介质流量密度对铝合金喷射淬火界面热交换率的影响规律及机理

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(1. 湖南文理学院 机械工程学院, 湖南 常德 415000; 2. 湖南大学 机械与运载工程学院, 湖南 长沙 410082)

在线淬火技术具有工艺流程短、经济成本低、生产效率高的特点，目前被广泛应用于6XXX系铝合金型材生产过程[1]。常见的在线淬火方式有强风冷、喷淋和雾冷等方式。在这3种淬火过程中，其介质都是通过增压后喷射至高温金属表面进行淬火冷却，因而可统称为喷射淬火，以下为论述方便将上述3种在线淬火方式称为喷气、喷水和喷雾淬火。淬火介质的种类和流量对喷射淬火界面热交换率有重大影响，是控制淬火冷却速率和保证淬火后产品质量的关键工艺参数，因而有必要对其影响淬火界面热交换的规律和机理进行研究。

有关冷却介质性质和状态对淬火界面热交换的影响，已在大量研究报道。Wang等[2]研究了用单个圆形射流冲击热板的传热特性，结果表明热流密度随水流量的增大而增大，随喷嘴到表面距离的增大而减小。Jha等[3]对不同水流量条件下的304钢板进行了喷雾冷却试验，研究表明冷却速度随水流量的增加而增加。Mozumder等[4]对铜、黄铜和钢制成的热圆柱块进行了淬火试验研究，并认为射流速度直接影响到达淬火表面的冷却液体流量，是影响界面热流密度的主要参数之一，且随射流速度增大最大界面热流密度逐渐增大。Chen等[5]针对喷雾平均液滴流量对界面热交换的影响进行了试验研究，结果表明平均液滴流量对临界热流密度qc(当热流密度达到由核态沸腾转变为过度沸腾时所对应的值)有显著影响，且随平均液滴流量增大，临界热流密度增大。Langari等[6]对喷雾冷却圆形热平面的无沸腾传热进行了数值模拟和试验研究，结果表明喷雾质量流量越大，喷雾冷却传热效率越高。Li等[7]通过试验研究和理论分析，研究了高冲击速度对驻点区射流冲击稳定沸腾临界热流密度的影响。研究发现，一方面，喷射速度增大有利于击穿蒸汽膜，使冷却介质与热表面直接接触，产生临界热流密度增大的正效应；另一方面，喷射速度增大又会增大滞止压力，降低汽化潜热、液体表面张力和饱和液体密度，产生减小临界热流密度的负效应。在正负效应的共同作用下，必然存在一个极限冲击速度和相应的极限临界热流密度。Gao等[8]对车载钢瓶在不同喷水量下淬火过程的内压、平均传热系数、应力进行了试验和数值模拟研究，结果表明，随着喷雾量的增加，内压、平均传热系数、轴向应力和有效应力的峰值均增大。Jeyajothi等[9]研究了空气射流冲击热平板的强化传热过程，研究结果表明，采用最小的喷射高度、较高的空气射流速度、较高的雷诺数和最大的喷嘴直径时，在冲击点处可以获得最大的传热峰值。Fu等[10]对一种新型镍基高温合金在空冷过程中的传热系数进行了试验和数值研究，研究结果表明，传热系数随空气流量增大而增大。

综上所述，关于冷却介质对淬火界面热交换的影响虽然已发表了许多研究成果，但关于介质流量对在线淬火过程中界面热交换的研究报道较少。因此，本文对铝合金进行喷射淬火试验，重点研究了喷气、喷水和喷雾3种淬火过程中，冷却介质的流量变化对淬火界面热交换的影响规律，并对其机理进行了深入分析。由于3种喷射淬火采用的喷射出口直径不一致，为方便比较3种淬火过程中介质流量的变化情况，统一采用单位时间喷射到单位面积试样表面上的介质流量，即以介质在淬火试样表面的流量密度qs(以下简称流量密度)作为研究参数，其单位为L/(m2·s)。

1 试验材料及方法

3种淬火试验采用的装置如图1所示，包含淬火试样、喷射系统和温度采集系统。其中，淬火试样采用6082铝合金棒材，喷射系统根据喷射介质的不同其内部结构有所差别。在喷水和喷雾淬火试验中，采用水箱、潜水泵、控制阀、流量计控制介质流量；在喷气淬火试验中，采用风机和测速仪控制介质流量。有关试样具体尺寸、测温点位置和喷射系统具体结构的详情请参考文献[11-12]。试验时，首先对试样进行加热，待热电偶温度达到设定温度后再保温10 min左右。在加热过程中，按照试验参数调试好喷射系统。然后，在尽可能短的时间内，将试样从加热炉移动到设置好的淬火位置，开启喷射系统进行淬火，当试样温度低于100 ℃时关闭喷射系统。3种淬火的主要试验参数如表1所示，所有试样淬火起始温度均约为520 ℃。由表1可知，淬火表面粗糙度(Ra)和冷却介质温度(T0)均在较小的区间变动，对界面热交换带来的影响很小，因此本文后续讨论中不考虑其影响。

图1 淬火试验装置图Fig.1 Quenching experiment device

表1 主要试验参数

2 界面热交换参数的求解

本试验条件下，由于试样的独特设计，可将3种淬火介质对其热表面的冷却过程近似看成一维传热，对淬火界面的热流密度(q)和换热系数(h)采用反传热法和牛顿冷却定理求解。反传热法求解q的原理是将整个淬火过程等分为若干个时间片段，在每一个时间片段内，通过假设q的初值进行迭代计算，当计算误差小于给定误差后，输出当前时间片段内的q，再计算下一个时间片段的q值，如此循环直至计算完所有时间片段内的q值，即可得到热流密度q随时间变化的函数q(t)，再由牛顿冷却定理可得换热系数h值随时间变化的函数h(t)，求解的详细过程请参考文献[13]。采用反传热法在求出q(t)的同时，还可以求出淬火表面的温度变化T(t)，因此可以得到淬火界面的热流密度和换热系数随表面温度的变化曲线q(T)和h(T)。

图2 喷水淬火试验中qs对q(t) (a)、q(T) (b)、h(T) (c)、T(t) (d)的影响Fig.2 Influence of qs on q(t) (a), q(T) (b), h(T) (c) and T(t) (d) during water jet quenching

3 结果与分析

3.1 流量密度对喷水淬火界面热交换率的影响

不同流量密度条件下，喷水淬火界面热流密度分别随时间和表面温度的变化曲线q(t)和q(T)、界面换热系数随表面温度的变化曲线h(T)和淬火表面温度随时间的变化曲线T(t)如图2所示。图2中相关数据分析如表2所示。

由图2(a，b)可知，随时间增加和表面温度的降低，淬火表面在不同的流量密度(qs)下，所有淬火界面的热流密度q均先快速增大到临界热流密度qc，然后逐渐减小。由图2(a，b)及表2可知，随qs增大，q(t)、q(T)和qc不断增大，qc对应的表面温度Tc基本上也呈增大趋势，获得qc的时间tc则是不断缩短的，但qc的增幅却是不断减小的。随qs增大，qc的增幅不断减小，这一现象可能与介质的喷射速度有关。随qs增大，喷射速度增大，介质可以击穿过渡沸腾阶段淬火表面的蒸汽膜，增大与金属热表面的接触面积，从而增大界面的热交换率。但喷射速度增大，介质的动能也会增大，其撞击热表面后的反弹量也会增加，会缩短固液接触时间，阻碍后续介质到达热表面，从而降低界面的热交换率。当qs很小时，击穿蒸汽膜带来的换热增大作用占主导地位，而反弹引起的换热减弱作用很小，因此总体呈现出界面热交换率的快速增长。随qs增大，两个作用此消彼长，当达到平衡时，存在一个临界qs使得qc达到最大值，再继续增大qs，qc会出现下降的情况。由图2(c)和表2可知，随qs增大，h(T)和界面换热系数的峰值hmax基本上也呈增大趋势，其中3号的hmax最大，为25 kW/(m2·K)，且hmax对应的表面温度Th为109 ℃。由于介质温度在整个淬火过程是保持不变的，由牛顿冷却定律可知，h只取决于q和淬火表面温度T。随qs增大，不仅核沸腾换热增大，而且单相对流换热也增大。由于T较低时，试样内部的温度仍然很高，因此单相对流换热增大可以减缓q的下降速度，从而使得最大的hmax出现在很低的淬火表面温度。

图3 喷雾淬火试验中qs对q(t) (a)、q(T) (b)、h(T) (c)、T(t) (d)的影响Fig.3 Influence of qs on q(t) (a), q(T) (b), h(T) (c) and T(t) (d) during water spray quenching

由图2(b,d)及表2可知，随qs增大，淬火表面在过渡沸腾阶段(对应表面温度520 ℃到Tc区间，St)的平均冷却速率vt、核沸腾阶段(对应表面温度125 ℃到Tc区间，Sn)的平均冷却速率vn、整个淬火过程(对应表面温度520 ℃到125 ℃区间)的平均冷却速率v均不断增大，且从淬火开始到淬火表面温度降低到125 ℃所耗时间tn随qs增大是不断缩短的。根据有关研究[14]，6082铝合金的淬火敏感温度区间为225～445 ℃，推荐可达到其合金最大淬火硬度85%的淬火冷却速率为10.2 ℃/s。由表2可知，随qs增大，1号～4号试验的淬火敏感温度区间平均冷却速率vs不断增大，且均远大于10.2 ℃/s。

3.2 流量密度对喷雾淬火界面热交换率的影响

不同流量密度条件下，喷雾淬火的q(t)和q(T)、h(T)和T(t)如图3所示。图3中相关数据分析如表3 所示。由图3(a，b)可知，随时间增加和表面温度降低，所有q均先快速增大到qc，然后逐渐减小，且qs越大，q增大到qc的速度越快，而减小速度却越慢，5号试验的q甚至在达到qc后出现一个平台期和二次升高的现象，这可能与其qs偏小有关。从图3(d)和表3可以看出，6号、7号、8号试验的vn均不到其自身vt的一半，且6号、7号、8号试验的vt是5号试验vt的2倍以上，这说明由于qs较小，5号试验在过渡沸腾阶段淬火表面的热交换量明显偏低，而核沸腾阶段的界面热交换量占整个淬火阶段的热交换总量明显偏高，从而导致q在达到第一个峰值后几乎没有降低，直至出现第二个峰值。由图3(a，b)及表3可知，随qs增大，qc不断增大，但qc的增幅是不断减小的，对应时间tc是不断缩短的，对应的表面温度Tc在244～282 ℃之间波动。由图3(c)可知，随表面温度降低，5号～8号试验的h(T)都近似呈线性增大，在324 ℃以上，qs增大对其影响的规律性不明显；在125～324 ℃之间，h(T)随qs增大而增大。由图3(b，d)及表3可知，随qs增大，淬火表面的vt、vn、v均不断增大，而淬火敏感温度区间平均冷却速率vs则是先增大后减小，且均远大于推荐的淬火冷却速率。

表3 图3的数据分析列表

图4 喷气淬火试验中qs对q(t) (a)、q(T) (b)、h(T) (c)、T(t) (d)的影响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 流量密度对喷气淬火界面热交换率的影响

不同流量密度条件下，喷气淬火的q(t)和q(T)、h(T)和T(t)如图4所示。图4中相关数据分析如表4 所示。由图4(a，b)可知，随时间增加和表面温度降低，所有q均先快速增大到临界值，再缓慢的近乎呈线性降低。由图4(a，b)和表4可知，随qs增大，q和qc先增大后减小，对应的表面温度Tc不断降低，对应的时间tc则是先减小后增大。随qs增大，qc之所以会先增大后减小的原因在于，qs增大对界面换热的增强效果是有上限的。增大qs，既可以增加介质总量，增大界面热交换率，也会提高介质速度导致介质与金属热表面接触时间缩短，降低界面热交换率。由此可见，在介质总量增加和接触时间缩短两种因素的共同作用下，必然存在一个平衡点，即临界qs，例如图4试验条件下，qs临界值应介于30 000～40 000 L/(m2·s)之间。当qs小于临界值时，介质总量增加产生的界面热交换增强效应起主导作用，qc随qs增大而增大；当qs大于临界值时，介质与金属热表面接触时间缩短所引起的界面热交换削弱效应占主导地位，qc随qs增大而减小。另外，qs越大，介质速度越大，其撞击淬火表面后反弹量就越大，与后续介质发生碰撞的可能性越大，使得实际到达淬火表面的介质总量越少，不利于界面热交换，且喷气角度越接近于垂直，反弹量就越大，不利影响就越大。由图4(c)可知，qs对h(T)曲线的形状没有影响，当T高于390 ℃时，9号～12号的h随表面温度降低均快速增大到峰值，当T低于390 ℃后，h基本处于一个峰值平台期，且随qs增大，h先增大后减小。由图4(d)可知，随qs增大，淬火表面温度T也是先增大后减小。

表4 图4的数据分析列表

3.4 流量密度对淬火界面热交换率的影响规律及机理分析

根据3.3节的分析，在喷气淬火试验中，随qs增大，q和qc是先增大后减小的，即存在一个临界qs。根据3.1～3.2节的分析，在喷雾和喷水淬火试验中，随qs增大，表征界面热交换的q和qc均不断增大，但增大的幅度是在逐渐减小的，由此可以推断，qs其实也存在一个临界值，只是本文试验中的qs均小于该临界值。从机理上来说，增大qs对界面热交换会产生正负两个不同的效应：增大接触面积或增大冷却介质总量产生的换热增强效应(简称正效应)，缩短接触时间和介质撞击热表面后反弹所产生的换热减弱效应(简称负效应)。对于以相变吸热为主的喷水和喷雾淬火，当qs很小时，被喷射到热表面的介质相对稀疏，增大qs能使更多的冷却介质与热表面接触，以正效应为主，故随qs增大界面热交换率不断提高；当qs超过临界值，淬火表面已基本被冷却介质覆盖，再继续增大qs，不但不能增大换热接触面积，反而会因介质速度过快而减少其在热表面的停留时间，降低相变吸热的发生率，导致界面热交换率下降。对于喷气淬火，界面以对流换热为主，不存在相变换热，当qs很小时，增大qs使气体总量增加，产生的正效应起主导作用，随qs增大q不断增大；当qs大于临界值时，气体速度过快使得其与热表面接触时间缩短，同时大幅增加回弹量，且喷射角度越接近90°回弹量越大，随qs增大q不断减小。

为进一步分析qs对3类淬火界面热交换率影响，将图2～图4的相关分析数据汇总列于表5。其中，对于喷气淬火，v为200～520 ℃淬火表面的平均冷却速率，vt和vn分别对应Tc～520 ℃温度区间、200 ℃～Tc温度区间的淬火表面平均冷却速率，Qmax(qc/qs)是qc时单位体积冷却介质的吸热量，也即淬火过程中单位体积冷却介质的最大吸热量，ΔQmax/Qmax为随qs增大，单位冷却介质最大吸热量衰减的比例。由表5可知，由于比热容和形态不同，不同淬火介质的Qmax相差较大，其中喷气淬火Qmax最小，喷水淬火Qmax比前者大3个数量级，喷雾淬火Qmax比喷气淬火的大4个数量级。由表5也可知，淬火介质相同时，qs越大，Qmax越小。例如喷水淬火中4号的qs是1号的2.3倍，其Qmax却只有1号的56.9%；喷气淬火中11号的qs是9号的3倍，其Qmax却只有9号的48.5%；喷雾淬火中8号的qs是5号的5.5倍，其Qmax却只有5号的26%。这种现象与之前的分析是相符的，因为qs增大会缩短介质与热表面接触时间，必然会降低介质的Qmax。由表5还可知，淬火介质相同时，qs在其临界值范围内增大，v、vt、vn均不断增大。在喷水淬火中，qs增大到原来的2.3倍时，v、vt、vn分别增大到原来的3.1、2.3、4.2倍；在喷雾淬火中，qs增大到原来的5.5倍时，v、vt、vn分别增大到原来的2.2、3、1.6倍；在喷气淬火中，qs增大到原来的3倍时，v、vt、vn分别增大到原来的1.6、1.7、1.6倍。由此可见，增大qs对提升喷水淬火各阶段淬火表面的平均冷却速率效果最显著，喷气次之，喷雾最差。

表5 qs对淬火界面热交换率的影响

4 结论

1) 在喷水淬火中，随淬火表面介质流量密度qs增大，界面的热流密度 (q)、临界热流密度 (qc)和传热系数 (h)均不断增大，淬火表面在过渡沸腾阶段的平均冷却速率vt、核沸腾阶段的平均冷却速率vn、整个淬火过程的平均冷却速率v、淬火敏感温度区间平均冷却速率vs均不断增大，且vs值均大大超过推荐的合金淬火冷却速率。

2) 在喷雾淬火中，随qs增大，qc不断增大，淬火表面的vt、vn、v均不断增大，vs则是先增大后减小，且均远大于推荐的合金淬火冷却速率。

3) 在喷气淬火中，随qs增大，q和qc均呈现先增大后减小的变化趋势。

4) 增大qs对喷射淬火界面热交换率会产生正负两个相反的效应，两种效应平衡时对应存在一个临界qs，此时临界热流密度qc取得最大值。

5) 喷雾淬火的单位体积冷却介质的最大吸热量Qmax最高；淬火介质相同时，Qmax随qs增大而减小；增大qs对提高喷水淬火表面冷却效率最有利。