CN201464402U - 一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样 - Google Patents

Abstract

一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样，属于测试技术领域。由钢板试样主体、挡水板、热电偶、温度测量装置组成。钢板试样主体(1)周边加挡水板(2)，防止冷却水流到热电偶附近影响测量结果的准确性。在钢板试样主体(1)的下方钻孔并埋热电偶(3)，测量温度变化，热电偶(3)与温度采集装置(4)相连。通过对钢板试样内部测温点之间热传递规律的分析，建立了钢板表面的换热系数－热电偶温度数据－冷却水之间的关系，计算得到钢板表面的换热系数。适用于各种形式的上表面喷水冷却实验，可以准确测量钢板试样冷却过程中的温度变化，并可以根据测量得到的温度数据计算出钢板表面的换热系数，为研究实际中厚板的冷却过程并制定相应冷却工艺提供参考。

Description

一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样

技术领域

本实用新型属于测试技术领域，特别是涉及一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样，适用于喷水冷却实验中的表面换热系数测量，用以分析中厚板在热轧以后控制冷却下的温度变化，并制定相应的控制冷却工艺。

背景技术

中厚板生产中，轧后控制冷却在开发高强度级别钢种和降低合金方面的应用越来越广泛，通过控制冷却速度和控制相变过程可达到改善钢板组织和性能的目的。在确定钢板控制冷却工艺之前，需要掌握设备在不同参数下的冷却能力和冷却效果，从而控制钢板微观组织的演变。新型的冷却方式如超快冷、DQ等工艺的冷却速度加大，控制难度提高，在线测温的准确性下降，仅靠生产过程中实际钢板在线测温难度很大。

采用实验手段分析钢板的冷却过程，可以为制定冷却工艺提供参考并减少试制成本，首先需要测定喷水冷却过程中钢板试样表面的换热系数，需要解决两个问题：一是钢板温度的准确测量，一般采用预埋热电偶测量温度，要防止冷却水流到热电偶周围引起测量结果失准。二是如何通过测量得到的温度数据计算钢板表面的换热系数。测量只能得到试样的过程温度数据，实际钢板的厚度是可变的，需要得到表面换热系数才能转换到实际钢板的过程温度数据。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样，适用于各种形式的上表面喷水冷却实验，可以准确测量钢板试样冷却过程中的温度变化，并可以根据测量得到的温度数据计算出钢板表面的换热系数。

本实用新型由钢板试样主体、挡水板、热电偶、温度测量装置组成。

钢板试样周边加挡水板，防止上表面冷却时冷却水流到热电偶附近影响测量结果的准确性。

在钢板试样主体的下方钻孔并埋热电偶，热电偶埋在钢板试样主体厚度方向上距上表面X₁/2和X₁+X₂/2的位置，测量相对应位置钢板温度的变化。X₁为距钢板试样表面较近测温点的控制尺寸，X₂为距钢板试样表面较远测温点的控制尺寸。

热电偶与温度采集装置相连，温度采集装置由热电偶数据采集系统、PC机及相关软件组成，由PC机对数据进行处理得到表面换热系数。

由于钢板表面无法用热电偶测温，只能测量钢板内部温度，通过计算确定表面喷水冷却的换热系数，如附图3计算过程分析如下。

节点P₀位于钢板表面，节点P₁、P₂为分别为两个预埋热电偶的位置。

节点P₀控制积为0，因此两侧热流密度相等，即冷却水带走热流密度等于节点P₁通过钢板表面流出的热流密度，因此存在下式1：

h(T₀-T_W)＝λ(T₁-T₀)/(X₁/2)                    1

式中h为表面换热系数，λ为导热系数，X₁为节点P₁厚度方向的控制尺寸，T_W是冷却水的温度，T₀是节点P₀的温度，T₁是节点P₁的温度。

节点P₁、P₂的控制尺寸分别为X₁和X₂，节点P₁两侧的热流密度之差等于节点控制单元内部热能的减少率，即节点P₂流向节点P₁的热流密度减去节点P₁流出钢板表面的热流密度等于节点P₁热能的变化率，因此节点P₁能量变化存在下式2：

λ(T₂-T₁)/(X₂/2)-λ(T₁-T₀)/(X₁/2)＝cρΔT₁X₁/Δt        2

式中X₂为节点P₂厚度方向的控制尺寸，T₂是冷却水的温度，c是钢板的比热，ρ是钢板的密度，Δt是两次采集数据的时间差，ΔT₁是与Δt对应的节点P₁的温度差。

联立两个式子，消去T₀，得到换热系数的表达式3：

$h=\frac{\frac{\mathrm{\ρc\Δ}{T}_1{X}_1}{\mathrm{\Δt}}+\frac{2\mathrm{\λ}}{X_2}(T_2-T_1)}{T_1-T_W-\frac{X_1}{X_2}(T_2-T_1)-\frac{\mathrm{\ρc\Δ}{T}_1{X_1}^2}{2\mathrm{\λ\Δt}}}---3$

本实用新型的有益效果是：利用本控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样，可以适用于各种形式的上表面喷水冷却实验，可以准确测量钢板试样冷却过程中的温度变化，并可以根据测量得到的温度数据计算出钢板表面的换热系数，为研究实际中厚板的冷却过程并制定相应冷却工艺提供了参考。

附图说明

附图1是控制冷却测试专用钢板试样的侧面视图。其中，钢板试样主体1、挡水板2、热电偶3、温度采集装置4、钢板冷却表面5。

附图2是控制冷却测试专用钢板试样的底面视图。

附图3是表面换热系数分析的示意图。其中，钢板试样主体1、钢板冷却表面5。

具体实施方式

下面以某控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样为例，对本实用新型的具体实施方式进行说明。

如图1所示，控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样由钢板试样主体1、挡水板2、热电偶3、温度采集装置4组成。

钢板试样主体1尺寸为400×300×30mm(长×宽×厚)，材料为Q345，密度ρ为7400Kg/m³，比热c为670J/Kg.℃，导热系数λ为27J/m.s.℃。

为防止冷却水流入热电偶周围，在钢板试样主体1的下方钻孔并埋热电偶3，为进一步防止残留水进入热电偶钻孔，在钢板试样主体1周边加挡水板2，保证热电偶测量结果的准确性。挡水板的高度为10mm，沿钢板周边布置。

热电偶3取两组，每组8个，沿钢板试样主体1宽度方向上均匀分布，分别埋在厚度方向上距上表面5mm和15mm的位置，即X₁和X₂均取值10mm，测量相对应位置钢板温度的变化。

温度采集装置4由热电偶数据采集系统、PC机和相关软件组成，采集系统能够输入16路以上的热电偶信号即可，PC机采用VC或其它软件对采集到的热电偶温度数据进行处理和计算.

如图3所示是表面换热系数的计算方法分析，由于钢板表面无法用热电偶测温，只能测量钢板内部温度，通过式3计算确定表面喷水冷却的换热系数。

将密度ρ，比热c，导热系数λ，控制尺寸X₁和X₂等数据带入式3，得到表面换热系数h与节点P₁、P₂的温度数据、冷却水之间的关系式4：

$h=\frac{49580\frac{\mathrm{\Δ}{T}_1}{\mathrm{\Δt}}+5400(T_2-T_1)}{2T_1-T_W-T_2-9.18\frac{\mathrm{\Δ}{T}_1}{\mathrm{\Δt}}}---4$

Claims (2)

1.一种控制冷却表面换热系数测试专用钢板试样，由钢板试样主体、挡水板、热电偶、温度采集装置组成，其特征在于，钢板试样主体(1)周边加挡水板(2)，在钢板试样主体(1)的下方钻孔并埋热电偶(3)，热电偶(3)与温度采集装置(4)相连。

2.根据权利要求1所述的钢板试样，其特征在于，热电偶(3)埋在厚度方向上距钢板试样主体(1)上表面X₁/2和X₁+X₂/2的位置，X₁为距钢板试样表面较近测温点的控制尺寸，X₂为距钢板试样表面较远测温点的控制尺寸。

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