宋黎+孙斌煜+崔鹏鹏+郝豫宝+乔东洋

摘要： 利用ANSYS有限元软件，对铸轧辊建立二维模型来模拟铸轧辊在镁合金铸轧过程中的温度场分布.通过分析不同冷却水温度及冷却水速下铸轧辊温度场的分布情况，得出在镁合金铸轧过程中，提高冷却水速可以降低铸轧辊的温度场，但随着冷却水速的提高，这种能力逐渐减弱；而冷却水温度对铸轧辊温度场影响不大.

關键词： 镁合金； 温度场； 铸轧辊冷却； 冷却水温度； 冷却水速

中图分类号： TG 249.7；TB 31文献标志码： 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

在双辊薄带铸轧工艺（twinroll casting process，TRC）中，铸轧辊同时起着结晶器和轧辊的作用.铸轧过程中铸轧辊表面的热龟裂、辊型、热疲劳寿命及辊套材料的力学性能都与铸轧辊温度场密切相关，故对铸轧辊温度场进行分析有助于更好地解决铸轧过程中出现的问题.国内外学者对此也进行了大量研究.例如：使用有限元法及有限差分法对铸轧辊温度场进行数值计算；使用ANSYS软件模拟铸轧过程中铸轧速度、铸轧温度及冷却强度对铸轧辊温度场的影响[1-3].但上述计算及分析尚未考虑铸轧辊辊芯内部冷却水温度及冷却水速对铸轧辊温度场的影响.所以研究冷却水温度及冷却水速对铸轧辊温度场的影响，可以进一步加深对铸轧工艺的认识.在研究过程中，如果仅依靠实践来研究需要大量的人力、物力和财力，所以通过仿真软件进行模拟，找到冷却水温度及冷却水速对铸轧辊冷却的影响规律，可以为现场工作提供重要的参考依据.

镁合金在铸轧过程中存在很复杂的传热问题，且由于镁易燃，容易发生事故，要保证铸轧过程稳定正常进行的必要条件之一就是铸轧辊具备良好的冷却能力.因此在铸轧过程中，对铸轧辊的热分析尤为重要.本文运用ANSYS有限元分析软件对镁合金连续铸轧过程中铸轧辊的温度场进行了仿真分析.基本假设如下：

（1） 对于铸轧辊而言，其内部基本的热传导方程式为Fourier导热微分方程[4].这里假定铸轧辊材料为均质且各向同性，并且假定其匀速转动，转速为30 r/min.则在柱坐标中，铸轧辊的导热微分方程可描述为[4-6]：

2Tr2+1rTr+1r22Tθ2=ωαTθ（1）

（2） 假定铸轧区对应铸轧辊圆心角弧度为30°，如图1所示.

（3） 忽略摩擦及辐射对铸轧辊温度场的影响.

（4） 忽略铸轧辊轴向温差，将模型简化为二维截面模型.

对模型进行网格划分，其网格划分如图1所示.

1.2边界条件确定

（1） 铸轧辊在铸轧区内与镁合金溶液为接触传热，采用第3类边界条件来描述该热量从铸轧区流入铸轧辊[7-10]：

kTr=-hrs（Tr-Ts）（2）

式中：Tr，Ts分别为铸轧区铸轧辊外表面温度和镁合金溶液温度；hrs为铸轧辊与镁合金溶液之间的传热系数，取8 140 W/（m2·k）.

（2） 周围空气从铸轧辊外自由表面带走的热量可以用自然对流换热来描述：

kTr=-hair（Tair-Tτ）（3）

式中：Tair，Tτ分别为空气温度和铸轧辊自由表面温度；hair为空气与铸轧辊之间的传热系数，取5 W/（m2·K）.

（3） 冷却水从铸轧辊内表面带走的热量可以用对流换热来描述：

kTr=-hw（Tw-Tτ）（4）

式中：Tw，Tτ分别为冷却水温度和铸轧辊内表面温度；hw为冷却水与铸轧辊之间的对流传热系数.

2铸轧辊的物理参数

本次模拟中，铸轧辊的外径为300 mm，内径为275 mm.周围环境温度为25 ℃.铸轧区镁合金溶液温度为680 ℃.对于铸轧辊材料来说，虽然铜及铜合金都具有良好的热传导性，但是由于其力学性能比較差，所以选取32CrMo1V合金钢作为铸轧辊材料.该铸轧辊材料具有良好的力学性能，且热传导速率相比其他钢种也得到了改善.表1为其物性参数.本次模拟AZ31B镁合金的铸轧过程，表2为AZ31B镁合金的物性参数.

3铸轧辊模型的计算与分析

图2为冷却水速2 m/s、冷却水温度25 ℃以及铸轧辊转动20周时铸轧辊内外表面的温度分布云图.从图2（a）可以看出，在铸轧过程中铸轧辊内表面温度进入铸轧区上升到最高点，随着冷却水的作用，温度逐渐回落到最低点.当铸轧辊再次进入铸轧区时，其温度又上升到最高点.但由于铸轧辊内表面直接和冷却水接触，其最低点与最高点温差只有5 ℃，故铸轧辊内表面温度基本保持不变.从图2（b）可以看出，在铸轧过程中，铸轧辊外表面温度也是在进入铸轧区上升到最高点，随着冷却水的作用，温度逐渐回落到最低点.当铸轧辊再次进入铸轧区时，其温度又上升到最高点.由于铸轧辊在铸轧区时外表面直接和镁合金熔液接触，离开铸轧区时又在冷却水的作用下快速冷却，其最低点与最高点的温差为500 ℃，故铸轧辊外表面温度变化较大.

3.1冷却水速对铸轧辊冷却的影响

分别取冷却水速为2，3，4和5 m/s，冷却水温度为25 ℃时铸轧辊外表面的温度曲线来研究冷却水速对铸轧辊冷却的影响.根据文献[11-13]，冷却水速与对流传热系数的关系如表3所示.

图3为不同冷却水速下铸轧辊外表面的温度曲线.其中纵坐标为铸轧辊的外表面温度，横坐标为绕O点（如图1）逆时针旋转1周的长度.

从图3（a）中可以看出，当冷却水速为2 m/s时，铸轧辊外表面温度从峰值降低到最低点所用的时间较长.当冷却水速提高到5m/s时，铸轧辊外表面温度在很短的时间内就从峰值降低到最低点.这说明随着冷却水速的提高，铸轧辊处于高温区域的时间大幅降低，平均工作温度也大幅降低.

从图3（b）中可以看出，随着冷却水速的提高，铸轧辊外表面的温度场逐渐降低.当冷却水速从2 m/s提高到3 m/s时，铸轧辊外表面最高温度降低了25 ℃，最低温度降低了8 ℃，温度场降低明显.但当冷却水速从4 m/s提高到5 m/s时（图3（d）），铸轧辊外表面最高温度只降低了9 ℃，最低温度只降低了3 ℃，温度场降低不太明显.这说明提高冷却水速可以降低铸轧辊温度场，但当冷却水速提高到一定程度时，这种能力逐渐减弱.

图3不同冷却水速下铸轧辊外表面的温度曲线

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

3.2冷却水温度对铸轧辊冷却的影响

分别取冷却水温度为25，23，21和19 ℃，冷却水速为2 m/s时，铸轧辊外表面的温度曲线来研究冷却水温度对铸轧辊冷却的影响.

图4为不同冷却水温度下铸轧辊外表面的温度曲线.其中纵坐标为铸轧辊的外表面温度，横坐标为绕0点（如图1）逆时针旋转1周的长度.

低，但铸轧辊外表面温度从峰值降低到最低点所用的时间基本不变.这说明降低冷却水温度很难减少铸轧辊处于高温区域的时间，也不能降低其平均工作温度.随着冷却水温度的降低，铸轧辊外表面的温度场也在降低.当冷却水温度从25 ℃降低到23 ℃时，铸轧辊外表面最高温度下降9 ℃，最低温度下降3 ℃，温度场降低不太明显.冷却水温度从21 ℃降低到19 ℃，铸轧辊外表面最高温度和最低温度都只降低1 ℃，温度场基本不变.说明降低冷却水温度也可以降低铸轧辊的温度场.

4结论

（1） 铸轧辊内外表面温度均随着铸轧辊的旋转呈周期性变化.在进入铸轧区时上升到最高点，离开铸轧区，温度逐渐回落到最低点，再次进入铸轧区时温度又上升到最高点.铸轧辊内表面温度变化不大.而铸轧辊外表面温度变化比较大.

（2） 提高冷却水速可以减少铸轧辊处于高温区域的时间，降低铸轧辊的平均工作温度，延长铸轧辊的工作寿命.考虑到经济效益的因素，当冷却水速达到5 m/s时就可以让铸轧辊处在高温区域的时间大幅降低，实现铸轧辊寿命的延长.提高冷却水速还可以降低铸轧辊的温度场，但是随着冷却水速的提高，这种能力逐渐减弱.当冷却水速达到5 m/s时，已很难通过提高冷却水速来降低铸轧辊的温度场.在工业生产过程中，可以考虑增加外冷设备来降低铸轧辊的温度场.

（3） 降低冷却水温度，很难减少铸轧辊处在高温区域的时间，也很难降低铸轧辊的平均工作温度，对延长铸轧辊的工作寿命帮助不大；降低冷却水温度可以降低铸轧辊的温度场，但这种能力十分有限.说明冷却水温度对铸轧辊冷却的影响不大.考虑到经济效益，在工业生产过程中可以使用常温冷却水对铸轧辊进行冷却.

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