Feasibility study of molten zinc kettle heated by resistive heating elements

The purpose of this work is to prove the feasibility of the realization of a resistive element heated kettle for continuous hot-dip galvanizing. This is due to the fact that current heating methods create a series of movements of considerable speed inside the molten zinc. Such movements follow preferential directions of displacement, and are the cause of low quality coatings and of damage on the kettle and on the submerged rolls. The main issue regarding current methods is turbulent flow, created inside the fluid, which results in cavitation corrosion problems, primarily on submerged rolls surfaces. This work provides two simulations of a water volume, heated by resistive elements and by inductive elements, that is used as a model of the zinc kettle, made with the aid of COMSOL Multiphysics ® software. Such model is implemented in an experimental setup, used to conduct two experiments, one with homogeneous heating, provided by three resistive elements, and one where the heating provided by one element. The simulation results confirm the expectations: the resistive elements heating supplies even heat transfer inside the tank, avoiding the formation of ample temperature gradients, and therefore of strong forces in the liquid. Moreover, the resulting movements are slow and display a chaotic and casual pattern. On the other hand, induction heating provides stronger forces, thus resulting in faster and more dangerous movements of the liquid. Such movements follow the magnetic field lines as preferential pattern. The experiments provide a qualitative visualization of the movements described by the simulation: they prove that resistive elements heating is the optimal choice in order to have little temperature gradients, and therefore few slow movements of the liquid. This work proves that resistive elements heating would be the perfect choice for continuous hot-dip galvanizing process, in terms of quality of products, main- tenance costs and kettle work life. Furthermore, it would help reducing cavitation corrosion, and consequently increase the operational life of the submerged rolls.

L’obiettivo di questo lavoro è provare la fattibilità del riscaldamento, tramite resistenze elettriche, di una vasca per zincatura continua a caldo. Questo perché i metodi di riscaldamento usati attualmente creano, all’interno dello zinco liquido, una serie di movimenti di notevole velocità. Essi seguono direzioni preferenziali e sono la causa di zincature di bassa qualità e di danni sulle pareti della vasca e sui rulli sommersi. Il problema principale di questi metodi di riscaldamento è il flusso turbolento che si viene a creare nel liquido, il quale provoca grossi problemi di cavitazione, soprattutto sulla superficie dei rulli. In questo lavoro sono state svolte due simulazioni, tramite il software COMSOL Multiphysics ®, su un volume di acqua, scaldato tramite resistenze o induttori, che è stato usato come modello della vasca di zinco. Tale modello è stato implementato in un setup sperimentale, con cui sono stati svolti due esperimenti, il primo riscaldato omogeneamente, grazie a tre gruppi di resistenze, l’altro riscaldato solo da uno di essi. I risultati delle simulazioni confermano quanto atteso: il riscaldamento tramite resistenze fornisce uniformemente calore alla vasca, senza causare elevati gradienti di temperatura e quindi grandi forze nel liquido. Inoltre, i movimenti risultanti non hanno elevata velocità e seguono un andamento caotico e casuale. Il riscaldamento tramite induttori, invece, provoca forze maggiori, risultanti in movimenti più veloci e pericolosi. Tali movimenti seguono, come pattern di spostamento, le linee di campo magnetico. Gli esperimenti forniscono, a livello qualitativo, una conferma dei movimenti descritti dalle simulazioni: essi provano che il riscaldamento tramite resistenze è la scelta preferenziale per avere piccoli gradienti di temperatura e, quindi, pochi e lenti movimenti del liquido. Questo lavoro prova, dunque, che il riscaldamento tramite resistenze elettriche è la scelta perfetta per la zincatura continua a caldo, in termini di qualità del prodotto, costi di manutenzione e vita lavorativa della vasca. Inoltre, è utile per ridurre la corrosione causata da cavitazione e, di conseguenza, aumentare la vita operativa dei rulli sommersi.