薄带铸轧卷取机内水冷卷筒扇形板及大柱塞温度场模拟

米 楠

(中冶京诚工程技术有限公司 北京 100176)

1 前言

热轧卷取机，尤其是薄带铸轧卷取，往往卷取时间较长，扇形板及内部零件往往需要长时间工作在高温下，工作过程中交替承受急冷急热，以及频繁冲击，工作一段时间后容易出现裂纹或开裂等失效[1][2]，并且内部零件也会由于传导热加剧自身的磨损和密封的失效，最终影响卷筒整体寿命。

本文采用有限元法，对薄带铸轧卷取机内水冷卷筒的扇形板及大柱塞温度场进行数值模拟[3]。为后续卷筒的应力分析及零部件设计和优化提供依据。

2 内水冷卷筒工作原理及工况分析

2.1 卷筒工作原理

卷筒采用斜楔柱塞式结构，主要由主轴、楔形轴、扇形板、大柱塞、小柱塞和延伸轴组成。通过楔形轴的轴向运动，带动大、小柱塞做轴向运动，进而推、拉动扇形板做胀缩运动。机械结构如图1所示。

2.2 工况分析

薄带铸轧卷取机按照周期工作制工作，卷取可分为卷取、卸卷和冷却待卷3个阶段。卷取阶段，扇形板直接接触带材，带材平均温度达到680℃，卷取完成后，卷筒缩径，卸卷。此时卷筒保留于空气中，系统在待卷阶段的某个时刻由外冷水对卷筒进行冷却。

图1 内水冷卷筒机械结构剖视图1-主轴;2-楔形轴;3-扇形板;4-大柱塞;5-小柱塞;6-延伸轴

对于薄带铸轧卷取由于卷取时间长，为保证各零部件的正常工作并改善其工作环境，需要增加卷筒内冷却功能，卷取过程中，内冷水通过主轴尾端细长孔导入，通过主轴与扇形板接触段上的小孔导出，用来冷却扇形板和大、小柱塞，这将极大的改善扇形板和大、小柱塞的工作环境，再配合待卷冷却阶段的外冷水，可有效的延长扇形板和内部零件的使用寿命。

3 温度场模拟

3.1 有限元模型

热轧卷取过程，以钢卷、扇形板及大柱塞为分析对象，建立有限元模型如图2所示。扇形板依靠大柱塞支撑，但相邻的两块扇形板的支撑位置相互错开，支撑状态不同，故选取整个卷筒的1/4用来进行模拟。小柱塞在卷取过程中不起主要支撑作用，为简化计算，省略小柱塞，其不作为模拟参与件。

图2 卷筒有限元模型

3.2 模拟参数的确定及模拟过程

热轧薄带卷取机卷筒主要模拟参与件的性能参数如表1所示。

表1 传热模拟参与件基本性能参数

本模拟的热交换边界条件主要为：钢卷暴露在空气中的部分，与周围环境进行对流换热及辐射换热，h=100W/m2K；钢卷内孔与扇形板进行传导换热，h=2×104W/m2K；扇形板与大柱塞进行传导换热，其与接触压力存在函数关系，h=6.5×104W/m2K[4]；扇形板与大柱塞的上半部分处于浸水状态，二者与内冷水进行对流换热，由经验公式算得h=0.7×104W/m2K[5]：扇形板外表面未接触钢卷部分与周围环境进行对流换热，h=30W/m2K。卷取持续时间1000s。带钢整体温度680℃，内冷水温30℃，环境温度25℃。

3.3 扇形板模拟结果分析

由温度场模拟结果可以看出，扇形板在工作过程中处于复杂的传热条件中，温度变化剧烈，内、外温度分布不均匀，会产生较大的热应力。

图3 扇形板外表面温度场分布

图4 扇形板内表面温度场分布

图5 扇形板断面分度场分布

由图3所示，经过1000s的时间，扇形板中部弧面温度最高达到了278℃，由于内水冷的作用，沿中心高温区呈近椭圆形扩散分布的温度场，至搭接齿处温度基本处于130℃左右。

扇形板内部温度上限值较低，为更好的显示温度分布情况，将图例上限调整为105℃，结果如图4所示，由于内水冷的作用，扇形板内表面温度浸水部分温度基本低于57℃，能够保证较好的工作条件。

扇形板内表面与大柱塞接触的几个位置由于换热条件不好，在接触面容易产生积热，温度较高，平均达到74℃左右，符合材料使用的容许范围。四个大柱塞形成的积热区相互串联，也就导致了图3中扇形板中部弧面温度较高的出现。

搭接齿处温度较高，主要是由于此处外部包裹钢卷，齿间隙中的冷却水流动条件差，需要在转动下才能进行大范围的流动，故热量不易带走，易形成高温区。

由图5所示，扇形板在径向断面上的温度分布也很不均匀，外表面与内表面有接近200℃的温度差，将会产生较大的热应力和热变形。

3.4 大柱塞模拟结果分析

大柱塞的上表面与扇形板的内表面之间存在接触热传导，其本身的一部分还要与内冷水进行对流传热，其温度场分布如图6所示。

实际生产中，大柱塞的中部环槽内会安装一套金属密封环，密封环以上的大柱塞外表面处于浸水状态，密封环以下部分处于浸油状态。在卷取压力的作用下，大柱塞顶面与扇形板内面接触，不能接触到冷却水，且由于接触压力和工作条件的影响，容易产生积热。此处大柱塞选用铜材质，由于铜材质本身具有较好的耐磨性和导热性，可有效的耗散接触面的积热，改善整体工作条件。如图6所示，其顶部中心区域温度为77℃，沿整个实体阶梯状分布。整体温度都在容许范围内，这样就有效的保护了主轴内部零件及整个系统的密封。

图6 大柱塞温度场分布

4 结束语

应用非线性有限元法建立三维传热有限元模型，运用该模型对薄带铸轧卷取机内水冷卷筒的扇形板及大柱塞进行了数值模拟，得到了二者温度场的分布规律。为后续热应力、卷取应力场及整个卷筒的设计提供了依据。