.1340· 工程科学学报，第39卷，第9期 复杂.此外，钢板表面换热与射流速度、水流密度、 (2H≤25mm)为代表的热薄体传热差别较大.此外， 过冷度、壁面过热度等诸多因素有关，进一步增加了钢 其他学者研究结果多基于较低射流速度(：，≤10m· 板表面换热效率的调控难度[).因此，研究射流参数 s)和较低Re数(Re≤20000)，这除与被冷对象为热 对钢板表面换热的影响，明确表面热流密度和最大热 薄体有关外，还与实验装置能力（如供水量、喷水压 流密度(MHF)的分布规律，对特厚钢板淬火温度预测 力、冷却区尺寸等)有关.为了较准确模拟实际尺寸特 及性能优化十分必要. 厚钢板的淬火条件，选取了84mm(厚)×350mm(宽)× 目前，高温钢板射流换热实验研究多局限于瞬态 416mm(长)的大规格试样进行淬火实验.为实现心部 或稳态条件，研究热薄体(2H≤25mm,H为钢板半厚 淬火，测试钢板心部冷速需满足R。≥3.0℃s-,这 度)在较低射流速度(，≤10ms1)条件下，表面热流 样大的心部冷速需要通过提升表面换热效率来扩大钢 密度、壁面温度、最大热流密度等与射流速度、水流密 板厚向温度梯度，进而提升心部热流量来实现.为此， 度、过冷度等的关系[6]，测量较低雷诺数(Re≤20000) 淬火实验的射流速度范围为3.39ms≤，≤26.8m· 条件下热壁面温度分布，建立数值模型[].Gradeck s1,Re范围为12808≤Re≤117340，喷水压范围为0.2 等劉采用相似的测温方法测定了圆孔射流高温旋转圆 MPa≤Pw≤l.2MPa 柱体表面时的局部沸腾曲线，研究证实了射流滞止区 存在“热流密度肩”现象.Robidou等[]设计出能够测 1实验装置及流程 量700℃壁面温度的温控系统，测量出稳态条件下的 1.1实验材料 整条局部沸腾曲线.他们指出，过冷度和射流速度变 实验材料为NISC0热轧态优质低合金钢，化学成 化对热流密度影响不大，但对最大热流密度值影响较 分（质量分数，%）：0.18C,0.24Si,1.35Mn,≤0.01 大.Liu等o]开展了圆孔射流高温平板膜沸腾换热的 P,≤0.005S,0.2Cr,0.1Mo,0.2Ni,0.2Cu,碳当量 理论和试验研究，发现在Leidenfrost点及膜沸腾区，相 C=0.42.经测定，钢板临界温度为：奥氏体完全转变 比于射流速度，过冷度对热流密度的影响更加明显. 温度(Ac3)863℃，铁素体析出温度(Ar3)840℃，马氏 Karwa等4-]着重研究了高温AIS314不锈钢圆柱体 体转变开始温度(M.)450℃，马氏体转变结束温度 射流淬火过程中的表面润湿过程，包括表面沸腾机制、 (M)150℃. 换热区分布、润湿峰扩张速度和最大热流密度变化 钢板打孔后，插入直径3mm、长度2m、补偿导线 规律 长度1m的K型铠装热电偶（测温范围为0~1100 然而，对于热厚体来说（例如2H>80mm的特厚 ℃).经校验，热电偶测量精度为±1℃.图1为钢板 钢板)，由于实验原料制备（治炼、轧制）、实验装置、数 测温点位置图.依据作者之前的研究]，射流冲击钢 学模型等方面的限制，射流换热方面的研究成果鲜有 板表面可分为射流冲击换热区(Z,区)、核态沸腾及过 报道.特厚钢板射流淬火过程中，钢板表面换热条件 渡沸腾换热区(Z,区)、膜态沸腾换热区(Z,区)和小液 对心部温降影响很小，导致厚向产生较大温度梯度，致 态聚集区(Z,区)四个部分.测温点P、P2、P,、P,设置 使近表面区域温降以对流换热为主，主要影响因素为 在Z,区，测温点P,、P设置在Z,区，测温点P。、P。设置 表面热流密度：近心部区域温降以热传导为主，主要影 在Z,/Z,过渡区，测温点P,设置在Z区，测温点P,设 响因素除热厚体物性参数外，还有钢板厚向温度梯度. 置在Z,区.测温点距钢板表面2mm,热电偶插人深度 热厚体的这一传热特点，与其他学者研究的以薄钢板 100mm.为减小热电偶与钢板接触热阻，在插入热电 上喷嘴 上喷嘴 Z(Z Z Z(Z Z Z. Z Z Z,(Z) Z. Z(Z 95 mm 15 mm 32 mm 63 mm 32 mm 32 mm 32 mm 30 mm 30 mm 41 mm 14 mn 运输辊道 下喷嘴 下喷嘴 图1钢板近表面测温点位置及对应的换热区 Fig.1 Plate surface temperature test position and corresponding heat transfer zone工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 复杂[4] . 此外,钢板表面换热与射流速度、水流密度、 过冷度、壁面过热度等诸多因素有关,进一步增加了钢 板表面换热效率的调控难度[5] . 因此,研究射流参数 对钢板表面换热的影响,明确表面热流密度和最大热 流密度(MHF)的分布规律,对特厚钢板淬火温度预测 及性能优化十分必要. 目前,高温钢板射流换热实验研究多局限于瞬态 或稳态条件,研究热薄体(2H臆25 mm,H 为钢板半厚 度)在较低射流速度(vJ臆10 m·s - 1 )条件下,表面热流 密度、壁面温度、最大热流密度等与射流速度、水流密 度、过冷度等的关系[6] ,测量较低雷诺数(Re臆20000) 条件下热壁面温度分布,建立数值模型[7] . Gradeck 等[8]采用相似的测温方法测定了圆孔射流高温旋转圆 柱体表面时的局部沸腾曲线,研究证实了射流滞止区 存在“热流密度肩冶现象. Robidou 等[9] 设计出能够测 量 700 益壁面温度的温控系统,测量出稳态条件下的 整条局部沸腾曲线. 他们指出,过冷度和射流速度变 化对热流密度影响不大,但对最大热流密度值影响较 大. Liu 等[10]开展了圆孔射流高温平板膜沸腾换热的 理论和试验研究,发现在 Leidenfrost 点及膜沸腾区,相 比于射流速度,过冷度对热流密度的影响更加明显. Karwa 等[4 - 5] 着重研究了高温 AISI314 不锈钢圆柱体 射流淬火过程中的表面润湿过程,包括表面沸腾机制、 换热区分布、润湿峰扩张速度和最大热流密度变化 规律. 图 1 钢板近表面测温点位置及对应的换热区 Fig. 1 Plate surface temperature test position and corresponding heat transfer zone 然而,对于热厚体来说(例如 2H > 80 mm 的特厚 钢板),由于实验原料制备(冶炼、轧制)、实验装置、数 学模型等方面的限制,射流换热方面的研究成果鲜有 报道. 特厚钢板射流淬火过程中,钢板表面换热条件 对心部温降影响很小,导致厚向产生较大温度梯度,致 使近表面区域温降以对流换热为主,主要影响因素为 表面热流密度;近心部区域温降以热传导为主,主要影 响因素除热厚体物性参数外,还有钢板厚向温度梯度. 热厚体的这一传热特点,与其他学者研究的以薄钢板 (2H臆25 mm)为代表的热薄体传热差别较大. 此外, 其他学者研究结果多基于较低射流速度( vJ 臆10 m· s - 1 )和较低 Re 数(Re臆20000),这除与被冷对象为热 薄体有关外,还与实验装置能力(如供水量、喷水压 力、冷却区尺寸等)有关. 为了较准确模拟实际尺寸特 厚钢板的淬火条件,选取了 84 mm(厚) 伊 350 mm(宽) 伊 416 mm(长)的大规格试样进行淬火实验. 为实现心部 淬火,测试钢板心部冷速需满足 RC逸3郾 0 益·s - 1[11] ,这 样大的心部冷速需要通过提升表面换热效率来扩大钢 板厚向温度梯度,进而提升心部热流量来实现. 为此, 淬火实验的射流速度范围为 3郾 39 m·s - 1臆vJ臆26郾 8 m· s - 1 ,Re 范围为 12808臆Re臆117340,喷水压范围为 0郾 2 MPa臆PW臆1郾 2 MPa. 1 实验装置及流程 1郾 1 实验材料 实验材料为 NISCO 热轧态优质低合金钢,化学成 分(质量分数,% ):0郾 18 C,0郾 24 Si,1郾 35 Mn,臆0郾 01 P,臆0郾 005 S,0郾 2 Cr,0郾 1 Mo,0郾 2 Ni,0郾 2 Cu,碳当量 Ceq = 0郾 42. 经测定,钢板临界温度为:奥氏体完全转变 温度(Ac3 )863 益 ,铁素体析出温度(Ar3 )840 益 ,马氏 体转变开始温度( Ms ) 450 益 ,马氏体转变结束温度 (Mf)150 益 . 钢板打孔后,插入直径 3 mm、长度 2 m、补偿导线 长度 1 m 的 K 型铠装热电偶( 测温范围为 0 ~ 1100 益 ). 经校验,热电偶测量精度为 依 1 益 . 图 1 为钢板 测温点位置图. 依据作者之前的研究[12] ,射流冲击钢 板表面可分为射流冲击换热区(Z1区)、核态沸腾及过 渡沸腾换热区(Z2区)、膜态沸腾换热区(Z3区)和小液 态聚集区(Z4区)四个部分. 测温点 P1 、P2 、P7 、P9设置 在 Z1区,测温点 P3 、P6设置在 Z2区,测温点 P8 、P10设置 在 Z2 / Z3过渡区,测温点 P5设置在 Z3区,测温点 P4设 置在 Z4区. 测温点距钢板表面 2 mm,热电偶插入深度 100 mm. 为减小热电偶与钢板接触热阻,在插入热电 ·1340·