（动力工程及工程热物理专业论文）喷洒和浸没对高温钢板冷却特性影响的实验研究.pdf

中文摘要 摘要 控制冷却技术是控制轧后钢板的冷却速度以细化铁素体晶粒，减少珠光体片 层间距，阻止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果而采用的工艺，可作为 在线进行淬火等热处理工艺的手段。喷淋冷却技术是重要的控制冷却技术之一， 在冷却过程中，喷淋表面的换热系数是量化冷却介质冷却能力的重要参数，也是 进行冷却控制设计的重要参数。本文针对圆柱孔形喷嘴、散射喷嘴以及缝隙式喷 嘴的喷淋冷却进行了实验研究，并探讨了钢板厚度对喷淋冷却的影响；本文还实 验研究了浸没冷却时冷却参数对浸没冷却速率的影响。 研究发现，随着喷淋压力增加，冲击区中心冷却率变化速度加快，喷淋表面 换热能力增大；对于圆孔柱型喷嘴，随着喷淋压力增加，喷淋距离对钢板表面冷 却能力的影响有所减弱，而散射角喷嘴和缝隙式喷嘴的这种现象不明显。喷淋高 度对换热的影响不明显，大多数情况下喷淋高度为1 0 0m m 时冷却略快。而平流区 换热情况较复杂，但散射角喷嘴则随着压力增加平流区中心冷却率变化速率增加； 缝隙式喷嘴换热系数最大值出现在喷射压力为o 5m p a 时，而圆孔柱型喷嘴的最大 换热系数点则出现在0 8m p a 。 采用倾斜喷射时，冲击区中心冷却率变化速率减慢，换热系数减小，而平流 区的换热系数较垂直喷淋时明显增大，冲击区和平流区的温差减小，采用倾斜喷 淋时整个钢板的冷却均匀性有明显改善。垂直喷射时，散射角喷嘴同一截面平流 区和冲击区温差最小，温度均匀性最好。 当面雅克比数比 0 3 时，表面热流密度随着比数的下降急剧变化，而后又平 缓的上升或下降，冷却终了又急剧下降。换热系数五随彪数的下降而上升，随后 达到最大值。在冷却过程中喷淋表面的换热系数会随着表面温度降低先上升后下 降，中间出现峰值，而峰值大概出现在沈数在o 0 3 0 0 8 之间。钢板厚度变化不会 对钢板表面换热能力产生明显影响，而钢板的中心冷却速率变化率却随着厚度的 增加明显下降。 基于沸腾理论和喷淋冷却实验结果，建立了三种喷嘴喷淋冷却时的换热系数 预测模型；模型预测结果与实验结果吻合较好。基于喷淋冷却过程中钢板表面温 度的变化，针对工程中应用最为广泛的区间建立了平均换热系数的预测模型；模 型预测结果与实验结果吻合很好。 浸没冷却实验发现，液滴飞溅对高温钢板起到了预冷作用，在淹没液位上升 过程中，高温钢板纵向导热越来越强，被淹没位置具有很高的中心冷却速率；研 究还发现，高温钢板被淹没位置的中心冷却速率并不随浸没速率单调变化，而是 重庆大学硕士学位论文 在一定区内呈起伏变化，这说明在某个淹没速率下存在一个最小中心冷却速率的 区间；高温情况下，初始温度对中心冷却速率影响不大。 关键词：控制冷却，喷淋，浸没，实验，换热系数 i i a b s t r a c t c o n t r 0 1 l e dc o o l i n gi sa i m e da ti l i l p r o v i n gn l es m l c t u r ea n d 1 e p r o p e f t i e so fs t e c l b yc o n n d i l m gt h ec o o l i n gr a t ea r e rr 0 1 1 吨s t e e lp l a t e i ti sa l s oah n d o ft e c h n 0 1 0 9 v u s e dt oe 血a n c em ep r e c i p i t a t i o ne 毹c t s b yr e 鼬n gm e 蹴t e 鲥n ，r e d u c i n gm e s p a c m gb e 附e e np e 砌i t ei n t 甜锄e 1 1 a ra n dp r e v e n 恤g 也ep r e c i p i 枷o no fc 抽i d e sa t n l g l lt e m p 咖e sa n dr e g a r d e da sam e m o do fh e a t 缸e 锄e n ts u c ha so n n ec o o l i n g s p r a yc o o l m g1 so n eo ft 1 1 em o s ti m p o n a n tc o n 仃d 1 1 e dc 0 0 1 i n gt e c h n 0 1 0 醪d 咖g t h e p o do tc o o l m g ，也eh e a t 仃a n s 衔c o e 伍c i e n to fs p r a ) ，i n gs 蚓ei s a 1 1i m p o r t a i l t p a r a m e t e rt oq u a n t i 母t h ec o o l i n gc a p a c 时o ft h ec o o l i n gm e d i u ma n di ti s 出s o a 1 1 1 1 n p o r t a i l tp 繇l n l e t c ri nc o o l i l l gc o i 沏o ld e s i 弘i n 也i sp a p e r ，w et a k ee x p 嘶m e l l t so n c y l l n d n c 引n o z z l e ，s c a t t 甜n gn o z z l ea n dc r e v i c en o z z l ea n de x p i o r e 也ei n n u e n c eo f p j a t et h l c i ( n e s so nt 1 1 es p r a yc o o l i n g a p a r tf o n l lt h es p r a y i n ge x p e r i m e n t ，t h ee 虢c t0 f t h ei i i m l e r s i o nc 0 0 1 i n g p a r a m e t e r sh a sb e 锄s t u d i e di 1 1t 1 1 i sp a p e ra sw e l l w ef o u n dt l l a tw 池m e i i l c r e a s i i l gp r e s s w eo fi m p a c tz o n e ，也ec e n 仃a 1c 0 0 1 i n gr a t e s p e e d su pa n dt h ec a p a c 时o fh e a t 廿a n s f 白o fs p r a ys u r f a c ei n c r e a u s e s a s f o rt h e c y 上m d n c a lh 0 1 en o z z l e ，t 1 1 ei n n u e n c eo nc o o l i n gt h es u r f a c eo fs t e e lb e c o m e sw e a k a s 士o rt h es c 甜e n n ga n 哲en o z z l ea n ds l i t 蛔e c t o r ，t h i sp h e n o m c n o n i sn o to b v i o u s s p r a y m gh e l 班td o e sn o th a v eab i gi n n u e n c eo nh e a t 乜a n s f 瓦i nm o s tc a u s e s ，c o o i i n g b e c o m e ss l l g b t l y t e rw h e nt 1 1 es p r a y h e i 曲ti s1 0 0m m h e a t 咖s 断i sv 町c o m p l e x ma d v e c h o nz o n ew h i l eq u i t eu n i f o n ni ns c a t t 眺ga l l 哲e n o z z l e ，c 髓乜a 1c o o l i n gr a t e b e c o m e s 士a s t e i 。w h i l em ep r e s s u r es p e e d su p c a p a c i t yo fh e a t 仃a n s f e re n h a l l c e d 恤l e t i l es p r a yh e l g h ti n c r e a s e s t h eg 印t y p e p e a k sa tm ec i r c u m s t a n c eo fo 5m p a 、h i l e h 0 1 ec y l i n d c a lp e a k sa t0 8m p a w h e nw eu s e 也ei n c l i i l e ds p r a 弘t l l ec o o l i n g r a t eo fi m p a c tz o n ed e c r e a s e sa 1 1 dt h e h e a t 仃a n s 缸c o e 伍c i e mr e d u c e d 、) i ，h i l e 也e c 0 0 1 i n gr a t eo fs 臼- a t o s p h 甜ca c c e l e r a t e s n o 钮c e a b l ya l o n gw l t hm eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n t ( r e l a t i v et ot 1 1 ev e r t i c a ls p r a y ) 1 1 1m e p r o c e s so tc o o l m g ，t h et e n l p e e a n l r ed i 圩e r e i l c eo fi i i l p a c t z o n ea n da “e 嘶o nz o n e b e c o m es m a l l e r t h eu s eo f i n c l i n e ds p r a yi m p r o v e sa 1 1m e 1 l n i f o m i 够s i 蛳f i c 觚t l vi n t h ew h o l es t e e lp l a t e m e nw eu s ev 酬c a ls p r a y ，t l l em i n i m 啪t e m p e r 抵d i 脑e i l c e b e 咐e e n1 i n p a c tz o n ea n da d v e c t i o n z o n ea n dt h eb e s tt e m p e r a t l l r eu n i f o 皿嘶h a v eb e e n g o tu s i n gt t l es c a 位e r i n ga n 百en o z z l e a c c o r d m gt ot h eh e a tn u xa 1 1 dh e a t 仃孤s f e rc o e 街c i e n ta l o n gw i m t h e 妇c 1 】r v e i i i 重庆大学硕士学位论文 w h e n 如i sb i g g e rn l a i l0 3 ，m eh e a tn o wo ft h eu p p e ra n dl o w e rs _ u r f a c ec h a n g e 血腿a t i c a l l yw i t ht h ec h a n g eo f 比a sm e 砌d e c l i n e s ，也eh e a tn u x 伊a d u a l l yr i s eo r d e c l i i l ea n df i n a l l yd r o p p e ds h a i p l y h e a tt r a n s f 打c o e 伍c i e n t r i s e su pw i t h 也ed e d i n e o f 。，aa n dt h a na m v ea tt h em a x i m u m t h eh e a t 仃a n s f 旨c o e 伍c i e i l tr i s e sa n dt h e n d e c l i i l e sd u r i n gm ep 甜o do fc o o l i n ga i l dm em a x i 1 啪a p p e a r sw h e n 妇i sb e 帆e e i l o 0 3a l l do 0 8 t h er e s e a rc _ hf o u l l dt h a tm e 廿1 i c k n e s so fs t e e lp l a t ed o e s n th a v ea n ys i g n i 6 c a n t i m p a c to nm ec a p a c i t yo ft h es 1 1 r 龟c eo fs t e e lp l a t ew h i l et h ec o o l i n g r a t eo ft h ec 删 s t e e lp l a t ed e c r e a s e sd r 锄a t i c a l l yw i mm ei n c r e a s e so ft h e 也i c l m e s so fs t e e lp l a t e i i lt h i sp a p w ee s t a b l i s h1 ：h 1 e en o z z l es p r a yc 0 0 1 诬gh e a tt r a n s f 矗c o e 街c i e n t p r e d i 砸o nm o d e lb a s e do nt h eb o i l i n g 也e o r ya n dc o o l i n ge x p 甜m e n tw h i c hh a v eb e p r o v i d e db yp r e v i o u sr e s e a r c h m o d e lp 同i c t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa 伊e ew e l lw i mt h eh 0 1 ec y l i n d r i c a l n o z z l ea n d 也es c a 仕嘶n ga n 9 1 en o z z l ee 仃0 r l e s st h a n + 一3 0 w h i l et 1 1 eg 印n o z z l ee 玎0 r w i t h i n + - 4 0 s u r f a c et e i n p e r a c l 王r ec h a n g e si l lt h es p r a yc o o l i n gp r o c e s sf o rt h ep r o j e c t i nt 1 1 em o s tw i d e l yu s e d 啪g e 丘o mm ee a r l yc 0 1 dt oaj a c q u e sc r e a t e dt h a nt l l em u n b e r o f a v e r a g e h e a r仃a i l s f 旨c o e m c i e n tp r e d i c t i o nm o d e l ，m o d e l p r e d i c t i o n s a l 】_ d e x p d 妇e n t a lr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n t w h a t sm o r e ，l l i l d e rt h ei m m e r s i o nc o o l i n gc o n d i t i o n ，t h e1 i q u i ds p a t t e r sc a n p r e c o o lm ep l a t ea th i 曲t e m p e r a t l l r e ；m eh e a t 仃a n s f 醯i nt 1 1 ev 酬c a ld i r e c t i o nh a sb e e n e n h a n c e dw i t hm ei n c r e a s i n g1 i q u i d1 e v e la i l dt h ec 锄t e rt e i 】1 p e r a ：t w ec o o l i n gs p e e di s v e r yh i 曲t h ee x p 舒m e n t sr e v e a lt h a tt h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e 时e e nm ec e n t e r t e i n p e r a l 眦ed r o p p i n gs p e e d a i l dt 1 1 el i q u i dl e v e li n c r e a s i n gs p e e d ，a 1 1 di ts h o w sa 1 1 u - s h a p et r e i l dw h i c hs u g g e s t sm a tam i n i m u 】nc e n t e rt e i n p e r a t u r ed 工o p p i n gs p e e de x i s t s d u 咖gr e w e t t i n g 丽也ac e n a i nl i q u i d 1 e v e li i l c r e a s i n gs p e e d w i mh i 曲e ri n i t i a l t e m p e r a t u r e ，t h et e i 叩e r a t u r ed r o p p i n gs p e e di s a f f e c t e d b yt h ei n i t i a lt e l l l p e r a h l r e m i l d l v k e y w o r d s ： c o n 仃d 1 1 e d c o o l i n g ，s p r 咖n g ， i m m e r s i o n ， e x p e 血n e n t ， h e a tt r a n s f e r c o e 伍c i e n t 主要符号表 如b ，c a ，b ，c b f c p e g g j i z 办绝 i 3 口 尼 三 m n p g ( g w ) r s s q f 丁 冶 形 x 希腊字母 a 臼 善 s v 主要符号表 式5 1 中参数i 式6 1 中参数i 热电偶标号 模型钢板三个窄面 毕渥数 定压比热容( j 瓜g k ) 不锈钢水桶底部到竖直放置钢板顶部高度( 眦1 ) 打孔偏心度( i m ) 喷淋密度( k g m 2 ) 换热系数( k w m 2 kw m 2 k ) 汽化潜热( j 蚝) 模型钢板长度( m m ) 雅克比数 浸没冷却时冷却速率 喷淋高度( m m ) 喷淋距离( m m ) 喷嘴流量( k g m i n ) 喷淋压力( m p ab a r ) 热流密度( k w m 2 ) 中心冷却率 模型钢板厚度( m m ) l 喷淋水覆盖面积( m 2 ) 均方差 时间( s ) 温度( o c ) 喷淋水速度( k g m 2 s ) 钢板宽度( m m ) 距离( m m ) 导热系数 喷淋角度 相对误差 绝对误差 浸没速度 ( w m k ) ( o ) ( m m s ) i x 重庆大学硕士学位论文 一 初始时刻 模型中距表面3m m 热电偶 平均 。 中心 预测 钢板下表面 壁面i 水 x 标 印 _ o 3 a c 嘲u w 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 1 1 1 国内外控制冷却技术概述 控制冷却技术是控制轧后钢板的冷却速度以达到改善钢材组织和性能为目 的；是为了细化铁素体晶粒，减少珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析出， 以提高析出强化效果而采用的控制冷却工艺，可作为在线进行淬火等热处理工艺 的手段【l 】。在冷却过程中，喷淋表面的换热系数是量化冷却介质冷却能力的重要参 数，也是进行冷却控制设计的重要参数【1 。控制冷却技术是当代钢铁产业最重要的 技术之一。上世纪六十年代末期，日本从欧洲和美国引进了控制轧制技术，随后 投入了大量的精力对控制轧制技术进行了研究，使之成为世界上控制热轧技术头 号强国。但到了七十年代，传统的热轧技术不能满足金属强度、热处理后的韧性 和焊接性能的要求。由于水的廉价性，人们致力于用水作为冷却工质，对中厚钢 板进行冷却。 二十世纪八十年代，美国人在匹兹堡市在对厚度s = 2 5 4m i n 的中厚钢板进行 了控制冷却实验，这是人类首次对厚度超过1 6i i l n l 的钢板进行控制冷却实验，得 到了最初的中厚板控制冷却实验的实验参数【2 】。随后，日本的热轧冷却装置o l a c 在日本福山钢铁厂研制成功，这是世界上第一个成套中厚板快速冷却装置。随后， 日本的神户制钢，住友金属等钢铁企业通过实验的方法对控制冷却技术进行了研 究，对控制冷却装置进行了改造，取得了一些成绩，但是还有很多不足，针对这 些不足提出了一些解决方法。例如针对冷却能力不足，提出了增加冷却水流量和 安装高位水箱的方法；上下冷却不平衡，采取了调整上下水量或者上下采取不同 的冷却方式的方法；安装了传感器来提高控制温度精度和控制冷却速率；研究出 了喷嘴流量可调和多段冷却的方法来控制终冷温度和冷却速率等【j j 。 我国研究控制冷却技术起步较早，但开始投入不大，研究的总体思路是从西 方发达国家引进先进的设备进行研究，结合自己的理论和实验结果，形成自己的 自主知识产权。最早我国利用的是水幕冷却的方法进行控制冷却，但是，项目并 不顺利。虽然在1 9 8 5 年，我国利用水幕冷却的方法在鞍山钢铁厂半连轧厂自己建 成了第一套由自己完全生产的控制冷却装置，但是该装置冷却能力严重不足，钢 板冷却均匀性很差，根本不能达到产品质量工艺的要求。随后，邯钢、重钢、柳 钢等在九十年代安装了改进的水幕冷却装置，新的冷却装置的性能有了一些提搞， 但是还有不少不足【4 1 。我国还有一些钢铁企业的控冷设备从国外引进，然后进行改 造，例如武钢从日本购买1 7 0 0m m 生产线的层流冷却装置，随后进行了改造。 重庆大学硕士学位论文 为了提高冷却能力和冷却范围，提高冷却的均匀性和稳定性，曾提出过多种 冷却方式，主要有以下几种【l ，纠： 1 1 高压喷射冷却。喷射部位的控制性好，可喷射到需要冷却的部位；由于喷 射水是连续的，因此不会出现间断现象；穿透力强，对影响换热的汽膜的破坏性 较大。但是，此种冷却方式水的用量很大，会产生严重的液滴飞溅，并且水很难 循环使用，故水的利用率不高；对喷嘴和水质的要求较高，如果水质或者喷嘴达 不到要求，很容易造成喷嘴堵塞。 2 ) 层流冷却。目前使用最多的中厚钢板冷却方式之一【6 】，此种冷却方法早在 二十世纪六十年代的英国的布林斯奥恩就有使用，当时的4 3 2m m 窄带钢热轧机为 最早的层流冷却系统【5 。在我国的鞍钢厚板厂，首钢厚板厂等钢铁企业和日本的福 山厚钢厂，新日铁等国外钢铁均企业主要使用层流冷却方法对轧制后钢板进行控 制冷却 卯。由于层流冷却的水压力很低，所以冷却水不会飞溅；冷却水流保持层流 状态，有较强的冷却能力；此种冷却方式冷却水布置较均匀，冷却对钢板内部温 度分布也较均匀，能耗不大。虽然此种冷却方式投资不算大，但系统较庞大，冷 却区较长，如果发生设备损坏的状况，修理较复杂。一般用于上表面冷却。 3 ) 水幕( 条状缝隙) 冷却。水幕冷却是二十世纪七十年代逐渐发展起来的一种 冷却方式，也是目前使用最多的冷却方式之一 6 。目前使用较多的是可调水幕冷却， 也就是可以调整冷却水向，使得冷却水不在高温钢板的表面停留。此种冷却方式 在我国的重钢和日本的新日铁八幡厂均有使用。此种冷却方式水流也是保持层流 状态，冷却能力强，冷却速度快；比起层流冷却，冷却距离大大缩短；对水质的 要求不高；设备较易维护；能耗小，投资也不大。但是，整个冷却区域的冷却均 匀性较差；可调整的冷却速度范围也不大。 4 ) 喷雾冷却。此种冷却方式是将空气加压使水雾化，形成汽雾喷向被冷却钢 板表面，通过单相或沸腾换热带走高温钢板表面的热量的一种冷却方式。最早在 二十世纪八十年代由法国人发明。此种冷却方式冷却能力强；冷却均匀性好；调 节范围广；水的利用率高。但设备较复杂，投资大，设备损坏后维修较复杂；冷 却车间噪音较大，环境较差，易对工人造成听力和身体上的伤害。 5 ) 板湍流冷却。此种冷却方式就是直接将轧制后的钢板浸入水中，冷却速率 极高。但冷却速度很难调节，水量也很大，所以目前在大的钢铁生产企业使用较 少。 6 ) 淬火冷却。冷却速度快，冷却能力强，多用于合金的冷却。冷却均匀性差， 使用的钢板种类较少，容易产生变形。 此外，还有风冷，空冷，缓冷或堆冷等冷却方式，使用不多。喷淋冷却将在 1 1 4 中详细说明。 l 绪论 值得说明的是，实际生产过程中，很多钢铁生产企业的冷却方式采用的是多 种冷却方式的综合而不是单独使用某一种冷却方式。如邯钢中板厂的冷却装置中， 上喷淋装置采用的是水幕冷却，而下喷淋装置采用的是喷射冷却。这是根据生产 目的和每种冷却方式的特点制定的。 1 1 2 表面换热系数的测量和计算方法 计算高温表面沸腾换热系数 需要高温表面的表面温度和热流密度，由于高 温表面温度很难直接测量，计算换热系数所用的热流密度口为非直接测量的物理 量，故一般需要进行替代或者通过测量其他量求得高温表面的换热系数。 w e n d e l s t o “7 8 】等人用薄镍板做喷淋实验，喷淋镍板的上表面，而下表面绝热。 镍板的厚度为1 0m m ，在镍板的下表面布置了热电偶，用该温度死来代替上喷淋 表面的温度。换热系数的计算关系式为： 胁警等乳 其中，s 为计算得到的喷淋水覆盖面积，a 孔况由数值计算得到。w e n d e l s 幻r f 认为， 这种计算方法在稳定膜态沸腾区有1 0 3 0 的误差，其他的沸腾区域有3 0 以上 的误差。 a b d u r r a b i mb o l u k b a s i d o g a nc i l o 西u 【9 】将高温金属棒浸入水中，热电偶插入金 属棒中心，他认为在此过程中，毕渥数b f 小于o 1 ，所以表面温度与中心温度差不 超过5 1 0 】，所以用金属棒的中心温度代替表面温度。同样，其通过能量平衡，利 用进入液体的温升计算出热流，随后得到换热系数。 1 1 3 高温表面膜态沸腾的研究现状 1 9 3 4 年n 也v 锄a 1 l 】通过在水中浸入通电的白金丝实验得到了壁面过热度与 热流密度的沸腾曲线，是分析沸腾换热最早的依据。不同条件下的沸腾曲线不同， 但大体趋势相同。图1 1 为w 曲d e l s t o 一。7 等人用全锥形喷嘴在质量流速玩= 1 0 k g ( m 2 s ) 时的喷嘴正下方( 冲击区) 单面喷淋所得到的沸腾曲线。其中，横坐标为 壁面过热度丁，纵坐标为沸腾表面换热系数 ( j l z = g r ) 和热流密度g 。在壁面过 热度非常小的阶段，在核态沸腾阶段，过热壁面上产生的是孤立的汽泡。随着壁 面过热度的升高，汽泡产生量增加，换热系数和热流密度均增加，壁面过热度到 达一定阶段后，热流密度达到一个最大值，暨c h f 点。壁面过热度继续增大，出 现部分汽泡脱离受阻，壁面被一部分汽泡覆盖，传热受阻，热流密度降低，进入 过渡沸腾阶段，直到热流密度极值点( l e i d e n 舶s t 点) ，随后进入稳定的膜态沸腾 阶段。在金属淬火过程中，金属表面温度将不仅远高于冷却剂的饱和温度，也远 高于l e i d e n 舶s t 点。这时，表面会形成一层稳定的汽膜，这层汽膜会阻碍表面的 换热。因此，在稳定膜态沸腾区域，固体的冷却效果相对并不好。一旦固体的表 重庆大学硕士学位论文 面低于l e i d e l l 6 o s t 温度，稳定的汽膜会被冲破，进入过渡沸腾区，进而进入核态 沸腾区域。在核态沸腾区，换热系数高，冷却效果好。 黑 羊 量 芭 譬 r = 正霉【l q 图1 1 ：喷淋示意图及沸腾曲线( v 。= 1 0k ( m 2 s ) ) f i g 1 1 s p r a yc 0 0 l i i l gs c h e m aa i l db o i l i l l gc u r v e ( v s = lok g ( m 2 s ) ) 在膜态沸腾中，液体与固体不直接接触，换热是通过覆盖在固体面上的汽膜 来控制的。目前对于一些特殊情形，可以得到与实验结果较符合的解析解。一般 认为膜态沸腾的换热系数的大小主要取决于液体与壁面之间的气( 汽) 膜厚度， 不少学者得到了某些特殊工况下膜态沸腾的分析模型或经验关系式。早在1 9 5 0 年， b r o m l e vl 【1 2 】受到了膜态凝结对流换热n u s s e l t 公式的启发，考虑没有宏观流动的 沸腾并且气体惯性可忽略，利用逼近的方法，第一个提出了水平圆管里利用来预 测饱和条件下膜态沸腾换热系数的经验模型( 式1 2 ) 。其中，饱和液体密度向和潜 热五垃由饱和温度决定，定性温度为平均温度= ( 兀+ 疋) 2 ，特征长度为管内径。 办：o 6 2 f 堕丛堕! 丛：i l 4 ( 1 2 ) 。 。d ( f ，一t ) 。 m e n e 和c l a r k 【1 3 通过将直径为2 5 4m m 的铜球放入液氮里，取铜球直径为特 征长度，也可用该式计算其换热系数。 b e r e n s o n 利用t a 【v l e r 失稳波长导出了水平板膜态沸腾换热系数【l l j 计算关系式： 4 薯 薹 静 1 绪论 l c 2 r 庀；以印见。 1 l 4，1 ( 2 万3 ) 4 。r ( 仃g p ) 2 。 其中，c 2 = 0 9 5 。g r e i t z e r 【1 4 j 等人通过解析方法研究了竖直表面的膜态沸腾。他们假 设蒸汽层开始由大的蒸汽块和薄层组成，并且假设汽膜层的波纹以定速向上运动。 b u i 和d h i r 【l5 j 假设固体表面是不光滑的，由许多大小波纹组成，他们通过分析方 法得到了竖直表面膜态沸腾等温线上薄液层处和大块汽泡处的换热系数。k o l c v n i 【l6 j 通过数值模拟，研究了竖直平板和球状固体上饱和与非饱和的膜态沸腾换热。 j e s c h a r 等人 1 7 发展了饱和自然对流n u s s e l t 关系式，得到了平板浸入水中的膜态沸 腾模型。n i s h i o 等人【1 8 】建立了v a p o r - u 1 1 i t f i l m 模型和大空间内水平表面和竖直管道 膜态沸腾的换热关系式，k e l v i n h e l m h 0 1 t z 不稳定波长也是通过v a p o r - u n i t - 6 l m 模 型来分析得到的。 一些学者通过数值计算的方法模拟了膜态沸腾换热。s r i m v a s a n 1 9 】通过有限差 分法数值计算了层流膜态沸腾的换热，他在计算过程中，最基本的对流换热方程 通过人工瞬变法处理，得到最后的换热模型。该模型与实验结果较吻合。d h i r 【2 叫 等人模拟了水平表面上饱和膜态沸腾的换热，汽膜厚度和换热系数都随着时间和 空间而变化。f a r z a d 【2 1 】计算了绝热竖直表面的膜态沸腾换热，气( 汽) 液相界面通 过水平集方法来处理的，这种方法考虑了气( 汽) 液相转变的作用。连续性方程， 动量方程，能量方程和界面控制方程一样，用有限元差分法得到。目前，现有的 膜态沸腾的模拟与实验结果有2 5 4 0 偏差。 1 1 4 喷淋冷却和液体冲击射流冷却的研究现状 喷淋冷却是液体通过喷管借助高压气体( 气助喷射) 或是依赖本身的压力( 压 力喷射) 使液体加压，强制喷射到被冷却体上，通过沸腾换热和强迫对流的方式， 带走被冷却物体热量，实现对物体的有效冷却的一种冷却方式。喷淋冷却的水为 断破式的，形成液滴群冲击高温物体表面，喷淋冷却装置结构较简单，喷淋冷却 有换热能力强且冷却较均匀，并且冷却水可循环使用等优点，所以广泛应用于钢 板热轧冷却过程中 2 2 ，2 3 1 。当喷淋速度足够大时，就形成了冲击射流冷却。 但是，喷淋冷却也存在冷却速率调节范围小，用水流量大，对水质要求高， 需要的压力较高等缺点。 上世纪六十年代起，一些学者对喷淋冷却进行了研究 2 4 1 。一些研究者把喷淋 水在钢板表面的流动分成3 个区域，如图1 2 所示。喷嘴出来的水直接冲击到区域 a 为冲击区，也叫滞止区。然后水迅速在很短距离内加速到喷流速度。水加速区 域b 叫做加速区，然后水进入平行流区域c 。流线速度理论上来讲应该是喷流速 度。由于加速区域距离很短，所以工业上不考虑或者合并到区域c ，所以一般只将 钢板上后区域分为冲击区和平流区，喷嘴正下方为冲击区，其余区域为平流区， 重庆大学硕士学位论文 两个区域的换热情况不同。 目前的研究基本上集中于冲击区的换热研究，大部分研究者认为，对于特定 的喷淋介质( 工业上为水) ，影响喷淋冷却换热的最主要影响因素是高温表面的过 热度a ，正如前文所述，高温物体表面过热度对沸腾形式有着至关重要的作用。 y a o 等人随2 6 1 用喷淋密度o 3 2k g m 2 的水，在薄的铜板上进行水平喷淋实验，实 验发现最大的热流密度出现在表面温度为1 4 0 一1 6 0 。c ，最大值为2 1 0 6w 触2 ，而 l e i d e n 舶s t 点出现在2 5 0o c 左右。一些学者认为在l e i d 醯舶s t 以后的稳定膜态沸 腾区，热流密度与壁面过热度成正比，如g a u 百e r 2 7 】利用全锥形喷嘴喷淋高温铜棒 的实验得到的数据拟合，得到式1 4 。 g 。= 4 5 0 0 粥“ r 14 、 其中，1 5 0 。c k 3 5 0 。c ，0 7 蜘2 g 2 7 k g m 2 喷淋流速以和喷淋密度g 也是决定喷淋冷却能力的重要因素，n o i l ：n 【2 8 】等模拟 了冲击冷却芯片的换热，他认为流速越大，冷却效果越好，r o i s m a n 等人 2 9 j 认为 喷淋高温物体或产生稳定的汽膜，汽膜厚度是换热的主要影响因素。汽膜阻止热 量从高温物体表面传到液膜，喷淋流速风会影响到汽膜厚度。但是1 1 1 c r o p e r a 【3 u j 的研究表明，在膜态沸腾区，液体流速对冷却性能影响不大。r e i n 【3 1 1 和b e n l a r d i n 【3 2 】 认为，流速对换热的影响很复杂，因为流速不同，可能造成喷淋液体撞击到高温 物体表面上不发生飞溅，形成稳定的膜，也有可能产生水花，当然也有可能发生 飞溅。w e n d e l s t o r f 。7 采用单个喷嘴单面喷淋薄板的方法，通过实验数据( 3 k g ( m 2 s ) = 以= 3 0k g ( m 2 s ) ，2 0 0 。c = 产9 0 0 。c ) 数据拟合出了喷淋冷却的表面换热系 数关于表面过热度和喷淋流速的一个关系式： 拈1 9 0 + 2 5 “a n h ( 詈) ( ( 1 4 0 + 4 ) v 。 1 一高蒜 + 3 2 6 、 0 1 6 蛾1 - t a i l l l ( 彘) ) ) 随后，w 醯d e l s t o r ，3 又用相同的实验工况对氧化层对喷淋的影响进行了研 究，得出氧化层的厚度对换热系数的影响，如图1 3 所示，随着氧化层厚度的不断 增加，钢板表面有效换热系数不断减小，但是随着钢板表面过热度逐渐的增大， 氧化层的厚度对表面换热系数的影响又不大，也就是在高过热度的情况下，氧化 层对换热的影响不大。陈登福 3 4 】等人通过实验数据，拟合了几种喷嘴喷淋水速和 换热系数的关系式，换热系数的范围在4 0 0 3 5 0 0w ( m 2 0 c ) 。 6 1 绪论 s l i - k _ 一 日日曰 图1 2 喷淋冷却换热过程分区 f i g 1 2 s e g r e g a t i o n sd u 血gs p r a yc 0 0 1 i 1 1 9 图1 3 不同厚度氧化层下换热系数的值 f i g 1 3 矗f 研d i 珏e n tv a l u e so f m es c a l l e1 a y e r 吐1 i c k n e s s 1 1 5 工程及学术上存在的主要问题 通过以上对国内外文献研究的综述发现，对热轧钢板喷淋冷却时喷淋面换热 特性的相关研究，国内公开发表的基于实验来开展直接的研究相对较少，与工程 工况相接近的实验数据和结论更少，且研究的影响因素单一。即使在国际上已有 的实验研究中，大多数是采用的单个喷嘴单面喷嘴喷淋冷却，而且喷淋冷却的参 数相对较小，如喷淋冷却压力不大，冷却水流量偏小，冷却初始温度不高等，高 温物体一般也是用熔点高的薄板( 如镍板，黄铜板) 代替，而很少见直接用钢板 所做的实验。倾斜喷射的实验数据更少，更值得研究。而本文将在这些方面有所 提高，如喷淋压力在0 3m p a 到0 8m p a ( 表压) 间变化，采用缝隙式喷嘴时，单 个喷嘴最大流量达到2 5 0k 咖i _ n 以上，喷淋冷却的初始温度为8 5 旺9 5 0 。 在测量和计算高温表面的换热系数过程中，所用到的壁面温度一般采用其他 温度代替，如w e n d e l s t o “7 8 等人实验中，采用薄板下表面温度为喷淋表面温度。 而计算热流也是通过能量平衡算出来的，这样加大了实验误差。 对钢板冷却过程的模型建立，是基于数学物理方程来描述冷却过程中各个参 数间的关系；由于文献研究中建立模型是进行了一定程度的简化，使得参数变量 个数减少，即意味着数学模型具有一定的不完整性；因而，要精确描述钢板的冷 却过程还需要进一步的实验研究。 文献中涉及冷却参数对热轧钢板换热机理影响的分析多为定性的描述，而定 量的研究相对较少。中厚板的实际冷却过程复杂而且非线性强，其终冷过程受钢 板初始温度、钢板厚度、冷却水温、冷却水流量、水冷换热系数等因素的影响， 文献中的大多数研究并没有综合考虑各个参数的影响，甚至有些单个的因素的影 响结论也不一。 而浸没冷却目前的研究也存在初温较低等不足，有待进一步研究。 重庆大学硕士学位论文 1 2 本文研究的主要内容 本文通过对给定的不同厚度的钢板进行喷淋冷却实验和理论研究，分析不同 的喷淋条件下，得到冷却介质参数对不同尺寸规格钢板的冷却强度，并提出最优 喷淋冷却方案用于实际生产应用中。针对中厚板轧后在线快速冷却装备的开发， 找出冷却介质参数的变化对换热效果的影响趋势，并分析其中韵机理，实验结果 和理论研究对装备设计具有重要的指导意义，实验数据也可验证超快速冷却仿真 模拟的准确度。 通过在热钢板表面施以不同的喷淋冷却条件，如喷淋压力p ( o 3m p a - 0 8 m p a ) ，喷淋介质到钢板的喷淋角度p ( 本实验的角度是2 5 。，3 0 。，9 0 0 ) 和喷淋高 度l ( 5 0m m ，1 0 0m m ，1 5 0m m ，2 0 0 衄) 等。根据预先安装在钢板不同厚度层的 高温热电偶反馈得到的温度数据，由计算机采集各时间段的温度点，得到不同厚 度层上的换热情况。 n o z z l e 1 m o d e l 图1 4 喷射距离、喷射角度、出水压力示意图 f i g 1 4s c h e m a t i co fs p a yd i s t a i l c e ，s p r a ya n 9 1 ea n ds p r a yp r e s s l 】r e 本文还通过实验模拟的方法研究在不同浸没速度和不同初温下高温钢板淹没 冷却过程中的换热情况。 2 实验装置和实验方法 2 实验装置和实验方法 2 1 喷淋冷却实验模型钢板的建立 对于图2 1 所示的模型钢板，在进行喷淋冷却时冷却剂必定会与模型钢板四周 的窄面接触，并对四个窄面进行冷却，导致模型钢板在靠近四个窄面的区域内存 在水平方向上的热量传导，即热量不仅仅是在高度方向上进行。为了尽量减少窄 面上的换热对喷淋面上换热系数测量的影响，实验中主要考虑模型钢板中心区域 内的换热情况，即中心长为1 3 ，和宽为1 3 形的区域，因此对模型钢板内的温度 测量点也先取在中心区域。 如图2 2 所示，钢板长，和宽形均为3 0 0m m ；厚s 为2 0 3 0 姗( 另有两组厚 s 分别为4 0m m 和5 0m m 用于验证) 。钢板的长厚或宽厚比，即朋( 聊回= 1 5 1 0 ， 可认为在模型钢板内部的导热只在厚度方向上进行，边部热电偶位置在距表面为3 m m o 通过测量模型钢板内部的温度，通过非稳态导热微分方程的求解来钢板表面 温度和换热系数。如图2 2 所示，测量模型钢板内部温度时，分别从a ，b ，c 号 窄面插入1 0 支热电偶。在钢板内，温度测点位置距离各窄边的最小距离为9 0m m ， 因此可认为在各测温位置上导热只在厚度方向上进行。 c 图2 1 热轧钢板模型 f i g 2 1 h o t - r o l l e ds t e e lm o d e l 9 重庆大学硕士学位论文 l c 3 0 0 a 1 9 0 8 b a a b 岔 o c 。 图2 2 热电偶布置图 f i g 2 2 n 黜o c o u p