熱鍍鋅液中鋅渣的電磁分離理論及實驗研究.pdf

1、熱鍍鋅鋼板大量應用于汽車內外板，高表面質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量的最重要因素，由鋅渣引起的各種缺陷造成了巨大的經濟損失。目前防止鋅渣缺陷產生的措施主要是通過鍍鋅工藝控制和設備改造，抑制鋅渣的形成。隨著材料電磁加工技術的發(fā)展，電磁凈化已經成為具有應用前景的新型金屬熔體凈化工藝。嘗試將電磁凈化技術應用于熱鍍鋅液中鋅渣的去除，揭示外加電磁場作用下鋅渣相的電磁分離機理和分布變化，不僅具有重要的理論價值，而且對

2、于高質量熱鍍鋅產品的生產也具有顯著的應用價值。
　　 針對熱鍍鋅液中鋅渣去除的研究現狀，本文通過電磁分離熱鍍鋅液中鋅渣這一新工藝開展了如下研究：(1)揭示了交變磁場作用下鋅渣的電磁分離機理；(2)通過數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驗裝置，并進行了熱鍍鋅液靜態(tài)分離實驗和連續(xù)分離實驗；(4)設計了大流量的熱鍍鋅液電磁凈化中試試驗裝備，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、試驗研究；(5)通過數值模擬研究了中試鋅鍋及工業(yè)鋅鍋中的流場、溫度場和鋅渣濃度場在鋅液體外循環(huán)凈化下的變化規(guī)律。通過上述研究提出了熱鍍鋅液電磁凈化的技術原型，為熱鍍鋅液電磁凈化技術的工業(yè)應用奠定了實驗和理論基礎。
　　 通過建立鋅渣電磁分離的計算模型，研究了鋅渣電磁分離過程中的運動規(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系。由于鋅渣相的導電率與鋅液存在數量級的差異，鋅渣顆粒的受力為一個與鋅液所受電磁力方向相反的擠壓力

4、作用，其大小在數值上等于等體積鋅液所受電磁力的0.75倍。因此，通過在鋅液熔體內施加定向電磁力作用即可實現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間、磁感應強度、磁場頻率和分離器尺寸有關。鋅渣的去除效率隨平均停留時間和磁感應強度的增大而增大；當磁場頻率一定時，分離器尺寸與集膚深度的比值α/δ在2附近時鋅渣去除效率最佳，隨著分離器尺寸的進一步增大鋅渣去除效率將減?。涸诜蛛x器尺寸一定時，鋅渣去除效率隨磁場頻率的增大而增大。

5、r>　　 根據分離器單個通道的尺寸，合適的磁場頻率應使得集膚深度δ=2.5 mm，因此，實際磁場頻率f可選擇為15 kHz-20 kHz。在分離器尺寸、磁場頻率和鋅液在電磁感應線圈中平均停留時間一定的條件下，磁感應強度值不小于0.06T，凈化電源的額定功率為50kW。以電磁參數計算結果為理論依據建立了熱鍍鋅液靜態(tài)電磁凈化裝置并開展了相關實驗研究。實驗結果表明：在磁場頻率為17.5kHz、磁感應強度均方根值為0.05T時，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。
　　 設計了熱鍍鋅液連續(xù)凈化實驗裝置，并進行了鋅液連續(xù)流動條件下的電磁凈化實驗，對鋅渣去除效率隨工藝參數的變化規(guī)律進行分析，實驗結果表明：當磁場頻率為17.5kH，有效磁感應強度為0.05-0.1T，電磁力施加時間為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％，實驗結果與數值計算結果吻合較好

7、。為了提高分離效率，充分利用方形孔陶瓷管內鋅液的二次擾動，研制了多級分離器，利用數值模擬對鋅渣去除效率進行了計算，由于第一級分離器每個通道的中心位置現在被壁面占據，而原本處于分離“弱區(qū)”的鋅渣在第二級分離器內恰恰處在靠近壁面的“強區(qū)”，鋅渣的電磁分離效率可提高10％左右，并通過實驗加以驗證。
　　 在現有電磁凈化實驗裝置的基礎上，設計了一套具有自主知識產權的熱鍍鋅液電磁凈化中試裝備。本裝置在國內首次使用了熱鍍鋅液體外循環(huán)凈化技術

8、，成功實現了鋅液體外連續(xù)電磁凈化，成為該技術工業(yè)應用的裝備雛形。在中試平臺上進行的GA鍍鋅液優(yōu)化試驗結果表明，通過延長電磁凈化時間、優(yōu)化工藝參數和改變陶瓷管分離器結構可明顯改善凈化效果，鋅鍋內所有取樣點的平均鋅渣去除效率可達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的鋅渣經過電磁凈化可完全去除；中試平臺上進行的GI鍍鋅液電磁凈化試驗表明，鋅渣去除效率可達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。
　　 中試鋅鍋的數值模擬結果表明，在熱鍍鋅液體外循環(huán)電磁凈化的前提下，綜合考慮實驗平臺內鋅液的流動和除渣率兩方面因素，當回鋅管液流速度較低時，宜取較短的回鋅管長度：而當回鋅管液流速度較高時，宜取較長的回鋅管長度?；劁\管液流速度或凈化效率較高時，實驗平臺內鋅渣濃度總體上均處于較低水平，除渣效果較好。鋅渣粒徑對鋅渣濃度場和除