭示了交變磁場(chǎng)作用下鋅渣的電磁分離機(jī)理；(2)通過(guò)數(shù)值分析研究了鋅渣去除效率的影響因素；(3)建立了熱鍍鋅液電磁分離的實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了熱鍍鋅液靜態(tài)分離實(shí)驗(yàn)和連續(xù)分離實(shí)驗(yàn)；(4)設(shè)計(jì)了大流量的熱鍍鋅液電磁凈化中試試驗(yàn)裝備，并開展了熱鍍純鋅(GI)和合金化(GA)鋼板鍍鋅液體系的中試

3、試驗(yàn)研究；(5)通過(guò)數(shù)值模擬研究了中試鋅鍋及工業(yè)鋅鍋中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和鋅渣濃度場(chǎng)在鋅液體外循環(huán)凈化下的變化規(guī)律。通過(guò)上述研究提出了熱鍍鋅液電磁凈化的技術(shù)原型，為熱鍍鋅液電磁凈化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用奠定了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　 通過(guò)建立鋅渣電磁分離的計(jì)算模型，研究了鋅渣電磁分離過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、鋅渣分布變化以及去除效率與主要工藝參量的變化關(guān)系。由于鋅渣相的導(dǎo)電率與鋅液存在數(shù)量級(jí)的差異，鋅渣顆粒的受力為一個(gè)與鋅液所受電磁力方向相反的擠壓力

4、作用，其大小在數(shù)值上等于等體積鋅液所受電磁力的0.75倍。因此，通過(guò)在鋅液熔體內(nèi)施加定向電磁力作用即可實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅液中鋅渣的定向分離。鋅渣的去除效率與電磁力施加時(shí)間、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)頻率和分離器尺寸有關(guān)。鋅渣的去除效率隨平均停留時(shí)間和磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大；當(dāng)磁場(chǎng)頻率一定時(shí)，分離器尺寸與集膚深度的比值α/δ在2附近時(shí)鋅渣去除效率最佳，隨著分離器尺寸的進(jìn)一步增大鋅渣去除效率將減?。涸诜蛛x器尺寸一定時(shí)，鋅渣去除效率隨磁場(chǎng)頻率的增大而增大。

5、r>　　 根據(jù)分離器單個(gè)通道的尺寸，合適的磁場(chǎng)頻率應(yīng)使得集膚深度δ=2.5 mm，因此，實(shí)際磁場(chǎng)頻率f可選擇為15 kHz-20 kHz。在分離器尺寸、磁場(chǎng)頻率和鋅液在電磁感應(yīng)線圈中平均停留時(shí)間一定的條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度值不小于0.06T，凈化電源的額定功率為50kW。以電磁參數(shù)計(jì)算結(jié)果為理論依據(jù)建立了熱鍍鋅液靜態(tài)電磁凈化裝置并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在磁場(chǎng)頻率為17.5kHz、磁感應(yīng)強(qiáng)度均方根值為0.05T時(shí)，電磁作用15

6、s可有效去除不同鋁含量的熱鍍鋅液中粒度大于10μm的鋅渣。
　　 設(shè)計(jì)了熱鍍鋅液連續(xù)凈化實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了鋅液連續(xù)流動(dòng)條件下的電磁凈化實(shí)驗(yàn)，對(duì)鋅渣去除效率隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)磁場(chǎng)頻率為17.5kH，有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.05-0.1T，電磁力施加時(shí)間為0.6-2.5s，陶瓷管橫截面的鋅液通道尺寸為10x10mm，10μm粒度的鋅渣分離效率變化范圍從43.76％到98.63％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好

7、。為了提高分離效率，充分利用方形孔陶瓷管內(nèi)鋅液的二次擾動(dòng)，研制了多級(jí)分離器，利用數(shù)值模擬對(duì)鋅渣去除效率進(jìn)行了計(jì)算，由于第一級(jí)分離器每個(gè)通道的中心位置現(xiàn)在被壁面占據(jù)，而原本處于分離“弱區(qū)”的鋅渣在第二級(jí)分離器內(nèi)恰恰處在靠近壁面的“強(qiáng)區(qū)”，鋅渣的電磁分離效率可提高10％左右，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。
　　 在現(xiàn)有電磁凈化實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱鍍鋅液電磁凈化中試裝備。本裝置在國(guó)內(nèi)首次使用了熱鍍鋅液體外循環(huán)凈化技術(shù)

8、，成功實(shí)現(xiàn)了鋅液體外連續(xù)電磁凈化，成為該技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的裝備雛形。在中試平臺(tái)上進(jìn)行的GA鍍鋅液優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)延長(zhǎng)電磁凈化時(shí)間、優(yōu)化工藝參數(shù)和改變陶瓷管分離器結(jié)構(gòu)可明顯改善凈化效果，鋅鍋內(nèi)所有取樣點(diǎn)的平均鋅渣去除效率可達(dá)89.52％，電磁凈化流槽中陶瓷分離器前后的鋅渣去除效率約為75％左右，粒度大于20μn的鋅渣經(jīng)過(guò)電磁凈化可完全去除；中試平臺(tái)上進(jìn)行的GI鍍鋅液電磁凈化試驗(yàn)表明，鋅渣去除效率可達(dá)70％，電磁凈化流槽中粒度小于15μm

9、的鋅渣去除效率僅為42.1％，而大于15μm的鋅渣去除效率為91.67％，直徑大于20μm的鋅渣可全部去除。
　　 中試鋅鍋的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在熱鍍鋅液體外循環(huán)電磁凈化的前提下，綜合考慮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)鋅液的流動(dòng)和除渣率兩方面因素，當(dāng)回鋅管液流速度較低時(shí)，宜取較短的回鋅管長(zhǎng)度：而當(dāng)回鋅管液流速度較高時(shí)，宜取較長(zhǎng)的回鋅管長(zhǎng)度?；劁\管液流速度或凈化效率較高時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)鋅渣濃度總體上均處于較低水平，除渣效果較好。鋅渣粒徑對(duì)鋅渣濃度場(chǎng)和除