雙輥鑄軋三維冷卻系統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 機械工程與自動化學院，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 工程訓練中心，遼寧 鞍山 114051)

0 前言

熔融態的金屬液澆注到兩個旋轉的鑄軋輥之間，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量，因此對輥芯內冷卻水溫度場的分布規律進行更深入的研究是有實際意義的，國內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過程中溫度變化情況。因此本文基于鑄軋輥旋轉效應，采用ANSYS CFX軟件建立輥套與冷卻水系統三維流熱耦合有限元模型，結合流體能量控制方程，采用標準k-ε湍流模型，對鑄軋輥內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構設計和優化提供了一定的理論參考依據。

1 三維模型建立

輥套尺寸為：外徑650 mm，內徑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構形式的影響很大，考慮到機械加工、冷卻能力等因素，采用矩形溝槽、井字形結構。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，冷卻水形式應為湍流，設定水槽寬為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域，因此壁面附近的網格對于流動傳熱過程至關重要。所以在劃分網格時對冷卻水壁面采用邊界層網格，即四面體網格形式，壁面附近采用邊界層網格，有利于計算結果的精確性，建立輥芯的三維結構如圖1所示，三維模型及網格劃分如圖2所示。

圖1 輥芯三維結構圖

圖2 冷卻水網格模型

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

(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)冷卻水在穩定狀態下流動，即經短暫的過渡流動達到穩態流動。

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主要根據文獻[3]選取，選取邊界條件及初始條件參數如表1所示。

表1 邊界條件及初始條件參數

2 冷卻水仿真結果分析

圖3為鑄軋穩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，其中最高溫度出現在右下角，最低溫度出現在左上角，這主要是由于出水口距離熔池越近，其內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不均勻分布，這主要是由鑄軋輥旋轉引起的，符合真實的雙輥鑄軋生產過程。

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不規則分布，因此主要分析出水口管道內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律正好相反，這是由于在此處冷卻水速度較大，導致冷卻強度增強。

4 結束語

(1)基于鑄軋輥旋轉影響，采用ANSYS CFX軟件建立鑄軋輥套與冷卻水系統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，最高溫度出現在右下角靠近熔融金屬液位置。

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

(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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