热镀锌钢板大量应用于汽车内外板,高表面质量是其必需具备的基本条件。镀锌液中的锌渣是影响镀锌板表面质量的最重要因素,由锌渣引起的各种缺陷造成了巨大的经济损失。目前防止锌渣缺陷产生的措施主要是通过镀锌工艺控制和设备改造,抑制锌渣的形成。随着材料电磁加工技术的发展,电磁净化已经成为具有应用前景的新型金属熔体净化工艺。尝试将电磁净化技术应用于热镀锌液中锌渣的去除,揭示外加电磁场作用下锌渣相的电磁分离机理和分布变化,不仅具有重要的理论价值,而且对于高质量热镀锌产品的生产也具有显著的应用价值。针对热镀锌液中锌渣去除的研究现状,本文通过电磁分离热镀锌液中锌渣这一新工艺开展了如下研究:(1)揭示了交变磁场作用下锌渣的电磁分离机理;(2)通过数值分析研究了锌渣去除效率的影响因素;(3)建立了热镀锌液电磁分离的实验装置,并进行了热镀锌液静态分离实验和连续分离实验;(4)设计了大流量的热镀锌液电磁净化中试试验装备,并开展了热镀纯锌(GI)和合金化(GA)钢板镀锌液体系的中试试验研究;(5)通过数值模拟研究了中试锌锅及工业锌锅中的流场、温度场和锌渣浓度场在锌液体外循环净化下的变化规律。通过上述研究提出了热镀锌液电磁净化的技术原型,为热镀锌液电磁净化技术的工业应用奠定了实验和理论基础。通过建立锌渣电磁分离的计算模型,研究了锌渣电磁分离过程中的运动规律、锌渣分布变化以及去除效率与主要工艺参量的变化关系。由于锌渣相的导电率与锌液存在数量级的差异,锌渣颗粒的受力为一个与锌液所受电磁力方向相反的挤压力作用,其大小在数值上等于等体积锌液所受电磁力的0.75倍。因此,通过在锌液熔体内施加定向电磁力作用即可实现热镀锌液中锌渣的定向分离。锌渣的去除效率与电磁力施加时间、磁感应强度、磁场频率和分离器尺寸有关。锌渣的去除效率随平均停留时间和磁感应强度的增大而增大;当磁场频率一定时,分离器尺寸与集肤深度的比值a/δ在2附近时锌渣去除效率最佳,随着分离器尺寸的进一步增大锌渣去除效率将减小;在分离器尺寸一定时,锌渣去除效率随磁场频率的增大而增大。根据分离器单个通道的尺寸,合适的磁场频率应使得集肤深度δ=2.5 mm,因此,实际磁场频率f可选择为15 kHz-20 kHz。在分离器尺寸、磁场频率和锌液在电磁感应线圈中平均停留时间一定的条件下,磁感应强度值不小于0.06T,净化电源的额定功率为50kW。以电磁参数计算结果为理论依据建立了热镀锌液静态电磁净化装置并开展了相关实验研究。实验结果表明:在磁场频率为17.5kHz、磁感应强度均方根值为0.05T时,电磁作用15 s可有效去除不同铝含量的热镀锌液中粒度大于10μm的锌渣。设计了热镀锌液连续净化实验装置,并进行了锌液连续流动条件下的电磁净化实验,对锌渣去除效率随工艺参数的变化规律进行分析,实验结果表明:当磁场频率为17.5kHz,有效磁感应强度为0.05-0.1T,电磁力施加时间为0.6-2.5s,陶瓷管横截面的锌液通道尺寸为10×10mm,10μm粒度的锌渣分离效率变化范围从43.76%到98.63%,实验结果与数值计算结果吻合较好。为了提高分离效率,充分利用方形孔陶瓷管内锌液的二次扰动,研制了多级分离器,利用数值模拟对锌渣去除效率进行了计算,由于第一级分离器每个通道的中心位置现在被壁面占据,而原本处于分离“弱区”的锌渣在第二级分离器内恰恰处在靠近壁面的“强区”,锌渣的电磁分离效率可提高10%左右,并通过实验加以验证。在现有电磁净化实验装置的基础上,设计了一套具有自主知识产权的热镀锌液电磁净化中试装备。本装置在国内首次使用了热镀锌液体外循环净化技术,成功实现了锌液体外连续电磁净化,成为该技术工业应用的装备雏形。在中试平台上进行的GA镀锌液优化试验结果表明,通过延长电磁净化时间、优化工艺参数和改变陶瓷管分离器结构可明显改善净化效果,锌锅内所有取样点的平均锌渣去除效率可达89.52%,电磁净化流槽中陶瓷分离器前后的锌渣去除效率约为75%左右,粒度大于20μm的锌渣经过电磁净化可完全去除;中试平台上进行的GI镀锌液电磁净化试验表明,锌渣去除效率可达70%,电磁净化流槽中粒度小于15μm的锌渣去除效率仅为42.1%,而大于15μm的锌渣去除效率为91.67%,直径大于20μm的锌渣可全部去除。中试锌锅的数值模拟结果表明,在热镀锌液体外循环电磁净化的前提下,综合考虑实验平台内锌液的流动和除渣率两方面因素,当回锌管液流速度较低时,宜取较短的回锌管长度;而当回锌管液流速度较高时,宜取较长的回锌管长度。回锌管液流速度或净化效率较高时,实验平台内锌渣浓度总体上均处于较低水平,除渣效果较好。锌渣粒径对锌渣浓度场和除渣率影响不大。工业在役锌锅的数值模拟结果表明,回锌管或抽锌管的放置与否主要影响锌锅沉没辊上方的V形区及其附近区域,而对锌锅内锌液的总体流动影响甚小。循环净化条件下锌锅中锌渣的浓度随处理时间的增加而逐渐降低。相比于普通锌锅,循环净化方式的引入有利于热镀锌板质量的提高。