介質流量密度對鋁合金噴射淬火界面熱交換率的影響規律及機理

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(1. 湖南文理學院 機械工程學院, 湖南 常德 415000; 2. 湖南大學 機械與運載工程學院, 湖南 長沙 410082)

在線淬火技術具有工藝流程短、經濟成本低、生產效率高的特點，目前被廣泛應用于6XXX系鋁合金型材生產過程[1]。常見的在線淬火方式有強風冷、噴淋和霧冷等方式。在這3種淬火過程中，其介質都是通過增壓后噴射至高溫金屬表面進行淬火冷卻，因而可統稱為噴射淬火，以下為論述方便將上述3種在線淬火方式稱為噴氣、噴水和噴霧淬火。淬火介質的種類和流量對噴射淬火界面熱交換率有重大影響，是控制淬火冷卻速率和保證淬火后產品質量的關鍵工藝參數，因而有必要對其影響淬火界面熱交換的規律和機理進行研究。

有關冷卻介質性質和狀態對淬火界面熱交換的影響，已在大量研究報道。Wang等[2]研究了用單個圓形射流沖擊熱板的傳熱特性，結果表明熱流密度隨水流量的增大而增大，隨噴嘴到表面距離的增大而減小。Jha等[3]對不同水流量條件下的304鋼板進行了噴霧冷卻試驗，研究表明冷卻速度隨水流量的增加而增加。Mozumder等[4]對銅、黃銅和鋼制成的熱圓柱塊進行了淬火試驗研究，并認為射流速度直接影響到達淬火表面的冷卻液體流量，是影響界面熱流密度的主要參數之一，且隨射流速度增大最大界面熱流密度逐漸增大。Chen等[5]針對噴霧平均液滴流量對界面熱交換的影響進行了試驗研究，結果表明平均液滴流量對臨界熱流密度qc(當熱流密度達到由核態沸騰轉變為過度沸騰時所對應的值)有顯著影響，且隨平均液滴流量增大，臨界熱流密度增大。Langari等[6]對噴霧冷卻圓形熱平面的無沸騰傳熱進行了數值模擬和試驗研究，結果表明噴霧質量流量越大，噴霧冷卻傳熱效率越高。Li等[7]通過試驗研究和理論分析，研究了高沖擊速度對駐點區射流沖擊穩定沸騰臨界熱流密度的影響。研究發現，一方面，噴射速度增大有利于擊穿蒸汽膜，使冷卻介質與熱表面直接接觸，產生臨界熱流密度增大的正效應；另一方面，噴射速度增大又會增大滯止壓力，降低汽化潛熱、液體表面張力和飽和液體密度，產生減小臨界熱流密度的負效應。在正負效應的共同作用下，必然存在一個極限沖擊速度和相應的極限臨界熱流密度。Gao等[8]對車載鋼瓶在不同噴水量下淬火過程的內壓、平均傳熱系數、應力進行了試驗和數值模擬研究，結果表明，隨著噴霧量的增加，內壓、平均傳熱系數、軸向應力和有效應力的峰值均增大。Jeyajothi等[9]研究了空氣射流沖擊熱平板的強化傳熱過程，研究結果表明，采用最小的噴射高度、較高的空氣射流速度、較高的雷諾數和最大的噴嘴直徑時，在沖擊點處可以獲得最大的傳熱峰值。Fu等[10]對一種新型鎳基高溫合金在空冷過程中的傳熱系數進行了試驗和數值研究，研究結果表明，傳熱系數隨空氣流量增大而增大。

綜上所述，關于冷卻介質對淬火界面熱交換的影響雖然已發表了許多研究成果，但關于介質流量對在線淬火過程中界面熱交換的研究報道較少。因此，本文對鋁合金進行噴射淬火試驗，重點研究了噴氣、噴水和噴霧3種淬火過程中，冷卻介質的流量變化對淬火界面熱交換的影響規律，并對其機理進行了深入分析。由于3種噴射淬火采用的噴射出口直徑不一致，為方便比較3種淬火過程中介質流量的變化情況，統一采用單位時間噴射到單位面積試樣表面上的介質流量，即以介質在淬火試樣表面的流量密度qs(以下簡稱流量密度)作為研究參數，其單位為L/(m2·s)。

1 試驗材料及方法

3種淬火試驗采用的裝置如圖1所示，包含淬火試樣、噴射系統和溫度采集系統。其中，淬火試樣采用6082鋁合金棒材，噴射系統根據噴射介質的不同其內部結構有所差別。在噴水和噴霧淬火試驗中，采用水箱、潛水泵、控制閥、流量計控制介質流量；在噴氣淬火試驗中，采用風機和測速儀控制介質流量。有關試樣具體尺寸、測溫點位置和噴射系統具體結構的詳情請參考文獻[11-12]。試驗時，首先對試樣進行加熱，待熱電偶溫度達到設定溫度后再保溫10 min左右。在加熱過程中，按照試驗參數調試好噴射系統。然后，在盡可能短的時間內，將試樣從加熱爐移動到設置好的淬火位置，開啟噴射系統進行淬火，當試樣溫度低于100 ℃時關閉噴射系統。3種淬火的主要試驗參數如表1所示，所有試樣淬火起始溫度均約為520 ℃。由表1可知，淬火表面粗糙度(Ra)和冷卻介質溫度(T0)均在較小的區間變動，對界面熱交換帶來的影響很小，因此本文后續討論中不考慮其影響。

圖1 淬火試驗裝置圖Fig.1 Quenching experiment device

表1 主要試驗參數

2 界面熱交換參數的求解

本試驗條件下，由于試樣的獨特設計，可將3種淬火介質對其熱表面的冷卻過程近似看成一維傳熱，對淬火界面的熱流密度(q)和換熱系數(h)采用反傳熱法和牛頓冷卻定理求解。反傳熱法求解q的原理是將整個淬火過程等分為若干個時間片段，在每一個時間片段內，通過假設q的初值進行迭代計算，當計算誤差小于給定誤差后，輸出當前時間片段內的q，再計算下一個時間片段的q值，如此循環直至計算完所有時間片段內的q值，即可得到熱流密度q隨時間變化的函數q(t)，再由牛頓冷卻定理可得換熱系數h值隨時間變化的函數h(t)，求解的詳細過程請參考文獻[13]。采用反傳熱法在求出q(t)的同時，還可以求出淬火表面的溫度變化T(t)，因此可以得到淬火界面的熱流密度和換熱系數隨表面溫度的變化曲線q(T)和h(T)。

圖2 噴水淬火試驗中qs對q(t) (a)、q(T) (b)、h(T) (c)、T(t) (d)的影響Fig.2 Influence of qs on q(t) (a), q(T) (b), h(T) (c) and T(t) (d) during water jet quenching

3 結果與分析

3.1 流量密度對噴水淬火界面熱交換率的影響

不同流量密度條件下，噴水淬火界面熱流密度分別隨時間和表面溫度的變化曲線q(t)和q(T)、界面換熱系數隨表面溫度的變化曲線h(T)和淬火表面溫度隨時間的變化曲線T(t)如圖2所示。圖2中相關數據分析如表2所示。

由圖2(a，b)可知，隨時間增加和表面溫度的降低，淬火表面在不同的流量密度(qs)下，所有淬火界面的熱流密度q均先快速增大到臨界熱流密度qc，然后逐漸減小。由圖2(a，b)及表2可知，隨qs增大，q(t)、q(T)和qc不斷增大，qc對應的表面溫度Tc基本上也呈增大趨勢，獲得qc的時間tc則是不斷縮短的，但qc的增幅卻是不斷減小的。隨qs增大，qc的增幅不斷減小，這一現象可能與介質的噴射速度有關。隨qs增大，噴射速度增大，介質可以擊穿過渡沸騰階段淬火表面的蒸汽膜，增大與金屬熱表面的接觸面積，從而增大界面的熱交換率。但噴射速度增大，介質的動能也會增大，其撞擊熱表面后的反彈量也會增加，會縮短固液接觸時間，阻礙后續介質到達熱表面，從而降低界面的熱交換率。當qs很小時，擊穿蒸汽膜帶來的換熱增大作用占主導地位，而反彈引起的換熱減弱作用很小，因此總體呈現出界面熱交換率的快速增長。隨qs增大，兩個作用此消彼長，當達到平衡時，存在一個臨界qs使得qc達到最大值，再繼續增大qs，qc會出現下降的情況。由圖2(c)和表2可知，隨qs增大，h(T)和界面換熱系數的峰值hmax基本上也呈增大趨勢，其中3號的hmax最大，為25 kW/(m2·K)，且hmax對應的表面溫度Th為109 ℃。由于介質溫度在整個淬火過程是保持不變的，由牛頓冷卻定律可知，h只取決于q和淬火表面溫度T。隨qs增大，不僅核沸騰換熱增大，而且單相對流換熱也增大。由于T較低時，試樣內部的溫度仍然很高，因此單相對流換熱增大可以減緩q的下降速度，從而使得最大的hmax出現在很低的淬火表面溫度。

圖3 噴霧淬火試驗中qs對q(t) (a)、q(T) (b)、h(T) (c)、T(t) (d)的影響Fig.3 Influence of qs on q(t) (a), q(T) (b), h(T) (c) and T(t) (d) during water spray quenching

由圖2(b,d)及表2可知，隨qs增大，淬火表面在過渡沸騰階段(對應表面溫度520 ℃到Tc區間，St)的平均冷卻速率vt、核沸騰階段(對應表面溫度125 ℃到Tc區間，Sn)的平均冷卻速率vn、整個淬火過程(對應表面溫度520 ℃到125 ℃區間)的平均冷卻速率v均不斷增大，且從淬火開始到淬火表面溫度降低到125 ℃所耗時間tn隨qs增大是不斷縮短的。根據有關研究[14]，6082鋁合金的淬火敏感溫度區間為225～445 ℃，推薦可達到其合金最大淬火硬度85%的淬火冷卻速率為10.2 ℃/s。由表2可知，隨qs增大，1號～4號試驗的淬火敏感溫度區間平均冷卻速率vs不斷增大，且均遠大于10.2 ℃/s。

3.2 流量密度對噴霧淬火界面熱交換率的影響

不同流量密度條件下，噴霧淬火的q(t)和q(T)、h(T)和T(t)如圖3所示。圖3中相關數據分析如表3 所示。由圖3(a，b)可知，隨時間增加和表面溫度降低，所有q均先快速增大到qc，然后逐漸減小，且qs越大，q增大到qc的速度越快，而減小速度卻越慢，5號試驗的q甚至在達到qc后出現一個平臺期和二次升高的現象，這可能與其qs偏小有關。從圖3(d)和表3可以看出，6號、7號、8號試驗的vn均不到其自身vt的一半，且6號、7號、8號試驗的vt是5號試驗vt的2倍以上，這說明由于qs較小，5號試驗在過渡沸騰階段淬火表面的熱交換量明顯偏低，而核沸騰階段的界面熱交換量占整個淬火階段的熱交換總量明顯偏高，從而導致q在達到第一個峰值后幾乎沒有降低，直至出現第二個峰值。由圖3(a，b)及表3可知，隨qs增大，qc不斷增大，但qc的增幅是不斷減小的，對應時間tc是不斷縮短的，對應的表面溫度Tc在244～282 ℃之間波動。由圖3(c)可知，隨表面溫度降低，5號～8號試驗的h(T)都近似呈線性增大，在324 ℃以上，qs增大對其影響的規律性不明顯；在125～324 ℃之間，h(T)隨qs增大而增大。由圖3(b，d)及表3可知，隨qs增大，淬火表面的vt、vn、v均不斷增大，而淬火敏感溫度區間平均冷卻速率vs則是先增大后減小，且均遠大于推薦的淬火冷卻速率。

表3 圖3的數據分析列表

圖4 噴氣淬火試驗中qs對q(t) (a)、q(T) (b)、h(T) (c)、T(t) (d)的影響Fig.4 Influence of qs on q(t) (a), q(T) (b), h(T) (c) and T(t) (d) during high speed air quenching

3.3 流量密度對噴氣淬火界面熱交換率的影響

不同流量密度條件下，噴氣淬火的q(t)和q(T)、h(T)和T(t)如圖4所示。圖4中相關數據分析如表4 所示。由圖4(a，b)可知，隨時間增加和表面溫度降低，所有q均先快速增大到臨界值，再緩慢的近乎呈線性降低。由圖4(a，b)和表4可知，隨qs增大，q和qc先增大后減小，對應的表面溫度Tc不斷降低，對應的時間tc則是先減小后增大。隨qs增大，qc之所以會先增大后減小的原因在于，qs增大對界面換熱的增強效果是有上限的。增大qs，既可以增加介質總量，增大界面熱交換率，也會提高介質速度導致介質與金屬熱表面接觸時間縮短，降低界面熱交換率。由此可見，在介質總量增加和接觸時間縮短兩種因素的共同作用下，必然存在一個平衡點，即臨界qs，例如圖4試驗條件下，qs臨界值應介于30 000～40 000 L/(m2·s)之間。當qs小于臨界值時，介質總量增加產生的界面熱交換增強效應起主導作用，qc隨qs增大而增大；當qs大于臨界值時，介質與金屬熱表面接觸時間縮短所引起的界面熱交換削弱效應占主導地位，qc隨qs增大而減小。另外，qs越大，介質速度越大，其撞擊淬火表面后反彈量就越大，與后續介質發生碰撞的可能性越大，使得實際到達淬火表面的介質總量越少，不利于界面熱交換，且噴氣角度越接近于垂直，反彈量就越大，不利影響就越大。由圖4(c)可知，qs對h(T)曲線的形狀沒有影響，當T高于390 ℃時，9號～12號的h隨表面溫度降低均快速增大到峰值，當T低于390 ℃后，h基本處于一個峰值平臺期，且隨qs增大，h先增大后減小。由圖4(d)可知，隨qs增大，淬火表面溫度T也是先增大后減小。

表4 圖4的數據分析列表

3.4 流量密度對淬火界面熱交換率的影響規律及機理分析

根據3.3節的分析，在噴氣淬火試驗中，隨qs增大，q和qc是先增大后減小的，即存在一個臨界qs。根據3.1～3.2節的分析，在噴霧和噴水淬火試驗中，隨qs增大，表征界面熱交換的q和qc均不斷增大，但增大的幅度是在逐漸減小的，由此可以推斷，qs其實也存在一個臨界值，只是本文試驗中的qs均小于該臨界值。從機理上來說，增大qs對界面熱交換會產生正負兩個不同的效應：增大接觸面積或增大冷卻介質總量產生的換熱增強效應(簡稱正效應)，縮短接觸時間和介質撞擊熱表面后反彈所產生的換熱減弱效應(簡稱負效應)。對于以相變吸熱為主的噴水和噴霧淬火，當qs很小時，被噴射到熱表面的介質相對稀疏，增大qs能使更多的冷卻介質與熱表面接觸，以正效應為主，故隨qs增大界面熱交換率不斷提高；當qs超過臨界值，淬火表面已基本被冷卻介質覆蓋，再繼續增大qs，不但不能增大換熱接觸面積，反而會因介質速度過快而減少其在熱表面的停留時間，降低相變吸熱的發生率，導致界面熱交換率下降。對于噴氣淬火，界面以對流換熱為主，不存在相變換熱，當qs很小時，增大qs使氣體總量增加，產生的正效應起主導作用，隨qs增大q不斷增大；當qs大于臨界值時，氣體速度過快使得其與熱表面接觸時間縮短，同時大幅增加回彈量，且噴射角度越接近90°回彈量越大，隨qs增大q不斷減小。

為進一步分析qs對3類淬火界面熱交換率影響，將圖2～圖4的相關分析數據匯總列于表5。其中，對于噴氣淬火，v為200～520 ℃淬火表面的平均冷卻速率，vt和vn分別對應Tc～520 ℃溫度區間、200 ℃～Tc溫度區間的淬火表面平均冷卻速率，Qmax(qc/qs)是qc時單位體積冷卻介質的吸熱量，也即淬火過程中單位體積冷卻介質的最大吸熱量，ΔQmax/Qmax為隨qs增大，單位冷卻介質最大吸熱量衰減的比例。由表5可知，由于比熱容和形態不同，不同淬火介質的Qmax相差較大，其中噴氣淬火Qmax最小，噴水淬火Qmax比前者大3個數量級，噴霧淬火Qmax比噴氣淬火的大4個數量級。由表5也可知，淬火介質相同時，qs越大，Qmax越小。例如噴水淬火中4號的qs是1號的2.3倍，其Qmax卻只有1號的56.9%；噴氣淬火中11號的qs是9號的3倍，其Qmax卻只有9號的48.5%；噴霧淬火中8號的qs是5號的5.5倍，其Qmax卻只有5號的26%。這種現象與之前的分析是相符的，因為qs增大會縮短介質與熱表面接觸時間，必然會降低介質的Qmax。由表5還可知，淬火介質相同時，qs在其臨界值范圍內增大，v、vt、vn均不斷增大。在噴水淬火中，qs增大到原來的2.3倍時，v、vt、vn分別增大到原來的3.1、2.3、4.2倍；在噴霧淬火中，qs增大到原來的5.5倍時，v、vt、vn分別增大到原來的2.2、3、1.6倍；在噴氣淬火中，qs增大到原來的3倍時，v、vt、vn分別增大到原來的1.6、1.7、1.6倍。由此可見，增大qs對提升噴水淬火各階段淬火表面的平均冷卻速率效果最顯著，噴氣次之，噴霧最差。

表5 qs對淬火界面熱交換率的影響

4 結論

1) 在噴水淬火中，隨淬火表面介質流量密度qs增大，界面的熱流密度 (q)、臨界熱流密度 (qc)和傳熱系數 (h)均不斷增大，淬火表面在過渡沸騰階段的平均冷卻速率vt、核沸騰階段的平均冷卻速率vn、整個淬火過程的平均冷卻速率v、淬火敏感溫度區間平均冷卻速率vs均不斷增大，且vs值均大大超過推薦的合金淬火冷卻速率。

2) 在噴霧淬火中，隨qs增大，qc不斷增大，淬火表面的vt、vn、v均不斷增大，vs則是先增大后減小，且均遠大于推薦的合金淬火冷卻速率。

3) 在噴氣淬火中，隨qs增大，q和qc均呈現先增大后減小的變化趨勢。

4) 增大qs對噴射淬火界面熱交換率會產生正負兩個相反的效應，兩種效應平衡時對應存在一個臨界qs，此時臨界熱流密度qc取得最大值。

5) 噴霧淬火的單位體積冷卻介質的最大吸熱量Qmax最高；淬火介質相同時，Qmax隨qs增大而減小；增大qs對提高噴水淬火表面冷卻效率最有利。