（材料加工工程专业论文）铝合金厚板喷淋淬火的非均匀换热与冷却特性研究.pdf

原创性声明 l i i ii ii i ii ii i iiiiiil l r r 1 l l l l l l y 1915 5 6 9 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：鱼盏墨黾日期：赳年_ l 月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南人学硕仁学位论文摘要 摘要 铝合金厚板辊底喷淋淬火过程的非均匀换热和冷却足引起其组 织与性能不均匀的重要原因。本文基于单喷嘴单面喷淋淬火试验，研 究了被喷射表面换热系数的时间非均匀性及其计算方法；建立了多喷 嘴单面喷淋淬火装置，研究了喷嘴直径( d ) 、相邻喷嘴距离( l ) 和 喷射压力( p ) 对厚板非均匀冷却的影响；建立了被喷射表面换热系 数的非均匀分布模型，并基于a b a q u s 软件模拟了温度场、残余应 力一应变分布特性。获得了以下主要结果： ( 1 ) 基于7 0 5 0 合金厚板单喷嘴单面喷淋淬火试验，比较了根据 单点实测冷却曲线和两点冷却曲线两种反求计算被喷射表面换热系 数方法的适应性。结果表明，单点反求法所得换热系数更适合于本文 试验条件。 ( 2 ) 建立了多喷嘴喷射淬火试验装置，揭示了喷射工艺参数对 7 0 5 0 合金厚板淬火试样心部冷却的影响规律。当d 和p 一定，l 越 小，相邻涡对互相干扰越大，紊流区冷却强度越大；当l d = 8 - 1 4 时，从4 7 0 冷至3 0 0 的平均冷却速率出现波谷，l d = 1 4 2 0 间出 现波峰。 ( 3 ) 建立了多喷嘴喷射淬火条件下被喷射表面换热系数的非均 匀分布模型，研究了7 0 5 0 合金厚板的非均匀冷却特性。结果表明， 驻点区表面温度梯度出现二次峰值，p 越大，二次峰值效应就减小； 喷射压力( p ) 与喷嘴直径( d ) 越小，表面温度回升越明显。 ( 4 ) 揭示了7 0 5 0 合金厚板多喷嘴喷射淬火条件下的驻点区与紊 流区淬火残余应力不均匀分布规律。单面喷射淬火时，残余拉应力峰 值出现在表面到心部之间；双面喷射淬火时，也有类似的规律。 ( 5 ) 揭示了被喷射表面残余应变不均匀分布规律。沿板宽方向， 角、边部最大，驻点区附近最小；表面残余压应力越大，残余应变越 小。 关键词：铝合金厚板；淬火；换热系数；温度场；残余应力：残余应 变 中南人学硕卜学位论文 摘要 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h e t e r o g e n e o u sh e a tt r a n s f e ra n dc o o l i n gi nt h ep r o c e s so fr o l l e r - t y p e - q u e n c h i n gb ys p r a y i n gw a t e ra r ei m p o r t a n tr e a s o n sf o rt h eh e t e r o g e n e i t y o fm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e si na l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t e s b a s e d o n a ne n d q u e n c h i n gt e s tb ys p r a y i n gw a t e rw i t ho n en o z z l e ，t w o c o n v e r s ea p p r o a c h st ot h ec a l c u l a t i o no ft h e h e t e r o g e n e o u st r a n s f e r c o e 伍c i e n to nt h es p r a y e ds u r f a c ew i t ht i m ew e r ei n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r as p r a yw a t e rq u e n c h i n ge q u i p m e n th a sb e e ne s t a b l i s h e dt os t u d y t h ei n f l u e n c eo fn o z z l ed i a m e t e r ( d ) ，d i s t a n c eb e t w e e na d j a c e n tn o z z l e s ( l ) a n dn o z z l ep r e s s u r e ( p ) o nh e t e r o g e n e o u sc h a r a c t e r i s t i c so fat h i c k p l a t ed u r i n gc o o l i n gp r o c e s s ah e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sh a sb e e ne a t a b l i s h e d ，a n du s e dt os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h er e s i d u a ls t r e s s s t r a i ni nt h et h i c kp l a t eb y a b a q u s t h e m a i nr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ee n d q u e n c h i n gt e s to f7 0 5 0a l u m i n u ma l l o yt h i c k p l a t e sw i t ho n en o z z l e ，t w oi n v e r s em e t h o d so fc a l c u l a t i n gt h eh e a t t r a n s f e rc o e m c i e n to nt h es p r a y e ds u r f a c ew a s c o m p a r e d i tw a sf o u n d i n p r e s e n tp a p e rt h a tt h em e t h o d ，w h i c hw a sb a s e do nc o o l i n gc u r v eo fo n e p o i n t ，w a sm o r es u i t a b l et h a nt h eo n et h a tw a sb a s e do nc o o l i n gc u r v e so f t w op o i n t s ( 2 ) a ne n d - q u e n c h i n ge q u i p m e n tw i t hm u l t i n o z z l e sh a sb e e n e s t a b l i s h e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fs p r a yp a r a m e t e r so nh e t e r o g e n e o u s c o o l i n gc h a r a c t e r sd u r i n gt h eq u e n c h i n gt e s to f7 0 5 0a l u m i n u ma l l o y t h i c kp l a t es a m p l e w h e nv a l u e so ft h eda n dpa r ef i x e d ，t h ei n t e r f e r e n c e o ft h ea d j a c e n tv o r t e xa n dt h ec o o l i n gr a t ei nt h et u r b u l e n ti n c r e a s ew i m t h ed e c r e a s eo fl v a l u e ；w h e nl d = 8 l4 t h ea v e r a g ec o o l i n gr a t ea t t e m p e r a t u r er a n g ef r o m4 7 0 。ct o3 0 0 。ca p p e a r st r o u g h ，w h i l el d = 1 4 - - 2 0 ，t h ep e a ki n s t e a d ( 3 ) ah e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t so nt h e s p r a y e ds u r f a c ed u r i n gt h ee n d q u e n c h i n gw i t h m u l t i - n o z z l e sh a sb e e ne s t a b l i s h e dt os t u d yt h ec o o l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h e7 0 5 0a l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t es a m p l e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e d 中南人学硕仁学付论文 a b s t r a c t t h a tt h e r ew e r et w op e a k so fs u r f a c et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h e s t a g n a t i o nz o n e ，t h es e c o n d a r yp e a ke f f e c td e c r e a s e dw i t ht h ei n c e a s eo f t h es p r a yp r e s s u r e ( p ) t h es m a l l e rt h es p r a yp r e s s u r e ( p ) a n ds p r a y d i a m e t e r ( d ) ，t h em o r eo b v i o u st h er e c o v e r yo ft h es u r f a c et e m p e r a t u r e ( 4 ) t h eh e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o nl a wo ft h er e s i d u a ls t r e s sa tt h e s t a g n a t i o n z o n ea n dt u r b u l e n tz o n eh a sb e e nr e v e a l e d m e nt h e q u e n c h i n gb ys p r a y i n gw a t e ro ns i n g l e - s i d eo f t h et h i c kp l a t es a m p l e ，t h e m a x i m u mt e n s i l es t r e s sa p p e a r e da tc e r t a i nt h i c k n e s sb e t w e e nt h es p r a y e d s u r f a c ea n dt h ec e n t e r i tw a ss i m i l l a rw i t ht h a to fs p r a y i n gw a t e ro n d o u b l e s i d e s ( 5 ) t h eh e t e r o g e n e o u sd i s t r i b u t i o nl a wo ft h er e s i d u a ls t r a i no nt h e s p r a y e ds u r f a c eo ft h et h i c kp l a t es a m p l eh a sa l s ob e e nr e v e a l e d a l o n g t h ew i d t hd i r e c t i o n ，t h er e s i d u a ls t r a i n sb e c a m el a r g e ra tt h ec o m e ra n d e d g e ，a n db e c a m es m a l l e ri nt h es t a g n a t i o nz o n e t h el a r g e rt h es u r f a c e r e s i d u a lp r e s s u r es t r e s s ，t h es m a l l e rt h er e s i d u a ls t r a i n k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o yt h i c kp l a t e ；q u e n c h i n g ；h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；r e s i d u a ls t r e s s ；r e s i d u a ls t r a i n i i i 中南人学硕卜学位论文口录 目录 摘皇要。i a b s t r a c t i i 目j 畏i 第一章文献综述1 1 1 铝合金材料的淬透性1 1 1 1 淬透性的度量与评价l 1 1 2 淬透性的影响因素2 1 2 辊底淬火技术3 1 3 射流冲击换热5 1 3 1 淬火过程热量传输5 1 3 2 射流7 1 3 3 国内外换热系数研究现状1 3 1 4 淬火过程的数值模拟技术1 4 1 4 1 厚板淬火过程的温度场模拟研究1 4 1 4 2 厚板淬火过程的残余应力场模拟研究。1 4 1 4 3 淬火过程热弹塑性问题1 5 1 5 本课题研究的目的与意义1 7 第二章研究方法与实验过程1 8 2 1 研究方案18 2 2 技术路线与研究内容l9 2 3 厚板淬火装置及方法2 0 2 3 1 淬火材料及试样制备2 1 2 3 2 试样淬火过程2 2 第三章换热系数的建模求解比较2 3 3 1 模型建立2 3 3 1 1 一维有限差分法( 两点法) 2 4 3 1 2 集总参数法( 一点法) 2 5 3 2 模型求解过程及分析2 7 3 2 1 模型求解2 7 3 2 2 解析误差分析2 9 3 3 求解结果与讨论3 0 中南人学硕 ：学位论文 目录 3 3 1h w t 关系曲线。3 0 3 3 2 温度场模拟比较3 2 3 4 本章小结3 3 第四章单面喷射参数对厚板冷却的影响3 4 4 1 工艺参数设计3 4 4 2 试验结果与分析3 5 4 2 1 驻点区与紊流区心部冷却曲线3 5 4 2 2 不同l 下的冷却比较3 7 4 2 3l d 与冷却速率的关系3 9 4 2 4 驻点区与紊流区换热系数分布一4 0 4 3 本章小结4 l 第五章厚板温度场及残余应力应变场模拟研究4 3 5 1 淬火数值模拟方法4 3 5 1 1a b a q u s 有限元简介4 3 5 1 2 淬火过程数值模拟模型建立4 4 5 1 3 换热面上换热系数分布模型4 5 5 2 温度场模拟结果与分析4 7 5 2 1 温度场云图分布4 7 5 2 2 模拟温度场中冷却曲线比较分析一4 9 5 2 3 沿厚度方向温度梯度分析5 0 5 3 残余应力场模拟结果与分析5 4 5 3 1 单面喷射条件下的模拟结果与分析5 5 5 3 2 双面喷射条件下的模拟结果与分析5 8 5 4 表面横向残余应力与应变的关系6 l 5 5 本章小结6 2 第六章结论6 4 参考文献6 5 附j i 之7 ( ) 致谢7 2 参与的科研项目及发表的学术论文7 3 中南人学硕十学位论文 第章文献综述 第一章文献综述 随着空天运载、海陆交通、能源动力等领域的发展，制造各种极端服役的构 件和装备急需大规格高性能铝材。这些铝材叮以在减重1 0 3 0 的情况下仍然具 有高强度、高韧性、耐蚀性强、抗疲劳性强等特点，需求十分旺盛。据美国铝业 协会的统计，美国近2 0 年( 1 9 9 0 2 0 1 0 ) 厚板( 大于6 2 5 m m ) 的产量( 国内消 费量与出口量总和) 相当于板带产量( 不含铝箔毛料) 的8 。而我国现阶段航 空航天工业、汽车工业、交通轨道及造船业等正处于高速持续发展阶段，所需铝 合金厚板迅速增加【l 】。这种一般采用铸锭轧制法生产，轧制一般在热轧生产线上 由热粗轧机完成，经轧制出来的板料经固溶处理后进入辊底淬火系统进行喷淋淬 火，后经拉伸矫直，最后进行时效处理。在辊底淬火系统中，应用先进的淬火控 冷技术可实现厚板内外均匀冷却，从而厚板获得大的淬透层深度和较低的残余应 力等性能指标。淬火过程的喷射压力、流量、喷嘴直径、喷射角度及相邻喷嘴距 离等参数对厚板的冷却温度场都有影响。较大的喷射压力和流量虽能获得较深的 淬透层深度，但使得表层与心部的残余应力过大。而较小的喷射压力和流量又使 得厚板心部冷却较慢，淬透层深度不够，心部性能较差。所以合理的喷射参数设 置尤其重要。在淬火冷却过程中，淬火介质冲击厚板冷却淬火，射流冲击下驻点 区和紊流区换热特性是不同的，这对设计喷嘴系统十分重要。因此需深入研究影 响铝合金厚板淬透层深度与残余应力的喷射淬火过程冷却机理及均匀高效的淬 火方法，这不仅具有理论意义，也可以为实际生产制定最佳工艺方案和优选工艺 参数提供指导。 1 1 铝合金材料的淬透性 1 1 1 淬透性的度量与评价 铝合金淬火是在高温状态以急冷方式将过饱和状态稳定至室温，使淬火组织 中保留大量空位和过饱和浓度的溶质原子，为时效析出提供热力学与动力学条 件。铝合金材料的淬透性是针对铝合金厚截面材料和构件固溶一淬火一时效后的 组织性能不均匀性问题而提出的，并且随着对铝合金厚板不断提出的提升综合性 能和增加板厚的强烈需求而愈加突出。 淬火速率影响材料时效性能的程度是可热处理强化铝合金的一种重要的工 艺性能指标，一般用“淬火敏感性 或“淬透性”来表示 2 1 。其实，铝合金的“淬 透性”的定义是借鉴钢铁材料的定义发展而来的。对钢铁而言，淬透性是指试样 中南人学硕f ：学位论文第章文献综述 在规定的： 艺条件下淬火，所能获得的最大淬硬层的能力。所谓淬硬层深度，是 指从试样表面起，垂直于试样表面测量，由表面到硬度值为某个值( 或淬火组织 的构成比例) 的位置时的距离。形状、尺寸相同的不同材料，在相同条件下淬火 后，他们所获得淬硬层深度足不同的，淬硬层深度越深，我们就说其淬透性好， 反之，淬硬层深度越浅，其淬透性差【2 】。淬透性是量化值，通常是以有效硬化层 深度的大小进行衡量。在零件的设计图中，一般只要求有效硬化层的深度。合金 的淬透性是保证厚大截面的合金能够获得满意的心部性能的重要参考。厚大截面 的合金制品在淬火时，由于截面过厚，心部的淬火冷却速率慢，淬火时不能淬透， 导致合金制品的心部不能获得较为理想的性能【3 训。 铝合金淬透性的研究方法是基于钢末端淬火实验( j o m i n ye n dq u e n c h ) 的基 础上发展起来的，张新明、邓运来等【5 】提出了铝合金淬透性的度量与评价方法， 用淬透深度指标对淬透性进行量化表征。具体的方法是：将淬火后的铝合金板料 进行时效，截取试样测试硬度，在垂直于铝合金板横向的截面上沿厚度方向从表 面向板中心延伸，每隔2 m m 测定一个硬度值。记录测试点硬度和测试点与表面 的距离，如下图1 1 所示，建立硬度( h ) 与距离( d ) 坐标，将记录数据反映 到所述坐标中，绘出硬度与距离关系曲线2 2 ( h d 曲线) ，以h d 关系图所示 最高硬度下降某个值( 如5 ) 的硬度值作为标准，将标准值用水平线2 3 绘在图 上，得到与h d 曲线相交的一个交点2 4 ，该交点对应的距离d 定义为淬透深度。 硬度测量设备为h v 5 维氏硬度计，测量参数为：3 公斤载荷，保压1 5 秒。 王 酬 蹦 距淬火端的距离( m m ) 图1 - 1 淬硬层深度的度量 1 1 2 淬透性的影响因素 铝合金的淬透层深度不仅与合金的化学成分有关，而且还受试样大小、加热 温度、冷却介质、冷却方法等因素影响。各因素对铝合金厚板淬透性的影响如下： ( 1 ) 合金的化学成分 俄罗斯科技人员曾经系统研究了化学成分对一些合金淬透性的影响。b 9 5 合 2 中南人学硕卜学位论文 第一章文献综述 金的淬透性会因z n m g 比值增大而提蒯6 1 。a k 6 合会的淬透性在s i m g 比值增 大的情况下得到提高。b 9 5 合金淬透性随着c r 和m n 含星的降低而提高，a k 6 合金的淬透性则随着m n 含最的降低而提高。a k 4 1 与a k 8 合金的淬透性与主 要合金化元素之间的比值以及高熔点添加剂含量的多少无关。如果将m n 含星从 w ( m n ) = o 4 2 增加到0 9 ，a 1 4 c u 合金的淬透性就会增强( 沿端面淬火试样 的长度方向，其强度极限的卜降量从1 1 逐渐减至7 。屈服极限的下降量从2 1 逐渐减至6 ) 。此外锆添加到a 1 c u m g 合金中，则淬透性提高。在含m g 的铝 合金中，溶解的过渡金属难熔添加物在很大程度上会通过改变a l 中主要合金元 素的溶解度来影响淬透性。 2 d 7 0 铝合金与其它2 系铝合金( a i c u m g 系) 有明显不同，该合金位于叶s ( a 1 2 c u m g ) 两相区。2 0 1 7 合金主要强化相是0 ( c u a l 2 ) ，2 0 2 4 合金的主要强 化相是0 ( c u a l 2 ) 和s ( a 1 2 c u m g ) ，而c u a l 2 相脱溶需要更大的驱动力，也就 是需要大一些的自由焓差或者说更大的淬火冷却速率。a 1 2 c u m g 与c u a l 2 相比， 对冷却速率的敏感性小很多，故2 d 7 0 具有很好的淬透性 7 1 。 ( 2 ) 冷却速率 对于同种铝合金材料而言，淬火冷速越大，过饱和固溶体与稳定析出相之间 的自由焓差就越大，亦即析出驱动力越大，从而使溶质原子能更多地在时效过程 中析出强化相。当淬火冷速较慢，其他元素可能从铝基体中析出一部分，降低过 饱和固溶体的过饱和度，从而减小了析出强化相数量。因此，淬火冷却速率会严 重地影响具有淬火敏感性的铝合金材料的淬透层深度。 在冷却条件不变的前提下，材料截面不同部位( 尺寸) 的冷却速率不同，不 同合金产生过饱和固溶体分解对应的冷却速率不同，从而形成不同合金相同截面 ( 尺寸) 强化效果不同。因此，板料的形状尺寸、加热温度、冷却方式等，在不 同程度上都影响其淬透层深度。形状尺寸小、加热温度高、连续冷却等都能在一 定程度上提高淬透层深度；而形状尺寸大、加热温度低、等温冷却等会使淬透层 深度下降。 1 2 辊底淬火技术 随着中国工业技术水平的不断发展和提高，除航空航天、轨道交通及汽车工 业外，造船业、机械加工业、石油化工、桥梁建筑等行业在对厚板的总体需求量 增加的同时对高强高韧性铝合金厚板的需求也不断增加。近年来，我国厚板生产 的装备也不断提高。铝合金厚板的淬火加热方式有盐浴炉加热( 硝盐炉加热一冷 水淬火一硝酸蚀洗一冷水清洗) 、空气炉加热( 空气加热室一高压冷水室一低压 冷水室) ：辊底式加热。目前一般采用辊底淬火技术生产高附加值的厚板以满足 3 中南大学硕十：学付论文第章文献综述 当前部分市场需求，其具有被加热金属板材温度均匀一致( 金属内部温差仪为 1 5 。c ) 、转移时间短等特尉8 1 。如东北轻合金有限责任公司的辊底淬火炉的主要 技术参数如表1 1 所示。 表卜1 东北轻合金有限责任公司辊底淬火炉主要技术参数n 1 名称参数及规格 制造单位 处理合金种类 炉子最高温度 控制精度 循环风机安装位置 淬火输送速度 板材规格 奥地利e b n e r 公司 2 x x x ，5 x x x ，6 x x x ，7 x x x 6 0 0 1 5 炉顶与炉底 0 4 8 - - 4 8 m m i n ( 2 l o o m m ) x ( 1 0 0 0 - - 1 7 6 0 m m ) ( 2 0 0 0 8 0 0 0 m m ) 辊底淬火技术主要包括热处理技术、辊底淬火机技术和在线控冷技术【9 1 。 ( 1 ) 热处理技术 厚板热处理工序的核心设备是辊底淬火炉，它是热处理工序的加热设备，与 厚板生产线的加热炉( 均匀化及退火炉等) 相比，其炉温控制的准确性和加热的 均匀性要求更高。它的装备水平和操作水平直接影响铝合金厚板的质量和生产成 本。淬火是铝合金材料的最重要和要求最严格的热处理操作，其目的是为了得到 高浓度的过饱和固溶体，给自然时效和人工时效创造必要的条件。因此，制定热 处理制度时，必须恰当地选择合理的加热温度、加热速度、保温时间等热处理技 术参数。 辊底淬火炉可采用电加热、燃油加热或者燃气加热。比如采用电加热方式时， 通过强大的风机使高温气流从炉顶及炉底的一排排喷嘴喷到被加热的板材上，既 能以最快的速度使板材升温，又能确保加热温度均匀一致。气流温度与流量可自 动调控，因而板材的温度可自动调节。 铝合金厚板的辊底淬火炉的喷射加热技术是关键。在加热炉内铝合金板由上 下分布的空气喷嘴系统进行快速均匀地加热，喷射速度为3 0 , - , 7 0 m s ，加热速率 为l m m m i n ，喷射加热与其它加热相比，可以提高传热系数，达到快速升温的 目的。同时，均匀排布的喷嘴和精确地空气导流可以得到最小的温度偏差。为了 达到最佳的效果，要合理设计喷嘴的角度、排列、大小和多少；同时配置高温、 高压、高效率风机，精确的循环系统以及特殊的密封系鲥8 1 。 ( 2 ) 辊底淬火机和控冷技术 辊底淬火是厚板通过辊道输送到淬火区进行淬火，厚板在运动中进行淬火。 4 中南人学硕士学何论文第章文献综述 这种方式先采用高压水快速冷却，使厚板表面温度迅速降低至3 0 0 左右，同时 保持厚板上下表面温度相同的冷却速率，避免厚板翘起。然后用低压水继续冷却 厚板直至厚板内部温度降至6 0 左右。在厚板的快速冷却过程中，由f 要保证 厚板淬透性较高和残余应力较小的质量指标，厚板在线淬火控冷是关键所在。在 线控冷和淬火技术包括几个方面【m 】：控制厚板上、下表面及内部冷却均匀， 根据厚板上、下面采用的喷嘴形式以及厚板表面存在滞留水的状态，要保证上、 下表面冷却能力相同，上、下冷却水量要选择适当的比例。控制厚板宽度、长 度方向上每一部位冷却的均匀性。为防止厚板上表面滞留水向边部流出造成的冷 却不均，必须加大厚板中心部位的冷却能力。根据厚板的材质、规格以及所要 达到的目标强度，对冷却速率进行控制。冷却速率是由冷却水量和厚板的移动速 度所决定的，不同的材质、不同规格所需要的冷却水量和厚板的移动速度不同。 对冷却开始温度和终了温度进行控制。其影响厚板的显微组织和性能及平直 度。 目前辊底淬火机和淬火炉布局紧凑，厚板从淬火炉加热到要求的温度后，从 炉子出来直接进入到淬火机进行淬火。这种布置有利于准确控制淬火厚板的温 度。目前先进的辊底淬火机生产出高质量的厚板主要含以下先进技术：分区冷 却技术。淬火机一般分为高压和中低压冷却区，高压冷却一般采用5 0 0 k p a 的冷 却水，迅速将厚板的温度冷却到3 0 0 左右，中低压冷却区继续将厚板冷至6 0 左右。特殊的喷嘴设计技术。为了得到高质量的淬火厚板，现在的淬火机的 喷嘴采用特殊设计。高压区采用了三种形式的喷嘴，分别是狭缝水帘式喷嘴、箱 式双喷嘴和单根组建喷嘴。喷嘴上下对称布置，并且狭缝式喷嘴的开口度、喷水 角度和喷嘴与厚板的距离可调可保证不同厚板的平直度。低压区采用水管式结 构。每根水管上有3 , - - - , 4 排喷嘴，这些喷嘴是朝着板料输送线的不同角度钻孔的。 计算机控制技术。淬火机根据厚板入炉加热数据，自动调整淬火机的开口度、 辊道速度及冷却水量等。为保证淬火机的正常工作，淬火机在入口设置了检测辊， 保证淬火机的安全工作；在出口处设置了水刮板和气刀系统，除去厚板表面的残 余水；在高压区辊道采用螺旋型，并安装了专门的真空吸水系统。 1 3 射流冲击换热 1 3 1 淬火过程热量传输 根据热力学第二定律，凡是有温度差的地方就一定有热量的转移，即热量传 输的过程。淬火时，工件在极短时间内由高温降至室温，换热是十分剧烈的。 热量传输有三种基本方式【1 1 1 4 1 ，即热传导、对流和辐射。 a 、热传导。热量依靠物体中微观粒子( 分子、原子或自由电子) 的热运动， 5 中南人学硕十：学何论文第。章文献综述 从物体中温度较高的部位向温度较低的部位传输或者从温度较高的物体传输至0 与之接触的温度较低的物体的过程。导热是物质的属性，导热过程可以在固体、 液体及气体中发生。如图1 2 所示的维甲板导热，温度仅在x 方向上：发生变化。 根据傅立叶定律，单位时间内通过该层的导热热鼍t p 与温度变化率及平板面积a 成正比，即 图卜2 通过平板的一维导热”1 矽= a x q 。= - 翩罢( 1 - 1 ) 式( 1 - 1 ) 中q 一热流密度( w m 2 ) 是在x 方向上，并垂直于传热方向的单位面积 上的传热率，它与该方向上的温度梯度d t d x 成正比；比例常数k 是一种运输性质， 称作导热系数( w m 2 k ) ，它是材料的一种特性。负号表示传热是沿着温度降低的 方向进行的。 b 、热对流。流体内各部分之间发生相对位移或者当流体流过一固态物体表 面时引起的热量传输称为热对流。对流与传导的区别在于，对流所指的流体各部 分间的相对位移，是流体微团之间的宏观相对运动；而流体的热传导是通过流体 分子杂乱无章的热运动而实现的，而相对于对流现象只能发生在流体内部。但在 流体中发生对流时，总伴有热传导现象。 淬火介质( 运动流体) 与金属界面处于不同温度状况下的对流换热系数密切 相关。淬火介质经过热金属表面时，淬火介质与金属界面相互作用的结果使得淬 火介质内部形成一个区域。在这个区域内，淬火介质速度由金属界面处的零值增 长到与流体温度不同，流体内部还会形成一个区域。在这个区域内，流体温度由 界面处的零值增长到与流动状况有关的某个确定值，如图1 3 所示。通常，流 体内部的这个区域被称做“流体力学附面层 或“速度附面层 。此外，如果壁 温与流体温度不同，流体内部还会形成一个区域。在这个区域内，流体温度e h y - - - 0 处的t s 变化到外流的l ，这个区域被称作“热附面层 。热附面层的温度可能小 于，大于或等于速度附面层的温度，但无论哪种情况，只要t s t o o ，壁面和外流 之间就会发生对流换热。 6 中南人学硕卜学化论文第一章文献综述 图卜3 对流挟热附面层的发展 在传热学中，把对流换热方式描述为热传导和流体宏观运动双重作用造成的 能量传递过程。在一般情况下，所传递的能量是流体的显热，或者叫做流体的内 热。但在某些对流换热过程中，除显热交换之外，还有潜热交换。这种潜热交换 通常和流体的液相与气相之间的相变联系在一起。 尽管对流换热的具体情况不同，但仍可以恰当地写出其热流方程，即 9 1 = j i l ( z 一瓦) ( 1 2 ) 式( 1 - 2 ) 中q 是对流换热的热流密度( w ，m 2 ) ，它与壁面的温度t s 和流体l 之差成正比。这个关系式被称做牛顿冷却定律，比例常数h ( w m 2 k ) 称作换热系 数( 薄膜传导系数或薄膜系数) 。 c 、热辐射。物体通过电磁波来传输热量的方式称为热辐射。物体会由本 身的原因而发出辐射热，它依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线( 电磁波， 或者说光子) 传递热量。 物体表面的最大辐射流密度可由斯蒂芬玻尔兹曼定律求出，即 口”= 盯f( 1 - 3 ) 式( 1 3 ) 中o r = 5 6 6 5 1 0 - 8 w ( m 2 k 4 ) 是玻尔兹曼常数。式( 1 - 3 ) 确定了一 个表面发射能量的速率，要求出几个表面之间交换的净辐射热流，一般来说非常 复杂。但在实际中常常遇到一些特殊情况，即一个小表面和一个完全包围它的大 表面之间的净辐射换热。这个小表面和包围它的大表面之间有气体隔开，但气体 并不影响辐射传热。这两个表面之间的净辐射热流q ( w ) 可以由下式( 1 - 4 ) 表示： g = s a a - ( v 一毪) ( 1 - 4 ) 式( 1 - 4 ) 中，a 是小表面面积；s 是物体表面的辐射性质，称为黑度，黑度 表示与理想辐射体相比，物体表面辐射的有效程度；而m 大表面温度，t s 是 小表面温度。 1 3 2 射流 1 3 2 1 射流特征及分类 射流冲击冷却换热技术作为一种具有重要学术意义和工程应用价值的强化 7 中南大学硕十：学位论文第一章文献综述 换热手段，应用在冶金、发动机内部冷却、纸张及纺织品的干燥、玻璃的【u j 火等 方面【坫16 1 。其特点是高速射流流体法向冲击传热表面，在驻点附近形成很薄的速 度和温度边界层，因此具有极高的传热效率。射流，是指从各种排泄口射出或者 靠机械推动流入周围另一流体区域内的一股运动流体。从不同的角度可以将射流 分为各种类型1 7 j ： 1 按流动璎态可以分为层流射流和湍流射流。工程应用问题多为湍流射流。 2 按射流的物理性质可分为不可压缩射流( 如水射流) 和可压缩射流( 如高速 气体射流) ；等密度射流和变密度射流。 3 按射流的断面形状可以分为平面射流( 二维射流) 和立体射流( 三维射流) ， 缝隙流和孔射流。 4 按环境固体边界情况可以分为自由射流( 在无限空间的流体内运动的射流) 和非自由射流( 在有限空间的流体内运动的射流) 。 5 按依附边界可以分为冲击射流和壁面射流。 6 按环境的性质可以分为淹没型射流( 射入同种流体之内的射流) 和非淹没射 流( 射入不同种类的流体之内，如射入大气中的水射流) 。 对于单射流而言，如图1 4 所示，可以分为五个部分：1 射流核- t l , ( j e t c o r e ) 区，此处射流速度大小不变，边界逐渐向射流轴线收缩直至相交；2 混合区 ( m i x i n gr e g i o n ) ；3 自由射流区( f r e e - j e tr e g i o n ) ，该区域具有显著的自由射 流特征；4 冲击区( i m p i n g e m e n tr e g i o n ) ，又叫驻点区或者滞止区，该区域流动 改变方向，并且有很大的压力梯度；5 壁面射流区( w a l l - j e tr e g i o n ) ，可以分为 内层和外层，内层具有边界层的特性，外层则具有自由射流的特性。也有人将前 三个部分合为一个区域，统称自由射流区【1 8 。2 0 l 。 流体从喷嘴射出以后，在射流核心区沿射流中心轴线都不存在压力梯度，射 流中心线的速度等于喷嘴出口的速度，并且不受任何介质掺混的影响。但在混合 区速度沿中心向两侧逐渐减小。在自由射流区域，射流速度随着射流长度的增加 8 中南人学硕 ：学位论文第一章文献综述 而减小，主流对附近静止的介质产生卷吸作用，自由界面上就会同环境介质相互 掺混，进而发生强烈的动能交换，并有一定的漩涡特征，主要表现为：非均匀径 向速度剖面的发展，射流扩张率和总传质率的增加，以及冲击到固体壁面之前射 流温度的改变等。根据边界层理论，对于一般流动从流动形式可分为湍流和层流， 而湍流度则是指速度脉动值干n b , y 均值之比，所以无论是层流还是湍流都有一定的 湍流度。对于冲击射流而占，同样存在着湍流度的影响，而且射流湍流度可以分 为初始湍流度和诱发湍流度。初始湍流度是来流本身所具有的，和来流扰动程度 有关，射流出口时的初始湍流度与流体在喷嘴内部的流动有关，因而具有较小的 量级。在射流进行过程中，由于主流与环境介质相互掺混，使得主流的湍流度增 加，这就是诱发湍流度，具有较高的量级。射流湍流度的增加对强化换热有很大 的帮助，所以增加诱发湍流度是提高冲击射流换热的一种有效手段。诱发湍流度 的产生主要发生在自由射流区。 冲击区，有人【埔】定义为距离固体壁面1 2 倍喷嘴直径( 法向) ，距中轴线1 1 倍直径( 径向) 的区域，也有人【2 0 】认为是距离固体壁面0 3 倍冲击高度( 法向) ， 距离中轴线0 3 5 倍冲击高度的范围。在冲击区，射流速度变化最明显，射流法 向速度沿中轴线逐渐减小为零，径向速度则沿壁面向外逐渐增加。在整个冲击区 域，射流参数变化最为激烈，从而使冲击射流表现出与简单的平行剪切流动完全 不同的特征。根据边界层理论，冲击射流在轴对称的驻点流动为加速流动，法向 压力梯度很小，可以忽略不计。边界层流动的稳定性主要受到径向压力梯度的影 响，平行于壁面方向的顺压力梯度使边界层保持层流状态。由于射流主流与环境 介质不断发生动量交换，还有边界层内的摩擦影响，必然引起射流动能的耗能， 所以加速的冲击区射流流动将转变成减速的壁面射流。 在壁面射流区，射流外层具有明显的自由射流特征，其不断与环境介质发生 湍动掺混和卷吸，主要平均速度则不断减小，无限远处则较小到零。壁面射流是 否是湍流流动主要取决于射流冲击之前是否属于湍流流动。 对于双射流或者多射流，除了具有单射流的特征外，必然有射流之间的影响， 如图1 5 所示。和单射流相比，最明显的体现就是出现了上喷流区( f o u n t a i n u p w a s hr e g i o n ) 和上升喷成区( f o u n t a i n