汽车用5182铝合金双辊连续铸轧温度场模拟黄旭【摘要】采用有限体积法，建立了5182铝合金板材的双辊连续铸轧过程的铸轧区模型。
通过输出水口入口中心与板材出口中心连线上的等距离点的温度值来表述温度场分布，并分析形成原因。
文章考察了不同工况下影响铸轧连续性及成材性的重要因素：板材出口温度和液穴深度。
综合分析后得出不同工况下的最佳工艺参数。
【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】3页(P101-103)【关键词】双辊连续铸轧;5182铝合金;有限体积法;数值模拟【作者】黄旭【作者单位】辽宁机电职业技术学院，丹东 118000【正文语种】中文【中图分类】TG249.70 引言根据中国汽车协会报告显示，2015年1月汽车产销分别完成228.70万辆和231.96万辆，比上年同期分别增长11.5%和7.6%。
随着汽车产量与销量的增长，带来的环境污染问题成为人们必须正视的问题。
5182铝合金因其良好的成形性能、耐蚀性能及机械性能成为汽车板材的目标材料。
目前生产5182铝合金板带材主要以热轧生产为主，降低生产成本，保证生产质量是生产厂商所追求的目标[1,2]。
双辊连续铸轧工艺（Twin-roll Continuous Casting Process）因其流程短、效率高、能耗低成为铝合金板材生产的重要工艺，而热带、裂纹、缩孔等缺陷一直存在于双辊铸轧工艺所生产的板带材中，可见铸轧工艺参数对板材生产质量起着至关重要的作用[3～5]。
对铸轧区的凝固过程进行研究可找出板带材生产缺陷的原因，并能够优化工艺参数，避免缺陷产生。
本文以5182铝合金为材料，对铸轧过程进行建模，通过ANSYS软件，研究不同浇注温度、冷却条件及铸轧速度对铸轧区温度场分布的影响，并讨论形成原因，最终获得优化工艺参数。
图1 双辊连续铸轧过程1 数学建模1.1 求解方程整个双辊连续铸轧过程（如图1所示）虽为金属液由流槽进入水口，并经水口流入铸轧区后铸轧成板，但过程的核心部分就是铸轧区内金属流动及凝固过程。
所谓铸轧区，即由水口出口端到两轧辊中心线连续的距离，该区域由上下两个反向转动的轧辊和防止金属液向两侧无限制流淌的侧封组成。
铸轧区内金属流动及凝固过程涉及传热学、流体力学等学科知识，可由能量方程、流体动力学方程及连续性方程描述。
其中能量方程如式(1)所示，该方程为直角坐标系下的传热方程。
式中T为温度，τ为铸轧时间，ux、uy和uz分别为x、y和z方向上的速度分量，α为导热系数。
流体动力学方程本实验采用Navier-Stokes方程，其在直角坐标系下如式(2)～式(4)所示。
式中ρ为密度，r为运动粘度，X、Y、Z分别为作用于单位质量流体的体积力沿x、y、z方向的分量，其余各物理量同上。
假设5182铝合金液在铸轧区内为不可压缩、常物性流体的层流，其连续性方程可简化如式(5)所示。
式中ux、uy和uz含义同上。
1.2 边界条件本次模拟的铸轧机轧辊直径为Φ500mm×Φ500mm，水口入口宽度3mm，板材厚度5mm，铸轧区长度50mm，板材宽度250mm。
浇注温度为660℃、670℃、680℃、690℃和700℃，对应轧辊转速0.7m/min、1.0m/min和1.3m/min，并对应两种不同的冷却水通量，折合对流换热系数分别为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)。
1）速度入口边界条件水口入口处边界条件为速度入口条件，由于认为铝液为不可压缩牛顿流体，根据铸轧区体积不变原理进行对应铸轧速度的换算，得到浇注速度。
2）无热损边界条件水口和侧封采用硅酸铝材料制成，该材料热传导系数极小，认为铸轧区前端与水口接触面和铸轧区侧壁与侧封接触面为无热损面。
3）压力出口边界条件考虑到求解域中若定义两个速度边界条件易导致计算结果不收敛，因此定义板带材出口处为压力出口边界条件。
4）对流换热边界条件轧辊与铸轧区内金属液接触面为对流换热截面，满足式(6)条件。
式中h为等效换热系数，TAl和Twall分别为铝合金温度与轧辊表面温度。
由于铝液温度高于轧辊表面温度，因此对流热流密度为负值。
1.3 材料参数5182铝合金密度为2600Kg.m3，固、液相线分别为577℃和638℃。
由于铸轧过程涉及金属由液态向固态的转变，因此需对如比热、粘性系数、凝固潜热等物性参数进行处理，以得到较为精确的模拟结果。
根据相关文献[6,7]，本文采用热焓法求凝固潜热及比热，插值法求粘性系数。
所谓热焓法，即通过定义材料的焓随温度变化而计算凝固潜热，如式(7)所示。
式中，H即材料的焓，cP为材料比热，且为温度T的函数。
得到材料比热如表1所示。
表1 5182铝合金不同温度比热表温度/℃ 0 300 550 577 638 650 700比热/J (Kg·℃)-1 857 863 877 4728 4965 1532 1567金属由液态到固态可认为金属由极低的粘度值上升至极大，即在粘度前方乘以较大的系数。
现定义固态时粘度系数为1，液态下粘度系数为0.001，根据插值法求得金属粘度系数如表2所示。
表2 5182铝合金不同温度粘性系数表温度(℃) 0 577 600 620 638 700粘性系数 1 1 0.623 0.296 0.001 0.0012 结果及分析由于考虑到大量计算结果，通过选取距离水口入口中心与板材出口中心连线上的等距点温度值代表温度场分布，简化输出结果。
图2 铸轧速度0.7 m/min对应不同冷却水通量温度曲线图图2(a)、(b)分别为铸轧速度0.7m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的温度曲线图。
能够看出，在相对低速铸轧过程中，较低的对流换热系数冷却效果相对较差，且铸轧区前端冷却较为缓慢（曲线斜率较小）。
这是由于铸轧区前端厚度大于铸轧区尾端厚度，且在固液区材料因考虑凝固潜热，其比热明显高于固相区比热，即在固液区材料需要吸收更多的热量使其凝固成固相。
考虑铸轧过程的连贯性，液穴深度占整个铸轧区长度的15%～30%为较合理深度，对于现场来说，液穴长度为20%～25%为最佳工况。
液穴过浅，会由于凝固速度过快导致铸轧过程不稳定。
液穴过深，会易产生热带缺陷而使板材报废。
由于液相线温度为638℃，因此根据上下对称原则（忽略重力对水平式双辊铸轧的影响），该曲线温度高于638℃即认为属于液穴区域，并在638℃时为液穴最深处。
从图a 和b可看出，在铸轧速度0.7m/min，对流换热系数分别为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)时，对应670℃～680℃浇注温度的液穴长度为最佳工况。
根据实际情况，5182铝合金铸轧板材出口温度在410℃±15℃为较合理范围，因此，以上工况满足最佳工况要求。
图3 铸轧速度1.0 m/min对应不同冷却水通量温度曲线图图4 铸轧速度1.3m/min对应不同冷却水通量温度曲线图类似于铸轧速度为0.7m/min的情况，图3(a)、(b)和图4(a)、(b)分别表示铸轧速度为1.0m/min、1.3m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的温度曲线图。
从图中可看到，相同铸轧速度下，对流换热系数越大，表示靠近铸轧区后端的温度曲线斜率越大，即冷却效果越明显，其原因与图2形成原因相同。
对比图2～图4，还可以看出相同条件下，浇注温度对板材出口温度的影响并不大，而影响板材温度的核心因素是铸轧速度与对流换热系数。
这是因为铸轧速度直接影响铸轧区内金属的停留时间，铸轧速度越慢，停留时间越长，出口温度越低。
对流换热系数则直接影响热交换效率，对流换热系数越大，热交换越快，出口温度越低。
在铸轧速度1m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的工况下，浇注温度分别为670℃～675℃和665℃～675℃，对应液穴深度满足20%～25%的合理范围。
而铸轧速度1.3m/min对应对流换热系数为8000W/(m2·K)和10000W/(m2·K)的工况下，浇注温度需分别为680℃～685℃和660℃～665℃，才能满足液穴深度的合理范围。
综合考虑满足以上合理范围的工况，根据板材出口温度的合理范围，除铸轧速度1.3m/min对应对流换热系数8000W/(m2·K)时，板材出口温度为447℃，高于425℃的合理板材出口温度范围外，其余工况皆满足最佳工况要求。
3 结论1）5182铝合金双辊连续铸轧过程模拟结果显示，对流换热系数为8000W/(m2·K)，铸轧速度分别为0.7m/min和1.0m/min时，对应的合理浇注温度范围分别为670℃～680℃和670℃～675℃，而铸轧速度为1.3m/min时，无法实现铸轧5182铝合金；对流换热系数为8000W/(m2·K)，铸轧速度分别为0.7m/min、1.0m/min和1.3m/min时，对应合理的浇注温度范围分别为670℃～680℃、665℃～675℃和660℃～665℃。
2）相同条件下，浇注温度对板材出口温度的影响并不大，而影响板材温度的核心因素是铸轧速度与对流换热系数。
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