D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.02.014 第26卷第2期 北京科技大学学报 Vol.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 流射沸腾冷却强化机理 王邦文李谋渭吴宗健刘国勇李生勇 崔乃忠靳哲 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要流射沸腾冷却强化的核心是利用常压水形成的水柱，以一定的速度贯穿水层，与 钢板表面直接接触，产生核沸腾区，引起了强烈沸腾，通过对射流出口速度、高度、直径及水 柱间距的优化的实验研究，达到了在整个钢板横截面上获得极强冷却区的效果，对于20mm 厚的钢板，冷却速度可达45.2℃s,板形精度可达3mm/m 关键词流射沸腾：冷却能力：优化 分类号TG333.71 淬火控冷是提高钢铁材料性能的重要技术， 辊道及传动和计算机自动控制系统组成.图1为 是冶金行业技术开发的重点之一川.为提高市场 淬火系统水系统示意图，淬火后的水由集管流入 竞争力，太钢不锈钢热轧厂迫切需要装备一台板 地沟、回水坑，经漩流池、过滤器、冷却塔进入净 厚h=6~40mm的常化炉后淬火机.但淬火系统的 水池，再由高位水箱经低位水箱送至集管， 泵站供水能力要达到4000mh才能满足要求. 由于厂方厂房所限，只有原板厚h=6~20mm进口 溢流管路 压力淬火机的900mh供水系统，该淬火机由于 淬火不均匀，有压印，淬火后板形瓢曲严重，难以 位水 运输和矫直，喷水管经常堵塞，在进行两次大改 造失败后，一直废弃没有使用.根据生产的需要， 太钢新淬火系统必须满足：(1)强冷低水耗，最 低位水 好利用900m'h的供水系统就能满足淬火板厚从 集管 HHHHHH 20mm提高到40mm,在工艺规定的时间内从 刀地沟 喷管 1050℃冷却到200℃的要求；(2)板形平直，能顺 回水统 利通过矫直机；(3)新系统不仅能淬火而且能调 图1中厚板无约束淬火系统水循环系统示意图 质：(4)装备水平高，造价低，系统稳定，能满足大 Fig.1 Water recycle system in the non-binding quenching 生产的使用. system for steel plates 目前国内外炉后淬火机，无论是压力淬火 1,2流射沸腾冷却强化机理 机，还是辊式淬火机，由于水压高，飞溅大，耗水 传统的淬火机理认为，只有用高压水才能进 多，功能单一，板形控制手段设计不完备，都满足 行中厚板淬火，所以国内进口的辊式或压力淬火 不了要求.因此，必须从流射沸腾冷却强化机理 机均采用0.412Pa水压.但是，从工程和实验 上进行研究，开发新型强冷少水耗淬火系统. 中发现，高压水喷射冲击冷却和太钢水资源紧缺 1实验研究 情况之间形成了两个矛盾：一是水压高，淬火时 水飞溅过大：二是水压高，水在钢板表面流速过 11新型淬火系统的特点 大（可达40m/s以上），与钢板热交换时间极短， 新型淬火系统由泵站水系统、淬火机本体、 水的消耗极大.通过流射沸腾冷却强化机理的实 验研究，结合太钢情况，合理设计了管流结构与 收稿日期2002-12-30 王邦文男，55岁，教授 特性，成功解决了这一问题
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 血 流射沸腾冷却强化机理 王 邦文 李谋 渭 吴 宗健 刘 国 勇 李生 勇 崔乃 忠 靳 哲 北 京科技大学机械工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 流射沸 腾 冷却 强 化 的核 心 是利用 常压 水 形成 的水 柱 ， 以一 定 的 速 度 贯 穿水 层 ， 与 钢 板表 面直接接触 ， 产 生 核 沸腾 区 ， 引起 了强 烈 沸腾 通 过 对射 流 出 口 速度 、 高度 、 直径 及 水 柱 间距 的优化 的实验 研究 ， 达到 了在 整 个钢 板横截面 上 获得 极 强冷 却 区 的效 果 对 于 厚 的钢 板 ， 冷却 速 度 可 达 ℃ ， 板 形 精度可 达 关键词 流射沸腾 冷 却 能 力 优化 分 类号 淬 火控 冷 是 提 高钢 铁 材料 性 能 的重 要 技 术 ， 是 冶 金 行 业 技 术 开 发 的重 点之 一 ‘ 为提 高市 场 竞争 力 ， 太钢 不 锈钢 热 轧 厂 迫 切 需 要 装 备 一 台板 厚 的常化 炉 后 淬火机 但 淬 火系统 的 泵 站 供 水 能 力 要 达 到 爪 才 能满 足 要 求 由于 厂 方 厂 房 所 限 ， 只有 原板 厚 二 砚 进 口 压 力淬 火机 的 小 供 水 系 统 ， 该 淬 火机 由于 淬 火不 均 匀 ， 有压 印 ， 淬 火后 板 形 瓢 曲严 重 ， 难 以 运 输 和 矫 直 ， 喷水 管 经 常 堵 塞 ， 在 进 行 两 次 大 改 造 失败 后 ， 一 直废 弃 没有 使用 根 据 生产 的需要 ， 太 钢 新 淬 火 系 统 必 须 满 足 强 冷 低 水 耗 ， 最 好利用 瓜 的供 水系 统就 能满足 淬火板厚 从 提 高到 ， 在 工 艺规 定 的 时 间 内从 ℃ 冷 却 到 ℃ 的要 求 板 形 平 直 ， 能顺 利 通 过矫直 机 新 系统 不 仅 能淬 火 而 且 能调 质 装 备 水 平 高 ， 造 价 低 ， 系统 稳 定 ， 能满足 大 生产 的使用 目前 国 内外 炉 后 淬 火 机 ， 无 论 是 压 力 淬 火 机 ， 还 是 辊 式 淬 火机 ， 由于 水 压 高 ， 飞 溅 大 ， 耗 水 多 ， 功 能单 一 ， 板 形控制 手 段 设 计 不 完备 ， 都满 足 不 了要 求 因此 ， 必 须 从 流 射 沸腾 冷 却 强 化机 理 上 进 行研 究 ， 开 发 新 型 强冷 少 水 耗 淬 火 系 统 辊 道 及 传 动 和 计 算机 自动 控 制 系 统 组 成 图 为 淬 火系统 水 系统 示 意 图 淬 火后 的水 由集 管流 入 地 沟 、 回水 坑 ， 经漩 流 池 、 过 滤 器 、 冷 却 塔 进 入 净 水池 ， 再 由高位 水 箱 经 低位 水 箱 送 至 集 管 水塔 图 中厚 板 无 约 束淬 火 系 统 水 循环 系统 示 意 图 血 一 实验 研 究 新 型 淬 火 系 统 的特 点 新 型淬 火 系 统 由泵 站 水 系统 、 淬 火机 本 体 、 收稿 日期 一 一 王 邦文 男 ， 岁 ， 教授 流 射 沸腾 冷 却强 化机 理 传 统 的淬 火机 理 认 为 ， 只 有 用 高压 水 才 能进 行 中厚板 淬 火 ， 所 以国 内进 口 的辊 式 或 压 力 淬火 机 均 采 用 一 水 压 但 是 ， 从 工 程 和 实验 中发现 ， 高压 水 喷射 冲 击 冷 却 和 太钢 水 资源 紧缺 情 况 之 间形 成 了两 个 矛 盾 一 是 水 压 高 ， 淬 火 时 水 飞溅 过 大 二 是 水 压 高 ， 水 在 钢 板 表 面 流 速 过 大 可 达 而 以上 ， 与钢 板 热 交 换 时 间极 短 ， 水 的消耗 极 大 通 过 流 射沸腾 冷 却 强化机理 的实 验 研 究 ， 结合 太钢 情 况 ， 合 理 设计 了管流 结构 与 特 性 ， 成 功解 决 了这 一 问题 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2004．02．014
·170 北京科技大学学报 2004年第2期 图2~4示出了柱状射流冲击钢板的流动与换 表面温度T,、射流出口速度。、射流高度（指喷嘴 热特性四.其中，局部热流密度是指某半径R处的 距钢板板面的距离)H、射流出口直径D,等.这些 局部邻域内的热流密度，即q=q(R):平均热流密 因素对平均热流密度的影响分别示于图5~7. 度是指某半径所代表的圆形壁面内的平均热流 密度，即=R)-=2 2rRq(R)iR. 25 可以看出，表面热流密度和壁面射流速度沿 20 1:406G 15 o-%=1.0m/s V=1.5m/s %=2.0m/s '=2.5m/s =3.0m/s 0 0.02 0.04 0.06 0.08 R/m 图5不同射流速度下平均热流密度的径向变化曲线 图2柱状射流的流线图 Fig.5 Radial variation curve of average heat flux density Fig.2 Flow line diagram of the column flow-jet for different flow-jet velocities 25 4 )/A 3 2 0-D=0.014m 10 0-D,=0.016m D=0.018m D,=0.020m 0 0.02 0.04 0.06 0.08 R/m 0 0.02 0.04 0.06 0.08 图3壁面射流速度径向变化曲线 R/m Fig.3 Radial variation curve of flow-jet velocity on the 图6不同直径冲击射流平均热流密度的径向变化曲线 surface Fig.6 Radial variation curve of average heat nlux density for different flow-jet diameters 30 高部热流密度 25 平均热流密度 9 20 MW)/b 15 10 5 5 10 H=12m H=1.4m 0 e-H=1.6m 0 0.020.040.06 0.08 H=1.8m R/m 图4热流密度沿径向方向变化曲线 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Fig.4 Radial variation curve of heat flux density R/m 图7不同射流高度时平均热流密度的径向变化曲线 径向的分布具有极强的相似性，这说明，射流冲 Fig.7 Radial variation curve of average heat flux density 击换热能力的高低，与射流速度密切相关.同时， for different flow-jet heights 柱状射流的平均热流密度存在最大值，这为合理 设计管流以追求最大冷却效果提供了依据， 13流射沸腾冷却强化的机理分析 柱状射流换热特性的影响因素主要有钢板 沸腾分为大容器沸腾（或称池内沸腾）和强
北 京 科 技 图 示 出 了柱状 射流 冲击钢 板 的流动 与换 热特 性‘ ， 其 中 ， 局 部 热流 密度 是 指 某 半 径 处 的 局 部邻 域 内的热流 密度 ， 即 平 均热 流 密 度 是指 某 半 径 所 代 表 的 圆形 壁 面 内的平 均 热 流 密 度 ， 即。 一 拟卜 奋户斌办 可 以看 出 ， 表 面 热流 密度和 壁面 射 流速 度沿 大 学 学 报 年 第 期 表 面温度 兀 、 射 流 出 口 速 度 、 射 流 高度 指 喷嘴 距钢 板 板 面 的距 离 、 射流 出 口 直 径 等 这 些 因素对 平 均热流 密 度 的影 响分 别 示 于 图 一 二，‘ 旦 圃习 圃 全蒙 ，认 一 “ ’ ‘ 一 代 州 一 矶 残 对污 矶 一叫卜 凡 州 ，‘，山，︶亡气百互二 介日 · ︾活芝 八 图 柱 状射流 的流线 图 吐 图 不 同射流速度下 平均 热流密度 的径 向变化 曲线 玩 乎 们 】 幼 一 一 户 气一 日 · 邑、沙际 ，‘︸门咤， 价息、， 图 壁 面射流速 度径 向变化 曲线 · 纽 一吐 皿 图 不 同直径 冲击射流平均 热流密度的径 向变化 曲线 加 由如 。 曲 幻 代 一 妞 刊 口 代弓畏口 ‘ 下工 心毛 － 平均热流密度 月， 一亡卜 一月卜 ‘，，盲二二 八甘﹄ 户日 · 、乙渔险 ，‘，有 心二 ︶︸、︸口 价奋匕之︾日 图 热流 密度沿 径 向方 向变化 曲线 助 径 向的分布 具有极 强 的相 似 性 这 说 明 ， 射流 冲 击 换热 能力 的高低 ， 与射流速度密 切 相 关 同时 ， 柱状射流 的平均热 流 密度存在最 大值 ， 这 为合 理 设计 管流 以追 求最 大冷 却 效果提 供 了依据 柱状 射 流 换 热 特 性 的 影 响 因素 主 要 有 钢 板 巾 一 一一一一 一 一司‘ 司 图 不 同 射流高度 时平均 热流 密度 的径 向变化 曲线 娘 纽 加 沙 血 肠 介 一 啥 流射 沸腾 冷却强 化 的机 理 分 析问 沸腾 分 为大容器 沸腾 或称池 内沸腾 和 强
Vol.26 No.2 王邦文等：流射沸腾冷却强化机理 ·171 制对流沸腾（管内沸腾），加热壁面沉浸在具有自 于汽化核心对换热起着决定性影响，这两区的沸 由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾 腾统称为核沸腾（或称为泡状沸腾）.核沸腾具有 (如图8所示).液体主体温度达到饱和温度，壁 温压小、换热强的特点. 温高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾. 通过对流射的出口速度、高度、直径及水柱 从起始沸腾点开始，在加热面的某些特定点上 间距的优化的实验研究，获取了在整个钢板截面 (称为汽化核心)产生汽泡，开始阶段，汽化核心 上尽可能多的核沸腾区， 产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区，随着 流射沸腾冷却强化的核心，就是利用常压水 △1=(t-)进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相 (0.1MPa)形成的水柱，以一定速度贯穿水层与 影响，并汇和成汽块及汽柱.在这两区中，汽泡的 钢板表面直接接触，由于瞬间的急冷，产生“黑 扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增大.由 区”，引起强烈沸腾，该沸腾区向半径方向扩展， 使流水具有很强的冷却能力.再利用上述柱状射 流平均热流密度的最大值，构造高密集管流结 稳定暖 1.2 核沸腾过渡沸腾态沸腾 构.通过对射流出口速度、高度、直径及水柱间距 1.0 的优化，造成整个钢板横截面的极强冷却区. 0.8 利用冷却过程的核沸腾、过渡沸腾和膜沸腾 0.6 不同阶段的冷却能力，在强冷区中间，辅之以适 0.4 自然对 起始沸腾点 当的横向吹扫去除老水和汽膜，增强水柱对钢板 0.2 的接触.最后在密集集管沿纵向定位上，采用集 24681010010002000 管前密后疏的布置，削弱膜沸腾的隔热影响，达 壁面过热温度△t 到同一水量最大冷却效果，太钢淬火控冷系统首 图8饱和水在水平加热面上的沸腾曲线 次应用了以上冷却强化技术，取得了理想的效 Fig.8 Boiling curve of saturated water on the level heating 果.表1和表2对比了不同冷却机理的冷却速率 surface 和耗水值， 表1不同冷却机理的冷却速率 Table 1 Cooling velocities of different cooling mechanisms 钢板厚 太钢淬火 4300mm轧机轧后控冷装置 POSCO汽水冷淬火装置太钢新型淬火控冷系统 度/mm 要求 (实测值) (资料值) (实测值) 20 14.17℃s 15.51℃s 21.61℃/s 45.2℃/s 40 9.44℃s 9.52℃1s 10.87℃/s 22.54℃/s 表2不同冷却机理对应8m×2m板当量耗水量 mm的钢板相应的单位耗水量是进口宽板辊式淬 Table 2 Equivalent water consumptions of different cool- 火机的48%，对厚40mm的钢板则是44%. ing mechanisms for plates of 8 mx2 m 宽板辊式淬火机太钢新型淬火控 钢板厚度mm 2与当前国内外同类研究、同类技 (实测值) 冷系统（实测值） 20 35.58m 16.96m3 术的综合比较7 40 86.05m3 37.68m 目前中厚板炉后淬火机国内外主要有两种 从表中看出，开发的流射沸腾强化冷却技术 机型：一种是压力淬火机，另一种是辊式淬火机. 的效果是良好的，冷却速率远远高于太钢工艺的 国内投产的淬火机基本是进口产品.在满足太钢 要求.对20mm厚的不锈钢板，实测值为要求值 淬火机要求条件下（板厚h=640mm,冷却速率 的3.18倍，为POSC0的2倍，实测的平均冷却速 对板厚h=20mm为14.17℃s,对板厚h=40mm 率也比进口的辊式淬火机高得多.对于薄板，新 为9.44℃s,供水系统不大于900mh).以上两种 淬火机的冷却速率实测值可达173℃s,对厚20 淬火机和太钢新型淬火技术性能的比较如表3
从， 一 王 邦文 等 流射沸腾冷 却强 化机 理 制对 流 沸腾 管 内沸腾 加 热壁 面沉浸 在具 有 自 由表 面 的液 体 中所 发 生 的沸 腾 称 为 大 容 器 沸 腾 如 图 所 示 液 体 主 体温 度 达 到饱 和 温 度 九 ， 壁 温 ‘ 高于饱 和 温 度 所 发 生 的沸 腾 称 为饱 和 沸腾 从 起 始 沸 腾 点 开 始 ， 在 加 热 面 的某 些 特 定 点 上 称 为汽 化 核心 产 生汽 泡 ， 开 始 阶段 ， 汽 化 核心 产 生 的汽 泡 互 不 干 扰 ， 称 为 孤 立 汽 泡 区 ， 随着 一 ，进 一 步 增 加 ， 汽 化 核 心 增 加 ， 汽 泡 互 相 影 响 ， 并汇 和 成汽 块及 汽柱 在 这 两 区 中 ， 汽 泡 的 扰 动 剧 烈 ， 换热 系数和 热 流 密度 都 急剧 增 大 由 ‘ · ， 津竺掣竺竺竺 卜 价八 自 工 尹沪 薰少 起始 “ 户芝︾沐甲 壁 面 过 热 温度△ 图 饱 和 水 在 水平 加 热 面 上 的沸 腾 曲线 · 于汽 化 核 心 对 换 热起着 决定 性影 响 ， 这 两 区 的沸 腾 统称 为核沸腾 或称 为泡状 沸腾 核 沸腾 具有 温 压 小 、 换 热 强 的特 点 通 过 对 流 射 的 出 口 速度 、 高度 、 直 径 及 水 柱 间距 的优 化 的实验 研 究 ， 获 取 了在 整 个钢 板截面 上 尽 可 能 多 的核沸 腾 区 流射 沸腾冷 却 强化 的核心 ， 就是 利用 常压 水 形 成 的水 柱 ， 以一 定速 度 贯 穿水 层 与 钢 板 表 面 直接 接触 ， 由于 瞬 间 的急冷 ， 产 生 “ 黑 区 ” ， 引起 强 烈 沸腾 ， 该沸 腾 区 向半 径 方 向扩 展 ， 使流 水 具 有很 强 的冷 却 能力 再 利用 上述柱状 射 流 平 均 热 流 密 度 的最 大值 ， 构 造 高 密 集 管 流 结 构 ， 通 过对射 流 出 口 速度 、 高度 、 直 径及 水 柱 间距 的优 化 ， 造 成 整 个钢 板 横截 面 的极 强冷 却 区 利用 冷 却 过 程 的核 沸腾 、 过 渡沸腾 和膜 沸 腾 不 同阶 段 的冷 却 能力 ， 在 强冷 区 中间 ， 辅之 以适 当的横 向吹扫 去 除老 水和 汽 膜 ， 增 强水柱对 钢 板 的接触 最 后 在 密 集集 管沿 纵 向定位 上 ， 采 用 集 管前 密后 疏 的布 置 ， 削弱 膜 沸腾 的隔 热 影 响 ， 达 到 同一 水 量 最 大冷 却 效果 太 钢 淬 火控 冷 系统 首 次 应 用 了 以上 冷 却 强 化 技 术 ， 取 得 了理 想 的效 果 表 和 表 对 比 了不 同冷 却机 理 的冷 却速 率 和 耗 水 值 表 不 同冷 却机 理 的冷 却速 率 到 血 钢 板厚 太 钢 淬火 轧机轧后 控冷装 置 汽 水 冷淬火装置 太 钢 新型 淬火 控冷 系统 度 要 求 实测值 资料 值 实测 值 ℃ ， ℃ ℃ ℃ ， ℃ ℃ ℃ ℃ 表 不 同 冷 却机 理 对 应 板 当量耗 水量 的钢 板 相应 的单位 耗 水 量是进 口 宽板 辊 式淬 火 机 的 ， 对 厚 们 的钢 板 则 是 钢 板厚 度 宽板辊 式 淬火机 太 钢 新 型淬火 控 实测值 冷 系统 实测值 〕 与 当前 国 内外 同 类研 究 、 同 类技 术 的综 合 比较‘ ， ， 从 表 中看 出 ， 开 发 的流 射沸 腾 强化 冷 却 技术 的效果 是 良好 的 ， 冷 却速 率远远 高于太 钢 工 艺 的 要 求 对 厚 的不锈 钢 板 ， 实测 值 为 要 求 值 的 倍 ， 为 的 倍 ， 实测 的平均 冷 却速 率也 比进 口 的辊 式 淬 火机 高得 多 对 于 薄 板 ， 新 淬火机 的冷 却 速 率 实测 值 可达 ℃ ， 对 厚 目前 中 厚 板 炉 后 淬 火 机 国 内外 主 要 有 两 种 机型 一种 是压 力淬火 机 ， 另一种是 辊式 淬火机 ， 国 内投 产 的淬 火机 基 本 是进 口 产 品 在 满 足 太 钢 淬 火机 要 求 条件 下 板 厚 卜 ， 冷 却 速 率 对 板 厚 二 为 ℃ ， 对 板厚 为 ℃ ， 供 水 系统 不 大 于 瓜 以上 两 种 淬 火机 和 太 钢 新型 淬 火技 术 性 能 的 比较 如表
◆172· 北京科技大学学报 2004年第2期 表3淬火机技术性能比较表 Table 3 Comparison of the technical characteristics of quenching machines 项目 压力淬火机 辊式淬火机 太钢新型淬火机 喷射冲击冷却（水 强喷射冲击冷却（水压为04 淬火冷却机理 流射沸腾冷却强化（水压0.1MPa) 压≥0.4MPa) -1.2MPa) 水飞溅 大 很大 水 利用淬火钢板之间 间隙时间的水 不能 不能 能（采用高低位水箱储水） 跟踪钢板下水能力 同时下水 弱 强（计算机跟踪下水） 进口淬火机对应板长8m、板对应板长8m、板宽2m当量耗水量 实测值： 耗水量 宽2m当量耗水量实测值： h=20mm,Q=35.58m'; h=20mm,Q=16.96m'; h=40mm,Q=86.05m3 h=40mm,Q=37.68m3 900mh供水能否 不能，需4000mh 不能，需4000m'h 能 满足要求 有（强适应横向冷却曲线、边部遮 横向均匀冷却控制 无 无 蔽装置、阻尼反抑制和多级阻尼均 匀水分布技术) 上下板面冷却水的 较低（一阀控制多排 较低（一阀控制多排喷管） 控制精度 喷管) 高（上下集管一对一单独控制） 沿板纵向冷却控制 同时下水 一般 灵活 易堵塞（一般孔径为 易堵塞（一般孔径为2.5-4.0 喷嘴堵塞情况 2.54.0mm) 不易堵塞（一般孔径大于9.0mm) mm) 板形调控结果 一般（淬火后钢板有 一般 较好，一般在10mm/m以内，精度 压印，瓢曲严重) 可达3mmm以内 没有类似太钢的专 没有类似太钢的专用控制模 较高，二级计算机控制，有模拟淬 自动控制水平 用控制模块 块 火、快速冷却、跟踪节水模块和自 学习修正控制，可全自动淬火 一般 一般 有人工智能终冷温度预报和组织 数学模型 性能预测 功能 淬火 淬火 淬火和调质 淬火质量均匀性 较一般（有压印） 较好 较好 多目标决策能力 一般 一般 有灰色局势多目标决策，能确定钢 板性能、板形和耗水量之间的关系 结构 较复杂（有上辊升降较复杂（有上辊升降传动机 相对简单（无上辊升降机构），价格 机构) 构) 约为进口淬火机1/5 3 结论 (2)对板厚20mm的不锈钢，冷却速率可达45 ℃s以上；对板厚40mm的不锈钢，冷却速率可 由我国自行设计制造的新型淬火系统一次 达22℃s以上. 投产成功.弱冷系统2000年8月投入生产，强冷 (3)出口钢板温度可达到后面抛丸机需要的 系统2001年3月投入生产.技术指标达到或超过 50℃左右. 合同的要求，数学模型及系统经受了生产的考 (4)1Cr18Ni9Ti一次性能合格率提高16.34%， 验，设备运转正常，通过工程验收，应用效果良 16MnR一次性能合格率提高29%，不锈钢一次性 好，已申请专利2项，取得较大的经济效益和社 能合格率平均稳定在98%以上，0Cr18Ni9一次性 会效益. 能合格率达99.88%. (1)自淬火机投产后统计，作业线月产量增加 (5)系统具备淬火和调质两种功能，扩大了热 1倍以上. 轧厂品种
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 淬 火 机 技 术 性 能 比较表 项 目 淬火冷 却 机理 压 力淬 火 机 喷射 冲击冷 却 水 压 歹 大 辊式 淬 火机 强 喷射冲击 冷却 水压 为 很大 太钢 新 型淬火 机 流射 沸 腾冷却 强 化 水压 水 飞溅 利用 淬火钢 板之 间 间 隙时间 的水 跟 踪钢 板 下 水 能 力 不 能 不 能 能 采用 高低位 水箱储水 同 时下 水 强 计 算机跟踪下 水 耗 水量 进 口 淬火 机 对吵 长 ”孤 板 对应 板 长 “孤 板 宽 当量 耗水 宽 当 量 耗 水量 实 狈叮值 实 侧 值 “ 一 ， 一 · ’ ” 一 ， 一 ’ · ’ ” 。 们。 ， · ， ， ， ， 供水 能否 满足 要求 不 能 ， 需 ，爪 不 能 ， 需 ， 横 向均匀冷却控 制 有 强 适应横 向冷 却 曲线 、 边部遮 蔽装 置 、 阻尼 反抑制和 多级 阻尼 均 匀 水分 布技 术 上 下 板面 冷却 水 的 控 制精度 沿 板 纵 向冷 却 控 制 喷 嘴堵塞 情况 板 形 调控 结果 较低 一 阀控 制多排 喷 管 同时下 水 易堵塞 一 般 孔径 为 中 一 一 般 淬火后 钢 板有 压 印 ， 瓢 曲严 重 较低 一 阀控 制 多排 喷 管 高 上 下 集 管一 对 一 单独 控制 一 般 易堵塞 一 般孔径 为帕 们 灵 活 一 般 自动控 制水 平 没 有 类似太钢 的专 没有类似太 钢 的专用控制 用 控 制模块 块 数学模 型 一 般 一 般 功 能 淬 火质 量 均 匀性 淬 火 较 一 般 有 压 印 淬火 较 好 多 目标决策 能力 一 般 一 般 结构 较 复 杂 有 上辊升 叫较 复杂 ‘有 上 辊 升 降传 动 机 机 构 构 不 易 堵 塞 一 般孔径大 于岭 较 好 ， 一般在 叮公 以 内 ， 精度 可 达 以 内 较高 ， 二 级 计 算机控 制 ， 有模拟 淬 火 、 快速冷却 、 跟踪节 水模块和 自 学习 修 正 控 制 ， 可 全 自动 淬火 有 人 工 智 能终冷温 度预报和 组 织 性 能预 测 淬 火 和 调 质 较好 有灰 色局 势多 目标 决策 ， 能确 定钢 板性 能 、 板形和 耗水量 之 间 的关系 相对简单 无 上 辊 升 降机构 ， 价格 约 为进 口 淬 火机 结论 由我 国 自行 设 计 制 造 的新 型 淬 火 系 统 一 次 投 产 成 功 弱冷 系统 年 月投 入 生 产 ， 强冷 系统 年 月投 入 生 产 技术指 标 达 到或超 过 合 同 的要 求 ， 数 学模 型 及 系统 经 受 了生 产 的考 验 ， 设备运 转 正 常 ， 通 过 工 程验 收 ， 应 用 效果 良 好 ， 已 申请专利 项 ， 取 得较 大 的经 济效 益和 社 会 效益 ， 自淬火机投产后 统计 ， 作业 线 月产 量增加 倍 以上 对 板 厚 的不锈 钢 ， 冷 却速 率可达 ℃ 以上 对 板 厚 的不锈钢 ， 冷 却速 率 可 达 ℃ 以上 出 口 钢 板 温 度 可 达 到后 面抛 丸机 需要 的 ℃ 左 右 一 次 性 能合 格率提 高 ， 一 次 性 能合 格 率提 高 ， 不锈钢 一 次性 能合 格 率平 均稳 定在 以上 ， 一 次性 能合 格 率达 系统 具备 淬火和 调质 两种功 能 ， 扩大 了热 轧厂 品种
Vol.26 No.2 王邦文等：流射沸腾冷却强化机理 ·173· (6)系统的工作供水能力达到了原900mh的 钢管已试卷成功.新余钢厂中板厂TMCP控冷工 5~6倍，用900mh的供水系统就能完成国外著 程也即将投产. 名淬火机研制商强调必须建立4000mh水系统 的任务，节省了投资，整个工程项目投资约为进 参考文献 口的1/5 1王有铭，钢材的控制轧制和控制冷却M).北京：治 (7)开发了淬火平直控制较系统理论，淬火后 金出版社，1995. 板形良好，一般在10mm/m以内，精调在3mm/m 2王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的 以内，很顺利通过矫直机. 实践M.西安：西北工业大学出版社，2000. 3周筠靖.传热学M.北京：冶金工业出版社，1995. (⑧)其原理和技术现已推广到舞阳钢铁公司 4马重芳.强化传热M.北京：北京科学出版社，1990. ACC和新余钢厂TMCP上，舞阳钢铁公司 5董志勇.冲击射流[M.北京：北京海洋出版社，1997. ACC4200工程已于2002年3月一次投产成功，生 6赵永忠，鞍钢4300轧机轧后高密度管层流控冷模 产出我国西气东输急需的管线钢，其中X70填补 型及应用研究D].北京：北京科技大学，2002. 了我国宽厚板生产的空白，产品已通过中国石油 7朱启建，中厚板管流无约束淬火冷却与变形机理及 天然气总公司管材研究所的检验，中1060mm的 其最优控制模型研究D].北京：北京科技大学，2002. Flow-Jet Boiling Cooling Enhancing Mechanism WANG Bangwen,LI Mouwei,WU Zongjian,LIU Guoyong,LI Shengyong,CUI Naizhong,JIN Zhe Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The fundamental principle of flow-jet boiling enhancing is as follow.The water column caused by normal pressure water thrusts through the water layer at a certain velocity to directly contact the plate surface.A nuclear boiling area can be established and intensive boiling will occur.The effect of the extreme cooling area on the entire cross section of the steel plate can be obtained via an optimized experimental research on the outlet vel- ocity,height,diameter of flow jet and distance between adjacent water columns.For a plate of 20 mm thick,the cooling speed is up to 45.2C/s and the shape precision up to 3 mm/m. KEY WORDS flow-jet boiling;cooling ability:optimization
、 王 邦文等 流 射沸腾 冷却强 化机 理 一 系统 的工 作供水 能力达 到 了原 瓜 的 一 倍 ， 用 爪 的供 水 系 统 就 能完 成 国外 著 名 淬 火 机 研 制 商 强 调 必 须 建 立 瓜 水 系 统 的任 务 ， 节 省 了投 资 ， 整 个 工 程 项 目投 资约 为进 口 的 ， 开 发 了淬火平 直控 制较 系统 理 论 ， 淬火后 板 形 良好 ， 一 般 在 以 内 ， 精 调 在 以 内 ， 很顺 利通 过 矫 直 机 其 原理 和 技 术现 己推 广 到 舞 阳钢 铁 公 司 和 新 余 钢 厂 上 ， 舞 阳 钢 铁 公 司 工 程 己 于 年 月一 次投产 成 功 ， 生 产 出我 国西气 东输 急 需 的管线 钢 ， 其 中 填 补 了我 国宽厚板 生产 的空 白 ， 产 品 己通 过 中 国石 油 天 然 气 总 公 司 管材 研 究所 的检 验 ， 们 的 钢 管 己 试 卷 成 功 新余 钢 厂 中板 厂 控 冷 工 程 也 即将 投 产 参 考 文 献 王 有铭 钢 材 的控 制 轧 制 和 控 制冷 却 北 京 冶 金 出版社 ， 王 国强 实用 工 程 数值 模拟 技术 及 其在 上 的 实 践 西 安 西 北 工 业 大学 出版社 ， 周 箔靖 传 热 学 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 马重 芳 强 化传 热 】 北 京 北 京科 学 出版 社 ， 董 志 勇 冲击射 流 北 京 北 京海洋 出版 社 ， 赵 永 忠 鞍钢 轧机 轧 后 高密 度管层 流 控 冷模 型 及 应 用 研 究 北 京 北 京科 技 大学 ， 朱 启 建 中厚板 管流 无 约 束 淬 火 冷 却 与 变 形 机理 及 其 最 优控制模型研究 北 京 北 京科 技大 学 ， 一 洲刃 刀罗‘ ， ， 几羲〕 ， 环百 叼 ， ， 刀 夕 ， ， 刀 ， ， ， 一 ， ， ， 一
