Rafał Wyczółkowski

The Experimental Study of the Effective Thermal Conductivity of Bundles of Rectangular Steel Sections/ Badania Eksperymentalne Efektywnej Przewodności Cieplnej Wiązek Stalowych Profili Prostokątnych

Abstract Bundles of rectangular steel sections are examples of the porous charge. Due to the voids within the sections, this type of charge is characterized by porosity even exceeding 85%. This makes the thermal properties of these elements, expressed by the effective thermal conductivity kef, totally different from the thermal conductivity of steel. The value of the kef coefficient depends on many factors such as: the ratio of the thermal conductivity of steel to that of gas, the structure of the solid matrix and its porosity and the lack of the continuity of the steel phase. The paper describes experimental investigations concerning the measurements of the effective thermal conductivity of a steel sections bundles. Streszczenie Stalowe wyroby długie takie jak pręty, rury, profile czy różnego typu kształtowniki, podczas obróbki cieplnej nagrzewa się w postaci wiązek. Z punktu widzenia struktury wewnętrznej wsady tego typu, są niejednorodnym ośrodkiem porowatym. Cecha ta sprawia, że własności cieplne tych wsadów, wyrażane za pomocą efektywnej przewodności cieplnej kef są zupełnie odmienne od własności cieplnych samej stali. Wiedza na temat kształtowania się wartości współczynnika kef obrabianych cieplnie wiązek, jest istotna z punktu widzenia doboru optymalnych parametrów nagrzewania. W artykule przedstawiono wyniki pomiarów współczynnika kef wykonane dla próbek w postaci płaskich złóż stalowych profili prostokątnych. Badane złoża wykonano z czterech typów profili: 40×20 mm, 40×40 mm, 60×60 mm i 80×80 mm. Pomiary przeprowadzono według metody stanu ustalonego na stanowisku laboratoryjnym działającym na zasadzie jednopłytowego aparatu Poensgena. Wykazano iż badany parametr (oprócz próbek wykonanych z profili 40×20 mm) rośnie w funkcji temperatury. Ponadto jego wartość jest tym większa im większy jest rozmiar profilu tworzącego daną próbkę. Wartości bezwzględne efektywnej przewodności cieplnej badanych próbek, w zależności od temperatury i rodzaju profili, wynosiły od 3,2 do 6,8 W/(m×K). Wartości te stanowią od 0,8 do 0,18 przewodności cieplnej stali z których wykonano profile. Zaprezentowane badania, stanowią jeden z elementów prac prowadzonych przez autorów nad optymalizacją parametrów technologicznych procesów nagrzewania wiązek różnego typu elementów długich, związanych z ich obróbką cieplną.

Modelling of Heat Flow in Bundles of Round Steel Bars Including the Formation of Scale Layer

The article presents a proposal of a mathematical model describing the complex heat flow within the area of steel bar bundles. The model is based on an analysis of the thermal resistances defined for mechanisms of heat transfer present in the discussed medium. A bundle is considered a porous medium with a granular structure. Taking into account the modes of heat flow, we consider the following: thermal conduction in a solid phase (steel and scale), thermal conduction in a liquid phase (gas), and thermal radiation and the contact conduction in the areas of bar contact. The essence of the discussed model is the consideration of the phenomenon of scale, which is formed on the surface of the heated bars. The final result of the described calculation procedure is the value of the effective thermal conductivity kef. This parameter quantitatively expresses the heat flow in the area of the bars bundle and constitutes its basic thermal property. The value of kef is necessary for the optimization of heating a bundle of bars.

The Possibilities of Determining the Effective Thermal Conductivity of Steel Rectangular Section Bundles Based on the Selected Literature Models

The article presents the results of calculations of the effective thermal conductivity kef for bundles of steel rectangular sections obtained for a few analytical models. This coefficient expresses the ability of the bundles to heat transfer. The knowledge about the values of the kef coefficient of the section bundles is essential to correctly identify the parameters of their heat treatment process. The quality of the calculation results were verified by the experimental measurement data. These measurements were performed in the guarded hot plate apparatus. It should be noted, that none of the eleven analyzed models of effective thermal conductivity is suitable for evaluation of thermal properties of the section bundles.

Analysis of The Rayleigh Number in the Area of Steel Rectangular Sections in the Conditions of Stedy and Unstedy Heat Flow/ Analiza Liczby Rayleigha W Obszarze Stalowych Profili Prostokątnych W Warunkach Ustalonego I Nieustalonego Przepływu Ciepła

Abstract The paper presents the experimental measurements dedicated to the research for the Rayleigh number (Ra) in the area of rectangular steel sections. This problem is associated with the analysis of the free convection which takes place in the heating of sections bundles during the heat treatment. The study was conducted for both steady and transient heat transfer. The values of the Ra number obtained for the tested sections allow to describe the phenomenon of convection on the basis of a very simple criterial dependence. It greatly simplifies the mathematical description of the heat transfer phenomenon in the concerned charges. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych, których celem było określonie liczby Rayleigha (Ra) dla profili prostokątnch, nagrzewanych w warunkach ustalonej i nieustalonej wymiany ciepła. Analizie poddano trzy rodzaje profili: 40×20 mm, 60×60 mm oraz 80×80 mm. Badania dla warunków ustalonych przeprowadzono w komorze grzewczej stanowiska do pomiarów efektywnej przewodności cieplnej wsadów porowatych. Natomiast badania w warunkach nieustalonych przeprowadzono w elektrycznym piecu komorowym. Charakter zmian liczby Ra w funkcji temperatury, dla obu sposobów nagrzewania jest podobny. W każdym z przypadków, maksymalną wartość parametr Ra uzyskuje w przedziale temperatury około 100÷200°C. Dla profili 80×80 mm parametr ten jest około sześciokrotnie większy w porównaniu z profilami 60×60 mm. W przypadku nieustalonego przepływu ciepła, bezwzględne wartości parametru Ra są o rząd wielkości większe od wartości uzyskanych dla warunków ustalonych. Odnotowane liczby Ra nie przekroczyły wartości 107. Maksymalna wartość tego parametru wyniosła około 1,2×106. Zatem przy nagrzewaniu analizowanych profili, występujacą w ich wnętrzu konwekcję, można traktować jako intensyfikację przewodzenia w wypełniającym je powietrzu. Wyniki przedstawionych badań posłużą do analizy wpływu występującej wewnątrz profili konwekcji, na proces nagrzewania wiązek tych elementów. Ostatecznym wynikiem prowadzonych w tym zakresie analiz, będzie opracowanie modelu do wyznaczania efektywnej przewodności cieplnej tego wsadu.

OPTIMIZATION OF THE HEAT TREATMENT PROCESS OF A STEEL POROUS CHARGE USING AN INTEGRATED MODELLING

The paper discusses the structure and principle of operation of programs for integrated modelling of the processes of heat treatment of porous-structure steel charges, such as long product bundles or strip or wire coils. Consideration is given to the specificity of these models in respect to porous charges. This is associated with their untypical thermal properties, which are expressed using the concept of effective thermal conductivity.