雙輥鑄軋三維冷卻系統(tǒng)流熱耦合溫度場研究

廉法博，劉 超，楊 建，高明昕，宋 華

(1.遼寧科技大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.江蘇省如高高壓電器有限公司，江蘇 如皋 226500；3.遼寧科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 鞍山 114051)

0 前言

熔融態(tài)的金屬液澆注到兩個旋轉(zhuǎn)的鑄軋輥之間，凝固的過程中需要釋放大量的熱量，這些熱量主要由輥芯內(nèi)的冷卻水帶走，而冷卻水的溫度變化直接影響著鑄軋輥的冷卻效果，從而影響成品鑄坯的質(zhì)量，因此對輥芯內(nèi)冷卻水溫度場的分布規(guī)律進行更深入的研究是有實際意義的，國內(nèi)外對于雙輥鑄軋方向已進行了較深入的研究，但對于輥芯內(nèi)部冷卻水溫度場的變化分布卻研究甚少。文獻[1-2]建立了雙輥鑄軋有限元模型，得出不同冷卻水溫度對鑄軋輥溫度場的影響，但建立的是二維有限元模型,不能真實反映實際鑄軋生產(chǎn)過程中溫度變化情況。因此本文基于鑄軋輥旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，采用ANSYS CFX軟件建立輥套與冷卻水系統(tǒng)三維流熱耦合有限元模型，結(jié)合流體能量控制方程，采用標準k-ε湍流模型，對鑄軋輥內(nèi)部冷卻水溫度場進行了精確模擬，得到了冷卻水在進出水管道中溫度變化分布情況，該研究為輥芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了一定的理論參考依據(jù)。

1 三維模型建立

輥套尺寸為：外徑650 mm，內(nèi)徑600 mm，寬度300 mm，厚度25 mm。由于冷卻水對輥套的冷卻強度受輥芯結(jié)構(gòu)形式的影響很大，考慮到機械加工、冷卻能力等因素，采用矩形溝槽、井字形結(jié)構(gòu)。取輥芯冷卻水進水口直徑為220 mm，冷卻水出水口直徑取110 mm，冷卻水水槽寬度和深度尺寸的選擇主要考慮保證冷卻效果，冷卻水形式應(yīng)為湍流，設(shè)定水槽寬為20 mm，深度為15 mm，進水支路和出水支路孔直徑均為20 mm。由于冷卻水壁面邊界層內(nèi)的法向速度與溫度梯度較大，壁面附近是流動阻力和熱流的密集區(qū)域，因此壁面附近的網(wǎng)格對于流動傳熱過程至關(guān)重要。所以在劃分網(wǎng)格時對冷卻水壁面采用邊界層網(wǎng)格，即四面體網(wǎng)格形式，壁面附近采用邊界層網(wǎng)格，有利于計算結(jié)果的精確性，建立輥芯的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，三維模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 輥芯三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 冷卻水網(wǎng)格模型

對冷卻水溫度場進行仿真分析時，將所有的物理現(xiàn)象都加入到數(shù)學(xué)模型中是不切實際的，為了簡化模型，仿真作如下假設(shè)：

(1)由于模型沿熔池中心面成對稱分布，所以簡化為二分之一模型可大大減少計算量，節(jié)約分析時間；

(2)冷卻水視為不可壓縮的牛頓流體；

(3)忽略冷卻水重力的作用，且不考慮冷卻水流動帶來的能量損失；

(4)冷卻水在穩(wěn)定狀態(tài)下流動，即經(jīng)短暫的過渡流動達到穩(wěn)態(tài)流動。

冷卻水仿真邊界條件，主要包括入口邊界條件、出口邊界條件及壁面邊界條件。冷卻水與輥套對流換熱系數(shù)主要根據(jù)文獻[3]選取，選取邊界條件及初始條件參數(shù)如表1所示。

表1 邊界條件及初始條件參數(shù)

2 冷卻水仿真結(jié)果分析

圖3為鑄軋穩(wěn)定后輥芯冷卻水整體溫度分布圖。

圖3 冷卻水溫度分布圖

由圖3可以看出冷卻水在進水管中溫度分布較均勻，沒有明顯的波動，而四個出水管中冷卻水溫度均有不同程度的升高，其中最高溫度出現(xiàn)在右下角，最低溫度出現(xiàn)在左上角，這主要是由于出水口距離熔池越近，其內(nèi)部冷卻水帶走的熱量越多，溫度越高。而且四個出水管冷卻水溫度均呈現(xiàn)不均勻分布，這主要是由鑄軋輥旋轉(zhuǎn)引起的，符合真實的雙輥鑄軋生產(chǎn)過程。

由于進水管中冷卻水溫度分布均勻，而出水管中冷卻水呈現(xiàn)不規(guī)則分布，因此主要分析出水口管道內(nèi)冷卻水溫度的變化情況，選擇右上角出水口1所在的出水管道，分別取出水管道中心線位置、偏向鑄軋輥中心方向偏離出水口中心線7 mm、14 mm、21 mm處以及遠離鑄軋輥中心偏離出水口中心線7 mm、14 mm、21 mm處(如圖4位置5和位置9～14所示)對出水管道內(nèi)冷卻水溫度進行分析。上述七條線位置的溫度曲線分布如圖5所示。

圖4 冷卻水分析位置示意圖

圖5 位置1出水管道軸向溫度分布曲線

由圖5可以看出七條曲線的變化趨勢基本一致，距離輥中心由近到遠溫度波動逐漸變大，最高溫度與最低溫度均出現(xiàn)在標記14處，其中最高溫度為298.83 K，最低溫度為298.69 K，溫度差小于0.2 K，說明出水管道中的冷卻水沿軸向方向的溫度波動很小。沿徑向方向越靠近鑄軋輥中心位置冷卻水溫度越低，但在支路進入出水管道處規(guī)律正好相反，這是由于在此處冷卻水速度較大，導(dǎo)致冷卻強度增強。

4 結(jié)束語

(1)基于鑄軋輥旋轉(zhuǎn)影響，采用ANSYS CFX軟件建立鑄軋輥套與冷卻水系統(tǒng)整體傳熱的三維流熱耦合有限元模型。

(2)冷卻水在進水管中溫度分布均勻，沒有明顯的波動，四個出水管中冷卻水溫度均有不同程度的升高，最高溫度出現(xiàn)在右下角靠近熔融金屬液位置。

(3)由于鑄軋輥的轉(zhuǎn)動作用，四個出水管中的冷卻水溫度均呈現(xiàn)不規(guī)則分布狀態(tài)，符合實際雙輥鑄軋生產(chǎn)情況。

(4)出水管道中溫度曲線變化趨勢基本一致，距離輥中心由近向遠溫度波動逐漸變大，其中最高溫度與最低溫度均出現(xiàn)在距離輥芯最遠處，出水管道中沿徑向方向越靠近鑄軋輥中心的冷卻水溫度越低。

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