连铸二冷传热系数测定仪的研制.pdf_大学文库

stable and reliable, Key words:continuous casting of steel,heat transfer coefficient, application of computer 前言二冷区传热是整个连铸生产过程中的一个重要环节。研究表明，连铸二冷区冷却制度不合理，会导致铸坯产生多种裂纹，甚至还会引起脱方或鼓肚等缺陷1)。因此合理的二冷制度是提高连铸机产量和保证铸坯质量的重要条件。研究连铸二冷区传热，除研究喷嘴的雾化特性外，还应研究冷却水与高温铸坯表面的传热过程。冷却水喷射到高温铸坯表面，铸坯内部热量通过已凝固的坯壳传到铸坯表面，被冷却水带走。这种传热属于固一液两相之间对流传热。它是一个复杂的传热过程。受铸坯表面状态（表面温度、表面℉O皮）、冷却水温度、冷却水运动状态等多种因素的影响。利用对流传热方程可表示这一复杂的传热过程〔2)。 Φ=h(T。-Tw) (1) 式中：中热流密度，h传热系数，T。铸坯表面温度， T冷却水温度。从公式(1)可以看出，除了铸坯表面温度和冷却水温度对铸坯传热有影响外，其它因素对铸坯传热的影响都可归结为传热系数的影响。因此要提高二冷区冷却效率，就必须提高传热系数值。在连铸工艺和连铸坯确定的条件下，了解冷却水与高温铸坯表面之间的传热系数，是设计合理的二冷制度的基础。近几年在实验室用热模拟方法测试传热系数的工作有了很大进展(3~6)。所采用的温度传感器为平板式或探头式，温度传感器的温度变化信号用记录仪记录，然后再把数据输入到计算机中计算传热系数。本仪器采用探头式温度传感器，仪器内的单板计算机通过信号放大、A/D转换直接采集测试过程中温度变化信号，并进行计算。因此整个测试过程可连续自动进行。 1传热系数测定仪的测定原理冷却水喷射到铸坯表面，铸坯表面温度降低并形成内外温度较大的温度梯度，使铸坯内部热量沿着垂直于铸坯表面的方向传出。从一个喷嘴冷却的局部看，不论是板坯或是方坯均近似于一维传热。因此在测定传热系数过程中，模拟铸坯的试件传热也应近似于一维传热。假定铸坯在传热过程中无内热源，其一维热传导方程为们： CpT(;t)-a(1r（,t))=0 (2) 143

、，前言夕二冷区传热是整个连铸生产过程中的一个重要环节。研究表明，连铸二冷区冷却制度不合理，会导致铸坯产生多种裂纹，甚至还会引起脱方或鼓肚等缺陷川。因此合理的二冷制度是提高连铸机产量和保证铸坯质量的重要条件。研究连铸二冷区传热，除研究喷嘴的雾化特性外，还应研究冷却水与高温铸坯表面的传热过程。冷却水喷射到高温铸坯表面，铸坯内部热量通过已凝固的坯壳传到铸坯表面，被冷却水带走。这种传热属于固一液两相之间对流传热。它是一个复杂的传热过程。受铸坯表面状态表面温度、表面皮、冷却水温度、冷却水运动状态等多种因素的影响。利用对流传热方程可表示这一复杂的传热过程〔〕。中一式中巾热流密度，传热系数，。铸坯表面温度，冷却水温度。从公式可以看出，除了铸坯表面温度和冷却水温度对铸坯传热有影响外，其它因素对铸坯传热的影响都可归结为传热系数的影响。因此要提高二冷区冷却效率，就必须提高传热系数值。在连铸工艺和连铸坯确定的条件下，了解冷却水与高温铸坯表面之间的传热系数，是设计合理的二冷制度的基础。近几年在实验室用热模拟方法测试传热系数的工作有了很大进展〔〕。所采用的温度传感器为平板式或探头式，温度传感器的温度变化信号用记录仪记录，然后再把数据输人到计算机中计算传热系数。本仪器采用探头式温度传感器，仪器内的单板计算机通过信号放大、转换直接采集测试过程中温度变化信号，并进行计算。因此整个测试过程可连续白动进行。传热系数测定仪的测定原理冷却水喷射到铸坯表面，铸坯表面温度降低并形成内外温度较大的温度梯度，使铸坯内部热量沿着垂直于铸坯表面的方向传出。从一个喷嘴冷却的局部看，不论是板坯或是方坯均近似于一维传热。因此在测定传热系数过程中，模拟铸坯的试件传热也应近似于一维传热。假定铸坯在传热过程中无内热源，其一维热传导方程为叻口，口只口

式中热容量，密度，又导热系数作为热模拟试验，测试开始时试件的温度为已知，初始条件为二，，二。，在测试过程中，试件的一个边界温度可用热电偶测出，其边界条件为二，一，冷却水喷射到试件表面，传热量与试件的表面温度梯度成正比，则有少又一旦里二丛卫上口劣式代入式并引入相应下标则口，口劣〔。，一〕式就是传热过程中试件表面的边界条件。、、式实际上是式的定解条件。测定传热系数就是求解以下的偏微分方程组。吮，，口，，二二口口戈劣，，只，口劣又夕二全生兰一劣劣二〔，一犷〕了从式可以看出，只要求出试件表面温度、表面温度梯度、导热系数，就可求出传热系数。传热系数测定仪设计。温度传感器设计根据传热系数测定原理，模拟铸坯传热过程的温度传感器必须满足以下条件温度传感器内试件可加热到所测试的温度。在测试过程中，温度传感器内试件应保证一维传热。在测试过程中，温度传感器试件内有关各点的温度变化能用计算机或仪表记录下来。目前，温度传感器主要分为两种一种温度传感器尺寸较大，当加热到所规定温度后，被迅速移到炉外，然后对其喷水冷却另外一种温度传感器尺寸较小，加热到一定温度后，随炉体一起被喷水冷却两种温度传感器各有不同的特点〔 ” 〕。这里采用的温度传感器属第二种形式，如图。主要由金属试件、热电偶、加热线圈、保温层、外壳等组成。为检验金属试件在冷却过程中的一维传热特性，在金属试件

内焊4副热电偶（图2）。把金属试件加热到所测试的温度后，对其喷水冷却，并用4笔 X一Y函数记录仪记录4组热电偶的电势变化 (图3)。从图3可以看出，第1点与第2点在同一时刻内温度差别较大，第1点与第3点、第2 点与第4点在同一时刻内温度差别较小，仅为第1、2点温度差的10%左右。因此可以认为图1温度传感器结构示意图所设计的温度传感器在测试过程中，金属试件 1.金属试件2.加热线圈3，保温层4.外充的径向传热可忽略不计，传热过程非常近似于 5.热电偶焊接位置6，热电偶引线7，线圈引线一维传热。 Fig.1 Structure of the probe 1200 1000 800 600 1.2.3.4 Welding positions of themocuple 400 图2热电偶焊接位置(1.2.3.4点) 200 0 20 40 60 60 100 Fig.2 Welding positions of the thermocoupl Time,s 图3各点温度随时间变化 Fig.3 Change of temperature in different positions 2,2测定仪设计喷水冷却过程中，温度传感器内的金属试件的温度变化一般先用记录仪记录下来，得到温度一时间变化曲线，然后再把温度一时间变化数据输人到计算机处理。本仪器采用8位单板计算机，它通过A/D转换和信号放大，直接向温度传感器采样，把冷却过程中的温度一时间变化数据输入到单板机内存中，以便计算处理。这样就避免了由于人工读数所产生的误差。把A/D转换结果与实际进行对比，表明通过A/D转换所产生的误差是很小的。测定仪内的单板机除完成采样 Start 外，还进行对温度传感器加热的控制、计算传热系数、打印计算结果和 Healing and controlling omputer Typing 整个测试过程的控制。整个测试过程如图4所示。 Amplifing top 从图4看出，接通测定仪电源后 Displayin Controlling Delaying 首先开启测定仪内的加热控温系统和计算机，加热控温系统对温度传感器图4传热系数测定仪测试过登加热，同时计算机通过测定仪内的 Fig.I Process of measuring heat tranfer coefficient 145

内焊副热电偶图。把金属试件加热到所测试的温度后，对其喷水冷却，并用笔一函数记录仪记录组热电偶的电势变化图。从图可以看出，第点与第点在同一时刻内温度差别较大，第点与第点、第点与第点在同一时刻内温度差别较小，仅为第、点温度差的左右。因此可以认为所设计的温度传感器在测试过程中，金属试件的径向传热可忽略不计，传热过程非常近似于一维传热。飞声沪乡创矛产产爹产了尹产产百飞困口口，尹尹沪，沪沪户一，，图温度传感器结构示意图金属试件加热线圈保温层魂外壳热电偶焊接位置热电偶引线线圈引线卜。‘︺州。，选。冲。婚图热电偶焊接位置、点欢卜又溉袅、，叼 … ‘ 一飞、洲一闪口图各点温度随时间变化五，测定仪设计喷水冷却过程中，温度传感器内的金属试件的温度变化一般先用记录仪记录下来，得到温度一时间变化曲线，然后再把温度一时间变化数据输人到计算机处理。本仪器采用位单板计算机，它通过转换和信号放大，直接向温度传感器采样，把冷却过程中的温度一时间变化数据输人到单板机内存中，以便计算处理。这样就避免了由于人工读数所产生的误差。把转换结果与实际进行对比，表明通过转换所产生的误差是很小的。测定仪内的单板机除完成采样外，还进行对温度传感器加热的控制、计算传热系数、打印计算结果和整个测试过程的控制。整个测试过程如图所示。 ‘ 从图看出，接通测定仪电源后首先开启测定仪内的加热控温系统和计算机加热控温系统对温度传感器加热，同时计算机通过测定仪内的口 ‘ 资图伶热系数测定仪测试过程

”A/D转变和数据放大，采集温度传感器的温度信号，并与所设定的测试温度进行比较，当温度传感器加热到所设定温度，计算机给测定仪内的控制系统信号，以便开启测定仪内的延时系统，对温度传感器延时控温，使温度传感器内试件温度分布均匀；延时结束后，控制系统给加热控温系统信号，停止对温度传感器加热，同时外界对温度传感器进行喷水冷却，并且计算机采集温度传感器的温度变化数据，直到所设定的温度；数据采集完后，计算机计算传热系数，并通过测定仪内的微型点阵式打印机打印出计算结果。 3计算方法及计算结果根据温度传感器在测试过程中的条件，用计算机求解传热系数必须将(7)式离散化为相应的差分方程组，并引入下标，则(7)式变为（这里把导热系数、热容作为温度的函数处理)： Cp71J+T1J=T1+1J-2T1,J+T1-1J+bT21+1,J-2T141T1,J-T21,J △t (△x)2 (△x)2 T1,0=T1,0 TL,J=TL,J (8) 元T1J-T0l=h(To,J-Tw） (1=a+bT) △x 从(8)式第一个方程和图5可以看出，网格内任一点的温度都可从前一时刻相邻 3点的温度求出。温度传感器刚开始被水冷却时的温度是计算的初始条件，根据计算机内存中的两组温度变化数据，用(8)式前3个 At 方程可算出温度传感器内两副热电偶焊接 .J1)- 位置之间任意网格点、任意时刻的温度，从 (-1,J-(1,}-1+1,J 距金属试件端面较近点的一副热电偶（见 △X 图1)的温度变化数据可反算出这一点图5莹分方程计算用网格到金属试件端面各网格内、任一时刘的温 Fig5 Net for calculating with differential equations度，这样也就求出了温度传感器内试件在冷却过程中的温度场，并可以求出温度传感器内试件被冷却表面的温度梯度。由于冷却水的温度为已知，从(8)式第4个方程就可算出传热系数，直到计算机内存中的两组温度数据处理完毕。 (8)式是显式差分方程组，如果时间步长和一维网格点步长选取不合适，计算结果不稳定。(8)式的稳定条件是所选参数必须满足下面的方程。 Co (x)≤是 △t·元 (9) 146

转变和数据放大，采集温度传感器的温度信号，并与所设定的测试温度进行比较，当温度传感器加热到所设定温度，计算机给测定仪内的控制系统信号，以便开启测定仪内的延时系统，对温度传感器延时控温，使温度传感器内试件温度分布均匀延时结束后，控制系统给加热控温系统信号，停止对温度传感器加热，同时外界对温度传感器进行喷水冷却，并且计算机采集温度传感器的温度变化数据，直到所设定的温度数据采集完后，计算机计算传热系数，并通过测定仪内的微型点阵式打印机打印出计算结果。计算方法及计算结果根据温度传感器在测试过程中的条件，用计算机求解传热系数必须将式离散化为相应的差分方程组，并引入下标，则式变为这里把导热系数、热容作为温度的函数处理丁， △ 一，一，一， △ 毛一卜生卜全垫全， · ，一， △ ，，，，，一， △ 二，一只、 ‘ 从式第一个方程和图可以看出，网格内任一点的温度都可从前一时刻相邻点的温度求出。图差分方程计算用网格〔温度传感器刚开始被水冷却时的温度是计算的初始条件，根据计算机内存中的两组温度变化数据，用式前个方程可算出温度传感器内两副热电偶焊接位置之间任意网格点、任意时刻的温度，从距金属试件端面较近点的一副热电偶见图的温度变化数据可反算出这一点到金属试件端面各网格内、任一时刻的温度，这样也就求出了温度传感器内试件在冷却过程中的温度场，并可以求出温度传感器内试件被冷却表面的温度梯度。由于冷却水的温度为已知，从式第个方程就可算出传热系数，直到计算机内存中的两组温度数据处理完毕。式是显式差分方程组，如果时间步长和一维网格点步长选取不合适，计算结果不稳定。式的稳定条件是所选参数必须满足下而的方程。么 · 只 · △ 一、二匕