雙輥鋁帶鑄軋機冷卻能力的設(shè)計分析

歐陽向榮 ，易幼平

(1.中南大學，湖南長沙410000；2.中色科技股份有限公司，河南洛陽471039)

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雙輥鋁帶鑄軋機冷卻能力的設(shè)計分析

歐陽向榮1,2，易幼平1

(1.中南大學，湖南長沙410000；2.中色科技股份有限公司，河南洛陽471039)

應(yīng)用流體力學及傳熱學公式，結(jié)合鑄軋現(xiàn)場實際生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)，對鑄軋輥的冷卻強度、冷卻水量進行近似計算，給出了冷卻水管道結(jié)構(gòu)及各管路直徑、冷卻水槽大小及圈數(shù)設(shè)計依據(jù)，為同類鑄軋機軋輥冷卻設(shè)計提供參考和借鑒。

雙輥鋁帶鑄軋機；鑄軋冷卻強度；冷卻水槽

隨著現(xiàn)代化鋁加工業(yè)日益擴大產(chǎn)能的要求，對鑄軋機組速度的要求也隨之提高。影響鑄軋機速度的因素包括鑄軋合金成分、鑄軋區(qū)長度、鋁液澆鑄溫度、軋輥冷卻強度等，其中軋輥冷卻強度的大小直接影響鑄軋速度。高溫液態(tài)金屬進入兩個旋轉(zhuǎn)的軋輥輥縫之間，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)需要帶走大量熱量，這些熱量主要由閉路循環(huán)水系統(tǒng)供入到軋輥內(nèi)的冷卻水帶走。軋輥的冷卻強度越大，鑄軋機速度就可以越快。

本文結(jié)合我公司設(shè)計的鑄軋機組中鑄軋輥現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)，對軋輥冷卻強度及內(nèi)部水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析，以便為后續(xù)設(shè)計提供參考。

1 軋輥冷卻強度設(shè)計計算

1.1 單位時間鋁液冷卻交換熱量Φ1

Φ1=[cy(Ty-Tr)+Cg(Tr-Tp)+e1]η×106×10-3，kJ/h

式中，cy— 鋁液的比熱容，可取1.29kJ/(kg·℃)；

cg— 固態(tài)鋁的比熱容，可取1.01kJ/(kg·℃)；

el— 鋁的熔化潛熱(質(zhì)量能)，可取389.4kJ/kg；

Ty— 鑄嘴中流出金屬液的溫度，℃；

Tr— 鋁的熔點，可取658℃；

Tp— 固態(tài)鋁帶坯的溫度，℃；

η— 鑄軋機的生產(chǎn)能力，t/h。

1.2 鑄軋輥在空氣中散發(fā)的熱量Φ2

鑄軋輥暴露在空氣中，其散發(fā)的熱量可按空氣自然對流傳熱來計算。

Φ2=Ah(Tw-Tf),w

式中，A— 軋輥表面散熱面積，m2；

h— 軋輥表面的換熱系數(shù)，w/(m2·℃)；

Tw— 軋輥表面平均溫度，℃；

Tf— 空氣溫度，℃。

軋輥表面的換熱系數(shù)h與格拉曉芙數(shù)Gr、普朗特數(shù)Pr及空氣的導熱率λ有關(guān)：

式中， Pr—由空氣的等壓比熱容、動力粘度和導熱率求得，對于氣體一般取值范圍為0.6～0.8，這里可取0.7；

λ—空氣的熱導率，查物性參數(shù)表取0.0257w/(m·k)；

l — 軋輥輥身長度，m；

式中， β— 體積變化系數(shù)，等于絕對溫度的倒數(shù)，約為2.6×10-3；

g — 重力加速度，9.81m/s2；

Δt — 軋輥表面與空氣溫度差，℃，可近似取165℃；

d — 軋輥直徑，m；

ν — 空氣的運動粘度，可取20.02×10-6m2/s。

通過計算，Gr×Pr> 109，此處的散熱為紊流，查典型自然對流傳熱常數(shù)表，得C=0.13，n=1/3。

1.2 冷卻水需帶走的熱量Φ

Φ=Φ1-Φ2

通過計算表明，鋁液冷卻的熱量主要由冷卻水帶走，由空氣帶走的熱量約占軋輥總散熱量的3%～5%。由此可知，軋輥水冷卻的設(shè)計至關(guān)重要。

2 冷卻水流量Q

Q =φ/(T1-T2)Cs；式中，T1為冷卻水出口溫度，℃；T2為 冷卻水入口溫度，℃；Cs為冷卻水的比熱容，可取4.19 kJ/(kg·℃)。

由此可知，冷卻水流量與出入水的溫差有關(guān)，溫差每增加1℃，冷卻水流量會相應(yīng)減少。經(jīng)實際生產(chǎn)測試，冷卻水溫差為1～2℃。進入軋輥的冷卻水溫應(yīng)保持在10～30℃，過高換熱能力降低，過低易使鑄軋輥表面結(jié)露，其溫度由閉路循環(huán)水系統(tǒng)控制。

3 冷卻水管道結(jié)構(gòu)及各管路直徑設(shè)計

3.1 冷卻水管道結(jié)構(gòu)

我公司常用的鑄軋輥冷卻水道設(shè)計形式見圖1。在軋輥長度方向上均布幾十圈寬A、深B的環(huán)形水槽，每個水槽由三個圓周方向上均布的供水支路1供水，同時由與供水支路錯開一定角度的3個回水支路2回水。主供水管3位于軋輥中心，與供水支路相通，同樣回水由回水支路流回主回水管4。此結(jié)構(gòu)水道可以使水套內(nèi)表面與循環(huán)冷卻水充分接觸，溫度分布均勻，軋輥軸向溫差小。

1-供水支路；2-回水支路；3-主供水管；4-主回水管圖1Fig.1

3.2 主供水管直徑

對于水冷系統(tǒng)，主供油管路流速一般設(shè)計選取1.5～3m/s，在流量確定的情況下，流速越高，供水管路直徑越小?？筛鶕?jù)選取的供水流量，并結(jié)合軋輥的直徑選取合適的供水管直徑。

3.3 主回水管直徑

原則上主回水管總截面與主供水管截面積保持一致，可略微有所差異。

4 冷卻水槽設(shè)計

冷卻水槽的設(shè)計同樣影響軋輥的換熱能力。冷卻水由水泵通過閉路循環(huán)系統(tǒng)供入，應(yīng)按照管內(nèi)受迫對流換熱進行計算。

4.1 水槽寬度、深度設(shè)計

為保證冷卻效果，冷卻水形式應(yīng)為湍流，即應(yīng)使雷諾數(shù)Re>104，一般冷卻水支路的流速在1.0～1.5m/s之間。Re表示流體慣性力和粘性力的相對大小，其表達式為Re=ρdv/μ； 式中，ρ為水的密度，取103kg/m3；ν為 水的流速，m/s；d為管道直徑，m；μ為水的動力粘度，取10-3kg/(m·s)。不同流速下冷卻水槽直徑如表1所示。

表1

由此可得冷卻水槽直徑取值范圍為8～15mm，一般取10mm左右。對于鑄軋軋輥，為便于冷卻槽的加工，其截面為矩形。此矩形截面可由當量直徑d代替，d=4(AB)/2(A+B) ；式中，A為水槽寬度，mm，B為水槽深度，mm。常用兩種規(guī)格直徑軋輥對應(yīng)的冷卻槽寬度、深度如表2所示。

表2

4.2 水槽圈數(shù)設(shè)計

鑄軋輥與輥套接觸表面沿軋輥長度方向均布很多環(huán)形水槽，如果能夠計算每個環(huán)形水槽內(nèi)冷卻水可帶走的熱量，即可得出冷卻水槽圈數(shù)。

水槽內(nèi)冷卻水的換熱系數(shù)，

式中，λ為水的熱導率，常溫下取0.58w/(m·k)；d為水槽的當量直徑，m；Nuf為努賽爾數(shù)，按照管道內(nèi)強迫對流湍流換熱公式，

式中，Pr為由水的等壓比熱容、動力粘度和導熱率求得，常溫下約為7；R 為沿軋輥圓周水槽中心半徑，m。

單個水槽內(nèi)冷卻水的換熱量，Φw=hw△TSw；式中，ΔT為冷卻水入口與輥套內(nèi)壁溫差，℃，輥套內(nèi)壁溫度約為40℃；Sw為單個水槽的表面積，m2。

水槽圈數(shù)，n=Φ/Φw。

5 結(jié)束語

通過對雙輥式鋁帶鑄軋機軋制過程中所需冷卻熱量以及軋輥換熱冷卻能力的計算，結(jié)合我公司常用鑄軋輥水道結(jié)構(gòu)進行分析，給出了供水管路、回水管路及冷卻水槽的設(shè)計計算方法，為指導今后同類或其它結(jié)構(gòu)的鑄軋輥優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

Design and Analysis of Cooling Capability of Twin Roll Caster for Aluminum Alloy Strips

OUYANG Xiangrong1, 2, YI Youping1

(1.Central South University, Changsha 410000, China;2. China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

Based on the equations in the theories of fluid mechanics and heat transfer, the paper demonstrated approximate calculation of cooling intensity and water consumption of casting rolls with test data on site; it presented design considerations for the structure of cooling water pipelines and cooling water tank, thereby providing reference for similar cases.

twin roll caster for aluminum alloy strips; cooling intensity, cooling water tank

2015-01-09

歐陽向榮(1970-)，女，高級工程師，主要從事有色金屬設(shè)備設(shè)計工作。

TG249.9

A

1671-6795(2015)03-0048-03