侧喷铝卷退火炉气流循环系统性能研究

高玉峰，李 勇，黄 环，李守猛，秦明臣

（中航工程集成设备有限公司，北京102206）

国内箱式铝卷退火炉广泛采用气流循环端面喷吹加热技术，借助高温循环风机使炉内空气强制循环流动，通过喷口对铝卷端面进行喷吹加热，以加强对流传热系数、增快铝卷升温速率，是铝卷中间及成品退火的常用设备[1-5]。开发高性能循环系统、提高循环系统风量、改善风机出风方式、降低气流循环系统阻力，是提高循环系统流场效率、增强喷吹风量、缩短铝卷炉内升温时间、提高生产效率的重要途径。

本研究前期通过数值模拟和试验测试对箱式退火炉狭缝阵列喷口设计进行了相关优化研究[6]，使得现有铝卷退火炉在热处理工艺周期方面已到达较快水平。为实现更高的生产效率，本研究开发了新型高温离心风机和多片式导流设计相组合的高性能气流循环系统。通过搭建高性能气流循环系统的冷态流场试验平台，对该系统的气动性能、循环风量和喷口射流速度进行了测试，为高性能、高效率侧喷式铝卷退火炉结构设计与优化提供了数据支撑。

1 测试系统及方法

1.1 测试系统

测试装置主要由三部分组成（见图1）：

图1 测试系统结构示意图及试验台实物图

动力部分——驱动电机、联轴器、风机轴承组、风机叶轮；

空气循环系统——根据导流系统结构尺寸设计，包含上导流（多片式导流）、下导流（静压箱及喷口阵列）、加热器物模、风机进口集流器；

测试风筒——根据风机测试国标设计，包含喇叭口、整流格栅、流量测量孔、静压测量孔、温度测量孔等。

1.2 测试方法

采用微压计对风机进口压力测量截面内平均静压进行测定，微压计一端连接风筒壁面测孔，另一端敞开与试验室内的大气压力相通。为了确定压力测量截面对应的平均压差，应在测量截面等距布置4个壁面测孔，平均压差取4个壁面测孔的静压平均值。压力测孔布置见图2。

图2 压力测孔布置示意图

用温湿度计测量环境及风机进口截面的空气温、湿度值，用以折算试验过程中实时的空气密度。

通过变频器读取风机转速、输出转矩，用以折算风机轴输出功率。

采用锥形进口流量测定法用微压计对风机进口流量测量截面内平均静压进行测定，测试方法及要求参照上文压力测定方法。流量计算如式（1）所示：

式中：Q1—体积流量，m/s

A—流通面积，m2

△P1—压力测量平均值，Pa

ρ—空气密度，kg/m3

αε—复合系数

采用线性速度场法计算风量公式：

式中：Q2—体积流量，m/s

A—流通面积，m2

△P2—各测点动压测量平均值，Pa

令Q1=Q2，可以得到：

分别用两种测量方法测量风机不同转速时的△P1、△P2，从而计算得到αε。

2 结果分析

2.1 气流循环系统的风机特性曲线

将风机转速设置为满负荷运转，运行稳定后，通过增加堵片，改变风机负载大小，增加入口阻力，同步测量风机运行的各个气动参数，测试结果见图3。由图可知，风机装置最大运行风量为183 348 m3/h，常温下运行所需功率轴功率为217 kW，风机全压效率为10.67%。随着风压增大，风机装置风量和所需轴功率逐渐减小，全压效率逐渐提高。

图3 风机装置气动性能试验风机特性曲线图

要实现高效的气流循环喷吹技术，必寻求循环风机与导流装置的完美结合，降低管网阻力、增大有效循环风量、提高喷口风速，实现高的气流循环效率。测试结果表明，额定转速下最大运行风量约111 015 m3/h，循环系统可以克服的管网阻力约2 692 Pa，此时循环系统运行最高全压效率可达到49%。

式中：△P—进出口全压的差值，Pa

Q—体积流量，m3/h

M—叶轮所受的力矩，N·m

ω—角速度，rad/s

风机在导流系统下运行的工况点，即风机特性曲线和管网阻力曲线在风机额定转速990 r/min下的交点，见图4。由图可知，当风量为168 065 m3/h时，系统管网阻力为1 080 Pa，此时为退火炉实际运行工况点。

图4 风机装置运行工况点确认图

2.2 气流循环系统的喷口出风均匀性

喷口测点布置如图5所示。利用微压计分别测试了常温下风机转速为396 r/min、495 r/min、594 r/min、693 r/min、770 r/min下的条缝喷口出风速度分布，见图6。由图可知，随着风机转速增大，喷口风速增大，喷口出风不均匀性也随之显著提高，当风机转速达到770 r/min时，喷口出风速度最大值和最小值相差约6 m/s。同转速下，总体来看喷口各点速度分布总体较为一致，但从细节上看，左侧喷口速度上部高下部低，而右侧喷口则呈现出上低下高的趋势，这主要是受叶轮旋转方向的影响，但相比无多片式导流的结构而言，这种现象有了较大程度的改善[1]。

图5 喷口测点布置示意图

图6 风速测试结果图

3 结论

通过搭建侧喷铝卷退火炉测试平台，对循环流场系统阻力特性进行了研究，研究结果表明：

（1）随着风压增大，风机装置风量和所需轴功率逐渐减小，全压效率逐渐提高。

（2）额定转速下最大运行风量约111 015 m3/h，循环系统可以克服的管网阻力约2 692 Pa，此时循环系统运行最高全压效率可达到49%。

（3）总体来看喷口各点速度分布总体较为一致，没有太大偏差，但从细节上看，左侧喷口速度上部高下部低，而右侧喷口则呈现出上低下高的趋势。结构设计仍有优化空间。