铜辊套对铝带双辊铸轧速度提升的量化研究_赵日东.pdf

第 47 卷 第 1 期燕山大学学报Vol.47 No.12023 年 1 月Journal of Yanshan UniversityJan 2023文章编号:1007-791X(2023)01-0020-08铜辊套对铝带双辊铸轧速度提升的量化研究赵日东1，2，黄华贵1，2，*，冯淼1，2，孙静娜1，2，袁喜利3，宋建民3(1燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004;2燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004;3涿神有色金属加工专用设备有限公司，河北 保定 072750)收稿日期:2022-06-10责任编辑:温茂森基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974278);河北省自然科学基金杰出青年基金资助项目(E2018203446)作者简介:赵日东(1994-)，男，河北邢台人，博士研究生，主要研究方向为双辊铸轧成形工艺;*通信作者:黄华贵(1978-)，男，福建福安人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为双辊铸轧成形技术，Email:hhg ysueducn。摘要:双辊铸轧工艺是一种短流程、高效、低能耗的近终成形工艺。但较低的铸轧速度成为制约提高铸轧工艺生产效率的关键因素。基于此，使用换热效率更高的铜辊套成为提高铸轧工艺生产效率的研究热点。本文通过数值模拟与实验，探究了铜辊套与钢辊套分别能够达到的最快铸轧速度，量化铜辊套对铸轧速度的提升效果。模拟结果与实验结果均表明，基于本实验平台，稳定铸轧时，铜辊套的最快铸轧速度可达到 10 m/min，是钢辊套的25 倍。最后建立了双辊铸轧稳态的热阻模型，通过计算得到，在相同条件下，铜辊套的热流量是钢辊套的 48 倍。上述研究结果能够为工业化铸轧机提速改造提供理论依据和指导。关键词:双辊铸轧;铜辊套;钢辊套;铸轧速度;传热热阻中图分类号:TG355文献标识码:ADOI:103969/jissn1007-791X2023010020引言双辊铸轧是一种短流程的近终成形工艺 1，它集快速凝固和热轧为一体，具有生产率高、能耗低、生产成本低等优点。在双碳背景下，节能减排成为社会和行业的共识，双辊铸轧以其独特的优势，已成为推动冶金行业绿色化的热点 2-3。目前，铝带双辊铸轧技术的工业应用已非常普遍，我国拥有上百条双辊连续铸轧生产线，为锂电池、印刷、包装、电子等行业发展做出了重要贡献。然而，与传统轧制生产工艺相比，仍存在铸轧速度低、可生产的合金牌号少等问题，在一定程度上影响了生产效率。为了提高铸轧速度，国内外学者进行了多方面的研究，其中采用换热效率更高的铜辊套受到业界普遍关注。Haga 4-6 改良并设计了新型高速铸轧机，其使用铜辊套提高热传递效率，铸轧速度高达 15 m/min，1000 铝合金工业生产速度达到 12 m/min，3003 铝合金工业生产速度达到 10 m/min。在国内，中南大学较早开展有关铜辊套方面的研究工作，包括 Cu-Be-Ni-Ti 合金(铍青铜)辊套研制、在实验室铸轧机(400 mm 500 mm)及华北铝业工业铸轧机(1 050 mm1 600 mm)上开展高速铸轧可行性验证等 7-8。王祝堂 9、李宪熙等人 10 对双辊铸轧铜辊套(钴青铜)进行了细致研究和总结，得出铜辊套的导热能力约为钢辊套的十倍，其铸轧产品更为致密、均匀。铜辊套在提升铸轧换热性能的同时也带来了其他问题。周耀邦等人 11 发现铝带在铜辊套铸轧过程中比在钢辊套铸轧过程中更容易发生粘辊现象。与此同时，目前铜辊套相比钢辊套对传热性能提升及铸轧速度提速的量化研究仍为空白，这使得铸轧机在设备能力改造时缺乏理论依据。为此，本文将数值模拟与实验验证相结合，探究铜辊套相对钢辊套对铸轧速度的提升能力，对比铜辊套与钢辊套对铸轧铝带表面质量、微观组织与力学性能的影响。并通过建立铝带双辊铸轧热阻模型，量化铜辊套相对钢辊套传热能力的提第 1 期赵日东 等铜辊套对铝带双辊铸轧速度提升的量化研究21升效果，为高速铸轧技术开发提供理论指导。1二维热流耦合模型为探究铜辊套与钢辊套铸轧能够达到的最快铸轧速度，基于 FLUENT 模拟软件，建立铸轧工艺的热流耦合模型。11基本假设在双辊铸轧实际生产中，铝液流动和传热行为较为复杂。为避免其他因素的干扰，简化数学模型，进行以下合理假设:1)铸轧区内铝液、铸轧辊沿板带宽度方向传热均匀，铸轧成形过程简化为二维传热问题;2)铝液在铸轧区内快速凝固，非牛顿流体的半固态金属存在时间较短，为简化计算，将铝液视为不可压缩的牛顿流体;3)铸轧辊在铸轧过程中弹性变形量相对铸轧区较小，可以忽略，因此假设铸轧辊为导热刚体，在铸轧过程中不发生弹性变形，并且做匀速转动;4)由于铸轧过程中，铝液的流动性较强，凝固壳与心部铝液之间的剪切强度较小，因此凝固壳与铸轧辊之间相对滑动量较小，故设耦合接触面无相对滑动;5)在铸轧区内，辐射换热的热流远小于接触换热热流，因此只考虑对流换热与热传导，忽略铸轧区辐射换热对温度场和流场的影响。12网格划分以双辊立式铸轧机为对象，为简化计算，建立1/2 对称网格模型，在 ICEM 中进行网格划分，如图 1 所示，网格模型包括右铸轧辊辊套与 1/2 铝液熔池，共2 个计算域。其中铸轧辊外径250 mm，辊套内径 190 mm，熔池高度 45 mm，铸轧区入口为5 mm，辊缝为 2 mm。为提高计算精度，对网格模型中熔池区域与右铸轧辊辊套部分区域进行网格加密。13材料参数本文使用纯铝作为铸轧对象，轧辊材料分别为 42CrMo 钢、铜，其热物性参数如表 1 所示。铝的凝固区间为 646657，凝固潜热为 3935 kJ/kg，液态的粘度为 0001 2 kg/(ms)12。图 1双辊铸轧工艺网格划分Fig1Mesh model of twin roll casting process表 1热物性参数Tab1Thermophysical parameters物理状态比热/(J/(kgK)密度/(kg/m3)热导率/(W/(mK)纯铝(液)1 0462 368907纯铝(固)1 1382 719218钢辊套5407 80045铜辊套3818 978387614初始条件及边界条件依据实际铸轧工艺，模型边界条件设置如下:1)熔池入口设为速度入口边界，具体表示为Vx=0，Vy=Vin，Tin=Tcast，式中:Vin为浇铸速度，可通过质量守恒定律计算得到;Tin为浇铸温度。2)熔池出口设为速度出口边界，由铸轧速度确定。3)铸轧辊的内表面，和冷却水发生对流换热，设为对流换热边界，计算公式为hw(T Tw)=kdTt，式中:hw为辊套内表面与冷却水间的对流换热系数，取 8 000 W/(m2K)13;Tw为冷却水温度，取为 25;kd为铸轧辊的导热系数。4)铸轧辊与铝液之间的界面设置为耦合壁面。从亚微观角度来看，界面并不是理想的接触，通常具有微尺度的间隙，增加传热阻力，称为接触热阻。界面接触热阻 c可表示为c=Tq=1hc=，其中:T 为温差;q 为热流密度;hc为界面换热系数;为空气间隙厚度;为空气导热系数，约为22燕山大学学报20230024 2 W/(mK)。通常，熔液与辊界面处的传热系数在 1015 kW/(m2K)范围 14，根据上式计算得到界面气隙厚度约为 2 m。5)铸轧辊套逆时针旋转，旋转角速度可由铸轧速度计算得到:=V/，其中，为铸轧辊套旋转角速度，V 为铸轧速度，为铸轧辊套外半径。2铸轧模拟结果Kiss 点是铸轧区凝固阶段与轧制阶段的分界点，其位置是铸轧工艺控制的关键。Kiss 点过高，则轧制阶段过长，易发生轧卡或打滑;Kiss 点过低，则轧制阶段过短或不存在轧制阶段，易导致液态金属未凝固而从辊缝流出，发生漏液。因此，在分析中，Kiss 点高于铸轧区出口可作为铸轧过程能否进行的标准。21钢辊套模拟结果钢辊套铸轧，当浇铸温度为 680，辊缝宽度为 2 mm，熔池高度为 45 mm，铸轧速度变化时，铸轧区温度场如图 2 所示。可以看出，当铸轧速度小于 6 m/min 时，Kiss 点高于铸轧区出口，板带出口温度低于 660，可以实现铝带的铸轧制备。当铸轧速度超过 6 m/min 时，由于铝液换热时间短、钢辊套换热能力弱导致铝液内热量无法及时被带走，在到达铸轧区出口前铝液来不及完全凝固，即 Kiss 点高度低于板带出口高度，铝带铸轧过程无法建立。图 2钢辊套铸轧温度场分布Fig2Temperature distribution of steel roll sleeve cast-rolling然而在实际铸轧过程中，由于铸轧区铝液凝固阶段冷却收缩，与铸轧辊接触界面气隙增加，实际换热系数仅为 48 kW/(m2K)15，小于设定值，而轧制阶段受轧制力压下，与铸轧辊接触界面气隙减小，实际换热系数可达20 kW/(m2K)，大于设定值。考虑换热边界条件影响，模拟所得Kiss 点略高于实际 Kiss 点高度。此外，为保证铝带铸轧产品质量，Kiss 点高度不应低于铸轧区高度 1/3，以保证足够长的轧制阶段能够实现铝带的塑性变形，消除快速凝固所带来的缺陷。因此，按Kiss 点位置不低于铸轧区高度 1/3 作为条件 16，则铸轧速度应小于 4 m/min。22铜辊套模拟结果铜辊套铸轧，当浇铸温度为 680，辊缝宽度为 2 mm，熔池高度为 45 mm，铸轧速度变化时，铸轧区温度场如图 3 所示。可以看出，由于铜辊套导热能力远强于钢辊套，当铸轧速度大于钢辊的最快铸轧速度，为 8 m/min 时，Kiss 点高度为2423 mm，可实现铝带的铸轧制备。当铸轧速度加快时，铜辊套铸轧区 Kiss 点高度不断下降，直至铸轧速度增大到 12 m/min 时，Kiss 点高度为1038mm，小于铸轧区熔池高度的 1/3。当铸轧速度增大至 13 m/min 时，Kiss 点低于出口高度，铸轧过程无法建立。因此为保证铸轧工艺的稳定性及铸轧产 品 的 质 量，铜 辊 套 的 最 高 铸 轧 速 度 约为10 m/min。图 3铜辊套铸轧温度场分布Fig3Temperature distribution of copper roll sleeve cast-rolling23铜辊套与钢辊套模拟结果对比对比钢辊套与铜辊套温度场(见图 4)可以发现，当铸轧速度均为 5 m/min 时，钢辊套铸轧 Kiss第 1 期赵日东 等铜辊套对铝带双辊铸轧速度提升的量化研究23点高度为 1159 mm，而铜辊套铸轧 Kiss 点高度为3537 mm。当铜辊套铸轧提速至 11 m/min 时，Kiss点高度为 1385 mm，仍高于钢辊套 5 m/min 铸轧时的 Kiss 点高度。从上述对比可以看出，由于铜辊套换热能力远高于钢辊套，增强了铝液的冷却效果，当铸轧速度相同时，Kiss 点高度大幅提升;当 Kiss点高度相近时，铸轧速度可提高 1 倍以上。图 4不同工况条件下温度场对比Fig4Comparison of temperature field betweendifferent manufacturing processes汇总不同铸轧速度条件下，铜辊套与钢辊套Kiss 点高度变化，如图 5 所示。可以看出，相同Kiss 点高度条件下，铜辊套铸轧速度明显更快。约为钢辊套铸轧速度的 25 倍。图 5Kiss 点高度与铸轧速度的关系曲线Fig5elation curve between Kiss pointheight and casting speed3双辊铸轧实验31钢辊套铸轧实验结果使用钢辊套在立式铸轧机上进行铸轧实验，当浇铸温度为 680，辊缝宽度为 2 mm，熔池高度为 45 mm，铸轧速度分别为 3 0 m/min、3 6m/min、42 m/min 时，结果如图 6 所示。当铸轧速度为 30 m/min、36 m/min 时，制备所得板带表面平整，无缺陷存在。当铸轧速度为 42 m/min 时出现部分漏液，表明 Kiss 点高度已接近临界值。当铸轧速度提高至 46 m/