摘要：热浸镀锌工艺产品带钢广泛运用于装饰建材、汽车、家用电器等行业。锌灰的缺陷会在其表面产生白色花纹或斑点状印痕，影响外型的美观，带钢品质得不到保障。热浸镀锌线炉鼻子区域会产生锌灰缺陷。锌蒸汽是锌液在炉鼻子下方挥发造成的，锌蒸汽冷疑后堆积成锌灰，在热镀锌时粘附在带钢表面，产生锌灰缺陷。本文针对这个问题，对炉鼻子的结构进行了优化设计。

　　本文用CFX软件对不同工况下的炉鼻子内流场进行数值模拟，对其参数进行优化设计。对流量计、温度计、液位计、接管法兰、阀门和风机等进行了选型。并探究了抽气流量、进气流量和风门开度等参数对炉鼻子内保护气氛的影响。并对炉鼻子抽气口的位置和炉鼻子长直段上方的腔室结构进行了优化设计。

　　由模拟分析给出企业建议：抽气流量在工况条件允许下尽量越大越好，进气流量与抽气流量的比值要小，过多的进气流量会影响炉鼻子的回流；在抽气流量足够大时，风门任意关闭角度下都能显著的缓解炉鼻子内回流现象；抽气口越靠近锌液面，气氛的流动更均匀，但影响全局流动均匀性的主要参数还是抽气流量；而且扩大炉鼻子长直段上方的腔室对缓解回流现象有显著效果；增大抽气流量是抑制锌灰上漂的最主要手段。

　　3.3.2抽气流量恒定100m3/h时补气流量对全局温度与压力的影响 21

　　钢是工业生产中运用得最普遍的材料。在空气、海面、土壤层或其它独特物质(如有机溶液、形状记忆合金等中应用时，会出现不一样程度的腐蚀。据调查，全球历年因腐蚀而亏损的钢材材料占年产量的1/5。为了确保产品的性能，增加设备的使用期限，几乎任何的产业部门都需要考虑涉及到金属材料安全防护技术性。腐蚀对工业化产品产生了明显的毁坏，不但导致了直接损失，还产生了难以估计的停产、停工等间接性损害，乃至严重危害人民的人身安全性，因而需要采取相应的防护措施。在各种各样保护措施中，涂层维护运用极为普遍。即使涂层方式不一样，涂层材料的覆盖面都会很广。

　　热镀锌是热浸镀锌（hotdipgalvanizing）的简称，即在厚钢板表面镀一层锌使其美观大方的一种表面防锈解决技术。这也是一种十分经济、发展合理的防锈方式，全球约有一半的锌产量用以次工艺。与一般金属材料不一样的是，锌在常温状态被氧化，在表面产生一层高密度的结构偏碱碳酸锌膜，在少许偏碱空气氧化的功效可以合理避免浸蚀[1]。在指定的条件下，锌涂层被毁坏时钢基体曝露出去，钢基体与锌产生化学反应产生独特的化学微电池，变成负极的钢基体也能得到维护。热镀锌层能彻底遮盖不锈钢板材表面，为钢材给予一层坚固的隔离层，具备较强的耐蚀性。热镀锌技术具备运作靠谱、加工工艺简易、便于检测等优势。此项技术离不了炉鼻子。

　　全部炉鼻子以及上下游退火炉都充有保护气氛(φ=4%的H2和φ=96%N2)，以避免带钢在高温(460℃)下被氧化。带钢的运动通常使炉鼻子内的保护气氛随带钢表面向下运动，碰到锌液面的阻挡过后又折回升高，产生回流气体。非常容易环境污染带钢表面，因而必须对炉鼻子开展可靠性优化设计。

　　中国做为世界第二大经济体，以往10年发展趋势快速，年平均GDP提高10%左右。工业发展粮食——钢铁，已持续7年稳居世界第一，2014年达到最高值8.22t，约占全球钢产量的50%。热镀锌钢板因其优良的耐腐蚀性而获得重视。以往10年也是在我国热镀锌钢板发展趋势更快的阶段，生产能力近1亿多吨。但与比较发达经济体对比，产品构造显著不一样，以汽车、家用电器为代表的高档热浸镀锌显著小于资本主义国家。科学研究热镀锌工艺以及机器设备，并对它进行可靠性设计，对钢铁产业的浸蚀安全防护具备关键实际意义。因而，剖析汽车板材热浸镀锌线锌灰造成的缘故和产品缺点，科学研究和讨论炉鼻字除锌灰技术性的方法和运用，提升炉鼻子的产品结构设计，进而提升不锈钢板的表面质量，具备关键的实际意义[2]。炉鼻子是带钢通过的关键通道，由带钢腔室、气体通道(包含抽气通道和进气通道)、外界抽排风机和管路系统构成。只有多者协同工作，才可以确保带钢的表面质量。

　　热镀锌生产线上的机器设备在锌锅区域相对较多，由沉没轮、气刀、炉鼻子等设备构成，如下图1.1所示。在清理淬火后，带钢会以不超过2.5m/s的速度沿着炉鼻子方向进入到锌锅里面，熔融状态下的锌液会粘附在带钢表面。带钢沉到锌锅后，转到锌锅外，锌锅上边的气刀拂去不必要的锌来操纵锌层的薄厚。在炉鼻子前面的锌液位以上，带钢时处在退火炉的气氛中。生产制造时，向炉膛内充进2%~5%的氮氢混合气体，产生还原气氛，避免带钢在空气氧化，从而完成光亮退火。当带钢进入到锌锅，则开始热浸镀锌的过程。一般大家都不太重视炉鼻子，但其实它是两个重要工艺流程间的承前启后的装置，对产品的质量有很大的影响。带钢进入锌锅的过程如下图1.2所示[3]。

　　在正常的生产制造标准下，锌锅内锌液的温度基本上被加温并平稳在460℃上下。在这温度下，锌液将蒸发产生锌蒸气。在炉鼻子内运动的热轧带钢和侧边注入的保护气氛的带动下，锌蒸汽会被带离锌液面，在炉鼻子内扩散，乃至抵达更远的退火炉。锌蒸气在炉鼻子周边扩散时，会在一定程度上粘附在炉鼻子的内壁上，产生锌灰。在这个扩散全过程中，锌液表面的锌蒸气浓度值最大，锌蒸气浓度值伴随着离锌液表面间距的提高而减少。因此炉鼻子内壁底端集聚的锌灰较多，集聚速率会伴随着锌灰的增加而增大[4]。

　　锌灰在炉鼻子腔内堆积到一定程度后，会在气流和重力的效果下掉下来并附着在沿着炉鼻子运动的带钢表面，与带钢一起进到锌液，最后在带钢表面导致彗星状缺陷的生成。除了这个现象以外，锌灰伴随着炉鼻子内气流的转变也会任意附着在带钢表面，造成带钢表面发生轻度的弥漫点缺陷。这类缺陷不但影响机组设备的外型美观，还会持续减少少部分锌层在带钢上的附着力。这样的产品不但表面非常容易被氧化，并且商品使用寿命严重减少，冲压加工后锌层表面也容易裂开[5]。

　　锌灰缺陷是由掉下来的锌灰粘附在热轧带钢表面产生的。为了更好地提升热镀锌卷板的表面品质，可以根据清除锌灰和操纵锌蒸气的浓度来降低锌灰缺陷。

　　在工程项目上，有很多吸收锌蒸气和净化处理锌灰的专利发明。1999年，Sciffer[6]等学者根据有限元仿真模拟了炉鼻子内的紊流流动性，发觉炉鼻子外的排气系统可以降低带到退火炉内的回流气体和锌蒸气。炉鼻子上端的水平挡板可以阻拦回流气体，但炉鼻子下方的锌蒸气浓度值会一样，生成锌灰的可能性也会一样。2000年，Shin[7]等学者选用按百分数减缩的炉鼻子实体模型，仿真模拟了熔化锌随自来水的流动性。依据对水面上气体速率的遍布和炉鼻子数学模型中速率场的剖析，发觉带钢下表面比上表面更易于造成缺点陷[8]。2021年，陈勇[9]等人对于热镀锌炉鼻子上的各种各样表面缺陷，比照不一样的核心技术，随后依据NH增湿气氛抑止锌蒸气的技术措施开展优化系统。明确提出了干湿度混和气氛、二次加温气氛、热镀锌增湿露点自动控制系统和锌渣清除机器设备四项技术优化，对热镀锌卷品质有很大的改善。

　　锌液的温度控制法。有效操控带钢温度和锌锅内锌液的温度，其中还包含炉鼻子温度。温度操纵不合理会加重锌液挥发，造成的挥发产生的锌灰会环境污染机组设备。锌液的挥发最后还会影响到产品的表面品质。

　　湿氮控制法。向炉鼻子内锌液表面喷增湿氮气，可合理降低锌灰在锌液表面的聚集和对退火炉内机组设备的污染。向锌表面引入增湿气体时，应调节好引入汽体的露点。当氮气露点温度超出-13℃时，水产生的氧化作用会导致带钢沙孔或脱锌等缺点，因而必须合理的控制保护气体压力的均匀性。假如保护气体的总流量起伏波动比较大，镀层上面产生水印，会大大降低产品的表面质量。露点温度过低，抑止锌灰产生的功效会受到非常大影响。有工作经验说明，氮气的最好露点温度范畴应维持在-15至-25摄氏度中间。

　　锌渣去除法。机组加入锌液泵将炉鼻子内锌液表面堆积的锌渣和锌灰抽出来，确保炉鼻内锌液表面无锌渣锌灰。独立应用增湿设备只能够抑制锌灰的蒸发速度，不可以从本质上处理锌灰在炉鼻子内壁和锌液表面的堆积。因而，为处理锌灰对机组设备和产品表面品质带来的危害，除开抑制锌液蒸发外，还应选用锌液泵消除炉鼻子内的锌灰锌渣。

　　锌灰过滤法。锌灰过滤是将炉鼻子内锌液表面周边的保护气体抽送出来，送进一个由离心风机、过滤器、连接管和闸阀构成的循环过滤系统。炉鼻子含有锌蒸气的气体由管路送至过滤器，过滤器装有耐热过滤芯。锌蒸汽在次循环过程中会凝固成锌灰，并由过滤芯过滤。过滤后的气体被送到炉鼻子。

　　锌灰抽气点燃法。与锌灰过滤法相似，由风机抽出锌灰气体并将抽出的气体立即排到顶端放散管管打火燃烧。抽出的气体流量仅为进气量的1%，不影响生产机组设备的正常运行。

　　因锌液的蒸发和冷凝，连续生产一段时间后会在炉鼻子内和锌液面上沉积大量的锌灰。锌灰黏附在镀锌板上会造成产品质量的降低，附着于设备上则会对沉没辊等造成磨损，影响设备使用寿命乃至生产安全。

　　陈刚、但斌斌[10]等人提出向炉鼻子内喷射含湿氮气，湿氮气中的水分与锌液发生反应，在炉鼻子内锌液的表面形成一层氧化锌膜，是抑制锌液的蒸发、控制锌灰生成的有效措施。增加湿氮气达到锌液表面的比例，提升锌液面流场的均匀性，对持续均匀地形成氧化锌薄膜具有重要意义[11]。

　　栗良祎[12]等人对炉鼻内氮气的流动性开展了模仿和有限元分析，测算了炉鼻子实体模型的类似基础理论，觉得炉鼻内氮气的流动性归属于强漩流，绕弯曲壁流。RNGk-ε实体模型比标准k-ε实体模型更合适炉鼻子内流场的仿真模拟。栗良祎还提出，在目前的供氧方法下，仅有少许喷出的湿氮立即抵达推动侧锌液表面，喷出的湿氮与锌液表面的触碰总面积低于炉鼻子内氮气(干氮)的触碰总面积。增加引入锌液表面的氮气量和触碰总面积而产生氧化膜是对抑止锌蒸汽十分关键的。在目前的供气方式下，带钢两边液面气体流场的匀称性相近。减少带钢速率的变化对近液面气氛流场的均衡性影响比较大。在确保热镀锌板生产量的况下，应尽量减少带钢速率。对目前湿氮气提供方法的优化结构研究表明，当喷嘴总数从l2提升到l6时，可以看得出氮气的流线遍布更为匀称，实际操作侧和驱动侧的速率均方根值减少了4.3%。可以看得出，喷嘴总数越多，带钢两边氮气流动速度的均方根值越小，气体遍布越匀称，有益于锌液表面产生均匀的氧化膜。当喷嘴相对高度从375mm减小到175mm时，实际操作侧和驱动侧的均方根值各自减少了5.5%和20%。喷嘴长度从0mm提升到50mm，两边的均方根值各自降低了6%和12%。喷嘴长度越长，氮气流动速度的均方根值越小，液面周边氮气遍布越匀称。喷嘴孔越长，引入的氮气离带钢越近，越多的氮气可以随带钢向下移动到锌液面，产生更均匀的覆盖面。

　　图1.414个喷孔是操作侧的氮气流线个喷孔时操作侧的氮气流线操作侧气体速度分布

　　在驱动侧，当喷头伸进炉鼻子时，不利于湿氢注入锌液表面；在驱动侧，当湿氮气的引进方位从炉鼻子壁面中垂线往下(与炉鼻壁法线°)，操作侧和驱动侧的均方根值各自降低12.7%和15.7%。当湿氮总流量和带钢速度等关键实际操作主要参数变动时，湿氮总流量对炉鼻子处氮气流通性影响并不大，而带钢速度不利与驱动侧湿氮落到锌液表面。当带速从1.5m/s到2.5m/s时，操作侧和驱动侧的均方根值各自为52.2%和63.2%。

　　刘麟麟、唐成龙[13]等人明确提出，现阶段，炉鼻子的结构沒有充足的机械动能使保护气氛达到锌液面。因而，充分考虑对原来引流管道结构的改善，加湿气体根据回流区，随后与锌液面接触，与锌蒸汽反应。为达到这一总体目标，设计方案了一个插式弯管结构，如下图1.8所显示。弯管的目地是避免加湿气体在炉鼻子入口被回流气体吞没。因而，导管的弯管直接越过回流区，将加湿气体导向锌液面运动的方向。

　　如图1.9，经刘麒麟等人模拟计算，改进过后的导流装置，能使增湿气的流线分布更均匀，锌液面处的增湿气可以借助下行气流到达，锌液面与增湿气的接触得到了保障。

　　带钢热镀锌工艺是板材防腐蚀的一项重要工艺，对钢铁行业的发展具有重大的意义。而炉鼻子作为带钢热镀锌工艺设备中最重要的设备之一，其作用可谓不同凡响。炉鼻子的结构及工艺好坏，直接决定着镀锌带钢的表面质量，因此对其进行研究分析，帮助行业发展，具体研究内容如下：

　　通过查阅文献以及对工厂实物的参观了解，掌握需研究分析的炉鼻子的结构以及特点，包括尺寸，材料，内部流通的介质。拟定不同参数下需要进行的实验方案以及不同方案所得结构的大致预测。

　　努力学习和掌握SOLIDWORKS，ANSYS电脑软件。SolidWorks是一款用于建立炉鼻子几何模型的软件，给予了根据特征的实体建模作用。根据拉伸、旋转、壁厚特征、高级抽壳、特征排序和打孔等操作创建了炉鼻子的结构。ANSYS是一款多用途的有限元法计算机设计程序软件，对本研究内容的流体动力学分析有着不可或缺的作用；ANSYS提供的网格划分技术是研究本课题的重要手段。

　　在工业条件下，采用不同经典设计方法对炉鼻子吹吸式各种参数进行初步设计，得到有关参数的取值范围，为炉鼻子的优化设计提供基础。

　　对现有供气方式炉鼻子进行数值模拟、分析流场，发现其存在的缺陷，然后从抽气口位置、炉鼻子长直段上方的腔室大小等方面对现有供气方式炉鼻子进行流场优化。并在此基础上对炉鼻子进行结构的优化与改进，在不影响原设备功能，对原设备改造量尽量要小，满足结构紧凑，空间布局合理，使用期限10年的要求。

　　对管路系统的选材、选型、阀门选型、液位计和温度计等进行研究，在做到经济性的同时兼顾工况合理、不影响原设备功能、对原设备改造量小。风机选型时要满足工况、经济性的要求。两者协同配合时，要针对满足强度、刚度和稳定性、结构紧凑，空间布局合理的要求，研究合适的选型配合方案，择出最优，进行模拟分析验证。

　　计算流体动力学(CFD)技术被广泛运用。CFD数值模拟技术可以求得一些流体物质的流向、速度场和浓度值场。与实验研究对比，CFD数值模拟可以很充分的模拟各种各样工作状况，模拟结果可以为具体工程项目或实验研究给予改进方案。

　　不论是流动问题或是锌蒸输运问题，对于稳态问题，求解全过程如下图2.1所显示，包含创建适宜的操纵方程，得出求解方程的初始条件，将几何图形求解区域划分测算网格，求解后输出仿真模拟結果。针对炉鼻子抽气进气系统的有限元分析，开展了下列简化处理：炉鼻子气汽体流动视作稳态流动；由于空气或氮气在炉鼻子中的流动速度不大，因此可以将两者视为不可压缩流体。

　　流体的流动都遵从三个基本定律，三个守恒定律相匹配的控制方程为雷诺运动方程、连续性方程和能量守恒方程[14-16]。

　　在封闭系统中，功效于系统的全部外力作用之和相当于流体动量矩随时间的变化率，进而获得流体运动方程——雷诺运动方程：

　　在流体空间的固定不动区域中，流体的质量在流体运动期间是不变的。该基本定律可使用于气体流动，以得到流体流动的连续性方程：

　　在微元流体中，净热流增量与表面力和体积力对其所作的功之和等于能量增加率，由此得到能量守恒方程:

　　为了得到更可靠的结果，务必挑选适宜的CFD实体模型来模拟具体流动。根据RANS方程的CFD模拟，再加上适合的湍流模型，早已成为将来大部分工程项目流体的计算方式。尽管大涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)可以用于模拟流体流动，但因为计算机内存和速率的限定，它们在工业生产使用中并不现实。在工业产品设计中，依然应用RANS的模拟结果做为具体指导方式。

　　炉鼻子内的气体流动属于强旋流、绕弯曲壁面流，由ssirat[17]等人的研究结果表明，此处应采用RNGk—模型。

　　在近壁区，湍流的发展趋势不够，不可以应用之前创建的高Re数RNGk-ε实体模型。有这两种方式可以叙述壁面周边的液体流动性。一种是低Re数的k-ε实体模型，必须在墙壁区划细网格图。另一种是壁面函数法，用一组半经验公式将湍流核心区待求解的未知量与壁面上的量联络起來。壁面函数法根据一组半经验公式将内壁的量与湍流核心区的待求解量联络起來，可以立即求解邻近操纵容积内连接点的变量值。壁面函数法是得出每一个输运方程式的内部结构连接点值和壁值相互关系。

　　求解出锌蒸汽的组分控制方程可以计算出炉鼻子内锌蒸气的浓度。组分控制方程的物理意义是:通过系统界面的净扩散流量等于炉鼻子内锌蒸气质量的变化率。锌蒸气的组分控制方程为:

　　本章对炉鼻子内部流动模拟的计算方法作出了介绍。对于不可压缩的流体，求解流场应用连续性方程、雷诺运动方程。求解温度场应用能量方程。本章还着重介绍了本论文所用的核心区流体流动速度场的求解模型RNGk-ε模型，最后还介绍了用作求解近壁面区温度场和速度场的壁面函数法。

　　本文主要针对炉鼻子进行流场模拟分析，故因此建立几何模型，如图3.1，由于几何模型具有严格的对称结构，故做简化处理，以便减少计算量。

　　如图3.2为炉鼻子的网格划分图，并对其流动计算进行离散化处理，全局平均网格尺寸50mm，并对抽气、排气口等局部小区域进行了网格细化，为计算的可靠性提供了充分保障。

　　炉鼻子内部流动的气氛主要是N2，H2的量很少而可以忽略，且炉鼻子两端分别受退火炉500℃和锌锅590℃的高温影响。气体密度与比热受温度影响比较显著。故考虑工作介质N2为变物性介质，在不同温度下的密度由理想气体状态方程计算、比热为温度的函数。

　　（1）炉膛：炉膛工作温度为500℃，工作压力为300Mpa，开度100％。

　　（2）带钢：带钢以匀速2m/s的速度由退火炉向锌锅运动，带钢面为移动壁面无滑移边界条件。

　　（3）抽气口：抽气由额定500m3/h的风机完成，抽气口为速度出口边界条件，速度值为体积流量除以出口面积控制体积流量为100、200m3/h。

　　（4）进气口：进气由额定500m3/h的风机完成，排气口为速度出口边界条件，速度值为体积流量除以出口面积控制体积流量为0、50、75、100、150m3/h。

　　（5）锌锅：锌锅的工作温度为590℃，气氛与锌交界面简称锌液面，为恒温壁面无滑移边界条件。

　　（6）其他：炉鼻子壁面实际包有保温层，流场模拟中外部壁面为固定壁面无滑移边界条件，绝热；模型作对称简化，炉鼻子中间对称面为对称边界条件。

　　流场模拟的计算精度要求10-6。通过AnsysCFX实现流场模拟，计算过程监测残差曲线为守恒方程与湍流方程（动量与质量项、能量项、湍流项）的残差曲线残差曲线控制方程的离散与求解

　　炉鼻子内气氛流动为单相流，计算了连续性方程、NS方程和能量方程。炉鼻子中的气氛流动性能达到平稳的湍流情况。在近壁区，湍流的发展趋势不充分，不可以应用之前创建的高Re数RNGk-实体模型。壁面周边液体流动性的方式有两种，一种是低Re数k-ε实体模型，必须在壁面区细化网格；另一种是壁函数公式法，用一组半经验公式将湍流中心区待求得的未知量与壁面上的量串联起來。本处采用低Re数k-湍流实体模型。

　　采用有限体积法测算操纵方程中的离散变量网格。有限体积法主要包含两个层面：网格的区分和操纵体积的体积积分。有限体积法既归属于加权余量的子域法，也归属于采用部分类似的离散变量法[18]。基于压力和速度的解，采用“SIMPLE”优化算法。SIMPLE算法由Spalding和Patankar1972年明确提出[19-20]，并从起初的不可压缩流场的测算推广到了可压缩流体的测算。其核心内容是基于“猜测-修正”的方式，用网格交错来求得压力场，从而获得动量方程的解。梯度离散化格式和压力离散化格式分别为“LeastSquaresCellBased”和为“SecondOrder”，动量、湍流动能、湍流耗散率离散化方法为“FirstOrderUpwind”。

　　针对多尺度流场的有限元分析，必须在确保充足精密度的前提下降低测算工作量。提升网格数会增加测算量，而降低网格数会减少计算精度。因而，在确保计算精度的前提下，应该应用少许的网格。依据炉鼻子实体模型，当网格数各自为36万、63万、84万时，用CFX软件对相同条件下的流动进行仿真模拟。

　　针对三种网格数，在Y=0.1m和Y=-0.1m平面图上，如下图3.4在进气口与抽气口的连线m取一点纪录气体流速，各自获带钢两边的22个点以及其气流速度。作不一样网格数下的气流速率曲线炉鼻子网格无关性的取点

　　从以上的相关系数表和速度变化曲线图可以看得出，当网格数从36万增加到63万时，两组数据的相关系数为0.9954，当网格数从63万增加到84万时，两组数据的相关系数为0.987；在Y=-0.1m的水平上，两组数据的相关系数在网格数从36万增加到63万时为0.9961，在网格数从63万增加到84万时为0.9989。可以看得出，网格数从63万增加到84万后的相关系数超过网格数从36万增加到63万后的相关系数，更贴近于1。

　　综合Y=0.1m和Y=-0.1m平面上不一样网格数时气流速度的相关系数，网格数从63万增加到84万时的相关系数高过网格数从36万增加到63万时的相关系数。可以认为有限元分析获得的气流速度结果与网格数不相干。也就是说，网格数从63万增加到84万后，网格数再度增加，对速度的影响低于网格数从36万增加到63万。这时挑选较小的网格数可以降低测工作量，因而选取的网格数为63万。

　　为了探究在同一抽气流量下，改变不同的进气流量对炉鼻子气氛流场的影响。现使抽气流量恒定100m3/h、200m3/h，每一抽气流量下的进气流量设三个值，分别为0、抽气流量值的一半和3/4。用两组仿真结果去探究抽气流量和进气流量对炉鼻子气氛流场的影响。

　　抽气流量100m3/h时，进气流量分别为0m3/h、50m3/h和75m3/h。首先观察进气量为0m3/h的流场分布，后续提高进气流量可直接比较流场的特征，从而分析抽气量恒定100m3/h补气流量的影响。图3.6为抽气量恒定在100m3/h时，无补气条件下的流线分布。可以看出，上端炉膛的工作条件维持得相对稳定，但是运动着的带钢壁面造成气氛的对流，使得气氛会在炉鼻子内带钢的约束区域内产生一定程度的涡流。炉鼻子有多段不同尺寸的结构连接，如图3.6所示。每段结构尺寸的变化都会不可避免的产生涡流。为了更好的分析气氛流动均匀性，选择了接近锌液面这一段较长的直段区域进行分析，即图中虚线区域。截取垂直带钢方向等距分布的五个截面，其中1、2、3、4、5均只出现一个涡，且涡流范围并不大，说明湍流程度并不是很明显。气氛进入炉鼻子口后，由抽气口处排出，由于没有进气条件，故会在锌液面与炉膛开口处的中间某个位置维持质量与动量的平衡，故会产生一个回流。

　　增加体外进气流量的值，观察增加进气流量为50m3/h时的全局流线所示。在长直段的虚线在进气口下方出现了占比很大，流线复杂的复杂涡流，且长直段的流线相比于无进气条件下更加的不均匀。对比图3.6不难看出，增加了进气流量过后，炉鼻子长直段上端部分的流线更加的稀疏且都产生涡流，这表面了增加进气流量过后，锌液面的气氛能一定程度得到阻止进入炉膛，但仍有少量气氛进入炉膛，带钢的相对运动也会使得部分气氛附着在带钢上。

　　继续增加进气流量到75m3/h，得到如图3.8所示的全局流线，所有的流线和涡流都有着巨大的差异。截面1到截面5均为一个涡流，占比极大且极为复杂，涡流中心均向进气口移动。长直段内的气氛流动也变得及其复杂。对比上图不难看出，增加进气流量越发接近抽气流量时，炉鼻子长直段上端部分的流线会越发稀疏，表面下端的气氛乃至锌液面上的气氛，由长直段进入炉膛的比例会越发减小。进气量的增加，会有效抑制锌液面上的气氛(文章服务+v：haodaixie)上漂现象。长直段的气氛流场变得复杂，对于带钢表面附着的锌液面气氛也有着明显改善，在保护气氛的作用下，锌液面产生的气氛很难附着在带钢上。

　　图3.8进气流量75m3/h的全局流线/h时补气流量对全局温度与压力的影响

　　体外循环抽气条件引导炉鼻子内气氛的流动从炉膛至锌液面附近并被抽出，有效提高了炉鼻子内气氛流动的均匀性。但是温度与压力的平衡性成为评价体外循环抽气条件可靠性的另一必要条件。

　　炉鼻子内全局气氛温度主要受炉膛恒定不变的500℃控制，在锌液面恒温590℃时，无抽气进气条件下气氛温度从炉膛向锌液面方向逐渐由500℃增加至590℃。当抽气流量恒定100m3/h时，图3.9（a）进气流量0m3/h，515℃等温面出现在抽气口附近靠近锌液面的位置，这说明了炉鼻子内大部分区域的温度由炉膛温度控制，锌液面590℃产生的气氛流动主要限制在锌液面与抽气口附近。可以看到等温面在靠抽气口侧的壁面形成个相对细长的条状，可以结合图3.6看到在这个位置气氛回流较为明显，使锌液面的高温影响产生局部效应。

　　图3.9（b）为进气流量50m3/h时，515℃的等温面落在离炉膛开口很近的位置，且可以看到在等温面是扭曲的，在开口处的扭曲面更大，即炉膛500℃的影响在开口区域更加显著，表明了进气流量的增加加强了炉膛开口处的的热对流。图3.9（c）为进气流量75m3/h时，515℃等温面还是落在离炉膛开口很近的位置，但是等温面出现较大幅度的缩小，表明仅有等温面下侧的温度会高于515℃，锌液面的高温被进气口吹入的气氛产生的涡流阻挡在了炉膛下方，同时也表明锌液面上的气氛部分由抽气口被抽出，如图4.12(c)所见。最后发现体外循环抽气并未导致局部出现过低温度，最低温度仍是炉膛控制的500℃。

　　图3.10显示进气流量0m3/h、50m3/h、75m3/h的对称面压力分布。进气流量为0m3/h时，炉鼻子内气氛受带钢运动产生对流，导致图3.10(a)所示的由炉膛向锌液面轻微的压力增加。引入50m3/h进气条件后，进气口出相对大的压力区域有所减小，靠近锌液面处的压力不断增大进一步增加。这表明进气口气氛的注入在进气口下方引起涡流，阻止了高温的锌灰向上飘。进气量达75m3/h后，进气口出大的压力区域继续减小，由于进气口气氛形成的涡流范围、湍流强度增大，导致抽气口上端的高温锌灰不断聚集形成较高的温度，导致压力不断增大。可以看见，在进气口处出现区域相对低的压力，低于300Pa。炉鼻子内进气口附近出现负压情况。可见，进气流量的增加，会使得抽气口下方会产生负压。

　　体外抽气进气条件对炉鼻子流场的分析在上一节已经做了分析，为了进一步掌握抽气流量恒定时改变进气流量对炉鼻子气氛流场的影响,现用进气流量/抽气流量作为横坐标，回流比、温度、压力作为纵坐标对炉鼻子的全局气氛影响做探讨。抽气流量分别为100m3/h和200m3/h时，进气温度为500℃，进气流量分别为0、20、40、60、80m3/h和0、40、80、120、160m3/h，即横坐标为0、0.2、0.4、0.6、0.8。

　　首先来看两种抽气条件下的全局回流比，如图3.11所示。在两种抽气量条件下，回流比都随着进去口流量比值的增大而增大，两根曲线呈一种比较平稳的趋势上升。这是因为随着进出口流量比值的增大，进气流量也就增大，进入炉鼻子的气氛会在进气口下方产生一个涡流来影响全局回流比。进气流量越大，产生的涡流就强度越大，占比范围也就越大，且涡流的中心朝着进气口方向移动。涡流中心距离锌液面越远，对全局气氛的流动均匀性影响也就越大。从图中可以明显看出，同等进出口流量比值下，抽气流量200m3/h的回流比相对于抽气流量100m3/h的回流比明显小得多。

　　如下图3.12为全局温度随着进出口流量比的曲线变化图。可以直观的看见，当没有进气条件的时候，全局温度均略小于恒温条件的壁面温度550℃，表明炉鼻子里存在一定程度热对流，气氛主要受锌液面的来流温度控制。当进出口流量比值逐渐增大的时候，两种抽气流量下的温度曲线都随之而下降。显然全局最低温度为炉膛来流控制的500℃。而且当进出口流量的比值达到0.6时，抽气流量100m3/h的温度曲线逐渐平稳下来，全局温度维持在530℃。可见在100m3/h抽气条件下，当抽气流量和进气流量的值越来相近，炉鼻子的温度会变得越来越平稳。反观抽气流量达到200m3/h时，全局温度随着进出口流量比值的增大而以较平稳的趋势下降，进出口流量比值越大，全局温度越接近500℃。表明此时的热对流较强而带来了较好的温度均匀性，且全局温度受炉膛来流控制。图中可以看出，抽气流量200m3/h时炉鼻子的温度均匀性要比抽气流量100m3/h时要好。

　　最后来看进出口流量的比值对全局压力的影响。在无进气条件时，两种抽气流量下的压力都略高于300Pa。当进出口流量比值达到0.2时，全局压力略有降低，但还是高于300Pa。当进出口流量比值高于0.2过后，从图上可以看出两根压力曲线呈现急剧下降的的趋势。呈现压力下降的趋势是表明在近锌液面附近存在涡流导致相对压力较大。但曲线有些许波动，这是由于平均压力处于受炉膛控制的炉鼻子初始300Pa压力值附近，局部小涡流就可能导致微小的压力波动。且当进出口流量比值高于0.2过后，两种抽气条件下炉鼻子都会出现负压情况。这是因为随着进气流量的增加，会在进气口下方出现一个涡流而造成压力的损失，抽气也会导致压力损失，但并未对全局产生较为显著的影响。

　　以上综合可得出，抽气流量200m3/h条件下的回流现象、温度均匀性比抽气流量100m3/h条件下的要好，增大抽气流量对缓解炉鼻子回流现象能作出贡献。

　　炉鼻子进炉膛处设置风门，实际操作中改变风门关闭角度实现对锌灰往炉膛运动的抑制。为了探究风门关闭角度对炉鼻子气氛流场的分析，现对炉鼻子的风门关闭角度的不同，在一定抽气流量下对炉鼻子进行全局流场分析。从全局回流比、全局温度以及全局压力对炉鼻子风门的关闭角度进行模拟分析。风门的关闭角度为0~90o。当风门关闭角度为0时，可认为风门全开，设置为墙体。

　　流场模拟中，炉鼻子流动区域内气氛的主要成分是N2，由于H2量较少作忽略处理，工作介质为N2。炉鼻子两端分别受退火炉500℃和锌锅590℃的高温影响，气体密度与比热受温度影响显著。因此考虑工作介质N2为变物性介质，在不同温度下的密度由理想气体状态方程计算、比热为温度的函数。

　　风门作为一固体结构限制流动，不同风门角度需要建立相应的几何模型实现，如图3.14所示，现研究建立模型其关闭角度θ分别为0、15、30、37.5、45、52.5o。此时炉鼻子的边界条件如下：

　　抽气口工作条件：抽气由额定体积流量为500m3/h的风机完成。在流场模拟中，控制体积流量分别为0、75、150m3/h。

　　炉膛的工作条件为工作温度为500℃、工作压力300Pa。流场模拟中，对开放向炉膛的缝隙截面按炉膛工作条件设置，截面为开口边界条件。温度500℃、压强300Pa。

　　带钢均匀由炉膛向锌锅运动。流场模拟中，带钢壁面为移动壁面无滑移边界条件，沿几何长度方向按2m/s均匀运动。

　　其他部分，炉鼻子壁面实际包有保温层，流场模拟中外部壁面为固定壁面无滑移边界条件，绝热；模型作对称简化，炉鼻子中间对称面为对称边界条件。

　　锌灰的上飘进入炉膛内是工程项目具体必须处理的问题，因而风门的关闭角度的研究主要是聚集在炉膛开口处回流现象上。挑选炉内开口横截面的回流比数据信息，开展定量分析，如下图3.15所示。抽气流量越大，回流比曲线图越越往下，回流比值越小。可是，因为抽气流量的不一样，回流比趋势分析存有很大差别，可以看出，风门关闭角度对不一样抽气标准下回流现象的直接影响是不一样的。

　　当抽气量为0时，随着风门关闭角度θ增加，在θ=30o时回流比达到最大值。回流比先增加后减小，在θ=30o时回流比达到最大值。无抽气条件，炉鼻子内气氛流动强度低，气氛在炉鼻子内受到限制而流动产生涡流，总体回流比大。当θ在0~30o范围时，主流运动是十分弱的，风门的关闭角度较小使得结构限制气氛的流动，而在风门附近产生涡流，并在风门开口处溢出，并随着风门关闭角度的增大而导致回流比增大，在θ=30o回流比达到最大值。在而θ在30o~52.5o范围时，风门与带钢间通流面积会变得很小，小通流截面内气氛流动沿带钢向下速度很高，在带钢的带动下，气氛在带钢运动的带动下，对回流比减小起到贡献作用。

　　当抽气量为75m3/h时，随着风门关闭角度θ的增加，在θ=37.5o处回流比达到最大值。在风门关闭角度θ在0~37.5o内时，回流比呈现出随着风门关闭角度增大而出现小幅度增大。在θ大于37.5o后，回流比随着风门关闭角度的增大而无显著变化。当θ在0~37.5o这一范围内变化时，风门限制的通流面积已经在不断地减小，而回流比则小幅增大。这表明：此时的抽气量还相对较小，向锌液面方向不足以形成强的主流运动，在风门限制气氛流动后，风门会在炉鼻子的一侧产生一个涡流，这使得主流运动不显著，流动由风门开口溢出。则会出现随着风门关闭角度增大而回流比出现小幅增加的现象。风门继续关闭，回流比无显著变化。这是因为风门与带钢的流通面积很小，此时的气氛流动状态与风门关闭角度37.5o时十分相似，气氛主要通过风门上端的开口向炉膛内运动。

　　当抽气量达150m3/h时，所有风门关闭角度下回流比均小于0.01。在风门关闭角度θ=15o时达到最大值。随后风门关闭角度增大回流比继续减小。这是因为θ=15o时，极小部分的气氛流动受限，导致回流比小幅增大。而在大额抽气量的条件下，风门关闭角度的增大，回流比持续减小。不难看出。抽气量增大是抑制锌灰向上运动的最主要手段。

　　图3.15全局回流比随风门关闭角度的变化曲线不同抽气流量下风门关闭角度对全局温度与压力的影响

　　为了评价关闭风门对能量与质量动量平衡性的影响，研究温度与压力受风门关闭的影响是很有必要的。为此利用相似的方法，作出了全局温度受风门关闭角度影响的曲线所示。首先观察到随着抽气流量的增大，全局温度就随之降低，且曲线℃靠近。风门关闭角度的变化并未对全局温度带来十分显著的影响。在不同抽气流量和不同的风门关闭角度条件下，全局温度均小于恒温条件的壁面温度550℃，表明炉鼻子里存在一定程度热对流，气氛主要受炉膛气氛温度控制。显然全局最小温度直接是炉膛来流温度500℃。无抽气条件和抽气流量150m3/h条件下，皆是θ=0o时温度最高，风门关闭角度最大时达到最低。这表明炉鼻子内气氛不受风门限流，流动性好热对流强则带来更好的温度均匀性。而在抽气流量75m3/h条件下，全局温度在风门关闭角度θ=30o时达到最低温度，这表明小额抽气流量下，气氛的流动受到限制。全局温度受炉膛来流的影响较大，所以温度会有所降低。继续关闭风门，随着风门关闭角度的增大，炉鼻子全局受到炉膛来流的温度控制较弱，热对流程度减弱，使得温度升高，受锌液面来流的温度控制较强。当风门关闭角度为θ=45o时，随着风门关闭角度的增大，温度降低，表明此时炉鼻子内气氛的流动不受风门限流，热对流强，温度有所降低。

　　图3.16全局温度随风门关闭角度的变化曲线全局压力随风门关闭角度的变化曲线

　　作全局压力的曲线图所示。首先观察抽气流量为0和抽气流量为75m3/h条件下的曲线。两者都是在风门关闭角度为0时压力最小，在风门关闭角度最大时达到最大值。其间的全局压力随着风门关闭角度的增大并没有显著的变化，较为平稳接均压力300Pa。这是因为无抽气条件下或者小额抽气条件下，因为炉鼻子内流动强度低、压力分布较均匀；而风门关闭角度达到52.5o时，风门会在炉鼻子一侧产生涡流，使得压力增大。而抽气流量增加至150m3/h时，全局的压力随着风门关闭角度的增大而增大，在θ=45o时达到最大，而后再减小,但全局压力都小于平均压力300Pa。这是因为在大额抽气流量下，风门的关闭使得气氛流动受限，使得压力不断地增大。但因为抽气流量大的原因，全局温度会相对降低，由于抽气使得压力损失，但是并没有对全局产生十分显著的影响。

　　本章定量分析体外循环抽气进气流量对炉鼻子内回流现象与温度压力的影响，以及通过对风门关闭角度0o、15o、30o、37.5o、45o、52.5o的气氛流场进行分析，研究在不同抽气量下风门关闭角度对回流比、温度和压力的均匀性的影响，得到如下结论：

　　(1)体外循环抽气流量越大，回流比越小，温度更均匀且受炉膛温度控制。且抽气流量较进气流量而言，对缓解回流现象有更大的贡献。

　　(2)抽气流量200m3/h时炉鼻子的温度均匀性要比抽气流量100m3/h时要好。

　　(3)当进出口流量比值高于0.2过后，两种抽气条件下炉鼻子都会出现负压情况。这是因为随着进气流量的增加，会在进气口下方出现一个涡流而造成压力的损失，抽气也会导致压力损失，但并未对全局产生较为显著的影响。

　　(4)在不一样的抽气流量下，风门的关闭角度对炉膛开口处的回流比的影响趋势不一样，对抑止锌灰往上运动沒有明显的效果。当抽气量达到150m3/h时，全部的风门关闭角度下回流比均低于0.01，增大抽气流量是抑止锌灰上飘的最主要方式。

　　(5)在不一样的抽气流量下，风门的关闭角度炉鼻子对总体温度和压力沒有明显的影响。只受到抽气流量的影响。抽气流量越大，对流传热越强，全局温度更接近炉内温度。压力的损失出现在抽气口，但对全局工作压力无明显影响，维持轻度负压力。

　　为了能更好的抑制锌灰，现设计一种保护干湿气氛混合优化的管路加湿系统露点闭环控制装置。该装置由基本管道、流量计、温度计、液位计、管法兰、减压阀、球阀、调节阀等按水箱、电控柜的排布连接组装而成。该装置具有保护气氛加湿加热的功能。在生产期间炉鼻子内填充混合气体来形成还原性气氛，从而防止带钢氧化，实现光亮退火，进入锌锅内则开始热镀锌的过程。

　　在工业生产通风系统中，通风管道的摩擦阻力与气体在通风管道中的流动状态和管路壁的光洁度相关。高速风管的流动状态一般处衔接区；冷轧钢板通风管道的气旋状态大多数处在光洁区和不光滑区的衔接区；仅有混泥土和砖的通风管道，在流动速度很高时，气体流动状态是不光滑区。在工业生产通风系统中，当气体流过横截面变化、流向变化和流量变化的管道时，会造成局部阻力。局部阻力在工业生产通风系统中占据非常大比例，设计时需要留意，尽可能减少局部阻力[21]。

　　通风管道的原材料具体有厚钢板、软金属管、塑胶和橡胶软管、胶合板、人造板、石膏板、硬质的PVC塑料板、砖和混凝土等。钢板是通风管道最经常使用的原材料，根本原因是钢板具备抗腐蚀、耐热的特性，生产制造安裝便捷[23]。

　　综合性通风管道设计方案要充分考虑的首要要素，及其工程造价、应用性等。该管路采用304不锈钢板做为管路原材料，在进气口与排气口均采用两小管接一大管的设计，以达到设计规定，并尽可能减少局部阻力。

　　应企业要求，抽气流量最高控制在200m3/h，且抽气管道有两根，每个能控制流量最高在0-100m3/h，取平均值[22]为50m3/h，则抽气管道的公称直径可取为100mm。管路系统的工作压力为0.15MPa，低于1.6MPa，查不锈钢无缝钢管GB/T14976-2002知，此时的管路壁厚选择3mm。进气流量不能高于抽气流量，

　　所以进气管道公称直径低于抽气管道1~2等级即可，取低两个等级，此时进气管道公称直径取65mm。查GB/T14976-2002知，此时的管路壁厚为3mm。抽气管路和进气管路都是两根，与其连接的总管公称直径高于其1~2个等级即可。这里抽气管道总管选择公称直径高抽气管道两个等级，取150mm，查GB/T14976-2002知此时的抽气总管壁厚为3.5mm；进气管道总管选择高于进气管道一个等级，取80mm，查GB/T14976-2002知此时的进气总管壁厚为3mm。最终整理可得下表4-1.

　　氮气从氮气源进到炉鼻子前，必须依据工况监测其流量，监测到的氮气加温后进到炉鼻子。这里应当选用涡街流量计。涡街流量计适用于精确测量工业管道物质液体的流量，如气体、液态、蒸气等物质。其优点是的压力损失小、检测范围大、高精度。在精确测量工况下的容积流量时，几乎不受流体密度、工作压力、温度、MLTY.COM黏度等技术参数的影响。

　　由于氮气要加温到600℃才可以进到炉鼻子，因此用于监测氮气温度的温度计应该是高温温度计。充分考虑到精确性、实用性和经济性，这里可选用比较常用的Pt-Rh30-Pt-Rh6高温热电阻温度计，能测温度为0~1600℃，容许误差△t为±1.50℃或者±0.25%t。

　　液位计可采用磁翻板式液位计。磁翻板液位计是一种新式仪表盘，它利用浮球中的磁瓦推动两色片旋转来标示液位。主体内的磁浮子伴随着液位的调节而上下左右挪动，与此同时推动主体外的指示器内的两色片旋转，有液位时变红，无液位时泛白。红色和白带中间的界限意味着液位高度。指示器的左边有一个十分醒目的标尺，进而使得液位的标示看上去更清晰。

　　化工部法兰标准一共规定了8种管法兰，如图4.1所示为八种法兰的名字、结构、代号。从其中挑一种作为接管法兰。

　　对焊法兰颈的存在提高了法兰的刚性，同时由于颈的根部厚度比筒体厚，所以降低了根部的弯曲应力。此外，法兰与筒体的连接是对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，故对焊法兰适用于压力、温度较高的场合。保护气氛的加热温度最高高达600℃，故此处选用对焊法兰。

　　减压阀是根据调节将通道压力减少到某一需求的出口压力，并靠其中的介质自身的力量自动维持出口压力平稳的闸阀。随后借助操纵调节系统软件的调节，使阀后压力的震荡与弹簧力做到均衡，使阀后压力在一定的偏差范畴内维持稳定。工业生产上多见的减压阀有五

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