CN105445319A - 一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置，本发明在喷水冷却装置对钢板进行冷却的过程中，由红外热像仪采集钢板非水冷面的图像信息，并发送给计算机处理，得到钢板冷却过程中非水冷面的实际冷却曲线，并且计算机利用有限元模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程，得到钢板测试区域内非水冷面的模拟冷却曲线，通过不断调整水冷换热系数，使得模拟冷却曲线与实际冷却曲线相吻合，从而得到水冷换热系数随钢板温度变化的关系曲线。本发明可以不接触钢板进行测温，对钢板无损，且可自由界定测试区域的大小，提高测试精度，解决了埋置热电偶测温方式精确度低、成本高以及在线控制局限性大的问题。

Description

一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别是钢板表面水冷换热系数的测定，具体是一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置。

背景技术

钢板在线轧制或热处理炉后的水冷区域的温度控制，很大程度上决定了其物理性能和机械加工性能，相应的控制技术在近年也受到广泛重视。准确计算钢板的表面换热系数是实现钢板在冷却区精确温度控制的前提，而计算表面换热系数必须要知道钢板表面在水冷过程中的温度变化情况。但是水冷射流的冲击瞬态沸腾传热过程十分复杂，影响因素众多，直接测量高温钢板表面的温度瞬变特性又非常困难。同时，由于钢板的表面换热系数不是常数，而是与钢板表面温度有非线性的关系，因此在线测定钢板表面的水冷换热系数几乎不太可能，普遍采用实验室测定加在线修正的方法。对流换热系数又称表面换热系数，物理意义是指单位面积上，流体与壁面之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量，它的大小表达了对流换热过程的强弱程度。

公开号为CN102507636A的专利文献1中公开了一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，通过在工件表面位置点焊接热电偶，将热电偶连接到温度采集模块来收集工件在水冷过程的温度变化信息，再利用热处理软件对换热系数进行拟合和校验。

公开号CN102590268A的专利文献2中公开了一种热工试件表面对流换热系数的快速测定装置，通过内置热电偶连接计算机记录工件温度，测量工件冷却前后的温差来计算工件表面的对流换热系数。

公开号为CN1588023A专利文献3中公开了一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器，通过同时测试流体和金属圆片的温度，利用其温差经过传热学的基本理论计算得到对流换热系数。

公开号为CN102661969A的专利文献4公开了一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，通过在钢板内部不同位置上设置热电偶来测定不同水膜厚度条件下的钢板温度变化曲线，从而计算出其换热系数。

公开号为CN102521439A的专利文献5中公开了一种结合有限元法和反传热法计算淬火介质换热系数的方法，通过在探头本体内部安置热电偶，实验测试内部点的冷却曲线，建立探头本体的有限元模型，利用反传热法求解本体表面的热流密度值，再根据牛顿换热定律得到介质的换热系数。

上述文献的冷却装置与方法，均采用在试样表面或内部埋置热电偶的接触式测温方法来得到其需要的换热系数。埋置热电偶的方法无法保证热电偶测量的温度就是被测物体表面的温度。在大多数情况下，热电偶的出现都会影响测点及其附近的温度分布，而热电偶显示的温度只是扰动后的温度。

另外，埋偶的实验方案，需要对钢板进行打孔、填充绝缘材料等加工工序，所以不可避免地要对钢板的初始状态造成破坏。热电偶经过高温后又急剧冷却，性能发生变化。如果要做正交实验，将消耗数量巨大的热电偶，成本较高。

在实际应用上，由于控制模型的不同，对换热系数的取值要求也不同，一般都要求水冷阀门下一定区域的平均换热系数，而通过埋偶实验得到的是固定区域的换热系数，应用于在线控制有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，所述的方法在热钢板单面水冷过程中，利用热成像技术记录其非水冷面的温度变化过程，可以不接触钢板进行测温，无需埋偶，对钢板无损，且可自由界定需要计算换热系数的区域大小，为钢板冷却过程的模型计算精度的提高提供了保障，用以解决现有埋置热电偶的测温方式精确度低、成本高以及在线控制局限性大的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，所述的方法在喷水冷却装置对钢板进行冷却的过程中，由红外热像仪采集钢板非水冷面的图像信息，并发送给计算机处理，由计算机分析得到钢板水冷面的换热系数；

所述的方法具体包括如下步骤：

(1)按照喷水冷却装置的喷水方向，放置好钢板和红外热像仪，打开红外热像仪和计算机，并在计算机内设定钢板初始的水冷换热系数；

(2)设定钢板的冷却温度和喷水量，选取测试区域，并启动喷水冷却装置上与所述测试区域对应的喷嘴，对放置好的钢板进行冷却；

(3)红外热像仪实时采集钢板冷却过程中非水冷面的图像信息，并将采集的所述图像信息发送给计算机进行分析处理，得到钢板冷却过程中非水冷面的温度信息；

(4)如果钢板达到设定的冷却温度，则关闭喷水冷却装置，计算机得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的实际冷却曲线；如果钢板没有达到设定的冷却温度，则继续执行步骤(3)；

(5)计算机利用有限元模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程，在模拟冷却过程中，计算机根据初始的水冷换热系数，对钢板非水冷面的初始温度进行模拟计算，随后不断调整水冷换热系数，模拟计算钢板非水冷面的的温度场，得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的模拟冷却曲线；

(6)如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线不吻合，则重新按照步骤(5)调整水冷换热系数；如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线吻合，则得到一条水冷换热系数随钢板温度变化的关系曲线，完成水冷换热系数的测定；

(7)在带钢实际生产过程中，根据测定得到的水冷换热系数，以及水冷换热系数与钢板温度变化的关系，实现对钢板在冷却区温度的精确控制。

根据本发明所述的方法，所述的步骤(1)中，若喷水冷却装置在钢板的前方喷水，则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的后方，若喷水冷却装置在钢板的后方喷水，则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的前方；若喷水冷却装置在钢板上方喷水，则钢板平放，红外热像仪架设在钢板的下方，若喷水冷却装置在钢板的下方喷水，则钢板平放，红外热像仪架设在钢板的上方。

根据本发明所述的方法，所述水冷换热系数与钢板的温度变化关系为：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{dx}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}+\mathrm{\ρ\ΔLdx}+\mathrm{h\ΔT}$

其中：

C_p为钢板比热，J/kg·K；

ρ为钢板密度，kg/m³；

λ为钢板导热系数，W/m·K；

h为钢板与周围环境的综合换热系数，包括对流、辐射和热传导，W/m²·K；

ΔL为相变潜热，W/kg；

ΔT为钢板与周围环境的温度差；

hΔT为钢板边界换热条件；

T为钢板温度；

τ为时间坐标。

根据本发明所述的方法，所述的钢板边界换热条件为第三类边界条件，其中，非水冷面为钢板与空气的辐射和对流换热，即：

$\mathrm{\τ}>0,-\frac{\∂T}{\∂n}{|}_0=h_1(T_{s1}-T_A)$

水冷面为钢板与冷却水的对流换热，即：

$\mathrm{\τ}>0,-\frac{\∂T}{\∂n}{|}_0=h_2(T_{s2}-T_w)$

其中：T为钢板温度；

n为法向方向单位矢量；

H为钢板厚度；

T_s1为非水冷面钢板温度；

T_s2为水冷面钢板温度；

T_A为环境温度；

T_w为冷却水温度；

τ为时间；

h₁为非水冷面综合换热系数；

h₂为水冷面对流换热系数。

根据本发明所述的方法，所述的相变潜热为：

$\mathrm{\ΔL}=(H_{\mathrm{\α}}-H_{\mathrm{\γ}})\·\frac{\∂(1-z)}{\∂\mathrm{\τ}}$

其中：

ΔL为相变潜热；

H_α为铁素体的热焓；

H_γ为奥氏体的热焓；

z为奥氏体的百分数，z＝exp(b(T_s-T_strip)ⁿ)；

τ为时间坐标；

T_s为相变开始温度；

T_strip为带钢平均温度；

b和n均为常数，是方程系数。

根据本发明所述的方法，所述的步骤(5)中，计算机利用有限元分析法模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程。

根据本发明所述的方法，所述的步骤(6)中，当所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线的曲线拟合度达到0.95以上，即为吻合。

本发明的目的还在于提供一种测定钢板表面水冷换热系数的装置，所述的装置设置有红外热像仪，通过热成像技术记录钢板单面水冷过程中非水冷面的温度变化过程，可以不接触钢板进行测温，无需埋偶，对钢板无损，且可自由界定需要计算换热系数的区域大小，为钢板冷却过程的模型计算精度的提高提供了保障，用以解决现有埋置热电偶的测温方式精确度低、成本高以及在线控制局限性大的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种采用如本发明所述方法的装置，所述的实验装置包括喷水冷却装置，所述的喷水冷却装置设置于钢板的水冷面一侧，用于对钢板进行喷水冷却，所述的实验装置包括红外热像仪和计算机，所述的红外热像仪和计算机设置在钢板非水冷面的一侧，所述的红外热像仪的信号输出端口连接计算机的信号输入端口，所述的红外热像仪用于采集钢板水冷过程中非水冷面的图像信息，并发送给计算机，计算机根据所述的图像信息得到钢板表面温度随时间变化的实际冷却曲线，所述的计算机用于利用有限元模拟钢板冷却过程，得到钢板表面温度随时间变化的模拟冷却曲线，通过模拟冷却曲线与实际冷却曲线的拟合，得到测试所需的水冷换热系数曲线。

根据本发明所述的实验装置，所述的喷水冷却装置包括预热水箱，所述预热水箱上设置有测温仪，所述预热水箱的出口通过管道顺次连接有水泵、流量调节阀、开关阀和喷嘴。

根据本发明所述的实验装置，所述的流量调节阀与开关阀之间的管路上设置有水压计，水泵与流量调节阀之间的管路上设置有流量计。

本发明达到的有益效果：本发明通过非接触式测温，无需埋偶，对钢板无损，简单可重复，并且可自由界定需要计算换热系数的测试区域大小，可应用于测定不同钢种、不同喷嘴组合以及不同冷却介质的换热系数以及阀门间距对换热的影响，甚至可应用于非钢材料的表面换热系数测定。在实际应用上，由于控制模型的不同，对换热系数的取值要求也不同，本发明可以得到所需区域的平均换热系数，为热钢板的冷却过程的模型计算精度的提高提供了保障。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2为喷水冷却装置三个冲击区中心点温降曲线；

图3为水冷换热过程曲线拟合结果；

图4为根据拟合得到的水冷换热系数曲线；

图5是本发明的实验装置原理图。

图中：

1预热水箱，2测温仪，3水泵，4水压计，5开关阀，6流量调节阀，7流量计，8喷嘴，9挡水装置，10钢板支架，11实验钢板，12红外热像仪，13计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施过程作进一步详细的说明。

本发明的方法实施例：

本发明的方法在喷水冷却装置对钢板进行冷却的过程中，由红外热像仪采集钢板非水冷面的图像信息，并发送给计算机处理，由计算机分析得到钢板水冷面的换热系数，如图1所示，本发明方法的具体实施过程如下：

步骤1，根据喷水冷却装置的喷水方向，放置好钢板和红外热像仪，其中，喷水冷却装置设置在钢板的水冷面一侧，红外热像仪放置在钢板的非水冷面一侧。

若喷水冷却装置在钢板的前方喷水，则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的后方，若喷水冷却装置在钢板的后方喷水，则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的前方；若喷水冷却装置在钢板上方喷水，则钢板平放，红外热像仪架设在钢板的下方，若喷水冷却装置在钢板的下方喷水，则钢板平放，红外热像仪架设在钢板的上方。

步骤2，打开红外热像仪和计算机，并在计算机内设定钢板水冷前初始的水冷换热系数和钢板的冷却温度。

步骤3，设定钢板的冷却温度和喷水量，选取测试区域，并按照所述的测试区域，启动测试区域对应的喷水冷却装置的喷嘴，通过所述喷水冷却装置的喷嘴对钢板进行喷水冷却。

步骤4，红外热像仪实时采集钢板冷却过程中非水冷面的图像信息，并将采集的所述图像信息发送给计算机进行分析处理，得到钢板冷却过程中非水冷面的温度信息，并判断钢板表面温度是否达到设定的冷却温度。

步骤5，如果钢板表面的温度达到设定的冷却温度，则关闭喷水冷却装置，计算机得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的实际冷却曲线；如果钢板没有达到设定的冷却温度，则继续执行步骤4。

步骤6，计算机模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程，在模拟冷却过程中，计算机根据初始的水冷换热系数，对钢板非水冷面的初始温度进行模拟计算，随后不断调整水冷换热系数，模拟计算钢板非水冷面的的温度场，得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的模拟冷却曲线。

本实施例中，计算机利用有限元分析法模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程，有限元分析法属于一种现有的分析方法，属于本领域技术人员的熟知技术，在此不再赘述。

步骤7，如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线不吻合，则重新按照步骤6调整水冷换热系数；如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线吻合，则得到一条水冷换热系数随钢板温度变化的关系曲线，完成水冷换热系数的测定。本发明中，当曲线拟合度达到0.95以上就算吻合。

本实施例中，水冷换热系数与钢板的温度变化关系可通过以下模型实现：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{dx}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}+\mathrm{\ρ\ΔLdx}+\mathrm{h\ΔT}$

其中：C_p为钢板比热，J/kg·K；ρ为钢板密度，kg/m³；λ为钢板导热系数，W/m·K；h为钢板与周围环境的综合换热系数，包括对流、辐射和热传导，W/m²·K；ΔL为相变潜热，W/kg；ΔT为钢板与周围环境的温度差；hΔT为钢板边界换热条件。

其中，H_α为铁素体的热焓；H_γ为奥氏体的热焓；τ为时间坐标，z为奥氏体的百分数。z＝exp(b(T_s-T_strip)ⁿ)，T_s为相变开始温度；T_strip为带钢平均温度；b和n均为方程系数。

上述模型的初始条件，即开始时刻钢板内部的温度分布如下：

T_s1＝T_s2＝T|_τ＝0

由此可知，钢板厚度方向上的初始温度分布情况一致。

钢板边界换热条件，即钢板边界上的温度特征和换热情况，本实施例的边界换热条件属于第三类边界条件，即已知钢板周围介质的温度和边界面与周围介质之间的换热系数。其中，非水冷面的第三类边界条件为钢板与空气的辐射和对流换热，即：

$\mathrm{\τ}>0,-\frac{\∂T}{\∂n}{|}_0=h_1(T_{s1}-T_A)$

水冷面第三类边界条件为钢板与冷却水的对流换热，即：

$\mathrm{\τ}>0,-\frac{\∂T}{\∂n}{|}_0=h_2(T_{s2}-T_w)$

其中：H为钢板厚度；T_s1为非水冷面钢板温度；T_s2为水冷面钢板温度；T_A为环境温度；T_w为冷却水温度；h₁为非水冷面综合换热系数；T为钢板温度，n为法向方向单位矢量。

测试过程中的喷水量是预先设定的，热像仪采集的是整块钢板非冷面的温度变化信息，然后根据需要选取不同的测试区域来拟合曲线，比如单个喷嘴对应的一小块圆形区域，或者一排喷嘴对应的矩形区域，或者多排喷嘴对应的正方形区域，然后根据该测试区域内的平均温度变化可以得到一条曲线。

若采用本发明的方法对单个喷嘴喷水时的水冷换热系数进行分析，则按照上述方法获取单个喷嘴下所需测试区域的平均温度冷却曲线，并进行分析，可以得到单个喷嘴冲击区的冷却能力和影响范围。

若采用本发明的方法对单排喷嘴喷水时的换热系数分析，则按照上述方法获取单排喷嘴下所需测试区域的平均温度冷却曲线，并进行分析，可以得到单排喷嘴的冷却能力，也可以结合单个喷嘴的分析过程，分析各个喷嘴间的相互影响关系。

若采用本发明的方法对多排喷嘴喷水时的换热系数分析，则按照上述方法获取多排喷嘴所需测试区域的平均温度冷却曲线，并进行分析，可以得到多排喷嘴的冷却能力，也可以结合单排喷嘴的分析情况，分析各排喷嘴间的相互影响关系。

若采用本发明的方法分析不同水温对换热的影响，则通过预热水箱设定不同的水温，得到多条相应区域不同水温下的平均温度冷却曲线，可以对比分析不同水温对换热的影响。

若采用本发明的方法分析不同材料的换热，材料可以是不同钢种，也可以是非钢材料，只要知道材料相关的物性参数，就可以利用本发明的方法得到其换热系数曲线。

若采用本发明的方法分析不同冷却介质的换热能力，则只要更换预热水箱中的冷却介质，就可以对不同冷却介质在不同温度下的换热能力进行分析和比较。

下面介绍本发明方法的一个具体应用实例：

实验钢板的钢板尺寸为300mm×300mm×12mm，钢种为Q235。喷水冷却装置的喷嘴间距为70mm，有3个喷嘴，且喷嘴角度为90度(直喷)，集管直径为￠76.1×5.0mm，喷嘴与钢板距离为50mm，喷水压力为0.4MPa，喷嘴型号为Lechler喷嘴，460.926.17.CG，当量通径为Φ5.20mm。红外热像仪型号为FLIRSC660。

采用本发明方法的测定结果如图2～图4所示，图2为喷水冷却装置冲击区中心点温降曲线，即各喷水冷却装置下冲击区最中心点的另一面的温降过程的曲线。图3为水冷换热过程曲线拟合结果，曲线1即为拟合得到的水冷温降过程曲线。图4为根据拟合得到的水冷换热系数曲线，即水冷换热系数与钢板表面温度的非线性关系。本发明的方法可自由界定需要计算换热系数的区域大小，可应用于测定不同钢种、不同阀门组合以及不同冷却介质的换热系数以及阀门间距对换热的影响，甚至可应用于非钢材料的表面换热系数测定，为热钢板的冷却过程的模型计算精度的提高提供了保障。

本发明的装置实施例：

如图5所示，本实施例的装置包括喷水冷却装置、红外热像仪12和计算机13，喷水冷却装置包括喷嘴8，喷嘴8设置于钢板的水冷面一侧，红外热像仪12和计算机13设置在钢板的非水冷面一侧，红外热像仪的信号输出端口连接计算机的信号输入端口。喷水冷却装置13包括预热水箱1，所述预热水箱1上设置有测温仪2，所述预热水箱的出口通过管道顺次连接有水泵3、流量调节阀6、开关阀5和喷嘴8。流量调节阀6与开关阀5之间的管路上设置有水压计4，水泵3与流量调节阀6之间的管路上设置有流量计7。待实验的钢板11放置在钢板支架10上，钢板10的水冷面一侧设置有挡水装置9。

所述的喷水冷却装置用于在实验过程中对钢板进行喷水冷却，所述的红外热像12用于采集钢板水冷过程中非水冷面的图像信息，并发送给计算机，计算机根据所述的图像信息得到钢板表面温度随时间变化的实际冷却曲线，所述的计算机用于利用有限元模拟钢板冷却过程，得到钢板表面温度随时间变化的模拟冷却曲线，通过模拟冷却曲线与实际冷却曲线的拟合，得到测试所需的水冷换热系数曲线。

本发明装置的工作过程如下：

首先，测试开始前关闭开关阀5，并根据选定的测试区域，安装需要测试的喷嘴8，例如：单个喷嘴、单排喷嘴或者多排喷嘴，如上述方法实施例所述。

然后，将冷却水通过预热水箱1加热到实验所需的温度，同时将流量调节阀6打开到测试流量对应的开度。准备工作完成之后，将加热好的钢板11放置到钢板架10上，并打开热像仪12和计算机13开始记录。

最后，打开开关阀5开始冷却钢板11。当钢板表面温度冷却到实验所需温度后关闭开关阀5。当钢板11水平放置且热像仪架设在钢板下方时，要适当调整防水板9，做好防水措施。

本实施例测定水冷换热系数的具体实施过程与上述方法实施例相同，在此不再赘述。

本发明在热钢板单面水冷过程中，利用热成像技术记录其没有水冷另一面温度变化过程，通过有限元模拟计算，拟合出该钢板的表面水冷换热系数。该装置通过非接触式测温，无需埋偶，对钢板无损，简单可重复，可自由界定需要计算换热系数的区域大小，可应用于测定不同钢种、不同阀门组合以及不同冷却介质的换热系数以及阀门间距对换热的影响，甚至可应用于非钢材料的表面换热系数测定，为热钢板的冷却过程的模型计算精度的提高提供了保障。

Claims (10)

1.一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，其特征在于：所述的方法在喷水冷却装置对钢板进行冷却的过程中，由红外热像仪采集钢板非水冷面的图像信息，并发送给计算机处理，由计算机分析得到钢板水冷面的换热系数；

所述的方法具体包括如下步骤：

(1)按照喷水冷却装置的喷水方向，放置好钢板和红外热像仪，打开红外热像仪和计算机，并在计算机内设定钢板初始的水冷换热系数；

(2)设定钢板的冷却温度和喷水量，选取测试区域，并启动喷水冷却装置上与所述测试区域对应的喷嘴，对放置好的钢板进行冷却；

(3)红外热像仪实时采集钢板冷却过程中非水冷面的图像信息，并将采集的所述图像信息发送给计算机进行分析处理，得到钢板冷却过程中非水冷面的温度信息；

(4)如果钢板达到设定的冷却温度，则关闭喷水冷却装置，计算机得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的实际冷却曲线；如果钢板没有达到设定的冷却温度，则继续执行步骤(3)；

(5)计算机模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程，在模拟冷却过程中，计算机根据初始的水冷换热系数，对钢板非水冷面的初始温度进行模拟计算，随后不断调整水冷换热系数，在设定的模拟时间内，模拟计算钢板非水冷面的的温度场，得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的模拟冷却曲线；

(6)如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线不吻合，则重新按照步骤(5)调整水冷换热系数；如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线吻合，则得到一条水冷换热系数随钢板温度变化的关系曲线，完成水冷换热系数的测定；

(7)在带钢实际生产过程中，根据测定得到的水冷换热系数，以及水冷换热系数与钢板温度变化的关系，实现对钢板在冷却区温度的精确控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(1)中，若喷水冷却装置在钢板的前方喷水，则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的后方，若喷水冷却装置在钢板的后方喷水，则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的前方；若喷水冷却装置在钢板上方喷水，则钢板平放，红外热像仪架设在钢板的下方，若喷水冷却装置在钢板的下方喷水，则钢板平放，红外热像仪架设在钢板的上方。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述水冷换热系数与钢板的温度变化关系为：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{dx}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}+\mathrm{\ρ\ΔLdx}+\mathrm{h\ΔT}$

其中：

C_p为钢板比热，J/kg·K；

ρ为钢板密度，kg/m³；

λ为钢板导热系数，W/m·K；

h为钢板与周围环境的综合换热系数，包括对流、辐射和热传导，W/m²·K；

ΔL为相变潜热，W/kg；

ΔT为钢板与周围环境的温度差；

hΔT为钢板边界换热条件；

τ为时间坐标；

T为钢板温度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的钢板边界换热条件为第三类边界条件，其中，非水冷面为钢板与空气的辐射和对流换热，即：

$\mathrm{\τ}>0,-\frac{\∂T}{\∂n}{|}_0=h_1(T_{s1}-T_A)$

水冷面为钢板与冷却水的对流换热，即：

$\mathrm{\τ}>0,-\frac{\∂T}{\∂n}{|}_0=h_2(T_{s2}-T_w)$

其中：T为钢板温度；

n为法向方向单位矢量；

H为钢板厚度；

T_s1为非水冷面钢板温度；

T_s2为水冷面钢板温度；

T_A为环境温度；

T_w为冷却水温度；

τ为时间；

h₁为非水冷面综合换热系数；

h₂为水冷面对流换热系数。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的相变潜热为：

$\mathrm{\ΔL}=(H_{\mathrm{\α}}-H_{\mathrm{\γ}})\·\frac{\∂(1-z)}{\∂\mathrm{\τ}}$

其中：

ΔL为相变潜热；

H_α为铁素体的热焓；

H_γ为奥氏体的热焓；

z为奥氏体的百分数，z＝exp(b(T_s-T_strip)ⁿ)；

τ为时间坐标；

T_s为相变开始温度；

T_strip为带钢平均温度；

b和n均为常数，是方程系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(5)中，计算机利用有限元分析法模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的步骤(6)中，当所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线的曲线拟合度达到0.95以上，即为吻合。

8.一种采用如权利要求1所述方法的装置，所述的实验装置包括喷水冷却装置，所述的喷水冷却装置设置于钢板的水冷面一侧，用于对钢板进行喷水冷却，其特征在于：

所述的实验装置包括红外热像仪和计算机，所述的红外热像仪和计算机设置在钢板非水冷面的一侧，所述的红外热像仪的信号输出端口连接计算机的信号输入端口，所述的红外热像仪用于采集钢板水冷过程中非水冷面的图像信息，并发送给计算机，计算机根据所述的图像信息得到钢板表面温度随时间变化的实际冷却曲线，所述的计算机用于利用有限元模拟钢板冷却过程，得到钢板表面温度随时间变化的模拟冷却曲线，通过模拟冷却曲线与实际冷却曲线的拟合，得到测试所需的水冷换热系数曲线。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述的喷水冷却装置包括预热水箱，所述预热水箱上设置有测温仪，所述预热水箱的出口通过管道顺次连接有水泵、流量调节阀、开关阀和喷嘴。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于所述的流量调节阀与开关阀之间的管路上设置有水压计，水泵与流量调节阀之间的管路上设置有流量计。