铝合金中间坯冷却水量的控制方法

摘要

本发明涉及铝合金热轧技术领域，提供了一种铝合金中间坯冷却水量的控制方法，铝合金中间坯从470±10℃冷却到230±10℃时，铝合金中间坯的冷却水量按公式(1)计算：V单块＝2367·l·b·h·t0‑1，5045(1)其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。通过本发明的铝合金中间坯冷却水量的控制方法，可求得不同冷却时间要求下的冷却水量，制订冷却时间和冷却水量的最优工艺。

权利要求

1.铝合金中间坯冷却水量的控制方法，其特征在于：铝合金中间坯从470±10℃冷却到

230±10℃时，单块铝合金中间坯的冷却水量按公式(1)计算：V单块＝2367·l·b·h·t0-1.5045     (1)其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

2.铝合金中间坯冷却水量的控制方法，其特征在于：铝合金中间坯从470±10℃冷却到

230±10℃时，连续冷却时，每小时铝合金中间坯的冷却水量按公式(2)计算：V小时＝2367·l·b·h·t0-1.5045×3600/t0     (2)其中，V小时为每小时铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3/h；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

3.铝合金中间坯冷却水量与冷却时间的控制方法，其特征在于，铝合金中间坯从470±

10℃冷却到230±10℃时，包括以下步骤：

A、将铝合金中间坯在长度方向上划分为若干个截面单元，对其中一个截面单元进行研究，截面在运动的过程中周期性通过水冷区域和空冷区域；

截面在水冷区域冲击区内的对流换热系数按公式(3)计算：h0(W,T)＝7.3×105W0.77T-1.36    (3)其中，h0(W,T)为截面在水冷区域冲击区的对流换热系数，单位是kW/(m2·℃)；W为喷水管的流量密度，单位是L/(m2·min)；T为铝合金中间坯的温度，单位是℃；

截面在水冷区域影响区内的位移按公式(4)计算：

x＝vt     (4)

其中，x为截面在水冷区域影响区内的位移，单位是m；v为铝合金中间坯的运动速度，单位是m/s；t为铝合金中间坯的运动时间，单位是s；

截面在水冷区域影响区内的对流换热系数按公式(5)计算：其中，h(x,t)为截面在水冷区域影响区内的对流换热系数，单位是kW/(m2·℃)；r为冲击区的半径，单位是m；a为影响区的半径，单位是m；

截面在空冷区域内的对流换热系数是h1，单位是W/(m2·℃)；

B、确定水冷区域冲击区的对流换热系数与冷却时间的关系通过有限元软件建立截面冷却过程的仿真模型，对仿真过程进行加载计算，得出水冷区域冲击区的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图；

C、确定对流换热系数与流量密度的关系

通过有限元软件对公式(3)的进行加载计算，得到铝合金中间坯在冷却过程中温度变量T的平均影响系数；即将公式(3)等效转化为公式(6)：h0(W)＝273.62W0.77     (6)式中，h0(W)为截面在水冷区域冲击区的对流换热系数，kW/(m2·℃)；W为喷水管的流量密度，L/(m2·min)；

D、确定单块铝合金中间坯的冷却水量与冷却时间的关系结合公式(6)和步骤B中的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图，通过有限元软件进行加载计算，就可得出单块铝合金中间坯的冷却水量与冷却时间的关系，按公式(1)计算：V单块＝2367·l·b·h·t0-1.5045    (1)其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

说明书

铝合金中间坯冷却水量的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铝合金热轧技术领域，特别涉及一种铝合金中间坯冷却水量的控制方法。

背景技术

[0002] 传统的热轧单机架铝合金板轧机在生产单张板材的过程中，只在轧辊上喷射乳化液，作为控制铝及铝合金板材咬入、板形和粘铝、色差等表面质量的手段，不会将乳化液直接喷射到铝合金中间坯或产品表面上作为性能和控温的手段。

[0003] 随着铝合金板材市场竞争的白热化，铝合金板热轧生产线为提高产品性能及生产效率，将600mm厚左右的坯料直接轧制成10mm厚左右的成品。在轧制过程中，为了满足产品性能要求以及避免产品厚度小于20mm时薄板塌腰，需将50～60mm厚的中间坯进行在线控温，将中间坯的温度在4分钟内由470±10℃冷却到230±10℃，由于该生产工艺技术在国内尚未应用，因此，针对单机架热轧铝合金板轧线对中间坯控温的特殊要求，急需开发一种铝合金板专用的加密水冷工艺，来完成铝合金中间坯的冷却工艺路线的制定。

[0004] 新型的单机架铝合金热轧线的生产工艺流程为：铝锭加热→四辊可逆轧制→切头尾→中间冷却→四辊可逆轧制→切成品→堆垛。铝合金中间坯通过冷却设备进行中间冷却，图1所示为冷却设备的结构示意图，该冷却设备包括位于铝合金中间坯上方的上端冷却集管1和位于铝合金中间坯下方的下端冷却集管3；所述上端冷却集管1和下端冷却集管3分别沿铝合金中间坯的宽度方向设置，每个上端冷却集管1上设置有两排向下喷水的喷水管2，每个下端冷却集管3上设置有一排向上喷水的喷水管2。冷却时，铝合金中间坯放在轧辊4上，通过轧辊4带动铝合金中间坯运动，喷水管3向铝合金中间坯的表面喷水，对铝合金中间坯进行冷却降温。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种铝合金中间坯冷却水量的控制方法，来完成铝合金中间坯的冷却工艺路线的制定。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：铝合金中间坯冷却水量的控制方法，铝合金中间坯从470±10℃冷却到230±10℃时，铝合金中间坯的冷却水量按公式(1)计算：

[0007] V单块＝2367·l·b·h·t0-1.5045   (1)

[0008] 其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

[0009] 铝合金中间坯冷却水量的控制方法，铝合金中间坯从470±10℃冷却到230±10℃时，连续冷却时，每小时铝合金中间坯的冷却水量按公式(2)计算：

[0010] V小时＝2367·l·b·h·t0-1.5045×3600/t0   (2)

[0011] 其中，V小时为每小时铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3/h；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

[0012] 铝合金中间坯冷却水量与冷却时间的控制方法，铝合金中间坯从470±10℃冷却到230±10℃时，包括以下步骤：

[0013] A、将铝合金中间坯在长度方向上划分为若干个截面单元，对其中一个截面单元进行研究，截面在运动的过程中周期性通过水冷区域和空冷区域；

[0014] 截面在水冷区域冲击区内的对流换热系数按公式(3)计算：

[0015] h0(W,T)＝7.3×105W0.77T-1.36   (3)

[0016] 其中，h0(W,T)为截面在水冷区域冲击区的对流换热系数，单位是kW/(m2·℃)；W为喷水管的流量密度，单位是L/(m2·min)；T为铝合金中间坯的温度，单位是℃；

[0017] 截面在水冷区域影响区内的位移可按公式(4)计算：

[0018] x＝vt   (4)

[0019] 其中，x为截面在水冷区域影响区内的位移，单位是m；v为铝合金中间坯的运动速度，单位是m/s；t为铝合金中间坯的运动时间，单位是s；

[0020] 截面在水冷区域影响区内的对流换热系数可按公式(5)计算：

[0021]

[0022] 其中，h(x,t)为截面在水冷区域影响区内的对流换热系数，单位是kW/(m2·℃)；r为冲击区的半径，单位是m；a为影响区的半径，单位是m；

[0023] 截面在空冷区域内的对流换热系数是h1，单位是W/(m2·℃)；

[0024] B、确定水冷区域冲击区的对流换热系数与冷却时间的关系

[0025] 通过有限元软件建立截面冷却过程的仿真模型，对仿真过程进行加载计算，得出水冷区域冲击区的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图；

[0026] C、确定对流换热系数与流量密度的关系

[0027] 通过有限元软件对公式(3)的进行加载计算，得到铝合金中间坯在冷却过程中温度变量T的平均影响系数；即将公式(3)等效转化为公式(6)：

[0028] h0(W)＝273.62W0.77   (6)

[0029] 式中，h0(W)为截面在水冷区域冲击区的对流换热系数，kW/(m2·℃)；W为喷水管的流量密度，L/(m2·min)；

[0030] D、确定单块铝合金中间坯的冷却水量与冷却时间的关系

[0031] 结合公式(6)和步骤B中的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图，通过有限元软件进行加载计算，就可得出单块铝合金中间坯的冷却水量与冷却时间的关系，按公式(1)计算：

[0032] V单块＝2367·l·b·h·t0-1.5045   (1)

[0033] 其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

[0034] 本发明的有益效果是：

[0035] 1、根据实际生产节奏的需要，通过本发明的铝合金中间坯冷却水量的控制方法，可求得不同冷却时间要求下的冷却水量，制订冷却时间和冷却水量的最优工艺。

[0036] 2、利用有限元模型开发的铝合金中间坯冷却水量的控制方法，其解析模型简单高效，可实现快速计算，为设备设计打下坚实的基础。

[0037] 3、简单、高效的解析计算方法，配合成熟的在线学习、自适应性能可快速的推广于现场设备的控制与调试。

附图说明

[0038] 图1是本发明中冷却设备的结构示意图；

[0039] 图2是本发明中冷却水从喷水管中喷淋到铝合金中间坯表面的示意图；

[0040] 图3是本发明中对流换热系数与冷却时间的关系图；

[0041] 图中附图标记为：1-上端冷却集管，2-喷水管，3-下端冷却集管，4-轧辊。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

[0043] 如图1至图3所示，本发明所述的铝合金中间坯冷却水量的控制方法，其特征在于：铝合金中间坯从470±10℃冷却到230±10℃时，铝合金中间坯的冷却水量按公式(1)计算：

[0044] V单块＝2367·l·b·h·t0-1.5045   (1)

[0045] 其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

[0046] 冷却水从喷水管2喷出后与铝合金中间坯表面发生对流换热，从而对铝合金中间坯进行冷却，通过公式(1)，就可求得单块铝合金中间坯在不同冷却时间要求下的冷却水量，然后就可制定冷却时间和冷却水量的最优工艺。

[0047] 进一步，连续冷却时，每小时铝合金中间坯的冷却水量按公式(2)计算：

[0048] V小时＝2367·l·b·h·t0-1.5045×3600/t0   (2)

[0049] 其中，V小时为每小时铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3/h；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

[0050] 当对铝合金中间坯进行连续冷却时，通过公式(2)可以计算冷却设备每小时的冷却水量，进而根据工艺需要，设计水处理系统的处理能力，制定最优工艺。

[0051] 铝合金中间坯冷却水量与冷却时间的控制方法，铝合金中间坯从470±10℃冷却到230±10℃时，包括以下步骤：

[0052] A、将铝合金中间坯在长度方向上划分为若干个截面单元，对其中一个截面单元进行研究，截面在运动的过程中周期性通过水冷区域和空冷区域；

[0053] 截面在水冷区域冲击区内的对流换热系数按公式(3)计算：

[0054] h0(W,T)＝7.3×105W0.77T-1.36   (3)

[0055] 其中，h0(W,T)为截面在水冷区域冲击区的对流换热系数，单位是kW/(m2·℃)；W为喷水管2的流量密度，单位是L/(m2·min)；T为铝合金中间坯的温度，单位是℃；

[0056] 截面在水冷区域影响区内的位移可按公式(4)计算：

[0057] x＝vt   (4)

[0058] 其中，x为截面在水冷区域影响区内的位移，单位是m；v为铝合金中间坯的运动速度，单位是m/s；t为铝合金中间坯的运动时间，单位是s；

[0059] 截面在水冷区域影响区内的对流换热系数可按公式(5)计算：

[0060]

[0061] 其中，h(x,t)为截面在水冷区域影响区内的对流换热系数，单位是kW/(m2·℃)；r为冲击区的半径，单位是m；a为影响区的半径，单位是m；

[0062] 截面在空冷区域内的对流换热系数是h1，单位是W/(m2·℃)；

[0063] B、确定水冷区域冲击区的对流换热系数与冷却时间的关系

[0064] 通过有限元软件建立截面冷却过程的仿真模型，对仿真过程进行加载计算，得出水冷区域冲击区的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图；

[0065] C、确定对流换热系数与流量密度的关系

[0066] 通过有限元软件对公式(3)的进行加载计算，得到铝合金中间坯在冷却过程中温度变量T的平均影响系数；即将公式(3)等效转化为公式(6)：

[0067] h0(W)＝273.62W0.77   (6)

[0068] 式中，h0(W)为截面在水冷区域冲击区的对流换热系数，kW/(m2·℃)；W为喷水管2的流量密度，L/(m2·min)；

[0069] D、确定单块铝合金中间坯的冷却水量与冷却时间的关系

[0070] 结合公式(6)和步骤B中的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图，通过有限元软件进行加载计算，就可得出单块铝合金中间坯的冷却水量与冷却时间的关系，按公式(1)计算：

[0071] V单块＝2367·l·b·h·t0-1.5045   (1)

[0072] 其中，V单块为单块铝合金中间坯的冷却水量，单位是m3；l为单块铝合金中间坯的长度，单位是m；b为单块铝合金中间坯的宽度，单位是m；h为单块铝合金中间坯的厚度，单位是m；t0为单块铝合金中间坯的冷却时间，单位是s。

[0073] 步骤A中，对流换热系数指的是流体与固体表面之间的换热能力，即单位时间单位面积上通过对流进行交换的热量。固体表面流体的流速越大，其表面的对流换热系数也越大。

[0074] 如图2所示，冷却水从喷水管2中喷出，对铝合金中间坯表面进行冷却，冷却水在板坯表面形成圆形的水冷区域，所述水冷区域包括从喷水管2直接向板坯表面喷水的冲击区和从冲击区向四周展开的影响区。所述冲击区的半径大约是喷水管2半径的三倍。在使用的过程中，沿板坯运动方向，任意两个相邻喷水管2所形成的水冷区域之间是无冷却水区域；所述空冷区域指的就是相邻两个水冷区域之间的无冷却水区域。

[0075] 喷水管2中的冷却水喷淋到铝合金中间坯表面上后，其在铝合金中间坯表面上的流动方式是以圆形区域向四周展开的。在水冷区域内，板坯表面的对流换热系数随时间与空间的分布是不均匀的，为了模拟研究铝合金中间坯真实的冷却特性，在研究喷淋区域内对流换热系数分布的空间模型时，本发明使用正态分布模型来描述对流换热系数在喷水面上的分布，即铝合金板在喷水面上某个时刻的对流换热系数以喷淋区中心为轴对称中心，在喷淋区域内呈正态分布。

[0076] 在实际使用过程中，铝合金中间坯一直处于输送或者摆动状态，因此铝合金中间坯在运动过程中会周期性通过水冷区域和空冷区域，也就是说，板坯通过水冷区域后进入到空冷区域，通过空冷区域后再进入到水冷区域。假设每组喷水管2中冷却水的冷却能力相同，将铝合金中间坯在长度方向上划分为若干个截面单元，任意一个截面单元的冷却过程都是相同的，我们对其中一个截面单元进行研究。则该截面单元的上、下表面周期性通过水冷区域和空冷区域。冲击区内的对流换热系数可通过公式(3)进行计算；影响区内的对流换热系数可通过公式(5)进行计算。考虑到板坯处于运动状态，根据板坯的运动速度，空冷区域的对流换热系数可以取恒定值，本发明中铝合金板坯的运动速度为2m/s，空冷区域内的对流换热系数为40W/(m2·℃)。

[0077] 通过步骤A，就可以确定截面在水冷区域和空冷区域内的对流换热系数。

[0078] 步骤B中，Deform(Design Enviroment for Forming)软件是一套高度模块化、集成化的有限元工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计产品的工艺流程，减少昂贵的现场试验成本，缩短新产品的研究开发周期。

[0079] 本发明通过Deform软件建立截面在冷却过程中周期性通过水冷区域和空冷区域的仿真模型；通过Deform软件就可对截面的冷却过程进行加载、计算。首先，水与金属换热的对流换热系数的范围为0.2～10kW/(m2·℃)，因此，在上述范围内选定多个不同的对流换热系数h0(W,T)，然后分别对这些对流换热系数h0(W,T)进行载荷施加和仿真计算，就能得到在不同对流换热系数h0(W,T)下板坯的温度变化，通过板坯的温度变化就能得到板坯从470℃冷却到230℃所用的冷却时间t0。然后就能得到对流换热系数与冷却时间的关系图，如图3所示。本发明中的有限元软件还可以是Ansys软件。

[0080] 在步骤C中，由于公式(3)中的对流换热系数h0(W,T)是喷水管2的流量密度W和铝合金中间坯的温度T的函数，为简化计算，通过有限元软件对公式(3)进行仿真、加载计算，得到板坯在冷却过程中温度变量T的平均影响系数；然后就能将公式(3)等效转化为公式(6)。所述有限元软件是Deform软件，有限元软件还可以是Ansys软件等。

[0081] 在步骤D中，由于在步骤B中得出了对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图，在步骤C中得出了对流换热系数h0与流量密度W的函数关系；因此，通过有限元软件对步骤B中的对流换热系数h0与冷却时间t0的关系图和公式(6)进行仿真、加载计算，就可得出单块板坯冷却水量与冷却时间的关系，如公式(1)所示。

[0082] 实施例1：

[0083] 以冷却50mm×4300mm×50000mm的铝合金板坯为例，现需要在4分钟将板坯温度由470℃冷却到230℃。冷却时间为4分钟，即为240s；根据公式(1)，计算单块板坯的冷却水量为6.68m3；当需要对上述规格的铝合金板坯进行连续冷却时，根据公式(2)，计算每小时铝合金中间坯冷却所需水量为100m3。根据上述计算结果，在对冷却设备进行工艺设计时，冷
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却设备的出水能力应不小于100m/h。