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    吊重法测蒸汽膜厚度二

    张克俭 王水 郝学志

    北京华立精细化工公司 (102200)

    发表于?#24230;?#22788;理技术与装备2008年第2期


    四 蒸汽膜厚度的计算

    从图7的吊重变化曲线可以看出在试样的完整蒸汽膜期间吊重值的变化几乎只受蒸汽膜厚度的影响一旦蒸汽膜失去完整性影响吊重值的因素便增多因此本文提出的吊重法只能测量试样处于完整蒸汽膜阶期的平均蒸汽膜厚度完成厚度计算后还将讨论几个影响因素的作用

    1?#20154;?#20919;却液中的蒸汽膜厚度计算

    完整蒸汽膜只出现在试样温度较高的时期因此应当用试样在当时温度下的体积和表面积来计算蒸汽膜厚度试样壁厚只有3.5mm按?#23548;?#30340;试验条件在出炉转移勾?#19994;?#30005;子吊秤上以及下?#31561;?#20919;却液的过程中要花费不少时间使入液时试样温度降低较多以至失去了暗红色现场光照条件好同时采用的试验方法无法测定完整蒸汽膜时的试样表面温度鉴于此本文只好凭估计以600作为?#25307;?#25104;完整蒸汽膜时的试样平均温度

    用L?#21147;TL0来计算物体温度改变T时的线膨胀量其中L表示固体的线膨胀量L0是物体原来的长度为所用物质的热膨胀系数通常线膨胀系数随温度升高而增大在100到600的温度范围与试样具有相近化学成份材料的热膨胀系数值大约在13.0 到18.0 (10-6/)之间[5]本文取16.010-6/作为试样600时的线膨胀系数又因为是各向同性材料温度升高T引起的试样表面积变化值S和体积变化值V可分别用以下两个公式计算
          S2S0T   1
          V3V0T   2
    其中S0和V0分别是物体原来的表面积和体积

    用圆筒试样在20时的高度10.08cm外径132mm和壁厚3.56mm算出当时的总表面积S0为798.7 cm2试样体积V0为141.2 cm3用试样本身的重量1112.3克算出其密度为7.88克/cm3从20到选定温度600棬试样的温度升高T580档按表面积增加值S的公式1可以算出平均温度600时S=14.7cm2因此600时试样的?#23548;?#34920;面积为(S0S)813.4cm2

    筒形试样的重量约1千克玻璃槽子中?#20154;?#20919;却液的总重量约25千克所用?#20154;?#20919;却液的密度和?#28909;热?#37117;与水相近可以用水的密度和?#28909;热?#20316;为它的密度和?#28909;热n?#35797;样上的完整蒸汽膜只存在于试样冷却的早期而且完整蒸汽膜存在的时间都较短因此在冷却的完整蒸汽膜期间介质的温度升高很少试样入液之前介质的温度20档鉴于这些原因计算中忽略了介质温度升高引起的密度变化而始终采用20的水的密度值0.998克/cm3作为介质的密度?#36873;?/p>

    热膨胀会引起试样体积增大而增大部分排开介质的重量应当从电子吊秤测出的重量减轻值中扣除掉用式2可以算出从20升温到600时试样的体积增加值V3.93cm3这一体积增加值对试样产生的浮力约等于3.930.998=3.92克

    表2中形成完整蒸汽膜之初的吊重减轻值为20克从中减去3.92克等于16.08克这就是试样600时因为蒸汽膜存在而获得的浮力用此重量除以0.998就换算成蒸汽膜的体积Vg16.11 cm3于是当时蒸汽膜的平均厚度d可以用d=Vg/(S0+S ) 来计算代入各值算出当时蒸汽膜的厚度为0.198mm约等于0.20mm

    表2中第12秒也就是试样下端出现超前扩展点之前的吊重减轻值为13克由于不知道当时的试样温度平均温度值?#21248;?#21482;能用假定的办法估计为200档并以14.010-6/作为200时的线膨胀系数值再用相同的方法算出试样200棬也就是T180时的蒸汽膜平均厚度为0.149mm约等于0.15mm

    按同样的方法不难算出表1中从2秒到11秒期间的蒸汽膜厚度一定介于0.2mm与0.15mm之间这是该试样上完整蒸汽膜期间的蒸汽膜的平均厚度范围完整蒸汽膜开?#35745;?#35010;后随着冷却的进行剩余蒸汽膜的厚度还会进一步减小因此试样表面可能存在的蒸汽膜的最小厚度一定小于0.15mm

    2测量值的影响因素分析

    用上述方法算出蒸汽膜的厚度之后还需要对主要因素的影响进行分析以便对测量?#23548;?#20197;修正

    因素之一是蒸汽膜中的介质蒸汽也有一定的重量它会使上述方法计算出的蒸汽膜厚度偏小

    蒸汽膜中的蒸汽可看成当时条件下介质的饱和蒸汽?#20154;?#20919;却液的主要成分是水其蒸汽膜中的气体密度可以用水沸腾时的饱和水蒸汽的密度来代替水蒸气的密度?#20154;?#30340;密度约小一千倍因为气体的热膨胀系数很大温度越高其蒸汽膜内的气体密度也就越小本试验中吊重减轻值只有两位数而所用电子吊秤的最小读数为克因此蒸汽所具有的重量可以忽略不计

    因素之二是试验中试样周围的局部介质温度升高对试样及蒸汽膜排开水的重量的影响问题

    试验开始之前?#20154;?#20919;却液的液温为20档圆筒试样浸入其中冷却时完整蒸汽膜只出现在初期的前十几秒钟槽中的介质总量比试样大二十多倍在短短几秒的时间内介质的平均温升高应该很少且液温升高仅限于试样周围不大的区域决定介质内部某点的压强的不是该点周围的少部分介质而是大气压和该点之上存在的介质的高度由于这两方面的原因本文忽略了这一因素的影响

    其三是介?#36866;?#28909;后发生对流这种对流主要表现在热介质沿试样边缘的上升?#30805;?#20197;及离开试样较远处较冷介质的向下?#30805;?#19978;升的介质流会给试样底部一定的向上冲力而沿试样边缘向上流动的介质?#21482;?#32473;试样一个向上的牵引力这两方面的作用都会减小电子吊秤上显示的吊重值因此有必要分析它的影响大小

    介质对流对试样底部的上冲力和侧面的牵引力的大小与介质向上的流速介质的密度和介质的粘度有关介质的密度越大对试样的上冲力越大流速越大上冲力和牵引作用也越大介质的粘度越高?#20204;?#24341;作用也越大同时?#20204;?#24341;力又与试样上受这种牵引力的总面积大小成正?#21462;?#19978;冲力的大小与试样底部形状和截面大小有关对于这几方面的影响我们认为自然对流散热在试样附近介质?#34892;?#25104;的相对流速不会很快在试样设计时已将底部截面做成了半圆形使其具有减小上冲力的作用 本文所用的?#20154;?#20919;却液的粘度只?#20154;?#30340;稍大而60SN的基础油的粘度也相当低真正起作用的是接近试样表面附近的介质的粘度大小而试样表面附近的介质温度比介质的平均温度高因而粘度更低试样厚度小而且高度也不大受牵引力作用的总面积也就很有限鉴于这些情况估计这项因素对吊重值产生的影响很小从试验中试样表面最后一部分沸腾冷却区消失前后的吊重的变化也可以?#24471;?#36825;一估计是恰当的在图6在本文上半部分中可以看到右上角最后的小气泡区于30.96秒消失而在描述吊重随时间变化的曲线图7中从31.04秒起电子吊秤上显示的吊重就达到并且稳定地保持在985克上这一吊重与试样的初始吊重986克只差1克 这一克之差中既包含了所用吊秤的读数误差又包含了本项因素的影响也包含了当时试样的体积比20?#22791;?#22823;而增加的浮力此外可能还有其他因素的影响不过所有这些因素共同作用所减小的浮力也只有1克因此本项因素的贡献应当小于1克我们认为这项影响因素的作用也可以忽略

    3用60SN基础油中的试验结果计算蒸汽膜厚度

    在做完上一次试验后对试样内外表面进行了打磨打磨后试样重量减小了1.4克但是外形尺寸基本测不出变化因此在本次试验中?#21248;?#37319;用在上一个试验初采集的试样尺寸数据试样总表面积S0798.7cm2试样体积V0=141.2cm3

    把表2中入液后第1秒的试样平均温度设定为600棬并且继续采用600时的S0S813.4cm2,和V3.90cm3值不过此时的冷却介?#36866;?0SN基础油其20时的密度取为0.84克/cm3为简化问题?#21248;?#24573;略试验中局部油温升高对吊重测量值的影响此时试样在600的吊重增大值为3.90.84=3.28克103.28=6.72克就是1秒时刻蒸汽膜引起的吊重减小值当时的蒸汽膜体积为6.72/0.84=8.00cm3再除以600时试样的总表面积求出蒸汽膜平均厚度0.00984cm约为0.10mm

    把冷却到第4秒时的试样平均温度假设为500棬相应的T480档?#21248;?#21462;试样线膨胀系数为1610-6/棬算出500时的蒸汽膜平均厚度等于0.00626cm约为0.063mm

    无疑表2中其余3个时刻的蒸汽膜平均厚度必然居于0.100.063mm之间完整蒸汽膜期之后随着试样表面温度降低剩余的蒸汽膜的厚度还将继续减小

    借用对?#20154;?#20919;却液的讨论结果可以认为在基础油的试验中其它因素对蒸汽膜厚度值的影响?#21248;?#21487;以忽略

    五 蒸汽膜厚度测量值的用?#22659;?#35797;

    测出了蒸汽膜的厚度还确认了蒸汽膜厚度随试样表面温度的降低而减小的变化规律无疑这些知识在热处理的冷却技术中应当有它的用途下面仅以几个现象和问题为例试试蒸汽膜厚度测量值的用途

    1在蒸汽膜阶段油性和水性介质冷却速度差异的产生原因

    在前面的试验结果中我们注意到在试样表面温度相同的条件下水性介质中冷却时形成的蒸汽膜比油中的要厚二者之间的差异可达一倍按四阶段理论产生这一差异的直接影响是在表示试样表面温度的坐标上油的四点图?#20154;?#30340;更高这一测量结果可以用来解释我们早已见惯不惊的事实水性和油性介质的冷却特性曲线上经常看?#25509;?#22312;汽膜阶段的冷却速度?#20154;?#30340;更高图10是清水在不同温度下的冷却特性曲线图11是随使用时间增长一种热油的冷却速度变化曲线图中A,B,C,D分别表示新油和使用了37和25个月的旧油这两张图线都引自美国金属手册[6]它们经常出现在本行业书刊上虽然这类曲线上的所谓蒸汽膜阶段并不完全是整个探棒的蒸汽膜阶段[7,3]但是至少在它的前期是在这两张图上油在蒸汽膜阶段的冷却速度大多在1633/s范围而清水的大多在820/s范围测量清水的冷却特性时介质以每秒0.25米的速度在流动即便如此清水的冷却速度?#21248;?#36828;比油的低也就是说在蒸汽膜阶段油的冷却速度比清水的要高得更多

    图10 不同温度时清水的冷却速度曲线 图11 一种热油的冷却速度随使用时间的变化
    Fig.10 Effect of bath temperature on cooling rate of water Fig.11 Variation in cooling rate of a martempering oil as a functionon of time in use.

    一般认为水性介质的冷却速度比油性介质的要快但是在冷却的蒸汽膜阶段情况正好相?#30784;?#25105;们认为在试样表面温度相同的条件下油的蒸汽膜厚度?#20154;?#30340;小很多是产生这种差异的主要原因蒸汽膜相当于试样表面与液态介质之间的导热层在淬火冷却中蒸汽膜的导热属于非稳态的热对流问题在此仅以热传?#32423;?#35770;把它的瞬态导热过程定性地简化成单层平壁的稳态导热问题来讨论如图12所示[9]设平壁的热流密度为q相当于冷却速度蒸汽膜厚度ģ其左?#20063;?#38754;温度分别为tw1和tw2依照?#36947;?#21494;定律可以求解出q的表达式
          q(tw1tw2)/   3

    图12 单层大平壁导热
    Fig.12 Thermal conduction of single-wall

    按式3可以从三个方面去讨论热流密度的大小第一是蒸汽膜厚度ģ第二是蒸汽膜两测面的温度差(tw1tw2)第三是膜内蒸汽的导热系数ˡq随增大而线性地减小油的蒸汽膜厚度约是水的一半仅这一点油中冷却时的热流密度就应?#21271;人?#30340;高再看蒸汽膜左右两测面的温度差的大小通常蒸汽膜内的蒸汽温度都高于气?#33322;?#38754;上液态介质一方的温度离试样表面越近蒸汽的温度越高而蒸汽膜中靠近液态介质部分的蒸汽温度则比较接近介质的沸点温度油的沸点?#20154;?#30340;高?#28909;?0SN基础油的沸点大致在300左右而水的沸点为100档仅看这一点水蒸汽膜的热流密度应?#21271;?#27833;的大些再看不同蒸汽在导热系数上的不同一般说在相同温度下油蒸汽和水蒸气的导热系数相差不大[8]但是油的沸点温度高油蒸汽膜中蒸汽的平均温度就?#20154;?#33976;气的要高由于气体的导热系数随气体温度的提高而明显增大[9]使油蒸汽膜中蒸汽的导热系数?#20154;?#30340;更高油的蒸汽膜更薄与油蒸汽的导热系数更大二者的作用超过了两测温度差小的相反作用其结果一般情况下油在蒸汽膜阶段的冷却速度就?#20154;?#30340;大当然也有一些例外

    在蒸汽膜阶段辐射散热和蒸汽受热对流始终在为试样冷却做贡献?#23548;是?#20917;比上面讨论的要复杂得多

    2为蒸汽膜厚度不断减小的推断提供了实测证据

    在液态介质中淬火冷却时形成完整蒸汽膜之后的继续冷却中蒸汽膜厚度是在不断减小还是在不断增大关于这个问题行?#30340;?#26377;过两种相反的回答有人认为蒸汽膜厚度是在不断增大其理由是从介质的冷却特性曲线上看蒸汽膜阶段的冷却速度是不断减小的这是不断产生的水蒸气汇聚起来使蒸汽膜厚度增加的结果本文式3所表明的冷却速度表面热流密度与蒸汽膜厚度的关系也可能被持有这种认识的人用来支持他们的推断但是多数人认为蒸汽膜厚度是随试样温度降低而不断减小的我们也持这样的看法理由是只有更高的表面温度才能支撑起更大的蒸汽膜厚度[10]不过不同认识的两方面都没有拿出蒸汽膜厚度的测量结果作证据本文的试验结果用事实证明了后一种推测是正确的

    3用于确定诱导锥的最低高度

    在诱导超前扩展点的文章中已经指出诱导锥的高度至少应当大于工件表面的蒸汽膜的厚度[1]现在测出了两种介质的蒸汽膜厚度就可以讨论诱导锥的最低高度范围了?#21248;?#20165;从这一方面看诱导锥不必要很高?#28909;?#21482;需要0.5mm以上高度就足以起?#25509;?#23548;超前扩展点的作用因为是个锥体从它的高度就可以推测它横向的尺度一定更小如此小的诱导锥肯定?#29615;?#26009;在铺设和清除上?#19981;?#24456;容易当然?#23548;适?#29992;的诱导锥的形状特点还需在今后的?#23548;?#20013;确定

    4隔离堤的设计与实施中应用

    我们认为不仅隔离堤与工件表面的缝隙为零时可以阻?#27493;?#30028;线借用即便它们之间有一定高度的缝隙?#21248;?#20250;有这种阻挡作用这里就有隔离堤与工件表面之间容许的最大缝隙的高度问题隔离堤应当有一定的厚度这就产生了容许的隔离堤最小厚度问题合成一圈的隔离堤必然有其?#19979;?#20043;处这里就有容许的最大合缝的间距问题这三项数据的确定都可能需要蒸汽膜的厚度值

    六 讨论DD本试验方法的不足之处

    可从以下几方面改进本文使用的吊重法1设计成专用装置并实现自动化或者半自动化以期使试样转?#32856;?#36805;速和?#26082;P?#20174;而缩短转移试样的时间2再把试样设计得更厚大一些这两条加在一起可以减小试样入液前的温度降低程度以便测量更高表面温度下的蒸汽膜厚度3寻找并添设试样表面温度测量装置以便及时确定出每一时刻的表面温度4改用更高精度的电子吊秤以便获得更加?#26082;?#30340;吊重数据5试样加热中采用保护气氛使试样的表面状态更加接近?#23548;?#24037;件的状况

    七 结论

    1解释了肉眼观测时完整蒸汽膜显得很厚而蒸汽膜消失时蒸汽膜厚度突然变小这两个现象的产生原因

    2提出了测量蒸汽膜厚度的吊重法这一方法只能测量试样处于完整蒸汽膜阶段时蒸汽膜的平均厚度

    3确定了试样的形状大小和试验条件选用基础油和?#20154;?#20919;却液?#23548;?#27979;量了蒸汽膜厚度

    4在所用试验条件下测量出完整蒸汽膜阶段的蒸汽膜厚度值范围为?#20154;?#20919;却液中冷却时0.150.20mm60SN基础油中冷却时0.0630.10mm

    5用数据证明了随着试样表面温度降低蒸汽膜厚度逐渐减小的推测

    参考文献

    [1] 张克俭王水郝学志超前扩展点的诱导热处理技术与装备[J]200728(4):14-18.

    [2] 张克俭王水郝学志隔离堤法的提出与实验验证热处理技术与装备[J]200728(5):6 -13.

    [3] 张克俭沸腾冷却区的宽度及其传达的信息热处理技术与装备[J]200728(6):10-16.

    [4] 梁文杰石油化学[M].山东石油大学出版社1995104-106.

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    [9] 赵镇南传热学[M]北京高等教育出版社20023755.

    [10] 张克俭王水郝学志液体介质中淬火冷却的四阶段理论热处理技术与装备[J]2006,27(6):14-25.


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