米 楠

(中冶京誠工程技術(shù)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(nèi)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(xiàn)裂紋或開裂等失效[1][2]，并且內(nèi)部零件也會由于傳導(dǎo)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(nèi)水冷卷筒的扇形板及大柱塞溫度場進行數(shù)值模擬[3]。為后續(xù)卷筒的應(yīng)力分析及零部件設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(tǒng)在待卷階段的某個時刻由外冷水對卷筒進行冷卻。

圖1 內(nèi)水冷卷筒機械結(jié)構(gòu)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(huán)境，需要增加卷筒內(nèi)冷卻功能，卷取過程中，內(nèi)冷水通過主軸尾端細長孔導(dǎo)入，通過主軸與扇形板接觸段上的小孔導(dǎo)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(huán)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(nèi)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(tài)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(shù)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(shù)如表1所示。

表1 傳熱模擬參與件基本性能參數(shù)

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(huán)境進行對流換熱及輻射換熱，h=100W/m2K；鋼卷內(nèi)孔與扇形板進行傳導(dǎo)換熱，h=2×104W/m2K；扇形板與大柱塞進行傳導(dǎo)換熱，其與接觸壓力存在函數(shù)關(guān)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(tài)，二者與內(nèi)冷水進行對流換熱，由經(jīng)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(huán)境進行對流換熱，h=30W/m2K。卷取持續(xù)時間1000s。帶鋼整體溫度680℃，內(nèi)冷水溫30℃，環(huán)境溫度25℃。

3.3 扇形板模擬結(jié)果分析

由溫度場模擬結(jié)果可以看出，扇形板在工作過程中處于復(fù)雜的傳熱條件中，溫度變化劇烈，內(nèi)、外溫度分布不均勻，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

圖3 扇形板外表面溫度場分布

圖4 扇形板內(nèi)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(jīng)過1000s的時間，扇形板中部弧面溫度最高達到了278℃，由于內(nèi)水冷的作用，沿中心高溫區(qū)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(nèi)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(diào)整為105℃，結(jié)果如圖4所示，由于內(nèi)水冷的作用，扇形板內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(qū)相互串聯(lián)，也就導(dǎo)致了圖3中扇形板中部弧面溫度較高的出現(xiàn)。

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(zhuǎn)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(qū)。

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(nèi)表面有接近200℃的溫度差，將會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形。

3.4 大柱塞模擬結(jié)果分析

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

實際生產(chǎn)中，大柱塞的中部環(huán)槽內(nèi)會安裝一套金屬密封環(huán)，密封環(huán)以上的大柱塞外表面處于浸水狀態(tài)，密封環(huán)以下部分處于浸油狀態(tài)。在卷取壓力的作用下，大柱塞頂面與扇形板內(nèi)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(chǎn)生積熱。此處大柱塞選用銅材質(zhì)，由于銅材質(zhì)本身具有較好的耐磨性和導(dǎo)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(qū)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(nèi)，這樣就有效的保護了主軸內(nèi)部零件及整個系統(tǒng)的密封。

圖6 大柱塞溫度場分布

4 結(jié)束語

應(yīng)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(nèi)水冷卷筒的扇形板及大柱塞進行了數(shù)值模擬，得到了二者溫度場的分布規(guī)律。為后續(xù)熱應(yīng)力、卷取應(yīng)力場及整個卷筒的設(shè)計提供了依據(jù)。