СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЛИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ

Настоящее изобретение относится к способу обеспечения теплопередачи неметаллического или металлического изделия. В частности, оно хорошо подходит для отраслей промышленности, связанных с производством стали, алюминия, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлических композитов, никеля или обеспечивающих неметаллические материалы, такие как пластмассы.

В свете задачи экономии расхода энергии возможно улучшение эффективности теплообменников и введение различных методик интенсификации теплообмена. Некоторые из этих методик сосредоточились на применении электрического или магнитного поля. Хотя такой подход способен повысить эффективность использования электроэнергии, также возможно достижение усовершенствований и в том, что касается жидких теплоносителей. Обычно в качестве жидкого теплоносителя применяются такие жидкости, как вода, машинное масло, этиленгликоль и т.п. Однако они обладают недостаточными характеристиками теплопередачи и поэтому для достижения требуемого теплопереноса необходимы высокая компактность и эффективность систем теплообмена. В числе усилий по улучшению теплопередачи более достойно внимания применение присадок к жидкостям.

Например, для улучшения коэффициента теплопередачи или по меньшей мере удельной теплопроводности в воду может быть добавлено поверхностно-активное вещество, такое как LEVENOL C-421, которое представляет собой моно- и диглицеридные эфиры полиэтиленоксида. Однако, хотя удельная электропроводность и повышается в некоторых случаях, присутствие поверхностно-активного вещества приводит к образованию пены. Присутствие пены представляет собой огромную проблему, так как на практике возникают трудности с ее удалением, особенно в промышленном масштабе. Кроме того, присутствие поверхностно-активного вещества усиливает коррозию в системе теплопереноса, особенно труб, по которым протекает жидкий теплоноситель. Наконец, возможно образование отложений, в частности, в системе теплопередачи.

Например, патентная заявка US2003062147 раскрывает предназначаемый для применения в сталелитейной промышленности способ производства электротехнической стали. После непрерывной разливки для получения из литой полосы электротехнической стали с ориентированной структурой было реализовано быстрое вторичное охлаждение данной литой полосы для контролирования выделения ингибирующей рост зерна фазы.

Более конкретно, описывается способ производства полосы электротехнической стали с ориентированной структурой, содержащий этапы:

(a) образования непрерывной литой полосы электротехнической стали, имеющей толщину не более около 10 мм;

(b) медленного охлаждения воздухом со скоростью около 15ºC в секунду указанной полосы до температуры от около 1150°C до около 1250°C таким образом, чтобы она пришла в затвердевшее состояние, и

(c) последующего выполнения быстрого вторичного охлаждения указанной стальной полосы, при котором полоса охлаждается со скоростью от около 65 до около 150°C в секунду до температуры не более около 950°C.

Данный способ охлаждения может быть выполнен прямым применением распылительного охлаждения, направленным охлаждением воздушным туманом или инжекционным охлаждением литой полосы на твердом носителе, таком как металлическая полоса или лист.

Однако при использовании таких способов охлаждения можно не достичь желаемого быстрого охлаждения. Действительно, направленное охлаждение воздушным туманом представляет собой процесс, трудно контролируемый в промышленном масштабе. Кроме того, оба способа охлаждения слишком длительные, поскольку поток, переносящий тепло между литой полосой и охлаждающей жидкостью или охлаждающим твердым материалом, слишком слаб.

Другой пример раскрывается в научной публикации под заголовком “Effect of Cooling Patterns on Microstructure and Mechanical Properties of Hot-Rolled Nb Microalloyed Multiphase Steel Plates” (Dong-sheng ZHENG, Fu-xian ZHU, Yan-mei LI, Bing-zhang CHEN, Journal of Iron and Steel Research, International, том 18, выпуск 8, август 2011 г, страницы 46-52). В ней описывается эффект модели охлаждения, применяемой на выходном рольганге, на микроструктуру и механические свойства микролегированных Nb толстолистовых сталей, который был исследован в ходе выполняемых при горячей прокатке экспериментов. Результаты показали возможность получения смешанной микроструктуры, содержащей феррит, бейнит и значительные количества остаточного аустенита, с применением трех типов моделей охлаждения на выходном рольганге при одинаковых условиях горячей прокатки. Например, в процессе охлаждения при способе горячей прокатки выходной рольганг может охлаждать стальную полосу в ходе следующих этапов:

(a’) охлаждение от 820ºC до 700°C с промежуточной скоростью охлаждения, при этом используемая в качестве теплоносителя вода находится в режиме ламинарного потока;

(b’) охлаждение от 700°C до 640°C с медленной скоростью охлаждения, при этом в качестве теплоносителя применяется воздух, и

(c’) охлаждение от 640°C до 440-460°C при сверхвысокой скорости охлаждения, при этом в качестве теплоносителя применяется вода.

Однако для достижения желаемой скорости охлаждения при выполнении этапов (a’) и (c’) требуется огромное количество воды. Помимо этого, существует риск того, что этапы охлаждения с использованием воды в промышленном масштабе требуют слишком длительного времени. Действительно, коэффициент теплопередачи воды недостаточно высок, чтобы быстро обеспечить промежуточную или сверхвысокую скорость охлаждения. Таким образом, необходим жидкий теплоноситель, имеющий высокий коэффициент теплопередачи.

Недавние исследования в области нанотехнологии сделали возможной разработку новой категории жидкого теплоносителя, содержащего наночастицы. Такие жидкости, также именуемые “Nanofluid”, представляют собой жидкую суспензию, содержащую частицы, у которых по меньшей мере одно измерение ниже 100 нм. Эти жидкие теплоносители обычно имеют повышенный коэффициент теплопередачи. Данные жидкости обычно используются в качестве охлаждающих жидкостей.

Такие жидкости могут применяться для ускорения теплопередачи, например, охлаждения, между неметаллическим или металлическим материалом и жидким теплоносителем. Например, в сталелитейной промышленности в процессе охлаждения при способе горячей прокатки выходной рольганг охлаждает стальную полосу от приблизительно 800-950°C на входе до 450-600°C на выходе. Таким образом, для некоторых марок стали является необходимым жидкий теплоноситель, обладающий высоким коэффициентом теплопередачи.

Однако иногда при выполнении охлаждения в два или большее количество этапов скорость охлаждения каждого этапа оказывается быстрой, но не эквивалентной. Таким образом, необходим такой способ, содержащий несколько этапов охлаждения.

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предоставить простой в реализации способ термической обработки неметаллического или металлического изделия, содержащий по меньшей мере два этапа теплопередачи между изделием и жидкими теплоносителями, имеющими коэффициенты теплопередачи, превышающие коэффициент теплопередачи воды. В частности, имеется потребность в предоставлении способа, при котором теплопередача могла бы быть быстрой и контролируемой.

Это достигается посредством предложения способа теплопереноса между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем по п.п. 1 - 26 формулы изобретения.

Следующие термины определяются следующим образом:

- жидкий теплоноситель, содержащий наночастицы (так называемый нанофлюид), означает жидкую суспензию, содержащую частицы, имеющие по меньшей мере одно измерение ниже 100 нм;

- ламинарный поток означает поток с числом Рейнольдса ниже критической величины приблизительно в 2300;

- турбулентный поток означает поток с числом Рейнольдса, превышающим критическую величину около 4000;

- концентрация порога перколяции – концентрация наночастиц, выше которой они объединяются, образуя сетчатую структуру с дальним порядком. Для связанных с теплопередачей применений подходит, чтобы такая сетка соединяла наиболее горячую часть жидкости, то есть часть, откуда начинает перетекать тепло, и самую холодную часть жидкости, то есть часть, куда тепло отводится. Другими словами, ниже концентрации порога перколяции наночастицы не являются связанными. Когда достигается концентрация порога перколяции, образованная наночастицами сетка, которая имеет более высокую удельную теплопроводность, чем жидкая среда, позволяет теплоносителям выбирать путь с намного меньшим сопротивлением теплопередаче, увеличивая таким образом удельную теплопроводность жидкости и, вследствие этого, коэффициент теплопередачи;

- масс.% означает массовую концентрацию в процентах;

- графитовые нанопластинки означают многослойную систему из графеновых листов, имеющих толщину между около 5 и 20 нм;

- малослойный графен подразумевает многослойную систему из графеновых листов, имеющих толщину между 1 и 5 нм, и

- графен означает лист толщиной в один атом из гексагонально упорядоченных, связанных атомов углерода, представляя обычно толщину менее 1 нм.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из следующего подробного описания изобретения.

Для иллюстрирования изобретения будут описаны различные воплощения и испытания образцов из неограничивающих примеров, в частности, с обращением к следующим фигурам.

Фигура 1 иллюстрирует пример одной нанопластинки согласно настоящему изобретению.

Фигура 2 иллюстрирует пример многослойных нанопластинок согласно настоящему изобретению.

Фигура 3 иллюстрирует пример сферической наночастицы согласно настоящему изобретению.

Фигура 4 иллюстрирует пример эллиптической наночастицы согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение относится к способу термической обработки неметаллического или металлического изделия, содержащему:

A – по меньшей мере один этап A) теплопереноса между указанным изделием и жидким теплоносителем A’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом данный жидкий теплоноситель имеет коэффициент теплопередачи, превышающий коэффициент теплопередачи воды, и

B – по меньшей мере один этап B) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем B’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом жидкий теплоноситель B’ имеет коэффициент теплопередачи, отличный от коэффициента теплопередачи A’ и превышающий коэффициент теплопередачи воды,

при этом указанные жидкие теплоносители A’ и B’ являются различными.

Более предпочтительно данный способ также содержит по меньшей мере один этап C) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем C’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом жидкий теплоноситель C’ имеет коэффициент теплопередачи ниже коэффициента теплопередачи воды.

Предпочтительно данный способ также содержит по меньшей мере один этап D) теплопереноса между изделием и жидким теплоносителем D’, содержащим жидкую среду и наночастицы, при этом жидкий теплоноситель D’ имеет коэффициент теплопередачи, отличный от коэффициента теплопередачи C’ и ниже коэффициента теплопередачи воды.

Согласно настоящему изобретению, этапы A), B), C), D) могут выполняться в любом порядке, этапы C и D являются необязательными. В одном предпочтительном воплощении способ термической обработки согласно настоящему изобретению содержит этапы A) и B), выполняемые последовательно. В другом предпочтительном воплощении этап B) выполняется перед этапом A). Предпочтительно способ термической обработки согласно настоящему изобретению содержит этапы A), B) и C), выполняемые последовательно. Они также могут выполняться в следующем порядке: B), C) и A) или C), A) и B). Способ термической обработки согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит этапы A), B), C) и D), выполняемые последовательно. Они также могут выполняться в следующем порядке: B), C), A) и D) или A), C), D) и B).

В одном предпочтительном воплощении жидкий теплоноситель содержит наночастицы, выбираемые из графитовых нанопластинок, графена, малослойного графена, TiO₂, ZnO₂, ZnO, нитрида бора, меди, диоксида кремния, монтмориллонита, цеолита клиноптилолита, волластонита, слюды, цеолита 4A, Al₂O₃, силиката, пемзы, оксида кальция и углеродных нанотрубок. Предпочтительно наночастицы не содержат углеродных нанотрубок.

Наночастица может быть, например, сферической, эллиптической или в форме нанопластинки.

Фигура 1 иллюстрирует пример одной нанопластинки, которая может использоваться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает самую большую протяженность нанопластинки по оси X, а толщина означает высоту нанопластинки по оси Z. Ширина нанопластинки иллюстрируется по оси Y.

Фигура 2 представляет пример многослойных нанопластинок, которые могут применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает самую большую протяженность нанопластинок по оси X, а толщина означает общую высоту всех нанопластинок в пакете по оси Z. Ширина нанопластинки отображается по оси Y.

Фигура 3 иллюстрирует пример сферической нанопластинки, которая может применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает диаметр наночастицы, а толщина соответствует высоте наночастицы.

Фигура 4 иллюстрирует пример эллиптической нанопластинки, которая может применяться в жидком теплоносителе настоящего изобретения. В этом примере поперечный размер означает наибольшую длину наночастицы, а толщина означает высоту наночастицы.

Размер в поперечном направлении и толщина наночастицы могут быть измерены с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), трансмиссионной электронной микроскопии (TEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM).

Предпочтительно наночастицы являются многослойными нанопластинками. Действительно, безотносительно к какой-либо конкретной теории, чтобы получить морфологию нанопластинок, наночастицы, по-видимому, должны иметь многослойную структуру со слабым взаимодействием между слоями, то есть Ван-дер-Ваальсовыми силами, водородной связью, механической связью, галогенной связью, пи-стэкинговым взаимодействием, катион-анионной пи-связью, интеркаляцией, солевыми мостиками и полярной пи-связью. Эта слабое связывание совместно с хорошей теплопроводностью нанопластинок расширяет возможности для улучшения коэффициента теплопередачи жидкости.

Предпочтительно толщина наночастиц составляет между 1 и 99,99 нм, предпочтительно между 5 и 50 нм и более предпочтительно между 5 и 15 нм.

Предпочтительно поперечный размер наночастицы составляет между 26 и 50 мкм, предпочтительно между 35 и 45 мкм.

Предпочтительно концентрация наночастиц составляет между 0,01 масс.% и 12 масс.%, предпочтительно между 2 и 8 масс.% и более предпочтительно между 4 и 7 масс.%.

В одном предпочтительном воплощении жидкий теплоноситель содержит диспергирующий агент, представляющий собой не обладающий поверхностно-активными свойствами полимер, поверхностно-активное вещество или их смесь. Поверхностно-активное вещество может быть катионным, анионным, амфотерным или неионогенным.

Например, диспергирующий агент может быть поливинилпирролидоном, полисахаридами, сульфатированными полисахаридами, линейными алкилбензолсульфонатами, лигносульфонатами, диалкилсульфосукцинатами, соединениями четвертичного аммония, стеаратом натрия или их смесью.

Предпочтительно массовое соотношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента составляет между 3 и 18. Более предпочтительно отношение концентрации наночастиц к концентрации диспергирующего агента составляет между 4 и 15, предпочтительно между 4 и 8 и более предпочтительно его величина находится между 4 и 6.

Безотносительно к какой-либо конкретной теории, по-видимому, при регулировании указанного выше соотношения и достижении концентрации порога перколяции жидкий теплоноситель согласно изобретению создает возможности для обеспечения более высокой удельной теплопроводности и, вследствие этого, высокого коэффициента теплопередачи в ламинарном режиме. Действительно, диспергирующий агент в этом случае способен не допускать агломерации и осаждения наночастиц. Например, если бы диспергирующий агент был представлен поверхностно-активным веществом, наночастица оказалась бы заключена в мицеллу, сердцевина которой состоит из гидрофобных молекул и оболочка – из гидрофильных молекул. Такая мицеллярная структура позволяет наночастицам диспергироваться в жидкости. Однако, чтобы обеспечить перколяцию, другими словами, образование создаваемой наночастицами сетки дальнодействующего порядка, степень дисперсности наночастиц должна быть ограничена.

Предпочтительно жидкий теплоноситель содержит жидкую среду, выбираемую из воды, этиленгликоля, этанола, масла, метанола, кремнийорганического материала, пропиленгликоля, алкилированных ароматических соединений, жидкого Ga, жидкого In, жидкого Sn, формиата калия или их смеси. Галлий, индий и олово могут применяться в качестве жидкого теплоносителя, в частности, для охлаждения металлического изделия. Действительно, температура плавления галлия составляет 30°C, индия 157°C, а олово имеет температуру плавления 232°C. Например, они могут использоваться для охлаждения компьютерных микросхем или лабораторного оборудования, такого как нейтронные источники.

Жидкий теплоноситель предпочтительно готовится с использованием следующих этапов:

A – обеспечения наночастиц согласно настоящему изобретению;

B – обеспечения жидкой среды;

C – регулирования концентрации наночастиц для достижения перколяции и

D – смешивания наночастиц с жидкой средой.

Согласно изобретению, поток жидкого теплоносителя может находиться в ламинарном или турбулентном режиме. В режиме ламинарного потока коэффициент теплопередачи пропорционален удельной теплопроводности. В отличие от этого, в режиме турбулентного потока коэффициент теплопередачи зависит от ряда теплофизических свойств, таких как вязкость.

Этап теплопереноса согласно данному изобретению подразумевает перенос тепла между металлическим или неметаллическим изделием и жидким теплоносителем. Предпочтительно металлическое изделие, являющееся, например, металлической подложкой, изготавливается из алюминия, стали, нержавеющей стали, меди, железа, медных сплавов, титана, кобальта, металлического композита, никеля, а неметаллическое изделие изготавливается из пластических масс.

На известном уровне техники теплопередача, использующая в качестве жидкой среды воду, может обычно реализовываться с применением единственного способа. Данный способ называется «способом с контактной водой», что означает, что вода, применяемая для охлаждения или нагревания объекта, находится с ним в непосредственном контакте.

Согласно одному предпочтительному воплощению изобретения, являющееся металлическим изделие представляет собой металлическую подложку, а жидкий теплоноситель находится в непосредственном с ней контакте. В этом случае теплопередача может быть осуществлена охлаждением под действием ударной силы струи, кипением в свободном объеме, распылительным охлаждением или микроканальным охлаждением.

Например, в сталелитейной промышленности теплопередача контактным водяным охлаждением может быть осуществлена:

- в орошаемых водой камерах установок для непрерывного литья и процессов горячей прокатки, таких как процессы охлаждения на выходном рольганге;

- в коксовых печах для газовой обработки и тушения кокса;

- в ходе гашения шлака в доменных печах, кислородных конвертерах и дуговых электропечах.

Предпочтительно способ термической обработки согласно изобретению содержит, кроме того, по меньшей мере один этап нагревания. Например, такой этап нагревания выполняется при температуре между 0 и 1200°C.

Способ согласно настоящему изобретению может применен при способе производства многофазной стали, такой как, например, микролегированная Nb толстолистовая сталь, во время горячей прокатки для получения смешанной микроструктуры, содержащей феррит, бейнит и значительные количества остаточного аустенита. Такая микроструктура может быть получена с помощью одного процесса охлаждения на выходном рольганге. Например, в процессе охлаждения при способе горячей прокатки выходной рольганг может охлаждать стальную полосу в ходе следующих последовательно выполняемых этапов:

A – один этап охлаждения стальной полосы жидким теплоносителем A’), содержащим воду и графитовые нанопластинки, имеющие соотношение толщины и измерения в поперечном направлении, равное 0,00025. Концентрация наночастиц составляет 5 масс.%. Повышение теплопередачи по отношению к данному показателю воды составляет в режиме ламинарного потока 203%;

С – один этап охлаждения жидким теплоносителем C’), содержащим воду в качестве жидкой среды и графитовые нанопластинки, имеющие поперечный размер 40 мкм и толщину 10 нм, то есть величину отношения толщина/поперечный размер 0,00025. Концентрация наночастиц составляет 7 масс.%. Жидкость, кроме того, содержит 1 масс.% поливинилпирролидона, при этом отношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента равно 7. Снижение теплопередачи по отношению к данному показателю воды составляет при 25°C в режиме турбулентного потока -53 % и

B – один этап охлаждения жидким теплоносителем, содержащим графитовые нанопластинки, имеющие соотношение толщина/поперечный размер, равное 0,00025. Концентрация наночастиц составляет 7 масс.%. Жидкость, кроме того, содержит 1 масс.% поливинилпирролидона в качестве диспергирующего агента, при этом отношение концентрации наночастиц и концентрации диспергирующего агента равно 7. Повышение теплопередачи по отношению к данному показателю воды составляет в режиме ламинарного потока 286%.

Таким образом, жидкие теплоносители A’) и B’) делают возможным быстрое охлаждение, при этом охлаждение этапа B) является сверхбыстрым по сравнению с охлаждением этапа A). Жидкий теплоноситель C’) позволяет проводить медленное охлаждение. Кроме того, все этапы охлаждения являются хорошо управляемыми.

Пример

Были приготовлены пробы 1 - 3 смешиванием полимолекулярных слоев нанографита, содержащего графитовые нанопластинки, имевшие отношение толщина/поперечный размер 0,00025. В пробе 3 в качестве диспергирующего агента добавлялся поливинилпирролидон.

Проба 4 состояла из воды.

Для каждой пробы была измерена теплопроводность образцов с помощью измерителя теплопроводности DTC-25. Степень повышения теплопроводности рассчитывалась по отношению к удельной электропроводности воды, при этом удельная электропроводность воды составляет при комнатной температуре, то есть при 20°C, 0,67 мК.

В ламинарном потоке увеличение теплопередачи подобно возрастанию теплопроводности, таким образом, никаких вычислений для оценки увеличения теплопередачи в процентном выражении не требуется.

Возрастание теплопередачи в турбулентном потоке вычислялось с помощью следующей формулы:

где – коэффициент теплопередачи нанофлюидов (Дж/с·K·м²), – коэффициент теплопередачи основной жидкости (Дж/с·K·м²), – теплопроводность нанофлюидов (Дж/с·K·м), – плотность нанофлюидов (кг/м³), – теплоемкость нанофлюидов (Дж/кг·K), – вязкость нанофлюидов (кг/с·м).

* согласно настоящему изобретению.

С помощью моделирования программными средствами была вычислена эффективность охлаждения в случае проб 1 - 3 и пробы 4, состоявшей из воды. В этом испытании стальной сляб, имевший плотность 7854 кг/м³, охлаждался в течение 13 секунд. Он имел длину 5 метров, ширину 1 метр и толщина сляба составляла 10 мм. Исходная температура сляба равнялась 968°C.

С одной стороны, охлаждение сляба последовательно выполнялось с пробами 1 - 3 следующим образом:

- первый этап охлаждения с пробой 1 в режиме ламинарного потока;

- второй этап охлаждения с пробой 2 в режиме турбулентного потока; и

- третий этап охлаждения с пробой 3 в режиме ламинарного потока.

С другой стороны, использовалась проба 4 в ламинарном потоке.

Следующая таблица показывает скорость охлаждения при использовании каждой пробы.

* согласно настоящему изобретению.

Пробы 1 и 3 делают возможным быстрое охлаждение, при этом охлаждение с применением пробы 3 оказывается быстрее, чем охлаждение с пробой 1. Проба 2 обеспечивает медленное охлаждение. Таким образом, со способом согласно настоящему изобретению оказывается возможным получение многофазной стали в сравнении с водой, то есть пробой 4.