高玉峰，李 勇，黃 環(huán)，李守猛，秦明臣

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京102206）

國內(nèi)箱式鋁卷退火爐廣泛采用氣流循環(huán)端面噴吹加熱技術(shù)，借助高溫循環(huán)風機使爐內(nèi)空氣強制循環(huán)流動，通過噴口對鋁卷端面進行噴吹加熱，以加強對流傳熱系數(shù)、增快鋁卷升溫速率，是鋁卷中間及成品退火的常用設(shè)備[1-5]。開發(fā)高性能循環(huán)系統(tǒng)、提高循環(huán)系統(tǒng)風量、改善風機出風方式、降低氣流循環(huán)系統(tǒng)阻力，是提高循環(huán)系統(tǒng)流場效率、增強噴吹風量、縮短鋁卷爐內(nèi)升溫時間、提高生產(chǎn)效率的重要途徑。

本研究前期通過數(shù)值模擬和試驗測試對箱式退火爐狹縫陣列噴口設(shè)計進行了相關(guān)優(yōu)化研究[6]，使得現(xiàn)有鋁卷退火爐在熱處理工藝周期方面已到達較快水平。為實現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，本研究開發(fā)了新型高溫離心風機和多片式導流設(shè)計相組合的高性能氣流循環(huán)系統(tǒng)。通過搭建高性能氣流循環(huán)系統(tǒng)的冷態(tài)流場試驗平臺，對該系統(tǒng)的氣動性能、循環(huán)風量和噴口射流速度進行了測試，為高性能、高效率側(cè)噴式鋁卷退火爐結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 測試系統(tǒng)及方法

1.1 測試系統(tǒng)

測試裝置主要由三部分組成（見圖1）：

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及試驗臺實物圖

動力部分——驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、風機軸承組、風機葉輪；

空氣循環(huán)系統(tǒng)——根據(jù)導流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，包含上導流（多片式導流）、下導流（靜壓箱及噴口陣列）、加熱器物模、風機進口集流器；

測試風筒——根據(jù)風機測試國標設(shè)計，包含喇叭口、整流格柵、流量測量孔、靜壓測量孔、溫度測量孔等。

1.2 測試方法

采用微壓計對風機進口壓力測量截面內(nèi)平均靜壓進行測定，微壓計一端連接風筒壁面測孔，另一端敞開與試驗室內(nèi)的大氣壓力相通。為了確定壓力測量截面對應的平均壓差，應在測量截面等距布置4個壁面測孔，平均壓差取4個壁面測孔的靜壓平均值。壓力測孔布置見圖2。

圖2 壓力測孔布置示意圖

用溫濕度計測量環(huán)境及風機進口截面的空氣溫、濕度值，用以折算試驗過程中實時的空氣密度。

通過變頻器讀取風機轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩，用以折算風機軸輸出功率。

采用錐形進口流量測定法用微壓計對風機進口流量測量截面內(nèi)平均靜壓進行測定，測試方法及要求參照上文壓力測定方法。流量計算如式（1）所示：

式中：Q1—體積流量，m/s

A—流通面積，m2

△P1—壓力測量平均值，Pa

ρ—空氣密度，kg/m3

αε—復合系數(shù)

采用線性速度場法計算風量公式：

式中：Q2—體積流量，m/s

A—流通面積，m2

△P2—各測點動壓測量平均值，Pa

令Q1=Q2，可以得到：

分別用兩種測量方法測量風機不同轉(zhuǎn)速時的△P1、△P2，從而計算得到αε。

2 結(jié)果分析

2.1 氣流循環(huán)系統(tǒng)的風機特性曲線

將風機轉(zhuǎn)速設(shè)置為滿負荷運轉(zhuǎn)，運行穩(wěn)定后，通過增加堵片，改變風機負載大小，增加入口阻力，同步測量風機運行的各個氣動參數(shù)，測試結(jié)果見圖3。由圖可知，風機裝置最大運行風量為183 348 m3/h，常溫下運行所需功率軸功率為217 kW，風機全壓效率為10.67%。隨著風壓增大，風機裝置風量和所需軸功率逐漸減小，全壓效率逐漸提高。

圖3 風機裝置氣動性能試驗風機特性曲線圖

要實現(xiàn)高效的氣流循環(huán)噴吹技術(shù)，必尋求循環(huán)風機與導流裝置的完美結(jié)合，降低管網(wǎng)阻力、增大有效循環(huán)風量、提高噴口風速，實現(xiàn)高的氣流循環(huán)效率。測試結(jié)果表明，額定轉(zhuǎn)速下最大運行風量約111 015 m3/h，循環(huán)系統(tǒng)可以克服的管網(wǎng)阻力約2 692 Pa，此時循環(huán)系統(tǒng)運行最高全壓效率可達到49%。

式中：△P—進出口全壓的差值，Pa

Q—體積流量，m3/h

M—葉輪所受的力矩，N·m

ω—角速度，rad/s

風機在導流系統(tǒng)下運行的工況點，即風機特性曲線和管網(wǎng)阻力曲線在風機額定轉(zhuǎn)速990 r/min下的交點，見圖4。由圖可知，當風量為168 065 m3/h時，系統(tǒng)管網(wǎng)阻力為1 080 Pa，此時為退火爐實際運行工況點。

圖4 風機裝置運行工況點確認圖

2.2 氣流循環(huán)系統(tǒng)的噴口出風均勻性

噴口測點布置如圖5所示。利用微壓計分別測試了常溫下風機轉(zhuǎn)速為396 r/min、495 r/min、594 r/min、693 r/min、770 r/min下的條縫噴口出風速度分布，見圖6。由圖可知，隨著風機轉(zhuǎn)速增大，噴口風速增大，噴口出風不均勻性也隨之顯著提高，當風機轉(zhuǎn)速達到770 r/min時，噴口出風速度最大值和最小值相差約6 m/s。同轉(zhuǎn)速下，總體來看噴口各點速度分布總體較為一致，但從細節(jié)上看，左側(cè)噴口速度上部高下部低，而右側(cè)噴口則呈現(xiàn)出上低下高的趨勢，這主要是受葉輪旋轉(zhuǎn)方向的影響，但相比無多片式導流的結(jié)構(gòu)而言，這種現(xiàn)象有了較大程度的改善[1]。

圖5 噴口測點布置示意圖

圖6 風速測試結(jié)果圖

3 結(jié)論

通過搭建側(cè)噴鋁卷退火爐測試平臺，對循環(huán)流場系統(tǒng)阻力特性進行了研究，研究結(jié)果表明：

（1）隨著風壓增大，風機裝置風量和所需軸功率逐漸減小，全壓效率逐漸提高。

（2）額定轉(zhuǎn)速下最大運行風量約111 015 m3/h，循環(huán)系統(tǒng)可以克服的管網(wǎng)阻力約2 692 Pa，此時循環(huán)系統(tǒng)運行最高全壓效率可達到49%。

（3）總體來看噴口各點速度分布總體較為一致，沒有太大偏差，但從細節(jié)上看，左側(cè)噴口速度上部高下部低，而右側(cè)噴口則呈現(xiàn)出上低下高的趨勢。結(jié)構(gòu)設(shè)計仍有優(yōu)化空間。