Local heat transfer and stress analysis during quenching of moving metal plates using array of jets

Abstract

Cooling of hot metal plates during the many heat treatment process, the casting process and hardening processes is highly challenging as the material undergoes large deformation and leads to the formation of cracks. The high residual stresses, initiation of the cracks occur with cooling water from an array of jets. The local heat transfer mechanism in such processes leads to larger non-uniform temperature distribution across the material for various quench time. Therefore, the accurate knowledge of the thermal boundary conditions due to water impingement in the transient phenomenon leads to better optimizing the process to lower the deformation. To estimate heat transfer mechanism on the quenched side, we conducted experiments using infrared thermography to measure the surface temperatures on the surface of the quenched side. Experiments are conducted in a laboratory setup and two-dimensional spatial temperature measurements are highly beneficial for understanding the local heat transfer phenomena. The thermal history on the back side of quenching was used for the accurate prediction of the heat fluxes on the quenched side and further more to characterize the boiling curve. A non-linear inverse heat transfer method is developed and verified accurately with the experimental surface temperatures for the two-dimensional directions and furthermore the three-dimensional inverse heat conduction problem is developed. The developed inverse model employes the Tikhonov regularization parameter to accurately stabilize the non-linearities of the experimental measurements. A finite element program is developed for the coupling of the direct heat transfer problem and the inverse heat conduction problem using MATLAB programming language. The coupled finite element program predicts the heat fluxes accurately with the usage of the experimental surface temperatures. The developed method can be easily employed to the estimation of the heat fluxes with the know surface measured temperatures. This type of heat flux prediction should replace the large fluid simulation to understand the accurate local heat transfer. The influence of different process parameters such as water jet velocity, plate velocity, initial temperature, metal thickness, and types of metal are investigated to understand the heat transfer mechanism. The local heat transfer in the full jet quenching process demonstrates the maximum heat transfer occurs nearly in the stagnation position of the water jet. The high intensity of the heat transfer can be extracted in the water impingement position. The variation of the different process parameters reveals that the increase in the magnitude proportionally higher the rate of heat transfer and the position of the departure nucleate boiling occurs exactly near the water impingement position. Therefore, the local position of the water jet impingement is highly responsible for the heat extraction from the hot moving metal plates and the fixed plates. An accurate prediction of the thermal boundary conditions can be further used in the thermo-mechanical modeling to estimate the mechanical behavior of the material in the cooling process. For this, coupled finite element programming in two-dimensions was developed in MATLAB programming language and three-dimensional model in COMSOL multiphysics. To predict the thermal deformation and residual stresses, an accurate material model was used from the literature. The further variation of different process parameters such as the configuration of water jets, water jet velocity, plate velocity, initial temperature of the plate, metal thickness on the thermal deformation and the formation of the thermal stresses. The thermo-mechanical model coupled with the estimation of the thermal boundary conditions with the inverse heat conduction model for the measured surface temperatures as an input is validated. This work mainly focused to understand the thermal boundary conditions locally during quenching of moving hot metal plates and further more to estimating the evolution of the thermal stresses. A brief understanding of the influencing process parameters on the heat transfer mechanism is reported in detail and observed the definition of the local position of the water impingement plays a crucial role in the maximum heat transfer intensity. The themo-mechanical modeling of the quenching process is a powerful tool for estimating the thermal stresses, deformation and local heat transfer to optimize the process in industrial applications.

Die Abkühlung heißer Metallplatten während verschiedener Wärmebehandlungsverfahren, des Gießens und der Härtung ist eine große Herausforderung, da das Material stark verformt wird, was zur Bildung von Rissen führen kann. Die Entwicklung hoher Eigenspannungen während der Abkühlung heißer Platten mit Hilfe von Kühlwasser aus einer Reihe von Düsen führt zur Rissbildung. Der lokaleWärmeübertragungsmechanismus führt bei solchen Prozessen zu einer großen ungleichmäßigen Temperaturverteilung über das Material. Daher ist die genaue Kenntnis der instationären thermischen Randbedingungen von entscheidender Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist es, die Prozessparameter zu optimieren, um die Eigenspannung und die Verformung zu verringern. Um denWärmeübertragungsmechanismus während des Abschreckens abzuschätzen, werden Experimente durchgeführt und die Oberflächentemperatur auf der abgeschreckten Seite mit Hilfe der Infrarot-Thermografie gemessen. Die Experimente werden in einem Laboraufbau durchgeführt, und zweidimensionale räumliche Temperaturmessungen sind für das Verständnis der lokalen Wärmeübertragungsphänomene von großem Vorteil. Der Wärmeverlauf auf der Rückseite der Abschreckplatte wurde für die genaue Vorhersage des Wärmestroms auf der abgeschreckten Seite und zur Charakterisierung der Siedekurve verwendet. Eine nichtlineare inverse Wärmeübertragungsmethode wird entwickelt und mit den experimentellen Oberflächentemperaturen für die zweidimensionalen Richtungen genau verifiziert, und darüber hinaus wird das dreidimensionale inverse Wärmeleitungsproblem entwickelt. Das entwickelte inverse Modell verwendet den Tikhonov-Regularisierungsparameter, um die Nichtlinearitäten der experimentellen Messungen genau zu stabilisieren. Für die Kopplung des direkten Wärmeübertragungsproble-ms und des inversen Wärmeleitungsproble-ms wird ein Finite-Elemente-Programm in der Programmiersprache MATLAB entwickelt. Das gekoppelte Finite-Elemente-Programm sagt den Wärmestrom unter Verwendung der experimentellen Oberflächentemperatur genau voraus. Die entwickelte Methode kann leicht zur Abschätzung des Wärmestroms mit der bekannten gemessenen Oberflächentemperatur eingesetzt werden. Diese Art der Wärmestromvorhersage ersetzt die großflächige Strömungssimulation und ermöglicht eine genaue Vorhersage des lokalen Wärmeübergangs. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter wie Wasserstrahlgeschwindigkeit, Plattengeschwindigkeit, Anfangstemperatur, Metalldicke und Metallarten wird untersucht, um den Wärmeübertragungsmechanismus während dieses Prozesses zu verstehen. Der lokale Wärmeübergang bei der Vollstrahlabschreckung zeigt, dass der maximale Wärmeü-bergang nahezu in der Stagnationsposition des Wasserstrahls stattfindet. Die hohe Intensität des Wärmeübergangs kann in der Nähe des Wasseraufprallbereichs ermittelt werden. Die Variation der verschiedenen Prozessparameter zeigt, dass die Zunahme der Größe proportional die Wärmeübertragungsrate erhöht und die Position des Abgangs vom Keimsieden genau in der Nähe der Wasseraufprallposition auftritt. Daher ist die lokale Position der Wasserstrahlbeaufschlagung in hohem Maße für den Wärmeentzug sowohl aus den heißen, sich bewegenden Metallplatten als auch aus den festen Platten verantwortlich. Die vorhergesagten thermischen Randbedingungen werden in der thermomechanischen Modellierung weiter verwendet, um das mechanische Verhalten des Materials während des Abkühlungsprozesses abzuschätzen. Hierfür wird eine gekoppelte Finite-Elemente-Programmierung in zwei Dimensionen in der Programmiersprache MATLAB und ein dreidimensionales Modell in COMSOL Multiphysics entwickelt. Für die Modellierung der Mechanik werden Kriech- und viskoplastische Konstitutivbeziehungen verwendet. Die Variation verschiedener Prozessparameter wie die Konfiguration der Wasserstrahlen, die Geschwindigkeit des Wasserstrahls, die Geschwindigkeit des Blechs, die Anfangstemperatur des Blechs und die Dicke des Metalls auf die thermische Verformung und die Bildung der thermischen Spannungen wird im Detail untersucht. Das thermomechanische Modell, gekoppelt mit der Abschätzung der thermischen Rand-bedingungen mit dem inversen Wärmeleitungsmodell für die gemessenen Oberflächentemp-eraturen als Input, wird validiert. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag auf dem Verständ-nis der lokalen thermischen Randbedingungen während des Abschreckens von sich bewegenden heißen Metallplatten und der Abschätzung der Entwicklung der thermischen Spannungen. Ein kurzes Verständnis der Prozessparameter, die den Wärmeübertrag-ungsmechanismus beeinflussen, wird im Detail beschrieben. Die lokale Position des Wasseraufpralls spielt eine entscheidende Rolle für die maximale Wärmeübertragungsintensität. Einige wenige industrielle Anwendungen der entwickelten Modelle werden in dieser Arbeit diskutiert.