双辊铸轧三维冷却系统流热耦合温度场研究

廉法博，刘 超，杨 建，高明昕，宋 华

(1.辽宁科技大学 机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051；2.江苏省如高高压电器有限公司，江苏 如皋 226500；3.辽宁科技大学 工程训练中心，辽宁 鞍山 114051)

0 前言

熔融态的金属液浇注到两个旋转的铸轧辊之间，凝固的过程中需要释放大量的热量，这些热量主要由辊芯内的冷却水带走，而冷却水的温度变化直接影响着铸轧辊的冷却效果，从而影响成品铸坯的质量，因此对辊芯内冷却水温度场的分布规律进行更深入的研究是有实际意义的，国内外对于双辊铸轧方向已进行了较深入的研究，但对于辊芯内部冷却水温度场的变化分布却研究甚少。文献[1-2]建立了双辊铸轧有限元模型，得出不同冷却水温度对铸轧辊温度场的影响，但建立的是二维有限元模型,不能真实反映实际铸轧生产过程中温度变化情况。因此本文基于铸轧辊旋转效应，采用ANSYS CFX软件建立辊套与冷却水系统三维流热耦合有限元模型，结合流体能量控制方程，采用标准k-ε湍流模型，对铸轧辊内部冷却水温度场进行了精确模拟，得到了冷却水在进出水管道中温度变化分布情况，该研究为辊芯冷却结构设计和优化提供了一定的理论参考依据。

1 三维模型建立

辊套尺寸为：外径650 mm，内径600 mm，宽度300 mm，厚度25 mm。由于冷却水对辊套的冷却强度受辊芯结构形式的影响很大，考虑到机械加工、冷却能力等因素，采用矩形沟槽、井字形结构。取辊芯冷却水进水口直径为220 mm，冷却水出水口直径取110 mm，冷却水水槽宽度和深度尺寸的选择主要考虑保证冷却效果，冷却水形式应为湍流，设定水槽宽为20 mm，深度为15 mm，进水支路和出水支路孔直径均为20 mm。由于冷却水壁面边界层内的法向速度与温度梯度较大，壁面附近是流动阻力和热流的密集区域，因此壁面附近的网格对于流动传热过程至关重要。所以在划分网格时对冷却水壁面采用边界层网格，即四面体网格形式，壁面附近采用边界层网格，有利于计算结果的精确性，建立辊芯的三维结构如图1所示，三维模型及网格划分如图2所示。

图1 辊芯三维结构图

图2 冷却水网格模型

对冷却水温度场进行仿真分析时，将所有的物理现象都加入到数学模型中是不切实际的，为了简化模型，仿真作如下假设：

(1)由于模型沿熔池中心面成对称分布，所以简化为二分之一模型可大大减少计算量，节约分析时间；

(2)冷却水视为不可压缩的牛顿流体；

(3)忽略冷却水重力的作用，且不考虑冷却水流动带来的能量损失；

(4)冷却水在稳定状态下流动，即经短暂的过渡流动达到稳态流动。

冷却水仿真边界条件，主要包括入口边界条件、出口边界条件及壁面边界条件。冷却水与辊套对流换热系数主要根据文献[3]选取，选取边界条件及初始条件参数如表1所示。

表1 边界条件及初始条件参数

2 冷却水仿真结果分析

图3为铸轧稳定后辊芯冷却水整体温度分布图。

图3 冷却水温度分布图

由图3可以看出冷却水在进水管中温度分布较均匀，没有明显的波动，而四个出水管中冷却水温度均有不同程度的升高，其中最高温度出现在右下角，最低温度出现在左上角，这主要是由于出水口距离熔池越近，其内部冷却水带走的热量越多，温度越高。而且四个出水管冷却水温度均呈现不均匀分布，这主要是由铸轧辊旋转引起的，符合真实的双辊铸轧生产过程。

由于进水管中冷却水温度分布均匀，而出水管中冷却水呈现不规则分布，因此主要分析出水口管道内冷却水温度的变化情况，选择右上角出水口1所在的出水管道，分别取出水管道中心线位置、偏向铸轧辊中心方向偏离出水口中心线7 mm、14 mm、21 mm处以及远离铸轧辊中心偏离出水口中心线7 mm、14 mm、21 mm处(如图4位置5和位置9～14所示)对出水管道内冷却水温度进行分析。上述七条线位置的温度曲线分布如图5所示。

图4 冷却水分析位置示意图

图5 位置1出水管道轴向温度分布曲线

由图5可以看出七条曲线的变化趋势基本一致，距离辊中心由近到远温度波动逐渐变大，最高温度与最低温度均出现在标记14处，其中最高温度为298.83 K，最低温度为298.69 K，温度差小于0.2 K，说明出水管道中的冷却水沿轴向方向的温度波动很小。沿径向方向越靠近铸轧辊中心位置冷却水温度越低，但在支路进入出水管道处规律正好相反，这是由于在此处冷却水速度较大，导致冷却强度增强。

4 结束语

(1)基于铸轧辊旋转影响，采用ANSYS CFX软件建立铸轧辊套与冷却水系统整体传热的三维流热耦合有限元模型。

(2)冷却水在进水管中温度分布均匀，没有明显的波动，四个出水管中冷却水温度均有不同程度的升高，最高温度出现在右下角靠近熔融金属液位置。

(3)由于铸轧辊的转动作用，四个出水管中的冷却水温度均呈现不规则分布状态，符合实际双辊铸轧生产情况。

(4)出水管道中温度曲线变化趋势基本一致，距离辊中心由近向远温度波动逐渐变大，其中最高温度与最低温度均出现在距离辊芯最远处，出水管道中沿径向方向越靠近铸轧辊中心的冷却水温度越低。

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