薄帶鑄軋卷取機內水冷卷筒扇形板及大柱塞溫度場模擬

米 楠

(中冶京誠工程技術有限公司 北京 100176)

1 前言

熱軋卷取機，尤其是薄帶鑄軋卷取，往往卷取時間較長，扇形板及內部零件往往需要長時間工作在高溫下，工作過程中交替承受急冷急熱，以及頻繁沖擊，工作一段時間后容易出現裂紋或開裂等失效[1][2]，并且內部零件也會由于傳導熱加劇自身的磨損和密封的失效，最終影響卷筒整體壽命。

本文采用有限元法，對薄帶鑄軋卷取機內水冷卷筒的扇形板及大柱塞溫度場進行數值模擬[3]。為后續卷筒的應力分析及零部件設計和優化提供依據。

2 內水冷卷筒工作原理及工況分析

2.1 卷筒工作原理

卷筒采用斜楔柱塞式結構，主要由主軸、楔形軸、扇形板、大柱塞、小柱塞和延伸軸組成。通過楔形軸的軸向運動，帶動大、小柱塞做軸向運動，進而推、拉動扇形板做脹縮運動。機械結構如圖1所示。

2.2 工況分析

薄帶鑄軋卷取機按照周期工作制工作，卷取可分為卷取、卸卷和冷卻待卷3個階段。卷取階段，扇形板直接接觸帶材，帶材平均溫度達到680℃，卷取完成后，卷筒縮徑，卸卷。此時卷筒保留于空氣中，系統在待卷階段的某個時刻由外冷水對卷筒進行冷卻。

圖1 內水冷卷筒機械結構剖視圖1-主軸;2-楔形軸;3-扇形板;4-大柱塞;5-小柱塞;6-延伸軸

對于薄帶鑄軋卷取由于卷取時間長，為保證各零部件的正常工作并改善其工作環境，需要增加卷筒內冷卻功能，卷取過程中，內冷水通過主軸尾端細長孔導入，通過主軸與扇形板接觸段上的小孔導出，用來冷卻扇形板和大、小柱塞，這將極大的改善扇形板和大、小柱塞的工作環境，再配合待卷冷卻階段的外冷水，可有效的延長扇形板和內部零件的使用壽命。

3 溫度場模擬

3.1 有限元模型

熱軋卷取過程，以鋼卷、扇形板及大柱塞為分析對象，建立有限元模型如圖2所示。扇形板依靠大柱塞支撐，但相鄰的兩塊扇形板的支撐位置相互錯開，支撐狀態不同，故選取整個卷筒的1/4用來進行模擬。小柱塞在卷取過程中不起主要支撐作用，為簡化計算，省略小柱塞，其不作為模擬參與件。

圖2 卷筒有限元模型

3.2 模擬參數的確定及模擬過程

熱軋薄帶卷取機卷筒主要模擬參與件的性能參數如表1所示。

表1 傳熱模擬參與件基本性能參數

本模擬的熱交換邊界條件主要為：鋼卷暴露在空氣中的部分，與周圍環境進行對流換熱及輻射換熱，h=100W/m2K；鋼卷內孔與扇形板進行傳導換熱，h=2×104W/m2K；扇形板與大柱塞進行傳導換熱，其與接觸壓力存在函數關系，h=6.5×104W/m2K[4]；扇形板與大柱塞的上半部分處于浸水狀態，二者與內冷水進行對流換熱，由經驗公式算得h=0.7×104W/m2K[5]：扇形板外表面未接觸鋼卷部分與周圍環境進行對流換熱，h=30W/m2K。卷取持續時間1000s。帶鋼整體溫度680℃，內冷水溫30℃，環境溫度25℃。

3.3 扇形板模擬結果分析

由溫度場模擬結果可以看出，扇形板在工作過程中處于復雜的傳熱條件中，溫度變化劇烈，內、外溫度分布不均勻，會產生較大的熱應力。

圖3 扇形板外表面溫度場分布

圖4 扇形板內表面溫度場分布

圖5 扇形板斷面分度場分布

由圖3所示，經過1000s的時間，扇形板中部弧面溫度最高達到了278℃，由于內水冷的作用，沿中心高溫區呈近橢圓形擴散分布的溫度場，至搭接齒處溫度基本處于130℃左右。

扇形板內部溫度上限值較低，為更好的顯示溫度分布情況，將圖例上限調整為105℃，結果如圖4所示，由于內水冷的作用，扇形板內表面溫度浸水部分溫度基本低于57℃，能夠保證較好的工作條件。

扇形板內表面與大柱塞接觸的幾個位置由于換熱條件不好，在接觸面容易產生積熱，溫度較高，平均達到74℃左右，符合材料使用的容許范圍。四個大柱塞形成的積熱區相互串聯，也就導致了圖3中扇形板中部弧面溫度較高的出現。

搭接齒處溫度較高，主要是由于此處外部包裹鋼卷，齒間隙中的冷卻水流動條件差，需要在轉動下才能進行大范圍的流動，故熱量不易帶走，易形成高溫區。

由圖5所示，扇形板在徑向斷面上的溫度分布也很不均勻，外表面與內表面有接近200℃的溫度差，將會產生較大的熱應力和熱變形。

3.4 大柱塞模擬結果分析

大柱塞的上表面與扇形板的內表面之間存在接觸熱傳導，其本身的一部分還要與內冷水進行對流傳熱，其溫度場分布如圖6所示。

實際生產中，大柱塞的中部環槽內會安裝一套金屬密封環，密封環以上的大柱塞外表面處于浸水狀態，密封環以下部分處于浸油狀態。在卷取壓力的作用下，大柱塞頂面與扇形板內面接觸，不能接觸到冷卻水，且由于接觸壓力和工作條件的影響，容易產生積熱。此處大柱塞選用銅材質，由于銅材質本身具有較好的耐磨性和導熱性，可有效的耗散接觸面的積熱，改善整體工作條件。如圖6所示，其頂部中心區域溫度為77℃，沿整個實體階梯狀分布。整體溫度都在容許范圍內，這樣就有效的保護了主軸內部零件及整個系統的密封。

圖6 大柱塞溫度場分布

4 結束語

應用非線性有限元法建立三維傳熱有限元模型，運用該模型對薄帶鑄軋卷取機內水冷卷筒的扇形板及大柱塞進行了數值模擬，得到了二者溫度場的分布規律。為后續熱應力、卷取應力場及整個卷筒的設計提供了依據。