Experimental Study and Calculation of Boiling Heat Transfer on Steel Plates During Runout Table Operation

Abstract

Within a hot strip steel mill, red hot steel is hot rolled into a long continuous slab that is led onto what is called the runout table. Temperatures of the steel at the beginning of this table are around 900 °C. Above and below the runout table are banks of water jets, sprays or water curtains that rapidly cool the steel slab. The heat transfer process itself may be considered one of the most complicated in the industrial world. The cooling process that occurs on the runout table is crucial and governs the final mechanical properties and flatness of a steel strip. However, very limited data of industrial conditions has been available and that which is available is poorly understood. To study heat transfer during runout table cooling, an industrial scale pilot runout table facility was constructed at the University of British Columbia (UBC). This paper describes the experimental details, data acquisition and data handling techniques for steel plates during water jet impingement cooling by one circular water jet from industrial headers. The effect of cooling water temperature and initial steel plate temperature as well as varying water jet diameters on heat transfer was systematically investigated. A two-dimensional finite element scheme based inverse heat conduction model was developed to calculate surface heat transfer coefficients along the impinging surface. Heat flux curves at the stagnation area were obtained for selected tests. A quantitative relationship between adjustable processing parameters and heat transfer coefficients along the impinging surface during runout table operation is discussed. The results of the study were used to upgrade an extensive process model developed at UBC. The model ties in the cooling rate and hence twodimensional temperature gradients to the resulting microstructure and final mechanical properties of the steel. This process model is widely used by major steel industries in Canada and the United States.

Dans un laminoir à bandes d’acier chaud, l’acier chauffé au rouge est laminé à chaud en une longue brame continue qui est guidée sur ce qu’on appelle le train à rouleaux de sortie. La température de l’acier au début de ce train est autour de 900 °C. Au-dessus et ou-dessous du train à rouleaux de sortie, il y a des rangées de jets d’eau, de pulvérisateurs ou de rideaux d’eau qui refroidissent rapidement la brame d’acier. Le procédé de transfert de chaleur lui-même peut être considéré comme l’un des plus compliqués du monde industriel. Le procédé de refroidissement qui se produit sur le train à rouleaux de sortie est critique et gouverne les propriétés mécaniques finales et la planéité d’une bande d’acier. Cependant, très peu de données sont disponibles pour des conditions industrielles. Ce qui est disponible est mal compris. Pour étudier le transfert de chaleur lors du refroidissement du train à rouleaux de sortie, on a construit, à l’université de la Colombie britannique, une installation pilote à l’échelle industrielle d’un tel train à rouleaux de sortie. Ce document décrit les détails expérimentaux, l’acquisition de données et les techniques de manipulation des données pour les tôles d’acier lors du choc du jet d’eau par un jet d’eau circulaire provenant de tuyaux collecteurs industriels. On a étudié systématiquement l’effet de la température de l’eau de refroidissement et de la température initiale de la tôle d’acier ainsi que la variation du diamètre du jet d’eau sur le transfert de chaleur. On a développé un modèle de conduction de chaleur inverse basé sur une méthode aux éléments finis à deux dimensions, afin de calculer les coefficients de transfert de chaleur de la surface au long de la surface incidente. Pour des tests choisis, on a obtenu des courbes de flux de chaleur dans la zone de stagnation. On discute d’une relation quantitative entre les paramètres ajustables du traitement et les coefficients de transfert de chaleur le long de la surface incidente lors de l’opération du train à rouleaux de sortie. On a utilisé les résultats de l’étude pour améliorer un modèle extensif de procédé développé à UBC. Le modèle rattache le taux de refroidissement et en conséquence, les gradients de température à deux dimensions, à la microstructure résultante at aux propriétés mécaniques finales de l’acier. Ce modèle du procédé est largement utilisé par les principales industries de l’acier au Canada et aux Etats-Unis.