水流量对热轧钢板层流冷却过程对流换热系数的影响_汪贺模

汪贺模等： 水流量对热轧钢板层流冷却过程对流换热系数的影响
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中钢板各实测点的温降曲线． 采用反向热传导法， 根据图 2 实测数据绘出的层流冷却过程中高温钢板 的温降曲线， 并结合建立的冷却过程的导热微分方 3 －1 程（ 1 ） ， 得到了水流量为 2. 1 m ·h 时， 距离冲击区 驻点不同位置的换热系数随表面温度变化曲线 ， 如 图 3 所示．
对流换热系数与表面温度呈非线性关系； 在距离驻点 70 mm 内， 水流量对换热 表面温度变化规律的影响 ． 在层流冷却过程中， 系数随表面温度变化规律没影响； 远离驻点 70 mm 外， 对流换热系数比随远离冲击区驻点距离的增加而减小 ． 采用所确定的 换热系数计算得到的温降曲线与实测曲线吻合较好 ． 关键词 分类号 热轧； 钢板； 层流； 冷却； 换热系数； 反向热传导； 有限差分法 TG 335. 5
变形加工和之后的快速冷却， 不仅可以改善材料的 还能有效提高材料的合金利 室温组织和力学性能， 用效率， 替代后续热处理工艺， 提高材料的焊接性 ， ， 能 降低生产成本 同时减少了资源的消耗， 社会效
-12 -14 收稿日期： 2011 基金项目： “十一五” 国家科技支撑计划资助项目（ 2006BAE03A06 ）
ABSTRACT
Establishing an accuracy relationship between the convective heat transfer coefficient and cooling process is the key to
improve the laminar cooling control model． The convective heat transfer coefficient and corresponding surface temperature were calculated by the finite difference method and the inverse heat conduction method． The effects of cooling water jet flow rate on the heat transfer coefficient and surface temperature was investigated when the cooling water jet flow rate varied from 0. 9 to 2. 1 m3· h － 1 ． It is found that the convective heat transfer coefficient is a nonlinear function of the surface temperature during laminar flow cooling． Within a distance of 70 mm from the stagnation line，the cooling flow rate has no effect on the heat transfer coefficient and surface temperature． But outside 70 mm，the heat transfer coefficient ratio becomes smaller with increasing distance from the stagnation line． It is also shown that relatively good agreement is obtained between the calculated and measured curves． KEY WORDS method hot rolling； steel plates； laminar flow； cooling； heat transfer coefficients； inverse heat conduction； finite difference
图1 Fig． 1
试样测温点位置图
它是根据已知试样内 换热系数或热流密度的方法， 部位置处的温度曲线来预测传热边界条件 ． 换热系数或热流密度的计算一般需要两步： 首 先， 给定一个初始换热系数或热流密度值 ， 利用有限 可求得任 差分（ 或有限元） 法直接求解热传导问题， 意时刻温度分布； 其次， 比较温度的实测值和计算 值． 视其差别， 调整换热系数或热流密度值， 重新计 算、 比较． 如此反复， 直至温度的计算值和实测值在 就是根 一定误差范围内为止． 此时的换热系数值， 据实测的钢板温降曲线计算得到的平均换热系数 值． 不同反向传热法被用于计算淬火过程对流换热 ． 有研究者 系数或热流密度 利用有限差分 -14 ［11 ］ 法求解一维热传导问题， 还有研究者 采用有限 元法求解二维热传导问题． 笔者采用了有限差分法 和反热传导法相结合的方法求解对流换热系数 ．
2
2. 1
对流换热系数的确定
温度场的计算 根据层流冷却过程中厚钢板传热特点， 认为钢
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3. 1
结果分析与讨论
对流换热系数与表面温度的关系 图 2 为水流量为 2. 1 m ·h
3 －1
变物性的二维轴对称的非 板冷却过程为无内热源、 稳态导热问题． 其完整数学描述如下：
时， 层流冷却过程
第 12 期
-9 ［5 ］ ［3 ， 10 ］
Position of temperature measuring spots for samples
1. 2
实验过程 将制备好的试样放在电加热炉中加热、 保温至
预设温度且样体温度基本均匀， 然后从加热炉中将 试样运送到输出辊道水冷区域内， 固定好试样冷却 位置， 并将热电偶与温度采集数据仪连接． 调整冷 对试样进行强制冷却． 与此同时， 计算机 却水量后， 开始采集各测温点的温度值． 本实验在北京科技大 学高效轧制国家工程研究中心研发的具备多功能控 制冷却实验平台上进行．
快速冷却技术应用日益普遍， 已成为了许多钢 材和有色金属生产中不可缺少的技术手段 ． 变形后 而后开 的快速冷却技术最早应用于钢材热加工中 ， 始逐渐在有色金属材料的生产中得到使用 ， 如用于 生产高强度铝合金、 钛合金以及铜合金
［1 ］
益显著
． 但是， 在工业生产应用过程中存在诸多 如冷却不均匀、 卷取温度控制不准 亟需解决的问题， 确和冷却能力的适应性不强， 究其原因是对冷却中
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)
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)
为了减小冷却过程中氧化层和相变对换热的影 响， 采用奥氏体不锈钢（ AISI 304L） 试样进行冷却实 验， 试样尺寸为 25 mm × 200 mm × 400 mm． 为了避 免热电偶对冷却水流动状态及汽泡等产生影响 ， 在 试样射流冲击区的背面预钻测温孔， 测温点到钢板 表面的距离为 5 mm， 测温孔位置如图 1 所示． 落水 点即驻点位置为零点， 其余测温点距驻点的距离 d 140 和 210 mm． 实验采用直径为 0. 5 mm 分别为 70 、 - NiSi 热 电 偶 丝， 的 NiCr3 mm × 1 500 mm 的 -191 K 型热电偶作为温度传感器． 数据采集 WRNK －1 系统采样速率为 10 s ．
北京科技大学高效轧制国家工程研究中心， 北京 100083 Email： yuwei@ nercar． ustb． edu． cn 通信作者，
摘
要
提高带钢层流冷却控制模型的精度， 关键是建立精确的对流换热系数与冷却工艺之间的关系 ． 采用有限差分法和反
3 h － 1 ） 对换热系数与 向热传导法， 获得了实验条件下钢板表面的对流换热系数及表面温度 ． 研究了不同水流量（ 0. 9 ～ 2. 1 m ·
h（ T） = 14 379. 98 － 99. 748 23 T + 0. 397 T2 － 0. 84 × T ( 10 )
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+ 89. 904 ×
T ( 100 )
4
－ 3. 814 6 ×
T ( 100 )
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． （ 4）
根据所确定的换热系数对钢板进行数值模拟计 算得到了驻点处钢板表面温度随时间变化曲线 ， 如 图 4 所示． 从图 4 中可以看出， 采用所确定的换热 系数计算得到的温降曲线与实测的曲线吻合较好 ， 具有较高的精度．
Effect of water flow rate on the heat transfer coefficient of a hot steel plate during laminar flow cooling
WANG Hemu，CAI Qingwu，YU Wei ，SU Lan
National Engineering Research Center of Advanced Rolling，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083 ，China mail： yuwei@ nercar． ustb． edu． cn Corresponding author，E-
［2 ］
． 通过热
涉及的众多参数对钢板温度均匀性以及冷却能力的 影响没有深入的理解． 对流换热系数 （ 简称换热系 数） 是表示冷却能力的重要参数， 可以说换热系数 ［3 ］ 是体现控制冷却装置性能的重要标志 ． 它也是研 计算温度场和设计水冷装 究热轧材水冷传热特性、 置的必不可少的参数之一． 换热系数与流体的物性
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北
京
科
技
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学
学
报
第 34 卷
（ 流体 密 度、 比 热 容、 导 热 率、 黏度和热膨胀系数 等） 、 冷却方式、 钢板状态 （ 温度、 形状、 尺寸和粗糙 度等） 和冷却设备参数等多种因素密切相关 ．
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1. 1
实验方法
实验材料
1 T T T + = ρc p ． （ 1） λ λr r r z r t z m； r 为远离轴线的径 式中： z 为钢板厚度方向尺寸， m； λ 为导热系数， W · m － 1· ℃ － 1 ； ρ 为钢板的 向距离， kg · m － 3 ； c p 为钢板的定压比热容， J · kg· ℃ －1； T 密度， ℃ ； t 为时间， s． 为温度， 为了减少计算机内存与计算时间， 采用交替方 ADI ） 求解 向隐式方法 （ alternating direction implicit， 不论时间步长 Δt 大小， 其 上述非稳态热传导问题， 解都是稳定的． 计算过程中考虑材料的热物性是随 温度变化的， 采用加权平均法求解两节点间导热系 数值． ［4 ］ 由于实验材料（ AISI 304L） 的热物性 （ 导热系 为了便于数值运算， 数和比热容） 是随温度变化的， 将随温度的变化规律的导热系数 λ （ T ） 及比 热 容 c（ T） 分 别 拟 合 成 函 数 曲 线 ， 其相关系数分别为 0. 997 和 0. 998 ． 密度为常数， · m －3． 其值为 7 860 kg c（ T） = 481. 711 77 + 0. 002 31 T + 0. 000 13 T2 ， （ 2） 2 λ （ T） = 12. 051 97 + 0. 005 56 T + 0. 000 006 458 6 T ． （ 3） 2. 2 对流换热系数求解 一般温度场的计算， 在给定初始温度分布与相 就可以计算出钢板上各点任意时 应的边界条件后， 刻的温度． 实际上， 层流冷却过程中各冷却区的对 流换热系 数 不 同， 且 未 知． 反 向 热 传 导 法 （ Inverse IHC ） 提供了一种求解淬火过程对流 heat conduction，