7075铝合金板带淬火模拟研究

2022-06-16李家栋杨文泰王昭东

轻金属 2022年5期

朱瑶,李勇,2,李家栋,杨文泰,王昭东,2

(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳 110819;2.广西先进铝加工创新中心有限责任公司,广西南宁 530007)

7075铝合金板具有以下特点:力学性能十分优异,超过大部分金属材料;材料适用面广;使用寿命长;可进行热处理,显著提升材料的力学性能;具备优异的抗氧化性和抗腐蚀性;熔点低,对加热技术和生产设备要求不高,生产量充足,中低端产品成本优势显著,等[1-2]。7075铝合金中厚板凭借其卓越的性能和良好的经济效益,除了大量应用于军工领域之外,还拥有广泛的商业用途(例如机械设备加工及远距离输电),特别是在航天产业中,高强铝合金占据了垄断地位[3-6]。即使复合材料、碳纤维材料、钛合金材料等高性能新材料在近些年得到了快速发展,涌现出了一批性能优异的成熟产品,但高强度的7075铝合金中厚板仍然凭借低廉的价格成本,在民用领域保持着良好的商业竞争力,因此对高强铝合金中厚板生产工艺的研究具备很大实际生产价值[8-10]。

中厚板辊底式淬火机利用高压冷却水射流冲击铝板表面,可瞬间产生强化冷却效果。目前国外采用水幕冷却和集管压力水倾斜喷射的快速冷却装置,水幕冷却速度最大可达360℃/s,可以将铝板温度急冷至 290℃左右。此温度能满足工艺要求,且与目前较为先进的辊底式淬火炉工艺一致。集管采用压力水倾斜喷射的快速冷却装置,该阶段设计将铝板急冷至约 200℃。该温度在铝合金淬火敏感温度以下,合金的组织性能不会发生明显降低。进口铝合金中厚板淬火机没有布置缝隙喷嘴,而2020年4月在南南铝加工竣工的首台国内板材辊底炉布置了缝隙喷嘴[11],研究发现缝隙喷嘴具有强度大、冷却均匀性好、无淬火软点等优点,因此研究采用缝隙喷嘴进行铝合金中厚板的冷却模拟具有非常重要的理论及实际应用意义。缝隙喷嘴的射流角度和水流速度直接关系到铝板表面换热情况,是中厚板淬火的重要控制指标[12-13]。因此，对射流冲击技术在铝合金中厚板生产过程中的影响进行深度研究是很有必要的,进而全面打破国外的技术垄断,为关键装备国产化提供技术支持。

1 实验材料及实验方法

缝隙喷嘴射流冲击冷却铝板三维过程如图1所示,仿真模拟时将模型简化为二维模型,确定二维模型各个区域的属性并保存模型文件。该模型需要被分为两个区域,由铝板区域组成的固体区域(Solid)和由喷嘴区域、计算域一、计算域二及加密计算域组成的流体区域(Fluid),将流体区域划分为3个部分是为了增大模拟的精度并减小计算的消耗。几何尺寸设置如下(参见图2):缝隙喷嘴厚度分别为1 mm、1.2 mm、2 mm和2.5 mm,高度为10 mm,冷却水的射流角度θ为15°、20°、30°、45°、60°及90°,铝板尺寸长度为500 mm,厚度为20 mm,喷嘴距离铝板上表面宽度为50 mm。喷嘴入口水流量为570 m3/h,水流进口速度分别设置为40.6 m/s(1 mm)、26 m/s(1.5 mm)、20.3 m/s(2 mm)及16.4 m/s(2.5 mm),环境温度为25℃,出口压力为一个大气压,铝板为7075铝合金,初始待淬温度为475℃,7075铝合金的物理性质如表1所示。

图1 射流示意图

图2 二维几何模型及网格划分

表1 7075铝合金物理性质

模拟过程采用压力基求解器模拟瞬态模型,使用多相流物理模型,激活能量方程。选择标准湍流模型k-epsilon(2-eqn)-Realizable。

2 数据分析

2.1 对速度场的影响

由图3～图6可知,随着缝隙厚度的增大,冷却水流速在减小,这是因为缝隙喷嘴的水流量是固定值570 m3/h,其计算方法为:水流量=喷嘴横截面积×冷却水初始流速,因此缝隙厚度变大导致喷嘴的横截面积变大,使得冷却水流速降低。缝隙喷嘴厚度从1 mm增大至2.5 mm后,铝板上表面冷却水的水平最大速度从38 m/s左右降低到15 m/s左右,下降约60%。

由图3可知,当缝隙喷嘴厚度为1 mm,冷却水射流角度为15°、20°、30°、45°和60°时,铝板上表面的冷却水流速呈非对称分布,在冲击点处冷却水流速达到最低,随着距冲击点处距离的增大,冷却水流速呈先急剧增大后逐渐变小的变化趋势,并且顺向冲击区域的冷却水流速大于逆向冲击区域的冷却水流速。由图4、图5和图6可知,当缝隙厚度为1.5 mm、2 mm及2.5 mm时,也具有同样的规律。这是由于此处流速取的是水平方向,而冷却水冲击铝板时主要流速为竖直方向,受到冲击后,冷却水的方向被强制扭转成水平方向,此时水平速度分量值急剧上升至峰值,随着距冲击点处距离的继续增大,冷却水的动量受到其他流体的干扰以及摩擦阻力,表现为冷却水流速越来越低。同时,由于倾斜的射流角度,势必造成顺向流体动量的分量大于逆流动量的分量,因此表现为顺向冲击区冷却水流速大于逆向冲击区冷却水流速。

图3 缝隙厚度为1 mm时铝板上表面冷却水水平速度分布图

图4 缝隙厚度为1.5 mm时铝板上表面冷却水水平速度分布图

图5 缝隙厚度为2 mm时铝板上表面冷却水水平速度分布图

图6 缝隙厚度为2.5 mm时铝板上表面冷却水水平速度分布图

2.2 对压力场的影响

图7为不同缝隙喷嘴厚度和不同射流角度下冲击到铝板表面的压力峰值对比图,取不同工况下几何冲击处的压力值作为压力峰值。由图7可知,当缝隙厚度相同时,随着冷却水射流角度的增大,铝板上表面冷却水压力的峰值也在增大。当冷却水射流角度为15°时,铝板上表面冷却水压力峰值最小;当冷却水射流角度为90°时,铝板上表面冷却水压力峰值最大-这是因为铝板上表面冷却水压力的峰值大小,取决于冷却水竖直向下的动量。冷却水竖直向下的动量越大,则铝板上表面冷却水压力的峰值越大。随着冷却水射流角度从15°增大至90°,冷却水竖直向下的动量分量在不断增大,水平的动量分量在减小,达到90°时冷却水的动量全部是竖直向下的动量,无水平动量分量,因此冷却水压力峰值达到最大值。

图7 冷却水射流角度与冷却水压力峰值关系对比图

对铝合金板进行淬火时,如果铝板上表面冷却水压力过低,则会导致冷却水冲刷效果变差,无法有效冲破铝板上表面的气泡,从而产生淬火软点,对铝板的板型产生影响,形成质量缺陷并影响生产效益。因此,在保证铝板淬火冷却速率适当的情况下,应当采取恰当措施增大冷却水对铝板的冲击压力。

当射流角度相同时,随着缝隙喷嘴的缝隙厚度的增大,铝板上表面受到冲击的压力峰值在减小。当缝隙厚度为1 mm时,铝板上表面冷却水压力峰值最大;当缝隙厚度为2.5 mm时,铝板上表面冷却水压力峰值最小-这是因为喷嘴的水流量是固定值,即相同时间内任何缝隙厚度的缝隙喷嘴喷出冷却水的质量均相同,这导致缝隙喷嘴的缝隙厚度越小,喷出的冷却水速度就越大，因而喷出的冷却水的动量也就越大。动量更大的冷却水冲击到铝板上表面，导致铝板上表面冷却水压力峰值变大。

2.3 铝板厚度方向温度变化规律

图8是缝隙喷嘴厚度为1 mm且射流角度为15°时,冷却水冲击铝板的几何冲击点处厚度方向不同位置处,温度随淬火冷却时间的变化情况。由图8可知,在淬火过程中,铝板上表面冷却速度是最快的,冷却速率达到了263℃/s。当冷却到0.1 s时,表面温度已经快速降至200℃左右。随着距铝板心部的距离的减小,冷却速度逐渐减慢,铝板心部冷却速度最慢。在冷却过程中,铝板表面冷却速度主要由冷却水与铝板之间的换热系数决定,而铝板心部温度则由铝板导热快慢决定。

图8 铝板厚度方向温度与淬火时间关系图

图9是不同缝隙厚度且射流角度为15°时,铝板上表面与心部位置温差变化。由图9可知,当喷嘴厚度为1 mm 时,心表温差高达 300℃,形成了很大的温度梯度。在整个冷却过程中,随着时间的进行,心表温差先增大后逐渐减小-这是由于铝板表面最先接触冷却水,冷却初期从表面带走大量的热量,表面温度急速降低。而由于热阻作用,冷却效果不能迅速渗入铝板心部,故心表产生较大温度梯度。随着冷却的进行,由于热传导的作用,冷却效果传至铝板心部,心部温降增大,温差也有所降低,最终达到热平衡,整板温度趋于一致。

图9 不同缝隙厚度心表温差变化

在分析了全部的24组模拟数据后,发现对于任意的冷却水射流角度和喷嘴缝隙厚度而言,上述规律都成立。

2.4 铝板心部淬火敏感温度区间平均冷却速率

7075铝合金淬火敏感区是219～407℃,临界冷却淬火速率为16 ℃/s,因此选取各个工况下淬火敏感区间的温度与时间变化情况,分析冷却速率变化规律。图10是不同射流角度下喷嘴缝隙厚度与铝板心部淬火敏感区间均冷速率关系图。图11是四种缝隙厚度冷却水射流角度与铝板心部淬火敏感区间均冷速率关系图。由图10和图11可以得出以下结论。

图10 不同射流角度下喷嘴缝隙厚度与铝板心部淬火敏感区间均冷速率关系图

图11 不同缝隙厚度冷却水射流角度与铝板心部淬火敏感区间均冷速率关系图

(1)射流角度为30°,缝隙厚度为1 mm时,铝板心部淬火敏感区间的均冷速率最大,达到87.16 ℃/s;射流角度为15°,缝隙厚度为2.5 mm时,铝板心部淬火敏感区间的均冷速率最小,达到65.91 ℃/s。

(2)在同样的缝隙厚度下,随着射流角度的增大,铝板心部淬火敏感区间的均冷速率也在增大,并且当射流角度≥45°时,铝板心部淬火敏感区间的均冷速率增长趋势趋于平缓,基本达到最大值,不会再进一步增大。

(3)在同样的射流角度下,随着缝隙厚度的增大,铝板心部淬火敏感区间的均冷速率在减小。在喷嘴入口水流量为570 m3/h时,模拟的24组工况的心部均冷速率均大于临界冷却速率,冷却效果较好。

2.5 铝板表面换热系数研究

图12为不同缝隙喷嘴厚度以及不同射流角度下,铝板上表面平均对流换热系数图。由图12可知,当射流角度相同且缝隙喷嘴厚度为1 mm时,铝板上表面对流换热系数比其它厚度要大。由2.1小节可知,因为在此厚度的缝隙喷嘴的射流下,铝板上表面水流水平流速最大,因此换热强度大。

图12 不同冷却参数下平均换热系数图

图13是射流角度为30°时,铝板上表面同一位置不用时刻的温度与换热系数的变化图。由图13可知,在冷却水对铝板淬火过程中,随着铝板温度的降低,换热系数无明显变化。当温度高于100℃时,可以看到对流换热系数在降低,这是由于在淬火初期铝板温度远高于淬火介质,冷却水在铝板表面迅速气化形成一层蒸汽膜,其换热能力较差,所以此时的换热系数较小。随着铝板温度降低,蒸汽产生的速率降低,具有阻隔能力的蒸汽膜逐渐破裂,换热能力增强[14-15]。