, 韩钧, 邓想涛, 王昭东东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-04-25
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB0300601)；东北大学基本科研业务费重大科技创新项目(N160708001)。
作者简介：付天亮(1981-)，男，黑龙江阿城人，东北大学副教授;
王昭东(1968-)，男，安徽淮南人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：利用特厚钢板射流淬火试验装置, 研究了15~35 ℃水温、1.0~3.0 m/min辊速对特厚钢板厚向冷速的影响, 分析钢板在不同温降区间内的厚向温降、温度梯度和冷速影响因素.利用导热微分方程, 采用反传热法计算钢板淬火温度场和冷速.结果表明:采用射流冲击淬火方式时, 160 mm钢板心部冷速大于1.2 ℃/s; 水温和辊速除影响钢板表面平均传热系数和换热形式外, 还通过改变厚向温度梯度分布影响厚向冷速; 水温或辊速升高, 钢板厚向冷速降低, 降低幅度与冷却强度、淬火时间以及钢板内部导热特性有关.
关键词：特厚钢板辊式淬火厚向冷速温度梯度射流换热
Experimental Study on Thickness Cooling Rate of Jet Impingement Quenching for Ultra Heavy Plate
FU Tian-liang
, HAN Jun, DENG Xiang-tao, WANG Zhao-dongState Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: FU Tian-liang, E-mail: futianliang@126.com
Abstract: The effects of water temperature(15~35 ℃) and roll speed(1.0~3.0 m/min) on the thickness cooling rate of jet impingement quenching for ultra heavy steel plate are experimentally investigated. The temperature decrease, temperature gradient and the factors of cooling rate along thickness direction in difference sections of the plate are analyzed. Using the inverse heat conduction method to solve the differential equation of heat conduction, the quenching temperature field and cooling rate of the plate can be calculated. The results indicate that the cooling rate of the 160 mm steel core is greater than 1.2 ℃/s under the jet impingement quenching, and water temperature and roll speed affect not only the average heat transfer coefficient and the type of heat transfer near the plate surface, but also the thickness cooling rate by changing temperature gradient distribution. The thickness cooling rate decreases when water temperature and roll speed increase, and the decreasing range of cooling rate depends on cooling intensity, quenching time and thermal conductivity of the plate.
Key Words: ultra heavy plateroller quenchingthickness cooling ratetemperature gradientjet heat transfer
特厚钢板(≥120 mm)轧制后需要进行热处理, 利用不同的加热和冷却制度来调控钢板组织, 得到更优异的性能[1].特厚钢板淬火分浸入式和辊式两种.浸入式淬火搅拌水流速度受淬火槽容积限制, 冷却强度偏低, 均匀性差.辊式淬火采用了射流冲击换热方式, 冷却强度大、均匀性好, 逐渐成为大断面、大厚度特种钢板首选的淬火形式[2].
辊式淬火时, 特厚钢板厚向冷速分布能直观反映出厚向温降规律和冷却均匀性, 对钢板厚向组织演变和性能调优至关重要[3].然而, 由于试验过程复杂, 控制难度大, 钢板厚向温降测量困难, 导致特厚钢板辊式淬火过程表面换热和内部导热相关研究成果较少.Zhou等[4]利用测量探针, 研究了浸入式淬火过程中钢件表面换热特性, 绘制出钢板温降曲线和冷速曲线.Sagheby等[5]采用二维反传热法, 较准确测定狭缝射流冲击条件下钢板表面对流传热系数.Zeitoun[6]采用可视化方法测量射流冲击表面水跃半径, 研究喷射距离、喷嘴类型、射流流量等因素对表面换热的影响.上述研究或局限于某一固定测试条件, 重点研究钢板表面换热问题; 或针对静止钢板淬火过程开展研究, 并未深入探讨移动过程中钢板表面流动结构和换热变化.这些都与实际特厚钢板淬火生产情况不相符, 不能更好地指导生产.
本文以160 mm厚特厚钢板辊式射流淬火为研究对象, 利用开发的特厚钢板辊式射流淬火试验装置测试不同水温、辊速条件下钢板厚向不同位置淬火温降曲线, 计算钢板射流淬火条件下表面传热系数; 构建导热微分方程, 采用反传热法研究表面换热和内部导热规律, 对比分析水温和辊速对特厚钢板辊式淬火厚向冷速的影响.实验结果对特厚钢板淬火定量化导热表征、进而研究提高淬火心部冷速和厚向冷却均匀性的工艺方法提供理论和实验依据.
1 实验材料及方法试验材料选用高强轧制钢板610D, 化学成分(质量分数, %):0.08 C, 0.24 Si, 1.54 Mn, ≤0.006 P, ≤0.002 S, ≤0.026 Nb, ≤0.041 V, ≤0.014 Ti, 0.21 Mo, 0.23 Ni.试验钢板规格:160 mm(厚度)×350 mm(宽度)×500 mm(长度).采用组合式超快速冷却装置完成试验, 装置有效宽度470 mm, 分高压、常压两个冷却段, 输送辊道横穿两个冷却段中间, 射流喷嘴沿辊道上下对称布置.高压、常压冷却段分别配备7组、18组高密圆孔射流喷嘴.特厚钢板上表面距上喷嘴97 mm, 下表面距下喷嘴109 mm, 输送辊道在0.5~3.5 m/min辊速范围内精确调节.
钢板淬火测温位置如图 1所示, 淬火装置控制原理如图 2所示.热电偶一端插入钢板, 另一端连接SMT-14-3000-1250-K型温度记录仪(采样周期0.2 s), 热电偶插入钢板深度150 mm.钢板加热后吊装至输送辊道上, 高压、常压水泵按设定流量和压力供水.喷水流量由调节阀控制, 与流量计形成闭环控制; 喷嘴开启由开闭阀控制; 喷水压力通过压力计反馈, 与水泵形成闭环控制; 水温由水温计测量.输送辊道按照设定辊速转动, 运送钢板依次经过高压、常压冷却段, 完成淬火过程.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 钢板温度测量点位置Fig.1 Plate positions for measuring temperature |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 淬火装置控制原理Fig.2 Controlling principle of quenching equipment |
为研究水温、辊速对特厚钢板淬火厚向冷速的影响, 试验选取15, 20, 25, 30, 35 ℃ 5种水温, 以及1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 m/min 5种辊速, 采用正交方法设计实验方案.测试时, 高压段喷水压力0.78~0.82 MPa, 上喷嘴总流量398~413 m3/h, 下喷嘴总流量468~475 m3/h; 常压段喷水压力0.48~0.51 MPa, 上喷嘴总流量273~277 m3/h, 下喷嘴总流量327~332 m3/h.钢板加热温度为(900±5) ℃, 保温时间30 min, 钢板终冷温度＜50 ℃.
2 特厚钢板淬火数学模型2.1 温度场计算基于实测温降曲线, 利用导热微分方程, 采用反传热法计算特厚钢板淬火温度场[7].本文建立沿钢板厚度和宽度方向的二维非稳态导热方程, 考虑热物性参数随温度的变化, 如式(1)所示.式中将相变潜热划归钢板的平均比热内, 建立无内热源的导热方程.
 | (1) |
导热方程采用第三类边界条件, 初始条件和边界条件为
 | (2) |
在导热方程求解过程中, 把式(1)应用于节点(i, j), 采用可取得稳定数值解(完全隐式)的Crank-Nicolson差分解法, 对冷却时间进行向前和向后混合差分, 对厚度、宽度进行心部向表面差分, 该方法可以在节点Fourier数较高的情况下显著提高计算的收敛性和稳定性.差分表达式见式(3).
 | (3) |
 | (4) |
2.2 对流传热系数计算通过测量淬火前表面温度可获得钢板初始温度场, 经过某一喷嘴冷却后, 钢板表面温度下降, 通过测量可获得淬火后钢板表面温度, 进而求解某一时间段内导热方程即可获得该冷却时间内钢板表面平均对流传热系数.本文采用的平均对流传热系数计算模型见式(5).
 | (5) |
3 结果与分析图 3为淬火温降曲线计算值与实测值比较.测试条件为:水温15 ℃, 辊速2.0 m/min, 淬火开始温度895 ℃, 淬火时间750 s.钢板近表面、1/4H及近心部温降曲线计算值与实测值吻合较好, 经偏差分析, 两者偏差小于3%.由于测温点不能完全覆盖所有研究区域, 本文采用计算值作为分析依据.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 Controlling principle of quenching equipmentFig.3 Comparision of the calculated quenching temperature curve and the measured value |
图 4为计算淬火温降曲线, 淬火时间744 s, 竖线前为高压段温降曲线.钢板近表面温降主要发生在高压段, 近心部温降主要发生在常压段, 1/4H温降从高压段持续到常压段.在0~500 s这一主要的温降区间内, 水温对钢板近表面区域的影响大于近心部区域, 例如近表面区域水温由35 ℃降至15 ℃时, 相同时间、相同位置平均温降相差约27 ℃, 同样条件下近心部平均温降相差约10 ℃.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 计算温降计算曲线Fig.4 Calculated temperature curves |
图 5为钢板厚向距表面20 mm至80 mm范围内, 温度由800 ℃降至300 ℃过程中计算平均冷速.不论水温或辊速如何变化, 厚向冷速变化规律相似:冷速最小点并未出现在钢板心部, 而是1/4H附近; 在接近钢板心部±10 mm范围内, 冷速基本不变.随水温升高, 钢板厚向各点冷速均降低, 钢板近表面冷速变化幅度明显大于近心部; 随辊速升高, 钢板厚向各处冷速降低, 但辊速对钢板近表面冷速的影响大于水温, 而对钢板近心部冷速的影响小于水温.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 水温和辊速对冷速的影响Fig.5 Effect of water temperature and roll speed on cooling rate |
特厚钢板淬火时, 表面温降以对流换热为主, 内部温降以热传导为主.由Newton冷却定律可知, 钢板表面热流密度与对流传热系数h及表面过冷度ΔT有关.辊速变化, 钢板表面射流状态变化, 且钢板上表面壁面射流区与沸腾换热区面积比发生变化, 导致每个喷嘴冷却区间内平均传热系数h出现差异[9]; 水温变化, 直接影响钢板表面与冷却介质的过冷度ΔT, 间接影响表面沸腾换热类型[10].
4 特厚钢板淬火厚向冷速影响因素4.1 水温图 6将冷速研究区间划分为高温区(850~500 ℃)和中温区(550~200 ℃), 钢板厚向各点到达该温度的淬火时间不同; 图 7将冷速研究区间划分为高压段和常压段, 钢板厚向各点在相同淬火时间内温度场不同.由图 6知, 高温区内, 钢板近表面冷速随距表面距离增加急剧减小, 随这一距离继续增加, 冷速曲线变化平稳, 尤其是近心部区域, 冷速变化幅度小于0.1 ℃/s.中温区间水温对钢板厚向冷速的影响遵循近表面区域大、1/4H区域小、近心部区域较大的趋势.水温通过影响钢板表面换热间接影响内部导热, 其影响规律与由温度梯度变化引起热流密度变化, 进而引起厚向各处冷速变化的规律一致[11].
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同温降区间水温对冷速的影响Fig.6 Effect of water temperatures on cooling rate in different temperature drop sections |
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 不同冷却段水温对冷速的影响Fig.7 Effect of water temperature on cooling rate in different cooling sections |
由图 7知, 高压段和常压段内, 水温对特厚钢板厚向冷速的影响遵循的规律相反.高压段内, 越靠近心部钢板平均冷速越小, 这既与高压段冷却强度大、钢板表面传热系数大有关, 又与钢板表面与冷却介质间过冷度大有关.随着钢板表面温度骤降, 近表面区域温度梯度显著增大, 并且向心部延伸时温度梯度递减.这一过程使钢板近表面乃至1/4H区域温降明显.此外, 温度梯度随厚度增加递减的规律也反映到了水温对钢板内部冷速的影响方面:水温对钢板厚向冷速的影响从表面至心部递减.与高压段不同, 水温对常压段冷速的影响遵循近表面区域小、随着距表面距离增加逐渐增大的规律.
图 8为常压段淬火钢板厚向温度梯度曲线, 分为温度梯度调整和持续温降两个阶段.随冷却区由高压段过渡到常压段, 表面冷却强度及射流流动结构不同, 温度梯度重新分布.该过程中近表面至1/4H温度梯度减小, 1/4H至近心部温度梯度增大.后一阶段为常压段持续淬火温降过程, 遵循热传导规律(可由导热方程表示), 钢板厚向温度梯度整体线性减小, 近表面至1/4H温度梯度减小幅度大于1/4H至近心部区域.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 钢板常压段淬火厚向温度梯度Fig.8 Plate thickness temperature gradient during normal pressure section quenching |
4.2 辊速为研究辊速对特厚钢板淬火厚向冷速的影响, 图 9按厚向各点温降将冷速研究区间划分为高温区和中温区, 图 10按冷却段不同划分为高压段和常压段.中温区间内, 钢板厚向冷速波动范围仅为高温区间的10%, 辊速对冷速的影响呈现由表面至心部随距表面距离增加先减小后增大的趋势, 影响最小区域出现在距表面35~50 mm区域内.中温区辊速对冷速的影响规律与钢板所处冷却段及厚向初始温度梯度分布有关.1/4H区域从550 ℃降至200 ℃主要发生在常压段, 该段冷却强度较弱, 辊速变化对钢板表面换热效果的影响比高压段小, 对近表面冷速影响小.因辊速不同引起的近心部温度梯度的巨大差异导致该区域冷速差异较大.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 不同温降区间内辊速对冷速的影响Fig.9 Effect of roll speed on cooling rate in different temperature drop range |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 不同冷却段辊速对冷速的影响Fig.10 Effect of roll speed on cooling rate in different cooling section |
由图 10知, 高压段辊速对钢板厚向冷速的影响与冷却时间及钢板总热流量有关.对心部冷速来说, 辊速降低, 钢板在高压段持续冷却时间越长, 钢板厚向温度梯度越大, 致使心部有足够的时间在持续的大温度梯度下导热, 心部冷速增加.常压段钢板近表面、1/4H、近心部厚向冷速与初始温度及温度梯度分布有关.高辊速时, 高压段内钢板近表面至1/4H区域换热不如低辊速时充分, 高压段时近表面区域温度梯度大.常压段初期, “大增速区”内钢板即已完成淬火过程, 受初始温度及温度梯度分布影响明显.因此, “大增速区”内钢板平均冷速增速随辊速提高而增大.“过渡区”和“小增速区”在常压段温降跨度大, 温降经历时间长, 其平均冷速受辊速的影响可分为两个阶段, 即“温度梯度过渡阶段”和“持续冷却阶段”.前一阶段内, 辊速对厚向冷速的影响与其对常压段初始温度及温度梯度分布的影响有关.辊速提高, 高压段冷却时钢板总热流量减小, “过渡区”和“小增速区”在常压段初始阶段温度较高, 温度梯度逐渐减小, 冷速增速放缓; 后一阶段内, 随温度梯度分布过渡到常压段, 钢板由1/4H向心部依次经历单位时间内大热流量阶段, 温度梯度“拐点”由1/4H区延伸至近心部, 致使图 10常压段冷速曲线出现了“过渡区”.常压段内, 低辊速条件下, 射流换热区增大, 沸腾换热区减小, 钢板表面平均传热系数增大, 钢板与冷却介质总换热量增大, 温度梯度“拐点”向心部延伸速度较高辊速快, 进而出现了“过渡区”随辊速降低移向心部的情况.
5 结论1) 水温直接影响钢板表面过冷度, 间接影响表面池内沸腾换热形式; 辊速影响钢板表面射流换热与沸腾换热面积比.两者均通过改变钢板厚向温度梯度分布影响厚向冷速.
2) 特厚钢板淬火时, 厚向冷速最小值出现在厚向1/4H附近(约为1.1 ℃/s), 这一点不随水温和辊速变化而改变.水温、辊速升高时, 钢板厚向平均冷速均降低, 辊速对钢板近表面冷速的影响比水温大, 而对近心部冷速的影响比水温小.
3) 水量和辊速的变化直接影响钢板近表面温降和高压段过后钢板厚向温度梯度分布, 而辊速也是常压段厚向冷速的主要影响因素.钢板厚向冷速在高压段内由表面至心部逐渐减小, 在常压段逐渐增加.辊速对厚向冷速的影响大于水温.
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