一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及冶金技术领域，特别是钢板表面水冷换热系数的测定，具体是一种测 定钢板表面水冷换热系数的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 钢板在线社制或热处理炉后的水冷区域的温度控制，很大程度上决定了其物理性 能和机械加工性能，相应的控制技术在近年也受到广泛重视。准确计算钢板的表面换热系 数是实现钢板在冷却区精确温度控制的前提，而计算表面换热系数必须要知道钢板表面在 水冷过程中的温度变化情况。但是水冷射流的冲击瞬态沸腾传热过程十分复杂，影响因素 众多，直接测量高温钢板表面的温度瞬变特性又非常困难。同时，由于钢板的表面换热系数 不是常数，而是与钢板表面温度有非线性的关系，因此在线测定钢板表面的水冷换热系数 几乎不太可能，普遍采用实验室测定加在线修正的方法。对流换热系数又称表面换热系数， 物理意义是指单位面积上，流体与壁面之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量， 它的大小表达了对流换热过程的强弱程度。
[0003][0004][0005][0006][0007][0008] 上述文献的冷却装置与方法，均采用在试样表面或内部埋置热电偶的接触式测温 方法来得到其需要的换热系数。埋置热电偶的方法无法保证热电偶测量的温度就是被测物 体表面的温度。在大多数情况下，热电偶的出现都会影响测点及其附近的温度分布，而热电 偶显示的温度只是扰动后的温度。
[0009] 另外，埋偶的实验方案，需要对钢板进行打孔、填充绝缘材料等加工工序，所W不 可避免地要对钢板的初始状态造成破坏。热电偶经过高温后又急剧冷却，性能发生变化。如 果要做正交实验，将消耗数量巨大的热电偶，成本较高。
[0010] 在实际应用上，由于控制模型的不同，对换热系数的取值要求也不同，一般都要求 水冷阀口下一定区域的平均换热系数，而通过埋偶实验得到的是固定区域的换热系数，应 用于在线控制有很大的局限性。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，所述的方法在热钢 板单面水冷过程中，利用热成像技术记录其非水冷面的温度变化过程，可W不接触钢板进 行测温，无需埋偶，对钢板无损，且可自由界定需要计算换热系数的区域大小，为钢板冷却 过程的模型计算精度的提高提供了保障，用W解决现有埋置热电偶的测温方式精确度低、 成本高W及在线控制局限性大的问题。
[0012] 为实现上述目的，本发明的方案是；一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，所述 的方法在喷水冷却装置对钢板进行冷却的过程中，由红外热像仪采集钢板非水冷面的图像 信息，并发送给计算机处理，由计算机分析得到钢板水冷面的换热系数；
[0013] 所述的方法具体包括如下步骤：
[0014] (1)按照喷水冷却装置的喷水方向，放置好钢板和红外热像仪，打开红外热像仪和 计算机，并在计算机内设定钢板初始的水冷换热系数；
[0015] (2)设定钢板的冷却温度和喷水量，选取测试区域，并启动喷水冷却装置上与所述 测试区域对应的喷嘴，对放置好的钢板进行冷却；
[0016] (3)红外热像仪实时采集钢板冷却过程中非水冷面的图像信息，并将采集的所述 图像信息发送给计算机进行分析处理，得到钢板冷却过程中非水冷面的温度信息；
[0017] (4)如果钢板达到设定的冷却温度，则关闭喷水冷却装置，计算机得到钢板测试区 域内非水冷面温度随时间变化的实际冷却曲线；如果钢板没有达到设定的冷却温度，则继 续执行步骤（3);
[0018] (5)计算机利用有限元模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜 热W及空冷全过程，在模拟冷却过程中，计算机根据初始的水冷换热系数，对钢板非水冷面 的初始温度进行模拟计算，随后不断调整水冷换热系数，模拟计算钢板非水冷面的的温度 场，得到钢板测试区域内非水冷面温度随时间变化的模拟冷却曲线；
[0019] (6)如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线不吻合，则重新按照步骤（5)调整 水冷换热系数；如果所述的模拟冷却曲线与实际冷却曲线吻合，则得到一条水冷换热系数 随钢板温度变化的关系曲线，完成水冷换热系数的测定；
[0020] (7)在带钢实际生产过程中，根据测定得到的水冷换热系数，W及水冷换热系数与 钢板温度变化的关系，实现对钢板在冷却区温度的精确控制。
[0021] 根据本发明所述的方法，所述的步骤（1)中，若喷水冷却装置在钢板的前方喷水， 则钢板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的后方，若喷水冷却装置在钢板的后方喷水，则钢 板竖直放置，红外热像仪架设在钢板的前方；若喷水冷却装置在钢板上方喷水，则钢板平 放，红外热像仪架设在钢板的下方，若喷水冷却装置在钢板的下方喷水，则钢板平放，红外 热像仪架设在钢板的上方。
[0022] 根据本发明所述的方法，所述水冷换热系数与钢板的温度变化关系为：
[0023]
[0024] 其中：
[00幼Cp为钢板比热，J/kg·K;
[002引P为钢板密度，kg/m3;
[0027]λ为钢板导热系数，W/m·K;
[002引 h为钢板与周围环境的综合换热系数，包括对流、福射和热传导，W/m2 ·K;
[002引ΔΙ为相变潜热，W/kg;
[0030] ΔT为钢板与周围环境的温度差；
[0031] hΛT为钢板边界换热条件；
[00础 Τ为钢板温度；
[0033] τ为时间坐标。
[0034] 根据本发明所述的方法，所述的钢板边界换热条件为第Η类边界条件，其中，非水 冷面为钢板与空气的福射和对流换热，即；
[0035]
[0036] 水冷面为钢板与冷却水的对流换热，即；
[0037]
[003引其中；Τ为钢板温度；
[0039] η为法向方向单位矢量；
[0040] Η为钢板厚度；
[0041] Tsi为非水冷面钢板温度；
[0042] Ts2为水冷面钢板温度；
[004引 Τα为环境温度；
[0044] 1；为冷却水温度；
[0045] τ为时间；
[0046] hi为非水冷面综合换热系数；
[0047] 1?为水冷面对流换热系数。
[0048] 根据本发明所述的方法，所述的相变潜热为：
[0049]
[0050] 其中：
[0051] ΔΙ为相变潜热；
[0052] Η。为铁素体的热洽；
[0053] Ηγ为奧氏体的热洽；
[0054] Ζ为奧氏体的百分数，Ζ=exp化化-Tstr。)"）；
[00巧]τ为时间坐标；
[0056] L为相变开始温度；
[0057] T"…为带钢平均温度；
[005引b和η均为常数，是方程系数。
[0059] 根据本发明所述的方法，所述的步骤巧）中，计算机利用有限元分析法模拟钢板 从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热W及空冷全过程。
[0060] 根据本发明所述的方法，所述的步骤化）中，当所述的模拟冷却曲线与实际冷却 曲线的曲线拟合度达到0.95W上，即为吻合。
[0061] 本发明的目的还在于提供一种测定钢板表面水冷换热系数的装置，所述的装置设 置有红外热像仪，通过热成像技术记录钢板单面水冷过程中非水冷面的温度变化过程，可 W不接触钢板进行测温，无需埋偶，对钢板无损，且可自由界定需要计算换热系数的区域大 小，为钢板冷却过程的模型计算精度的提高提供了保障，用W解决现有埋置热电偶的测温 方式精确度低、成本高W及在线控制局限性大的问题。
[0062] 为实现上述目的，本发明的方案是；一种采用如本发明所述方法的装置，所述的实 验装置包括喷水冷却装置，所述的喷水冷却装置设置于钢板的水冷面一侧，用于对钢板进 行喷水冷却，所述的实验装置包括红外热像仪和计算机，所述的红外热像仪和计算机设置 在钢板非水冷面的一侧，所述的红外热像仪的信号输出端口连接计算机的信号输入端口， 所述的红外热像仪用于采集钢板水冷过程中非水冷面的图像信息，并发送给计算机，计算 机根据所述的图像信息得到钢板表面温度随时间变化的实际冷却曲线，所述的计算机用于 利用有限元模拟钢板冷却过程，得到钢板表面温度随时间变化的模拟冷却曲线，通过模拟 冷却曲线与实际冷却曲线的拟合，得到测试所需的水冷换热系数曲线。
[0063] 根据本发明所述的实验装置，所述的喷水冷却装置包