宋 黎 孫斌煜 喬東洋

(太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室，山西030024)

不同冷卻水流速度下的鑄軋輥套溫度分析

宋 黎 孫斌煜 喬東洋

(太原科技大學山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室，山西030024)

利用ANSYS有限元軟件對鑄軋輥套建立二維模型，模擬鑄軋輥套在鑄軋過程中的溫度場分布。通過分析不同冷卻水流速度下鑄軋輥套溫度場分布，揭示在鎂合金雙輥鑄軋過程中不同冷卻水流速度對鑄軋輥套冷卻的影響規(guī)律，為工業(yè)生產(chǎn)提供重要的參考依據(jù)。

輥套；溫度場；冷卻

雙輥薄帶鑄軋技術(Twin-Roll Casting Process)簡稱為TRC技術。雙輥鑄軋技術是冶金及材料領域內的一項前沿技術，它是以兩個逆向旋轉的軋輥作為結晶器，將熔融狀態(tài)下的金屬液體澆入鑄輥和側封板圍成的熔池中，直接鑄軋成薄帶的新工藝。該工藝是金屬凝固和軋制變形的有機統(tǒng)一，即液態(tài)金屬在結晶凝固的同時承受塑性變形，在很短的時間內完成從液態(tài)金屬到固態(tài)薄帶的全部過程，取消了傳統(tǒng)的熱軋工序[1-3]。在鎂合金雙輥鑄軋的技術中，水量的控制對薄板有重要影響，保持能量傳遞過程中的熱量平衡，研究鎂合金的凝固、傳熱等問題，可以為改善鎂合金雙輥鑄軋技術、為優(yōu)化鑄軋工藝參數(shù)、獲得高質量的鑄坯提供依據(jù)[4]。

1 模型及參數(shù)

1.1 建立模型

對于鑄軋輥套而言，其內部基本的熱傳導方程式為Fourier導熱微分方程。假定鑄軋輥套材料為均質且各向同性，并且假定其勻速轉動，其速度為30 m/min。在鑄軋過程中，鑄軋輥套軸向上溫度變化不大，可以將模型簡化為二維截面模型。取鑄軋區(qū)對應的圓心角弧度為30°，假定在該區(qū)域的熱流均勻分布且忽略摩擦及輻射對鑄軋輥溫度場的影響，則在柱坐標中，鑄軋輥套的數(shù)學模型[5-7]可描述為：

式中，Tr、TS分別為鑄軋區(qū)鑄軋輥套表面溫度和鎂合金溶液溫度(℃)；Tair、Tα分別為空氣溫度和鑄軋輥套自由表面溫度(℃)；TW、Tτ分別為冷卻水溫度和鑄軋輥套內表面溫度(℃)；hS為鑄軋輥套與鎂合金溶液之間的換熱系數(shù)，此處取8140 W/(m2·K)；hair為空氣與鑄軋輥套之間的對流換熱系數(shù)，此處取200 W/(m2·K)；hW為冷卻水與鑄軋輥套之間的對流換熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；α為鑄軋輥套材料的熱擴散率(m2/s)；θ為鑄軋區(qū)所對應的圓心角(rad)；ω為鑄軋輥套轉動的角速度(rad/s)。

對模型進行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

1.2 模型的基本參數(shù)

本次模擬AZ31B鎂合金的鑄軋過程。鑄軋輥套的外徑為300 mm，內徑為275 mm，長度為600 mm。周圍環(huán)境溫度及冷卻水溫度為25℃，鑄軋區(qū)鎂合金溶液溫度為680℃，鑄軋速度為30 m/min。鑄軋輥套材料選擇合金鋼32CrMo1V。鑄軋輥套內冷卻水流速度分別取2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s。表1為鑄軋輥套和AZ31B鎂合金的物性參數(shù)。表2為不同冷卻水流速度下鑄軋輥套與冷卻水的對流換熱系數(shù)[8-13]。

圖1 鑄軋輥套網(wǎng)格劃分圖Figure 1 Grid graph of casting roll sleeve

表1 鑄軋輥套和AZ31B鎂合金的物性參數(shù)Table 1 Performance parameters of casting roll sleeve and AZ31B magnesium alloy

表2 不同冷卻水流速度下的對流換熱系數(shù)Table 2 Convective heat transfer coefficient corresponding to the different cooling water velocity

圖2 鑄軋輥套整體溫度分布情況Figure 2 Overall temperature field distribution of casting roll sleeve

(a)冷卻水流速度2m/s(b)冷卻水流速度3m/s(c)冷卻水流速度4m/s(d)冷卻水流速度5m/s

圖3 不同冷卻水流速度下鑄軋輥套外表面的溫度云圖
Figure 3 Temperature field distribution on the outer surface of casting roll sleeve under different cooling water velocity

2 計算結果及參數(shù)

當鑄軋輥套開始與液態(tài)金屬相接觸，其溫度迅速上升。隨著冷卻水的作用，鑄軋輥套溫度逐漸降低。圖2為冷卻水流速度為2 m/s、鑄軋輥轉動20周時鑄軋輥套整體溫度分布云圖?？梢钥闯?，在鑄軋過程中當鑄軋輥套進入鑄軋區(qū)時，鑄軋輥套外表面溫度快速上升到最高點，隨著冷卻水的作用，其溫度逐漸回落到最低點。當鑄軋輥套再次接近鑄軋區(qū)時，其溫度又快速上升到最高點。鑄軋輥套外表面溫度隨著鑄軋輥套的旋轉發(fā)生周期性變化。鑄軋輥內表面溫度由于和冷卻水接觸，溫度基本保持不變。

圖3為不同冷卻水流速度下鑄軋輥外表面的溫度分布云圖。

可以看出，隨著冷卻水流速度的增加，鑄軋輥套外表面的溫度場降低。當冷卻水流速度從2 m/s增加到3 m/s時，鑄軋輥套外表面最高溫度下降了25℃，最低溫度下降了8℃，溫度場降低明顯。但當冷卻水流速度從4 m/s增加到5 m/s時，鑄軋輥套外表面最高溫度只下降了9℃，最低溫度只下降了3℃，溫度場降低不太明顯。這說明增加冷卻水流速度是增加鑄軋輥套冷卻能力的有效方法，但當冷卻水流速度增大到一定程度時，這種能力逐漸減弱。

圖4為不同冷卻水流速度下鑄軋輥外表面的溫度曲線圖。其中縱坐標為鑄軋輥的外表面溫度，橫坐標為鑄軋輥套的周長。

可以看出，當冷卻水流速度為2 m/s時，鑄軋輥套外表面溫度從峰值降低到最低點所用的時間比較長。當冷卻水流速度增加到5 m/s時，鑄軋輥套外表面溫度在很短的時間內就從峰值降低到最低點。這說明隨著冷卻水流速度的增加，鑄軋輥套處在高溫區(qū)域的時間大幅降低，鑄軋輥套的平均工作溫度降低。

圖4 不同冷卻水流速度下鑄軋輥套外表面的溫度曲線Figure 4 Temperature curves for the outer surface of casting roll sleeve under different cooling water velocity

3 結論

(1)鑄軋輥套外表面溫度隨鑄軋輥的旋轉呈周期性變化。在鑄軋區(qū)時達到最高點，離開鑄軋區(qū)，溫度逐漸降低，再次進入鑄軋區(qū)時溫度又達到最高點。鑄軋輥套內表面溫度變化不大。

(2)提高冷卻水流速度可以降低鑄軋輥套的溫度場，但是隨著冷卻水流速度的增加這種能力逐漸減弱。在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以考慮增加外冷設備來提高鑄軋輥套的冷卻能力。

(3)提高冷卻水流速度可以減少鑄軋輥套處于高溫區(qū)域的時間，降低鑄軋輥套的平均工作溫度，延長鑄軋輥套的工作壽命?？紤]到經(jīng)濟效益的因素，當冷卻水流速度達到5 m/s時就可以大幅降低鑄軋輥套處在高溫區(qū)域的時間，從而延長鑄軋輥壽命。

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編輯 杜青泉

Analysis on the Temperature of Casting Roll Sleeve Under Different Cooling Water Velocity

Song Li, Sun Binyu, Qiao Dongyang

The two-dimensional model of the casting roll sleeve has been established by the finite element software ANSYS to simulate the temperature field distribution of the casting roll sleeve in the casting rolling process. By analyzing the temperature field distribution of casting roll sleeve under different cooling water velocity, it reveals the influence rule of different cooling water velocity on casting roll sleeve cooling in twin-roll casting process of magnesium alloy, which can provide important reference for industry production.

roll sleeve; temperature field; cooling

2016—10—11

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB722801)；山西省科技創(chuàng)新(201301013)；太原市科技項目(200669)；山西省UIT項目(2016-274)；太原市專利轉化項目(1224,1225)

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