CN102661969A - 一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，将圆筒状水膜围堰焊接在圆柱形钢板表面，围堰高度h等于拟测试水膜厚度；圆柱形钢板垂直方向设三个测温点，相邻测温点间距设为x，以圆柱形钢板侧面距上端面x/2、x 3/2、x 5/2处钻孔，将热电偶伸入孔中；热电偶冷端连接在多通道数据采集装置上；实验时将钢样放入加热炉，启动数据采集装置进行温度采集。当钢板达到开冷温度后取出钢样放入保温槽中，保温槽置于冷却喷嘴下方；打开喷嘴喷水，冷却水注入水膜围堰，钢板表面围成水膜。当钢板温度达到终冷温度时，停止温度采集，此时得到了距圆柱形钢板上端面不同位置的钢板冷却曲线T(t)，以此可有效测得不同水膜厚度条件下钢板表面换热系数大小。

Description

一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法和装置

技术领域

本发明属于热轧冷却领域，特别涉及一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法和装置，用于热轧层流冷却或厚板淬火冷却过程热钢板在不同厚度的表面水膜作用下的换热系数测试。

背景技术

冷却技术在钢铁生产领域有广泛应用，如热处理过程的空冷、炉冷，热轧领域的层流冷却，厚板生产中的淬火冷却等，根据产品需要制定不同冷却能力的冷却方式可以获得理想的钢材性能。

对空冷、炉冷等简单的冷却方式，换热系数通过传统的传热学计算公式能求得较为准确的计算结果，而对于层流冷却、淬火冷却等快速冷却方式使用传统的计算方法不易获得理想的计算结果，冷却过程干扰因素较多，且宽度方向水膜厚度不同，不同的水膜厚度对传热的影响规律无法用常规的传热公式计算。现阶段冷却模型中的换热系数公式大多使用经验公式，其准确性通过终冷温度反复进行修正实现。

热轧板在冷却过程中钢板表面冷却水的流动规律决定了其宽度方向的冷却不均，如图1所示，由于冷却水量较大，冷却水由喷嘴(或喷管)2喷到钢板1表面后并不会完全蒸发掉，残留的冷却水沿钢板表面流动，边部冷却水直接从钢板1表面掉落，根据阻力最小规律钢板中间冷却水将向两边流动。边部冷却水流出容易，中间冷却水流动困难，结果就造成图2所示的水膜3分布情况，宏观上在宽度方向水膜厚度呈现中间厚两边薄的现象。不同的水膜厚度换热系数必然不同，这也是宽度方向上钢板冷却不均的一个重要原因，对不同水膜厚度的换热系数进行测试分析具有实际意义。同时，由于实际生产中工况复杂，进行喷水冷却过程中的换热系数测试十分困难，有必要将现场工况进行实验室模拟，从而进行测试分析。

换热系数的测试方法较多，如中国专利CN2476020Y介绍了一种传热系数检测仪，主要用于建筑墙体节能性的检测，用于测试空气换热系数。

中国专利CN100424502C公开了一种对流换热系数测试计算方法及测试用传感器，该专利直接通过待测物体表面温度与流体温度计算换热系数。

中国专利CN 201464402U公开了一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样，主要发明点在于该钢板试样的结构，但没有测试不同水膜厚度情况下钢板表面换热系数大小的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法和装置，可以有效测得不同水膜厚度条件下钢板表面换热系数大小，为冷却模型中宽度方向换热系数的设置和优化提供依据。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，首先，将圆筒形状的水膜围堰焊接在圆柱形钢板表面，围堰高度h等于拟测试的水膜厚度；圆柱形钢板垂直方向设三个测温点，相邻测温点间距设为x，以圆柱形钢板侧面距上端面不同高度位置即x/2、x 3/2、x 5/2，在该三个点钻孔，将测温用热电偶的热端伸入孔中，并焊接牢固；热电偶的冷端连接在多通道数据采集装置上，数据采集装置与数据存储器连接在一起；实验开始时，将焊有水膜围堰的圆柱形钢样放入加热炉加热，同时启动数据采集装置开始进行温度采集；当钢板达到开冷温度后取出钢样迅速放入由耐火材料制成的保温槽中，保温槽置于冷却喷嘴下方；打开喷嘴持续喷水，使冷却水注入水膜围堰，很快钢板表面围成一定厚度的水膜，多余的冷却水从围堰上沿流出，保证了水膜厚度的恒定；当钢板温度达到终冷温度时，停止温度采集，此时得到了距圆柱形钢板上端面同位置的钢板冷却曲线T(t)；

表面点为即x＝0，钢板内部进行了三个测温点的温度采集，分别为a1、a2、a3三点，设t时刻各点温度值为T₀、T₁、T₂、T₃，t’时刻各点温度值为T₀’、T₁’、T₂’、T₃’；

采用下列公式(1)或(2)求出钢板表面与水膜之间的换热系数大小，其中公式(1)取测温点a1、a2的温度，公式(2)取测温点a2、a3的温度；

$h=\frac{{\mathrm{\λT}}_2-{\mathrm{\λT}}_1-\frac{{\mathrm{c\ρx}}^2(T_1-T_1^{\′})}{t}}{\frac{{\mathrm{c\ρx}}^3(T_1-T_1^{\′})}{2\mathrm{\λt}}+x(\frac{3}{2}{T}_1-\frac{1}{2}{T}_2-T_w)}---\left(1\right)$

$h=\frac{3{\mathrm{\λT}}_3-{3\mathrm{\λT}}_2-\frac{{6\mathrm{c\ρx}}^2(T_2-T_2^{\′})}{t}}{\frac{{9\mathrm{c\ρx}}^3(T_2-T_2^{\′})}{\mathrm{\λt}}+x(\frac{15}{2}{T}_2-\frac{9}{2}{T}_3-{3T}_w)}---\left(2\right)$

式中：ρ——密度，kg/m³；

λ——热传导率，J/(s·m·℃)；

c——比热，J/(kg·℃)；

A——计算单元的传热面积，m²；

h——对流换热系数，J/(s·m²·℃)

x——测温点间距，m；

T_w——水温，℃。

进一步，水膜围堰上端带有类似帽沿的挡水板，其伸出的长度大于保温槽壁的厚度，保证围堰中流出的冷却水不会流到钢样与保温槽之间的缝隙中。

又，喷嘴安装的位置与埋热电偶位置保持距离，避免直接冲击埋偶位置上方的水膜，引起水膜厚度波动。

优选地，本发明可将公式(1)、(2)获得的换热系数取平均值，这样使用三个测温点的温度数据计算出的换热系数可以最大限度减小测试误差。

实验开始时，将焊有水膜围堰的圆柱形钢样放入加热炉加热，同时启动数据采集装置开始进行温度采集。当钢板达到开冷温度后取出钢样迅速放入由耐火材料制成的保温槽中，保温槽置于冷却喷嘴下方。打开喷嘴持续喷水，使冷却水注入水膜围堰，很快钢板表面围成一定厚度的水膜，多余的冷却水从围堰上沿流出，保证了水膜厚度的恒定。当钢板温度达到终冷温度时，停止温度采集，此时得到了距上表不同位置的钢板冷却曲线T(t)。

由于试样表面与冷却水换热，侧面与底面均进行了保温，可以认为试样为向上一维传热。表面点为x＝0，钢板内部进行了三个测温点的温度采集，分别为a1、a2、a3三点。设t时刻各点温度值为T₀、T₁、T₂、T₃，t‘时刻各点温度值为T₀’、T₁‘、T₂’、T₃‘。

表面x＝0点所在单元t时刻内能变化值为Q＝cm(T₀-T₀′)，通过热传导从x1单元吸收的热能为：

通过表面对流损失的热能为Q_放＝hA(T₀-T_w)t，根据能量守恒，对于x0单元有：

$\frac{\mathrm{\λA}(T_1-T_0)}{x/2}t-\mathrm{hA}(T_0-T_w)t=\mathrm{c\ρV}(T_0-T_0^{\′})---\left(3\right)$

对于x0单元厚度为0，V＝0，整理式(1)可得：

$h=\frac{2\mathrm{\λ}(T_1-T_0)}{x(T_0-T_w)}---\left(4\right)$

对单元a1，同理，其内能变化等于从a2单元吸收的热量减去向x0单元输出的热量

$\frac{\mathrm{\λA}(T_2-T_1)}{x}t-\frac{\mathrm{\λA}(T_1-T_0)}{x/2}t=\mathrm{c\ρA}(T_1-T_1^{\′})---\left(5\right)$

整理后得到

$T_0=\frac{{\mathrm{c\ρx}}^2(T_1-T_1^{\′})}{2\mathrm{\λt}}+\frac{{3T}_1}{2}-\frac{T_2}{2}----\left(6\right)$

将(6)式代入(4)式即可求出钢板表面与水膜之间的换热系数大小：

$h=\frac{{\mathrm{\λT}}_2-{\mathrm{\λT}}_1-\frac{{\mathrm{c\ρx}}^2(T_1-T_1^{\′})}{t}}{\frac{{\mathrm{c\ρx}}^3(T_1-T_1^{\′})}{2\mathrm{\λt}}+x(\frac{3}{2}{T}_1-\frac{1}{2}{T}_2-T_w)}---\left(1\right)$

Q——热量，J；

ρ——密度，kg/m³；

λ——热传导率，J/(s·m·℃)；

c——比热，J/(kg·℃)；

A——计算单元的传热面积，m²；

h——对流换热系数，J/(s·m²·℃)；

x——测温点间距，m；

T_w——水温，℃。

为减小计算出的换热系数误差，可以用同样方法，针对(二)图同样可以计算出换热系数。

表面x0点所在单元t时刻内能变化值为Q＝cm(T₀-T₀′)，通过热传导从x2单元吸收的热能为

通过表面对流损失的热能为Q_放＝hA(T₀-T_w)t，根据能量守恒，对于x0单元有：

$\frac{\mathrm{\λA}(T_2-T_0)}{3x/2}t-\mathrm{hA}(T_0-T_w)t=\mathrm{c\ρV}(T_0-T_0^{\′})---\left(7\right)$

对于x0单元厚度为0，V＝0，整理式(8)可得：

$h=\frac{2\mathrm{\λ}(T_2-T_0)}{3x(T_0-T_w)}---\left(8\right)$

对单元x2，同理，其内能变化等于从a3单元吸收的热量减去向x0单元输出的热量

$\frac{\mathrm{\λA}(T_3-T_2)}{x}t-\frac{\mathrm{\λA}(T_2-T_0)}{3x/2}t=2\mathrm{c\ρAx}(T_2-T_2^{\′})---\left(9\right)$

整理后得到

$T_0=\frac{{3\mathrm{c\ρx}}^2(T_2-T_2^{\′})}{\mathrm{\λt}}+\frac{{5T}_2}{2}-\frac{{3T}_3}{2}----\left(10\right)$

将(10)式代入(8)式即可求出钢板表面与水膜之间的换热系数大小：

$h=\frac{3{\mathrm{\λT}}_3-{3\mathrm{\λT}}_2-\frac{{6\mathrm{c\ρx}}^2(T_2-T_2^{\′})}{t}}{\frac{{9\mathrm{c\ρx}}^3(T_2-T_2^{\′})}{\mathrm{\λt}}+x(\frac{15}{2}{T}_2-\frac{9}{2}{T}_3-{3T}_w)}---\left(2\right)$

本发明的有益效果

本发明的换热系数测试装置和换热系数计算方法通过设置水膜围堰及设置不同高度位置的测温点，可以有效进行不同水膜厚度下换热系数的测试，避免了采用换热系数经验公式计算带来的误差，该方法不仅可以用于不同水膜厚度换热系数的测试，也可用于其它水冷方式的换热系数测定，对准确进行热态钢板的冷却控制有重要作用。该方法避免了在工况复杂的现场测量，可以通过实验室的微型实验模拟大生产实际情况，可操作性强。

附图说明

图1为钢板冷却过程表面冷却水流动情况。

图2为冷却过程钢板表面水膜厚度分布示意图。

图3为本发明水膜换热系数测试装置的示意图。

图4为本发明实施例1的示意图。

图5为本发明实施例2的示意图。

具体实施方式

参见图1～图5，本发明的取一厚度为145mm，半径为20mm圆柱形钢样，在距离表面分别为10mm(a1)、30mm(a2)、50mm(a3)位置打埋偶孔4，埋入三根K型热电偶5，热电偶测温范围0～1000℃，采样频率为5。将钢板加热至900℃后取出喷水冷却，记录冷却过程的温度数据。温度采集装置使用多通道温度记录仪8及数据存储器9。

钢样的密度为7850kg/m³，比热为673.9J/(kg*K)，热传导率为31J/(s*m*K)，水温Tw为25℃。水膜围堰高度h为10mm，挡水板长度B为50mm，保温层b厚度40mm。

实验开始时，将焊有水膜围堰7的圆柱形钢板放入加热炉加热，同时启动数据采集装置开始进行温度采集。当钢板达到开冷温度后取出钢样迅速放入由耐火材料制成的保温槽6中，保温槽6置于冷却喷嘴2下方。打开喷嘴2持续喷水，使冷却水注入水膜围堰7，很快钢板1表面围成一定厚度的水膜，多余的冷却水从水膜围堰7上沿流出，保证了水膜3厚度的恒定。当钢板1温度达到终冷温度时，停止温度采集，此时得到了距上表不同位置的钢板冷却曲线T(t)。

本发明实施例1、2分别采用公式(1)、(2)求出钢板表面与水膜之间的换热系数大小，其中公式(1)取测温点a1、a2的温度，公式(2)取测温点a2、a3的温度；

$h=\frac{{\mathrm{\λT}}_2-{\mathrm{\λT}}_1-\frac{{\mathrm{c\ρx}}^2(T_1-T_1^{\′})}{t}}{\frac{{\mathrm{c\ρx}}^3(T_1-T_1^{\′})}{2\mathrm{\λt}}+x(\frac{3}{2}{T}_1-\frac{1}{2}{T}_2-T_w)}---\left(1\right)$

$h=\frac{3{\mathrm{\λT}}_3-{3\mathrm{\λT}}_2-\frac{{6\mathrm{c\ρx}}^2(T_2-T_2^{\′})}{t}}{\frac{{9\mathrm{c\ρx}}^3(T_2-T_2^{\′})}{\mathrm{\λt}}+x(\frac{15}{2}{T}_2-\frac{9}{2}{T}_3-{3T}_w)}---\left(2\right)$

式中：ρ——密度，kg/m³；

λ——热传导率，J/(s·m·℃)；

c——比热，J/(kg·℃)；

A——计算单元的传热面积，m²；

h——对流换热系数，J/(s·m²·℃)

x——测温点间距，m；

T_w——水温，℃。

测得的温度数据采用式(1)、式(2)计算出换热系数分别为7871.4J/(s·m²·K)、6275.4J/(s·m²·K)，换热系数的平均值为7073.4J/(s·m²·K)。

Claims (4)

1.一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，首先，将圆筒形状的水膜围堰焊接在圆柱形钢板表面，围堰高度h等于拟测试的水膜厚度；圆柱形钢板垂直方向设三个测温点，相邻测温点间距设为x，以圆柱形钢板侧面距上端面不同高度位置即x/2、x 3/2、x 5/2，在该三个点钻孔，将测温用热电偶的热端伸入孔中，并焊接牢固；热电偶的冷端连接在多通道数据采集装置上，数据采集装置与数据存储器连接在一起；实验开始时，将焊有水膜围堰的圆柱形钢样放入加热炉加热，同时启动数据采集装置开始进行温度采集；当钢板达到开冷温度后取出钢样迅速放入由耐火材料制成的保温槽中，保温槽置于冷却喷嘴下方；打开喷嘴持续喷水，使冷却水注入水膜围堰，很快钢板表面围成一定厚度的水膜，多余的冷却水从围堰上沿流出，保证了水膜厚度的恒定；当钢板温度达到终冷温度时，停止温度采集，此时得到了距圆柱形钢板上端面同位置的钢板冷却曲线T(t)；

表面点为即x＝0，钢板内部进行了三个测温点的温度采集，分别为a1、a2、a3三点，设t时刻各点温度值为T₀、T₁、T₂、T₃，t’时刻各点温度值为T₀’、T₁’、T₂’、T₃’；

采用下列公式(1)或(2)求出钢板表面与水膜之间的换热系数大小，其中公式(1)取测温点a1、a2的温度，公式(2)取测温点a2、a3的温度；

$h=\frac{{\mathrm{\λT}}_2-{\mathrm{\λT}}_1-\frac{{\mathrm{c\ρx}}^2(T_1-T_1^{\′})}{t}}{\frac{{\mathrm{c\ρx}}^3(T_1-T_1^{\′})}{2\mathrm{\λt}}+x(\frac{3}{2}{T}_1-\frac{1}{2}{T}_2-T_w)}---\left(1\right)$

$h=\frac{3{\mathrm{\λT}}_3-{3\mathrm{\λT}}_2-\frac{{6\mathrm{c\ρx}}^2(T_2-T_2^{\′})}{t}}{\frac{{9\mathrm{c\ρx}}^3(T_2-T_2^{\′})}{\mathrm{\λt}}+x(\frac{15}{2}{T}_2-\frac{9}{2}{T}_3-{3T}_w)}---\left(2\right)$

式中：ρ——密度，kg/m³；

λ——热传导率，J/(s·m·℃)；

c——比热，J/(kg·℃)；

A——计算单元的传热面积，m²；

h——对流换热系数，J/(s·m²·℃)

x——测温点间距，m；

T_w——水温，℃。

2.如权利要求1所述的测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，其特征是，水膜围堰上端带有类似帽沿的挡水板，其伸出的长度大于保温槽壁的厚度，保证围堰中流出的冷却水不会流到钢样与保温槽之间的缝隙中。

3.如权利要求1所述的测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，其特征是，喷嘴安装的位置与埋热电偶位置保持距离，避免直接冲击埋偶位置上方的水膜，引起水膜厚度波动。

4.如权利要求1所述的测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，其特征是，还可以将公式(1)、(2)获得的换热系数取平均值，这样使用三个测温点的温度数据计算出的换热系数可以最大限度减小测试误差。

Images