双辊铝带铸轧机冷却能力的设计分析

第４４卷第３期　有色金属加工　ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ　ＭＥＴＡＬＳ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ　ＶＯ１．４４　ＮＯ．３　２０１５年６月　Ｊｕｎｅ　２０１５　双辊铝带铸轧机冷却能力的设计分析　欧阳向荣　，易幼平　（１．中南大学，湖南长沙４１００００；２．中色科技股份有限公司，河南洛阳４７１０３９）　摘要：应用流体力学及传热学公式，结合铸轧现场实际生产测试数据，对铸轧辊的冷却强度、冷却水量进行近似计算，　给出了冷却水管道结构及各管路直径、冷却水槽大小及圈数设计依据，为同类铸轧机轧辊冷却设计提供参考和借鉴。　关键词：双辊铝带铸轧机；铸轧冷却强度；冷却水槽　中图分类号：ＴＧ２４９．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—６７９５（２０１５）０３—００４８—０３　随着现代化铝加工业日益扩大产能的要求，对铸　轧机组速度的要求也随之提高。影响铸轧机速度的　因素包括铸轧合金成分、铸轧区长度、铝液浇铸温度、　然对流传热来计算。　＝Ａｈ（　一　），Ｗ　式中，Ａ一轧辊表面散热面积，ｍ　；　轧辊冷却强度等，其中轧辊冷却强度的大小直接影响　铸轧速度。高温液态金属进入两个旋转的轧辊辊缝　ｈ一轧辊表面的换热系数，ｗ／（ｍ　・℃）；　一轧辊表面平均温度，℃；　空气温度，℃。　之问，由液态变为固态需要带走大量热量，这些热量　主要由闭路循环水系统供人到轧辊内的冷却水带走。　轧辊的冷却强度越大，铸轧机速度就可以越快。　本文结合我公司设计的铸轧机组中铸轧辊现场　一轧辊表面的换热系数ｈ与格拉晓芙数Ｇ　、普朗特　数Ｐ　及空气的导热率Ａ有关：　ｈ＝Ｃ　ＴＩＩ．（Ｐ，Ｇ　）　的实测数据，对轧辊冷却强度及内部水槽的结构设计　进行分析，以便为后续设计提供参考。　式中，Ｐ　一由空气的等压比热容、动力粘度和导　热率求得，对于气体一般取值范围为０．６～０．８，这里　可取０．７；　１　轧辊冷却强度设计计算　１．１　单位时间铝液冷却交换热量　Ａ一空气盹　率，查物Ｉ生　表取Ｑ０２５７ｗ／（ｍ・ｋ）；　ｆ一轧辊辊身长度，ｍ；　Ｇ　：Ａｔｄ３．；　ｌ：［ｃ　（　一　）＋ｃ　（　一　）＋ｅ１］ｒ／×１０。×　１０一．ｋＪ／ｈ　式中，Ｃｙ一铝液的比热容，可取１．２９ｋＪ／　（　・℃）；　ｃ　一固态铝的比热容，可取１．Ｏ１ｋＪ／　（ｋｇ・℃）；　式中，口一体积变化系数，等于绝对温度的倒数，　约为２．６×１０～；　ｇ一重力加速度，９．８１ｍ／ｓ　；　△　一轧辊表面与空气温度差，℃，可近似　取１６５℃；　一ｅｌ一铝的熔化潜热（质量能），可取　３８９．４ｋＪ／ｋｇ；　铸嘴中流出金属液的温度，℃；　铝的熔点，可取６５８℃；　固态铝带坯的温度，ｏＣ；　ｄ一轧辊直径，ｍ；　一一空气的运　瘦，可取　Ｘ　１０　Ｈｌ２／ｓ。　一通过计算，Ｇ　×Ｐ　＞１０　，此处的散热为紊流，查　典型自然对流传热常数表，得Ｃ＝０．１３，１３．：１／３。　１．２冷却水需带走的热量　＝　１一　２　叼一铸轧机的生产能力，ｔ／ｈ。　１．２铸轧辊在空气中散发的热量　铸轧辊暴露在空气中，其散发的热量可按空气自　收稿日期：２０１５—０１—０９　作者简介：欧阳向荣（１９７０一），女，高级工程师，主要从事有色金属设备设计工作。　第３期　有色金属Ｊｊｎ－ｒ　４９　通过计算表明，铝液冷却的热量主要由冷却水带　走，由空气带走的热量约占轧辊总散热量的３％～　５％。由此可知，轧辊水冷却的设计至关重要。　３．２主供水管直径　对于水冷系统，主供油管路流速一般设计选取　１．５～３ｍ／ｓ，在流量确定的情况下，流速越高，供水管　路直径越小。可根据选取的供水流量，并结合轧辊的　直径选取合适的供水管直径。　３．３主回水管直径　２冷却水流量Ｑ　Ｑ＝　／（Ｔ１一　）Ｃ　；式中，　为冷却水出口温　度，℃；　为冷却水人口温度，℃；Ｃ　为冷却水的比热　容，可取４．１９　ｋＪ／（　・℃）。　一原则上主回水管总截面与主供水管截面积保持　致，可略微有所差异。　由此可知，冷却水流量与出入水的温差有关，温　差每增加１℃，冷却水流量会相应减少。经实际生产　测试，冷却水温差为１—２℃。进入轧辊的冷却水温应　保持在１０—３０￣Ｃ，过高换热能力降低，过低易使铸轧　辊表面结露，其温度由闭路循环水系统控制。　３　冷却水管道结构及各管路直径设计　３．１冷却水管道结构　我公司常用的铸轧辊冷却水道设计形式见图１。　在轧辊长度方向上均布几十圈宽Ａ、深Ｂ的环形水　槽，每个水槽由三个圆周方向上均布的供水支路１供　水，同时由与供水支路错开一定角度的３个回水支路　２回水。主供水管３位于轧辊中心，与供水支路相通，　同样回水由回水支路流回主回水管４。此结构水道可　以使水套内表面与循环冷却水充分接触，温度分布均　匀，轧辊轴向温差小。　１一供水支路；２一回水支路；３一主供水管；４一主回水管　图１　Ｆｉｇ．１　４冷却水槽设计　冷却水槽的设计同样影响轧辊的换热能力。冷　却水由水泵通过闭路循环系统供人，应按照管内受迫　对流换热进行计算。　４．１水槽宽度、深度设计　为保证冷却效果，冷却水形式应为湍流，即应使　雷诺数Ｒ　＞１０　，一般冷却水支路的流速在１．０—　１．５ｍ／ｓ之间。Ｒ，表示流体惯性力和粘性力的相对大　小，其表达式为Ｒ　＝ｐｄ　；式中，Ｐ为水的密度，取　１０　ｋｇ／ｍ　；　为水的流速，ｍ／ｓ；ｄ为管道直径，ｍ；ＩＸ为　水的动力粘度，取１０　ｋｇ／（ｍ・ｓ）。不同流速下冷却　水槽直径如表１所示。　表１　Ｔａｂ．１　由此可得冷却水槽直径取值范围为８—１５ｍｍ，　一般取１０ｍｍ左右。对于铸ＳＬＳＬ辊，为便于冷却槽的　加工，其截面为矩形。此矩形截面可由当量直径ｄ代　替，ｄ：４（Ａ　／２（Ａ＋Ｂ）；式中，Ａ为水槽宽度，ｍｍ，Ｂ　为水槽深度，ｍｍ。常用两种规格直径轧辊对应的冷　却槽宽度、深度如表２所示。　表２　Ｔａｈ．２　４．２水槽圈数设计　铸轧辊与辊套接触表面沿轧辊长度方向均布很　多环形水槽，如果能够计算每个环形水槽内冷却水可　有色金属加工　第４４卷　带走的热量，即可得出冷却水槽圈数。　水槽内冷却水的换热系数，　单个水槽内冷却水的换热量，　＝ｈ　△ＴＳ　；式　中，ＡＴ为冷却水入口与辊套内壁温差，℃，辊套内壁　ｈ　：号　，ｗ／（ｍ　・ｋ）　式中，入为水的热导率，常温下取Ｑ　５８ｗ／ｍ・ｋ）；ｄ为　水槽的当量直径，ｍ；Ⅳ　为努赛尔数，按照管遭内强迫　对流湍流换热公式，　温度约为４０ｏＣ；Ｓｗ为单个水槽的表面积，ｎｌ　。　水槽圈数，ｎ＝ｑｂ／ｑｂ　。　５　结束语　通过对双辊式铝带铸轧机轧制过程中所需冷却　热量以及轧辊换热冷却能力的计算，结合我公司常用　Ｎ．ｆ＝０．０２３Ｒ￣‘　Ｐｒｏ・　［１＋１０．３（詈）　］　式中，Ｐ，为由水的等压比热容、动力粘度和导热　铸轧辊水道结构进行分析，给出了供水管路、回水管　率求得，常温下约为７；　为沿轧辊圆周水槽中心半　路及冷却水槽的设计计算方法，为指导今后同类或其　径．Ｉｎｏ　它结构的铸轧辊优化设计提供一定的理论依据。　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｗｉｎ　Ｒｏｌｌ　Ｃａｓｔｅｒ　ｆｏｒ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｌｌｏｙ　Ｓｔｒｉｐｓ　ＯＵＹＡＮＧ　Ｘｉａｎｇｒｏｎｇ　．ＹＩ　Ｙｏｕｐｉｎｇ　（１．Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔｌａｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｒｏｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｏｎ　ｓｉｔｅ；ｉｔ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｔａｎｋ，ｔｈｅｒｅｂｙ　ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｃａｓｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｗｉｎ　ｒｏｌｌ　ｃａｓｔｅｒ　ｆｏｒ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｓｔｒｉｐｓ；ｃｏｏｌｉｎｇ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｃｏｏｌｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｔａｎｋ　（上接第４７页）　３　结束语　用起一定的参考作用。　二次缝合机属于板带材精整设备技术领域，主要　参考文献　应用于有色金属拉弯矫直机组、连续退火线机组、清　［１］侯定坤．带材缝合机的缝合力计算．有色金属加工［Ｊ］．有色金属加　洗机组等。考虑到经济性，一般机组多采用单次缝　工，２００３（５）：４５—４７．　合，但缝合段被拉断的风险较大，而连续生产机组对　［２］吴诗淳．冲压工艺学［Ｍ］．西安．西北工业大学出版社，１９８７．　［３］王祝堂．田荣璋．铝合金及其加工手册［Ｍ］．长沙．中南大学出版　该设备的可靠性要求更强，所以二次缝合机是更优的　社，２００２．　选择。　［４］周国盈．带钢精整设备［Ｍ］．北京．机械工业出版社，１９７９．　本文对二次缝合机的设计目的、结构特点、工艺　流程及实际应用做了简要阐述，为今后对该机型的选　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｒｏｗ　Ｓｔｒｉｐ　Ｊｏｉｎｅｒ　ＹＡＮＧ　Ｘｉａ　（Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｌｏｗ　ｆｏｒ　ｄｏｕｂｌｅ　ｒｏｗ　ｓｔｒｉｐ　ｊｏｉｎｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ　ｒｏｗ　ｓｔｒｉｐ　ｊｏｉｎｅｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｌｏｗ