外文翻译-实验研究喷嘴喷水冷却热钢板时表面活性剂对增强冷却的效应201303.doc

实验研究喷水冷却热钢板时表面活性剂对增强冷却的效应
Soumya S. Mohapatra Satya V. Ravikumar Ankur Verma
关键词：喷射水流、表面活性剂、对流、超快冷却

一、 简介
最近二十年，高品质钢板的需求量不断增高。现如今在大型石油管道和大厦的建设中经常使用现代钢。在这类应用中对所使用钢材主要的性能要求是较高的拉伸强度和适中的硬度。这些特性直接与最终投付使用的钢材的机械性能和微观组织结构相关。制造的钢材的最终机械性能形成在轧机的输出辊道上。钢的相变发生在冷却过程中，同时形成钢的最终机械性能。关于输出辊道的冷却功能，有很多相关的理论和实验研究。常规的层状水射流冷却系统一般都装有一个热轧带钢轧机输出辊道。在层流冷却过程中，冷却水依靠重力作用以恒定的速度从水箱流出，通过一组虹吸管作用于热轧钢带。这样所得的水冲击压力等同于它从静水龙头那里流出时的压力，通常都很低。由于层流冷却情况下水冲击压力较低，观察到的冷却速率比较慢。因此，层流冷却不能用于快速淬冷操作。所以，对高冷却速率的要求是超快冷却技术发展的主要推动力。为了克服层流冷却在这方面的缺陷，许多研究人员研究了提高热轧带钢在轧机输出辊道上的冷却速率。因为高冷却速率可以促进钢内部进行合理相变，这点反过来又提高了钢的机械性能，例如拉伸强度。文献[6]中提出了一种新的冷却技术，这种技术可以80℃/s的速率进行冷却，相比之下层流喷水的冷却速率仅为30℃/s。这种新技术被称为超快冷却技术。一般来说，超快冷却技术要实现板厚（单位为mm）和冷却速率乘积大于800的目标。除了在热轧机输出辊道上进行层流冷却，他们还提出了两种不同的冷却方式。在第一个策略方案中，超快冷却在最后一架精轧机后（轧件温度900℃）进行，之后在进入地下卷取机前进行层流冷却。这被称为“前期超快冷却”。在第二个方案中，在钢处于高温状态下先进行层流冷却，之后在进入地下卷曲机前进行超快冷却。这一冷却方案称为“后期超快冷却”。
可以根据不同的冶金要求，从这两种方案之中选择一种。卢卡斯等人[7]研究了后期超快冷却对钢的抗拉强度和微结构的影响。Cho等人[8]对超快冷却的热钢板进行了数字模拟研究。然而在公开的文献中，实现超快冷却的传热机制和过程从未公布过。为了实现高冷却速率生产，喷水射流可以成为系统的一部分，但是这样也有一定的缺点。Zumbrunnen等人[9]研究发现，在一个周期的喷水冷却过程中有五个不同的冷却区。在内部，大部分区域周围环绕着停滞点，在那里发生单相强迫对流换热[10]。此区域附近，核/过渡沸腾发生在一个小区域，而在它旁边，发生强制性对流膜蒸发。再远一点的地方，有发生团聚沸腾并最终几乎是从干的表面上发生辐射和对流的区域。其他研究人员进行的工作[11、12]同样证实了这些发现。在最内侧的强制对流区发现了最高的冷却速率，同时相邻区域的核/过渡沸腾区域也极大促进了冷却。而其余区域的薄膜沸腾、大容量沸腾和辐射的热传递较低，因此降低了整体的冷却速率。所以主要的缺陷在于最强的冷却能力被限制在强制对流区的射流能力范围内，无法超出。射流冷却另一缺陷在于薄膜沸腾冷却在初始表层温度较低的情况下冷却效果更好。由Robidou等人[13]曾研究指出，在表层温度为400℃时薄膜沸腾冷却效果更出色。除上述的研究外，Viskanta和 Bergman[14]、Seiler-Marie等人[15]、Timm等人[16]研究证明，在表层温度非常低的时候会发生沸腾形式的过渡转变。Liu和Wang [17]的研究发现，即使在高表面温度时开始冷却水的冷却也起着极其重要的作用。但这些冷却能力的提升还不足以产生超快冷却速率。喷流冷却的优势在于中央强制对流区的冷却速度高于雾化喷淋冷却或传统喷淋冷却。
由Tinker等人[18]、Chandra等人[19]和Qiao、Chandra[20]所作的关于表面活性剂的蒸发冷却效果的实验结论是，在水中的溶解会使表面活性剂的表面张力以及水滴与固体基材的接触角降低。由于以上原因，液滴在接触到热钢板时扩散更加明显（Clay和Miksis[21]和Madasu[22]），结果是冷却速率得到显著改善。在Qiao和 Chandra[23]作的后续研究中，得出了表面活性剂对喷雾冷却的影响结果。他们观察得知，由于增加的湿润特性导致的表面活性剂浓度增加使得表面热通量得到提高。
现阶段，研究人员已作出许多努力，试图通过在喷水射流中增加表面活性剂来提升中央强制对流区域和其他区域的冷却效果。此外，溶解在水中的表面活性剂降低了水射流撞击热钢表面的表面张力。因此可以预计，当水流撞击在热钢板上时可以扩散得更开，从而增强了中央强制对流区的冷却效果。同时，溶解的表面活性剂可以产生泡沫，从而促进核沸腾而不是膜态沸腾，同样可以增强中央强制对流区的冷却效果。但是在公开的研究信息中无法准确得知关于表面活性剂加水射流冷却的信息。因此目前的工作是关于高表面温度和表面活性剂加水射流的实验研究。
在目前的工作中，为了观察在高初始表面温度的热钢淬火过程中，溶解在水射流中的表面活性剂的作用，热钢板AISI-304采用循环水射流无表面活性剂方式冷却。钢板初始温度定在900℃，以确定其适用于超快制冷。实验中会加入不同浓度的表面活性剂。温度-时间关系由嵌入钢板内的热电偶记录下来，通过使用一个标准的逆热传导方程[24、25]，计算出表面热通量。

二、 实验步骤
实验装置示意图见图1。一个单一的周期性喷水龙头被放置在待冷却板中心200mm高的位置。喷水龙头连接着一个供水系统。水流速率通过实验测得，在流量调节阀的帮助下固定为一个特定值。
实验材料为厚6mm、宽100mm的热钢板，在加热炉中加热至1050℃。三个热电偶插在钢板内，位置如T1、T2和T3所示。电热偶的位置要保证与钢板平行，以避免由热电偶孔直径引起所测表面温度和表面热通量的误差。实时数据由采样频率为10Hz的数据采集系统（型号USB-6210，美国国家仪器）收集记录。

Fig. 1 Sketch of experimental setup
图一 实验装置示意图

在加热炉中达到所要求的温度后，接通离心泵，水射流准备。之后，钢板从加热炉中取出，放置到用于冷却的冷却垫上。温度实时连续记录，并保存在一个文件中，作进一步的分析。

三、 利用INTEMP软件测量表面热通量
由于在实验中使用的钢板的横截面是矩形的，方程在笛卡尔坐标中进行计算。钢板淬火过程中的热传递主要在钢带/板的厚度方向上，在其他两个方向上比较少。该效果在快速淬火情况下更加显著。对钢板内的传热与未知的表面热通量的二维瞬态热传导问题进行了建模。由于热电偶淬火表面与钢板平行放置，在传热模型计算中，忽略热电偶孔的效应。

Fig. 2 Computational domain for the steel plate for INTEMP
图二 INTEMP软件钢板计算域

使用Tru-jillo和巴斯比[25]开发的INTEMP有限元软件计算表面热通量和表面温度逆热传导。INTEMP软件可以解决线性或非线性的逆热传导问题。在现阶段，已经建成一个二维平面模型，共有3340个四个节点元素来描述板的几何形状。
对于边界条件，除了撞击表面（顶表面）外，其它三个表面都假定为绝热，因为通过辐射和自由对流的热传递与从冲击表面发生的强制对流相比要低得多。此外，为尽量减少热损失，在实验中，将这三个面用陶瓷耐热砖覆盖。
在100mm长的顶表面范围内有167节点。把整个冲击表面分为三个恒定的热通量区域，0-35mm（R1）为第一区域，35-65mm（R2）为第二区域，65-100mm（R3）为第三区域。由热电偶记录相应节点的数据，并输入系统的温度-时间记录表中。第一个热电偶的节点位置T1（X1= 20mm，Y1= 3mm）编号为1715，第二个热电偶的节点位置T2（X2=50mm，Y2= 3mm）编号为1765，第三个热电偶的节点位置T3（X3=70mm，Y3= 3mm）编号为1797。图2所示为计算的域和水射流的中心线。

四、 结论
通过在喷水中添加表面活性剂的超快冷却方法已经通过实验研究，而表面温度和表面热通量也通过假设的冲击表面是由三个不同的恒定通量区域的方法进行计算。据观察，溶解的表面活性剂通过增加水射流的润湿性，扩展了强制对流的冷却面积。此增量显著提高了热钢板的散热率。可见，表面活性剂添加的水射流的冷却速度几乎是两倍于纯净水射流。用表面活性剂的水射流获得的最高冷却速度为140℃/s，而没有表面活性剂的纯净水射流是60℃/s。该冷却速率是在观察6mm厚的钢板在添加表面活性剂的超快冷却方法下观察所得。冷却速率逐渐提升直至表面冷却剂浓度达到一个点，之后开始下降，当浓度大约为600ppm达到最大冷却速率。因此，表面活性剂在水射流中的浓度水平在钢板冷却中起着重要的作用。这些研究结果都可以应用到实际生产之中去。

参考文献
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