CC BY
55
А. В. Колдин, Н. И. Платонов, В. П. Семенов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ПОДВИЖНОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ЛИСТЕ ПРИ СТРУЙНОМ ОХЛАЖДЕНИИ
Численно исследован теплообмен в подвижном металлическом листе при охлаждении системой круглых струй с учетом режимов переходного и пленочного кипения жидкости, а также конвективного и радиационного теплообмена в воздушной среде. Проведен расчет поля температур по ширине, толщине и направлению движения листа при различных параметрах системы охлаждения.
Ключевые слова: теплообмен, поле температур, подвижный металлический лист, струйная система охлаждения.
Процесс охлаждения горячего металлического листа обеспечивают с помощью различных схем подачи воды в виде струй круглого и плоского сечений, включая разбрызгивание воды. Известно, что скорость охлаждения существенно влияет на такие характеристики металла, как прочность и ударная вязкость. Для получения более однородной структуры металла охлаждение, как правило, осуществляется сверху и снизу листа. Наиболее часто используемыми системами охлаждения являются системы со струями круглого и плоского сечений, т. к. они по скорости охлаждения существенно эффективнее распылительных систем [1]. Применение струйных систем обусловливает возникновение зон с резко различающимися механизмами охлаждения [2]. Это вызывает высокую неоднородность поля температур, которая в значительной степени зависит от геометрических параметров струйной системы. В работе рассматриваются различные схемы взаимного расположения струй, которые позволяют определить пути поиска эффективной системы охлаждения подвижного металлического листа.
На рис. 1 представлены две различные системы двухстороннего охлаждения подвижного металлического листа струями круглого сечения. Отличительной особенностью систем является расположение нижних рядов струй относительно верхних рядов. На рис. 1, а показана схема, в которой центры нижних струй расположены на одной линии с центрами верхних струй в направлении движения листа. Такая схема условно названа линейной. В другом случае центры нижних и верхних струй расположены в шахматном порядке относительно друг друга (рис. 1, б). Для учета зон теплообмена рассмотрим схему взаимодействия одиночной струи с горячим листом (рис. 2).
Рис. 1. Схема взаимного расположения струй круглого сечения а) линейная схема, б) шахматная схема:
1 — металлический лист, 2 — зона столкновения верхней струи, 3 — зона столкновения нижней струи, 4 — расчетная область
На основе анализа большого числа публикаций, в данной работе принято, что при условиях, характерных для ускоренного охлаждения (сильное переохлаждение воды и высокая температура поверхности), теплообмен между падающей струей и листом в зоне столкновения происходит в режиме переходного кипения жидкости. Вне зоны столкновения на верхней поверхности полосы осуществляется теплообмен при пленочном кипении. Граница раздела зон теплообмена определена по линии, на которой избыточное давление в струе падает до нуля. Зоны столкновения круглых струй с металлическим листом показаны на рис. 2.
Рис. 2. Схема взаимодействия струи с горизонтальным листом:
1 — струя жидкости, 2 — зона переходного кипения, 3 — зона пленочного кипения,
4 — металлический лист
Соотношение для локальной плотности теплового потока в зоне переходного кипения (в зоне столкновения струи) получено на основе модели, предложенной М1уавака [3]. Условие теплообмена между струями определено с использованием аналитической модели пленочного кипения жидкости на движущейся горизонтальной поверхности [4], а также с учетом теплообмена излучением и изменением температуры воды в основном потоке. На нижней стороне листа зона пленочного кипения отсутствует, т. к. жидкость из нижнего сопла, сталкиваясь с полосой, течет радиально, а затем из-за потери вертикальной составляющей скорости распадается на капли и падает вниз. Таким образом, с нижней стороны листа вне зоны столкновения имеет место конвективный и радиационный теплообмен с воздушной средой. Плотность теплового потока при охлаждении в неподвижном воздухе на нижней поверхности определялась по результатам исследования [5], с учетом теплообмена излучением [6]. Основные математические соотношения предлагаемой модели представлены в работах [7; 8].
Для расчета теплообмена составлена программа, в которой используется метод, основанный на неявной конечно-разностной схеме. Программа позволяет моделировать теплообмен в подвижном металлическом листе с учетом теплофизических свойств листа, гидродинамических и геометрических параметров струйной системы.
Данные исследования позволили установить, что в зоне столкновения струи происходит резкое падение температуры на поверхности полосы. В точке поверхности, прошедшей зону столкновения, температура быстро релаксирует и далее изменяется незначительно.
При струйном охлаждении наблюдается неоднородность поля температур по ширине, толщине и направлению движения металлического листа, т. е. по всем пространственным координатам. Ранее установлено, что более равномерное распределение температуры по толщине листа наблюдается в схеме линейного расположения струй, а по ширине листа — в схеме шахматного расположения струй [9]. В совокупности в шах-
матной схеме охлаждения по сравнению с линейной наблюдается более равномерное поле температур.
На рис. 3 и 4 представлены данные о распределении температуры в листе (толщина — 4 мм, скорость движения — 10 м/с, начальная температура — 900 °С) на расстоянии до 20 м от входа в систему охлаждения, рассчитанные при характерных параметрах прокатного производства стального листа. Влияние основных параметров шахматной схемы охлаждения и толщины листа на поле температур отражено в нижеприведенных результатах.
а) б)
Рис. 3. Поле температур на срезе 39-го ряда: а) верхних струй; б) нижних струй. Ь = 4 мм, Ьх = 0,5 м, Ь2 = 25 мм
Рис. 5. Поле температур на срезе 39-го ряда: а) верхних струй; б)нижних струй;
Ь = 2 мм, Ьх = 0,5 м, = 25 мм.
А — локальный максимум (на оси струи)
Тср=658,78 °С (х=20 м) °С Тср=658,78 °С (х=20 м)
Рис. 7. Поле температур на срезе 39-го ряда: а) верхних струй; б) нижних струй; Ь = 4 мм, Ьх = 0,5 м, = 35 мм
Рис. 9. Поле температур на срезе 39-го ряда: а) верхних струй; б) нижних струй; Ь = 4 мм, Ьх = 0,25 м, Ьг = 25 мм
Рис. 10. Распределение температуры в направлении движения металлического листа: а) г = 0; б) г = Ьг/2; Ь = 4 мм, Ьх = 0,25 м, Ьг = 25 мм
Влияние толщины листа (Ь). При уменьшении толщины листа вдвое (до 2 мм) скорость охлаждения увеличилась более чем в два раза (рис. 5, 6), что связано с увеличением общего теплового потока с поверхности при уменьшении температуры листа. Разность температур между поверхностью и серединой полосы значительно уменьши-
лась (рис. 6), при этом в глубине полосы заметно увеличилась неравномерность поля температур по ширине (рис. 5). На осях струй (в точках наибольшего теплового потока) вместо ожидаемого минимума температуры для тонкого листа наблюдается локальный максимум (рис. 5). Такой результат связан с ростом влияния граничных условий одной стороны тонкого листа на поле температур другой стороны.
Влияние расстояния между струями в ряду (Lz). Увеличение расстояния между струями в ряду приводит к более высокой конечной температуре (рис. 8) из-за увеличения площади пленочного кипения с низким тепловым потоком по отношению к площади зон переходного кипения под струей. При этом возросла разница средних тепловых потоков с верхней и нижней сторон листа, т. к. увеличилась площадь неэффективного воздушного охлаждения на нижней стороне листа. Температура нижней поверхности в воздушном зазоре между зонами столкновений одного ряда может быть выше, чем температура середины полосы (рис. 8, а). Наличие воздушного зазора между зонами столкновений нижних струй усиливает неравномерность распределения температуры по ширине в средней и нижней частях полосы (рис. 7).
Влияние межрядного расстояния (Lx). С увеличением количества рядов струй на единицу длинны полосы скорость охлаждения возрастает, но при этом увеличивается неравномерность температуры как по ширине, так и по толщине листа (рис. 9, 10). При достаточно плотном расположении рядов струй температура точек на поверхности, прошедших зону столкновения, не успевает принять некоторое стабильное значение до момента попадания в зону столкновения следующего ряда струй. Это приводит к увеличению разницы температур поверхности и середины полосы по направлению движения.
Список литературы
1. Tacke, G. Investigation into the efficiency of cooling system for wide-strip hot rolling mills and computer-aided control of strip cooling / G. Tacke, H. Litzke, E. Raquest // Accelerated cooling of steel. Proc. of a symp. Pennsylvania, August 19-21, 1985 / ed. by P. D. Sothwick. 1986. P. 36-54.
2. Colas, R. Computed temperature profiles of rolled plate strip during accelerated cooling. / R. Colas, C. M. Sellars // Proc. or the int. symp. on accelerated cooling of rolled steel, Winnipeg, Canada, August 24-25, 1987 / ed. by G. E. Ruddle, A. F. Crawley. 1988. Vol. 3. P. 121-130.
3. Miyasaka, Y. Critical heat flux and subcooled nucleate boiling in transient region between a two-dimensional water jet and a heated surface / Y. Miyasaka, S. Inada // J. of chemical engineering of Japan. 1980. Vol. 13, № 1. P. 22-28.
4. Filipovic, J. An analysis of subcooled turbulent film boiling on a moving isothermal surface / J. Filipovic, R. Viskanta, F. P. Incropera // Int. J. Heat Mass Transfer. 1994. Vol. 37, № 17. P.2661-2673.
5. Yanagi, K. Prediction of strip temperature for hot strip mills / K. Yanagi // Transactions ISIJ. 1976. Vol. 16. P. 11-19.
6. Devadas, C. Heat transfer during hot rolling of steel strip / C. Devadas, I. V. Samarasek-era // Ironmaking and Steelmaking. 1986. Vol. 13, № 6. P. 311-321.
7. Колдин, А. В. Исследование теплообмена в поверхностном слое металла при натекании жидкой струи / А. В. Колдин, Н. И. Платонов // Теплоэнергетика. 2008. № 3. С. 37-40.
8. Колдин, А. В. Исследование теплообмена при охлаждении подвижного металлического листа системой круглых струй / А. В. Колдин, Н. И. Платонов // Фундамен-
тальная математика и ее приложения в естествознании : Всерос. шк.-конф. для студентов, аспирантов и молодых ученых : сб. тр. Уфа, 2008. Т. III. Физика.
9. Колдин, А. В. Влияние геометрических параметров системы струйного охлаждения на теплообмен в подвижном металлическом листе / А. В. Колдин, Н. И. Платонов // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции. Бийск, 30 янв.— 1 февр. 2008 г. Бийск : БГПУ им. В. М. Шукшина, 2008. 431 с.
