一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种测定钢板表面水冷换热系数的方法及装置，本发明专利技术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，得到钢板冷却过程中非水冷面的实际冷却曲线，并且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、相变潜热以及空冷全过程，得到钢板测试区域内非水冷面的模拟冷却曲线，通过不断调整水冷换热系数，使得模拟冷却曲线与实际冷却曲线相吻合，从而得到水冷换热系数随钢板温度变化的关系曲线。本发明专利技术可以不接触钢板进行测温，对钢板无损，且可自由界定测试区域的大小，提高测试精度，解决了埋置热电偶测温方式精确度低、成本高以及在线控制局限性大的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冶金
，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。
技术介绍
钢板在线轧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。公开号为CN102507636A的专利文献1中公开了一种测定钢的快速冷却过程界面换热系数的方法，通过在工件表面位置点焊接热电偶，将热电偶连接到温度采集模块来收集工件在水冷过程的温度变化信息，再利用热处理软件对换热系数进行拟合和校验。公开号CN102590268A的专利文献2中公开了一种热工试件表面对流换热系数的快速测定装置，通过内置热电偶连接计算机记录工件温度，测量工件冷却前后的温差来计算工件表面的对流换热系数。公开号为CN1588023A专利文献3中公开了一种对流换热系数的测试方法及其对流换热系数传感器，通过同时测试流体和金属圆片的温度，利用其温差经过传热学的基本理论计算得到对流换热系数。公开号为CN102661969A的专利文献4公开了一种测试不同水膜厚度钢板换热系数的方法，通过在钢板内部不同位置上设置热电偶来测定不同水膜厚度条件下的钢板温度变化曲线，从而计算出其换热系数。公开号为CN102521439A的专利文献5中公开了一种结合有限元法和反传热法计算淬火介质换热系数的方法，通过在探头本体内部安置热电偶，实验测试内部点的冷却曲线，建立探头本体的有限元模型，利用反传热法求解本体表面的热流密度值，再根据牛顿换热定律得到介质的换热系数。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。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，所以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。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，一般都要求水冷阀门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。
技术实现思路
本专利技术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，可以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，用以解决现有埋置热电偶的测温方式精确度低、成本高以及在线控制局限性大的问题。为实现上述目的，本专利技术的方案是：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；所述的方法具体包括如下步骤：(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；(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；(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；(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)；(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、相变潜热以及空冷全过程，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；(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；(7)在带钢实际生产过程中，根据测定得到的水冷换热系数，以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。根据本专利技术所述的方法，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。根据本专利技术所述的方法，所述水冷换热系数与钢板的温度变化关系为：ρCp∂T∂τdx=-λ∂T∂x+ρΔLdx+hΔT]]>其中：Cp为钢板比热，J/kg·K；ρ为钢板密度，kg/m3；λ为钢板导热系数，W/m·K；h为钢板与周围环境的综合换热系数，包括对流、辐射和热传导，W/m2·K；ΔL为相变潜热，W/kg；ΔT为钢板与周围环境的温度差；hΔT为钢板边界换热条件；T为钢板温度；τ为时间坐标。根据本专利技术所述的方法，所述的钢板边界换热条件为第三类边界条件，其中，非水冷面为钢板与空气的辐射和对流换热，即：τ>0,-∂T&PartialD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，其特征在于：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；所述的方法具体包括如下步骤：(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；(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；(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；(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)；(5)计算机模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及空冷全过程，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，在设定的模拟时间内，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；(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；(7)在带钢实际生产过程中，根据测定得到的水冷换热系数，以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。...

【技术特征摘要】
1.一种测定钢板表面水冷换热系数的方法，其特征在于：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；
所述的方法具体包括如下步骤：
(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；
(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；
(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；
(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)；
(5)计算机模拟钢板从水冷面到非水冷面的喷水冷却、热传导、相变潜热以及
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，在设定的模拟时间内，
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；
(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；
(7)在带钢实际生产过程中，根据测定得到的水冷换热系数，以及水冷换热系
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。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(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

\t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。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述水冷换热系数与钢板的温度变
化关系为：
ρCp∂T∂τdx=-λ∂T∂x+ρΔLdx+hΔT]]>其中：
Cp为钢板比热，J/kg·K；
ρ为钢板密度，kg/m3；
λ为钢板导热系数，W/m·K；
h为钢板与周围环境的综合换热系数，包括对流、辐射和热传导，W/m2·K；
ΔL为相变潜热，W/kg；
ΔT为钢板与周围环境的温度差；
hΔ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建峰，王笑波，刘晔，朱健桦，张庆峰，张爱文，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31