薄规格带材气垫式连续热处理新技术研究.pdf

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1、第 卷 第 期 年 月材 料 科 学 与 工 艺 薄规格带材气垫式连续热处理新技术研究付天亮，韦云松，李 勇，王昭东，王国栋（东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳；广西南南铝加工有限公司，南宁）摘 要：利用开发的新型带材气垫式加热淬火装置，实验研究了新型气垫式射流喷嘴喷射压力、风速、风温及带材张力等参数对漂浮高度、漂浮稳定性和换热均匀性的影响规律，借助有限元模拟及数学建模等方法开发出动态漂浮技术和层级串联淬火技术，解决了传统气垫式热处理炉、淬火装备漂浮稳定性可控性不强，换热效率不高，换热均匀性差等难题研究表明，采用新型装置和技术实现漂浮托举力增加近 倍，换热均匀性提高近 倍，淬火

2、后带材平直度关键词：高精度金属带材；气垫式热处理技术；动态漂浮；介质循环；射流喷嘴中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：付天亮（），男，讲师，博士；王昭东（）男，教授，博士生导师；王国栋（），男，教授，中国工程院院士通信作者：付天亮，：高精度有色金属带材广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是航空航天、交通运输、电力电子、能源、通讯等行业的迅猛发展，不仅扩大了带材的品种，而且对其质量提出了更高的要求目前，气垫式连续热处理装备已成功应用于高精度铜带、铝带加工中，凭借温控精度好、生产效率高、表面质量优异等优点，成为首选的

3、带材热处理设备形式由于该装备工艺技术复杂，长期被、等公司垄断，国产化装备处于空白阶段，致使国内气垫式连续热处理关键技术研究仍停留在上世纪 年代本文针对传统带材气垫式连续热处理装备在漂浮稳定性、换热均匀性、换热效率等方面的不足，对比分析国内外装备技术水平，研究带材气垫式漂浮及高效均匀化换热特性，开发出新型气垫式射流喷嘴，研制出带材气垫式连续热处理试验装置；基于实测数据，研究带材漂浮高度、喷嘴出口压力、喷嘴出口风速、气体温度、带材张力等参数对带材漂浮特性和换热过程的影响，优化装置结构参数，开发出动态稳定漂浮技术和层级串联逆向淬火技术相关研究成果为国产化气垫式连续热处理装备的开发及在线应用创造条件

4、试 验试验材料为某厂轧后 铝合金带材，化学成分（质量分数）为：，试验铝带规格为：（厚）（宽）带材由开卷机开卷，经导向辊依次通过气垫式加热、淬火装置，由卷取机卷取，如图 所示分别测量不同炉温时气垫喷嘴喷射面狭缝和圆孔喷嘴气体喷射速度、喷射压力以及带材张力，测量带材漂浮高度和带材稳定漂浮形状 其中，气体喷射速度由型风速仪测量；喷射压力由安装在气垫喷箱内及喷箱间的压力传感器测量；带材张力由安装在卷取机前偏导辊上的 张力计测量；加热温度由炉内的 型热电偶测量；装置外壳上安装有观察测量孔，用于漂浮高度和带材形状观测温度测量范围为 ，漂浮高度调整范围为 测张偏导辊卷取机气垫式淬火装置气垫式加热炉偏导辊铝带

5、开卷机图 带材气垫式加热淬火试验装置布置 高性能气垫喷嘴研发分布在带材上下表面的气垫喷嘴是气垫式热处理设备的核心部件，由喷箱、喷射面、阻尼均流结构组成通过控制气体喷射压力和流速，形成稳定的动态漂浮力，托举带材在“气垫”上按工艺速度运行由于试验带材热辐射系数较低（），对流将取代辐射及导热，成为主要的带材换热形式热处理过程中，高温（或低温）空气射流冲击到被加热（或淬火）带材表面，产生强烈且均匀的换热效果因此，气垫喷嘴系统兼起到带材动态稳定漂浮以及强制对流换热的作用传统气垫喷嘴通常设计一个阻滞区，用于阻滞喷射到带材表面的气体回流随着带材与喷嘴间距的减小，该阻滞作用增加，直至形成静压区因此，传统喷嘴结

6、构采用在喷嘴喷射面两侧边部设计长度方向的狭缝喷嘴，狭缝喷嘴环绕的喷射面上设计多排圆孔喷嘴的方案，如图（）所示这种方案利用了狭缝喷嘴能产生静压气垫以及圆孔喷嘴换热效率高的特点，实现带材漂浮和换热图（）为新型气垫喷嘴结构图除继承传统狭缝喷嘴与圆孔喷嘴相结合的结构外，新型喷嘴喷射面类似“橄榄”形，中部较宽，边部较窄；长度方向两侧配置狭缝喷嘴，呈一定角度喷射该设计减小了带材中心线附近两喷箱间的自由回流区，增加带材边部附近自由回流区，符合带材中心至两边气体回流量线性增加的规律，有利于高效热风循环带材气垫气垫喷嘴缝隙喷嘴圆孔喷嘴最宽带材最窄带材圆孔喷嘴(a)传统气垫喷嘴(b)新型气垫喷嘴图 气垫喷嘴示意图

7、气体射流冲击带材表面，产生的冲击力可通过压力系数，来表征，即，（）式中：为带材表面产生的冲击力（漂浮力）；为喷射气体密度；为气体出流速度；为有效喷射面积图 为试验装置带材漂浮高度与压力系数关系图传统喷嘴最大压力系数（漂浮高度为 时的极限值），正常工作时压力系数，带材在距喷射面 区间内漂浮；新型喷嘴增加了有效喷射面积，结合缝隙倾斜喷射易于形成静压区的特点，最大压力第 期付天亮，等：薄规格带材气垫式连续热处理新技术研究系数，正 常 工 作 时 压 力 系 数，带材漂浮高度为 结合式（）可知，由于压力系数的提升，新型气垫喷嘴产生的漂浮力约为传统气垫喷嘴的 倍，承重更大且稳定性更高，可有效避免带材表面

8、因与喷嘴接触而产生划伤1 0 09 08 07 06 05 04 03 02 01 00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6压力系数漂浮高度/m mWC=6 6 0 m mWN=6 5 0 m mWN=5 0 0 m mWN=3 0 0 m mWC=3 0 0 m m新型气垫喷嘴工作区域传统气垫喷嘴工作区域图 传统和新型气垫喷嘴漂浮高度与漂浮压力系数关系曲线气垫喷嘴加热效率和均匀性可通过喷射面换热系数 大小及分布来表征，强制对流时，可借助相似性原理求出()，几何条件()；，()，()，（，），（）()（）式中：为努塞尔数；为雷诺数；为普朗特数；（）为流体导热系数，为流体温度；为区域特征

9、长度；（，）为喷射面上流体流速分布；为流体运动黏度；（，）为喷射面出口动压分布；（）为流体密度；为流体一定压力下的比热图 为利用 模拟得出的传统垂直狭缝喷射与新型倾斜狭缝喷射射流速度场矢量图模拟条件为：测试高度 ，喷嘴出口流速 ，气体温度 ，狭缝宽度 对比发现，垂直喷射时，喷嘴与带材间速度矢量分布不均，最大值出现在喷嘴正上方，而两缝隙间速度矢量较小这种喷射方式导致缝隙正上方与缝隙间换热系数不一致，产生换热不均此外，垂直喷射不会产生两缝隙喷嘴倾斜对射效果，不利于形成静压区；成角度倾斜喷射时，带材下表面速度分布比较均匀，换热均匀性好，同时交叉倾斜对射强化了湍流扩散，利于形成静压区，进而增加喷嘴整体

10、漂浮托举力(a)传统气垫喷嘴(b)新型气垫喷嘴图 传统与新型喷嘴喷射区速度矢量模拟图 为传统和新型气垫喷嘴单喷嘴横向加热均匀性实测比较，、和、分别为传统喷嘴与新型喷嘴距喷嘴侧向边部 、和 时横向换热系数分布曲线铝带初始温度为 ，漂浮高度 ，缝隙喷嘴宽度，缝隙倾斜角，气体温度 ，气体射流速度为 曲线两侧凸起区域对应缝隙射流换热区，中间凹陷区域对应圆孔射流换热区传统喷嘴缝隙与圆孔换热区换热系数平均值相差较大，达 （），新型喷嘴仅相差 （），换热均匀性提高近 倍此外，新型喷嘴喷射面“橄榄”型设计提升了边部区域流体速度（根据换热系数大小反算出），有利于带材自对中1 6 01 5 01 4 01 3 0

11、1 2 01 1 01 0 00.10.20.30.40.50.60.7横向距离/m换热系数/(W?m-2?K-1)N 1N 2N 3C 1C 2C 3图 传统和新型气垫喷嘴横向换热均匀性比较图 为多喷嘴上下半交错配置时，喷嘴换热能力与缝隙倾角间的关系曲线，铝带初始温度为，漂浮高度 ，缝隙喷嘴宽度 ，气体温度 ，气体射流速度为 曲线两侧凸起区域对应缝隙换热区，中间下凹区域对应圆孔换热区传统缝隙喷嘴采用 垂直喷射，缝隙材 料 科 学 与 工 艺 第 卷换热区最大换热系数达 （），圆孔换热区最小换热系数仅为 （）随着缝隙倾角减小，缝隙换热区换热系数逐渐减小，圆孔换热区换热系数逐渐增大直至倾角为 时

12、，两换热区换热系数基本一致，相差小于 （）结合图、图 可知，与传统气垫喷嘴相比，新型喷嘴在小幅度增加换热效率的同时，显著提升了换热的均匀性2 5 02 4 02 3 02 2 02 1 02 0 01 9 01 8 01 7 00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7横向距离/m换热系数/(W?m-2?K-1)9 0?2 6?3 0?6 0?4 5?图 喷射角度与喷嘴换热系数间的关系 气垫式动态漂浮技术在气垫式加热淬火设备中，由于足够高的漂浮托举力和上下喷嘴的交错布置，带材呈“正弦波”形态运动这种漂浮形态能有效地避免带材发生横向弯曲或“鸟翼型”弯曲，这两种弯曲板形在淬火后被冻结固

13、定，导致带材热处理后板形恶化且不可恢复此外，通过调整正弦波振幅，可弥补加热过程中带材宽度发生的细微变化，改善带材边部漂浮状态影响带材漂浮状态的因素包括带材张力、喷嘴漂浮托举力和喷嘴间距等传统气垫式热处理装备仅通过调整风机频率来调节喷嘴出流速度，进而控制漂浮托举力，对带材张力仅根据带材厚度划分层别，未提供连续调整手段喷射参数和带材张力对正弦波板形的影响可通过简化理论模型表示，如图 所示以单个喷嘴喷射区域为研究对象，带材波形可近似看成沿喷嘴中心线对称的抛物线（不考虑带材自重）单一喷嘴对带材的平均载荷 可表示为（）式中：为气垫喷嘴平均压力系数；为喷嘴动压带材正弦波形振幅 由带材张力、带材平均载荷、带

14、材宽度 和喷嘴间距（前一喷嘴与后一喷嘴中心线间距）决定，结合式（），有 （）其中（）式中：为喷射气体密度；为气体出流速度通过观察试验装置铝带漂浮状态可知，若保持带材的稳定漂浮，减少边部抖动，振幅（）需控制在喷嘴间距（）的 左右结合式（）、式（），选取 气体密度为 ，带材宽度为 ，平均压力系数为，则加热状态下，试验铝带稳定漂浮满足的条件为（）tt/2p=cp?qN o z z l ea带材带材图 由抛物线构成的带材“半正弦波”形态 图 为实测不同喷嘴间距 时带材张力与平均载荷关系曲线其中，铝带漂浮高度最小值为，行进速度为 ，气体温度 ，气体射流速度为 由图 可以看出，喷嘴间距相同时，随带材张力增

15、加，单一喷嘴对带材平均载荷近似线性增加带材张力相同时，喷嘴间距越大，单一喷嘴对带材的平均载荷越大可见，喷嘴间距较小时，需要更高的 值才能实现正弦波板形；而增大喷嘴间距，带材表面射流换热系数将会降低第 期付天亮，等：薄规格带材气垫式连续热处理新技术研究6 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 00平均载荷/P a05 01 0 01 5 02 0 0带材张力/N3#2#1#1#：t=4 0 0 m m2#：t=5 0 0 m m3#：t=6 0 0 m m图 平均载荷、带材总张力 与喷嘴间距 的关系图 为实测带材张力与气体温度之间的关系其中，喷嘴间距（）分别选取、和，测量温度范围

16、为 ，平均压力系数（）选取 和 ，带材行进速度为 ，带材漂浮高度最小值 ，气体出流速度 由图 可知，随气体喷射温度增加，带材张力减小，形成正弦波板形所需喷嘴冲击力降低由图 可知，带材间距越大，两喷嘴间带材平均载荷越大，结合所需带材张力越大此外，平均压力系数增大，喷嘴冲击力增大，所需带材张力越大，如喷嘴间距为 时，平均压力系数增加，带材张力平均增加 4 0 03 5 03 0 02 5 02 0 01 5 01 0 05 0带材张力/N1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0气体温度/6#5#4#3#2#1#1#：cp=0.3 0;t=4 0 0 m m2#：cp=0.4 5

17、;t=4 0 0 m m3#：cp=0.3 0;t=5 0 0 m m4#：cp=0.4 5;t=5 0 0 m m5#：cp=0.3 0;t=6 0 0 m m6#：cp=0.4 5;t=6 0 0 m m图 带材张力与气体温度的关系要达到较高的喷嘴出流速度必须提高风机转速，在高温下，会产生应力集中、结构变形和蠕变等问题；此外，增加喷嘴出流速度会增加带材边部抖动倾向，一旦发生抖动，需要降速至原始值的才能停止，这一大滞后增加了带材稳定漂浮的控制难度因此，通常情况下气垫式热处理设备喷嘴出流速度必须低于限制值，该值与设备结构和带材品种、规格有关图 为新型气垫喷嘴布置设计，以及在铝带行进速度为 、喷

18、嘴间距 、气体出流速度（）、气体温度 、带材漂浮高度最小值为 时喷嘴喷射面横截面压力分布曲线基于橄榄形喷嘴体型和缝隙、圆孔喷嘴组合方案，单喷嘴喷射区形成了稳定的静压气垫，且带材宽向中部及边部气体回流分布合理（中部回流速度及回流量约为边部的）这种设计使带材横向呈中部凸起、两侧向下倾斜的板形，结合带材长度方向正弦波板形控制，提升了带材漂浮的稳定性，减小边部抖动可能性经实测，带材稳定漂浮率（上下浮动距离小于 ）大于 静压气垫带材带材边部区域回流区增加(a)喷嘴系统结构及排列布置方案5 0 04 0 03 0 02 0 01 0 00-1 0 0喷射压力/P a01 0 02 0 03 0 04 0

19、05 0 0喷嘴宽度方向/m m缝隙喷嘴圆孔喷嘴缝隙喷嘴带材前进方向喷嘴宽度(b)喷嘴横向压力分布图 气垫式稳定动态漂浮技术原理 层级串联逆向淬火技术风冷是主要的薄规格金属带材淬火方式传统气垫式带材淬火设备采用分区独立淬火、介质自循环风冷的方式，存在如下问题：带材高温区表面过冷度大（约为 ），易造成板形不良；低温区换热效率低；带材表面介质流速较小，换热能力较差铝带淬火换热效率由冷速决定，即 ()（）式中：为换热系数；为带材比热；为带材密度；为带材厚度；为带材温度；为气体温度由于铝带导热系数较大，本文假定带材厚度方向温度分布一致这一假设成立的带材上限厚度为 ，且设备能获得的最大风冷换热系数为 材

20、 料 科 学 与 工 艺 第 卷 （）结合式（）可知，带材冷速与表面换热系数密切相关，而提高换热系数的途径包括：提高风机功率和减小区域特征长度喷嘴处气体出流速度 分别与换热系数 和风机功率 有关，即，于是有（）由式（）知，小幅度提高风机功率对换热系数提高贡献不明显，而大幅提升风机功率会产生结构应力变化、热变形、振动等问题换热系数 与区域特征长度（此处为喷嘴与带材间距）的关系可表示为（）由式（）知，通过减小 可以提高带材表面换热系数但 过小会产生挂擦，且为减小，必须降低带材漂浮力，而漂浮力低时易发生带材抖动，对稳定漂浮不利可见，单纯通过提高风机功率或降低带材与喷嘴间距并不能有效提高带材表面换热系

21、数新型气垫式淬火设备采用“层级串联淬火”技术，如图 所示大流量、高流速的淬火介质从末端淬火区进入，从前端（炉子侧）淬火区离开，淬火介质逆带材前进方向流动，改善带材表面气体流动状态，强制对流换热效果明显淬火介质循环换热至设备前端淬火区时，已经预热到一定温度，与高温带材表面的过冷度减小，易于保持良好的板形随着带材前进至末端淬火区，带材温度已显著降低，此时用新补充的低温淬火介质进一步降低带材温度，提高淬火效率经测试，带速为 时，试验用 铝带淬火后平直度小于 采用“层级串联淬火”技术时，淬火介质总热容量 与带材总热容量 相比有（）式中：为淬火介质总质量（循环质量）；为冷却介质平均比热；为带材质量；为带

22、材平均比热总热容比值大表明当带材温度大幅降低时，淬火介质温升小例如试验带材以 速度通过淬火装置时，初始温度为 ，冷后温度为 ，淬火介质温升仅为 进气口A 区气冷及烘干区排气口B 区水淬区气垫炉金属带材前进方向冷却介质流动方向图 金属带材气垫式淬火系统气流流动方向示意图 结 论）采用传统气垫喷嘴狭缝环绕多排圆孔的形式，改进喷嘴体型和缝隙喷射倾角，便于形成静压区，显著提升了喷嘴漂浮托举力和换热均匀性实验分析表明，新型喷嘴漂浮力约为传统喷嘴 倍，换热均匀性提高近 倍）采用喷嘴半交错布置可使带材形成稳定的正弦波形态，避免带材在炉内弯曲、跑偏和抖动实验分析表明，喷嘴间距、带材张力对带材平均载荷影响较大，

23、是影响正弦波振幅的主要因素气体温度对带材张力也有一定的影响）单独提高风机功率或减小带材与喷射面距离不能有效提高带材表面换热系数，采用“层级串联淬火”技术，优化淬火介质流动形态和路径，形成强制逆向对流换热，实现大流量、高流速淬火介质对带材逐级淬火，提升换热效率参考文献：张春波，于慧文，王祝堂 乘用汽车车身铝合金薄板生产工艺 轻合金加工技术，（）：，（）：王祝堂 中国铝工业现状及对生产能力过剩的思考 年全国铝加工技术及应用交流会论文集中国学术期刊（光盘版）电子杂志社，：第 期付天亮，等：薄规格带材气垫式连续热处理新技术研究 ，（），：苏晓莉，王业科 铝合金大规格带材气垫炉连续固溶热处理机组 轻合金

24、加工技术，（）：，（）：吴双锁 铝合金板带材固溶、时效处理及其设备 有色金属加工，（）：，（）：黄超，李明杰，胡姣 气垫炉成套配套自动化控制系统的设计与实现 自动化技术与应用，（）：，（）：陈文修，何英和，刘非轼，等 气垫式金属板带材连续热处理炉内气体动力过程的研究 中南矿冶学院学报，（）：，（）：陈文修，刘非轼，洪素禧，等 气垫炉内的传热研究 中南矿冶学院学报，（）：，（）：李伟，任运君 气垫炉批量生产 薄淬火板工艺参数探讨 铝加工，（）：，（）：孙强，李俊，刘华飞，等 热镀锌带钢气垫稳定装置气体动力性能研究 工业炉，（）：，（）：许振锋，王宏光，周文铸 多通道气垫流场的计算模拟与实验研究 上海理工大学学报，（）：，（）：吉本弘，川手贤治 气垫式连续热处理大同方式 轻合金加工技术，：吉 本 弘，川 手 贤 治 ，：，著，王晓东译传热学 大连：大连理工大学出版社，：史步海，丁川，李向阳 铜带气垫炉生产线小张力控制的研究 制造业自动化，（）：，（）：刘显军，王业科，李明杰 气垫炉连续热处理机组工艺段张力控制策略 上海金属，（）：，（）：，（），（）：，（），（）：，（），（）：，（），（）：，：（编辑 吕雪梅）材 料 科 学 与 工 艺 第 卷