付天亮等：特厚钢板阵列射流淬火的表面换热 ·1341· 偶前，孔中填充高温导热胶（导热系数入=9.1Wm· 增压泵 K,最高工作温度为927℃，0 CI Americas公司). 1.2实验装置 C-B Line 采用组合式超快速冷却装置完成钢板淬火实验. B 装置内部上下各安装8组阵列圆孔射流喷嘴，喷嘴直 TR 径3mm,垂直喷射距离184mm.一组水平辊道横穿上 H-U 下喷嘴，辊面宽470mm.钢板加热后由输送辊道送至 铜板 冷却区，之后静止.辊速调节范围0.5~35 m.min, 钢板 钢板定位偏差小于±2mm.高压冷却段各组喷嘴流量 ●辊道 调节范围为0~50m3h,喷水压力调节范围为0.2 加热炉 1.2MPa.喷水系统由变频供水泵、供水管路、控制阀 H-D B 组、射流喷嘴、控制中心和温度采集系统组成，如图2 C-B Line 所示.实验时，由变频供水泵提供冷却水，水温由温度 传感器测量，喷水压力由电动调节阀配合压力传感器 8 闭环控制，喷水量由电磁流量计配合变频供水泵频率 C一调节阀：B一开闭阀：T一热电偶：W一水温仪：F一流量计：P一 闭环控制，钢板运行速度由辊道变频器配合编码器闭 压力传感器：TR一钢板温度记录仪：H-U一上射流喷嘴：H-D一下 环控制.控制中心实时记录水温、水压、水量等参数. 射流喷嘴：PLC一控制中心：C-B Line一控制及反馈电缆 图2特厚钢板淬火实验装置 经测定，水量、水压控制精度均为±1%，水温测量精度 Fig.2 Ultra-heavy plate quenching test device 为±0.5℃，辊速控制精度为±0.01m·min.采用 RAL-31-K型钢板温度记录仪测量并记录各测温点实 淬火前，实验装置按设定流量和压力开启.用吊车将 时温度.记录仪温度记录通道为31个，采样周期100 钢板吊装至实验装置输入辊道上，以5mmin'速度进 ms,测量精度为±0.01℃. 入淬火区.淬火前钢板空冷时间约为15s.为研究射 1.3实验流程及参数 流速度、水流密度对钢板表面换热的影响，设计4种测 钢板在马弗炉中加热至890±2℃，均质化保温1h. 试条件，如表1所示. 表1淬火实验测试参数 Table 1 Quenching test parameters 初始温度， 过冷度， 水量， 水流密度，Pw/ 射流速度， 实验编号 T/℃ △Tab/℃ W/(m3.h) (L.m-2.min-1) 品e /(m.s-1)[4] 782.5 72.66 5.0 978.7 12808 3.39 I 784.0 72.26 15.0 2893.5 44276 11.16 Ⅲ 788.8 72.92 25.0 5052.6 73645 18.29 W 787.5 71.60 35.0 6751.5 117340 26.80 2 导热方程及反传热修正算法 Tl=To, (2) at| =0, (3) 淬火过程中，特厚钢板厚向温度梯度较大，非稳态 8z:m 导热过程傅里叶数Fo=at/0.1,表明钢板表面热 扰动对内部影响较小（板温T∈[50,900]℃，钢板热 (T-T)l4= 之Pur+ (t-6)h 10 扩散率a∈[1.41×10-5,4.39×10-6]m2·s,t为热 (1-t)n PF(()+1) (4) 扰动时的非稳态导热持续时间).因此，研究对象可看 作热厚体.基于测温点冷却曲线，利用导热微分方程， 式中：T为钢板温度：为淬火时间：z为钢板厚向坐标； 采用反传热(IHCP)修正算法计算钢板壁面温度和热 ,为测温点距表面距离；H为钢板中心距表面距离（即 流密度.本文建立一维非稳态导热方程，如式(1)~ 钢板半厚度)；α为钢板热扩散率：入(T)为钢板导热系 (4)所示.计算过程中，考虑热物性参数随温度的变化 数：P(T)为钢板密度；c(T)为钢板比热容；T。为钢板淬 情况.由于钢板淬火过程相变复杂，并非本文研究内 火初始温度；为计算初始时间；P。为最小二乘法拟 容，将相变潜热划归钢板的平均比热内，建立无内热源 合函数系数；P:为拟合多项式系数；N为多项式修正 的导热方程 次数；N为温度测量值个数；T()为Laplace变换函数. aT a2T A(T) 结合作者之前研究[2]，84mm厚钢板淬火过程符 =Q- at d,= P(T)c(T)' 合远场换热边界条件（即钢板一侧表面产生T,热扰动付天亮等: 特厚钢板阵列射流淬火的表面换热 偶前,孔中填充高温导热胶(导热系数 姿 = 9郾 1 W·m - 1· K - 1 ,最高工作温度为 927 益 ,OCI Americas 公司). 1郾 2 实验装置 采用组合式超快速冷却装置完成钢板淬火实验. 装置内部上下各安装 8 组阵列圆孔射流喷嘴,喷嘴直 径 3 mm,垂直喷射距离 184 mm. 一组水平辊道横穿上 下喷嘴,辊面宽 470 mm. 钢板加热后由输送辊道送至 冷却区,之后静止. 辊速调节范围 0郾 5 ~ 35 m·min - 1 , 钢板定位偏差小于 依 2 mm. 高压冷却段各组喷嘴流量 调节范围为 0 ~ 50 m 3·h - 1 ,喷水压力调节范围为 0郾 2 ~ 1郾 2 MPa. 喷水系统由变频供水泵、供水管路、控制阀 组、射流喷嘴、控制中心和温度采集系统组成,如图 2 所示. 实验时,由变频供水泵提供冷却水,水温由温度 传感器测量,喷水压力由电动调节阀配合压力传感器 闭环控制,喷水量由电磁流量计配合变频供水泵频率 闭环控制,钢板运行速度由辊道变频器配合编码器闭 环控制. 控制中心实时记录水温、水压、水量等参数. 经测定,水量、水压控制精度均为 依 1% ,水温测量精度 为 依 0郾 5 益 ,辊速控制精度为 依 0郾 01 m·min - 1 . 采用 RAL鄄鄄31鄄鄄K 型钢板温度记录仪测量并记录各测温点实 时温度. 记录仪温度记录通道为 31 个,采样周期 100 ms,测量精度为 依 0郾 01 益 . 1郾 3 实验流程及参数 钢板在马弗炉中加热至 890 依 2 益,均质化保温 1 h. C—调节阀;B—开闭阀;T—热电偶;W—水温仪;F—流量计;P— 压力传感器;TR—钢板温度记录仪;H鄄U—上射流喷嘴;H鄄D—下 射流喷嘴;PLC—控制中心;C鄄B Line—控制及反馈电缆 图 2 特厚钢板淬火实验装置 Fig. 2 Ultra鄄heavy plate quenching test device 淬火前,实验装置按设定流量和压力开启. 用吊车将 钢板吊装至实验装置输入辊道上,以 5 m·min - 1速度进 入淬火区. 淬火前钢板空冷时间约为 15 s. 为研究射 流速度、水流密度对钢板表面换热的影响,设计 4 种测 试条件,如表 1 所示. 表 1 淬火实验测试参数 Table 1 Quenching test parameters 实验编号 初始温度, T0 / 益 过冷度, 驻Tsub / 益 水量, W/ (m 3·h - 1 ) 水流密度, 籽W / (L·m - 2·min - 1 ) Re 射流速度, vJ / (m·s - 1 ) [4] 玉 782郾 5 72郾 66 5郾 0 978郾 7 12808 3郾 39 域 784郾 0 72郾 26 15郾 0 2893郾 5 44276 11郾 16 芋 788郾 8 72郾 92 25郾 0 5052郾 6 73645 18郾 29 郁 787郾 5 71郾 60 35郾 0 6751郾 5 117340 26郾 80 2 导热方程及反传热修正算法 淬火过程中,特厚钢板厚向温度梯度较大,非稳态 导热过程傅里叶数 Fo = at / H 2垲0郾 1,表明钢板表面热 扰动对内部影响较小(板温 T沂[50,900] 益 ,钢板热 扩散率 a沂[1郾 41 伊 10 - 5 ,4郾 39 伊 10 - 6 ] m 2·s - 1 ,t 为热 扰动时的非稳态导热持续时间). 因此,研究对象可看 作热厚体. 基于测温点冷却曲线,利用导热微分方程, 采用反传热( IHCP)修正算法计算钢板壁面温度和热 流密度. 本文建立一维非稳态导热方程,如式(1) ~ (4)所示. 计算过程中,考虑热物性参数随温度的变化 情况. 由于钢板淬火过程相变复杂,并非本文研究内 容,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. 鄣T 鄣t = 琢 鄣 2 T 鄣z 2 ,琢 = 姿(T) 籽(T)c(T) , (1) T | t = t 0 = T0 , (2) 鄣T 鄣z z = H = 0, (3) (T - T0 ) | z = z1 = 移 Nk k = 0 P0,k (t - t 0 ) k / 2 祝((k / 2) + 1) + 移 Nc i = 1 移 Nk k = 0 Pi,k (t - t i) k / 2 祝((k / 2) + 1) . (4) 式中:T 为钢板温度;t 为淬火时间;z 为钢板厚向坐标; z1为测温点距表面距离;H 为钢板中心距表面距离(即 钢板半厚度);琢 为钢板热扩散率;姿(T)为钢板导热系 数;籽(T)为钢板密度;c(T)为钢板比热容;T0为钢板淬 火初始温度;t 0为计算初始时间;P0 ,k为最小二乘法拟 合函数系数;Pi,k为拟合多项式系数;Nc为多项式修正 次数;Nk为温度测量值个数;祝()为 Laplace 变换函数. 结合作者之前研究[12] ,84 mm 厚钢板淬火过程符 合远场换热边界条件(即钢板一侧表面产生 T0热扰动 ·1341·