在熱軋帶鋼過(guò)程中，除鱗系統(tǒng)相鄰噴嘴重疊區(qū)的存在很可能導(dǎo)致帶鋼表面某些區(qū)域的氧化鐵皮不能被清除，因此，在帶鋼酸洗后，其上表面會(huì)出現(xiàn)沿著軋制方向的帶狀條紋形缺陷，日本JFE認(rèn)為殘鱗的主要原因30%是由于除鱗不充分造成的。對(duì)帶鋼表面質(zhì)量要求高的客戶來(lái)說(shuō)，這些缺陷是可以檢測(cè)到的。
在本文研究中，為了檢查噴嘴角度對(duì)帶鋼表面的影響,嘗試用兩個(gè)相鄰除鱗噴嘴在鋁板上進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果證明與帶鋼表面所成的噴嘴角度越接近垂直，帶鋼表面質(zhì)量則越好；另一方面，如果噴嘴的噴射角度與帶鋼表面接近垂直時(shí)，除鱗水有可能反射并且損壞噴嘴或噴頭。因此為了找到最優(yōu)角度，繪制了除鱗噴霧及周圍結(jié)構(gòu)的三維模型，所開(kāi)發(fā)的最優(yōu)噴嘴角度不僅增加了30%的沖擊力，也不會(huì)損壞噴嘴或噴頭。
1、帶狀缺陷
由于除鱗不充分，部分殘鱗將沿軋制方向出現(xiàn)在帶鋼表面。對(duì)酸洗之前的帶鋼表面缺陷進(jìn)行觀察和元素分析，如圖1所示，條紋間隔在寬度方向上非常均勻，幾乎等于噴嘴距離。而且元素分析結(jié)果認(rèn)為板帶表面上的鐵素體為紅色，間隔部分呈黑色，中間部分是殘留的氧化鐵皮，厚度為10μm。
2、除鱗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
如圖2所示為除鱗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。影響除鱗效率的設(shè)計(jì)參數(shù)有水流、噴嘴高度、噴嘴間距、噴射角度、帶鋼表面噴涂寬度和厚度、對(duì)帶鋼表面的噴嘴角度、噴射重疊區(qū)等。經(jīng)過(guò)研究這些參數(shù)對(duì)除鱗效率的影響并不是獨(dú)立的，比如帶鋼表面噴射寬度和厚度越小，除鱗效率越高，原因是當(dāng)噴霧噴向不同厚度的板帶時(shí)，噴嘴距離板帶表面的高度將會(huì)改變，進(jìn)而噴射寬度也會(huì)隨之變化。因此對(duì)于厚板帶，當(dāng)噴射寬度越小時(shí)，從板帶寬度方向分析，噴霧不能完全覆蓋板帶表面。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一般是將噴霧向軸頭方向扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這樣在寬度方向上就會(huì)形成一個(gè)重疊區(qū)。因此，即使噴射寬度會(huì)隨著板帶厚度的不同而變化，噴霧也能完全覆蓋板帶寬面。
3、重疊區(qū)沖擊壓力減小的機(jī)理
相鄰噴霧的相互干擾導(dǎo)致重疊區(qū)的除鱗效率降低，沖擊壓力減小導(dǎo)致帶狀缺陷形成。為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，進(jìn)行了兩相鄰噴嘴噴鋁板腐蝕試驗(yàn)，如圖3所示，噴霧A的邊緣部分未被腐蝕，即對(duì)應(yīng)重疊區(qū)域；在未腐蝕區(qū)域，噴霧B也不能完全覆蓋板寬。這是因?yàn)橛捎诔[的不充分，這部分的鱗未被清除進(jìn)而導(dǎo)致軋后成為帶狀缺陷。
研究了重疊區(qū)沖擊壓力減小的機(jī)理，沿研究橫截面，由于反沖噴霧的干擾，表面除銹后的水流向上反沖引起沖擊壓力的減小。換句話說(shuō)，由于除鱗后的噴霧B有一部分反沖到除鱗前的噴霧A中，使這部分位于重疊區(qū)上的噴霧的動(dòng)能減小。
4、優(yōu)化噴嘴角度
基于以上機(jī)理，通過(guò)減小除鱗后水流的反向沖擊，進(jìn)而保證重疊區(qū)的沖擊壓力是非常重要的，因此進(jìn)行了與帶鋼表面形成的噴嘴角度（噴嘴導(dǎo)程角）研究。結(jié)果表明當(dāng)噴嘴導(dǎo)程角垂直時(shí)，除鱗后將有50%的水流反向沖擊，其余50%的水流向下沖走；當(dāng)噴嘴導(dǎo)程角越大時(shí)，向下的水流增大，同時(shí)沖擊壓力可能下降。反之如果噴嘴導(dǎo)程角越小至接近垂直，則向上的水流增大，沖擊壓力升高，而且反彈到噴嘴或軸頭的噴霧沖擊將會(huì)增多，也就是說(shuō)，在保證重疊區(qū)的沖擊壓力與保護(hù)周圍設(shè)備兩者之間存在一種平衡關(guān)系。在本文研究中，進(jìn)行了噴嘴導(dǎo)程角和重疊區(qū)除鱗效率的試驗(yàn)，而且用三維模型模擬預(yù)測(cè)噴霧反彈的方向趨勢(shì)，可根據(jù)模擬結(jié)果嘗試優(yōu)化噴嘴導(dǎo)程角來(lái)保證重疊區(qū)的沖擊壓力。
用兩組噴霧進(jìn)行了鋁板腐蝕試驗(yàn)，進(jìn)而可以調(diào)查噴嘴導(dǎo)程角對(duì)重疊區(qū)沖擊壓力減小的影響。試驗(yàn)裝備如圖4所示，測(cè)試板安裝在卡盤(pán)上，軸頭上安裝兩個(gè)噴嘴，且保證噴嘴位于平板正上方。表1是試驗(yàn)條件，噴嘴導(dǎo)程角的變化范圍是0°-15°，高壓水從軸頭邊部開(kāi)始流入，然后侵蝕測(cè)試板。
當(dāng)噴嘴導(dǎo)程角為15°時(shí)，用表面測(cè)量?jī)x掃描測(cè)試板寬度方向上的表面輪廓，且在軋制方向上每隔1mm進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。標(biāo)出在軋制方向上表面輪廓最深的點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)普通區(qū)域即未重疊區(qū)的腐蝕深度大約為0.45mm，而重疊區(qū)的腐蝕深度大約為0.1mm，因此重疊區(qū)的腐蝕速率，也就是除鱗效率約為重疊區(qū)的22%。
研究了噴嘴導(dǎo)程角對(duì)腐蝕速率的影響。如圖5所示，隨著噴嘴導(dǎo)程角的增大，未重疊區(qū)的腐蝕速率變化不大，但是重疊區(qū)的腐蝕速率則逐漸減小，即噴嘴導(dǎo)程角越小，重疊區(qū)的除鱗效率越接近于未重疊區(qū)的除鱗效率。還發(fā)現(xiàn)隨噴嘴導(dǎo)程角的增大，腐蝕速率的對(duì)數(shù)呈線性規(guī)律減小，因此這個(gè)結(jié)果也證實(shí)了上述重疊區(qū)沖擊壓力減小的假設(shè)。
5、反彈噴霧的仿真模擬
繪出噴霧和其周圍設(shè)備的三維模型，然后模擬除鱗噴霧及反彈噴霧從周圍設(shè)備噴出的情況。當(dāng)處于以下條件時(shí)，本文分析了噴霧與周圍設(shè)備的幾何關(guān)系：
◆噴霧的入射角等于反射角時(shí)，且噴霧會(huì)沖擊周圍設(shè)備；
◆除鱗噴霧只能反彈兩次；
◆如果一束噴霧與另一束噴霧相遇時(shí)，它們一起消失。
模擬結(jié)果（未采用實(shí)例）表明，從上軸頭噴嘴噴出的噴霧與下噴嘴噴出的噴霧相遇時(shí)，90%的上噴嘴噴出的噴霧會(huì)消失。對(duì)于其他10%的噴霧，3%將會(huì)從下邊設(shè)備反彈到上面的噴嘴上，1%從下邊設(shè)備上反彈到下面軸頭，剩余的6%沖擊到周圍設(shè)備上，損壞時(shí)這些設(shè)備也可替換為另一組。在這種情況下，由于噴霧會(huì)沖擊重要的設(shè)備如噴嘴和軸頭，因此這種噴嘴導(dǎo)程角不能被采用。
基于觀察周圍設(shè)備的損壞情況考慮是否可以接受傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要優(yōu)化噴嘴布局設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低于傳統(tǒng)的損傷程度的目標(biāo)，而且考慮到要保護(hù)重要的設(shè)備，研究人員開(kāi)發(fā)了最優(yōu)的噴嘴導(dǎo)程角。
6、優(yōu)化噴嘴導(dǎo)程角的效果
圖6示出了優(yōu)化噴嘴導(dǎo)程角的效果，與傳統(tǒng)噴嘴導(dǎo)程角的設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化后在重疊區(qū)的沖擊壓力增加了30%。
7、結(jié)論
本研究用兩相鄰除鱗噴嘴進(jìn)行了鋁板腐蝕試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：
由于除鱗后噴霧反彈形成的水流會(huì)影響其相鄰噴霧，因此重疊區(qū)的除鱗效率降低。
隨著噴嘴導(dǎo)程角的增大，腐蝕速率的對(duì)數(shù)呈線性下降規(guī)律。
本研究用三維模型模擬了噴霧反彈方向的趨勢(shì)，得出結(jié)論如下：與傳統(tǒng)噴嘴導(dǎo)程角的設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化后在重疊區(qū)的沖擊壓力增加了30%。