（机械设计及理论专业论文）强对流作用下退火铝卷温度场数值模拟研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 本文针对铝材退火生产线，利用现代数值模拟技术对影响铝卷退 火过程中的因素进行分析和研究，该研究有助于今后提高铝材实际生 产质量。本文工作有： ( 1 ) 温度场测试：根据铝材退火生产实际工况进行现场温度测试， 得到铝材芯部和表面的温度随时间变化情况。 ( 2 ) 推导了铝卷材退火过程数学模型，并利用数学模型分析了铝卷 内部径向接触热阻。通过分析径向接触热阻，模拟得出铝卷退火过程 加热方式的不同，加热时间和热量传递存在较大差异。 ( 3 ) 利用数值模拟方法分析了对流换热和打卷捆扎力等因素对铝 卷退火温度分布的影响，并对影响因素作了详细研究，得出了对流换 热系数和打卷捆扎力在合理范围内有利于铝卷温度均匀的分布。 ( 4 ) 利用实验对端面加热( 侧喷) 方式与径向加热方式进行了比较， 发现端面加热比径向加热方式在达到同一温度所需时间上缩短了近 1 0 。且在同一时间内端面加热达到的温度比径向加热高2 0 一3 0 。c 。 文中的数值计算工作对于铝材退火炉内流场、温度场研究的开展 具有一定的参考价值，计算结果有助于进一步对退火炉进行分析。本 文所提出的铝卷端面加热方式为新型加热炉的设计提供了指导。 关键词：铝卷；退火；温度场；数值模拟 亟堂僮论文 壁s ! b ! a b s t r a c t e f f e c t i n gf a c t o r so fa n n e a l i n gp r o c e s sw a ss t u d i e db yu s i n gm o d e m n u m e r i c a ls i m u l a t i n gt e c h n i q u e t h er e s e a r c hh a st h eb e n e f i tt oi m p r o v e t h ep r o d u c tq u a l i t y f o l l o wc o n t e n t sa r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t ：t h et e m p e r a t u r eo ft h ea l u m i n u m r o l l i n ga n n e a l i n gw a sm e a s u r e d t h et i m e v a r i a b l ei n n e ra n ds u r f a c e t e m p e r a t u r eo fa l u m i n u mw a sr e c o r d e dw i t hn o n ep a p e rr e c o r d e r i n s t r u m e n t ( 2 ) t h ea l u m i n u mm a t h e m a t i cm o d e lf o ra l u m i n u ma n n e a l i n gp r o c e s s w a sc o n s t r u c t e d f o rr a d i a lt h e r m a lr e s i s t a n c ee x i s t e di n d i f f e r e n t s t r e t c h i n gf o r c e r e s u l t ss h o wt h a th e a tt i m ea n dq u a n t i t yo fh e a th a v e r a t h e rl a r g ed i f f e r e n c ew i t ht h ed i f f e r e n th e a tm a n n e rb ya n a l y s e sr a d i a l t h e r m a lr e s i s t a n c e ( 3 ) t h ee f f e c t so fh e a tc o n v e c t i o na n dc o n t a c tt h e r m a lr e s i s t a n c eo n t h ea l u m i n u ma n n e a l i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a ss t u d i e db yu s i n g n u m e r i ca n a l y s i sm e t h o d ，t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a th e a tc o n v e c t i o n a n ds u i t a b l ec o n t a c tt h e r m a lr e s i s t a n c ea r eu s e f u lf o ra l u m i n u ma n n e a l i n g t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ( 4 ) c o m p a r i n gt h es i d es u r f a c eh e a t i n ga n dr a d i a lh e a t i n g ，i t sf o u n d t h a ta l u m i n u ma n n e a l i n gh e a t i n gt i m ef o rs i d es u r f a c eh e a t i n gm e t h o di s 10 l e s st h a nt h er a d i a lh e a t i n gm e t h o da n dt h et e m p e r a t u r ew i t hs i d e s u r f a c eh e a t i n gm e t h o di s2 0 3 0 。ch i g h e rt h a nt h et e m p e r a t u r er a d i a l h e a t i n gm e t h o di nt h es a m et i m e i nt h i sp a p e r , t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw o r kh a sp r a c t i c a lv a l u ef o r a n a l y z i n g f l o w f i e l d ，t e m p e r a t u r e f i e l do fa n n e a li n gf u m a c e t h e c a l c u l a t i o nr e s u l th a sb e t t e rr e d o u n dt o s t u d y i n g s i m u l a t i o np h a s e a n n e a l i n gf u m a c e t h es i d es u r f a c eh e a t i n gw h i c he x t r a c t si nt h ep a p e r c o u l db e t t e ri n s t r u c tt h ep r a c t i c a lp r o d u c to fa l u m i n u mm a t e r i a l k e y w o r d s ： a l u m i n u m r o l l i n g ；a n n e a l i n g ；t e m p e r a t u r e f i e l d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：过i 兰遗日期：趟年堑月2 妇 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名： 导师签名埠日期：盟年豇月日 1 1 引言 第一章绪论 温度和温度场是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。 在工业、工程开发研究过程中，为了高效、安全地进行生产，必须对生产工艺过 程中地主要参数，如温度、应力、应变、压力、速度等进行有效分析，其中温度、 应力分析在生产工艺加工过程及热处理中占有相当大地比例。准确的测量和有效 地分析、研究温度及热应力是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。 1 2 退火炉的发展和研究现状 我国自2 0 世纪5 0 年代引进、研究及设计了多种退火炉，如：全氢罩式退火 炉，间歇式、连续式退火炉。2 0 世纪3 0 年代，国外便已经研制出了多种带钢再 结晶连续退火炉，7 0 年代初，奥地利e b n e r 公司开发出应用于钢铁工业的高对 流全氢罩式退火炉i l 诩，之后，德国l o i 公司也开发了这种以强对流和全氢气为 特色的罩式退火炉1 3 j 。国外某些发达国家在发展和研究钢、铁、铝等材料退火炉 处于领先地位。我国自引进国外在设计退火炉方面的技术后，近二十年来在设计 和研发材料退火设备方面已经做的比较成熟。八十年代初，一些工业发达国家从 热处理炉结构、热源、温控系统以及退火工艺等方面进行了大量的研究工作，开 发了许多新产品，如高温轴流通风机，卡口式加热元件等等【4 1 。在提高产品的加 热速度、改善炉温均匀性、提高退火产品质量、降低能耗和提高退火炉的综合技 术性能等方面获得了很好的效果。八十年代以来，我国铝材退火炉通过引进和不 断更新改造，其装机水平已接近国际八十年代同类设备的先进水平。同济大学波 耳固体物理研究所自行研制了一种可满足真空和气氛退火需要的小型高精度温 控退火炉装置1 5 j ；该装置具有如下优点：1 体积小，质量轻，寿命长，维护方便； 2 效率高，功率增益大，退火温度可达到1 2 0 0 0 c ；3 密封性能好，能够实现真 空退火和气氛退火；4 温度控制从常规仪表型向可编程控制型转变，实现对过程 控制的扩展测量精度的稳定。苏州新长光热能工业炉有限公司生产的铝箔退火 炉，采用了多项先进的新技术，具有节能、高精度、高可靠性和高安全性的特点： 该炉为强制热风循环电阻加热退火炉，最高使用温度为6 4 0 0 c ；加热器为卡口 式，功率3 6 0 k w ，安装于炉子左右两侧；炉项装有3 台低压大风量可逆轴流式循 环风机( 单台功率3 7 k w ) ，a b b 变频调速，以保证炉膛温度均匀性。 1 3 钢、铝等材料退火方面的研究情况 设计退火炉的最终目的是对工业生产出来的产品、毛坯进行退火热处理。对 于不同材料的退火，其热处理工艺路线是不同的，材料在达到最终退火温度也不 一。因此，基于上述情况，国内外一些专家、学者不再局限于退火炉的设计和安 装上进行研究。他们知道，在安装退火炉时，大部分零部件都是标准件，无法进 行较大改进。而现实情况是：退火炉炉膛内温度分布确实并不均匀，退火材料内 部温度分布亦是如此。种种温度分布和流向情况不得不一些专家从材料退火的根 本原理着手来进行分析和研究。如增减某些安装零部件来改变炉膛内热风流向、 炉膛内利用惰性气体来代替空气以防止退火材料发生氧化反应1 6 喝】。更有些国内 外专家、学者从热传导以及对流传热方面着手，建立了传热数学模型和边界条件， 以a n s y s 有限元分析和商业软件f l u e n t 软件为基础，对退火炉内温度场、流场、 应力场进行仿真研究1 4 巧j 。其具体研究状况如下： yjj u n ggtl e e 和cgk a n g 9 】从压应力的角度出发，建立起有无突起铝 卷卷应力模型，结合等效导热系数的概念，研究了两个模型预测热变形的准确性。 采用有限差分法分析了铝卷径向导热，指出导热系数的准确性取决于压应力。把 两个模型的模拟结果和实验数据进行对比，有突起铝卷应力模型更为准确。由于 铝材与钢材之间在生产过程实行退火期间都有类似之处，且退火设备都是在箱式 退火炉内进行。故本文在以国内外研究钢卷、铝材等材料的基础上，借鉴研究其 它材料的丰富知识和经验，对研究大吨位铝材退火炉做出一个突破性的实用性分 析和研究。国内研究学者在材料退火工艺上做出如下工作： 左皴，张欣欣【1 5 】等人从径向等效导热系数和总对流换热系数入手，利用氮 气和氢气物性参数的不同，对总对流换热系数进行讨论，总结了氢气比氮气优越 的原因。他们还研究了对流换热系数和钢卷径向等效导热系数，使用网络图法推 导出了径向等效导热系数的计算公式，并分析了单元体平均温度和钢卷张力对径 向热阻的影响。 温度场模拟是分析退火时间等问题的前提。目前，不少学者通过不同的方法 获得了准确合理的数学模型。左皴等人通过详细分析钢卷退火热过程，给出了钢 卷的传热模型，以及罩式炉各个部分的传热代数表达式；模拟了不同钢种、不同 装炉量条件下的温度场。 武文斐、张欣欣l 峪1 7 】等人通过分析相邻带钢板接触面上的传热机理，得到由 多层接触钢板组成的非连续介质网格的热阻和导热系数计算模型，同时给出了非 连续界面上导热系数的求解力一法c 8 7 通过分析罩式退火炉中钢卷与内罩及保 护性气体之问的换热，建立罩式退火炉中钢卷的传热数学模型，结合低碳钢的退 2 火过程，求解并分析了炉内底部钢卷的温度分布。 顾明言、陈光【1 8 珈】等人使用大量生产数据改进传热模型，得到一个合理有效 的钢卷退火传热模型，通过回归分析得到径向等效导热系数的表达式和总气体循 环流量表达式；并用该模型来预测温度场。 通过温度场的模拟可以预测冷点热点位置和温度。莫春立一、詹志东【婚1 7 】等 人模拟了冷轧钢卷在全氢炉中退火过程的温度变化以及钢卷冷点与热点温度的 变化规律。 r o v it oaj ，a i e ll owm 和v o s sgf 2 2 1 利用一个在线模型来预测和控制 钢卷冷点温度，使得两钢卷平均冷点温度预测误差为一o 4 5 0 c ，三钢卷平均冷 点温度预测误差为2 1 6 0 c ，拉伸质量标准偏差明显降低。 许多学者根据温度场和应力场的耦合关系，通过求解来预测钢卷粘结发生的 时间和位置，为工艺中预防粘结的发生提供了理论依据。 江波、姜泽毅和张欣欣【2 3 - 2 5 】建立了钢卷在全氢罩式炉中退火过程的传热模型 和热应力模型，利用温度场和热应力场的耦合关系，求解了温度场和热应力场， 并把结果和实际情况进行了比较，证明了模型准确性。 孙金红等研究了带钢钢卷表面和循环介质之间的对流换热；建立了钢卷导热 的极坐标数学模型，通过分析简化成一维模型，并求出了解析解，由求解的温度 场结果得到钢卷内部的热应力，预测了钢卷粘结发生的时间和位置。 退火时间的研究主要是退火时间影响因素的研究，为缩短退火时间提供依 据。林林、张欣欣等人建立了全氢炉退火过程的数学模型，利用实测数据对模型 进行了验证，通过对退火过程进行数值分析，得到了循环风量对退火时间影响的 规律：循环风量增加总退火时间缩短，但两者之间不存在简单的比例关系。当循 环风量增大到一定值时，退火时间缩短的程度大大下降。 陈光、张丽徽【2 6 j 等人针对宝钢h p h 罩式炉运行中变化的生产要素，全面讨 论径向等效导热系数、钢卷尺寸参数、循环气体的流量和温度变化对钢卷加热时 间的影响规律。指出钢卷退火加热时间与径向等效导热系数成反比，与钢卷的外 径和高度成正比，与循环气体流量和温度成反比。 刘全利，战洪仁【2 7 j 等人根据罩式炉退火工艺的特点，将退火冷却时间预测 的多入单出建模问题简化为单入单出建模问题，采用模糊c 均值聚类方法对退火 生产数据进行聚类分析，基于聚类点进行指数最小一乘回归来得到各个单入单出 模型的系数。 综上所述，罩式、箱式炉退火的传热模型研究己经取得了积极进展。殷晓静 s e o n g j u np a r k 石京等对钢卷在罩式炉退火过程中的导热热阻作了深入研究， 分析了热阻的影响因素，为合理确定导热系数提供了基础1 2 羽。张欣欣、左皴等 3 建立了钢卷等效导热系数模型，综合考虑了温度、压力等因素对它的影响。陈光 等对整个退火过程中的对流换热与辐射换热进行了对比研究。左皴江波、顾明 言等【2 9 】建立了模型并模拟了温度场，准确性好；孙金红等研究了温度场和应力 场的耦合，预测了钢卷发生粘结的时间和位置：莫春命等研究了钢卷的加热退火 时间，分析了影响它的因素和规律。 钢卷退火的工艺研究和罩式、箱式炉退火的传热分析对本文研究都有很好的 借鉴意义。然而，目前在我国对钢材、板材分析和研究的资料和一些理论研究比 较常见，北京科技大学、浙江大学、上海宝钢等【3 0 】一些知名大学和企业在这方 面都有所建树。中南大学作为所综合型大学，在材料、冶金方面都取得了重大 成果，尤其以钟掘院士为首的科研队伍在铝材综合利用研究方面更是成果颇丰。 中南大学机电工程学院钟掘院士，吴运新、李晓谦等1 3 l j 专家在7 x x x 系列铝合金 以及纯铝方面的研究对本文提供了一个方向性的指导。专家们在铝合金及纯铝的 淬火和温度场、应力场方面的研究给予本文很好的借鉴作用。 在铝材退火方面的研究中，南海市中南铝加工有限公司铝箔厂的李朝迅、冯 玉萍1 3 2 】利用流体力学、传热学的基本理论对该厂从意大利一台二手5 t 铝箔退火 炉进行分析，经过反复计算、测试和研究，确定了较合理的改造方案；改造后， 经测试和生产考核，已达到满意的使用结果。 东北轻合金加工厂的王翠梅 3 3 】利用流体力学、传热学的基本理论设计了铝 箔退火炉，生产实践证明，该炉炉温均匀，表面温度低，热效率高，性能稳定， 退火产品质量好，达到了国际同类设备的先进水平。 中南大学在铝材退火炉的设计和研究方面已有几年的历史，并且在一些设计 方面拥有自己的专利产权，中南大学机电工程学院于2 0 0 5 年设计研发的2 0 吨铝 箔退火炉早已投入生产。基于20 吨铝箔退火炉，中南大学机电院郭陵松等人瞰j 利用商用软件f l ue n t 为求解软件，建立了铝箔退火炉的三维模型，用标准k 一占 双方程模型、壁面函数法采用两种方案对退火炉内流体流动传热进行了仿真研 究。郭陵松等人的研究是以整个炉体为研究对象，对炉内各个空间的温度是否均 匀进行了仿真和试验，得出解决炉温均匀性的方案，从而来指导实际生产。 对于一些更为深入的研究，国内外学者在钢卷的传热模型、热阻以及径向等 效导热系数等另一面基本取得了共识，并且研究得相当深入。但是当前研究没有 充分考虑加热罩的加热对炉气、循环气体以及钢卷内部温度场的影响，特别是炉 内热态流场、温度场、应力场等问题还有待于进一步深入研究。以上这些都可以 作为研究铝材退火过程研究的指导和参考素材。此外，目前建立的模型针对性较 强，普适性还需进一步拓展。 基于上述资料描述和分析可知，众多研究人员在分析和研究铝材、钢材退火 4 过程时，首先是对铝材、钢材退火炉的设计进行研究，虽然有些学者在对钢材退 火过程进行详细的分析，不过钢材退火并不能等同于铝材退火，毕竟在一些热物 理系数和材料的固有属性方面有较大区别。在退火炉进行热分析时，有些研究人 员从炉子的设计改造着手，对循环风机以及退火保护气体作为研究的切入点，进 而来研究如何缩短退火时间。甚至还有些学者，抓住钢材退火过程中导热热阻和 传热系数进行研究f 3 5 1 ，得出钢材退火的数学模型，阐述了热阻犹如导电的电阻 一样，有着并联和串联之分。这些方面的研究多多少少对本文研究铝材退火炉内 铝卷的温度场提供了思路和理论性的指导，但国内外的研究根本的重点是放在炉 子的改造和材料的使用方面，即使有部分学者在研究铝材或钢材的温度场和应力 场时，也是寥寥数笔带过，更不用说所研究的结果来指导实际生产。本文在利用 前人的研究思路、经验等方面，重点抓住国内外所没有研究过的铝材退火炉所要 生产的最终产品：铝卷，对其进行退火过程深入分析，更是在国内所没有研究的 铝材退火加热方式一端面加热下铝卷的温度分布情况。在某些研究方面可谓是国 内首创。本文在研究铝卷退火过程中端面加热和径向加热两种方式下铝卷温度分 布规律，得出端面加热在铝卷退火过程的任何方面都要优于径向加热方式。 然而，随着计算机性能的提高，以及国际上基础和应用研究活动的增多，热 处理过程计算机数值模拟得到了快速的发展和应用，模拟所用的软件由a b a q u s 、 m a r c 、a n s y s 、f l u e n t 等通用有限元软件，还有日本的h e a r t s 、美国的d e f o r m - h t 、 中国清华大学的n s h t 、上海交通大学的s j t u - c a r b c a d 等专业软件【强3 8 l 。而本文 使用分析中较为常见的a n s y s 软件，由于所研究的对象铝卷模型对称性强，故在 a n s y s 中很好建立仿真模型，利用软件中热处理模块就能较好的得到模拟结果。 1 4 热处理数值模拟技术综述 1 4 1 数值模拟的基本方法 数值模拟技术是使热加工工作者利用计算机技术虚拟热处理过程，通过修改 各种工艺参数，分析影响材料热处理质量的各种因素及规律。数值模拟实质上是 利用数学模型和软件来模拟物理过程，具有定量分析、研发周期短、成本低等优 点，模拟结果可以指导实际工业生产。 数值模拟的基本方法主要有【3 9 4 1 】：有限差分法( f d m ) 、有限元法( f e m ) 和边界元法( b e m ) 。近年来，由于模拟微观成核、枝晶生长和液固昴面移动等 物理现象的需要又引入了一些新的数值模拟方法，如有限体积法( f v m ) 、网点 点阵法( c e l l u a r a u t o m a t i o n ) 等。 ( 1 ) 有限差分法( f d m ) f d m 以离散数学为基础，其实质是把研究物体从空间上分割成许多小单元， 对这些单元用差分方程式近似代替微分方程式，设定初始条件和边界条件，逐个 计算各个单元，易于程序实现，网格剖分算法简单，且计算费用远远低于f e m ， 在处理缩孔、缩松形成过程中的动态边界问题及铸造过程温度场中等问题时，f d m 具有明显优势。在铸造领域，f d m 经三十年的发展，已在温度场及流场模拟、缺 陷预测等方面取得了大量成果。 ( 2 ) 有限元法( f e m ) 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是基于古典变分法而发展起来的 一种计算方法。有限单元法的基本思想是将连续体离散成有限个单元，并在每一 个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点出现连接的一组单元的集合 体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一近似插 值函数以代表单元中场函数的分布规律，进而利用力学中的某些变分原理去建立 用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为 离散域中的有限自由度问题。 f e m 是c o u r a n t 在1 9 4 3 年提出来吲4 2 4 3 1 ，直到六十年代，随着电子数值计 箍及技术的发展，f e m 的发展速度才显著加快。到七十年代中期，全世界已有3 0 0 多个通用有限元程序，其中较著名的有a d i n a ，n a s t r a n ，s a p 等，但多数只是计 算程序，没有前后处理功能。到了八十年代，随着计算机技术的迅速发展，有限 元程序吸取了计算机图形学、数据库技术等方面的成果，已由单一的计算程序发 展为一门综合性技术有限元软件技术，并成为工程数值分析的有力工具。 近几年，通用的有限元软件取得了突飞猛进的发展，国外已出现了许多大型 的融合计算数学、力学、计算机图形学等最新成果的功能齐全的通用有限元软件， 如n a s t r a n 、a n s y s 、p a t r a n 、m a r c 等。 ( 3 ) 边界元法( b e m ) b e m 是把定义域的边界划分为一系列单元，用满足控制方程的函数来逼近 边界条件。边界元法计算形式复杂，由于以边界为着眼点，对一些有限边界区域 的问题求解显得特别有有效。b e m 虽然也可用于温度场、应力场模拟，但对同一 问题，b e m 分析的模型规模小，数据量很少，计算时间长。目前，此法在处理凝 固区域不均匀介质时，仍有许多问题尚未解决，还不成熟，商品化软件很少，仍 处于探索阶段m j 。 本文在铝材退火热处理上选用有限元法( f e m ) 进行求解。 1 4 2 材料热处理过程的数值模拟概况 六十年代初，丹麦的f o r s u n d 把d u s in b e r r e 等人在工程应用中提出的有限 6 差分近似法第一次用于材料熔铸过程的传热计算。1 9 6 5 年，h e n z e l 和k e v e r d a n p h 5 1 用美国通用电气公司的瞬态传热程序计算了大型铸钢件的凝固过程，计算结果与 实测结果相当接近。此后，世界上许多国家都相继开展了热处理过程数值模拟及 相关的理论与实践研究。 进入八十年代，热处理过程数值模拟形成了热加工界的热潮，而且向着工程 应用方向发展。 八十年代末，b g t h o m a s l 4 6 1 用弹塑性本构关系进行了材料应力场模拟； t i n o u e 等人m 对于粘弹塑性本构关系进行了研究；g l d y m o v a 等人【4 8 1 作了弹 性、粘弹性、弹塑性三种本构关系模拟研究。德国的f u n kg 等人采用f d m f e m 模型模拟了材料热处理过程的温度场、应力场，采用有限差分法进行传质、凝固、 热传递模拟，采用a d i n a 进行热应力分析；b h a n n a r t 等【4 9 】人使用具有弹塑性应 力分析功能的通用有限元软件m a r c 进行了连铸铸坯温度场、应力场的数值模拟； 美国的b q l i 等【5 0 】人采用热、流场、应力场三场耦合的方法模拟热处理过程； c f l o o d 等1 5 l 】人以铝合金铸锭为研究对象，利用纯弹性模型进行了流场、温度 场、应力场模拟，并比较分析了浇注速度及热传导系数对应力演变的影响【5 2 1 。 殷晓静s e o n g j u np a r k 石京等【5 3 】对钢卷在罩式炉退火过程中的导热热阻 作了深入研究，分析了热阻的影响因素，为合理确定导热系数提供了基础。张欣 欣、左皴等建立了钢卷等效导热系数模型，综合考虑了温度、压力等因素对它的 影响。陈光等【5 4 j 对整个退火过程中的对流换热与辐射换热进行了对比研究。左 皴江波、顾明言等建立了模型并模拟了温度场，准确性好；孙金红等【5 5 】研究 了温度场和应力场的耦合，预测了钢卷发生粘结的时间和位置：莫春命等【5 6 】研究 了钢卷的加热退火时间，分析了影响它的因素和规律。 除此以外，还有浙江大学、沈阳工业大学、哈尔滨科技大学、内蒙古工学院、 合肥工业大学、北京科技大学等f 5 7 枷l 也进行了一系列数值模拟技术的基础性研 究，并将研究成果与实际生产相结合，真正作到理论与实际相结合。 1 4 3 热处理数值模拟技术存在的难点和不足 热处理过程数值模拟技术近年来取得了长足的进展，显示了巨大的优越性， 但它仍处于发展阶段，许多重要问题有待于进一步研究，它的潜力还没有真正发 挥出来【6 引。他们都存在着一定的不足，主要表现为： 1 模型难以定量描述现象 在组织模拟过程中，即使存在相应的相变动力学模型( 包括材料形核和长大 模型) ，由于相变本身的复杂性，这些模型还不足以精确的反映相变的进程。 7 2 应力对形核率的影响难以表达 在应力作用下，钢铁的扩散相变特别是珠光体相变的形核率会大大增加，但 到目前为止，应力对相变动力学的作用还难以从微观层次上解决。 3 材料参数不完整 材料热物性、力学性能等参数的不完整也是制约热处理模拟技术发展的关键 问题之一。许多常用的金属材料在各种温度下的物性参数残缺不全，各种材料在 不同介质中物性参数往往不具有普适性规律，处理方法的选择具有相当的随机性 和任意性。研究各种物性参数的测定方法，建立物性参数于材料成分与温度间关 系的回归公式已成为计算机模拟技术发展中的当务之急。 4 相变塑性理论还未成熟 相变塑性是材料在相变时发生于低应力水平下的塑性变形。虽然目前已有几 种理论模型，但由于相变塑性实际是几种物理机制同时作用的结果，一种模型难 以反映实验结果。 5 表面换热系数的测算不精确 换热系数是温度场计算中最为重要的非线性边界条件。虽然用集中热容法或 反传热法可以粗略估计工件表明换热的大小，但目前为止，换热系数的测算也仅 局限于二维的简单表面，而且存在较大误差，对于复杂的三维表面换热系数测算， 目前无论从计算方法和实验手段上都还存在困难。 1 5 本课题意义、来源及研究目的 铝是仅次于钢铁，具有广泛用途的金属材料。目前，世界铝的进出口贸易量 约占原铝产量的4 5 ，世界主要铝业公司均己实现了国际化生产和经营，并已进 入中国市场。中国加入w t o 后，廉价的劳动力市场、巨大的消费市场和宽松的 投资环境将使中国越来越成为主要的产品加工基地。铝加工市场可预见的增量主 要有以下几个方面：装饰铝材在建筑行业的应用会更加普及；汽车热交换器的铝 化率不断提高；电解电容器近几年保持3 0 的年增长率，电解电容器用铝还会 快速增加1 6 5 1 。中国已经成为世界的主要空调器生产基地，空调器产量还会保持 快速增长，空调铝材需求量会稳步增长。根据统计，目前中国用于生活消费的铝 箔占总量的2 5 左右，主要用于香烟包装，而糖果、饮料、食品和日用消费品 包装所用的铝箔只占总量的7 左右【矧。同时期，同本的烟箔消费只占2 1 ， 而用于其它生活消费的铝箔占总量的7 0 以上，消费比例是中国的1 0 倍1 67 。从 这种意义上，中国生活消费用铝箔市场才刚刚起步。面对一个有1 3 亿人口的消 费市场，铝箔消费的普及将会产生巨大的市场空间。 铝加工中，成品、半成品般情况下都要经过退火处理以增加其性能( 抗拉 8 强度、延展性等) 。退火炉用于铝材的中间及成品退火。随着铝加工技术的发展， 铝材产品的规格和产量都在不断地增加，在保证退火产品力学性能和组织结构符 合产品标准要求的条件下，如何提高退火炉的设备性能指标，降低能耗引起了广 泛的重视。近二三十年来，一些工业发达国家从热处理炉结构、热源、温控系统 以及退火工艺等【诼7 0 】方面进行了大量的研究工作；开发了许多新产品，如高温轴 流通风机，卡口式加热元件等等。在提高产品的加热速度、改善炉温均匀性、提 高退火产品质量、降低能耗和提高退火炉的综合技术性能等方面获得了很好的效 果【7 1 - 7 3 1 。 铝箔经过合理的热处理可以获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。 高质量的铝材力学性能不仅与材料有关，而且还与热处理工艺和热处理方法有 关。合理的热处理工艺会使铝材的性能提高3 0 4 0 ，其中退火是铝材热处理 工艺最重要的一个环节【_ 7 4 1 。利用计算机技术通过对铝材退火过程温度的检测和 分析，有效控制铝材退火时内外温差过大，缩短铝材退火温度平衡所需时间，从 而提高产品质量方面都有着重要的意义。 本课题来源于教育部铝合金强流变技术与装备工程中心开发项目：中南大学 与华西铝业合作项目，该项目总经费为1 2 0 万。虽然铝材退火炉生产在我国已经 是有比较成熟的技术，但在一些退火的加热方式、节能等方面还是存在弱点，本 文在研究铝卷退火过程中，参照国内外关于材料退火炉研究的基础上，且通过大 量文献查阅可知，目前国内没有资料在退火铝卷的温度场方面进行研究。而本文 借助前人的思路和知识，重点通过研究炉内铝卷温度分布来分析影响铝卷退火的 因素，并利用实验和实际生产工况相结合，对铝卷退火过程中两种加热方式进行 对比验证，目的是能得到一种更好的铝卷退火加热方式，从而达到节省能耗的最 终结果。 1 6 本论文的主要研究内容及介绍 l 、本文将在第一章概述国内外对退火炉，尤其是铝材退火炉的发展和研究状 况，指出了国内外学者针对退火炉所研究的不同侧重点，同时指出本文的研究对 象和研究目的； 2 、本文将在第二章简要介绍铝材生产和热处理工艺，以及退火炉内部结构，利 用测温仪得到铝卷实际退火过程的温度分布情况： 3 、本文将在第三章推导和建立铝卷退火数学模型，研究铝卷径向加热方式下的 接触热阻和热边界条件，并详细分析和求解了铝卷的对流换热系数，且对影响铝 卷径向导热因素进行简要阐述，为第四章模拟仿真奠定基础。 4 、本文将在第四章利用a n s y s 软件对两种加热方式下铝卷温度分布进行数值模 9 拟仿真，并详细分析了影响铝卷退火过程温度分布规律的因素，对两种加热方式 下铝卷温度分布进行了对比； 5 、本文将在第五章借助实验来模拟实际工况下铝材的退火过程，同时利用实验 过程来分析对比两种不同加热方式下的铝薄板退火，根据所得结果提出最优加热 方式。 6 、文章的最后将对本文所取得的成果进行详细的总结，并展望未来，指出本课 题有待进一步开展的研究工作。 本文总的分析思路按图卜l 的论述展开。 分析影响退火过程的因素，对端面加热和径向加热方式进行 比较 i i 根据实验对实际生产工况进行模拟，提出最优加热方式 图1 - 1 本文的研究思路 l o 第二章铝材退火过程温度的测定 2 1 铝材生产工艺及热处理炉简介 铝材生产工艺流程包括铸锭的熔铸和均匀化，板材的热轧和冷轧，中间退火， 箔材轧制，成品退火，二次加工等f 3 7 0 引。用热轧法生产箔材的传统工艺是：采用 半连续铸造法用铝熔体铸造成扁锭，经过热轧和冷轧轧制成0 4 - - - i m m 厚的板材， 作为铝箔或铝薄板毛料【3 引。将这种箔材毛料通过高于再结晶温度的退火后，置 于箔材轧机上经若干道次的冷轧轧制成铝箔或板材产品，其生产工艺流程见图 2 1 所示。 图2 - i 铝箔及板材生产工艺总流程 在铝材的生产过程中，退火是铝材加工工艺中重要的工序之一。而大部分铝 箔是软化退火后使用，对手双合# l n 铝箔或包装单张铝箔，软化退火不仅是为了 使铝箔完全再结晶，而且要完全除掉铝箔表面残油，使铝箔表面光亮平整并能自 由展开。通常，# l n 完的卷材应尽快分卷和退火，尽可能减少存放时间。高质量 的铝箔对退火温度有很高的要求，退火炉温度高于或低于退火工艺设定温度都会 造成材料性能下降，因此，高质量的铝箔和铝材对退火炉温度分布要求比较高。 所以，研究退火炉内流场及铝材内部温度场、应力场分布对生产高质量铝材是一 个很重要的课题。 4 0 吨铝卷材退火炉为强对流问歇箱式电阻加热炉，它以铝板材退火为主， 兼顾其它铝合金板带的退火处理，因此，对该退火炉设计提出了更为苛刻的要求。 退火炉炉膛分为三个区，即工作室。沿炉壁两侧并用不锈钢材料隔离的两个空间 为加热室，即加热管安装的区间。炉壁保温材料选用硅酸铝耐火纤维毡，整个退 火炉设备由箱式炉体、导流装置、循环系统、排烟系统、加热元件、炉门、炉门 升降机构及其压紧装置、炉门密封、冷却水系统等组成，其内部结构简图如图 l _龠 f8i ；j8 ul3lf ：l 1 i i 。i i硎 * f 擀li 晤扩1 一h f 串精+ + 1 ，i ：i 妪 ；h + ，i 一 l 世剀k 去i l ，7 ；一 杉弋瞥铲泐翳， 霄 - i u u ! 。 i 1 i r li 3 l l 二二jl 、1 f i 二j 咀 垦 fl ，一二i 。l斗、 一 、) 厂、| 】 一 厂、 ，士1| l 父 b 支il1 翕 苫k 萎八捌 乒 i j 丰 一一， h川川卜|吝 l 山 一 一 川 j _uu_ 土l i j 一 旧l 1ii 州 l 图2 2退火炉炉体内部结构示意图 1 箱式炉体2 空气循环系统3 导流装置 4 吹洗和排气系统5 卡口式加热器6 炉门升降机构 2 2 所示。循环系统采用低压大风量轴流风机，使炉内热风在导流装置的作用下 定向循环，同时增强了炉内的对流换热，提高炉内温度上升速度，也使得炉内温 度均匀。 铝材退火炉炉内的主要传热形式如图2 3 所示，炉内的传热包括加热器对炉 膛内空气的加热，空气与铝卷的对流换热和铝卷内部传热，炉壁对铝卷的辐射换 热。在加热阶段，炉内的传热主要是加热器对炉膛炉内空气加热后，空气间的对 流换热以及循环风机对热风的循环利用和炉壁的导热。与此同时，吹洗风机吹入 新鲜空气使炉内产生正压由排烟管道来排除制品在加热时产生的轧制油等挥发 物，并且改善炉内温度均匀性。在退火炉保温和冷却阶段，加热器低功率加热。 此时炉膛内以辐射换热为主，炉内高温气体与铝材间辐射传热，从而热量达到平 衡。当铝卷达到规定的出炉温度时，整个退火过程结束。 1 2 循环风机 图2 3 铝材退火过程传热结构示意图 2 2 温度场测试目的 1 、炉膛温度场测试 首先通过对空炉( 即炉内没有铝卷) 进行阶段性烘炉试验，目的是排除炉内水 份，清除炉内残留的液体杂质。同时利用图2 - 9 - 所示料架装置置于炉内进行炉膛 内温度均匀性测试，以达到检测炉膛内各个位置温度是否均匀。测试结果见表 2 3 所示。 2 、炉内铝卷温度场测试 ( 1 ) 通过测试炉内铝卷退火温度，得到第一手数据，从而为本文下一步研究提 供试验支持； ( 3 ) 对铝卷各个设定点所测得的温度进行比较，进而较核热电偶测温的可靠性； ( 4 ) 为制订铝材退火适宜的加热、保温时间，加热温度等热处理参数提供参考； ( 5 ) 利用所测得数据和仿真结果来分析铝卷温度场分布规律，从而为实际工业 生产提供理论依据。 2 3 温度测试原理 目前常用的温度测量方法主要为非接触式和接触式两种。使用的测温传感器 品种很多，如红外测温传感器、热电偶、核磁共振温度检测仪、热噪声温度检测 题堂位论塞筮兰童垡挝堡么过摧温廑的捌定 仪和晶体管、集成电路温度检测仪等1 7 6 j 。 f j 于本实验要求一j 时测量铝板卷表面 以及j 枣部的温度场，因而同时采用接触式的热电偶补偿导线和非接触的棒式热电 偶( 长度约1 5 米) 分别测量炉内锅材整体温度和热气流的温度，此热气流温度即 为铝材外表面的温度值。利用英华达测温仪通道数目，我们在料架上制定了8 个不同高度、不同区问的点，这8 个点代表炉膛内加热的典型区域。同时，也是 4 个铝卷芯部和表面所对应的区域点。 对丁一些材料的温度测试，一般来说，选用较为普通的热电偶即可以达到要 求。，相对j i 华西锅业公司的锚材退火炉米晚，炉膛气体和铝卷温度的测试是一种 较为精确的测量。因此，按照公司要求炉内各个加热区热气流的温差必须在lo c 范吲内，炉内铝卷各个测点的温差必须在_ s o c 范罔内。鉴于上述要求，我们在 测量炉膛热气流温度时，选择棒式热电偶，这样能达到温度精度要求。但炉内铝 卷是个固体的温度测量，使用棒式热电偶无法实现，且棒式热电偶终端无法与测 温仪连接。此时，我们综合实际工况和测温精度要求，选择k 型铠装带补偿功能 的热电偶，且该型号热电偶具有远距离感应高温的功能，同时补偿由于远距离连 接导致的温度误差。所测的铝卷各点温度数值显示在测温仪上如图2 4 所示： 棒图 数宁幽 2 。4 温度测试工况 刈w ：恸 ”i 数。：锻；“；笔”；嚣。“ 曲线图 图2 - 4 数据图示界面 网矧 小研究测试过程是铝材在正式退火加热以及保温过程丁况下进行近距离测虽 温度，炉膛内外温度初始时相筹3 。c 左右，炉膛内部温度为3 2 。c 。炉膛内铝材 试样的尺、j 如下： 1 4 表2 1 测温铝材试样的尺寸 新设计的退火炉在研制完毕后，必须对其烘炉实验，将炉子内部的水蒸气以 及油污等废品清除干净，以防对成品铝材退火产生影响。由中南大学神润科技公 司研制的4 0 吨铝材退火炉，其主要技术参数见表2 2 表2 2 退火炉主要技术参数 2 5 温度测试过程 将铝材以及料架放入炉膛正中央，待放稳落实后料车方可缓慢驶出炉膛。铝 卷层与层之间选择几个有代表性的地方将热电偶放入以便测温使用。热电偶另一 端接入无纸测温记录仪的通道中，只要炉子加热升温，测温仪便能感应出温度值。 以下图2 - 5 为热电偶的测试原理图。 图2 - 5 热电偶测试原理 2 6 铝卷温度测试分析 2 6 1 铝卷温度测试前的检测 退火炉在安装调试过程中，必须对其进行j 下式生产前的预备检测工作，查看 亟：堂位论塞筮三三童垡挝丝么过攫湿廑的测定 退火炉侄规定的退火， 艺要求下能否实 j 二自动智能化的生产。而1 0 吨铝材退火 炉伍设计安装完成时，山于人为及自然室温环境等因素影响，炉膛内难免存在诸 多各种零废件残余物和杂质水分。冈此，我们在测试炉内温度场分柿均匀性问题 图2 - 6 温度测点位置示意图 的同时，对炉内水份进行排除。如图2 - 6 所示，我们对料架上不同位置的8 个点 i 荭彳测帚。此测量是为下一步的铝卷温度测试做准备。按其公司要求所设置的检 测炉温的路线：升温一保温一升温一保温一升温一降温过程，炉内加热器全功率 加热和低功率加热都是检测的要点。同时，我们还可以检测到退火炉外表面炉壁 温度( 公司要求多点所测到温度平均值在3 4 。c 左右) 以及炉门的密封性问题。 2 6 2 铝卷温度实际测试 铝卷温度测试是本文研究的重点，由于在铝卷温度测试前必须经过2 5 2 节 的烘炉试验的测试。在锚卷温度测试时，必须极力做好保温措施，热电偶终端与 锚卷表层要很好的接触。在测试过程中退火炉不能中途停止运行，且热电偶和测 温仪不能断歼。对于图2 7 所示四个锚卷的八个测温点进