中厚板辊式淬火换热系数的确定方法

　　钢板淬火是调整材料组织性能的关键工艺，对生产具有稳定力学性能和良好板形的高强度中厚板至关重要。辊式淬火工艺因具有冷却强度大、淬火钢板表面硬度均匀、无软点等优点[1]，在中厚板生产中得到广泛应用。

　　目前对中厚板辊式淬火时的温度场及换热系数的研究很多[2-4]，但对如何确定钢板在辊式淬火时的换热系数的研究较少。辊式淬火生产时，钢板连续通过辊式淬火机冷却强度不同的高、低压淬火区，高压区淬火的目标是用大冷却强度将钢板温度快速降至Ms点以下，为钢板能够在低压区生成马氏体做好准备。低压区淬火的目标是用低冷却强度对钢板降温以尽量减小淬火钢板的内应力，从而获得良好板形。淬火冷却强度对能否获得所需要的组织与性能以及板材的平直度起决定作用，而换热系数可反映冷却强度的大小。因此，如何确定中厚板的换热系数成为辊式淬火工艺的难点与核心问题。

　　本文以不同厚度的大型原油储罐用12MnNiVR钢板的淬火过程为基础，分析辊式淬火过程高压区和低压区钢板厚度方向上的温度场和应力场，提出中厚板在辊式淬火高压区和低压区中的换热系数的确定方法，并用该方法确定12MnNiVR钢板辊式淬火时在高压区和低压区的换热系数，为生产组织均匀和板形良好的淬火钢板材奠定基础。

　　1 淬火工艺、模拟理论分析及验证方法

　　1.1 辊式淬火设备及工艺

　　辊式淬火的实施设备为辊式淬火机，其冷却系统通常由两个淬火冷却区组成，分别为高压淬火冷却区和低压淬火冷却区，其布置简图如图1所示。高、低压冷却区配置不同形式的喷嘴及不同的冷却介质压力，可获得高、低不同的冷却强度。高压区依次为缝隙喷 嘴、双联喷嘴、管式喷嘴布置，冷却水压力为0.8MPa，低压区由多组低压喷嘴组成，冷却水压力为0.4MPa。淬火生产时，钢板连续通过辊式淬火机冷却强度不同的高、低压淬火区，完成板材的淬火过程。

　　辊式淬火机冷却系统的主要控制参数为水量参数(水压、流量以及上下水量比)和辊道速度。通过调节水量参数和辊道速度来控制钢板在不同阶段所需要的淬火冷却强度，钢板淬火过程中的冷却强度用平均换热系数来表征。

　　1.2 热力耦合理论分析

　　1.2.1 中厚板淬火过程的热传导控制方程

　　由传热学原理知，内部具有热源的Fourier三维非稳态热传导的温度控制微分方程为[5]

　　式中，λx、λy、λz为材料在x、y、z3个方向的导热系数，T为温度，q'为相变潜热，ρ为材料密度，cp为材料定压比热容，t为时间，x、y、z为直角坐标系的3个方向，分别代表钢板的长度、宽度和厚度方向。