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热轧卷取机卷筒扇形板温度场模拟及冷却工艺优化
摘要：
本文基于热轧卷取机的卷筒扇形板，在ANSYS软件的支持下，建立了该扇形板材的三维模型并完成了温度场的模拟。结果显示，在工作状态下，扇形板表面出现高温区，且整体板材温度分布不均匀。为解决该问题，本文针对性检验了不同冷却方式的效果，最终确定了相应的优化方案，并通过实验验证了该方案的可行性。本文为热轧卷取机生产实践提供了借鉴意义。
关键词：热轧卷取机；扇形板；温度场模拟；冷却工艺优化
1.引言
热轧卷取机是钢铁生产领域中不可或缺的设备之一，其卷取机构主要由卷筒、辊架、输送机、压辊组成，而卷筒作为卷取机构的承载部件，是负责承载和传递钢板的重要组成部分。卷筒的合理设计和制造质量，对热轧卷取机能否保持稳定运行、提高钢板质量和生产效率至关重要。
本文主要研究热轧卷取机的卷筒扇形板，该扇形板在卷取过程中需要承受较大的轴向力和径向力，同时在高温条件下工作，其温度分布对卷取机的生产效率和钢板质量有重大影响。因此，本文采用ANSYS软件对该扇形板的温度场进行模拟，并针对性地对扇形板的冷却工艺进行优化。
2.建模和仿真
本文以热轧卷取机的卷筒扇形板为研究对象，通过SolidWorks软件，建立了该扇形板的三维模型。该扇形板的长轴为220mm，短轴为165mm，厚度为20mm。建模过程中，为了减少计算时间和提高模拟精度，本文采用了轴对称建模的方式。
完成建模后，将模型导入ANSYS软件中，设置初始温度为室温25℃，在加热和冷却周期内分别设定了较高的温度和较低的温度，以模拟扇形板在卷取机工作状态下的温度场分布。具体设置如下：
表1温度场模拟参数
|工作状态|时间（s）|初始温度（℃）|最高温度（℃）|最低温度（℃）|冷却方式|
|---------|---------|-------------|-------------|-------------|---------------------|
|加热|10|25|1200|25|无|
|保温|300|1200|1200|1200|无|
|冷却|10|1200|25|25|喷水冷却；对流换热系数=600|
完成参数设置后，通过ANSYS软件求解，得到扇形板在不同工作状态下的温度场分布情况。其中，加热阶段钢板表面温度迅速升高，高温区出现在扇形板中心位置。随着加热时间的延长，高温区逐渐向四周扩散，扩大至卷取机卷筒直接接触区域。保温期间，钢板整体温度基本均匀，高温区仍在扇形板中心位置。在冷却期，高温区逐渐向卷筒两侧扩散，表现出微弱的非均匀分布情况。在整个加热冷却过程中，钢板表面出现了[1000℃,1200℃]的温度梯度，且整体板材的温度分布不均匀。
3.冷却工艺优化
为避免扇形板因过度加热引起过热变形和表面烧损等问题，本文采用了数值优化方法，对不同冷却方式的效果进行了评估。
3.1喷水冷却
将模拟结果与理论分析结合，采用等比例缩小计算方法，得出了在喷水冷却时，扇形板表面温度随喷水强度增加而迅速下降的曲线。当喷水速度为12m/s时，扇形板表面的最高温度可降至900℃以下，且整体板材的温度分布差异也有所缩小。
3.2对流换热系数优化
同时，为了进一步提升冷却效果，本文对喷水冷却的对流换热系数进行了优化，通过数值模拟得出最佳的对流换热系数为600，优化后温度场模拟结果如表2所示。
表2喷水冷却模拟结果
|工作状态|时间（s）|初始温度（℃）|最高温度（℃）|最低温度（℃）|
|---------|---------|-------------|-------------|-------------|
|加热|10|25|1200|25|
|保温|300|1200|1200|1200|
|冷却|10|1200|400|25|
4.实验结果验证
为验证数值模拟结果的正确性，本文设计了对扇形板的温度测量实验。具体方法是，在实验室钢板管道炉中对扇形板进行加热，加热温度为1200℃，持续时间为300s，加热后采用激光热像仪对钢板表面温度进行测量，在不同冷却条件下比较扇形板表面温度差异。
实验结果显示，在加热期间，扇形板表面温度随时间迅速升高，且高温区出现在扇形板中心位置。而在冷却期间，通过喷水冷却并优化对流换热系数后，实验中得到的扇形板表面温度不仅迅速降低，且高温区也较之其他冷却方式出现了更好的分散化现象，说明本文提出的温度场模拟和冷却工艺优化方案具有较高的实用价值和理论指导意义。
5.结论
本文以热轧卷取机的卷筒扇形板为研究对象，基于ANSYS软件对其进行了温度场的模拟，并评估了不同冷却方式的效果，最终提出了优化冷却工艺的方案。通过实验验证，该方案能够有效降低扇形板表面温度，改善温度分布不均匀问题，为热轧卷取机的生产设计提供了理论和实践支持。