一種測定鋼板表面水冷換熱系數(shù)的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，特別是鋼板表面水冷換熱系數(shù)的測定，具體是一種測 定鋼板表面水冷換熱系數(shù)的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼板在線社制或熱處理爐后的水冷區(qū)域的溫度控制，很大程度上決定了其物理性 能和機(jī)械加工性能，相應(yīng)的控制技術(shù)在近年也受到廣泛重視。準(zhǔn)確計(jì)算鋼板的表面換熱系 數(shù)是實(shí)現(xiàn)鋼板在冷卻區(qū)精確溫度控制的前提，而計(jì)算表面換熱系數(shù)必須要知道鋼板表面在 水冷過程中的溫度變化情況。但是水冷射流的沖擊瞬態(tài)沸騰傳熱過程十分復(fù)雜，影響因素 眾多，直接測量高溫鋼板表面的溫度瞬變特性又非常困難。同時，由于鋼板的表面換熱系數(shù) 不是常數(shù)，而是與鋼板表面溫度有非線性的關(guān)系，因此在線測定鋼板表面的水冷換熱系數(shù) 幾乎不太可能，普遍采用實(shí)驗(yàn)室測定加在線修正的方法。對流換熱系數(shù)又稱表面換熱系數(shù)， 物理意義是指單位面積上，流體與壁面之間在單位溫差下及單位時間內(nèi)所能傳遞的熱量， 它的大小表達(dá)了對流換熱過程的強(qiáng)弱程度。
[0003][0004][0005][0006][0007][0008] 上述文獻(xiàn)的冷卻裝置與方法，均采用在試樣表面或內(nèi)部埋置熱電偶的接觸式測溫 方法來得到其需要的換熱系數(shù)。埋置熱電偶的方法無法保證熱電偶測量的溫度就是被測物 體表面的溫度。在大多數(shù)情況下，熱電偶的出現(xiàn)都會影響測點(diǎn)及其附近的溫度分布，而熱電 偶顯示的溫度只是擾動后的溫度。
[0009] 另外，埋偶的實(shí)驗(yàn)方案，需要對鋼板進(jìn)行打孔、填充絕緣材料等加工工序，所W不 可避免地要對鋼板的初始狀態(tài)造成破壞。熱電偶經(jīng)過高溫后又急劇冷卻，性能發(fā)生變化。如 果要做正交實(shí)驗(yàn)，將消耗數(shù)量巨大的熱電偶，成本較高。
[0010] 在實(shí)際應(yīng)用上，由于控制模型的不同，對換熱系數(shù)的取值要求也不同，一般都要求 水冷閥口下一定區(qū)域的平均換熱系數(shù)，而通過埋偶實(shí)驗(yàn)得到的是固定區(qū)域的換熱系數(shù)，應(yīng) 用于在線控制有很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種測定鋼板表面水冷換熱系數(shù)的方法，所述的方法在熱鋼 板單面水冷過程中，利用熱成像技術(shù)記錄其非水冷面的溫度變化過程，可W不接觸鋼板進(jìn) 行測溫，無需埋偶，對鋼板無損，且可自由界定需要計(jì)算換熱系數(shù)的區(qū)域大小，為鋼板冷卻 過程的模型計(jì)算精度的提高提供了保障，用W解決現(xiàn)有埋置熱電偶的測溫方式精確度低、 成本高W及在線控制局限性大的問題。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是；一種測定鋼板表面水冷換熱系數(shù)的方法，所述 的方法在噴水冷卻裝置對鋼板進(jìn)行冷卻的過程中，由紅外熱像儀采集鋼板非水冷面的圖像 信息，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)處理，由計(jì)算機(jī)分析得到鋼板水冷面的換熱系數(shù)；
[0013] 所述的方法具體包括如下步驟：
[0014] (1)按照噴水冷卻裝置的噴水方向，放置好鋼板和紅外熱像儀，打開紅外熱像儀和 計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)定鋼板初始的水冷換熱系數(shù)；
[0015] (2)設(shè)定鋼板的冷卻溫度和噴水量，選取測試區(qū)域，并啟動噴水冷卻裝置上與所述 測試區(qū)域?qū)?yīng)的噴嘴，對放置好的鋼板進(jìn)行冷卻；
[0016] (3)紅外熱像儀實(shí)時采集鋼板冷卻過程中非水冷面的圖像信息，并將采集的所述 圖像信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，得到鋼板冷卻過程中非水冷面的溫度信息；
[0017] (4)如果鋼板達(dá)到設(shè)定的冷卻溫度，則關(guān)閉噴水冷卻裝置，計(jì)算機(jī)得到鋼板測試區(qū) 域內(nèi)非水冷面溫度隨時間變化的實(shí)際冷卻曲線；如果鋼板沒有達(dá)到設(shè)定的冷卻溫度，則繼 續(xù)執(zhí)行步驟（3);
[0018] (5)計(jì)算機(jī)利用有限元模擬鋼板從水冷面到非水冷面的噴水冷卻、熱傳導(dǎo)、相變潛 熱W及空冷全過程，在模擬冷卻過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)初始的水冷換熱系數(shù)，對鋼板非水冷面 的初始溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，隨后不斷調(diào)整水冷換熱系數(shù)，模擬計(jì)算鋼板非水冷面的的溫度 場，得到鋼板測試區(qū)域內(nèi)非水冷面溫度隨時間變化的模擬冷卻曲線；
[0019] (6)如果所述的模擬冷卻曲線與實(shí)際冷卻曲線不吻合，則重新按照步驟（5)調(diào)整 水冷換熱系數(shù)；如果所述的模擬冷卻曲線與實(shí)際冷卻曲線吻合，則得到一條水冷換熱系數(shù) 隨鋼板溫度變化的關(guān)系曲線，完成水冷換熱系數(shù)的測定；
[0020] (7)在帶鋼實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)測定得到的水冷換熱系數(shù)，W及水冷換熱系數(shù)與 鋼板溫度變化的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對鋼板在冷卻區(qū)溫度的精確控制。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述的步驟（1)中，若噴水冷卻裝置在鋼板的前方噴水， 則鋼板豎直放置，紅外熱像儀架設(shè)在鋼板的后方，若噴水冷卻裝置在鋼板的后方噴水，則鋼 板豎直放置，紅外熱像儀架設(shè)在鋼板的前方；若噴水冷卻裝置在鋼板上方噴水，則鋼板平 放，紅外熱像儀架設(shè)在鋼板的下方，若噴水冷卻裝置在鋼板的下方噴水，則鋼板平放，紅外 熱像儀架設(shè)在鋼板的上方。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述水冷換熱系數(shù)與鋼板的溫度變化關(guān)系為：
[0023]
[0024] 其中：
[00幼Cp為鋼板比熱，J/kg·K;
[002引P為鋼板密度，kg/m3;
[0027]λ為鋼板導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K;
[002引 h為鋼板與周圍環(huán)境的綜合換熱系數(shù)，包括對流、福射和熱傳導(dǎo)，W/m2 ·K;
[002引ΔΙ為相變潛熱，W/kg;
[0030] ΔT為鋼板與周圍環(huán)境的溫度差；
[0031] hΛT為鋼板邊界換熱條件；
[00礎(chǔ) Τ為鋼板溫度；
[0033] τ為時間坐標(biāo)。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述的鋼板邊界換熱條件為第Η類邊界條件，其中，非水 冷面為鋼板與空氣的福射和對流換熱，即；
[0035]
[0036] 水冷面為鋼板與冷卻水的對流換熱，即；
[0037]
[003引其中；Τ為鋼板溫度；
[0039] η為法向方向單位矢量；
[0040] Η為鋼板厚度；
[0041] Tsi為非水冷面鋼板溫度；
[0042] Ts2為水冷面鋼板溫度；
[004引 Τα為環(huán)境溫度；
[0044] 1；為冷卻水溫度；
[0045] τ為時間；
[0046] hi為非水冷面綜合換熱系數(shù)；
[0047] 1?為水冷面對流換熱系數(shù)。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述的相變潛熱為：
[0049]
[0050] 其中：
[0051] ΔΙ為相變潛熱；
[0052] Η。為鐵素體的熱洽；
[0053] Ηγ為奧氏體的熱洽；
[0054] Ζ為奧氏體的百分?jǐn)?shù)，Ζ=exp化化-Tstr。)"）；
[00巧]τ為時間坐標(biāo)；
[0056] L為相變開始溫度；
[0057] T"…為帶鋼平均溫度；
[005引b和η均為常數(shù)，是方程系數(shù)。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述的步驟巧）中，計(jì)算機(jī)利用有限元分析法模擬鋼板 從水冷面到非水冷面的噴水冷卻、熱傳導(dǎo)、相變潛熱W及空冷全過程。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述的步驟化）中，當(dāng)所述的模擬冷卻曲線與實(shí)際冷卻 曲線的曲線擬合度達(dá)到0.95W上，即為吻合。
[0061] 本發(fā)明的目的還在于提供一種測定鋼板表面水冷換熱系數(shù)的裝置，所述的裝置設(shè) 置有紅外熱像儀，通過熱成像技術(shù)記錄鋼板單面水冷過程中非水冷面的溫度變化過程，可 W不接觸鋼板進(jìn)行測溫，無需埋偶，對鋼板無損，且可自由界定需要計(jì)算換熱系數(shù)的區(qū)域大 小，為鋼板冷卻過程的模型計(jì)算精度的提高提供了保障，用W解決現(xiàn)有埋置熱電偶的測溫 方式精確度低、成本高W及在線控制局限性大的問題。
[0062] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是；一種采用如本發(fā)明所述方法的裝置，所述的實(shí) 驗(yàn)裝置包括噴水冷卻裝置，所述的噴水冷卻裝置設(shè)置于鋼板的水冷面一側(cè)，用于對鋼板進(jìn) 行噴水冷卻，所述的實(shí)驗(yàn)裝置包括紅外熱像儀和計(jì)算機(jī)，所述的紅外熱像儀和計(jì)算機(jī)設(shè)置 在鋼板非水冷面的一側(cè)，所述的紅外熱像儀的信號輸出端口連接計(jì)算機(jī)的信號輸入端口， 所述的紅外熱像儀用于采集鋼板水冷過程中非水冷面的圖像信息，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算 機(jī)根據(jù)所述的圖像信息得到鋼板表面溫度隨時間變化的實(shí)際冷卻曲線，所述的計(jì)算機(jī)用于 利用有限元模擬鋼板冷卻過程，得到鋼板表面溫度隨時間變化的模擬冷卻曲線，通過模擬 冷卻曲線與實(shí)際冷卻曲線的擬合，得到測試所需的水冷換熱系數(shù)曲線。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)裝置，所述的噴水冷卻裝置包