一種測定鋼板表面水冷換熱系數的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及冶金技術領域，特別是鋼板表面水冷換熱系數的測定，具體是一種測 定鋼板表面水冷換熱系數的方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 鋼板在線社制或熱處理爐后的水冷區域的溫度控制，很大程度上決定了其物理性 能和機械加工性能，相應的控制技術在近年也受到廣泛重視。準確計算鋼板的表面換熱系 數是實現鋼板在冷卻區精確溫度控制的前提，而計算表面換熱系數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沸騰傳熱過程十分復雜，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 不是常數，而是與鋼板表面溫度有非線性的關系，因此在線測定鋼板表面的水冷換熱系數 幾乎不太可能，普遍采用實驗室測定加在線修正的方法。對流換熱系數又稱表面換熱系數， 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所能傳遞的熱量， 它的大小表達了對流換熱過程的強弱程度。
[0003][0004][0005][0006][0007][0008] 上述文獻的冷卻裝置與方法，均采用在試樣表面或內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。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。在大多數情況下，熱電偶的出現都會影響測點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，埋偶的實驗方案，需要對鋼板進行打孔、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造成破壞。熱電偶經過高溫后又急劇冷卻，性能發生變化。如 果要做正交實驗，將消耗數量巨大的熱電偶，成本較高。
[0010] 在實際應用上，由于控制模型的不同，對換熱系數的取值要求也不同，一般都要求 水冷閥口下一定區域的平均換熱系數，而通過埋偶實驗得到的是固定區域的換熱系數，應 用于在線控制有很大的局限性。
【發明內容】
[0011] 本發明的目的是提供一種測定鋼板表面水冷換熱系數的方法，所述的方法在熱鋼 板單面水冷過程中，利用熱成像技術記錄其非水冷面的溫度變化過程，可W不接觸鋼板進 行測溫，無需埋偶，對鋼板無損，且可自由界定需要計算換熱系數的區域大小，為鋼板冷卻 過程的模型計算精度的提高提供了保障，用W解決現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] 為實現上述目的，本發明的方案是；一種測定鋼板表面水冷換熱系數的方法，所述 的方法在噴水冷卻裝置對鋼板進行冷卻的過程中，由紅外熱像儀采集鋼板非水冷面的圖像 信息，并發送給計算機處理，由計算機分析得到鋼板水冷面的換熱系數；
[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 計算機，并在計算機內設定鋼板初始的水冷換熱系數；
[0015] (2)設定鋼板的冷卻溫度和噴水量，選取測試區域，并啟動噴水冷卻裝置上與所述 測試區域對應的噴嘴，對放置好的鋼板進行冷卻；
[0016] (3)紅外熱像儀實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 圖像信息發送給計算機進行分析處理，得到鋼板冷卻過程中非水冷面的溫度信息；
[0017] (4)如果鋼板達到設定的冷卻溫度，則關閉噴水冷卻裝置，計算機得到鋼板測試區 域內非水冷面溫度隨時間變化的實際冷卻曲線；如果鋼板沒有達到設定的冷卻溫度，則繼 續執行步驟（3);
[0018] (5)計算機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、相變潛 熱W及空冷全過程，在模擬冷卻過程中，計算機根據初始的水冷換熱系數，對鋼板非水冷面 的初始溫度進行模擬計算，隨后不斷調整水冷換熱系數，模擬計算鋼板非水冷面的的溫度 場，得到鋼板測試區域內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際冷卻曲線不吻合，則重新按照步驟（5)調整 水冷換熱系數；如果所述的模擬冷卻曲線與實際冷卻曲線吻合，則得到一條水冷換熱系數 隨鋼板溫度變化的關系曲線，完成水冷換熱系數的測定；
[0020] (7)在帶鋼實際生產過程中，根據測定得到的水冷換熱系數，W及水冷換熱系數與 鋼板溫度變化的關系，實現對鋼板在冷卻區溫度的精確控制。
[0021] 根據本發明所述的方法，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 熱像儀架設在鋼板的上方。
[0022] 根據本發明所述的方法，所述水冷換熱系數與鋼板的溫度變化關系為：
[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為鋼板導熱系數，W/m·K;
[002引 h為鋼板與周圍環境的綜合換熱系數，包括對流、福射和熱傳導，W/m2 ·K;
[002引ΔΙ為相變潛熱，W/kg;
[0030] ΔT為鋼板與周圍環境的溫度差；
[0031] hΛT為鋼板邊界換熱條件；
[00礎 Τ為鋼板溫度；
[0033] τ為時間坐標。
[0034] 根據本發明所述的方法，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；
[0047] 1?為水冷面對流換熱系數。
[0048] 根據本發明所述的方法，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為奧氏體的百分數，Ζ=exp化化-Tstr。)"）；
[00巧]τ為時間坐標；
[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，是方程系數。
[0059] 根據本發明所述的方法，所述的步驟巧）中，計算機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、相變潛熱W及空冷全過程。
[0060] 根據本發明所述的方法，所述的步驟化）中，當所述的模擬冷卻曲線與實際冷卻 曲線的曲線擬合度達到0.95W上，即為吻合。
[0061] 本發明的目的還在于提供一種測定鋼板表面水冷換熱系數的裝置，所述的裝置設 置有紅外熱像儀，通過熱成像技術記錄鋼板單面水冷過程中非水冷面的溫度變化過程，可 W不接觸鋼板進行測溫，無需埋偶，對鋼板無損，且可自由界定需要計算換熱系數的區域大 小，為鋼板冷卻過程的模型計算精度的提高提供了保障，用W解決現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] 為實現上述目的，本發明的方案是；一種采用如本發明所述方法的裝置，所述的實 驗裝置包括噴水冷卻裝置，所述的噴水冷卻裝置設置于鋼板的水冷面一側，用于對鋼板進 行噴水冷卻，所述的實驗裝置包括紅外熱像儀和計算機，所述的紅外熱像儀和計算機設置 在鋼板非水冷面的一側，所述的紅外熱像儀的信號輸出端口連接計算機的信號輸入端口， 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，并發送給計算機，計算 機根據所述的圖像信息得到鋼板表面溫度隨時間變化的實際冷卻曲線，所述的計算機用于 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 冷卻曲線與實際冷卻曲線的擬合，得到測試所需的水冷換熱系數曲線。
[0063] 根據本發明所述的實驗裝置，所述的噴水冷卻裝置包