在熱軋帶鋼過(guò)程中，除鱗系統相鄰噴嘴重疊區的存在很可能導致帶鋼表面某些區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 )出現沿著(zhù)軋制方向的帶狀條紋形缺陷，日本JFE認為殘鱗的主要原因30%是由于除鱗不充分造成的。對帶鋼表面質(zhì)量要求高的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，這些缺陷是可以檢測到的。
在本文研究中，為了檢查噴嘴角度對帶鋼表面的影響,嘗試用兩個(gè)相鄰除鱗噴嘴在鋁板上進(jìn)行腐蝕試驗，結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?chē)Y構的三維模型，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在帶鋼表面。對酸洗之前的帶鋼表面缺陷進(jìn)行觀(guān)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。而且元素分析結果認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、除鱗系統的結構
如圖2所示為除鱗系統的結構。影響除鱗效率的設計參數有水流、噴嘴高度、噴嘴間距、噴射角度、帶鋼表面噴涂寬度和厚度、對帶鋼表面的噴嘴角度、噴射重疊區等。經(jīng)過(guò)研究這些參數對除鱗效率的影響并不是獨立的，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。因此對于厚板帶，當噴射寬度越小時(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一個(gè)角度，這樣在寬度方向上就會(huì )形成一個(gè)重疊區。因此，即使噴射寬度會(huì )隨著(zhù)板帶厚度的不同而變化，噴霧也能完全覆蓋板帶寬面。
3、重疊區沖擊壓力減小的機理
相鄰噴霧的相互干擾導致重疊區的除鱗效率降低，沖擊壓力減小導致帶狀缺陷形成。為了驗證這個(gè)假設，進(jìn)行了兩相鄰噴嘴噴鋁板腐蝕試驗，如圖3所示，噴霧A的邊緣部分未被腐蝕，即對應重疊區域；在未腐蝕區域，噴霧B也不能完全覆蓋板寬。這是因為由于除鱗的不充分，這部分的鱗未被清除進(jìn)而導致軋后成為帶狀缺陷。
研究了重疊區沖擊壓力減小的機理，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(huà)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上的噴霧的動(dòng)能減小。
4、優(yōu)化噴嘴角度
基于以上機理，通過(guò)減小除鱗后水流的反向沖擊，進(jìn)而保證重疊區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（噴嘴導程角）研究。結果表明當噴嘴導程角垂直時(shí)，除鱗后將有50%的水流反向沖擊，其余50%的水流向下沖走；當噴嘴導程角越大時(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)，在保證重疊區的沖擊壓力與保護周?chē)O備兩者之間存在一種平衡關(guān)系。在本文研究中，進(jìn)行了噴嘴導程角和重疊區除鱗效率的試驗，而且用三維模型模擬預測噴霧反彈的方向趨勢，可根據模擬結果嘗試優(yōu)化噴嘴導程角來(lái)保證重疊區的沖擊壓力。
用兩組噴霧進(jìn)行了鋁板腐蝕試驗，進(jìn)而可以調查噴嘴導程角對重疊區沖擊壓力減小的影響。試驗裝備如圖4所示，測試板安裝在卡盤(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是試驗條件，噴嘴導程角的變化范圍是0°-15°，高壓水從軸頭邊部開(kāi)始流入，然后侵蝕測試板。
當噴嘴導程角為15°時(shí)，用表面測量?jì)x掃描測試板寬度方向上的表面輪廓，且在軋制方向上每隔1mm進(jìn)行重復測量。標出在軋制方向上表面輪廓最深的點(diǎn)。發(fā)現普通區域即未重疊區的腐蝕深度大約為0.45mm，而重疊區的腐蝕深度大約為0.1mm，因此重疊區的腐蝕速率，也就是除鱗效率約為重疊區的22%。
研究了噴嘴導程角對腐蝕速率的影響。如圖5所示，隨著(zhù)噴嘴導程角的增大，未重疊區的腐蝕速率變化不大，但是重疊區的腐蝕速率則逐漸減小，即噴嘴導程角越小，重疊區的除鱗效率越接近于未重疊區的除鱗效率。還發(fā)現隨噴嘴導程角的增大，腐蝕速率的對數呈線(xiàn)性規律減小，因此這個(gè)結果也證實(shí)了上述重疊區沖擊壓力減小的假設。
5、反彈噴霧的仿真模擬
繪出噴霧和其周?chē)O備的三維模型，然后模擬除鱗噴霧及反彈噴霧從周?chē)O備噴出的情況。當處于以下條件時(shí)，本文分析了噴霧與周?chē)O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?chē)O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。對于其他10%的噴霧，3%將會(huì )從下邊設備反彈到上面的噴嘴上，1%從下邊設備上反彈到下面軸頭，剩余的6%沖擊到周?chē)O備上，損壞時(shí)這些設備也可替換為另一組。在這種情況下，由于噴霧會(huì )沖擊重要的設備如噴嘴和軸頭，因此這種噴嘴導程角不能被采用。
基于觀(guān)察周?chē)O備的損壞情況考慮是否可以接受傳統的設計，需要優(yōu)化噴嘴布局設計，進(jìn)而實(shí)現低于傳統的損傷程度的目標，而且考慮到要保護重要的設備，研究人員開(kāi)發(fā)了最優(yōu)的噴嘴導程角。
6、優(yōu)化噴嘴導程角的效果
圖6示出了優(yōu)化噴嘴導程角的效果，與傳統噴嘴導程角的設計相比，優(yōu)化后在重疊區的沖擊壓力增加了30%。
7、結論
本研究用兩相鄰除鱗噴嘴進(jìn)行了鋁板腐蝕試驗，得出結論如下：
由于除鱗后噴霧反彈形成的水流會(huì )影響其相鄰噴霧，因此重疊區的除鱗效率降低。
隨著(zhù)噴嘴導程角的增大，腐蝕速率的對數呈線(xiàn)性下降規律。
本研究用三維模型模擬了噴霧反彈方向的趨勢，得出結論如下：與傳統噴嘴導程角的設計相比，優(yōu)化后在重疊區的沖擊壓力增加了30%。