李藍(lán)影 幸福堂

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 武漢 430081)

0 引言

帶鋼熱鍍鋅工藝成熟，產(chǎn)品抗腐蝕、易涂裝、易焊接、抗沖擊，大量應(yīng)用于建筑裝飾材料、汽車以及家用電器外殼等，這對(duì)其表面質(zhì)量提出要求，鋅灰缺陷是影響表面質(zhì)量的主要缺陷之一，發(fā)生于熱鍍鋅過程中的爐鼻子部位[1]。爐鼻子是連接連續(xù)退火爐和鋅鍋的封閉區(qū)域，下端浸入鋅液，鋅液面蒸發(fā)的鋅蒸氣沿爐鼻子向上擴(kuò)散，逐漸冷凝于爐鼻子壁，積聚形成鋅灰，鋅灰質(zhì)地疏松，掉落粘附在帶鋼表面，造成鋅灰缺陷。

目前工業(yè)應(yīng)用中減少鋅灰缺陷的方法有：①對(duì)熱鍍鋅生產(chǎn)線進(jìn)行定期停機(jī)清理，使用機(jī)械設(shè)備清除爐鼻子內(nèi)壁鋅灰，使用撈渣設(shè)備撈除鋅液表面的鋅灰等雜質(zhì)，其缺點(diǎn)是停機(jī)頻繁影響產(chǎn)能，且停機(jī)前后帶鋼在減速狀態(tài)與加速狀態(tài)鍍鋅時(shí)，表面質(zhì)量受到極大影響[2]。②采用抽鋅泵進(jìn)行抽鋅作業(yè)，過濾爐鼻子內(nèi)鋅液，除去鋅灰等雜質(zhì)；其缺點(diǎn)是易受到鋅鍋內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)的影響，清除效果不佳[3-4]。③向爐鼻子內(nèi)通入露點(diǎn)溫度為-15 ℃的保護(hù)氣體，微量水蒸汽在鋅液表面形成微氧化鋅膜，抑制鋅液蒸發(fā)，其缺點(diǎn)是保護(hù)膜本身也存在直接黏附在帶鋼表面的可能，必須配合其他工藝對(duì)其進(jìn)行定期清理[5-6]。

吹吸式排風(fēng)方法指利用射流與匯流形成的復(fù)合氣流，隔斷污染源，排除污染氣體的通風(fēng)方式，相較于其他排風(fēng)方式，吹吸式排風(fēng)方法節(jié)省風(fēng)量、捕集效率高、氣流組織穩(wěn)定、不影響工藝操作，在液面槽等工業(yè)槽上得到了廣泛的應(yīng)用[7]，本文使用吹吸式排風(fēng)方法控制并捕集爐鼻子內(nèi)鋅蒸氣。

1 常溫狀態(tài)下爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)氣體流動(dòng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

盡管有學(xué)者已成功地將RNGk-ε模型應(yīng)用于吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬[8]，但對(duì)于爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)，還應(yīng)對(duì)RNGk-ε模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證RNGk-ε模型模擬爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)氣體流動(dòng)的可行性，同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)研究用爐鼻子是根據(jù)實(shí)際爐鼻子尺寸，按1∶2的比例設(shè)計(jì)的。爐鼻子底面尺寸為1 225 mm×197 mm，高度為1 000 mm，坐標(biāo)原點(diǎn)位于底面中心，模型為傾斜體，與水平面夾角為57°；帶鋼寬850 mm，厚1 mm，處于爐鼻子的中央；吹風(fēng)口與吸風(fēng)口分別位于模型的左右側(cè)壁上，吹風(fēng)口尺寸：高×長(zhǎng)=30 mm×100 mm，吸風(fēng)口尺寸：高×長(zhǎng)=60 mm×100 mm。爐鼻子吹吸式排風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1。實(shí)驗(yàn)裝置由爐鼻子、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、閥門等組成?？諝庥伤惋L(fēng)機(jī)吹入爐鼻子，由引風(fēng)機(jī)排出，在爐鼻子內(nèi)形成吹吸式排風(fēng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.1 實(shí)驗(yàn)研究

在帶鋼上側(cè)與下側(cè)分別布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的間距為165 mm。測(cè)點(diǎn)的位置如圖2所示。a組測(cè)點(diǎn)在帶鋼的上側(cè)，距離帶鋼40 mm，從吹風(fēng)口到吸風(fēng)口方向依次為a1，a2，a3，a4，a5，a6，b組測(cè)點(diǎn)在帶鋼的下側(cè)，距離帶鋼40 mm，從吹風(fēng)口到吸風(fēng)口方向依次為b1，b2，b3，b4，b5，b6。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置(單位：mm)

實(shí)驗(yàn)研究用氣體為常溫常壓的空氣，其狀態(tài)參數(shù)與周圍環(huán)境的空氣相同。選取2種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，吹風(fēng)口速度和吸風(fēng)口速度如表1所示。

表1 數(shù)值模擬工況參數(shù) m/s

用風(fēng)速儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速。每個(gè)工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取3次測(cè)量的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 A工況測(cè)量結(jié)果 m/s

表3 B工況測(cè)量結(jié)果 m/s

1.2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

對(duì)A工況(吹風(fēng)速度3.55 m/s，吸風(fēng)速度2.57 m/s)，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示；對(duì)B工況(吹風(fēng)速度4.23 m/s，吸風(fēng)速度2.89 m/s)，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

(a) a組測(cè)點(diǎn)

(a) a組測(cè)點(diǎn)

對(duì)A工況(吹風(fēng)速度3.55 m/s，吸風(fēng)速度2.57 m/s)，在a側(cè)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)上，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為13.3%，最小相對(duì)誤差為2.9%，平均相對(duì)誤差為10.5%；在b側(cè)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)上，數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為14.3%，最小相對(duì)誤差為2.8%，平均相對(duì)誤差為10.4%。

對(duì)B工況(吹風(fēng)速度4.23 m/s、吸風(fēng)速度2.89 m/s)，在a側(cè)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)上，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的最大相對(duì)誤差為11%，最小相對(duì)誤差為3.3%，平均相對(duì)誤差為8.1%；在b側(cè)的6個(gè)測(cè)點(diǎn)上，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的最大相對(duì)誤差為13.9%，最小相對(duì)誤差為2.8%，平均相對(duì)誤差為9.5%。

綜上所述，各測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均小于14.3%，平均相對(duì)誤差為9.9%，即RNGk-ε模型可用于吹吸排風(fēng)系統(tǒng)的模擬計(jì)算。

2 工業(yè)條件下爐鼻子內(nèi)控制鋅蒸氣的吹吸式排風(fēng)優(yōu)化研究

2.1 應(yīng)用經(jīng)典設(shè)計(jì)方法初步設(shè)計(jì)

吹吸式排風(fēng)經(jīng)典設(shè)計(jì)方法主要包括射流末端速度控制法(簡(jiǎn)稱XMSC法)、臨界斷面法(簡(jiǎn)稱LJDM法)和新流量比法(簡(jiǎn)稱XLLB法)，其設(shè)計(jì)公式基本是經(jīng)驗(yàn)公式，但在實(shí)際應(yīng)用中有很多不同情形，可能與實(shí)驗(yàn)條件有較大的差距，所以計(jì)算方法只能提供借鑒。應(yīng)用該3種設(shè)計(jì)方法，可以對(duì)爐鼻子吹吸系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

根據(jù)工業(yè)條件下爐鼻子的實(shí)際尺寸，吹吸風(fēng)口間距H=2.45 m，吹吸風(fēng)口長(zhǎng)度l=0.2 m，吹風(fēng)口距離污染源h1=0.2 m。由夏丹葵等[9]和陳藝鋒[10]的經(jīng)驗(yàn)公式給出鋅液蒸發(fā)速度V2=0.09 m/s，則鋅蒸氣流量Q=0.08 m3/s。由經(jīng)典設(shè)計(jì)方法得到的爐鼻子吹吸排風(fēng)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 初步設(shè)計(jì)結(jié)果

為了研究鋅蒸氣的控制效果，需要分析鋅蒸氣的捕集效率。捕集效率為吸氣口鋅蒸氣的質(zhì)量流量與單位時(shí)間內(nèi)鋅液表面產(chǎn)生的鋅蒸氣質(zhì)量之比，不同設(shè)計(jì)方法下，數(shù)值模擬的捕集效率和總風(fēng)量結(jié)果如表5所示。捕集效率的比較如圖5所示，總風(fēng)量的比較如圖6所示。

續(xù)表5

圖5 不同設(shè)計(jì)方法下的捕集效率

圖6 不同設(shè)計(jì)方法下的總風(fēng)量

圖5的結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，射流末端速度控制法的捕集效率為91.5%～100%，捕集效率較高，鋅蒸氣的控制效果較好；臨界斷面法的捕集效率為87%～92.6%，捕集效率較高且變化很小，鋅蒸氣的控制效果也較好；新流量比法的捕集效率為60%～71.2%，捕集效率很低且變化較大，鋅蒸氣的控制效果差。

圖6的結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，射流末端速度控制法的總風(fēng)量為0.147 5～0.301 8 m3/s，最大風(fēng)量是最小風(fēng)量的2倍；臨界斷面法的總風(fēng)量為0.096～0.105 6 m3/s，最大風(fēng)量是最小風(fēng)量的1.1倍；新流量比法的總風(fēng)量為0.052 6～0.104 7 m3/s，最大風(fēng)量是最小風(fēng)量的2倍。圖6的結(jié)果還表明，射流末端速度控制法的最大總風(fēng)量是臨界斷面法的2.8倍，是新流量比法的2.9倍。

圖5圖和6的結(jié)果表明，由于新流量比法的總風(fēng)量低于射流末端速度控制法和臨界斷面法，使得新流量比法的捕集效率低于射流末端速度控制法和臨界斷面法；射流末端速度控制法和臨界斷面法的捕集效率相當(dāng)，但射流末端速度控制法的總風(fēng)量是臨界斷面法的2.8倍左右。因此，基于射流末端速度控制法和臨界斷面法的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)爐鼻子吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。由初步設(shè)計(jì)結(jié)果，參數(shù)選取范圍如表6所示。

表6 參數(shù)選擇范圍

2.2 爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化研究

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

正交設(shè)計(jì)是一種分析因素對(duì)結(jié)果影響程度的設(shè)計(jì)方法，它可以簡(jiǎn)化多因素多水平復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的步驟，提高實(shí)驗(yàn)效率，已經(jīng)成為了實(shí)驗(yàn)安排和結(jié)果分析的重要工具。對(duì)于一個(gè)5因素3水平的實(shí)驗(yàn)，若進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)，總實(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)125次，若用正交表將各因素水平均勻搭配，只需進(jìn)行27次實(shí)驗(yàn)，并可取得幾乎與全面實(shí)驗(yàn)相同的分析結(jié)果。

針對(duì)爐鼻子吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)定5因素，即吹風(fēng)速度v1、吸風(fēng)速度v3、吹風(fēng)口高度b1、吸風(fēng)口高度b3、吸風(fēng)口位置h3、每一個(gè)因素下設(shè)定3水平， 以取得最佳捕集效率和最小總風(fēng)量為目標(biāo)，5因素3水平對(duì)應(yīng)參數(shù)如表7所示。使用L27(35)正交表設(shè)計(jì)27種組合，如表8所示。

表7 因素與水平對(duì)應(yīng)參數(shù)

2.2.2 鋅蒸氣的捕集效率分析

不同設(shè)計(jì)方案下，數(shù)值模擬的捕集效率和總風(fēng)量結(jié)果如表8所示，其中方案1的捕集效率最低，為48.75%，方案17，27的捕集效率達(dá)到100%。

表8 不同設(shè)計(jì)方案下的數(shù)值模擬結(jié)果

續(xù)表8

2.2.3 水平值的優(yōu)化

在27種方案中，每個(gè)水平分別出現(xiàn)9次，取其排出捕集效率的平均值記為KIJ，結(jié)果如表9所示。每個(gè)因素下的KIJ如圖7所示。

表9 同水平下鋅蒸氣捕集效率平均值

圖7 水平變化對(duì)鋅蒸氣平均捕集效率的影響

對(duì)于因素A(吹風(fēng)速度)，當(dāng)風(fēng)速由3 m/s到7 m/s，鋅蒸氣的捕集效率增加，風(fēng)速由5 m/s到7 m/s時(shí)KIJ變化率較小，鋅蒸氣的捕集效率較高；對(duì)于因素B(吸風(fēng)速度)，當(dāng)風(fēng)速由1 m/s到5 m/s，鋅蒸氣捕集效率增加，風(fēng)速由3 m/s到5 m/s時(shí)鋅蒸氣的捕集效率較高；對(duì)于因素C(吹風(fēng)口高度)，當(dāng)尺寸由0.01 m到0.04 m，鋅蒸氣的捕集效率增加，尺寸由0.025 m到0.04 m時(shí)KIJ變化率較小，鋅蒸氣的捕集效率較高；對(duì)于因素D(吸風(fēng)口高度)，當(dāng)尺寸由0.1 m到0.3 m，鋅蒸氣的捕集效率增加，尺寸由0.2 m到0.3 m時(shí)KIJ變化率較小，鋅蒸氣的捕集效率較高；對(duì)于因素E(吸風(fēng)口位置)，當(dāng)距離由0.15 m到0.2 m，鋅蒸氣的捕集效率減少，距離由0.15 m到0.175 m時(shí)鋅蒸氣的捕集效率較高。

綜上所述，各水平的優(yōu)化結(jié)果如表10所示。

表10 各水平的優(yōu)化結(jié)果

2.3 爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化分析

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

采用前述方法，5因素3水平對(duì)應(yīng)參數(shù)如表11所示。使用L27(35)正交表設(shè)計(jì)27種組合，如表12所示。

表11 因素與水平對(duì)應(yīng)參數(shù)

2.3.2 鋅蒸氣的捕集效率分析

不同設(shè)計(jì)方案下，數(shù)值模擬的捕集效率和總風(fēng)量結(jié)果如表12所示，其中，方案28的捕集效率最低，為80.53%，方案42，44，49，51，53，54的捕集效率均為100%；其中方案51的總風(fēng)量為0.256 m3/s，相對(duì)于經(jīng)典設(shè)計(jì)方法減少了15.2%。圖8為方案51鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況。

表12 不同設(shè)計(jì)方案下的數(shù)值模擬結(jié)果

續(xù)表12

圖8 方案51鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.3.3 氣流速度和鋅蒸氣濃度分析

方案28，46和49的捕集效率分別為80.53%，90.37%和100%，下面分析這3個(gè)方案吹吸氣流速度變化和鋅蒸氣濃度分布。

在Y=0.05 m平面上，作吹風(fēng)口與吸風(fēng)口之間的連線，分析此連線上氣流速度變化。圖9表明，從吹風(fēng)口到吸風(fēng)口，射流速度隨著遠(yuǎn)離吹風(fēng)口而逐漸減小，隨著靠近吸風(fēng)口而逐漸增加。圖9還表明，方案49的氣流速度最大，方案28的氣流速度最小。

圖9 不同設(shè)計(jì)方法下的氣流速度比較

選取位于Z=0.13 m平面與Y=0.05 m平面的交線，分析交線上的鋅蒸氣濃度變化。圖10表明，從吹風(fēng)口到吸風(fēng)口，鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，這是因?yàn)闅饬鲗\蒸氣捕集后向吸氣口流動(dòng)，因此鋅蒸氣濃度逐漸升高。圖10還表明，方案28、46和49的鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在2.4×10-3左右、1.3×10-3左右和4.4×10-4左右。

圖10 不同方案下的鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

選取X=0 m平面與Y=0.05 m平面的交線，分析交線上鋅蒸氣的濃度變化。 圖11表明，隨著Z值增加，即逐漸遠(yuǎn)離鋅液面，鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小。圖11還表明，方案49的鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)值最小，方案28的鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)值最大。

圖11 不同方案下的鋅蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

2.3.4 因素重要性排序

對(duì)同水平下鋅蒸氣捕集效率進(jìn)行極差分析，可以根據(jù)極差RJ值來比較各影響因素的重要性等級(jí)。如表13所示，5個(gè)因素在其變化范圍內(nèi)，對(duì)鋅蒸氣捕集效率的影響程度由大到小排序?yàn)椋築(吸風(fēng)速度)>D(吸風(fēng)口高度)>A(吹風(fēng)速度)>C(吹風(fēng)口高度)>E(吸風(fēng)口位置)。

表13 同水平下鋅蒸氣捕集效率平均值及極差

2.3.5 捕集效率計(jì)算公式

對(duì)表12鋅蒸氣捕集效率進(jìn)行回歸擬合，可以得到以捕集效率為目標(biāo)函數(shù)，各因素為自變量的回歸擬合公式：

η=46.17+2.01v1+4.89v3+140.86b1+63.24b3-26.42h3

(1)

通過相關(guān)系數(shù)R和F檢驗(yàn)來考察回歸擬合式與樣本的相關(guān)性是否顯著。從回歸結(jié)果可以得到式(1)的相關(guān)系數(shù)R=0.95，說明樣本回歸方程代表性強(qiáng)。F檢驗(yàn)可以對(duì)回歸擬合公式進(jìn)行顯著性分析，計(jì)算可得：F= 29.12，F(xiàn)0.01(5,21)=4.042，此時(shí)F>F0.01(k,n-k-1)時(shí)，表明式(1)回歸效果高度顯著，很好地反映了捕集率隨吹風(fēng)速度、吸風(fēng)速度、吹風(fēng)口高度、吸風(fēng)口高度、吸風(fēng)口位置的變化規(guī)律。如圖12所示，比較模擬結(jié)果與回歸擬合公式計(jì)算值，兩者基本吻合，最大誤差小于5%，回歸效果好。

圖12 模擬值與回歸值的比較

2.3.6 吸風(fēng)量計(jì)算公式

對(duì)爐鼻子吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)，吹風(fēng)量Q1、吸風(fēng)量Q3、環(huán)境氣流流量QS以及污染物流量Q2的關(guān)系為：

Q3=Q1+QS+Q2

(2)

定義，K=(QS+Q2)/Q1，即吸風(fēng)口所抽吸氣流中，來自吹風(fēng)口之外的氣流流量與吹風(fēng)量之比，則吸風(fēng)量Q3可表達(dá)為：

Q3=Q1(K+1)

(3)

(4)

即K是隨因素的改變而變化的。捕集效率η與吹風(fēng)速度v1、吸風(fēng)速度v3、吹風(fēng)口高度b1、吸風(fēng)口高度b3、吸風(fēng)口位置h3有關(guān)，即：

η=f1(v1,v3,b1,b3,h3)

(5)

根據(jù)π定理，選取v1和h3作為基本變量，通過因次分析，可把5個(gè)變量變?yōu)?個(gè)獨(dú)立的無因次變量：

η=f2(π1,π2,π3)

(6)

式中，

(7)

當(dāng)鋅蒸氣被完全捕集，即效率為100%時(shí)，式(6)為：

f3(π1,π2,π3)=0

(8)

將式(8)代入式(5)得

(9)

π1用K、π2、π3表示：

(10)

將式(10)代入式(8)得：

f4(π2,π3,K)=0

(11)

即：

K=f(π2,π3)

(12)

將式(8)代入式(13)得：

(13)

當(dāng)吹風(fēng)速度v1為7 m/s、吸風(fēng)口位置h3為0.15 m時(shí)，對(duì)吹風(fēng)口高度b1、吸風(fēng)口高度b3取值，然后由式(1)和式(4)計(jì)算K值。因此可以得到K與b1/h3、b3/h3的對(duì)應(yīng)值，進(jìn)行回歸擬合，得到關(guān)系式：

(14)

從回歸結(jié)果可以得到式(14)的相關(guān)系數(shù)R= 0.998，說明樣本回歸方程代表性強(qiáng)。另外，F(xiàn)= 579 981，F(xiàn)0.01(2,27)=5.488，F(xiàn)>F0.01(2,27)，表明式(14)回歸效果高度顯著。

將式(14)代入式(4)，得到吸風(fēng)量計(jì)算公式：

(15)

3 結(jié)論

(1)在兩種工況下，利用湍流的RNGk-ε模型的數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均小于14.3%，平均相對(duì)誤差為9.9%，即RNGk-ε模型可用于吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)的模擬研究。

(2)射流末端速度控制法和臨界斷面法可用于爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鋅蒸氣捕集效率可達(dá)92%～100%；當(dāng)達(dá)到與經(jīng)典設(shè)計(jì)方法相同的鋅蒸氣捕集效率時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的總風(fēng)量只是經(jīng)典設(shè)計(jì)方法的84.8%。新流量比法因其所得到的捕集效率太低而不能用于爐鼻子內(nèi)吹吸式排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。