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熱軋過程中軋輥與軋件之間的接觸熱交換系數(shù)與軋件的溫度分布關(guān)系可以影響軋件的變形行為及顯微組織。接觸熱交換系數(shù)是熱軋預(yù)測模型實(shí)現(xiàn)溫度場、軋制力等準(zhǔn)確預(yù)測的前提，準(zhǔn)確測試接觸熱交換系數(shù)對于優(yōu)化熱軋工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要?，F(xiàn)有熱軋接觸熱交換系數(shù)的測試方法有熱電偶直接測試法、紅外測溫法、反算法等。熱電偶直接測試法是在軋輥或軋件上安裝熱電偶，測量接觸界面的溫度變化，進(jìn)而計(jì)算接觸熱交換系數(shù)，該方法可直接獲得接觸界面的溫度信息，受制于軋輥與板材的相對運(yùn)動，以及熱電偶安裝位置和環(huán)境，難以獲得軋輥軋制力及界面溫度對熱交換系數(shù)的影響規(guī)律。紅外測溫法是利用紅外測溫儀測量接觸界面的溫度分布，結(jié)合熱傳導(dǎo)模型計(jì)算接觸熱交換系數(shù)，該方法可快速獲得大面積的溫度信息。然而5182等鋁合金板材的熱發(fā)射率低、表面反射率強(qiáng)，故其測試結(jié)果受表面發(fā)射率的影響較大，測量精度相對較低。反算法是根據(jù)實(shí)測的軋件溫度分布或軋制力等參數(shù)，基于仿真模擬反算確定接觸熱交換系數(shù)，該方法測試結(jié)果受測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和反算模型的影響，難以準(zhǔn)確建立軋輥軋制力及界面溫度對熱交換系數(shù)的影響。目前，熱交換系數(shù)的測試主要圍繞鋼板軋制過程，對鋁合金熱軋過程熱交換系數(shù)的研究較少。研究人員針對5182鋁合金熱軋過程軋輥與板 材的熱交換系數(shù)開展等效測試方法研究，為鋁合金熱軋有限元預(yù)測模型中熱交換系數(shù)的測試提供參考。

1、測試原理

根據(jù)傅里葉定律，材料的熱流密度q等于熱傳導(dǎo)系數(shù)λ與溫度梯度dT/dx的乘積，如式（1）所示。

根據(jù)對流換熱牛頓冷卻公式，熱交換系數(shù)h與q和界面部位溫差ΔT相關(guān)，如式（2）所示。

因此，熱交換系數(shù)h可用式（3）表示。

對于熱軋過程軋輥與鋁合金板材之間的接觸熱交換系數(shù)，可按照式（3）進(jìn)行一維熱交換試驗(yàn)。采用42CrMo 模具鋼加工制備軋輥一維熱交換等效試樣，直徑為20mm，加熱端采用電阻絲加熱平臺進(jìn)行加熱；采用5182鋁合金制備一維熱交換試樣，其冷卻端采用拉伸試驗(yàn)機(jī)施加壓力。通過不同壓力下一維熱交換試驗(yàn)的溫度梯度分布規(guī)律，建立熱交換系數(shù)h與溫度T、接觸壓應(yīng)力P之間的關(guān)系。一維熱交換系數(shù)及溫度梯度測試方法如圖1所示。

2、測試方案

2.1 材料熱導(dǎo)率測試

由式（3）可知，接觸熱交換系數(shù)的前提是需要測試分析材料的熱導(dǎo)率。采用激光閃射法測試獲得了5182鋁合金在不同溫度下的熱導(dǎo)率曲線，如圖2所示。

2.2 軋輥等效一維熱交換試樣制備

軋輥表面粗糙度對熱交換系數(shù)的影響顯著，采用粗糙度儀測試軋輥表面粗糙度，其值為1.71μm。采用42CrMo模具鋼制備軋輥一維熱交換等效試樣，端面采用車床進(jìn)行車削，車削完成后端面粗糙度測試結(jié)果為1.70μm，該粗糙度與軋輥表面粗糙度基本保持一致。

2.3 熱交換系數(shù)測試

將軋輥一維熱交換等效試樣和5182鋁合金一維熱交換試樣端部對齊后，放置在拉伸試驗(yàn)機(jī)工作臺上，拉伸試驗(yàn)機(jī)上壓頭對5182鋁合金一維熱交換試樣冷卻端施加壓力；軋輥一維熱交換等效試樣加熱端采用電阻絲加熱平臺進(jìn)行加熱，界面熱交換系數(shù)及溫度梯度測試現(xiàn)場如圖3所示。通過調(diào)節(jié)拉伸試驗(yàn)機(jī)壓力以及電阻絲加熱溫度，實(shí)現(xiàn)接觸面應(yīng)力與溫度的調(diào)節(jié)，采用與接觸面等間距的熱電偶分別采集軋輥一維熱交換等效試樣和5182鋁合金一維熱交換試樣的溫度梯度，熱電偶采集到的溫度保持穩(wěn)定后，讀取各熱電偶的溫度并繪制溫度梯度曲線，進(jìn)而得到界面部位溫差ΔT，依據(jù)式（3）實(shí)現(xiàn)熱交換系數(shù)的測試。

一維熱交換試樣橫截面的直徑為20mm，分別設(shè)定接觸界面壓應(yīng)力為10，20，30，40，50MPa，則需要對一維熱交換試樣的端部分別施加3141.6，6283.2，9424.8，12566.4N的壓力。通過改變加熱平臺的加熱溫度，實(shí)現(xiàn)接觸界面溫度的調(diào)節(jié)，方案A~D的加熱溫度分別設(shè)置為300，400，500，600℃，待到一維熱交換試樣的溫度平衡后，獲得接觸界面不同應(yīng)力及溫度時的溫度梯度（見圖4）。接觸界面不同應(yīng)力及溫度條件下的一維熱交換試驗(yàn)參數(shù)如表1~5所示。

3 熱交換系數(shù)模型構(gòu)建

以溫度為橫坐標(biāo)，熱交換系數(shù)為縱坐標(biāo)，可繪制不同接觸壓應(yīng)力條件下熱交換系數(shù)隨加熱溫度的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知：在相同接觸壓應(yīng)力條件下，熱交換系數(shù)隨著溫度的升高而逐漸增大，并且增大速率逐漸加快，近似滿足對數(shù)關(guān)系。相同接觸界面溫度條件下，熱交換系數(shù)隨著接觸壓應(yīng)力的增大而增大。

對熱交換系數(shù)取對數(shù)處理，可繪制不同接觸壓應(yīng)力下熱交換系數(shù)的自然對數(shù)ln h隨加熱溫度T的變化曲線，如圖6所示?？芍?0，20，30，40，50MPa下熱交換系數(shù)的自然對數(shù)ln h與界面溫度T呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，分別如式（4）~（8）所示。

以接觸壓應(yīng)力P為橫坐標(biāo)，以式（4）~（8）的斜率為縱坐標(biāo)，可知斜率與接觸壓應(yīng)力P近似滿足線性關(guān)系，如圖7所示。以接觸壓應(yīng)力P為橫坐標(biāo)，以式 （4）~（8）的縱坐標(biāo)截距為縱坐標(biāo)，可知截距與接觸壓應(yīng)力P同樣近似滿足線性關(guān)系，如圖8所示。因此，熱交換系數(shù)的自然對數(shù)ln h與界面溫度T、接觸壓應(yīng)力P之間的關(guān)系如式（9）所示。因此，熱交換系數(shù)h與界面溫度T、接觸壓應(yīng)力P之間的關(guān)系如式（10）所示。

4 熱軋有限元模型的建立及溫度場驗(yàn)證

建立5182鋁合金板材熱軋預(yù)測模型，板材經(jīng)過21道次，厚度由初始厚度540mm軋至24mm，采用式（10）作為軋輥與板材表面熱交換系數(shù)的熱軋邊界條件。5182鋁合金板材熱軋過程溫度場分布云圖如圖9所示。

采用熱電偶測試5182鋁合金板材熱軋過程中上表面中心部位P1的溫度，并與熱軋有限元模型相同部位的溫度變化曲線進(jìn)行對比，如圖10所示。測試結(jié)果表明，熱軋模擬溫度與測試溫度吻合度較好，熱軋模擬結(jié)果能夠表示熱軋過程溫度場的變化情況。

5 結(jié)語

（1）基于5182鋁合金板材熱軋過程軋輥與鋁合金的接觸條件，建立了接觸熱交換系數(shù)測試模型，實(shí)現(xiàn)了接觸面不同接觸壓應(yīng)力、不同溫度下的熱交換系數(shù)測試，研究了接觸熱交換系數(shù)與接觸壓應(yīng)力及界面溫度之間的關(guān)系。

（2）測試結(jié)果表明，隨著溫度的升高以及接觸壓應(yīng)力的增大，接觸熱交換系數(shù)逐漸增大，熱交換系數(shù)與溫度、接觸壓應(yīng)力之間滿足一定關(guān)系。

（3）建立5182鋁合金板材熱軋有限元預(yù)測模型，并提取典型部位的溫度變化曲線，然后與溫度試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者吻合度較好，表明建立的接觸熱交換系數(shù)模型能夠表示熱軋過程的軋輥與板材的熱交換情況。

作者：王軍強(qiáng) 1，劉華春 2，李清 1，牛關(guān)梅 1，周保成 1，曹海龍 1

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