Influence of nozzle type and configuration and surface roughness on heat transfer during metal quenching with water

Abstract

Controlling of cooling rate during metal manufacturing is critical, since an improper cooling leads to severe defect formation and thereafter reduce the productivity. In order to optimize the cooling behavior, analysis of heat transfer during metal quenching with liquid sprays and jets are of great importance and hence presented in this research. Experiments are conducted in laboratory to study the effect of process variables on the cooling performance. The metal samples of different types are heated up to a required initial temperature prior to being quenched. The rear surface of the metal plate is coated manually with high temperature thermal sprays in order to achieve a high and stable emissivity, which is crucial in application of infrared thermography. The parameters on boiling curves such as rewetting, DNB temperatures, and maximum heat flux are then evaluated based on the measured temperature histories. Before performing parametric studies of the heat transfer during metal cooling, a systematic determination of surface emissivity for two kinds of thermal coating are carried out. The two thermal coatings, named after their manufacturers, are “Senotherm” and “Ulfalux”, respectively. Their performances at high initial temperatures are crucial to the measurement accuracy. In chapter 3, single nozzles such as full cone, flat spray and full jet nozzles are investigated. Furthermore, inline and staggered nozzle fields consisted of full jet nozzles are also supplemented to the experimental plans. All the used nozzles are produced by Lechler®. The used full cone nozzle has a cone angle of 60°. The average spray flux is 7.6 kg/(m²s) at a volume flow rate of 1.2 l/min and a plate-to-nozzle spacing of 50 mm. In experiments with full cone nozzle, the effect of sample thickness is thoroughly studied, since it is not well quantified in previous researches. It has been found out that rewetting and DNB temperatures, maximum heat flux increase with the metal sample thickness. The spray angle of the studied flat spray nozzle is 60°. As for flat spray nozzle, variables such as nozzle inclination angle and liquid volume flow rate are investigated to determine their influences on the cooling behavior. At last, the experiments with full jet nozzle are systematically carried out. The effect of variables such as initial temperature, jet velocity, metal thickness, metal type and nozzle diameter are studied and presented. Furthermore, experiments with inline and staggered nozzle fields consisted of full jet nozzles are carried out. Nevertheless, it has been found that there is no significant difference on cooling performance between these two nozzle fields. Chapter 4 deals with the effect of surface roughness on cooling behavior under several cooling strategies. In order to study the effect of surface roughness on quenching behavior, metal samples with different levels of roughness are used. The investigated metal alloys are categorized into two groups: aluminum and copper alloy. The investigated aluminum alloys are AA 5083 and AA 6082, while CuCrZr and CuSn4 for copper alloys. Their surface conditions are measured with a stylus profilometer to depict the characteristic values such as arithmetic mean roughness Ra, maximum roughness depth Rmax etc. It has been observed that spray impingement is mostly affected by the surface roughness, while its influence during cooling with liquid jet and mold is marginal.

Die Steuerung der Kühlrate während der Kühlung von Metallen ist bedeutsam, da eine unsachgemäße Kühlung zu einer starken Defektbildung im Gefüge führen kann, die sich auf die Produktivität des Prozesses auswirkt. Um das Kühlverhalten zu optimieren, ist die Analyse der Wärmeübertragung beim Quenchen von Metallen mit Sprays und Strahlen von großer Bedeutung und wird daher in dieser Dissertation untersucht. Experimente werden im Labor durchgeführt, um den Einfluss von Prozessvariablen auf die Kühlleistung zu untersuchen. Die Metallproben verschiedener Art werden vor der Abkühlung auf eine Anfangstemperatur erhitzt. Die Rückseite der Metallplatte wird manuell mit einer Hochtemperatur-Thermo-beschichtung lackiert, um einen hohen und stabilen Emissionsgrad zu erreichen, da dieser für die Anwendung der Infrarot-Thermografie von entscheidender Bedeutung ist. Die Parameter wie Benetzungs-, DNB-Temperatur und maximale Wärmestromdichte werden aus den gemessenen Temperaturprofilen abgeleitet. Bevor parametrische Untersuchungen zur Wärmeübertragung bei der Metallkühlung durchgeführt werden, wird eine systematische Bestimmung des Emissionsgrades für zwei thermische Beschichtungen durchgeführt. Die beiden nach ihren Herstellern benannten Beschichtungen sind "Senotherm" und "Ulfalux". Die Messgenauigkeit der Temperatur wird entscheidend durch die Beschichtung bestimmt. Zunächst wird die Kühlung mit einzelnen Düsen untersucht. Im Mittelpunkt stehen Vollkegel-, Flachstrahl- und Vollstrahldüsen. Alle verwendeten Düsen kommen von der Firma Lechler®. Die verwendete Vollkegeldüse hat einen Sprühwinkel von 60°. Die durchschnittliche Wasserbeaufschlagungsdichte beträgt 7,6 kg/(m²s) bei einem Volumenstrom von 1,2 l/min und einem Abstand von Metallpatte zur Düse von 50 mm. In den Experimenten mit der Vollkegeldüse wird der Effekt der Probendicke gründlich untersucht, da er in früheren Untersuchungen nicht gut quantifiziert wurde. Es stellt sich heraus, dass sich die Benetzungs- und DNB-Temperatur bzw. den maximalen Wärmestromdichte mit der Metallprobendicke erhöht. Der Sprühwinkel der untersuchten Flachstrahldüse beträgt 60°. Der Düsenneigungswinkel und der Flüssigkeitsvolumenstrom werden variiert, um den Einfluss auf das Kühlverhalten zu bestimmen. Schließlich werden die Versuche mit einer Vollstrahldüse systematisch weitergeführt. Die Auswirkungen von Variablen wie Anfangstemperatur, Metalldicke, Metallart und Düsendurchmesser werden dargestellt. Fluchtend und versetzt angeordnete Düsenfelder, die aus Vollstrahldüsen bestehen, ergänzen den Versuchsplan. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass zwischen diesen beiden Düsenfeldern keine signifikanten Unterschiede in der Kühlleistung bestehen. Um den Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Abkühlverhalten zu untersuchen, werden Metallproben mit unterschiedlichen Rauheiten verwendet. Ein Teil der Metallproben wird direkt aus dem Barren entnommen, die von Nichteisenmetallherstellern hergestellt werden. Die untersuchten Metalllegierungen werden in zwei Gruppen eingeteilt: Aluminium- und Kupferlegierungen. Die untersuchten Aluminiumlegierungen sind AA 5083 und AA 6082, während CuCrZr und CuSn4 für Kupferlegierungen verwendet werden. Ihre Oberflächenzustände werden mit einem Stylus-Profilometer gemessen, um die charakteristischen Werte wie den arithmetischen Mittenrauwert Ra, die maximale Rautiefe Rmax usw. darzustellen. Es wurde beobachtet, dass bei Einsatz von Spraydüsen die Abkühlung sehr stark von der Oberflächenrauheit beeinflusst wird, während bei Vollstrahldüsen und Kokillenstrahlen der Einfluss der Oberflächenrauheit gering ist.