Heat transfer analysis in quenching of stationary and moved hot metal plates using different arrays of spray nozzles

Abstract

The rate at which metals are cooled determines their surface morphology, microstructure, and mechanical properties (hardness, strength). However, controlling this process is challenging and can lead to potential issues such as distortion, cracking, and warping of the material. To address these inhomogeneities and achieve the desired metal properties, the cooling rate or heat transfer must be precisely controlled. In this study, experiments were conducted on a pilot-scale experimental setup to investigate the quenching behavior of metals. A high-speed infrared was employed to measure temperatures on the backside of the plates. A numerical inverse heat conduction 2D model was developed to determine the heat flux and temperature distribution on the quenching side of the metal plate from the measured backside temperatures. The research focused on both single and arrays of full cone sprays for horizontally moving and stationary plates. The influence of various parameters on heat transfer such as water impingement flux, nozzle pressure, volume flow rate, initial temperature, plate thickness, type of metal, nozzle-to-plate height, nozzle-to-nozzle distance, and plate velocity was studied both experimentally and numerically. These parameters were varied for both top-side and bottom-side cooling. Understanding the influence of these factors on the distribution of heat flux on the plate surface is crucial for achieving homogeneous and uniform cooling, which significantly impacts the quality of quenched metals. The study found that increasing the plate velocity, nozzle height, and nozzle-to-nozzle distance results in a decreased cooling rate and causes non-uniform cooling. The rewetting temperature and departure from nucleate boiling (DNB) temperature increase with greater plate thickness and decreased nozzle-to-plate height. Additionally, rewetting and cooling rates are relatively higher for bottom-side cooling compared to top-side cooling. Moreover, heat transfer during the cooling of vertically moving metal plates using a field of two flat sprays was studied. In these experiments, vertically moving hot metal plates of different materials and thicknesses were quenched at varying plate speeds and nozzle inclination angles. The temperature distribution along the length of the plate between the middle of two nozzles was measured. Using infrared thermal images, the width of different cooling regions such as pre-cooling, transition boiling, and nucleate boiling was compared for varying plate velocities. The maximum heat flux, the DNB temperature, and the rewetting temperature were determined for the studied parameters. It was found that the nozzle inclination angle has a minor influence on the cooling. As plate velocity and thickness increase, the maximum heat flux also increases, and the pre-cooling region shortens. This is because the position of the maximum heat flux shifts downstream, closer to the impingement region.

Die Abkühlgeschwindigkeit, mit der Metalle gekühlt werden, bestimmt deren Oberflächenmorphologie, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften (Härte, Festigkeit). Die Kontrolle dieses Prozesses ist jedoch eine Herausforderung und kann zu potenziellen Problemen wie Verformung, Rissbildung und Verzug des Materials führen. Um diese Inhomogenitäten zu verhindern und die gewünschten Metalleigenschaften zu erreichen, muss die Abkühlgeschwindigkeit bzw. der Wärmeübergang genau kontrolliert werden. Innerhalb dieser Arbeit wurden Experimente an einer pilotmaßstäblichen Versuchsanlage durchgeführt, um das Abschreckverhalten von Metallen zu untersuchen. Dafür wurden die Temperaturen auf der Rückseite der Bleche mit einer Hochgeschwindigkeits-Infrarotkamera gemessen. Ein numerisches inverses Wärmeleitungs-2D-Modell wurde entwickelt, um den Wärmestrom und die Temperaturverteilung auf der Abschreckseite des Metallblechs anhand der gemessenen Temperaturen auf der Rückseite zu bestimmen. Hierbei wurden sowohl einzelne, als auch Düsenfelder von Vollkegeldüsen für horizontale stationäre und bewegte Bleche untersucht. Der Einfluss der Parameter Wasserbeaufschlagdichte, Düsendruck, Volumenstrom, Anfangstemperatur, Blechstärke, Metallart, Düsenhöhe, Düsenabstand und Blechgeschwindigkeit auf den Wärmeübergang wurde experimentell und numerisch untersucht. Der Einfluss dieser Parameter wurde sowohl für eine Besprühung von oben sowie von unten untersucht. Zur Erzielung einer homogenen und gleichmäßigen Abkühlung, die für eine gute Qualität der abgeschreckten Metalle notwendig ist, ist das Verständnis über den Einfluss der einzelnen Parameter entscheidend. Die Studie ergab, dass eine Erhöhung von Blechgeschwindigkeit, Düsenhöhe und Düsenabstand zu einer verringerten Abkühlgeschwindigkeit und einer vergleichsweise ungleichmäßigen Abkühlung führt. Die Wiederbenetzungstemperatur und die Temperatur beim Verlassen des Blasensiedens (DNB) steigen mit zunehmender Blechdicke und geringerer Düsenhöhe. Darüber hinaus sind die Wiederbenetzungs- und Abkühlraten bei der Kühlung von unten schneller im Vergleich zur Kühlung von oben. Außerdem wurde der Wärmeübergang während der Abkühlung vertikal bewegter Metallbleche bei Verwendung von zwei Flachstrahldüsen untersucht. In diesen Experimenten wurden vertikal bewegte heiße Metallbleche unterschiedlicher Materialien und Dicken bei variierenden Blechgeschwindigkeiten und Düsenneigungswinkeln abgeschreckt. Die Temperaturverteilung entlang der Länge des Blechs zwischen der Mitte von zwei Düsen wurde gemessen und verglichen. Mit Hilfe von Infrarot-Bildern wurden die Breiten der verschiedenen Kühlzonen, wie Vorabkühlung, Übergangssieden und Blasensieden, bei variierenden Blechgeschwindigkeiten verglichen. Der maximale Wärmestrom, die DNB-Temperatur und die Wiederbenetzungstemperatur wurden für die untersuchten Parameter bestimmt. Es wurde festgestellt, dass der Düsenneigungswinkel einen schwachen Einfluss auf die Abkühlun hat. Mit zunehmender Blechgeschwindigkeit und Blechdicke steigt auch der maximale Wärmestrom und die Vorabkühlzone verkürzt sich. Dies liegt daran, dass die Position des maximalen Wärmestroms stromabwärts in die Nähe des Auftreffbereichs verschoben wird.