陳燕才 魯光濤 李 華 胡 誠(chéng) 李友榮

（1.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司 湖北 武漢：430080；2.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢：430081）

0 引 言

CSP薄板坯連鑄連軋機(jī)組中，軋制能力通常大于連鑄供坯能力，兩者間的節(jié)奏經(jīng)由輥底式隧道均熱爐適量平衡。但當(dāng)軋機(jī)出現(xiàn)異常停軋時(shí)，因均熱爐儲(chǔ)量有限，往往導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)奏紊亂，甚至停澆、停產(chǎn)，造成重大生產(chǎn)事故。

影響生產(chǎn)節(jié)奏的主要表現(xiàn)之一是軋機(jī)工作輥剝落、粘結(jié)、斷裂等，這種現(xiàn)象在冬季表現(xiàn)更甚。分析發(fā)現(xiàn)，換輥后的新輥溫度較低（由于磨輥間設(shè)計(jì)為開放式，在冬季輥溫甚至低于零度）。設(shè)定相應(yīng)軋制參數(shù)軋制高溫板坯時(shí)，軋輥表面溫度急劇上升而芯部溫度難以在短時(shí)間內(nèi)升高，導(dǎo)致軋輥表面與芯部之間溫度梯度過大而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致發(fā)生上述事故。為防止此類事故的重復(fù)發(fā)生，需對(duì)軋輥進(jìn)行預(yù)熱處理。

本文針對(duì)一種CSP軋輥預(yù)熱裝置，利用有限元模擬軋輥在不同預(yù)熱條件下軋輥的升溫過程，確定最佳預(yù)熱條件和軋輥預(yù)熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 軋輥預(yù)熱裝置簡(jiǎn)介

軋輥預(yù)熱裝置主要在軋機(jī)換輥前對(duì)即將換上的新輥或修磨后的軋輥進(jìn)行預(yù)熱處理，使其芯部溫度升高至30℃左右，并保證表面和芯部溫差不高于10℃。

所采用的CSP軋輥預(yù)熱裝置如圖1所示，其主要由保溫罩、熱風(fēng)管道、軋輥、軋輥軸承座以及保溫罩內(nèi)部的噴氣裝置等構(gòu)成。

圖1 軋輥預(yù)熱裝置簡(jiǎn)圖

該預(yù)熱裝置可通過熱風(fēng)管道調(diào)節(jié)熱風(fēng)流量及溫度、并通過調(diào)節(jié)噴氣裝置的噴氣方式控制噴氣的速度及方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥預(yù)加熱裝置預(yù)加熱條件的控制。

2 軋輥預(yù)熱過程的有限元模擬

軋輥預(yù)熱過程分為加熱與保溫兩個(gè)階段，整個(gè)過程為5小時(shí)，加熱階段3小時(shí)，保溫階段2小時(shí)。

為保證輥頸軸承潤(rùn)滑脂性能不因溫度過高而破壞，在整個(gè)過程中，只對(duì)軋輥的輥身部分進(jìn)行加熱和保溫，輥頸、軸承座等其余部分均直接與冷空氣接觸，故在分析時(shí)只需對(duì)軋輥進(jìn)行建模而忽略其它部分。

由于預(yù)熱過程中軋輥升溫較?。?0℃左右），故在此過程中只需對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，不須考慮溫度對(duì)軋輥熱應(yīng)力的影響。

2.1 軋輥預(yù)熱條件

確定加熱氣體溫度為80℃～160℃，噴氣速度為10m／s左右；在保溫階段，熱氣溫度為30℃，且不噴氣，使其為自然對(duì)流狀態(tài)。

結(jié)合上述條件并根據(jù)預(yù)熱裝置的送氣流量、送氣溫度、噴氣方式等初步給出了以下5種軋輥輥身的預(yù)熱設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 五種預(yù)熱條件

2.2 表面換熱系數(shù)

考慮到在加熱和保溫過程中，由于軋輥溫度較低（＜40℃），可不考慮軋輥表面的幅射散熱，只需確定在上述5種預(yù)熱設(shè)計(jì)參數(shù)下的熱對(duì)流換熱系數(shù)。

根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)，由繞流圓柱體強(qiáng)迫對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)公式［1］可計(jì)算得到在上述5種預(yù)熱條件下軋輥表面換熱系數(shù)，同時(shí)根據(jù)自然對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，取預(yù)熱時(shí)表面自然對(duì)流換熱系數(shù)為10［2］，各系數(shù)如表2所示。

表2 五種預(yù)加熱條件下軋輥表面換熱系數(shù)

除軋輥輥身部分與熱空氣直接接觸外，軋輥其它部分直接與冷空氣接觸，通過自然對(duì)流與冷空氣進(jìn)行自然對(duì)流，又考慮到此部分溫度較小，其表面換熱系數(shù)取為5W／（m2K），冷空氣溫度為0℃。

2.3 預(yù)熱過程載荷及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)CSP軋輥預(yù)熱過程，其載荷也主要分為兩個(gè)階段，每個(gè)階段載荷包括表面換熱系數(shù)和熱氣溫度兩種載荷。表面換熱系數(shù)和熱氣溫度載荷時(shí)間歷程圖為圖2（a）和圖2（b）。

如圖2（a）和圖2（b）所示，在加熱階段的前3個(gè)小時(shí)內(nèi)，軋輥表面換熱系數(shù)和熱氣溫度均保持不變，停止加熱后，熱氣溫度在半個(gè)小時(shí)內(nèi)降到30℃，軋輥表面換熱系數(shù)也變?yōu)?0W／（m2K），并在保溫階段保持該值不變。

圖2 載荷時(shí)間歷程曲線

軋輥材料為 ZG35SiMn，據(jù)相關(guān)手冊(cè)［1－2］查得其密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱在不同溫度下的值如表3所示。

表3 軋輥在不同溫度下的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱

2.4 建模與網(wǎng)格劃分

對(duì)軋輥整體進(jìn)行建模［3－4］，并劃分網(wǎng)格，共劃分171172個(gè)單元，劃分網(wǎng)格的模型如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后的實(shí)體

2.5 有限元分析結(jié)果

在有限元計(jì)算過程中，根據(jù)表2、表3及圖2設(shè)置相關(guān)參數(shù)，計(jì)算后的結(jié)果分別如圖4－6所示，其中圖3為自然對(duì)流情況下只加熱3個(gè)小時(shí)的溫度分布云圖，圖4為自然對(duì)流情況下加熱3個(gè)小時(shí)并保溫兩個(gè)小時(shí)的溫度分布云圖，圖6為熱風(fēng)溫度為120℃、噴風(fēng)速度為10m／s、加熱3個(gè)小時(shí)并保溫兩個(gè)小時(shí)的溫度分布云圖。（各圖中單位均為℃）

由圖4（a）可知，在自然對(duì)流情況下只加熱3個(gè)小時(shí)后，軋輥輥身最高溫度為10.23℃，處于輥身中部處，輥身最低溫度為8.59℃；軋輥輥身表面溫度從中部向兩端逐漸減小，且軋輥輥身表面的最大溫差在1.7℃內(nèi)；由圖4（b）可知，軋輥輥身中部截面最高溫度為9.55℃，處于外表面處；最低溫度為4.82℃，處于芯部。軋輥表面和芯部溫差小于4.73℃。

由圖5可知，在自然對(duì)流情況下加熱3個(gè)小時(shí)并保溫2小時(shí)后，軋輥輥身最高溫度為16.1℃，最低溫度為11.6℃；軋輥輥身中部截面最大溫度為16℃，最低溫度為15.1℃，軋輥表面和芯部溫差小于0.9℃。

圖6 熱風(fēng)溫度為120℃，噴風(fēng)速度為10m／s的溫度分布云圖

由圖6可知，在熱風(fēng)溫度為120℃，噴風(fēng)速度為10m／s情況下加熱3個(gè)小時(shí)并保溫2小時(shí)后，軋輥輥身最高溫度為35.0℃，最低溫度為25℃；軋輥輥身中部截面最大溫度為35.1℃，最低溫度為34.7℃，軋輥表面和芯部溫差小于0.4℃。

3 討論與結(jié)論

在5種不同預(yù)熱方式下軋輥預(yù)熱后的溫度分布比較如表4所示。

表4 三種預(yù)熱方案的軋輥溫度分布

分析比較后，可得出如下結(jié)論：

（1）提高熱流氣體溫度和噴氣速度可以提高軋輥輥身表面溫度，但同時(shí)其表面溫度差值也相應(yīng)地增大了；

（2）提高熱流氣體溫度和噴氣速度可以提高軋輥輥身截面溫度，并能有效地控制軋輥輥身芯部溫度和表面溫度差值；

（3）適宜的低溫保溫時(shí)間可有效降低軋輥輥身表面與芯部的溫度差，從而可有效防止因軋輥表面和芯部溫差過大而造成軋輥的破壞；

（4）綜合考慮軋輥輥身升溫、表面溫差及表面與芯部溫差，認(rèn)為采用強(qiáng)制對(duì)流氣流流速為10m／s、熱氣溫度為120℃的加熱方式最佳；

（5）預(yù)熱過程的模擬計(jì)算分析為軋輥預(yù)熱裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］W.M.羅森諾.傳熱學(xué)手冊(cè)［M］.李蔭亭.北京：北京科學(xué)出版社，1987.

［3］王道遠(yuǎn)，劉春明，黃貞益，等.爐卷軋機(jī)軋輥溫度場(chǎng)分析及冷卻制度研究［J］.軋鋼，2010，27（1）：35－38.

［4］張朝暉.ANSYS 12.0熱分析工程應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.