D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.06.020 第25卷第6期 北京科技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 铝箔轧机中生成热分配的实验及分析 尹凤福12)李谋渭》 张少军”李东明) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)山东理工大学轻工学院，淄博255012 摘要系统分析了铝箔轧机轧制过程中热量转移及热量平衡的过程，提出了一种热量转 移的观点.实际测量了三种不同喷嘴开放状态下分段冷却的轧件表面温度，采用理论分析与 实验相结合的方法，求出了对应工况下轧件和工作辊所吸收热量的热功率，得到了生成热在 轧件与轧辊间的分配系数，轧件分配系数大致为0.110.33，轧辊分配系数为0.67~0.89.随冷却 能力的增强，轧辊分配系数增大，轧件分配系数减少 关键词分段冷却；热量转移；轧辊；温度 分类号 TG335:TK124 板形和板厚是衡量带材产品质量的两个主 工作辊温度场的计算中，轴承处的边界条件是作 要指标，板厚自动控制技术已基本成熟，而对于 绝热处理的，这里，也忽略轴承处的摩擦热.因 板形自动控制技术，由于外界影响因素复杂且检 此，下文提到的生成热主要指前两项，即变形热 测和控制技术不尽完善，成了当前的一个技术难 和轧件与工作辊之间的摩擦热. 题.板形自动控制的主要手段包括倾辊、弯辊、轧 假设在轧制过程中，没有冷却液喷射到工作 辊横移和局部分段冷却控制，其中最复杂的是局 辊表面，那么随着轧制过程的进行，工作辊和轧 部分段冷却控制，这是因为局部冷却控制系统具 件的温度都将不断升高，这是一个动态升温的过 有非线性、滞后性、强耦合等特点，很难建立精确 程，但最终会达到一个平衡状态，在此平衡状态 的热量生成及分配的数学模型，也就无法获得精 下，流入的热量包括轧制过程中产生的变形热和 确的分段冷却控制模型.因此，有必要对板带轧 轧件与工作辊之间的摩擦热，而流出的热量 机中热量的生成及分配进行实验研究，以便为建 有：①由于升温后的轧件不停地流出而带走的热 立一个可以应用于实际控制过程的分段冷却控 量（轧件吸收的热量）：②生成热传导给工作辊、 制模型奠定基础.鉴于此，笔者对铝带箔轧机 支撑辊、机架等而流出的热量（传导出的热 中的分段冷却作了实际的测试分析 量)：③工作辊和轧件与周围的空气发生对流而 带走的热量（空气对流换热）：④工作辊和轧件热 1轧制过程热量转移的系统分析 辐射而带走的热量（辐射换热）.根据流入的热量 当轧机由非轧制状态变为轧制状态时，电机 与流出的热量相等原则，轧制过程中总的生成热 驱动工作辊旋转并开始轧制带材，轧制过程中生 (N)就是由以上四部分组成的.这个假设的平衡 成的热量源于电机的功率，大致消耗在三个方 状态只是为了分析问题的需要，并不是所希望 面：①使轧制的带材产生弹塑性变形而产生的变 的，因为温度过高，在工作辊和轧件之间会发生 形热：②轧制过程中的轧件与工作辊之间的摩擦 严重的粘着磨损（胶合），这是一个非正常的工作 热：③支撑工作辊轴承处的摩擦生热，这三部分 状态 构成了总的生成热（由于本文讨论的是冷轧机， 假设在上面的动态升温过程中，冷却液不断 故可不考虑轧件入口时带入的热量)，在大多数 地喷射到工作辊表面，这时，变形热和摩擦热仍 在不断地流入，而流出的热量除了上面四部分 收稿日期2002-03-27 尹风福男，33岁，博士 外，还要再加上冷却液与工作辊和轧件对流换热第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 铝箔轧机 中生成热分配 的实验及分析 尹 凤福 ’， 李谋 渭 ” 张 少 军 ” 李 东明 ” 北 京科技大 学机械 工 程 学 院 ， 北 京 山 东 理工 大学轻工 学 院 ， 淄 博 摘 要 系 统 分 析 了铝 箔 轧机 轧制 过程 中热 量 转移 及 热 量平 衡 的过 程 ， 提 出 了一 种热 量 转 移 的观 点 实 际 测 量 了 三 种 不 同喷嘴 开 放 状态 下 分段 冷 却 的轧件表 面温 度 ， 采用 理 论 分 析 与 实 验相 结合 的方 法 ， 求 出 了对 应 工 况 下 轧 件 和 工 作 辊 所 吸收 热量 的热 功 率 ， 得 到 了 生成 热 在 轧 件与 轧辊 间 的分 配 系数 ， 轧 件 分 配 系 数大 致 为 一 ， 轧辊 分 配 系数 为 一 随 冷却 能力 的增 强 ， 轧 辊 分 配 系数增 大 ， 轧件 分 配 系数 减 少 关键词 分 段冷却 热 量转移 轧辊 温度 分 类号 板 形 和 板 厚 是 衡 量 带 材 产 品质 量 的 两 个 主 要 指 标 ， 板 厚 自动 控 制 技 术 己 基 本 成 熟 ， 而 对 于 板 形 自动 控 制 技 术 ， 由于外 界 影 响 因 素 复 杂 且 检 测 和 控制 技 术不 尽 完善 ， 成 了 当前 的一 个 技 术难 题 板 形 自动 控 制 的主 要 手 段 包 括 倾 辊 、 弯 辊 、 轧 辊 横 移 和 局 部 分 段 冷 却 控 制 ， 其 中最 复 杂 的是 局 部 分 段 冷 却 控 制 ， 这 是 因 为局 部冷 却 控 制 系 统 具 有 非 线 性 、 滞 后 性 、 强 祸 合 等特 点 ， 很 难 建 立 精 确 的热 量 生 成 及 分 配 的数 学模 型 ， 也 就无 法 获 得 精 确 的分 段 冷 却 控 制模 型 因 此 ， 有 必 要 对 板 带 轧 机 中热量 的生成 及 分 配进 行 实验研 究 ， 以便 为建 立 一 个 可 以 应 用 于 实 际 控 制 过 程 的分 段 冷 却 控 制 模 型 奠 定 基 础 ‘卜 鉴 于 此 ， 笔 者对 铝 带 箔 轧机 中的 分 段 冷 却 作 了 实 际 的测 试 分 析 轧 制 过 程 热 量 转 移 的 系 统 分 析 当轧 机 由非 轧制 状 态 变 为轧 制 状 态 时 ， 电机 驱 动 工 作 辊 旋 转 并 开 始 轧 制 带材 ， 轧制 过程 中生 成 的热 量 源 于 电机 的功 率 ， 大 致 消耗 在 三 个 方 面 ① 使 轧 制 的带材产 生 弹 塑 性变 形 而产 生 的变 形 热 ② 轧制过 程 中 的轧件 与 工 作 辊之 间 的摩擦 热 ③ 支 撑 工 作辊 轴 承 处 的摩 擦 生 热 这 三 部 分 构 成 了 总 的生 成 热 由于 本 文 讨 论 的 是 冷 轧 机 ， 故 可 不 考 虑 轧件 入 口 时 带 入 的热 量 在 大 多数 收稿 日期 一 一 尹 凤 福 男 ， 岁 ， 博士 工 作 辊温度 场 的计 算 中 ， 轴 承 处 的边 界条 件 是 作 绝 热 处 理 的 ‘， ， 这 里 ， 也 忽 略轴 承 处 的摩擦 热 因 此 ， 下 文 提 到 的 生 成 热 主 要 指 前 两 项 ， 即变 形 热 和 轧 件 与 工 作辊 之 间 的摩 擦 热 假 设在 轧制 过程 中 ， 没 有冷 却 液 喷射 到 工 作 辊 表 面 ， 那 么 随着 轧 制 过 程 的进 行 ， 工 作 辊 和 轧 件 的温度 都 将 不 断升 高 ， 这 是 一 个 动 态 升温 的过 程 ， 但 最 终 会 达 到 一 个 平 衡 状 态 在 此 平 衡 状 态 下 ， 流 入 的热 量 包 括 轧 制过 程 中产 生 的变 形 热和 轧 件 与 工 作 辊 之 间 的 摩 擦 热 ， 而 流 出 的 热 量 有 ① 由于 升温 后 的轧 件 不 停 地流 出而 带走 的热 量 轧 件 吸 收 的热 量 ② 生成 热 传 导 给 工 作 辊 、 支 撑 辊 、 机 架 等 而 流 出 的 热 量 传 导 出 的 热 量 ③ 工 作 辊 和 轧 件 与 周 围 的 空 气 发 生 对 流 而 带走 的热 量 空 气对 流 换热 ④工 作辊 和 轧件 热 辐 射 而 带 走 的热 量 辐 射 换 热 根 据 流 入 的热量 与 流 出 的热 量相 等 原 则 ， 轧制 过 程 中总 的生成 热 就 是 由 以上 四部 分 组 成 的 这 个 假 设 的平 衡 状 态 只 是 为 了分 析 问题 的 需要 ， 并 不 是 所 希望 的 ， 因 为 温 度 过 高 ， 在 工 作 辊 和 轧 件 之 间会 发 生 严 重 的粘着 磨 损 胶 合 ， 这 是 一个 非 正 常 的工 作 状 态 假 设在 上 面 的动 态 升 温 过 程 中 ， 冷 却 液 不 断 地 喷 射 到 工 作 辊 表 面 ， 这 时 ， 变 形 热 和 摩 擦 热 仍 在 不 断 地 流 入 ， 而 流 出 的热 量 除 了上 面 四部 分 外 ， 还 要 再加 上 冷 却 液 与 工 作 辊 和 轧件 对 流 换 热 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．06．020