Steel products have been widely use

Steel products have been widely used everywhere in our life, and the quality of the steel products also determines the quality of our life. The main steel applications include strip investment, plate mill, and mill cooling [Ruddle and Crawlay (1987)]; quenching of extrusions, forgings and continuous castings [Chevier, et al. (1981)]; and cooling of rolls in metal rolling [Tseng and Gunderia (1989)]. For example, the accelerated cooling is one of the major objectives in steel production, because it proves the mechanical properties of the final product by providing desired structural changes. In addition, optimum strength and toughness properties of hot-rolled steel can be achieved by refining the ferrite grain size and fast conditions through accelerated cooling at approximately 15 K/s from the initial temperature. An important process parameter used to control strength and toughness is the finish cooling temperature. To obtain good steel properties, accelerated cooling is terminated at approximately 500 ºC. Accelerated cooling also yields a relatively low carbon equivalent so that the weld ability of steel is improved.


To achieve the desired cooling rate and temperature control for strip metals, several methods have been developed (see Figure 1.1). And the cooling efficiency (heat



removal rate per unit volume of water consumed) has been compared by [Tacke, et al. (1986)]. The results show that planar water jets (such as waterfalls and water curtains) which span the entire strip are about 50% more efficient than spray nozzles in removing heat from a strip at 900 ºC with a travelling speed of 10m/s. In addition to providing the highest specific cooling rate, waterfalls also provide more uniform cooling with respect to temperature variations across the strip width [Kohring (1985)]. However, recently it is found that planar water jets (water curtain) tend to over cool the steel plate and the cooling rate is difficult to control. Although spray cooling is also used extensively to cool continuous casting and strip metals on a Run-Out table, this option is permitted by its space limitations.






Figure 1.1 Schematic of cooling system along a runout table for cooling strip steel




Laminar cooling process consists of array of nozzles and is the preferred way of cooling hot steel strip used in many hot strip mills today.



The main objective of this study is to research and find out a feasible and effective means to improve the cooling efficiency of the cooling process by water jet impingement. Much work has been done to record and analyse the temperature distribution within a hot steel plate and the heat flux variety during the cooling process in this thesis. To achieve these goals, a number of analytical methods were utilised in conjunction with large numbers of experimental data of water jet impingement under various experimental conditions, which includes varied water jet figures and plate conditions, etc. By calculating and analysing the obtained experimental data, it was possible to conclude the reliable results so as to obtain an optimal approach to improve the heat transfer efficiency for the water jet impingement cooling.


1.2 The overview of this study

To obtain the optimal approach of getting the higher heat transfer efficiency in the water jet impingement cooling, all the experimental work, which was to acquire experimental data that was used to compute and analyse the heat transfer efficiency, was carried out on a test rig that was simulated to the actual industry used run-out table.


The experimental facilities were composed of a test rig, an industrial furnace and a temperature control and data acquiring system. The test steel plate was firstly heated up in the furnace, and then was moved out when the plate temperature reached a prescribed value. It was immediately put on a test bed within the test rig with a specific position, and then the water nozzle was turned on and the water jet right impinged the centre point of the plate. Thermocouples were embedded 1 mm under the top surface of the hot plate to acquire the data of temperature distribution. Programs were written to control the whole test process and acquire the temperature data that was saved in .txt files.



As a first step, the feasibility of this study was investigated and determined from the theoretic and practical analysis after a plenty of possible surveys relating to this study were completed, and a reasonable research scheme and process of this study was brought on.


Type K thermocouple was selected based on the necessary of this study and its correlative installation to the tested plate was designed as well for the heat transfer experiments. In addition, a computer system of experimental data acquirement and temperature control was worked out.


Varied industrial factors that affect the rate of heat transfer were considered in this study that include water jet impinging velocity, initial plate temperature, water nozzle diameter, sub-cooling, nozzle-to-surface spacing. The heat transfer characteristics of the water jet impingement cooling could be made clear after the heat transfer experiments with varied test conditions.


In addition, to verify and testify the heat transfer process by water jet cooling, a flow visualization study by a high-speed camera was also involved in this research. Its aim is to visually observe the whole cooling process by analysing the digitized images of heat transfer. By this study, it would be possible to measure the actual diameter of water jet and the diameter of wetted area (the definition of “wetted area” refers chapter 6, 6.4.3: the diameter of wetted area) on the hot surface.


1.3 The scope of this thesis



This thesis tries to obtain an effective method to improve the heat transfer efficiency of the cooling process by water jet impingement. To achieve this goal, a modified test rig was used to carry out all the heat transfer experiments needed in this study. All the acquired experimental data and plotted heat transfer curves were used to compare and obtain the rate of heat transfer under various tested conditions. The initial plate temperature, cooling water temperature and water jet impingement velocity are the mainly involved researched work in this study. The flow visualization study was used to observe the jet impingement cooling process and provide some insights into the flow field of the jets. Programs were written to calculate and plot the experimental data.


1.4 The organization of this thesis

The first chapter presents a general introduction to this experimental study of water jet cooling and points out the objectives of this research work.


The second chapter summaries the background of this study and the progresses of recent related research work carried out by the others. It is also discussed that the feasible methods for improving the efficiency of the cooling process.


The characteristics of water jet impingement boiling are discussed in the third chapter. This chapter concerns the theory of jet impingement boiling heat transfer, which includes the expatiation of various jet boiling forms and the correlative affected factors. Previous research works are cited as well in this chapter.


Chapter 4 deals with the experimental facilities and procedure. Type K thermocouples were employed to measure the temperatures distribution at the location 1 mm under the



top of the plate surface, and the flow rate meter (headland turbine) was used to measure the flow rate of cooling water from the nozzle. An electronic panel was used to control the switch on/off of the water pump. The measurement of temperature distribution and the acquisition of experimental data were finished by the Labview software and DAQ board.


Data analysis is discussed in the chapter 5. It deals with the initial conditions establishment, establishing the boundary conditions, constructing the finite difference (numerical) method and the calculation of heat flux.


Chapter 6 deals with the flow visualization analysis about the cooling by water jet impingement. A high-speed camera was used to observe and record the whole cooling process. The digitized images were used to visually study its flow and thermal characteristics.


Experimental results are discussed in the Chapter 7. By analysing the cooling rate and heat flux under varied conditions, the effects of water jet velocity and initial temperature on the heat transfer efficiency will be obtained.

Kết quả (Việt) 2:

Sản phẩm bằng thép đã được sử dụng rộng rãi ở khắp mọi nơi trong cuộc sống của chúng tôi, và chất lượng của các sản phẩm thép cũng xác định chất lượng của cuộc sống của chúng tôi. Các ứng dụng chính bao gồm đầu tư thép dải, nhà máy tấm, và nhà máy làm mát [Ruddle và Crawlay (1987)]; dập tắt ép đùn, rèn và đúc liên tục [Chevier, et al. (1981)]; và làm mát của cuộn trong kim loại cán [Tseng và Gunderia (1989)]. Ví dụ, làm mát tăng tốc là một trong những mục tiêu lớn trong sản xuất thép, vì nó chứng minh các tính chất cơ học của sản phẩm cuối cùng bằng cách cung cấp thay đổi cấu trúc mong muốn. Ngoài ra, sức mạnh và độ dẻo dai đặc tính tối ưu của thép cán nóng có thể đạt được bằng cách chỉnh lại kích thước hạt ferrite và điều kiện nhanh chóng thông qua làm mát tăng tốc vào khoảng 15 K / s từ nhiệt độ ban đầu. Một thông số quá trình quan trọng được sử dụng để kiểm soát sức mạnh và độ dẻo dai là nhiệt độ làm lạnh kết thúc. Để có được tính chất thép tốt, làm mát tăng tốc được chấm dứt vào khoảng 500 ºC. Làm mát tăng tốc cũng mang lại một tương đương carbon tương đối thấp nên khả năng hàn thép được cải thiện. Để đạt được tốc độ làm mát và kiểm soát nhiệt độ mong muốn cho các kim loại dải, một số phương pháp đã được phát triển (xem Hình 1.1). Và hiệu quả (nhiệt làm mát tốc độ cắt bỏ mỗi đơn vị khối lượng nước tiêu thụ) đã được so sánh bởi [Tacke, et al. (1986)]. Kết quả cho thấy các tia nước phẳng (như thác nước và rèm cửa nước) mà span toàn bộ dải khoảng 50% hiệu quả hơn so với các vòi phun trong việc loại bỏ nhiệt từ một dải ở 900 ºC với một tốc độ di 10m / s. Ngoài việc cung cấp hiệu suất làm mát cao nhất cụ thể, thác nước cũng cung cấp thêm đồng phục làm mát đối với thay đổi nhiệt độ theo chiều rộng dải với [Kohring (1985)]. Tuy nhiên, gần đây nó được tìm thấy rằng các tia nước phẳng (màn chắn nước) có xu hướng trên mát tấm thép và hiệu suất làm mát là khó kiểm soát. Mặc dù làm mát phun cũng được sử dụng rộng rãi để làm mát liên tục đúc và dải kim loại trên một Run-Out bảng, tùy chọn này cho phép hạn chế không gian của nó. Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống làm mát cùng một bảng runout để làm mát dải thép Laminar quá trình làm mát bao gồm các mảng vòi phun và là cách ưa thích của làm mát dải thép nóng được sử dụng trong nhiều nhà máy cán nóng hiện nay. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là để nghiên cứu và tìm ra một phương thức khả thi và hiệu quả để nâng cao hiệu quả làm mát của quá trình làm mát bằng cách va chạm máy bay phản lực nước . Nhiều công việc đã được thực hiện để ghi lại và phân tích sự phân bố nhiệt độ trong vòng một tấm thép nóng và sự đa dạng dòng nhiệt trong quá trình làm mát trong luận án này. Để đạt được những mục tiêu này, một số phương pháp phân tích được sử dụng kết hợp với một số lượng lớn các dữ liệu thực nghiệm của sự đụng chạm máy bay phản lực nước dưới điều kiện thí nghiệm khác nhau, trong đó bao gồm số liệu máy bay phản lực nước đa dạng và điều kiện tấm, vv Bằng cách tính toán và phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được, nó đã có thể kết luận các kết quả đáng tin cậy để có được một phương pháp tối ưu để cải thiện hiệu suất truyền nhiệt cho hệ thống lạnh va chạm tia nước. 1.2 Tổng quan về nghiên cứu này Để có được phương pháp tối ưu để nhận được hiệu quả truyền nhiệt cao hơn trong các máy bay phản lực nước làm mát va chạm, tất cả các công việc thử nghiệm, mà là để có được các dữ liệu thực nghiệm đã được sử dụng để tính toán và phân tích hiệu quả truyền nhiệt, được thực hiện trên một giàn khoan thử nghiệm mà đã được mô phỏng cho ngành công nghiệp thực tế đã sử dụng chạy ra khỏi bảng. Các phương tiện thí nghiệm bao gồm một giàn khoan thử nghiệm, một lò công nghiệp và hệ thống kiểm soát nhiệt độ và dữ liệu thu thập. Các tấm thép thử nghiệm lần đầu tiên được làm nóng lên trong lò, và sau đó đã được chuyển ra khi nhiệt độ đạt đến một giá trị tấm quy định. Nó được đặt ngay trên giường thử nghiệm trong các giàn khoan thử nghiệm với một vị trí cụ thể, và sau đó các vòi phun nước đã được bật và các máy bay phản lực nước ngay impinged điểm trung tâm của tấm. Cặp nhiệt điện được nhúng 1 mm dưới bề mặt trên của tấm nóng để có được các dữ liệu phân bố nhiệt độ. Chương trình được viết để điều khiển các quá trình kiểm tra toàn bộ và có được các dữ liệu nhiệt độ và được lưu lại trong các file .txt. Như là một bước đầu tiên, tính khả thi của nghiên cứu này đã được điều tra và xác định từ phân tích lý thuyết và thực tế sau một nhiều cuộc điều tra có thể liên quan đến Nghiên cứu này đã được hoàn thành, và một chương trình nghiên cứu hợp lý và quá trình nghiên cứu này đã được đưa vào. Loại K cặp nhiệt điện được lựa chọn dựa trên sự cần thiết của nghiên cứu này và cài đặt tương ứng của nó với các tấm thử nghiệm được thiết kế cũng như cho các thí nghiệm truyền nhiệt. Ngoài ra, một hệ thống máy tính có được một cách dữ liệu thực nghiệm và kiểm soát nhiệt độ đã đề ra. Yếu tố công nghiệp đa dạng mà ảnh hưởng đến tốc độ chuyển nhiệt được xem xét trong nghiên cứu này bao gồm các máy bay phản lực nước tác động đến tốc độ, nhiệt độ tấm ban đầu, đường kính vòi phun nước, tiểu làm mát , vòi phun-to-mặt khoảng cách. Các đặc tính truyền nhiệt của hệ thống lạnh va chạm máy bay phản lực nước có thể được thực hiện rõ ràng sau khi thí nghiệm truyền nhiệt với điều kiện thử nghiệm khác nhau. Ngoài ra, để xác minh và làm chứng về quá trình truyền nhiệt bằng cách làm mát vòi phun nước, một nghiên cứu dòng chảy trực quan bằng một máy ảnh tốc độ cao cũng đã tham gia vào nghiên cứu này. Mục đích của nó là để trực quan quan sát quá trình làm mát toàn bộ bằng cách phân tích các hình ảnh số hóa truyền nhiệt. Trong nghiên cứu này, nó sẽ có thể để đo đường kính thực tế của máy bay phản lực nước và đường kính của khu vực ướt (định nghĩa của "khu vực ướt" là chương 6, 6.4.3: đường kính của khu vực ướt). Trên bề mặt nóng 1.3 Phạm vi của luận án này luận án này sẽ cố gắng để có được một phương pháp hiệu quả để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt của quá trình làm mát bằng cách va chạm tia nước. Để đạt được mục tiêu này, một giàn khoan thử nghiệm đổi được sử dụng để thực hiện tất cả các thí nghiệm truyền nhiệt cần thiết trong nghiên cứu này. Tất cả các dữ liệu thực nghiệm thu được và những đường cong truyền nhiệt âm mưu đã được sử dụng để so sánh và có được tốc độ truyền nhiệt trong điều kiện thử nghiệm khác nhau. Nhiệt độ ban đầu tấm, làm mát nhiệt độ nước và tia nước vận tốc va chạm là công việc nghiên cứu chủ yếu là tham gia vào nghiên cứu này. Các nghiên cứu dòng chảy trực quan được sử dụng để quan sát quá trình làm mát va chạm máy bay phản lực và cung cấp một số thông tin vào các trường dòng chảy của các máy bay phản lực. Chương trình được viết để tính toán và vẽ đồ thị dữ liệu thực nghiệm. 1.4 Các tổ chức của luận án này Các chương đầu tiên trình bày giới thiệu chung về nghiên cứu thực nghiệm này làm mát máy bay phản lực nước và chỉ ra các mục tiêu của công trình nghiên cứu này. Các chương tóm lược thứ hai là nền tảng của này nghiên cứu và tiến bộ của công trình nghiên cứu có liên quan gần đây được thực hiện bởi những người khác. Nó cũng được thảo luận là các phương pháp khả thi để nâng cao hiệu quả của quá trình làm mát. Các đặc tính của máy bay phản lực nước va đập sôi được thảo luận trong chương thứ ba. Chương này liên quan đến lý thuyết về va chạm máy bay phản lực sôi truyền nhiệt, trong đó bao gồm các expatiation của hình thức phản lực sôi khác nhau và các yếu tố ảnh hưởng tương ứng. Công trình nghiên cứu trước đó được trích dẫn là tốt ở chương này. Chương 4 giao dịch với các cơ sở thực nghiệm và thủ tục. Loại cặp nhiệt K đã được sử dụng để đo sự phân bố nhiệt độ tại vị trí 1 mm dưới cùng của bề mặt tấm, và đồng hồ đo tốc độ dòng chảy (tuabin mũi đất) đã được sử dụng để đo tốc độ dòng chảy của nước làm mát từ vòi phun. Một bảng điều khiển điện tử được sử dụng để kiểm soát việc chuyển đổi on / off của máy bơm nước. Việc đo nhiệt độ phân phối và mua lại của dữ liệu thử nghiệm đã được hoàn thành bởi các phần mềm Labview và bảng DAQ. Phân tích dữ liệu được thảo luận trong chương 5. Nó đề với việc thành lập các điều kiện ban đầu, thiết lập các điều kiện biên, xây dựng sự khác biệt hữu hạn (số) phương pháp và tính toán nhiệt thông. Chương 6 Chương trình khuyến mại với việc phân tích dòng chảy trực quan về sự lạnh bởi sự đụng chạm tia nước. Một máy ảnh tốc độ cao đã được sử dụng để quan sát và ghi lại quá trình làm mát toàn bộ. Các hình ảnh được số hóa được sử dụng để trực quan nghiên cứu dòng chảy của nó và đặc điểm nhiệt. Kết quả thí nghiệm được thảo luận trong Chương 7. Bằng cách phân tích hiệu suất làm mát và thông lượng nhiệt trong điều kiện đa dạng, ảnh hưởng của vận tốc máy bay phản lực nước và nhiệt độ ban đầu về hiệu suất truyền nhiệt sẽ thể thu được.