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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《热处理技术与装备》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、匀速冷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。按实际的试验条件,在出炉、转移、勾挂到电子吊秤上,以及下降入冷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℃作为刚形成完整蒸汽膜时的试样平均温度。

用ΔL=αΔTL0来计算物体温度改变ΔT时的线膨胀量。其中ΔL表示固体的线膨胀量,L0是物体原来的长度,α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16.0×10-6/℃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ΔT引起的试样表面积变化值ΔS和体积变化值ΔV可分别用以下两个公式计算:
      ΔS=2αS0ΔT   (1)
      ΔV=3αV0ΔT   (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℃,试样的温度升高ΔT=580℃。按表面积增加值ΔS的公式(1),可以算出平均温度600℃时,ΔS=14.7cm2。因此,600℃时试样的实际表面积为(S0+ΔS)=813.4cm2

筒形试样的重量约1千克。玻璃槽子中匀速冷却液的总重量约25千克。所用匀速冷却液的密度和比热容都与水相近,可以用水的密度和比热容作为它的密度和比热容。试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℃。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ρ。

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ΔV=3.93cm3。这一体积增加值对试样产生的浮力约等于3.93×0.998=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Vg=16.11 cm3。于是,当时蒸汽膜的平均厚度d可以用d=Vg/(S0+ΔS ) 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,仍然只能用假定的办法,估计为200℃。并以14.0×10-6/℃作为200℃时的线膨胀系数值。再用相同的方法,算出试样200℃,也就是ΔT=180℃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。完整蒸汽膜开始破裂后,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,以便对测量值加以修正。

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。匀速冷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。水蒸气的密度比水的密度约小一千倍。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,匀速冷却液的液温为20℃。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,介质受热后发生对流。这种对流主要表现在热介质沿试样边缘的上升运动,以及离开试样较远处较冷介质的向下运动。上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又会给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,该牵引作用也越大。同时,该牵引力又与试样上受这种牵引力的总面积大小成正比。上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中形成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。 本文所用的匀速冷却液的粘度只比水的稍大。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,也可以说明这一估计是恰当的。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℃时更大而增加的浮力。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,仍然采用在上一个试验初采集的试样尺寸数据:试样总表面积S0=798.7cm2,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℃,并且继续采用600℃时的S0+ΔS=813.4cm2,和ΔV=3.90cm3值。不过,此时的冷却介质是60SN基础油,其20℃时的密度取为0.84克/cm3。为简化问题,仍然忽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3.9×0.84=3.28克。10-3.28=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℃,相应的ΔT=480℃。仍然取试样线膨胀系数为16×10-6/℃,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0.10~0.063mm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。

借用对匀速冷却液的讨论结果,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仍然可以忽略。

五 蒸汽膜厚度测量值的用途初试

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,油的四点图比水的更高。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,经常看到油在汽膜阶段的冷却速度比水的更高。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3,7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16~33℃/s范围;而清水的大多在8~20℃/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,清水的冷却速度仍然远比油的低。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,情况正好相反。我们认为,在试样表面温度相同的条件下,油的蒸汽膜厚度比水的小很多,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,仅以热传导而论,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δ,其左右侧面温度分别为tw1和tw2。依照傅里叶定律,可以求解出q的表达式:
      q=λ(tw1-tw2)/δ   (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δ,第二是蒸汽膜两测面的温度差(tw1-tw2),第三是膜内蒸汽的导热系数λ。q随δ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当比水的高。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液界面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。油的沸点比水的高,比如,60SN基础油的沸点大致在300℃左右,而水的沸点为100℃。仅看这一点,水蒸汽膜的热流密度应当比油的大些。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比水蒸气的要高。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比水的更高。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比水的大。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,实际情况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,行业内有过两种相反的回答。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。显然,仅从这一方面看,诱导锥不必要很高。比如,只需要0.5mm以上高度,就足以起到诱导超前扩展点的作用。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不费料,在铺设和清除上也会很容易。当然,实际使用的诱导锥的形状特点还需在今后的实践中确定。

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挡交界线借用,即便它们之间有一定高度的缝隙,仍然会有这种阻挡作用。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合拢之处。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――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,以期使试样转移更迅速和准确,从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,以便获得更加准确的吊重数据。5、试样加热中采用保护气氛,使试样的表面状态更加接近实际工件的状况。

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,选用基础油和匀速冷却液,实际测量了蒸汽膜厚度。

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:匀速冷却液中冷却时,0.15~0.20mm;60SN基础油中冷却时,0.063~0.10mm。

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],2007,28(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],2007,28(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],2007,28(6):10-16.

[4] 梁文杰,石油化学[M].山东;石油大学出版社,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] 张克俭,淬火介质的冷却特性曲线究竟说明了什么,热处理技术与装备[J],2007,28(2),25 -28.

[8] 姚允斌等,物理化学手册[M],上海科学技术出版社,1985,591,592.

[9] 赵镇南,传热学[M],北京,高等教育出版社,2002,37,55.

[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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