（机械电子工程专业论文）超薄快速铸轧外冷仿真研究.pdf

abs t ract c o n t i n u o u s c a s t - r o l l i n g h a s b e e n r e g a r d e d a s a m o s t l y m o d e i n a l u m i n u m p r o c e s s i n d u s t ry，w h o s e o u t s t a n d i n g a d v a n t a g e i s l i t t l e i n v e s t m e n t , l o w c o s t . l e s s e n e r g y c o n s u m i n g . i n o r d e r t o p u s h o u r a l u m i n u m p r o c e s s t o h i g h t e c h n i q u e , h i g h q u a l i t y , h i g h e ff i c i e n c y , in v e s t i g a t o r s a r e w o r k i n g h a r d t o s e tt l e t e c h n i q u e d i ff i c u l t y i n s u p e r - t h i n h i g h - s p e e d c as t - r o l l i n g . t h e k e y p r o b l e m , w h i c h c a n t u rn n o r m a l c as t - r o l l i n g t o s p e e d - c a s t - r o l l i n g , i s t h e s y s t e m s c o o l i n g a b i l i t y . t h r o u g h c o m p u ls i v e c o o l i n g o n t h e o u t s i d e s u r f a c e o f p l a t e a n d r o l l e r s , e x t e r n a l c o o l i n g t e c h n o l o g y c a n t r a n s m it t h e h e a t e n e r g y q u i c k ly fr o m c as t in g a r e a , m e e t w i t h t h e r e q u i r e m e n t o f h e a t b a la n c e i n s p e e d - c as t - r o l l i n g . a n d fi n a l l y , it c a n g e t t h e a i m o f i m p r o v i n g t h e s y s t e m s c o o li n g a b i l i t y , in c r e as i n g c as t - r o l l i n g s p e e d , e n h a n c i n g p l a t e q u a l i t y . c o m b i n i n g t h e c a s t - r o l l i n g e x p e r i m e n t w i t h t h e t h e o ry o f m e c h a n i s m , p h y s i c a l . m e t a l l u r g y ， w e s e t u p a h e a t t r a n s f e r m o d e l o f c a s t - r o l l i n g p r o c e s s . o n t h e b as e o f e x p e r i m e n t c a s t - r o l l i n g p r o d u c t l i n e i n c e n t r a l s o u t h u n i v e r s i t y , i c o m p i l e d c + + p r o g r a m a n d m a t l a b p r o g r a m , w h i c h c a n v i s u a l l y d e s c r ib l e s y s t e m s t e m p r a t u r e fi e l d , a n d c a n s h o w u p t h e b as i c r u l e i n c as t - r o l l i n g h e a t t r a n s f e r t h e n , t h r o u g h d r a w i n g t h e s y s t e m s i s o t h e r m d i s t r i b u t i n g c h a r t , c o m b in i n g t h e b o i l - h e a t - e x c h a n g e m e c h a n i s m , i g e t t h e b e s t e x t e r n a l c o o l i n g a r e a i n a l l k i n d s o f c a s t - r o l l i n g c o n d i t i o n s . u s i n g a n o t h e r c + + p r o g r a m，w h i c h a p p e n d e d e x t e r n a l c o o l i n g c o n d i t i o n s , i s i m u l a t e d t h e i n fl u e n c e o f e x t e rna l c o o l i n g o n s y s t e m s t e m p r a t u r e fi e l d a n d c a s t - r o l l i n g s p e e d t h e re s u l t i s e x te rn a l c o o li n g i m p l e m e n t c a n m a k e r o l l e r s s u r f a c e t e m p r a t u r e d r o p q u i c k l y , c a n i n c r e a s e t h e c a s t - r o l l i n g s p e e d 1 3 .6 %, a n d a l s o w i l l s h o rt e n t h e b e s t e x t e r n a l c o o l i n g a r e a , m o v e it t o t h e e x i t s i d e o f c a s t i n g a r e a .a l l t h e s e r e s u l t w i l l p r o v i d e t h e o ry s u p p o r t t o i n d u s t ry a p p l i c a t i o n a n d s c h e m e f o r m u l a t i n g o f e x t e rn a l c o o l i n g . k e y w o r d s s p e e d - c a s t - r o l l i n g e x t e rn a l c o o l i n g c a s t i n g - r o l l e r t e rn 关键词 快速铸轧外冷铸轧辊温度 第一章 综述 1 - 1 课题来源及其研究目 的、意义 本课题来源于国家计委产业化前期关键技术与成套装备研制开发 项目 “ 铝及铝合金铸轧新技术与设备研制开发”中的一专题: 外冷 技术研究及装置研制。 自5 0 年 代初美国h u n t e r - d a u g l as公司首先 将双 辊式铝带 材连续 铸 轧机投入生产运行以 来， 铝带坯连续铸轧技术得到了 迅速发展， 连续铸 轧以 其投资少、 成本低、 能耗少的突出优势已 成为铝加工业带坯的一种 主要生产方式。据 1 9 9 0 年统计，世界上约有2 0 %铝轧材的坯料由连续 铸轧法生产。 为进一步解决现有铸轧机的技术弱点， 使这一生产方式为 人类带来更大效益， 国际上自 八十年代初期开始研制高效率的新一代铸 轧机。 经过十几年的研究开发， 快速铸轧已 处于扩大工业试验范围与深 度阶段， 但到目 前为止尚未推出成熟的成套生产线， 且其生产尚不稳定， 设备及工艺技术都需进一步完善。 我国是铝材生产及消费大国， 但现有 的 铸轧技术水平尚 无法满足当前铝板、 带、 箔生产需要川 ， 更无法在二 十一世纪的材料市场上竞争。 因此， 发展我国的快速铸轧技术、 尽早开 发具有国际先进水平的快速超薄连续铸轧机是将国内铝加工推向高技 术水平、 高效率、 短流程和推出 新一代特殊性能铝材的具有战略意义的 选择。 常规铸轧转变成快速铸轧需要对关键技术进行攻关。在超薄快速 铸轧工艺条件下， 由 于金属熔液流动速度加快， 单位时间能量的转换大 幅度增加，要求由铸轧辊材质、 结构、 热传导方式、 传热介质及相应的 控制能力所组成的热传导系统具有很强的可以视情控制的热传导能力。 目 前， 常规铸轧的冷却能力己不能满足快速铸轧过程对热传导的高冷却 强度、 高稳定性和灵活可控性的 要求。 而且当前对于快速铸轧外冷强度 调控、 外冷工艺的研究还很缺乏。因此， 必须在现有基础上，除需要研 究与开发具有新型内 冷结构和高传热性能材料的铸轧辊， 改进常规内 冷 系统的冷却制度和控制技术外，还需辅以高效能铸轧辊外部冷却系统。 本论文在分析和比 较各种铸轧工艺条件下铸轧辊套和铸轧带坯的温度 场变化规律的基础上， 有效地确定了铸轧辊外部冷却方案、 冷却强度及 可调区间;设计了一套能进一步提高铸轧辊冷却能力的新型外冷系统， 其结构布置、 工艺及装置的技术特性将为国内尽早实现铝带坯快速铸轧 提供技术支持。 1 - 2 连续铸轧技术发展史 1 8 4 6年，英国人贝西默( b e s s e m e r ) 提出从旋转着的两辊上方向 辊 缝注入金属熔体， 生产铸坯的设想。 由于受到当时物理基础与技术限制， 这种设想经过近一百年才得以 实现。 连 铸 技 术的 首次 成 功是 在1 9 3 0 年 u u 德国 的s . j u n g h a n s 等采 用 立式连铸新方法铸造出 黄铜。 连铸技术的工业性试验开始于第二次世界 大战 之后。 终于在1 9 5 1 年， 美国亨 特一 道格拉斯( h u n t e r - d o u g l a s ) 公司 首次铸轧成了铝带坯，制成了双辊式连续铸轧机。1 9 5 6年，美国黑兹 利特公司双钢带式连续铸造机成功地生产出了铸轧带坯。 这两种带坯铸 轧机奠定了带坯连续铸轧机的基础。 连续铸轧机自5 0年代问世以后， 取得了迅猛发展和广泛应用。5 0 年代 一 7 0年代， 铸轧机多为标准型， 铸轧辊直径 6 0 0 - 7 0 0 m m ， 铸轧板坯厚 度7 m m 左右， 铸轧速度小于1 . 5 m / m i n ， 采用半预应力式机架， 用一台电 机 集中驱动， 卷取机和机后的游动展平辊形成极小张力以便卷取。 8 0 年代，出现了超型铸轧机.铸轧辊直径可达 1 0 0 0 m m ，铸轧板坯 2 厚度r1 2 m m , 铸轧速度达3 m / m i n 左右， 铸轧合金已由 纯铝扩大到3 xx x 系列， 5 xxx系列软合金。采用全预应力机架。1 9 8 5 年左右出现了 铸轧辊用两台电 机( 或液压马达) 单机传动， 卷取机和主机之间 采用张力 闭 环控制， 配备各种自 动检测装置等3 4 1 到1 9 9 0 年， 据不完全统计， 全世界的带坯连续铸轧机巳 有近1 0 种， 约有2 3 0 台 铸轧机在世界各地运行， 年生产能力1 5 0 万吨以 上114 1 。 铸轧 带坯质量不断改善， 铸轧机的结构不断更新，自 动化程度也有了很大的 提高，有些铸轧机还采用了计算机程序控制。 从8 0 年代开始，世界上许多厂家和研究机构均着手研究开发超薄 规格的铝带坯高 速连续铸轧机。 美国的h u n t e r 公司， 法国的p e r c h i n e y 公司，英国的d a v y公司及牛津大学和德国亚探大学等研究机构经过多 年的理论研究和上千次的实验， 对金属在新的铸轧条件下的凝固结晶规 律和过程控制模型进行了 较深入的探索， 近来相继推出了 一批生产用或 实 验用超薄高 速连续铸轧 机。 如: 1 9 9 1 年，由 英国d a v y 公司 和o x f o r d 大学合作， 推出了第一台超薄铝带坯快速铸轧实验机， 安装于卢森堡欧 洲铝厂，现已 工业试生产。 超薄规格的铝带坯高速连续铸轧机与传统铸轧机相比，其主要特 点 2 91 是: 带 坯厚 度 显剧 减薄， 最薄厚 度由 传 统的8 二降 到2 m m ， 工 业 化生产宽带坯的厚度为2 m m ，从而可使板带材冷轧道次减少2 次，既可 提高生产效率，又减少了换辊次数。铸轧速度大大提高，由常规的 l m / m i n 左右提高到1 5 m / m i n ， 生产效率可提高到3 倍。 可生产的合金 范围大大拓宽 铝熔体凝固 速度提高1 0 -2 0 倍。 引入了 一些高新 先进技术， 如高 精度的液面控制技术、 新型浇注系统、 冷却及控制技术 等t ，9 ， 。 铝带坯连续铸轧技术在我国的发展大致经历了三个阶段1 14 1 第一阶段为1 9 6 4 年 一1 9 6 7 年。 我国铝带坯连续铸轧技术的研究工 作是从6 0 年代初期开始的，1 9 6 4 年1 月进行了双辊下注式铝带坯连续 铸轧模拟试验, 4 月巧日 开始工业试验， 7 -9 月份相继铸轧成宽2 5 0 m m 和4 0 0 m m 的铝板。1 9 6 5 年铸轧出宽7 0 0 m m的带坯。 第二阶段为1 9 7 0 年一1 9 8 3 年。由 于多种原因1 9 7 0 年我国才恢复 铸轧生产性试验。1 9 7 5年，用铸轧带坯生产的 冷轧板基本满足了一般 深冲制品和箔材毛料的性能要求。1 9 7 8年，连续铸轧新技术、设备和 一部分研究人员转入华北铝加工厂。 开始研制双辊倾斜式铸轧机。 相继 于1 9 7 9 年7 月研制成今 6 5 0 x l 3 0 0 m . 和1 9 8 1 年底研制成今 6 5 0 x 1 6 0 0 m m 的 铸轧机， 并投入试生产。 1 9 8 3 年上半年研制成中 9 8 0 x 1 6 0 0 m m 超型铸轧机， 并于1 9 8 3 年8 月通过部级鉴定， 这标志着我国铝带坯连续铸轧技术已 进入成熟阶段。 第三阶段为1 9 8 6年一现在。国内 在 1 9 8 6 年以前设计制造的铸轧 机全是亨特式老式机型。1 9 8 7年由 洛阳有色金属加工设计研究院设计 出了相当于亨特公司1 9 8 4 年生产的标准型铸轧机， 采用了直流电机单 机驱动， 直接张力控制等新技术。从1 9 8 4 年到1 9 9 3 年，我国先后引进 了亨特式铸轧机， 采用集中驱动的3 c 铸轧机，采用液压马达单独驱动 的标准型铸轧 机， 采用直流电 机单独驱动的 超型铸轧机等34 在铝带坯超薄快速铸轧方面， 我国的研究尚处在初期准备阶段， 加 强这方面的科研投入， 从而在这方面尽快取得突破性进展， 尽早开发出 具有我国自 主知识产权的超薄快速连铸轧机的系统理论和高新技术， 将 带来巨大的社会效益和经济效益。 1 - 3双辊式高速连续铸轧工艺过程特点 铸轧法是将熔融的液态金属输送到旋转的水冷铸轧辊之间， 使液体 金属快速凝固结晶并轧制成板的一种方式。双辊式铸轧法有三种形式， 它 们的 铸轧工艺 流程0 4 1 大 体相同 ， 如图1 - 1 所示。 图 1 图中: 1 熔炼炉 1 双辊式连续铸轧工艺流程示意图 2 静置炉3 挣化装置 6 .铸轧机7 .牵引机8 . 剪切机 4 .前箱5 .供料嘴 9 .导辊1 0 .卷取机 铝带坯连续铸轧工艺流程是: 首先在熔炼炉熔炼成符合要求的铝或 铝合金熔体，其温度为 7 3 0 -7 5 0 0 c ， 一般比铝或铝合金的熔点高 9 0 -1 0 0 0 c e 然后导入静置炉，扒渣， 控制熔体温度为 7 2 0 -7 4 0 0 c ，经 流口和流槽进入净化处理装置。 熔体从净化处理装置流出， 添加晶粒细 化剂， 流入可以 控制液面高度的前箱内。 前箱底侧有连通横浇道， 熔体 经浇道流入供料嘴。 供料嘴位于两个转动的铸轧辊间， 辊内通以循环冷 却水。当熔体从供料嘴上口涌出时，即与铸轧辊相遇， 表层凝固成固体 硬壳， 随着铸轧辊的转动，固体硬壳不断增厚。 当铸轧辊的两辊面同时 与凝固不断增厚的固体硬壳相遇时， 硬壳即受到轧制， 成为带坯， 离开 车 l 辊， 经牵引机送进机列， 切掉头部， 至卷取机， 卷成所需直径的大卷， 切断，卸卷，再重新开始卷下一个卷。 图1 - 2 铸轧区 示意图 图中:1 铸嘴2 .液膜3 . 液穴4 一两轧辊中心连线5 .带坯 z 1 .液相区z 2 . 液固两相区z 3 固 相轧制区z . 铸轧区 生产过程主要在铸嘴出口 到两辊中心连线之间的狭小范围 铸 轧区内 完成 ( 如图1 - 2 所 示川 ) . 铸轧 过程中， 轧 辊表面的 微元体从b 点进入铸轧区，与高温铝液接触不断吸收热量，冷却铝液，使其凝固。 随着铸轧辊的转动， 凝固壳不断增厚， 于d 点相遇开始受热轧作用， 承 受一定的轧制变形后， 轧件被拉向轧辊出口 侧。 在此过程中， 铝及铝合 金凝固时所释放的结晶潜热和带坯在出辊缝前温度下降所放出的热量， 通过铸轧辊套快速传递出来。普通双辊铸轧机中熔体的冷却速度为 5 0 k / s -1 0 0 k / s ， 而在目 前的薄带坯高速连续铸轧试验样机上， 熔体的 冷 却速度高 达6 0 0 一 1 2 0 0 k / s 。 强冷却速度、 大温度梯度是高速连续铸轧工 艺最显著的特点。 提高铸轧速度，一方面将使更多的辊面( 冷却面) 进入 铸轧区， 轧辊冷却能力加大; 另一方面又使更多的铝材通过铸轧区， 发 热量增大， 单位时间能量的转换将大幅度增加，这就要求铸轧辊材质、 结构、 热传导方式、 传热介质及相应的控制能力所组成的热传导系统具 有很强的， 可控的冷却能力。 冷却量与发热量的平衡是实现快速铸轧的 基础。 1 - 4 铸轧辊冷却系统国内 外研究现状 铸轧辊在铸轧过程中起着极为重要的作用，既要承受熔体凝固造成 的辊面温度变化应力的影响， 又要承受对凝固的带坯施加一定压下量所 引起的金属变形抗力的影响。铸轧辊内部都通循环冷却水进行强制冷 却，以 便散失熔体凝固时放出的大量热。因此，铸轧辊被制成两部分， 辊芯和辊套， 辊芯有通水槽， 而辊套是由耐温度变化的耐热合金钢制成。 1 . 铸轧辊内冷结构及技术特性: 铸轧辊内 部冷却强度主要受下面因素影响:( 1 ) 辊芯循环冷却水沟 槽的分布结构( 2 ) 辊套厚度( 3 ) 冷却水温度、压力和流量。 辊芯上设计的循环冷却水槽沟形式各式各样， 有纵向、 环形、螺 旋形等等。 不管采用哪种形式， 其冷却强度应保证铸轧辊辊身长度上的 温度差 5 c。 各种铸轧辊在结构上的主要区别就在于供水系统的不同。 供水系统应保证辊面沿轴向和圆周方向能得到迅速而均匀的冷却。 苏联 列宁格勒伏罗希洛夫有色金属加工厂生产的铸轧辊， 有的冷却水从两端 进入辊芯，有的冷却水从一端进入辊芯。美国亨特工程公司的铸轧辊， 在其一端有一个设计独特的套管， 将冷却水输入和流出轧辊。 冷却水进 入轧辊后，沿辊径方向流入辊芯与辊套之间，然后相向流经半个圆周， 再流入辊径方向水路， 流进纵向槽沟， 再流入集水装置， 最后进入循环 水系统。这种冷却方式，结构复杂，不易制造，加工成本高， 但冷却效 果好，轧辊表面温度均匀，辊芯与辊套的配合紧密。3 c型铸轧机的轧 辊， 冷却水的 输入与输出 都是通过两个孔进行的， 输入的水流进辊芯与 辊套之间， 流经辊的四分之一周后排出。 其输出冷却水的装置与亨特铸 车 l 机相同。 我国华北铝业有限公司经多次实验修改后设计的铸轧机铸轧辊的 结构如图1 - 3 所示， 其表面布满纵向和横向槽沟， 在辊芯中心钻有冷却 水输入孔， 在中心孔上钻有一排排小孔， 每排4 个， 沿轧辊横截面直径 方向上对称分布着， 并与辊套、 辊芯间的槽沟相通。回水孔钻在进入孔 左右各差4 5角处，它们分别通向 沿轴线方向均匀分布于辊芯表面的4 条回水沟槽， 然后流向轴端排出。 我们对各种沟槽( 螺旋形的、 环形的、 井字形的) 的冷却效果作过对比 试验， 以纵向、 环向井字形交叉为最佳， 温度沿辊身长 度的 分布很 均匀， 辊面轴向 温度差 小于1 摄氏 度0 4 1 图1 - 3 铸轧辊内 冷却水供给方式 辊套厚度应适当，辊套变薄时，铸轧速度可相应提高，但不能过 薄， 否则在铸轧过程中可能发生变形， 造成废品; 当辊套太厚时， 又会 影响传热效率，使产量明显下降。辊套厚度一般应大于 2 5 m m，小于 7 0 m m。另外，降低冷却水温度和适当提高压力，使冷却水在辊芯内加 快循环和保持较大流量也可提高冷却强度。 r 2 . 铸轧辊外冷、润滑技术特性: 铸轧工艺润滑具有如下特点:工作温度高，润滑剂可能与铝熔体 起化学反应。 在双辊式铸轧机上铸轧铝带坯时， 工艺润滑的好坏， 不仅 影响带坯粘辊情况， 而且对带坯质量高低、生产过程稳定程度、 铸轧辊 使用寿命长短均有很大影响。因为铸轧润滑剂，既要与固态带坯接触， 又 要与 铝 熔体 接 触， 润滑剂 碰上铝 熔体时， 往往立即 分解成 气体5 1 ， 其 中一些可被熔体吸收，并在以后的退火过程中析出，使带材出现气泡， 再加上铸轧生产是在极其苛刻的条件下进行的， 所以 其工艺润滑要比 常 规热轧时困难得多。 现有的铸轧生产线上， 采用了各种各样的方法喷涂 润滑剂，而最常用的是喷涂法，即通过一组喷嘴， 将润滑剂喷成雾状， 并沉积于铸轧辊上， 形成一层均匀的粘附牢固的润滑膜。 可根据润滑剂 雾粒的 大小， 控制喷嘴与润滑辊面的 距离， 通常此距离为2 5 0 - 5 0 0 m m o n o r a n d a l新型亨特快速铸轧机采用了喷淋横梁和过喷淋介质 收集系统进行工艺润滑。 喷淋横梁向辊面敷一润滑分离剂以避免铸轧板 和辊面粘住， 横梁备有亨特专利的带有区段控制的多喷嘴系统以适应各 种铸轧宽度， 每一喷嘴由 头部装置供给介质， 在这装置里喷淋介质连续 循环以避免沉淀， 该头部装置和喷嘴总成稍许振荡以避免阻塞， 喷淋量 与铸轧机主驱动装置计算机提供的铸轧条件相匹配， 该计算机还具有使 自 清洗喷嘴动作的特点， 平稳过渡到手动控制是可能的。 过喷淋介质收 集系统由用于上辊的一带气幕的罩和用于下辊的一伸缩压力通风装置 组成。 这一系统捕集过喷淋的介质以保持铸轧机周围有一个愉快的工作 环境。 现有的工艺 润滑系统一般没有专门 考虑铸轧辊外表面的 冷却。 铸轧 过程中释放出来的热量主要依靠轧辊内部的冷却水带走。 本项研究， 针 对超薄快速铸轧工艺过程特点发明的快凝铸轧复合外冷技术及装置， 开 辟了一种新的热传导渠道来进一步提高铸轧系统的冷却能力。 它通过对 铸轧过程中出口 侧的轧辊外表面和铸轧板表面进行强制冷却， 来增强铸 轧系统的 冷却能力， 从而有效地提高 铸轧速度。 复合外冷液同时兼具 冷 却和润滑的双重作用。 近年来，液滴和壁面碰击时的传热已成为一个受广泛注意的课题， 由于冲击液滴流动复杂且过程短暂， 使得液滴冲击冷却的研究变得十分 复 杂 。 e n g e l 5 6 7, 施 【4 4 115 7 1等 研 究 了 下 降 液 滴 在 壁 面 上 的 扩 展 动 力 学 问 题， w a c h t e r s s s i , t o d a 5 9 7 , n i s h i o 6 0 1 ， 研究了 运动液滴和加热面之间的传热 过程。 本项研究中的外冷喷雾技术采用喷雾气液两相强化传热的方法， 利用 液滴冲击 冷 却效果 最好的 液滴 沫态 沸腾工 况14 5 1 ， 获得很高的 换热强 度。 在冷却气中喷入雾化水， 由 于它能够降低空气的温度， 同时在换热 面上蒸发而带走大量的热量，因此就能大大改善被冷却物体的换热效 果 ， 它 是 强 化 传 热 的 有 效 途 径 之 一。 自1 9 6 1 年 苏 联e lp e r in 16 1发 表了 含 雾气流可显著增强传热的实验报道后， 含雾气流先后被考虑用于核电 站 和空间 动 力装 置 6 2 ,6 3 1 、 车用发动 机冷 凝器6 4 1 、 透平叶 片冷却 6 5 1钢铁工 业1 8 l 以 及核反应堆的紧急冷却等场合， 甚至被考虑用于半导体器件冷却 6 6 1 ， 显然 类似的 传热方式也 将适用于 超薄快 速铸轧辊 一 板 系统的 外部冷 却。 1 - 5 铸轧过程中 外冷技术的理论基础 计算固体壁面与流体换热的牛顿公式15 1 为: 9 二 h ( t一 t j ) w / m 勺 式中 :q wl m 勺为 热 流密 度; h w l ( m - 0 c ) 为 物体与周围 介质的 对流换热系数; t和t f 0 c 分别为物体的壁面温度和介质的平均温度。 于是 有:q =a - q = a - h - ( t一 几) 明 其中 q w 为总热流量; a m z 为 对 流 换 热 面 积。 由以上公式知，增强铸轧系统外部冷却效果的主要途径包括三个 方面: 一增大散热面积a 快速铸轧的铸轧速度是常规铸轧的十倍以上，轧辊每旋转一周的 时间大大缩短， 因 此要求尽量增大散热面积。 我们采用在铸轧出口 位置、 出口 端轧辊水平线位置实施液体介质冷却; 在入口 侧的辊顶 ( 辊底) 位 置实施气体强制冷却，从而形成大的冷却区间。 二. 增加传热界面温度梯度 a t( 即t- 升) 的 增加， 将使传热能力增大， 即在铸轧过程中， 增 大铸轧辊面与外冷介质间的温度差，将有效提高热交换能力。 由高速连续铸轧工艺过程特点知，提高铸轧速度的一个决定性因 素是铸轧区的热量能否传递到铸轧辊上。 改善铸轧界面热传导是实现系 统传热的最重要因素， 它除与辊套材料的性能有关外， 还受所采用的外 冷润滑介质的影响，我们使用的 外冷润滑介质中石墨粒度只有几微米， 其石墨浓度很低， 外冷润滑介质性质如同水一样。 利用外冷喷雾装置使 润滑介质在辊套表面形成一层薄而均匀的润滑隔离膜，既达到防止粘 辊，提高铝材表面质量的目的，又使界面导热能力得以提高。 三.利用外冷技术提高冷却界面的对流换热系数h 在铸轧出口 位置、 出口 端轧辊水平线位置， 利用外冷喷雾装置对铸 轧辊一 板、 铸轧辊实施气雾冷却， 使外冷介质在碰到铸轧辊壁瞬时，就 因吸收来自 辊、板表面的热量发生沸腾，转化为蒸气状态。 液体与高温壁面接触而被加热时，温度逐渐升高，达到一定数值 后，加热面上局部地区的液体气化而形成气泡，随着加热过程的进行， 汽泡不断的增值， 扩大和跃离， 这种现象称为沸腾。 在沸腾过程中，与 相变有关的潜热的作用是很重要的，因沸腾而使液体向蒸气状态变化， 是靠固体表面传来的热维持的。 尽管沸腾传热归类于对流换热， 然而这一过程具有独特的特点。 由 于有相变， 对流体的加热可以在不影响流体温度的情况下进行， 而且换 热系数和换热速率通常都远大于无相变时的对流换热情况。 事实上， 由 于沸腾， 在小的 温差下可以 达到很高的 换热热流s 1 1 .有相变条件下的水的对流换热特性 液体在接收潜热转变为蒸气的 过程中 保持不变的温度， 即 液体所处 压力下的饱和温度t s 。但实验证实， 沸腾时的液体温度t 略高于t s , 或者说，液体略有过热，其过热度与液体种类和沸腾强度有关。 液体开始沸腾时， 汽泡一般发生在过热度最高的加热面上， 而且发 和生在某些粗糙不平的所谓 “ 汽泡核心”的地点。不难理解，沸腾换热 强度必然与汽化核心数和汽泡跃离， 再生和频率有关。 汽泡的内外压力 差和 作用在周 边上的 表面张力 相 平衡， 是 汽泡得以 存在的 条件2 1 ， 并 表 达为: 二 r z ( p 一 p l) = 2 二 r a 4 p p 、 一 p , 卜2 。 瓜( a ) 式中: 。 汽一 液界面上的表面张力， n % m p 二 相 应 于 饱 和 温 度t 9 下 的 液 体 压 力， n /m 2 p 二汽 泡内 部压 力 ， n / m 2 。 对 于吸 附 在 加 热 面 上的 汽 泡， p 、 为 相 应于壁温t,=ts + a t下的 饱和压力。 吸附在加热面上的 初生汽泡的压力 差a p ，可由贴壁液体的过热度 t表示，即 a p = ( p , 一 p i卜 p ( t + a t ) 一 p ( t s ) = p t 十 1 / 2 p ( a t ) 2 十 .二 一 p e t ( b ) 式中 的p 为 饱和线上压力对 温度的 导数， 把式( b ) 代入式 ( a ) ， 可 得过热度为d t时汽化核心的最小曲 率半径: r m . = 2 。 f ( p 4 t ) 由 上式可知， 液体表面张力愈小， 压力对温度的导数和过热度愈大， r . 愈小，此时， 壁面原来不能产生汽泡的粗糙不平处也成了汽化核心。 汽泡产生后， 继续受热扩大， 当浮升力和周围液体运动给予汽泡的 力， 超过泡的重力和对壁面的附着力时， 汽泡就跃离汽化核心，由 此可 知， 跃离和再生的频率还与液体对壁面的润湿能力有关。 润湿 ( 即液体 分子间的内 聚力小于液体与固体间的附着力) 能力强， 汽泡在较小的直 径下就能跃离壁面， 频率增加。 汽泡在上升过程中， 如其界面上的液体能不断吸热汽化， 则沿途体 积不断扩大， 终至冲破液面。由 于汽泡在加热面上不断地产生， 扩大和 跃离， 周围液体随时填补， 冲刷壁面， 使贴壁液体层剧烈扰动， 所以 沸 腾换热时的换热系数远比无相变时的为大。 2 . 沸腾的物理机理 沸腾是通过大量汽泡的形成、 成长和运动将物质由 液态转换到气态 的 一种剧烈蒸发过程2 1 。 它可在液体内 部发生相变， 形成汽泡; 也可在 加热表面发生相变， 形成汽泡， 当表面温度t 超过与液体压力对应的饱 和温度t : 时， 就会发生这种过程。热量由固体表面传向液体时，牛顿 冷 却 定 律的 形 式 是: q = h ( t - t s ) = h a t式 中 : o t = ( t - t s ) , 叫 做 过 余温度。 沸腾过程的特征是有气泡的形式， 这些气泡长大， 然后从 表面 脱离。 气泡的成长和脱离过程以很复杂的方式和过余温度， 表面的性质 有关。 也和流体的热物性， 例如它的表面张力有关。 进而气泡的形成过 程影响表面附近的流体运动，从而强烈地影响换热系数。 考察图1 一所示的沸腾曲 线， 我们可以得到对基本的物理机理的认 识。 这条具体的曲 线是针对水的， 对于其它流体也有类似的趋势和特征。 如果:ot - ot , ，其中:at a = 5 0c ，可以出 现自 然对流沸腾， 在该范围内， 气泡的形成只局限于表面上某些孤立的点处， 流体的运动 主要取决于自 然对流作用。 根据是层流或是紊流流动， h 分别随at的 1 / 4 或1 / 3 次方变 化。 这时q 随 o t 的5 / 4 或4 / 3 次 方变化。 但 应注意， 对流换热系数的数值远大于无相变的自 然对流情况。 如果: ot a -ot - ot c( 其中: ot , = 5 0 -c ) ， 会出 现沫态沸腾， 在该范围内 表面聚集着稠密的气泡， 气泡脱离诱化表面附近相当强烈的 液体 掺混， 从而 使h 和 q 激烈增大。 在这种情况下， 大部 分的 换热是 由 表面直接传给在表面上运动的液体而不是依靠从表面上升起的气泡。 因为高换热速率和对流系数都在小的过余温度下发生， 所以 许多工程设 备都希望在沫态沸腾区运行。对流换热系数的数值可以从图1 - 4 的沸 腾曲 线 导出 。 用q 除以 t 可以 看出 对 流 换 热系 数明 显 超出 1 0 0 w / ( m z k ) ， 这 就 是 该 沸 腾 区 域的 特 点 ， 这 些 数 值 远 大 于 普 通 无 相 变 时 的对流换热情况。 沸 璐的 不同 状态 i 义 e 0 , j ) a .- at a = 5 c a戈“ 5 o c a 几= 1 5 0 c / 2逆李卜b 图 1 一水的 沸 腾曲 线 : 表面 单 位 热 流 4 随 过 余温 度 t 的 变 化 如果: at , - * 9 v + m. q : 其中9 x , 9 y , 9 = 为 直 角 坐 标 系中x , y , z 三 方向 的 热 流 密 度: . d t , a t二 a t 9 s ” - k a r , q y = - k 石， “ : - k -a z 计算物体边界换热条件时，经常要用到对流换热牛顿公式: 9 = h ( t ,a% t e) w /m 2 1 ( 2 -5 ) 式 中h w /( 扩 c ) l 为 物 体 与 周 围 介 质 的 对 流 换 热 系 数 ; t w 和砚 c 分 别为 物 体的 壁 面 温 度和 介 质的 平 均 温 度. 二.求解铸轧过程传热问题的基本方程 在快速铸轧中， 温度主要沿着垂直于轧辊轴线方向的平面内传导， 而轧辊宽展方向的温度梯度很小，可以忽略不计， 因此可采用二维微 元体进行热传导分析。 丁|dy.土 在铸轧辊一板系统中取 一个微元体d x d y ( 取 d z = 1 ) ， 如图2 - 1 所示。 因为系统中各 点的温度是x , y 和时间t 的函 数， 因此热量通过热传导输入 和输出该微元体， 而且，以对 应于其温度的热函输入的单 . 2 - 1角 坐 标 系中 进 行 热 传 母 分 析 曲 祖 l% t j * b 位质量，必然以不同的热函输出微元体。 通过表面传导输入输出微元体的热流率分别为: 输入: 输出: q = = q , - a yq y ” g ,. - a x q x . 1= g , 4 . , 妙鸟、= g y . a y * a x 在t -t + a t 时间间隔内由于表面热传导流入微元体的热量为: 必= ( q = 一 么 + ， ) 十 ( 鸟一 q y . , ) ) . 夕 由公式( 2 -3 ) 可得: ( 2 -7 ) 4 ,=- ka t ( x + o x , y , t ) a x =- k (a 立 y , t ) + a x a 2 t ( x , y , t ) a x e a x ) 4 y 十 御= - k a t ( x , y + a y , t ) a y 二 一 k (a t ( x , y 过+ a y a 2 t ( x , y , t ) a y - 一 二气 - 匆) ( 2 -8 ) 将式( 2 -3 ) 、( 2 - - -6 ) 、( 2 -8 ) 代入( 2 -7 ) 式，得: _， a 2 t 口d= k，一 ， -. ox . 凸y 一a x ， 刁 2 t 凸了 + k- 即0 . a x - 妙 - a t( 2 -t) 在t -t + n t 时间间隔内，由 于有经微元体的四个面进出 微元体的 运动质量 ( 取 z = 1 ) ,输入输出微元体的热量为: 输入: 口 相= p - c ( v - e t ) c 侧= p - c ( 称. a t ) 妙 - t ( x , y , t ) a x - t ( x , y , t ) 输出:qa + a * = p - c ( v , - a t ) - a y - t ( x + a x , y , t ) 蛛+ 、“ p - c ( v y + n y - a t ) a x - t ( x , y 十 a y , t ) 由于质量运动使微元体增加的热量为: q , = ( q -一 q a . a. ) + ( q ; ry 一 q , .y + , ) - a t 其中 :y , a. = v + 口 v _ . 8 x . a x v y + ey 刁 v . . v r 十 矿 - a y t ( x + a x , y , t ) = t ( x , y , t ) 十 8 t ( x , y , t ) 一 口u 7 x t ( x , y + 奴 t ) = t ( x , y , t ) + t7 t ( x , y , t ) a y a y ( 2 -9 ) ( 2 -1 0 ) ( 2 -1 1 ) ( 2 -1 2 ) 把式( 2 -9 ) 、( 2 -1 1 ) 、( 2 -1 2 ) 代入式( 2 -1 0 ) ， 并略去高阶无穷 小量，得: 么 = - c . p . ( v a x + v y)+ t -(a v )i.4 x-ay -4 t ( 2 -1 0 ) 在t - - t + 0 t 时间间隔内， 微元 体内由 于 温度降 低 所减少的 热量为: g = c . p . ( t ,十 、 一 t , ) ax d y ( 2 -1 3 ) 其中 : t ,+ a = t ( x , y , t + a t ) = t ( x , y , t ) + a t ( x , y , t ) a t 所以:q t = c - p. a t ax. a t 妙 - 4 t( 2 -1 3 ) 根据热平衡原理有:q t = q p + q m ( 2 -1 4 ) 把式( 2 -7 ) 、( 2 -1 0 ) 、( 2 -1 3 ) 代入( 2 -1 4 ) 式，得: ， at a2 t a2 tp .c . ot = k .( v + w )一 ， 必 at 、 at a v avc k v + v . t ( +x - y )+( p v y ) y ax; (p - v )i -,ay ;( p v y ) y + ay ax; 累计质量流率就是微元体内的质量变化率: 因此( 2 -1 5 ) 式可写成: a p _ 二了. 口 “i a y 口r 彻， 刁 气 罗. =一 气 二 尸p 改以龙 气) ( 2 -1 5 ) p 刁一伽 + 屹 又密度p 为常数 a v 十 a v y = 0 a x a y 则( 2 一巧 ) 式简化为: ( 2 -1 6 ) 把( 2 -1 6 ) 式