朱 瑤,李 勇,2,李家棟,楊文泰,王昭東,2

(1.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819;2.廣西先進(jìn)鋁加工創(chuàng)新中心有限責(zé)任公司,廣西 南寧 530007)

7075鋁合金板具有以下特點(diǎn):力學(xué)性能十分優(yōu)異,超過大部分金屬材料;材料適用面廣;使用壽命長;可進(jìn)行熱處理,顯著提升材料的力學(xué)性能;具備優(yōu)異的抗氧化性和抗腐蝕性;熔點(diǎn)低,對加熱技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備要求不高,生產(chǎn)量充足,中低端產(chǎn)品成本優(yōu)勢顯著,等[1-2]。7075鋁合金中厚板憑借其卓越的性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益,除了大量應(yīng)用于軍工領(lǐng)域之外,還擁有廣泛的商業(yè)用途(例如機(jī)械設(shè)備加工及遠(yuǎn)距離輸電),特別是在航天產(chǎn)業(yè)中,高強(qiáng)鋁合金占據(jù)了壟斷地位[3-6]。即使復(fù)合材料、碳纖維材料、鈦合金材料等高性能新材料在近些年得到了快速發(fā)展,涌現(xiàn)出了一批性能優(yōu)異的成熟產(chǎn)品,但高強(qiáng)度的7075鋁合金中厚板仍然憑借低廉的價格成本,在民用領(lǐng)域保持著良好的商業(yè)競爭力,因此對高強(qiáng)鋁合金中厚板生產(chǎn)工藝的研究具備很大實(shí)際生產(chǎn)價值[8-10]。

中厚板輥底式淬火機(jī)利用高壓冷卻水射流沖擊鋁板表面,可瞬間產(chǎn)生強(qiáng)化冷卻效果。目前國外采用水幕冷卻和集管壓力水傾斜噴射的快速冷卻裝置,水幕冷卻速度最大可達(dá)360℃/s,可以將鋁板溫度急冷至 290℃左右。此溫度能滿足工藝要求,且與目前較為先進(jìn)的輥底式淬火爐工藝一致。集管采用壓力水傾斜噴射的快速冷卻裝置,該階段設(shè)計(jì)將鋁板急冷至約 200℃。該溫度在鋁合金淬火敏感溫度以下,合金的組織性能不會發(fā)生明顯降低。進(jìn)口鋁合金中厚板淬火機(jī)沒有布置縫隙噴嘴,而2020年4月在南南鋁加工竣工的首臺國內(nèi)板材輥底爐布置了縫隙噴嘴[11],研究發(fā)現(xiàn)縫隙噴嘴具有強(qiáng)度大、冷卻均勻性好、無淬火軟點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn),因此研究采用縫隙噴嘴進(jìn)行鋁合金中厚板的冷卻模擬具有非常重要的理論及實(shí)際應(yīng)用意義?？p隙噴嘴的射流角度和水流速度直接關(guān)系到鋁板表面換熱情況,是中厚板淬火的重要控制指標(biāo)[12-13]。因此，對射流沖擊技術(shù)在鋁合金中厚板生產(chǎn)過程中的影響進(jìn)行深度研究是很有必要的,進(jìn)而全面打破國外的技術(shù)壟斷,為關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

縫隙噴嘴射流沖擊冷卻鋁板三維過程如圖1所示,仿真模擬時將模型簡化為二維模型,確定二維模型各個區(qū)域的屬性并保存模型文件。該模型需要被分為兩個區(qū)域,由鋁板區(qū)域組成的固體區(qū)域(Solid)和由噴嘴區(qū)域、計(jì)算域一、計(jì)算域二及加密計(jì)算域組成的流體區(qū)域(Fluid),將流體區(qū)域劃分為3個部分是為了增大模擬的精度并減小計(jì)算的消耗。幾何尺寸設(shè)置如下(參見圖2):縫隙噴嘴厚度分別為1 mm、1.2 mm、2 mm和2.5 mm,高度為10 mm,冷卻水的射流角度θ為15°、20°、30°、45°、60°及90°,鋁板尺寸長度為500 mm,厚度為20 mm,噴嘴距離鋁板上表面寬度為50 mm。噴嘴入口水流量為570 m3/h,水流進(jìn)口速度分別設(shè)置為40.6 m/s(1 mm)、26 m/s(1.5 mm)、20.3 m/s(2 mm)及16.4 m/s(2.5 mm),環(huán)境溫度為25℃,出口壓力為一個大氣壓,鋁板為7075鋁合金,初始待淬溫度為475℃,7075鋁合金的物理性質(zhì)如表1所示。

圖1 射流示意圖

圖2 二維幾何模型及網(wǎng)格劃分

表1 7075鋁合金物理性質(zhì)

模擬過程采用壓力基求解器模擬瞬態(tài)模型,使用多相流物理模型,激活能量方程。選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型k-epsilon(2-eqn)-Realizable。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 對速度場的影響

由圖3～圖6可知,隨著縫隙厚度的增大,冷卻水流速在減小,這是因?yàn)榭p隙噴嘴的水流量是固定值570 m3/h,其計(jì)算方法為:水流量=噴嘴橫截面積×冷卻水初始流速,因此縫隙厚度變大導(dǎo)致噴嘴的橫截面積變大,使得冷卻水流速降低。縫隙噴嘴厚度從1 mm增大至2.5 mm后,鋁板上表面冷卻水的水平最大速度從38 m/s左右降低到15 m/s左右,下降約60%。

由圖3可知,當(dāng)縫隙噴嘴厚度為1 mm,冷卻水射流角度為15°、20°、30°、45°和60°時,鋁板上表面的冷卻水流速呈非對稱分布,在沖擊點(diǎn)處冷卻水流速達(dá)到最低,隨著距沖擊點(diǎn)處距離的增大,冷卻水流速呈先急劇增大后逐漸變小的變化趨勢,并且順向沖擊區(qū)域的冷卻水流速大于逆向沖擊區(qū)域的冷卻水流速。由圖4、圖5和圖6可知,當(dāng)縫隙厚度為1.5 mm、2 mm及2.5 mm時,也具有同樣的規(guī)律。這是由于此處流速取的是水平方向,而冷卻水沖擊鋁板時主要流速為豎直方向,受到?jīng)_擊后,冷卻水的方向被強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)成水平方向,此時水平速度分量值急劇上升至峰值,隨著距沖擊點(diǎn)處距離的繼續(xù)增大,冷卻水的動量受到其他流體的干擾以及摩擦阻力,表現(xiàn)為冷卻水流速越來越低。同時,由于傾斜的射流角度,勢必造成順向流體動量的分量大于逆流動量的分量,因此表現(xiàn)為順向沖擊區(qū)冷卻水流速大于逆向沖擊區(qū)冷卻水流速。

圖3 縫隙厚度為1 mm時鋁板上表面冷卻水水平速度分布圖

圖4 縫隙厚度為1.5 mm時鋁板上表面冷卻水水平速度分布圖

圖5 縫隙厚度為2 mm時鋁板上表面冷卻水水平速度分布圖

圖6 縫隙厚度為2.5 mm時鋁板上表面冷卻水水平速度分布圖

2.2 對壓力場的影響

圖7為不同縫隙噴嘴厚度和不同射流角度下沖擊到鋁板表面的壓力峰值對比圖,取不同工況下幾何沖擊處的壓力值作為壓力峰值。由圖7可知,當(dāng)縫隙厚度相同時,隨著冷卻水射流角度的增大,鋁板上表面冷卻水壓力的峰值也在增大。當(dāng)冷卻水射流角度為15°時,鋁板上表面冷卻水壓力峰值最小;當(dāng)冷卻水射流角度為90°時,鋁板上表面冷卻水壓力峰值最大-這是因?yàn)殇X板上表面冷卻水壓力的峰值大小,取決于冷卻水豎直向下的動量。冷卻水豎直向下的動量越大,則鋁板上表面冷卻水壓力的峰值越大。隨著冷卻水射流角度從15°增大至90°,冷卻水豎直向下的動量分量在不斷增大,水平的動量分量在減小,達(dá)到90°時冷卻水的動量全部是豎直向下的動量,無水平動量分量,因此冷卻水壓力峰值達(dá)到最大值。

圖7 冷卻水射流角度與冷卻水壓力峰值關(guān)系對比圖

對鋁合金板進(jìn)行淬火時,如果鋁板上表面冷卻水壓力過低,則會導(dǎo)致冷卻水沖刷效果變差,無法有效沖破鋁板上表面的氣泡,從而產(chǎn)生淬火軟點(diǎn),對鋁板的板型產(chǎn)生影響,形成質(zhì)量缺陷并影響生產(chǎn)效益。因此,在保證鋁板淬火冷卻速率適當(dāng)?shù)那闆r下,應(yīng)當(dāng)采取恰當(dāng)措施增大冷卻水對鋁板的沖擊壓力。

當(dāng)射流角度相同時,隨著縫隙噴嘴的縫隙厚度的增大,鋁板上表面受到?jīng)_擊的壓力峰值在減小。當(dāng)縫隙厚度為1 mm時,鋁板上表面冷卻水壓力峰值最大;當(dāng)縫隙厚度為2.5 mm時,鋁板上表面冷卻水壓力峰值最小-這是因?yàn)閲娮斓乃髁渴枪潭ㄖ?即相同時間內(nèi)任何縫隙厚度的縫隙噴嘴噴出冷卻水的質(zhì)量均相同,這導(dǎo)致縫隙噴嘴的縫隙厚度越小,噴出的冷卻水速度就越大，因而噴出的冷卻水的動量也就越大。動量更大的冷卻水沖擊到鋁板上表面，導(dǎo)致鋁板上表面冷卻水壓力峰值變大。

2.3 鋁板厚度方向溫度變化規(guī)律

圖8是縫隙噴嘴厚度為1 mm且射流角度為15°時,冷卻水沖擊鋁板的幾何沖擊點(diǎn)處厚度方向不同位置處,溫度隨淬火冷卻時間的變化情況。由圖8可知,在淬火過程中,鋁板上表面冷卻速度是最快的,冷卻速率達(dá)到了263℃/s。當(dāng)冷卻到0.1 s時,表面溫度已經(jīng)快速降至200℃左右。隨著距鋁板心部的距離的減小,冷卻速度逐漸減慢,鋁板心部冷卻速度最慢。在冷卻過程中,鋁板表面冷卻速度主要由冷卻水與鋁板之間的換熱系數(shù)決定,而鋁板心部溫度則由鋁板導(dǎo)熱快慢決定。

圖8 鋁板厚度方向溫度與淬火時間關(guān)系圖

圖9是不同縫隙厚度且射流角度為15°時,鋁板上表面與心部位置溫差變化。由圖9可知,當(dāng)噴嘴厚度為1 mm 時,心表溫差高達(dá) 300℃,形成了很大的溫度梯度。在整個冷卻過程中,隨著時間的進(jìn)行,心表溫差先增大后逐漸減小-這是由于鋁板表面最先接觸冷卻水,冷卻初期從表面帶走大量的熱量,表面溫度急速降低。而由于熱阻作用,冷卻效果不能迅速滲入鋁板心部,故心表產(chǎn)生較大溫度梯度。隨著冷卻的進(jìn)行,由于熱傳導(dǎo)的作用,冷卻效果傳至鋁板心部,心部溫降增大,溫差也有所降低,最終達(dá)到熱平衡,整板溫度趨于一致。

圖9 不同縫隙厚度心表溫差變化

在分析了全部的24組模擬數(shù)據(jù)后,發(fā)現(xiàn)對于任意的冷卻水射流角度和噴嘴縫隙厚度而言,上述規(guī)律都成立。

2.4 鋁板心部淬火敏感溫度區(qū)間平均冷卻速率

7075鋁合金淬火敏感區(qū)是219～407℃,臨界冷卻淬火速率為16 ℃/s,因此選取各個工況下淬火敏感區(qū)間的溫度與時間變化情況,分析冷卻速率變化規(guī)律。圖10是不同射流角度下噴嘴縫隙厚度與鋁板心部淬火敏感區(qū)間均冷速率關(guān)系圖。圖11是四種縫隙厚度冷卻水射流角度與鋁板心部淬火敏感區(qū)間均冷速率關(guān)系圖。由圖10和圖11可以得出以下結(jié)論。

圖10 不同射流角度下噴嘴縫隙厚度與鋁板心部淬火敏感區(qū)間均冷速率關(guān)系圖

圖11 不同縫隙厚度冷卻水射流角度與鋁板心部淬火敏感區(qū)間均冷速率關(guān)系圖

(1)射流角度為30°,縫隙厚度為1 mm時,鋁板心部淬火敏感區(qū)間的均冷速率最大,達(dá)到87.16 ℃/s;射流角度為15°,縫隙厚度為2.5 mm時,鋁板心部淬火敏感區(qū)間的均冷速率最小,達(dá)到65.91 ℃/s。

(2)在同樣的縫隙厚度下,隨著射流角度的增大,鋁板心部淬火敏感區(qū)間的均冷速率也在增大,并且當(dāng)射流角度≥45°時,鋁板心部淬火敏感區(qū)間的均冷速率增長趨勢趨于平緩,基本達(dá)到最大值,不會再進(jìn)一步增大。

(3)在同樣的射流角度下,隨著縫隙厚度的增大,鋁板心部淬火敏感區(qū)間的均冷速率在減小。在噴嘴入口水流量為570 m3/h時,模擬的24組工況的心部均冷速率均大于臨界冷卻速率,冷卻效果較好。

2.5 鋁板表面換熱系數(shù)研究

圖12為不同縫隙噴嘴厚度以及不同射流角度下,鋁板上表面平均對流換熱系數(shù)圖。由圖12可知,當(dāng)射流角度相同且縫隙噴嘴厚度為1 mm時,鋁板上表面對流換熱系數(shù)比其它厚度要大。由2.1小節(jié)可知,因?yàn)樵诖撕穸鹊目p隙噴嘴的射流下,鋁板上表面水流水平流速最大,因此換熱強(qiáng)度大。

圖12 不同冷卻參數(shù)下平均換熱系數(shù)圖

圖13是射流角度為30°時,鋁板上表面同一位置不用時刻的溫度與換熱系數(shù)的變化圖。由圖13可知,在冷卻水對鋁板淬火過程中,隨著鋁板溫度的降低,換熱系數(shù)無明顯變化。當(dāng)溫度高于100℃時,可以看到對流換熱系數(shù)在降低,這是由于在淬火初期鋁板溫度遠(yuǎn)高于淬火介質(zhì),冷卻水在鋁板表面迅速氣化形成一層蒸汽膜,其換熱能力較差,所以此時的換熱系數(shù)較小。隨著鋁板溫度降低,蒸汽產(chǎn)生的速率降低,具有阻隔能力的蒸汽膜逐漸破裂,換熱能力增強(qiáng)[14-15]。

圖13 換熱系數(shù)曲線

3 結(jié) 論

(1)采用一定傾斜角度的縫隙噴嘴對鋁合金板進(jìn)行淬火,相比進(jìn)口設(shè)備淬火小噴嘴組能有效沖破水層,且不會產(chǎn)生淬火軟點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高均勻性淬火。

(2)鋁板表面冷卻水壓力和鋁板心部淬火敏感溫度區(qū)間的平均冷卻速率,是評價鋁合金中厚板淬火工藝優(yōu)劣的兩個重要指標(biāo)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的24組模擬數(shù)據(jù)可知,當(dāng)射流角度為30°且縫隙厚度為1 mm時,淬火工藝參數(shù)最好,鋁板心部淬火敏感溫度區(qū)間的平均冷卻速率最大,為87.36℃/s。

(3)通過對縫隙噴嘴射流的模擬計(jì)算, 可以看出壁面的換熱特性和此處的流體速度有密切關(guān)系, 流速越大換熱系數(shù)越大。通過分析可知,縫隙噴嘴的安裝角度和縫隙寬度應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況綜合選取。