Page 34 - 理化检验-物理分册2025年第五期
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王军强，等：5182铝合金板材热轧过程接触热交换系数等效测试方法
量精度相对较低。反算法 [12] 是根据实测的轧件温度 根据对流换热牛顿冷却公式，热交换系数h与q
分布或轧制力等参数，基于仿真模拟反算确定接触热 和界面部位温差ΔT相关，如式（2）所示。
q
交换系数，该方法测试结果受测试数据的准确性和反 h =/ T （2）
Δ
算模型的影响，难以准确建立轧辊轧制力及界面温度
因此，热交换系数h可用式（3）表示。
对热交换系数的影响。目前，热交换系数的测试主要
T
围绕钢板轧制过程，对铝合金热轧过程热交换系数的 h =λ d /dx （3）
Δ T
研究较少。笔者针对5182铝合金热轧过程轧辊与板
对于热轧过程轧辊与铝合金板材之间的接触热
材的热交换系数开展等效测试方法研究，为铝合金热
交换系数，可按照式（3）进行一维热交换试验。采
轧有限元预测模型中热交换系数的测试提供参考。
用42CrMo模具钢加工制备轧辊一维热交换等效试
1 测试原理 样，直径为20 mm，加热端采用电阻丝加热平台进行
根据傅里叶定律 [13] ，材料的热流密度q等于热 加热；采用5182铝合金制备一维热交换试样，其冷
传导系数λ与温度梯度dT/dx的乘积，如式（1）所示。 却端采用拉伸试验机施加压力。通过不同压力下一
dT 维热交换试验的温度梯度分布规律，建立热交换系
q = λ （1）
dx 数h与温度T、接触压应力P之间的关系。一维热交
式中：T为温度。 换系数及温度梯度测试方法如图1所示。
图 1 接触热交换系数及温度梯度测试方法示意
2 测试方案 端面采用车床进行车削，车削完成后端面粗糙度测
试结果为1.70 μm，该粗糙度与轧辊表面粗糙度基本
2.1 材料热导率测试
由式（3）可知，接触热交换系数的前提是需要 保持一致。
测试分析材料的热导率。采用激光闪射法 [14-15] 测试 2.3 热交换系数测试
将轧辊一维热交换等效试样和5182铝合金一维
获得了5182铝合金在不同温度下的热导率曲线，如
图2所示。 热交换试样端部对齐后，放置在拉伸试验机工作台
上，拉伸试验机上压头对5182铝合金一维热交换试
样冷却端施加压力；轧辊一维热交换等效试样加热端
采用电阻丝加热平台进行加热，界面热交换系数及温
度梯度测试现场如图3所示。通过调节拉伸试验机压
力以及电阻丝加热温度，实现接触面应力与温度的调
节，采用与接触面等间距的热电偶分别采集轧辊一维
热交换等效试样和5182铝合金一维热交换试样的温
度梯度，热电偶采集到的温度保持稳定后，读取各热
电偶的温度并绘制温度梯度曲线，进而得到界面部位
温差ΔT，依据式（3）实现热交换系数的测试。
图 2 5182 铝合金在不同温度下的热导率曲线 一维热交换试样横截面的直径为20 mm，分别设
2.2 轧辊等效一维热交换试样制备 定接触界面压应力为10，20，30，40，50 MPa，则需要
轧辊表面粗糙度对热交换系数的影响显著，采 对一维热交换试样的端部分别施加3 141.6，6 283.2，
用粗糙度仪测试轧辊表面粗糙度，其值为1.71 μm。 9 424.8，12 566.4 N的压力。通过改变加热平台的加
采用42CrMo模具钢制备轧辊一维热交换等效试样， 热温度，实现接触界面温度的调节，方案A~D的加
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