基于ANSYS的鎂合金鑄軋輥冷卻研究

宋黎+孫斌煜+崔鵬鵬+郝豫寶+喬東洋

摘要： 利用ANSYS有限元軟件，對鑄軋輥建立二維模型來模擬鑄軋輥在鎂合金鑄軋過程中的溫度場分布.通過分析不同冷卻水溫度及冷卻水速下鑄軋輥溫度場的分布情況，得出在鎂合金鑄軋過程中，提高冷卻水速可以降低鑄軋輥的溫度場，但隨著冷卻水速的提高，這種能力逐漸減弱；而冷卻水溫度對鑄軋輥溫度場影響不大.

關(guān)鍵詞： 鎂合金； 溫度場； 鑄軋輥冷卻； 冷卻水溫度； 冷卻水速

中圖分類號： TG 249.7；TB 31文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Cooling Research of Magnesium Alloy Castingroll

Using ANSYS Software

SONG Li，SUN Binyu，CUI Pengpeng，HAO Yubao，QIAO Dongyang

（Shanxi Key Laboratory of Metallurgical Equipment Design Theory and Technology， Taiyuan University

of Science and Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： A two dimensional model of castingroll was established by using ANSYS finite element software.The model is used to simulate the temperature distribution of castingroll in the casting process of magnesium alloy.The temperature distribution of castingroll is analyzed under different cooling water temperature and cooling water speed.It is concluded that increasing the cooling water speed can reduce the thermal field of castingroll.However，with the increase of the cooling water speed，this ability is gradually weakened and the cooling water temperature has little effect on the thermal field of the castingroll.

Keywords： magnesium alloy； theraml field； cooling of castingroll； cooling water temperature； cooling water speed

在雙輥薄帶鑄軋工藝（twinroll casting process，TRC）中，鑄軋輥同時起著結(jié)晶器和軋輥的作用.鑄軋過程中鑄軋輥表面的熱龜裂、輥型、熱疲勞壽命及輥套材料的力學(xué)性能都與鑄軋輥溫度場密切相關(guān)，故對鑄軋輥溫度場進(jìn)行分析有助于更好地解決鑄軋過程中出現(xiàn)的問題.國內(nèi)外學(xué)者對此也進(jìn)行了大量研究.例如：使用有限元法及有限差分法對鑄軋輥溫度場進(jìn)行數(shù)值計算；使用ANSYS軟件模擬鑄軋過程中鑄軋速度、鑄軋溫度及冷卻強度對鑄軋輥溫度場的影響[1-3].但上述計算及分析尚未考慮鑄軋輥輥芯內(nèi)部冷卻水溫度及冷卻水速對鑄軋輥溫度場的影響.所以研究冷卻水溫度及冷卻水速對鑄軋輥溫度場的影響，可以進(jìn)一步加深對鑄軋工藝的認(rèn)識.在研究過程中，如果僅依靠實踐來研究需要大量的人力、物力和財力，所以通過仿真軟件進(jìn)行模擬，找到冷卻水溫度及冷卻水速對鑄軋輥冷卻的影響規(guī)律，可以為現(xiàn)場工作提供重要的參考依據(jù).

鎂合金在鑄軋過程中存在很復(fù)雜的傳熱問題，且由于鎂易燃，容易發(fā)生事故，要保證鑄軋過程穩(wěn)定正常進(jìn)行的必要條件之一就是鑄軋輥具備良好的冷卻能力.因此在鑄軋過程中，對鑄軋輥的熱分析尤為重要.本文運用ANSYS有限元分析軟件對鎂合金連續(xù)鑄軋過程中鑄軋輥的溫度場進(jìn)行了仿真分析.基本假設(shè)如下：

（1） 對于鑄軋輥而言，其內(nèi)部基本的熱傳導(dǎo)方程式為Fourier導(dǎo)熱微分方程[4].這里假定鑄軋輥材料為均質(zhì)且各向同性，并且假定其勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為30 r/min.則在柱坐標(biāo)中，鑄軋輥的導(dǎo)熱微分方程可描述為[4-6]：

2Tr2+1rTr+1r22Tθ2=ωαTθ（1）

（2） 假定鑄軋區(qū)對應(yīng)鑄軋輥圓心角弧度為30°，如圖1所示.

（3） 忽略摩擦及輻射對鑄軋輥溫度場的影響.

（4） 忽略鑄軋輥軸向溫差，將模型簡化為二維截面模型.

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格劃分如圖1所示.

1.2邊界條件確定

（1） 鑄軋輥在鑄軋區(qū)內(nèi)與鎂合金溶液為接觸傳熱，采用第3類邊界條件來描述該熱量從鑄軋區(qū)流入鑄軋輥[7-10]：

kTr=-hrs（Tr-Ts）（2）

式中：Tr，Ts分別為鑄軋區(qū)鑄軋輥外表面溫度和鎂合金溶液溫度；hrs為鑄軋輥與鎂合金溶液之間的傳熱系數(shù)，取8 140 W/（m2·k）.

（2） 周圍空氣從鑄軋輥外自由表面帶走的熱量可以用自然對流換熱來描述：

kTr=-hair（Tair-Tτ）（3）

式中：Tair，Tτ分別為空氣溫度和鑄軋輥自由表面溫度；hair為空氣與鑄軋輥之間的傳熱系數(shù)，取5 W/（m2·K）.

（3） 冷卻水從鑄軋輥內(nèi)表面帶走的熱量可以用對流換熱來描述：

kTr=-hw（Tw-Tτ）（4）

式中：Tw，Tτ分別為冷卻水溫度和鑄軋輥內(nèi)表面溫度；hw為冷卻水與鑄軋輥之間的對流傳熱系數(shù).

2鑄軋輥的物理參數(shù)

本次模擬中，鑄軋輥的外徑為300 mm，內(nèi)徑為275 mm.周圍環(huán)境溫度為25 ℃.鑄軋區(qū)鎂合金溶液溫度為680 ℃.對于鑄軋輥材料來說，雖然銅及銅合金都具有良好的熱傳導(dǎo)性，但是由于其力學(xué)性能比較差，所以選取32CrMo1V合金鋼作為鑄軋輥材料.該鑄軋輥材料具有良好的力學(xué)性能，且熱傳導(dǎo)速率相比其他鋼種也得到了改善.表1為其物性參數(shù).本次模擬AZ31B鎂合金的鑄軋過程，表2為AZ31B鎂合金的物性參數(shù).

3鑄軋輥模型的計算與分析

圖2為冷卻水速2 m/s、冷卻水溫度25 ℃以及鑄軋輥轉(zhuǎn)動20周時鑄軋輥內(nèi)外表面的溫度分布云圖.從圖2（a）可以看出，在鑄軋過程中鑄軋輥內(nèi)表面溫度進(jìn)入鑄軋區(qū)上升到最高點，隨著冷卻水的作用，溫度逐漸回落到最低點.當(dāng)鑄軋輥再次進(jìn)入鑄軋區(qū)時，其溫度又上升到最高點.但由于鑄軋輥內(nèi)表面直接和冷卻水接觸，其最低點與最高點溫差只有5 ℃，故鑄軋輥內(nèi)表面溫度基本保持不變.從圖2（b）可以看出，在鑄軋過程中，鑄軋輥外表面溫度也是在進(jìn)入鑄軋區(qū)上升到最高點，隨著冷卻水的作用，溫度逐漸回落到最低點.當(dāng)鑄軋輥再次進(jìn)入鑄軋區(qū)時，其溫度又上升到最高點.由于鑄軋輥在鑄軋區(qū)時外表面直接和鎂合金熔液接觸，離開鑄軋區(qū)時又在冷卻水的作用下快速冷卻，其最低點與最高點的溫差為500 ℃，故鑄軋輥外表面溫度變化較大.

3.1冷卻水速對鑄軋輥冷卻的影響

分別取冷卻水速為2，3，4和5 m/s，冷卻水溫度為25 ℃時鑄軋輥外表面的溫度曲線來研究冷卻水速對鑄軋輥冷卻的影響.根據(jù)文獻(xiàn)[11-13]，冷卻水速與對流傳熱系數(shù)的關(guān)系如表3所示.

圖3為不同冷卻水速下鑄軋輥外表面的溫度曲線.其中縱坐標(biāo)為鑄軋輥的外表面溫度，橫坐標(biāo)為繞O點（如圖1）逆時針旋轉(zhuǎn)1周的長度.

從圖3（a）中可以看出，當(dāng)冷卻水速為2 m/s時，鑄軋輥外表面溫度從峰值降低到最低點所用的時間較長.當(dāng)冷卻水速提高到5m/s時，鑄軋輥外表面溫度在很短的時間內(nèi)就從峰值降低到最低點.這說明隨著冷卻水速的提高，鑄軋輥處于高溫區(qū)域的時間大幅降低，平均工作溫度也大幅降低.

從圖3（b）中可以看出，隨著冷卻水速的提高，鑄軋輥外表面的溫度場逐漸降低.當(dāng)冷卻水速從2 m/s提高到3 m/s時，鑄軋輥外表面最高溫度降低了25 ℃，最低溫度降低了8 ℃，溫度場降低明顯.但當(dāng)冷卻水速從4 m/s提高到5 m/s時（圖3（d）），鑄軋輥外表面最高溫度只降低了9 ℃，最低溫度只降低了3 ℃，溫度場降低不太明顯.這說明提高冷卻水速可以降低鑄軋輥溫度場，但當(dāng)冷卻水速提高到一定程度時，這種能力逐漸減弱.

圖3不同冷卻水速下鑄軋輥外表面的溫度曲線

Fig.3Cooling curve in the outer surface of castingroll under different cooling water speeds

3.2冷卻水溫度對鑄軋輥冷卻的影響

分別取冷卻水溫度為25，23，21和19 ℃，冷卻水速為2 m/s時，鑄軋輥外表面的溫度曲線來研究冷卻水溫度對鑄軋輥冷卻的影響.

圖4為不同冷卻水溫度下鑄軋輥外表面的溫度曲線.其中縱坐標(biāo)為鑄軋輥的外表面溫度，橫坐標(biāo)為繞0點（如圖1）逆時針旋轉(zhuǎn)1周的長度.

低，但鑄軋輥外表面溫度從峰值降低到最低點所用的時間基本不變.這說明降低冷卻水溫度很難減少鑄軋輥處于高溫區(qū)域的時間，也不能降低其平均工作溫度.隨著冷卻水溫度的降低，鑄軋輥外表面的溫度場也在降低.當(dāng)冷卻水溫度從25 ℃降低到23 ℃時，鑄軋輥外表面最高溫度下降9 ℃，最低溫度下降3 ℃，溫度場降低不太明顯.冷卻水溫度從21 ℃降低到19 ℃，鑄軋輥外表面最高溫度和最低溫度都只降低1 ℃，溫度場基本不變.說明降低冷卻水溫度也可以降低鑄軋輥的溫度場.

4結(jié)論

（1） 鑄軋輥內(nèi)外表面溫度均隨著鑄軋輥的旋轉(zhuǎn)呈周期性變化.在進(jìn)入鑄軋區(qū)時上升到最高點，離開鑄軋區(qū)，溫度逐漸回落到最低點，再次進(jìn)入鑄軋區(qū)時溫度又上升到最高點.鑄軋輥內(nèi)表面溫度變化不大.而鑄軋輥外表面溫度變化比較大.

（2） 提高冷卻水速可以減少鑄軋輥處于高溫區(qū)域的時間，降低鑄軋輥的平均工作溫度，延長鑄軋輥的工作壽命.考慮到經(jīng)濟效益的因素，當(dāng)冷卻水速達(dá)到5 m/s時就可以讓鑄軋輥處在高溫區(qū)域的時間大幅降低，實現(xiàn)鑄軋輥壽命的延長.提高冷卻水速還可以降低鑄軋輥的溫度場，但是隨著冷卻水速的提高，這種能力逐漸減弱.當(dāng)冷卻水速達(dá)到5 m/s時，已很難通過提高冷卻水速來降低鑄軋輥的溫度場.在工業(yè)生產(chǎn)過程中，可以考慮增加外冷設(shè)備來降低鑄軋輥的溫度場.

（3） 降低冷卻水溫度，很難減少鑄軋輥處在高溫區(qū)域的時間，也很難降低鑄軋輥的平均工作溫度，對延長鑄軋輥的工作壽命幫助不大；降低冷卻水溫度可以降低鑄軋輥的溫度場，但這種能力十分有限.說明冷卻水溫度對鑄軋輥冷卻的影響不大.考慮到經(jīng)濟效益，在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以使用常溫冷卻水對鑄軋輥進(jìn)行冷卻.

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