高 林 張尚斌 張順寧 鐘方君 王建星 王福勝

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川610052)

設(shè)計(jì)

新型鋁合金快冷設(shè)備開發(fā)

高 林 張尚斌 張順寧 鐘方君 王建星 王福勝

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川610052)

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)首套單機(jī)架鋁合金軋線的中間坯快冷問(wèn)題，采用試驗(yàn)研究的方式，測(cè)量不同冷卻路線下的鋁板溫降過(guò)程，并計(jì)算整理出配套的鋁合金冷卻工藝路線和工藝制度，完成了新型鋁合金快冷設(shè)備的開發(fā)，形成了單機(jī)架鋁合金軋線中間坯快冷技術(shù)成套解決方案。

單機(jī)架；鋁合金；冷卻工藝；成套解決方案

近年來(lái)，隨著航空等領(lǐng)域的快速發(fā)展，鋁合金板帶熱軋工藝受到越來(lái)越多關(guān)注，對(duì)其性能要求也越來(lái)越高。軋制溫度和卷取是影響鋁合金性能的重要因素，其控制要求成為進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能的重要途徑。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力的增大，傳統(tǒng)1+1模式生產(chǎn)板卷不符合用戶對(duì)小批量、多樣式生產(chǎn)小投入、快產(chǎn)出的要求。在此環(huán)境下，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)首套單機(jī)架鋁熱軋線，設(shè)計(jì)一套專用的新型鋁合金快冷設(shè)備，并通過(guò)試驗(yàn)研究的方式，制定相應(yīng)的冷卻工藝。

1 工藝生產(chǎn)過(guò)程

以某廠設(shè)備新上的4500 mm單機(jī)架鋁合金專用軋線為例，其軋線布置如圖1所示。

圖1 某廠4500 mm單機(jī)架鋁合金軋線布局圖Figure 1 Layout of 4500mm single stand of aluminum alloy rolling line in a plant

此軋線的生產(chǎn)工藝過(guò)程為：鋁錠加熱→四輥軋制→切頭尾→中間冷卻→四輥軋制→切成品→堆垛。

軋制過(guò)程中，為提高材料的力學(xué)性能，避免薄板軋制時(shí)的塌腰，中間坯在軋制到50～60 mm時(shí)需要進(jìn)行在線冷卻，冷卻到一定溫度后返回到四輥軋機(jī)進(jìn)行可逆軋制，直到成品厚度。

在傳統(tǒng)1+1和1+4鋁合金軋線上，鋁板成品冷卻多采用水乳混合的冷卻液，且只作用在成品上，圖1中的軋線布置形式在國(guó)內(nèi)尚屬首例，且60 mm厚的中間坯無(wú)法用傳統(tǒng)的冷卻液降溫來(lái)滿足軋線的工藝使用要求，因此需要為此軋線開發(fā)一套專用的新型水冷設(shè)備，并制定配套的冷卻工藝路線。本文通過(guò)試驗(yàn)研究，確定冷卻工藝，提出冷卻路線，并配套冷卻設(shè)備，以滿足軋線的使用要求。

2 冷卻工藝的試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

試驗(yàn)原理：將鋁合金試驗(yàn)件置于平臺(tái)處，上、下開水冷卻，采用熱電偶接觸內(nèi)部溫度測(cè)量和紅外熱像儀表面冷卻區(qū)域測(cè)量表面和心部的溫度變化，再用逆向分析法求出不同噴水狀態(tài)下鋁板表面對(duì)流換熱系數(shù)。

試驗(yàn)平臺(tái)包括：供水/回水裝置、加熱裝置和噴水裝置、測(cè)溫系統(tǒng)裝置，如圖2所示。采用鋁合金試件260 mm×200 mm×60 mm，設(shè)置上表面、心部和下表面三個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，深度為鋁板中心位置，正對(duì)著噴管的配水位置，熱電偶選擇K型鎧裝熱電偶，熱電偶測(cè)溫采用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)，出、入口水路均設(shè)有流量計(jì)。紅外熱像儀的輻射率系數(shù)由便攜式測(cè)溫儀和熱電偶測(cè)溫綜合校對(duì)，輻射系數(shù)為0.23。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從加熱爐里面拿出已經(jīng)加熱到480℃的鋁板，用吊鉤和鉗子以及隔熱手套將鋁板放到適當(dāng)?shù)奈恢?，記錄好水表讀數(shù)，調(diào)試好紅外熱像儀，等到鋁板的溫度降到470℃，點(diǎn)擊DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)的采集按鈕。通過(guò)水冷20 s+空冷10 s和水冷10 s+空冷10 s兩種方式將鋁板降溫到230℃，試驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示。

第一次實(shí)驗(yàn)中一共澆了3次。最終鋁塊的溫度穩(wěn)定在50℃。用時(shí)100s，用水量為20L。第二次實(shí)驗(yàn)中一共澆了5次。最終鋁塊的溫度穩(wěn)定在60℃。用時(shí)110 s，用水量為17 L。根據(jù)軋線產(chǎn)能要求，要求中間坯的冷卻周期在4 min以內(nèi)，中間坯的極限長(zhǎng)度為60 m，有效冷卻時(shí)間為20～30 s，與第一次試驗(yàn)的結(jié)果相匹配(第一次實(shí)驗(yàn)第一次澆水后鋁塊溫度從470℃降到了230℃)。

圖2 噴水冷卻實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)物圖Figure 2 Experimental principle and physical drawing of water jet cooling

(a)20 s冷卻+10 s停止(b)10 s冷卻+10 s停止圖3 試驗(yàn)溫降曲線Figure 3 Curve of temperature drop during test

2.3 冷卻工藝過(guò)程參數(shù)的計(jì)算

通過(guò)紅外測(cè)溫儀，可知鋁板冷卻的有效面積是隨著鋁板溫度的降低而逐漸擴(kuò)大，所以在計(jì)算冷卻水溫的時(shí)候，要用有效鋁板體積，而不是實(shí)際鋁板體積。本實(shí)驗(yàn)有效冷卻區(qū)域形狀為圓形，半徑取0.04 m。同時(shí)由于在第一次試驗(yàn)第一次規(guī)律澆水之后鋁板心部的溫度即達(dá)到所需要的230℃。所以在計(jì)算其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)的時(shí)候，耗水量取為第一次澆水量：20÷103÷3=6.66×10-3m3。

冷卻水的水溫為：

式中，c為材料的比熱容，單位J/(kg·℃)；ρ為材料密度，單位kg/m3；V為材料的體積，單位m3；ΔT為溫度改變量，對(duì)于降溫ΔT=Ta-Tb。

假設(shè)鋁板的熱量全部由冷卻水帶走，則可得：

Q=c鋁ρ鋁V鋁ΔT鋁=c水ρ水V水ΔT水

(2)

表1 新型鋁合金快冷設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of fast cooling equipment for new type aluminum alloy

通過(guò)查閱資料，實(shí)驗(yàn)用鋁板密度為2810 kg/m3，比熱容為960 J/(kg·℃)；水密度為1000 kg/m3，比熱容為4186 J/(kg·℃)，并且由初始計(jì)算參數(shù)可知鋁合金的溫降為ΔT鋁=470-230=240℃。鋁合金的體積為：

水的初始溫度為35℃。則根據(jù)公式(1)得到鋁板失去的能量為：

Q=960×2810×3.014×10-4×240

=1.951336×105J

則冷卻水上升的溫度為：

最終，有效冷卻水的回水溫度大約為42℃，應(yīng)按此數(shù)值設(shè)計(jì)回收水的冷卻裝置能力。

最后，確定冷卻所需的水流密度為：

=66.28 L/m2·s

3 新型鋁合金專用快冷設(shè)備

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，將60 mm厚的中間坯，由470℃水冷加空冷溫降至230℃，在保證水流密度是66.28 L/m2·s的情況下，需要板坯有效的水冷時(shí)間約為20 s。根據(jù)圖1的單機(jī)架鋁板軋線布局圖可知，對(duì)應(yīng)厚×長(zhǎng)×寬為60 mm×60 000 mm×3200 mm的中間坯，當(dāng)坯料以1 m/s的速度經(jīng)過(guò)新型冷卻設(shè)備時(shí)，60 m長(zhǎng)坯料完全通過(guò)一次水冷區(qū)的時(shí)間為70 s，坯料每個(gè)部分的有效冷卻時(shí)間為10 s，要保證在4 min內(nèi)冷卻下來(lái)，即約等于3個(gè)往返冷卻周期內(nèi)冷卻下來(lái)，即有效冷卻時(shí)間為30 s，將坯料由470℃降至230℃，由此可設(shè)計(jì)出所需加密冷卻設(shè)備的參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)論

本文首次將加密水冷技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首套單機(jī)架鋁合金軋線的快冷過(guò)程。通過(guò)試驗(yàn)研究的方式，分析出極限鋁合金坯料在對(duì)應(yīng)厚×長(zhǎng)×寬為60 mm×60 000 mm×3200 mm的時(shí)候，由470℃溫降至230℃時(shí)，所需的工藝條件，并制定了配套的工藝路線。同時(shí)，根據(jù)工藝要求設(shè)計(jì)、配套了相應(yīng)的鋁合金專用加密冷卻設(shè)備，為國(guó)內(nèi)首套單機(jī)架鋁合金軋線的快冷技術(shù)提供了成套解決方案。

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編輯 陳秀娟

Development of Fast Cooling Equipment for New Type Aluminum Alloy

GaoLin,ZhangShangbin,ZhangShunning,ZhongFangjun,WangJianxing,WangFusheng

This paper aims at the cooling of intermediate billet of the first single stand aluminum alloy rolling line in china, which is used the experimental research methods to measure the temperature drop process of aluminum alloy under different cooling routes.The cooling process route and the technological system of aluminum alloy are calculated and worked out. The development of fast cooling equipment for new type aluminum alloy is finished. A complete solution for fast cooling of intermediate billet in single stand of aluminum alloy rolling line is established.

single stand; aluminum alloy; cooling process; complete solution

2017—06—21

張尚斌(1982—)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊彳埞に囇芯俊?/p>

TU512.4

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