<div id="5kwrg"><tr id="5kwrg"></tr></div>
  • <dl id="5kwrg"><ins id="5kwrg"></ins></dl>
    <dl id="5kwrg"><ins id="5kwrg"><thead id="5kwrg"></thead></ins></dl>
    <div id="5kwrg"></div>
  •  當前位置:精細淬火冷卻技術 >> 吊重法測蒸汽膜厚度(二)
    吊重法測蒸汽膜厚度(二)

    張克儉 王水 郝學志

    北京華立精細化工公司 (102200)

    發表于《熱處理技術與裝備》2008年第2期


    四 蒸汽膜厚度的計算

    從圖7的吊重變化曲線可以看出,在試樣的完整蒸汽膜期間,吊重值的變化幾乎只受蒸汽膜厚度的影響。一旦蒸汽膜失去完整性,影響吊重值的因素便增多。因此,本文提出的吊重法只能測量試樣處于完整蒸汽膜階期的平均蒸汽膜厚度。完成厚度計算后,還將討論幾個影響因素的作用。

    1、勻速冷卻液中的蒸汽膜厚度計算

    完整蒸汽膜只出現在試樣溫度較高的時期,因此,應當用試樣在當時溫度下的體積和表面積來計算蒸汽膜厚度。試樣壁厚只有3.5mm。按實際的試驗條件,在出爐、轉移、勾掛到電子吊秤上,以及下降入冷卻液的過程中要花費不少時間;使入液時試樣溫度降低較多,以至失去了暗紅色(現場光照條件好)。同時,采用的試驗方法無法測定完整蒸汽膜時的試樣表面溫度。鑒于此,本文只好憑估計,以600℃作為剛形成完整蒸汽膜時的試樣平均溫度。

    用ΔL=αΔTL0來計算物體溫度改變ΔT時的線膨脹量。其中ΔL表示固體的線膨脹量,L0是物體原來的長度,α為所用物質的熱膨脹系數。通常,線膨脹系數隨溫度升高而增大。在100℃到600℃的溫度范圍,與試樣具有相近化學成份材料的熱膨脹系數值,大約在13.0 到18.0 (10-6/℃)之間[5]。本文取16.0×10-6/℃作為試樣600℃時的線膨脹系數。又因為是各向同性材料,溫度升高ΔT引起的試樣表面積變化值ΔS和體積變化值ΔV可分別用以下兩個公式計算:
          ΔS=2αS0ΔT   (1)
          ΔV=3αV0ΔT   (2)
    其中,S0和V0分別是物體原來的表面積和體積。

    用圓筒試樣在20℃時的高度10.08cm,外徑132mm和壁厚3.56mm,算出當時的總表面積S0為798.7 cm2,試樣體積V0為141.2 cm3。用試樣本身的重量1112.3克,算出其密度為7.88克/cm3。從20℃到選定溫度600℃,試樣的溫度升高ΔT=580℃。按表面積增加值ΔS的公式(1),可以算出平均溫度600℃時,ΔS=14.7cm2。因此,600℃時試樣的實際表面積為(S0+ΔS)=813.4cm2

    筒形試樣的重量約1千克。玻璃槽子中勻速冷卻液的總重量約25千克。所用勻速冷卻液的密度和比熱容都與水相近,可以用水的密度和比熱容作為它的密度和比熱容。試樣上的完整蒸汽膜只存在于試樣冷卻的早期,而且完整蒸汽膜存在的時間都較短。因此,在冷卻的完整蒸汽膜期間,介質的溫度升高很少。試樣入液之前介質的溫度20℃。鑒于這些原因,計算中忽略了介質溫度升高引起的密度變化,而始終采用20℃的水的密度值0.998克/cm3作為介質的密度ρ。

    熱膨脹會引起試樣體積增大,而增大部分排開介質的重量應當從電子吊秤測出的重量減輕值中扣除掉。用式(2)可以算出從20℃升溫到600℃時,試樣的體積增加值ΔV=3.93cm3。這一體積增加值對試樣產生的浮力約等于3.93×0.998=3.92克。

    表2中,形成完整蒸汽膜之初的吊重減輕值為20克。從中減去3.92克,等于16.08克,這就是試樣600℃時因為蒸汽膜存在而獲得的浮力。用此重量除以0.998就換算成蒸汽膜的體積Vg=16.11 cm3。于是,當時蒸汽膜的平均厚度d可以用d=Vg/(S0+ΔS ) 來計算。代入各值,算出當時蒸汽膜的厚度為0.198mm,約等于0.20mm。

    表2中第12秒,也就是試樣下端出現超前擴展點之前的吊重減輕值為13克。由于不知道當時的試樣溫度(平均溫度)值,仍然只能用假定的辦法,估計為200℃。并以14.0×10-6/℃作為200℃時的線膨脹系數值。再用相同的方法,算出試樣200℃,也就是ΔT=180℃時的蒸汽膜平均厚度為0.149mm,約等于0.15mm。

    按同樣的方法不難算出,表1中從2秒到11秒期間的蒸汽膜厚度一定介于0.2mm與0.15mm之間。這是該試樣上完整蒸汽膜期間的蒸汽膜的平均厚度范圍。完整蒸汽膜開始破裂后,隨著冷卻的進行,剩余蒸汽膜的厚度還會進一步減小。因此,試樣表面可能存在的蒸汽膜的最小厚度一定小于0.15mm。

    2、測量值的影響因素分析

    用上述方法算出蒸汽膜的厚度之后,還需要對主要因素的影響進行分析,以便對測量值加以修正。

    因素之一是,蒸汽膜中的介質蒸汽也有一定的重量,它會使上述方法計算出的蒸汽膜厚度偏小。

    蒸汽膜中的蒸汽可看成當時條件下介質的飽和蒸汽。勻速冷卻液的主要成分是水,其蒸汽膜中的氣體密度可以用水沸騰時的飽和水蒸汽的密度來代替。水蒸氣的密度比水的密度約小一千倍。因為氣體的熱膨脹系數很大,溫度越高,其蒸汽膜內的氣體密度也就越小。本試驗中,吊重減輕值只有兩位數,而所用電子吊秤的最小讀數為克;因此,蒸汽所具有的重量可以忽略不計。

    因素之二是,試驗中試樣周圍的局部介質溫度升高對試樣及蒸汽膜排開水的重量的影響問題。

    試驗開始之前,勻速冷卻液的液溫為20℃。圓筒試樣浸入其中冷卻時,完整蒸汽膜只出現在初期的前十幾秒鐘。槽中的介質總量比試樣大二十多倍,在短短幾秒的時間內,介質的平均溫升高應該很少,且液溫升高僅限于試樣周圍不大的區域。決定介質內部某點的壓強的,不是該點周圍的少部分介質,而是大氣壓和該點之上存在的介質的高度。由于這兩方面的原因,本文忽略了這一因素的影響。

    其三是,介質受熱后發生對流。這種對流主要表現在熱介質沿試樣邊緣的上升運動,以及離開試樣較遠處較冷介質的向下運動。上升的介質流會給試樣底部一定的向上沖力;而沿試樣邊緣向上流動的介質又會給試樣一個向上的牽引力。這兩方面的作用都會減小電子吊秤上顯示的吊重值,因此有必要分析它的影響大小。

    介質對流對試樣底部的上沖力和側面的牽引力的大小與介質向上的流速、介質的密度和介質的粘度有關。介質的密度越大,對試樣的上沖力越大。流速越大,上沖力和牽引作用也越大。介質的粘度越高,該牽引作用也越大。同時,該牽引力又與試樣上受這種牽引力的總面積大小成正比。上沖力的大小與試樣底部形狀和截面大小有關。對于這幾方面的影響,我們認為,自然對流散熱在試樣附近介質中形成的相對流速不會很快。在試樣設計時已將底部截面做成了半圓形,使其具有減小上沖力的作用。 本文所用的勻速冷卻液的粘度只比水的稍大。而60SN的基礎油的粘度也相當低。真正起作用的是接近試樣表面附近的介質的粘度大小。而試樣表面附近的介質溫度比介質的平均溫度高,因而粘度更低。試樣厚度小而且高度也不大,受牽引力作用的總面積也就很有限。鑒于這些情況,估計這項因素對吊重值產生的影響很小。從試驗中試樣表面最后一部分沸騰冷卻區消失前后的吊重的變化,也可以說明這一估計是恰當的。在圖6(在本文上半部分)中可以看到,右上角最后的小氣泡區于30.96秒消失。而在描述吊重隨時間變化的曲線(圖7)中,從31.04秒起,電子吊秤上顯示的吊重就達到并且穩定地保持在985克上。這一吊重與試樣的初始吊重986克只差1克。 這一克之差中既包含了所用吊秤的讀數誤差,又包含了本項因素的影響,也包含了當時試樣的體積比20℃時更大而增加的浮力。此外可能還有其他因素的影響。不過,所有這些因素共同作用所減小的浮力也只有1克,因此,本項因素的貢獻應當小于1克。我們認為,這項影響因素的作用也可以忽略。

    3、用60SN基礎油中的試驗結果計算蒸汽膜厚度

    在做完上一次試驗后,對試樣內外表面進行了打磨。打磨后試樣重量減小了1.4克,但是外形尺寸基本測不出變化。因此,在本次試驗中,仍然采用在上一個試驗初采集的試樣尺寸數據:試樣總表面積S0=798.7cm2,試樣體積V0=141.2cm3

    把表2中入液后第1秒的試樣平均溫度設定為600℃,并且繼續采用600℃時的S0+ΔS=813.4cm2,和ΔV=3.90cm3值。不過,此時的冷卻介質是60SN基礎油,其20℃時的密度取為0.84克/cm3。為簡化問題,仍然忽略試驗中局部油溫升高對吊重測量值的影響。此時,試樣在600℃的吊重增大值為3.9×0.84=3.28克。10-3.28=6.72克,就是1秒時刻蒸汽膜引起的吊重減小值。當時的蒸汽膜體積為6.72/0.84=8.00cm3。再除以600℃時試樣的總表面積,求出蒸汽膜平均厚度0.00984cm,約為0.10mm。

    把冷卻到第4秒時的試樣平均溫度假設為500℃,相應的ΔT=480℃。仍然取試樣線膨脹系數為16×10-6/℃,算出500℃時的蒸汽膜平均厚度等于0.00626cm,約為0.063mm。

    無疑,表2中其余3個時刻的蒸汽膜平均厚度必然居于0.10~0.063mm之間。完整蒸汽膜期之后,隨著試樣表面溫度降低,剩余的蒸汽膜的厚度還將繼續減小。

    借用對勻速冷卻液的討論結果,可以認為:在基礎油的試驗中,其它因素對蒸汽膜厚度值的影響仍然可以忽略。

    五 蒸汽膜厚度測量值的用途初試

    測出了蒸汽膜的厚度,還確認了蒸汽膜厚度隨試樣表面溫度的降低而減小的變化規律。無疑,這些知識在熱處理的冷卻技術中應當有它的用途。下面僅以幾個現象和問題為例,試試蒸汽膜厚度測量值的用途。

    1、在蒸汽膜階段油性和水性介質冷卻速度差異的產生原因

    在前面的試驗結果中我們注意到:在試樣表面溫度相同的條件下,水性介質中冷卻時形成的蒸汽膜比油中的要厚。二者之間的差異可達一倍。按四階段理論,產生這一差異的直接影響是:在表示試樣表面溫度的坐標上,油的四點圖比水的更高。這一測量結果可以用來解釋我們早已見慣不驚的事實:水性和油性介質的冷卻特性曲線上,經常看到油在汽膜階段的冷卻速度比水的更高。圖10是清水在不同溫度下的冷卻特性曲線。圖11是隨使用時間增長,一種熱油的冷卻速度變化曲線;圖中A,B,C,D分別表示新油和使用了3,7和25個月的舊油。這兩張圖線都引自美國金屬手冊[6],它們經常出現在本行業書刊上。雖然這類曲線上的所謂蒸汽膜階段并不完全是整個探棒的蒸汽膜階段[7,3],但是,至少在它的前期是。在這兩張圖上,油在蒸汽膜階段的冷卻速度大多在16~33℃/s范圍;而清水的大多在8~20℃/s范圍。測量清水的冷卻特性時,介質以每秒0.25米的速度在流動。即便如此,清水的冷卻速度仍然遠比油的低。也就是說,在蒸汽膜階段,油的冷卻速度比清水的要高得更多。

    圖10 不同溫度時清水的冷卻速度曲線 圖11 一種熱油的冷卻速度隨使用時間的變化
    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.

    一般認為,水性介質的冷卻速度比油性介質的要快。但是,在冷卻的蒸汽膜階段,情況正好相反。我們認為,在試樣表面溫度相同的條件下,油的蒸汽膜厚度比水的小很多,是產生這種差異的主要原因。蒸汽膜相當于試樣表面與液態介質之間的導熱層。在淬火冷卻中,蒸汽膜的導熱屬于非穩態的熱對流問題。在此,僅以熱傳導而論,把它的瞬態導熱過程定性地簡化成單層平壁的穩態導熱問題來討論,如圖12所示[9]。設平壁的熱流密度為q(相當于冷卻速度),蒸汽膜厚度δ,其左右側面溫度分別為tw1和tw2。依照傅里葉定律,可以求解出q的表達式:
          q=λ(tw1-tw2)/δ   (3)

    圖12 單層大平壁導熱
    Fig.12 Thermal conduction of single-wall

    按式3可以從三個方面去討論熱流密度的大小。第一是蒸汽膜厚度δ,第二是蒸汽膜兩測面的溫度差(tw1-tw2),第三是膜內蒸汽的導熱系數λ。q隨δ增大而線性地減小。油的蒸汽膜厚度約是水的一半。僅這一點,油中冷卻時的熱流密度就應當比水的高。再看蒸汽膜左右兩測面的溫度差的大小。通常,蒸汽膜內的蒸汽溫度都高于氣液界面上液態介質一方的溫度。離試樣表面越近,蒸汽的溫度越高。而蒸汽膜中靠近液態介質部分的蒸汽溫度則比較接近介質的沸點溫度。油的沸點比水的高,比如,60SN基礎油的沸點大致在300℃左右,而水的沸點為100℃。僅看這一點,水蒸汽膜的熱流密度應當比油的大些。再看不同蒸汽在導熱系數上的不同。一般說,在相同溫度下,油蒸汽和水蒸氣的導熱系數相差不大[8]。但是,油的沸點溫度高,油蒸汽膜中蒸汽的平均溫度就比水蒸氣的要高。由于氣體的導熱系數隨氣體溫度的提高而明顯增大[9],使油蒸汽膜中蒸汽的導熱系數比水的更高。油的蒸汽膜更薄與油蒸汽的導熱系數更大二者的作用,超過了兩測溫度差小的相反作用。其結果,一般情況下,油在蒸汽膜階段的冷卻速度就比水的大。當然,也有一些例外。

    在蒸汽膜階段,輻射散熱和蒸汽受熱對流始終在為試樣冷卻做貢獻,實際情況比上面討論的要復雜得多。

    2、為蒸汽膜厚度不斷減小的推斷提供了實測證據

    在液態介質中淬火冷卻時,形成完整蒸汽膜之后的繼續冷卻中,蒸汽膜厚度是在不斷減小還是在不斷增大?關于這個問題,行業內有過兩種相反的回答。有人認為蒸汽膜厚度是在不斷增大。其理由是:從介質的冷卻特性曲線上看,蒸汽膜階段的冷卻速度是不斷減小的,這是不斷產生的水蒸氣匯聚起來使蒸汽膜厚度增加的結果。本文式(3)所表明的冷卻速度(表面熱流密度)與蒸汽膜厚度的關系,也可能被持有這種認識的人用來支持他們的推斷。但是,多數人認為蒸汽膜厚度是隨試樣溫度降低而不斷減小的。我們也持這樣的看法,理由是:只有更高的表面溫度,才能支撐起更大的蒸汽膜厚度[10]。不過,不同認識的兩方面都沒有拿出蒸汽膜厚度的測量結果作證據。本文的試驗結果用事實證明了后一種推測是正確的。

    3、用于確定誘導錐的最低高度

    在誘導超前擴展點的文章中已經指出,誘導錐的高度至少應當大于工件表面的蒸汽膜的厚度[1]。現在,測出了兩種介質的蒸汽膜厚度,就可以討論誘導錐的最低高度范圍了。顯然,僅從這一方面看,誘導錐不必要很高。比如,只需要0.5mm以上高度,就足以起到誘導超前擴展點的作用。因為是個錐體,從它的高度就可以推測它橫向的尺度一定更小。如此小的誘導錐肯定不費料,在鋪設和清除上也會很容易。當然,實際使用的誘導錐的形狀特點還需在今后的實踐中確定。

    4、隔離堤的設計與實施中應用

    我們認為,不僅隔離堤與工件表面的縫隙為零時可以阻擋交界線借用,即便它們之間有一定高度的縫隙,仍然會有這種阻擋作用。這里就有隔離堤與工件表面之間容許的最大縫隙的高度問題。隔離堤應當有一定的厚度。這就產生了容許的隔離堤最小厚度問題。合成一圈的隔離堤必然有其合攏之處。這里就有容許的最大合縫的間距問題。這三項數據的確定,都可能需要蒸汽膜的厚度值。

    六 討論――本試驗方法的不足之處

    可從以下幾方面改進本文使用的吊重法。1、設計成專用裝置,并實現自動化或者半自動化,以期使試樣轉移更迅速和準確,從而縮短轉移試樣的時間。2、再把試樣設計得更厚大一些。這兩條加在一起,可以減小試樣入液前的溫度降低程度,以便測量更高表面溫度下的蒸汽膜厚度。3、尋找并添設試樣表面溫度測量裝置,以便及時確定出每一時刻的表面溫度。4、改用更高精度的電子吊秤,以便獲得更加準確的吊重數據。5、試樣加熱中采用保護氣氛,使試樣的表面狀態更加接近實際工件的狀況。

    七 結論

    1、解釋了肉眼觀測時完整蒸汽膜顯得很厚,而蒸汽膜消失時蒸汽膜厚度突然變小這兩個現象的產生原因。

    2、提出了測量蒸汽膜厚度的吊重法。這一方法只能測量試樣處于完整蒸汽膜階段時蒸汽膜的平均厚度。

    3、確定了試樣的形狀大小和試驗條件,選用基礎油和勻速冷卻液,實際測量了蒸汽膜厚度。

    4、在所用試驗條件下,測量出完整蒸汽膜階段的蒸汽膜厚度值范圍為:勻速冷卻液中冷卻時,0.15~0.20mm;60SN基礎油中冷卻時,0.063~0.10mm。

    5、用數據證明了隨著試樣表面溫度降低,蒸汽膜厚度逐漸減小的推測。

    參考文獻

    [1] 張克儉,王水,郝學志,超前擴展點的誘導,熱處理技術與裝備[J],2007,28(4):14-18.

    [2] 張克儉、王水、郝學志,隔離堤法的提出與實驗驗證,熱處理技術與裝備[J],2007,28(5):6 -13.

    [3] 張克儉,沸騰冷卻區的寬度及其傳達的信息,熱處理技術與裝備[J],2007,28(6):10-16.

    [4] 梁文杰,石油化學[M].山東;石油大學出版社,1995:104-106.

    [5] Colin J. Smithells,Metals Reference Book[M], 3rded., Volume,2, London,Butterworth & Co,1962: 709.

    [6] ASM, HandbookTM,Vol.4 Heat Treating[M],1991:91,98.

    [7] 張克儉,淬火介質的冷卻特性曲線究竟說明了什么,熱處理技術與裝備[J],2007,28(2),25 -28.

    [8] 姚允斌等,物理化學手冊[M],上海科學技術出版社,1985,591,592.

    [9] 趙鎮南,傳熱學[M],北京,高等教育出版社,2002,37,55.

    [10] 張克儉、王水、郝學志,液體介質中淬火冷卻的四階段理論,熱處理技術與裝備[J],2006,27(6):14-25.




    我來說兩句



    环球娱乐有彩票的哪个
    <div id="5kwrg"><tr id="5kwrg"></tr></div>
  • <dl id="5kwrg"><ins id="5kwrg"></ins></dl>
    <dl id="5kwrg"><ins id="5kwrg"><thead id="5kwrg"></thead></ins></dl>
    <div id="5kwrg"></div>
  • <div id="5kwrg"><tr id="5kwrg"></tr></div>
  • <dl id="5kwrg"><ins id="5kwrg"></ins></dl>
    <dl id="5kwrg"><ins id="5kwrg"><thead id="5kwrg"></thead></ins></dl>
    <div id="5kwrg"></div>