（材料加工工程专业论文）棒材穿水冷却过程中的阻力研究与传热机理.pdf

摘要 摘要 目前，棒材在穿水冷却过程中时常发生堆钢事故，造成此项事故的可能原因之 一就是棒材在穿水过程中由于各种因素对其作用而产生穿水阻力，导致棒材穿水速 度的变化，从而引起连续生产过程中的撞击事故，产生堆钢，这在很大程度上会影 响连续生产的生产产量和生产效率。而当今在穿水冷却工艺的研究中，关于棒材穿 水阻力的研究在国内外都尚未见报道。因此，根据现场实际情况的需要，通过对冷 却介质流动状态的研究，分析出了冷却管中冷却介质在层流状态下流速场的抛物线 分布形式和紊流状态下的指数分布形式，并由此得出了计算穿水阻力的理论数学模 型一用边界层理论求解的摩擦阻力和由试验测定的压差阻力。经过比较，数学模型 计算出来的理论值与现场实测值的偏差基本控制在士8 范围内。 为了提高冷却效果，减少水循环系统的投资，降低运行费用，达到节水、环保 的目的，从而针对冷却介质提出了一种新的思路，充分利用含有较大悬浮颗粒的轧 机循环浊水作为冷却介质。在试验台上对其和清水进行了冷却效果的比较，并对冷 却介质中的各种影响因素，颗粒浓度、颗粒粒径、介质流速进行了一系列的试验。 根据获得的试验数据进行了验证，表明含有悬浮颗粒的冷却介质冷却效果明显高于 清水，并且得到了关于颗粒浓度、粒径和介质流速较理想的参数量 为了更好的说明穿水装置的冷却效果，利用a n s y s 软件建立了棒材在穿水过 程中的瞬态温度场模型，计算了穿水过程中棒材横断面温度场和冷却速度的分布， 得到了棒材在整个穿水过程中内部温度随时间变化的规律，为冷却效果的描述奠定 了一定的基础。 图5 8 表9 参6 5 关键词：棒材；速度场；穿水阻力；数学模型；悬浮颗粒 分类号；t g 3 1 4 3 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ，i to f t e no c c u r sp i l es t e e la c c i d e n ti nt h ew a t e r - c o o l i n go d u r s eo fb a r ，o n eo ft h e p o s s i b l er e a s o nt h a tc a u s e st h i sa c c i d e n ti st h er e s i s t a n c ef o r c eo fw a t e r - c o o l i n ga p p l i e db y v a r i o u sf a c t o r si nt h ec o u r s eo fw a t e r - c o o l i n g , w h i c hc a u s e st h ec h a n g eo fw a t e r - c o o l i n g s p e e d ，s oi ta r o u s e sb r u n ta c c i d e n ti nt h ec o u r s eo fs e r i a lp r o d u c t i o n ，p r o d u c e sp i l es t e e l ， t h i sc a na f f e c tp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n do u t p u to fs e r i a lp r o d u c t i o ng r e a t l y a n dn o w ，i n t h ew a t e r - c o o l i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h , t h er e s e a r c ha b o u tw a t e r - c o o l i n gr e s i s t a n c eo fb a r h a sn o tr e p o r t e di nd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h e a c t u a lc o n d i t i o no n - t h e - s p o t ，t h r o u g ht h er e s e a r c hf o rc o o l i n gm e d i u m sf l o w a g e , a n a l y s i s h a sb e e nm a d et h ep a r a b o f i cd i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf i e l du n d e rt h es t a t eo fl a m i n a rf l o w a n dt h ee x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf i e l du n d e rt h es t a t eo ft u r b u l e n tf l o wo ft h e c o o l i n gm e d i u mi nc o o l i n gp i p e ，a n db yt h i s ，h a sb e e nr e a c h e dt h et h e o r e t i c a lm a t h e m a t i c s m o d e lo ft h ec a l c u l a t i o nt ow a t e r - c o o l i n gr e s i s t a n c ef o r c e - t h ef r i c t i o nr e s i s t a n c et h a ti s s o l v e d b yb o u n d a r yl a y e rt h e o r y a n dt h e p r e s s u r e r e s i s t a n c em e a s u r e df r o mt e s t c o m p a r i i n gw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e sc a l c u l a t e db ym a t h e m a t i c sm o d e la n dt h ea c t u a l v a l u e sm e a s u r e dd o r ao n t h e s p o t , t h eb a s i cd e v i a t i o nc o n t r o l si nt h es c o p eo f8 t or a i s ec o o l i n ge f f e c t ，r e d u c ei n v e s t m e n to fw a t e rc i r c u l a t i o na n do p e r a t i n gc o s t , r e a c ht h ep u r p o s eo fw a t e r s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s ow eh a v ep u tf o r w a r da n e wt h o u 【g h ta b o u tc o o l i n gm e d i u m , i ti sw h i c hu s ef u l l yc i r c u l a t i n gt u r b i dw a t e rt h a t c o n t a i n sb i g g e rs u s p e n s i o np e l l e ta sc o o f i n gm e d i u m o nt e s t i n gs t a n dt oc o m p a r ec o o l i n g e f f e c tw i t ht u r b i dw a t e ra n dc l e a rw a t e r , a n df o rt h ev a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r si nc o o l i n g m e d i u m ，s u c ha sp e l l e td e n s i t y , p e l l e td i a m e t e ra n dm e d i u mv e l o c i t yh a v eb e e nc a r r i e do u t as e r i e so fe x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h et e s td a t at h a tg e t s , s h o w st h a tt h ec o o l i n g m e d i u m sc o o l i n ge f f e c tt h a tc o n t a i n ss u s p e n s i o n p e l l e t i sh i g h e rt h a nc l e a rw a t e r o b v i o u s l y ，a n dh a v eg o r e nm o r ei d e a lp a r a m e t e rq u a n t i t ya b o u tp e h e td e n s i t y ，p e l l e t d i a m e t e ra n dm e d i u mv e l o c i t y t 0b eb e t t e rt oe x p l a i nt h ec o o l i n ge f f e c to fw a t c r - c o o l i n gi n s t a l l a t i o n , w e 峨 a n s y ss o f t w a r et oe s t a b l i s ht e m p e r a t u r em o d e lo ft r a n s i e n ts t a t ei nw a t e r - c o o l i n gc o u r s e ， h a sc a l c u l a t e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec r o s ss e c t i o nt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gm l ei nw a t e r - c o o l i n gc o u r s e ，h a sg o t t e nt h el o wi n t e r n a lt e m p e r a t u r ea ta n y t i m ei ne n t i r ew a t e r - c o o l i n g 1 i 摘要 c o u i s e ，t oe s t a b l i s hc e r t a i nf o u n d a t i o nf o r t h ec o o le f f e c td e s c r i p t i o n f i g u r e5 8 ，t a b l e 9 , r e f e r e n c e6 5 k e yw o r d s ：b a r , v e l e c i t yf i e l d , w a t e r - c o o l i n gr e s i s t a n c e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，s u s p e n s i o n p e l l e t c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t g 3 1 4 3 m 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：雌叠日期：竺浒朝旦日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲划导师躲避吼学驷幽 引言 引言 棒材的控制冷却问题是提高产品组织性能的一大关键，而热轧棒线材在线穿水 冷却是控制、改善和提高棒线材组织性能的有效手段，也是现代化热轧棒线材生产 线必备的工艺设备。但是，在穿水冷却的实际生产过程中也产生了一系列的问题。 其中，棒材穿水过程中堆钢事故的发生就严重影响了棒材的生产效率和产品的最终 组织性能。 可能引起堆钢事故发生的因素之一就是棒材在穿水过程中由于和冷却介质的作 用受到阻碍。而对于这个问题的研究，在国内外都尚未见报道。因此，为了研究这 个问题，首先，对冷却管中冷却介质的流速场进行了定量描述；其次，对所研究的 钢种建立了穿水阻力的数学模型，并进一步根据经验公式进行了修正并且通过研 究棒材在穿水过程中的传热问题。计算模拟了棒材断面的温度场问题，为穿水冷却 效果和棒材组织性能的研究提供了可靠的理论依据。 最后，针对水资源的匮乏问题，提出了利用含有重悬浮颗粒的浊循环水代替清 水作为冷却介质，为水资源的节约开辟了一条便捷的道路。尽管现今有一定量关于 悬浮颗粒的研究成果见诸于报端，但是对于棒材穿水冷却介质的研究报道，尚未达 到使用的程度。因此，在现有国内外冷却设备和相关文献的基础上，通过模拟工业 生产环节的试验，对冷却水中加入的悬浮颗粒的粒径及其均匀度、颗粒浓度、以及 冷却介质的流速大小等问题进行了系统化的试验研究，找到了符合工业生产背景的 最佳参变量。 课题来源于国家自然科学基金“冷却介质中的重悬浮颗粒对冷却效果的作用机 理”( 项目批准号：5 0 4 7 6 0 8 4 ) 项目的子项目。 河北理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 我国钢铁产量已经连续9 年位居世界第一，2 0 0 3 年钢产量突破2 亿吨，预计 2 0 0 5 年钢产量降突破3 亿吨。我国建筑材所占比例较高，其中棒线材所占比侈4 约为 四分之一由于近几年来全国能源、交通、水利、房屋建设等基础设施的建设，其 中对棒线材的需求量急剧增大1 1 i 。虽然国内棒线材产量所占钢材总产量的比例很 高，但是缺少优质钢材的生产，不能满足用户对产品质量的要求。根据我国建筑业 快速发展形势及我国2 0 年建筑长远发展规划，钢筋混凝土结构要逐步过渡到轻型结 构，级带肋钢筋逐步过渡到i 级钢筋1 2 j 。 在棒线材大量生产的情况下，如何在现有条件下提高产品产量、质量、减低消 耗、改进控制冷却工艺制度使轧制过程更为经济是当前要面对的主要问题。本课题 根据生产现场实际对棒线材的控制冷却工艺进行了研究和分析。并且根据现场冷却 设备研究了穿水管中冷却介质的流速场问题，并且对穿水冷却过程中的阻力问题进 行了研究，避免了堆钢事故的发生1 3 l ，提高了棒材产品的生产产量。本课题还通过 研究棒材在穿水过程中的传热问题，来分析棒材在同一时刻断面上不同点的温度分 布情况；进而来分析不同冷却介质的使用，提出了以浊循环水作为冷却介质与净水 冷却的不同，这样不仅可以减少水循环系统的投资，降低运行费用，而且冷却水中 的悬浮颗粒是作为提高冷却效率的物质而存在的，通过分析冷却机理和传热状况， 探索了提高冷却能力的途径，选用含有重悬浮颗粒的浊循环水作为冷却介质，达到 了提高冷却介质冷却能力的目标。并且通过对穿水冷却过程中温度场的分析，建立 了关于流量的数学模型，进一步控制了水量的使用。 常规穿水冷却设备大多采用加大水压和水流的速度来实现棒线冷却，此方案在 很大程度上增加了资源消耗，所需循环动力非常巨大，可是对于高温金属的冷却效 果十分有限。其原因是由于高温金属在冷却时产生膜态沸腾而使冷却效率大大降 低。膜态沸腾换热已成为当前国际上高温物体快速冷却不可逾越的屏障之一1 4 1 。现 已推广使用的棒材浊水穿水冷却设备直接利用了无净化的轧机冷却循环水，有效地 利用了冷却液中含有的重悬浮颗粒的动能，有效地打破了炽热棒材表面形成的蒸汽 套，很好的解决了膜态沸腾冷却效率低这一问题，产生了巨大的社会效益和经济效 益。冷却介质中引入重悬浮颗粒具有重要科学意义，但目前对于浊水控制冷却机理 2 一 1 绪论 的研究还不够深入、细致，我们在分析现有国内外冷却设备和相关文献的基础上， 将通过模拟工业生产环节的试验，对冷却水中加入的重悬浮颗粒类型、喷射冷却速 度、颗粒粒径及其均匀度、颗粒浓度、冷却后颗粒排放，是否具有环境污染性等问 题进行系统化实验研究，力求找到符合工业生产背景的最佳参变量，来达到指导工 业生产的目的。所以我们面对的课题具有重大的理论意义、实际意义和使用价值。 必将对棒线材产业的发展起到很大的促进作用。 1 2 穿水冷却的发展状况 2 0 世纪8 0 年代初期棒材轧后穿水冷却技术已开始在我国应用。在2 0 0 0 年济南 钢铁集团总公司第一小型轧钢厂( 简称济钢第一小型轧钢厂) 成功实现了横列式轧 机双线切分轧制，使产量大幅度提高，具备了年产7 0 万t 的生产能力。而现有冷床 的能力和型式仍为原设计年产1 5 万t 的水平，台面由斜辊与部分齿条构成，尺寸为 1 2 m x 6 0 m 由于冷床冷却能力的不足，使0 1 2 m m 以上规格的钢材出现数量较大的 性能改判和降级处理，造成很大的经济损失。同时，也制约了轧机能力的发挥及 级以上热轧带肋钢筋的开发针对这一问题，研制开发了“双线轧后高效冷却系 统”。以“轻穿水、低过冷、细晶化”为技术思想，以降低钢材上冷床温度，改善 和提高钢材的微观组织和力学性能为目的，解决了限制生产发展的瓶颈问题，。实现 了在线水冷技术上的突破。济钢第一小型轧钢厂“双线轧后高效冷却系统”项目总 投资7 8 0 万元，2 0 0 0 年7 月经过两周调试后，投入正常运行，各项指标都达到设计 要求。系统投用后大大降低了钢材上冷床温度及因控温对机时产量的影响，彻底解 决了4 0 0 m p a 级热轧带肋钢筋性能偏低的问题，级热轧带肋钢筋基本杜绝了性能不 合的质量异议，钢材的性能合格率由9 r 7 5 提高到9 9 6 嘲。 水冷生产技术是近年来发展较快的一项新技术，如美国、欧洲已有十几条生产 线在生产中。穿水冷却工艺可在降低炼钢成本( 少添加合金) 的情况下，通过对热 轧钢筋的热处理过程，提高钢筋的屈服强度1 5 0m p a 2 5 0 m p a 。广钢连轧厂引进了 达涅利公司具有世界9 0 年代初先进水平的生产线及比利时c r m 公司的t e m p c o r e 工艺，设计能力年产加万吨，规格为0 1 2 0 4 0 圆钢和螺纹钢，该生产线与1 9 9 4 年6 月份正式投产，经过两年半的艰苦摸索和努力拼搏，于1 9 9 6 年达到了4 0 万吨 的设计生产能力。目前，本公司采用化学成分中锰、硅含量都低于国家标准下限的 c 1 2 0 m n s i 钢坯，可生产出符合英标b s 4 4 4 9 1 9 8 8 标准要求的出口钢材。不再使用含 一3 河北理工大学硕七学位论文 钒钢从而降低了成本，仅1 9 9 7 年连轧厂生产水冷材4 9 6 万t ，创造经济效益近7 0 0 万：元1 6 1 。 1 3 穿水冷却设备的介绍 对于热轧棒线材的在线穿水冷却，常规的做法是加大冷却水的流量和提高供水 压力用。在本课题中给出的穿水冷却装置所用的冷却介质却是含有较大悬浮颗粒的 轧机冷却循环浊水，经过现场使用表明冷却效果非常显著 其热轧棒线材生产线所用的强力穿水冷却装置如图1 所示嘲。包括集水箱、正 向喷嘴、冷却管、支架、反扑水喷嘴、反扑气喷嘴、底座和设在底座内的主回水管 等部件。入口集水箱以悬臂方式固定在正向喷嘴的入口导管上，冷却管通过其自身 一端的法兰盘被螺栓固结在正向喷嘴上的导流锥套的出口端。为了增强轧件与冷却 水的热交换效率，必须迫使冷却水在冷却管内以湍流状态流动，所以冷却管内装有 多个紊流套，构成了变内径结构。三个密封的集水箱分别设在了正向喷嘴的入口。 冷却管与反扑水喷嘴之间以及反扑水喷嘴和反扑气喷嘴之间各个集水箱收集的回 水，通过设在底座内的回水管汇入到轧机地沟。 1 5 7 一集水箱；2 一正向喷嘴；卜冷却管；4 - 支架；卜反扑水喷嘴；卜反扑气喷嘴； 9 一底座；1 0 过渡台架；1 l 一回水管；1 2 一回水管接口法兰 图1 棒线材在线强力水冷箱结构图 f i g 1s c h e m eo f o nl i n ep o w e r f u lw a t e rc o o l i n gd e v i c es t r u c t u r ef o rb a ra n dw i r eh o tr o l l i n g 此穿水冷却装置之所以冷却能力大的关键部件是正向喷嘴装置和冷却管。正向 喷嘴结构如图2 所示。含有大颗粒悬浮物的冷却水通过喷嘴座的法兰被切向引入了 喷嘴座内的环形内腔，再通过导流锥和导流锥套组成的喷嘴喷出。这种喷嘴之所以能 防堵塞的原因是在导流锥锥面上设置有圆弧曲线形式的导槽。 4 1 绪论 1 一喷嘴支架；2 一主赜嘴座： - 导流锥套；4 _ 噶栓：5 一密封圈；6 一导流锥；7 一横粱； 8 一斜楔；9 一入口导锥；1 0 一小圆螺母；1 1 螺栓；1 2 一平垫圈；1 3 一螺母 图2 正向喷嘴装置结构图 f i g 2 s c h e m e o f f o z w a r d c o o l i n g n o z z l es t r u c t u r e 流体在冷却管内流动状态决定了轧件与冷却介质的热交换强度。冷却管的结构 如图3 所示。图3 给出的冷却管内设置了多个紊流套，每个紊流套之间用内径较大 的等内径管作为定位套，构成稳态流动条件浊水通过喷嘴进入一连串的紊流套 时，除沿棒材轴向高速流动外，由于截面的变化，造成压力的变化，在棒材垂直表 面上也有较剧烈的搅动。水流的两种运动的结合，保证得到了较大的冷却能力，同 时也保证了整个截面冷却的均匀性。轧件在冷却管内的冷却能力与管内水的流动状 态有着显著的关系。紊态流动使轧件的冷却速度得以显著提高。所以冷却管内设置 了多个紊流套，由于其内径尺寸呈周期性交化，使冷却水形成了紊态流动，加大了 冷却介质与轧件的热交换强度此强力穿水冷却装置与现有的冷却箱相比，具有水 压低，冷却效率高，运行费用低，操作方便的特点 圉3 冷却管结构图 f i g 3s c h e m eo f c o o l i n g t u b e ss t r u c t u r e 5 河北理工大学硕士学位论文 1 4 穿水钢筋的发展前景 2 0 m n s i 级螺纹钢筋的主要缺点是强度偏低，仅约为3 3 5 m p a ，不能满足较高级 别的抗震建筑要求。在工业发达国家，如美国、英国、德国、日本等国的建筑用钢 国家标准中已将i l 级螺纹钢筋这一等级淘汰，而均采用i i l 级以上的螺纹钢筋来代 替；理论上测算，若将强度较低的i i 级螺纹钢筋改为强度较高的i 级螺纹钢筋用于 建筑，则可节约钢材约1 4 9 1 。为尽快与国际接轨，节约钢材资源，我国正在加速 建筑用钢的更新换代，大力推广应用4 0 0 m p a 级的i i l 级钢筋。目前国内绝大部分企 业均采用微合金化法的方法生产i i i 级螺纹钢筋，即在2 0 m n s i 钢的基础上添加0 1 0 左右的钒( v ) 或0 0 3 5 左右的铌( n b ) ，利用钒或铌的碳氮化物的析出强化作用提高钢 的强度，满足级螺纹钢筋的性能要求。但由于钒或铌的加入使螺纹钢筋的成本有所 提高，为进一步降低级螺纹钢筋成本，开发经济型建筑用螺纹钢筋是当务之急l l o l 。 据有关部门统计，2 0 0 5 年。在我国的钢材消费中建筑用螺纹钢筋用量达 6 7 7 6 4 8 xl o t ，占钢材总需求量的1 8 2 6 ，消费量巨大。按锰、硅、铌等合金料的 用量分别减少2 5 4 0 、2 5 - 6 0 、5 0 棚，将节约大量的合金资源，产生巨 大的经济效益和社会效益【1 1 , 1 习。 由于i i 级和级螺纹钢筋作为建筑用钢材应用十分广泛，低成本地大幅度提高 其强度具有重要的实际意义。利用轧后穿水冷却工艺可以在大幅度降低合金用量情 况下稳定地生产出符合标准要求的钢材，并且不需要极端的物理条件，容易在现有 生产线上实现。这符合建筑材料使用量巨大的特点。适应和满足了2 1 世纪对新一代 的钢铁材料应具有高强、高性能价格比的需要。因此，轧后穿水冷却技术应是我国 今后建筑钢材生产一种值得推广的可行、经济和适用的工艺技术。许多研究者基于 节省资源、降低成本及现有企业的生产条件等的考虑，通过不改变钢的成分的穿水 冷却工艺强化技术，正在致力于在对原有设备不做重大变动的条件下，大幅度提高 钢筋的强度的研究工作，实现用普通碳素钢( q 2 3 5 ) 生产出i i 级螺纹钢筋，用2 0 m n s i 生产出i 级螺纹钢筋当然这一技术还处于发展阶段【1 3 1 ，为进一步开拓其内在潜力， 还有待于科研和生产部门的广大科技人员对其进行深入研究，探索其相变与析出、 再结晶行为、组织和性能等方面的关系，寻找最佳的工艺控制参数，以使这项技术 更好地为生产服务1 1 4 1 。 一6 - 1 绪论 1 5 强化冷却方法的发展 目前。钢铁厂普遍采用的冷却方法是净水喷射冷却方法，这是一种强化传热的 有效技术。但直接用水喷射淬冷高温轧件，对水压的要求较严格。为达到好的冷却 效果，水压需很高，这在生产过程中增加了不安全因素。另一方面，由于被冷却的 轧件壁面温度很高，沸腾换热处于膜态沸腾阶段，在轧件的表面形成了一层气膜， 阻止冷却水和轧件的进一步接触，大大降低了沸腾换热系数，使传热效果恶化m l 。 这也进一步影响了钢铁厂的生产效率，同时由于钢的冷却效果不很理想，所生产出 的钢的质量也受到一定的影响。因此人们在努力寻找一种新型的强化传热方法，以 解决上面所遇到的问题。目前，正在研究并使用射流冲击技术，由于流体直接冲击 被冷却或被加热的表面，流程短且被冲击的表面上的流动边界层薄，换热效果好， 所以它是一种极其有效的强化传热方法，又由于射流携带的巨大能量在冲击壁面过 程中被消耗，因此作用于壁面的冲击力特别大i 垌。 在许多工业生产部门中，如纺织品、纸张、木材的干燥，玻璃的回火，钢铁的 冷却及加热，都有效地应用了射流冲击的技术。因此在学术上有重要价值，不少学 者在这一领域进行了研究。在实验方法方面，很多研究都用铠装热电偶确定表面温 度，测点位置的误差以及感温的滞后对实验结果的影响很难估计。 科研人员还发现，固体颗粒的导热系数比液体通常大几个量级，作为提高液体 导热系数的一种有效方式，在液体中添加金属、非金属或固体颗粒团聚物，自然成 为人们所关注的技术途径。固液悬浮溶液有效导热系数实验和理论研究，起源于 1 8 8 1 年m a x w e l l 的开创性工作i i t , i s 。由于颗粒在实际应用中容易引起设备磨损、堵 塞等不良后果，大大限制了这些流体在工业中的实际应用。 向水中添加颗粒能够强化传热，在膜态沸腾阶段，所添加的颗粒能够破坏气膜 从而使液体直接与被冷却物体表面相接触达到强化传热的目的。在非沸腾阶段加入 的颗粒也能够增强流体的传热系数，同样能够达到强化传热的目的。 考虑到悬浮颗粒的优点并基于射流冲击技术的特点，人们采用冷却水中引入重 悬浮颗粒强化传热的办法。在流体中添加固体颗粒是强化对流换热的经典方法之 一。金属、非金属固体颗粒的加入，可以提高流体导热系数和流动掺混强度从而强 化对流换热。但由于设备水平限制，颗粒容易堵塞和磨损设备，制约了这项技术的 推广使用。微米颗粒粒径与大颗粒粒径相比，在适当的分散技术下易形成较稳定的 7 河北理工大学硕士学位论文 悬浮液，并且在流动状态下，具有优异的流体跟随特性。可以通过计算r c 准数和 n u 准数等准则数对来确定最佳的实验参划1 9 1 。 1 6 穿水棒材温度场的研究现状 温度场模拟一般采用数值模拟方法处理。主要的数值模拟方法包括有限差分 法、有限单元法、边界单元法等。传统上经常应用的数值模拟方法是有限差分法。 这种方法通常是借助泰勒级数展开式将问题的基本方程离散成代数方程组，使问题 得到逐点近似1 2 0 l 。 在二十世纪五十年代，有限差分法开始应用于金属传热问题的研究之中。 s a r j a n t 等应用有限差分法对钢锭的温度场进行了分析。随着计算机技术的不断发 展，速度快、容量大的计算机相继产生。数值分析方法中的另一种主要方法一有 限单元法，开始逐步应用于金属传热、变形及应力分析等问题的研究。有限单元法 的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个数的、按一定方式相互联结在一 起的单元的组合体由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有 不同的形状，因此可以使几何形状复杂的求解区域模型化。 从二十世纪七十年代开始，科研工作者丌始应用有限单元法研究传热问题。 s o l i m a n 等应用有限元法研究了复杂形状钢锭的传热问题。c o m i n i 等在传热问题的 有限元法分析中研究了相变问题，并且考虑了与温度有关的材料热物性参数以及复 杂的辐射对流边界条件。由于有限元法具有求解复杂，计算数据量大，需要较大的 计算机存储容量等特点，通常应用于变形、应力分析、液体流动等复杂问题的求 解，而对于传热衄题一般仍采用有限差分法计算。 从二十世纪六十年代起，陆续有不少研究者采用数值分析的方法对热轧过程温 度场进行模拟，但由于考虑轧辊和轧件接触好坏不同，他们对边界条件的处理方法 也各不相同。例如，为了模拟轧辊和轧件之间的热传导，d a v i d 等引入了“热接触 内阻”的概念，用来描述界面热传导特点，这导致了沿轧件边界温度场的不连续 性。与此相反，h o l l a n d e r s 假定在轧辊和热轧带钢之间有良好的热接触，利用给定 边界条件，求解了非稳态条件下描述温度分布的方程，计算了轧件表面的温度变 化。h a r d i n g 根据开始和结束时刻的换热系数，确定了轧辊和轧件接触时间内的平均 换热系数，并结合间隔时间和材料的物理特性，计算了整个过程板坯表面的温度降 低和轧辊表面的温度升高。s e r e d y n s k 等在假设轧制变形生成热与轧件和轧辊之间热 传导的热量相等的条件下，计算了热轧过程的温度场。 8 一 i 绪论 二十世纪八、九十年代，英国的s c l l a r s 等，加拿大的l a a s r a o u i 等，以及日本 的y o s h i d a 等曾采用有限差分法和有限单元法比较成功地预测了热轧过程沿轧件断 面的温度分布。计算中主要考虑了轧件在机架之间搁置时从表面的辐射和对流传 热，以及轧件在轧制过程中沿轧辊表面的热传导和变形引起的温度升商。数值分析 的计算值与在线控制模型中的温度值作了对比，吻合比较较好。 此外，还有很多研究者采用不同的方法【2 1 l 对热轧过程轧件断面温度场进行了模 拟，但在各阶段热损失的考虑，换热系数的确定，尤其是水冷过程的描述以及模型 的计算精度等方面仍存在较多的问题。精确分析轧件从出炉到终冷( 或卷取) 全线 各点的温度随时问的变化规律，仍然是各国研究人员不断为之奋斗的目标。 1 7 沸腾换热的研究 传热机理的研究是建立在沸腾换热的基础上的，通过改变流体或者是被冷却表面 的特性使换热得到强化。因此了解流动沸腾换热的有关知识是非常必要的。如图4 所示整个沸腾过程将划分为核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾等多种不同阶段和形 态。 熟流密度 w l m 2 ) 过热压( k ) 固4 流动流体的沸腾曲线 f i g 4 e b u l l i t i o n c u r v e d i a f a m o f r u n n i n g f l u i d 整个过程出现了四个换热规律全然不同的区域阎。现介绍如下： 1 单相自然对流段( 液面汽化段) 当垃较小时( a t 4 ) 沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。 2 核态沸腾( 饱和沸腾) 随着缸的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽 泡，该特定点称为起始沸点。其特点是： 1 ) 开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区： 9 河北理工大学硕士学位论文 2 ) 随着出的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合 成汽块及汽柱，称为相互影响区。 由此可见，在该区内，随着a l 的增大，吁增大，当t 增大到一定值时，q 增加 到最大值日一，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾 ( 泡状沸腾) 。 其特点是温压小，换热强度大，其终点的热流密度日达到最大值q 。 3 过渡沸腾 从最大负荷点( 口一点) ，随着血的上升( 2 5 c a t 2 0 0 c ) ，热流密度口减 小；当f 增大到一定值时，热流密度减小到q ，这一阶段称为过渡沸腾。该区段 的特点是属于不稳定过程。 原因：汽泡的生长速度大子汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面 上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使锄下降。 4 稳定膜态沸腾 从g 。开始，随着a t 的上升( a t ，2 0 0 ) ，气泡生长速度与跃离速度趋于平 衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 垃上升时，热流密度口上升，此阶段称为稳定膜念沸腾。 其特点：1 ) 汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； 2 ) 辐射热量随着r 的加大而剧增，使热流密度大大增加； 3 ) 在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热 量必须穿过热阻相对较小的液膜。 说明：q m ( 热流密度峰值) 一临界热流密度的物理意义l 洲。 1 0 2 流速场的解析 2 流速场的解析 在冷却管中，层流与紊流的本质区别是：在层流中，流体质点沿光滑规则的迹 线向下游流动，两层流体之间没有明显的混合。流经空阃给定点的每个流体质点像 前边的质点一样，都以完全相同的速度和方向到达这里，在这个意义上说，层流确 实是稳定流动。另一方面，在紊流中，在向下游的平均运动之上迭加了一个不规则 的似乎随机的运动。它包括在两平均流线间大里的质量混合和交换。这种混合当然 也会交换两不同流线间的流体微团。但是从动力学观点，正如我们以后将要看到 的，混合的实际重要性不仅在于不同流线间质量的互换，还在于动量的互换。也就 是，通过混合，低速流体被与其混合的高速流体加速，而高速流体反过来被减速。 紊流是这样的流动，它的速度、压力、温度等物理量随时间和空问都以极不规则很 不光滑的方式变化着1 2 5 l 。 2 1 冷却介质的运动分析 从常规的捧线材水冷箱中的喷嘴内喷出的液流形式为环形的，离开喷嘴的环形 液体汇集到轧件表面的时候，由于液流白j 的相互作用而改变了运动方向，并且伴有 雾化现象的产生。这种雾化现象随液体喷射压力的增大而越加严重，所以很难将液 流的动能完全作用到轧件表面上瑚篮l 。在研究过程中，所使用的冷却装置中的冷却 水经过切向引入了喷嘴的环形通道后，从收敛的圆弧状导槽喷出，不但加大了流股 的喷射动能，而且减小了流体的流动阻力。流股能以喷出的状态各自独立运动直达 轧件的表面。有利于保持流体和流体中夹带的悬浮颗粒的喷射动能，这对于击破轧 件表面由于“膜态沸腾”导致的蒸汽套是十分有利的。冷却管内因设置了多个紊流 套，迫使冷却水在管内作紊态流动，强化了冷却水与轧件的热交换能力l 冽 此冷却装置是利用浊水作为冷却介质的热轧棒线材生产线用强力穿水冷却装 置，结构上允许冷却水中含有较大的悬浮颗粒。只要悬浮颗粒粒度小于喷嘴出口直 径，喷嘴就不会发生堵塞。分析认为，喷嘴中喷射出的冷却水在到达炽热的轧件表 面时，受到了来自轧件表面快速生成的膨胀的蒸汽膜的排斥作用而改变了水流的运 动方向，降低了冷却水的作用效果。正是由于这些悬浮颗粒以冷却水的喷射速度打 击着轧件表面上的蒸汽膜，显著地增大了换热系数。 假设流体在等直径管内作层流状态流动，当其进入具有收缩形状的部分时候， 流体不会改变其流动状态，但是按流体运动的连续性条件可知道，流体会产生加速 河北理工丈学硕士学位论文 流动。当流体进入突然扩张的内径段时候，流体流态将由如图5 所示的层流状态变 为了紊流状态。紊流的传热效果要比层流好很多。这种状态加速了流体与轧件的换 热强度。利用管内的紊流套，迫使冷却水形成了紊态流动，加大了冷却介质与轧件 的热交换强度i 划。 麓蠢蠢动孰进蠢蠢f 蠢鼍动孰鼍辱直径蕾 图5 冷却管内径尺寸与流态的关系 f i g 5 r e l a t i o nb e t w e e n i n t e r n a l d i a m e t e r o f p i p e 8 a l t e r a t i o n a n d f l u i d s f l o w p a t t e m 冷却介质在等直径管内作层流状态流动时，不考虑管壁的摩擦作用和棒材的带 动等作用，冷却介质速度的大小不会发生变化。但是当冷却管内径突然发生变化 时，速度的变化趋势利用a n s y s 软件进行模拟将得到如下图6 所示1 3 l l ，与上图5 进行比较，发现其变化趋势基本上是一致的： 圉6 冷却管内径尺寸与速度大小的关系 f i g 6 r e l a t i o n b e t w e e n i n t e r n a l d i a m e t e r o f p i p e s a l t e r a t i o n a n d f l u i d s v e l o c i t y 2 2 层流流动的分析 2 2 1 层流速度场的计算 假设流体在等直径管中运动时做层流流动。设圆管的半径为，0 ，流体流速为 u ( r ) 。选取与圆管同轴线、半径为，的圆柱体作为流束来考虑。由于流束表面的摩 擦切应力f 大小不变，流束的水力半径r - 三，因此，应用均匀流的基本方程可以得 到【3 2 1 ： 1 2 2 流速场的解析 f 一昭 ；，( 1 ) 其中： p 一流体的密度，k m 3 ； g 一流体的重力加速度，n l 【g ； ，一水力坡度，一躬i ( m ) 而在圆管中做层流运动的流层之间的摩擦切应力f 符合牛顿摩擦定律 f i u d u d y 。假设j ，是流层到边壁的距离，即yi r o 一，有： f 粤。一粤( 2 ) f o 一“一。l 二， 方 西 将上面( 1 ) ( 2 ) 两式联解，消去f ，得： 三纠- 一p 警c 3 ， 即： d u 。一盟胁。( 4 ) 由于物性参数 ，( 运动粘性系数) 是常数，过水断面上各点的水力坡度j 相 同，故对上式积分得到： “。一墨互，2 + c ( 5 ) 当rir o 时，黏附在边壁上的流速口1 1 0 ，由此边界条件得到； 一 c 一盟4 rr 0 2 u 代回上式，得到断面上的流速分布式： “。譬( ，0 2 一，2 ) ( 6 ) 和一 它表明流速在圆管断面的r 方向e 按抛物线分布。如下图7 所示。 1 3 河北理工大学硕士学位论文 j 一叠 ， 白 三刁 “一一 圉7 圃管内层流流速分布剖面图 f i g 7v e l o c i t y d i s t r i b u t i o ns e c t i o n o f l a m i n a r i ni n t e r n a lr o u n d p i p e 根据式( 6 ) ，容易得到圆管轴中心处为断面最大流速： “一一若，0 2 ( 7 ) 和断面平均流速； v - 知d a 。扫告r 0 2 - r 2 x 2 m j r ) 一石g j ，0 2 8 ， 断面流量： q v a - 罟4 ( 9 ) 比较式( 8 ) 与式( 9 ) ，得： l 互“一- 即圆管层流流动的断面平均流速是断面最大流速的一半。 2 2 2 层流进口起始段 层流时圆管断面上的速度分布为抛物面，这个规律并不是刚入管口就能立刻形 成，而是要经过段距离，这段距离称为进口起始段。之后，速度按抛物面规律分 布，称为完全扩展段。 如果流体从一大容器流入管道，则进口断面处流速是均匀的。由于粘性，在管 壁处的流体粘附在管道壁面上，速度为零。随着离开管壁的距离的增大，壁面对流 体的影响减弱，流速将很快增大，至一定距离处，就接近原来未受管壁扰动的速 度。因此，速度改变现象只发生在紧邻管壁很薄的流层内，这个薄层6 称为边界层 或附面层。附面层沿着流动方向逐渐向管轴扩展。在附面层内流速向管壁递减为 1 4 2 流速场的解析 零，根据连续性原理，附面层内流速的减小，必将使中部的流速增加。因此，沿流 速方向的各断面上速度分布不断改变。假设在离进口处距离为f 。的断面上，附面层 已经基本上扩展至管轴，这个断面中心处最大流速己等于完全扩展段断面上最大流 速的9 8 9 9 ，可以认为该断面的流动基本上已完全扩展。从进口处至f l 距离就 是起始段长度。层流时起始段长度f 。较大，约为一0 0 5 8 d r e p 3 1 。 2 3 紊流流动的分析 三才 兰兰支 虱至卦 l 一 訇卜一三尹 ， 4 t ， 图8 进口起始段的流速场 f i g 8v e l o c i t yf i e