風(fēng)機(jī)安裝方式對(duì)鋁卷退火后冷卻速率影響的分析研究

張獻(xiàn)培，徐大龍

（奧科寧克（昆山）鋁業(yè)有限公司，江蘇215332）

風(fēng)機(jī)安裝方式對(duì)鋁卷退火后冷卻速率影響的分析研究

張獻(xiàn)培，徐大龍

（奧科寧克（昆山）鋁業(yè)有限公司，江蘇215332）

中間退火或成品退火后，大部分企業(yè)采用自然冷卻或風(fēng)機(jī)冷卻的方式，使待加工的鋁卷冷卻到相應(yīng)工作溫度。但長(zhǎng)期以來(lái)很多工廠(chǎng)都在以自己的方式運(yùn)行，業(yè)內(nèi)關(guān)于風(fēng)機(jī)的安裝方式?jīng)]有標(biāo)準(zhǔn)，隨意性較大。本文選取帶套筒鋁卷退火后冷卻作為切入點(diǎn)，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合的方式，重點(diǎn)研究了風(fēng)機(jī)安裝方式對(duì)冷卻速率的影響。

鋁卷；冷卻；風(fēng)機(jī)；安裝方式

1 背景

一個(gè)年產(chǎn)50000t中小型鋁板帶加工廠(chǎng)退火爐的年過(guò)機(jī)量約70000t，每天理論上過(guò)機(jī)28卷，每卷年平均冷卻時(shí)間約25h。假設(shè)100%流轉(zhuǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)上正在冷卻的物料是29.2卷，加上當(dāng)天出爐28個(gè)，由于物料生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)的原因冷卻結(jié)束不可能100%流轉(zhuǎn)，通常約有30%的暫緩流轉(zhuǎn)物料，這樣冷卻區(qū)理論庫(kù)存鋁卷數(shù)量約為74.4個(gè)。不同冷卻時(shí)間與庫(kù)存間的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1不同冷卻時(shí)間對(duì)庫(kù)存的影響

理論過(guò)機(jī)卷數(shù)C平均冷卻時(shí)間T在冷鋁卷數(shù)C×T/24待出爐冷卻鋁卷C′待流轉(zhuǎn)緩存30%冷卻過(guò)程庫(kù)存Q冷卻30h 28 30 35 28 18.9 81.9冷卻20h 28 20 23.3 28 15.4 66.7冷卻25h 28 25 29.2 28 17.2 74.4

從表1可以看出：當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能一定時(shí)，即每天理論過(guò)機(jī)卷數(shù)C一定，影響冷卻過(guò)程庫(kù)存Q的唯一因素是冷卻時(shí)間T。只有當(dāng)T減少時(shí)，過(guò)程庫(kù)存卷數(shù)才能減小。

2 影響鋁卷冷卻速率的因素

鋁卷冷卻速率在本研究中指帶套筒的鋁卷經(jīng)退火工藝后在半封閉的工業(yè)廠(chǎng)房環(huán)境中，單位時(shí)間內(nèi)鋁卷溫度的減少量。

退火結(jié)束后高溫鋁卷不停地向周?chē)h(huán)境空氣中進(jìn)行熱傳遞，由于空氣的比熱容很小，很短時(shí)間內(nèi)包裹在鋁卷周?chē)目諝鈱訜醾鬟f飽和。但由于熱空氣和冷空氣的密度不同，鋁卷周邊就會(huì)產(chǎn)生自然對(duì)流，自然對(duì)流的速度一般很低，所以自然冷卻鋁卷的速度相對(duì)很慢。

對(duì)于同一物體溫度下降的速率，牛頓做過(guò)研究并發(fā)現(xiàn)，一個(gè)較周?chē)鸁岬奈矬w溫度，忽略表面積以及外部介質(zhì)性質(zhì)和溫度的變化，它的冷卻速率與該物體的溫度與周?chē)h(huán)境的溫度的差成正比，即牛頓冷卻定律。

從以上理論可知，對(duì)鋁卷安裝風(fēng)機(jī)將自然對(duì)流轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流時(shí)，加速了鋁卷表面空氣層對(duì)流，即加大了鋁卷與周?chē)諝鈱拥臏夭睿瑥亩涌熹X卷的冷卻速率。除此之外，牛頓冷卻定律的研究中將物體的表面積作為定量，而在工廠(chǎng)實(shí)際使用中，鋁卷迎風(fēng)表面積即風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流區(qū)表面積隨著風(fēng)機(jī)安裝方式的改變是不同的。

根據(jù)這個(gè)結(jié)論，以出風(fēng)口區(qū)域風(fēng)速和鋁卷迎風(fēng)表面積作為變量，用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)不同安裝方式進(jìn)行對(duì)比分析，從中找到冷卻速率最高的安裝方法，減少風(fēng)機(jī)的冷卻時(shí)間，降低冷卻過(guò)程庫(kù)存。

2.1 風(fēng)機(jī)與鋁卷的最佳安裝距離分析

模擬醫(yī)學(xué)CT成像方法，將風(fēng)機(jī)出風(fēng)口做斷層風(fēng)速測(cè)試，測(cè)量風(fēng)機(jī)出風(fēng)口不同位置的斷層風(fēng)速，確定影響風(fēng)機(jī)與待冷物料之間最佳安裝距離。測(cè)試所需材料如表2所示。

表2 斷層風(fēng)速測(cè)量材料表

測(cè)量方法：如圖1所示，沿風(fēng)機(jī)中軸線(xiàn)在出風(fēng)口0.5m和1.0m處做模擬斷層面，用風(fēng)速儀在虛擬斷層上以風(fēng)機(jī)中軸線(xiàn)為圓心，在半徑為200mm、400mm、600mm、800mm、1000mm、1200mm處分別測(cè)量風(fēng)速，測(cè)量的結(jié)果見(jiàn)表3及圖2。

圖1 風(fēng)機(jī)吹風(fēng)區(qū)域坐標(biāo)圖

表3 0.5m與1m處斷層風(fēng)速（km/h）

圖2 斷層風(fēng)速圖

從圖2可知，風(fēng)機(jī)的中心風(fēng)速接近0，也就是說(shuō)風(fēng)機(jī)的中心無(wú)風(fēng)；以風(fēng)機(jī)軸線(xiàn)為圓心環(huán)形向外圈擴(kuò)散，隨著半徑增大風(fēng)速由小變大再變小；以出風(fēng)口平面為基準(zhǔn)面距離風(fēng)機(jī)口的位置不同，最強(qiáng)風(fēng)速環(huán)形帶位置也不同。將不同區(qū)域的斷層風(fēng)速圖與鋁卷結(jié)合，以直徑1800mm的鋁卷為例，與風(fēng)機(jī)距離0.5m時(shí)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口最大風(fēng)速剛好覆蓋整個(gè)鋁卷端面。由于業(yè)內(nèi)鋁卷加工的直徑普遍在1800mm，所以風(fēng)機(jī)與鋁卷的最佳距離以0.5m為宜。

2.2 鋁卷迎風(fēng)表面積對(duì)冷卻速率的影響

在牛頓冷卻定律的研究中將物體的表面積作為定量，而在工廠(chǎng)實(shí)際使用中，鋁卷迎風(fēng)表面積即風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流區(qū)表面積隨著風(fēng)機(jī)安裝方式的改變是不同的。通常情況下，安裝方式有以下三種模式：

（1）模式1：風(fēng)機(jī)與鋁卷正對(duì)，幾何中心線(xiàn)重合。風(fēng)機(jī)中軸線(xiàn)與鋁卷幾何中心線(xiàn)重疊，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與鋁卷端面距離0.5m，鋁卷迎風(fēng)表面積僅有鋁卷的一個(gè)環(huán)形端面，約占總表面積的15%，如圖3所示。測(cè)量發(fā)現(xiàn)鋁卷中心風(fēng)速幾乎為0，與表3中該區(qū)域5.4km/h的風(fēng)速有較大差距。從流體動(dòng)力學(xué)的角度分析其原因，風(fēng)速?gòu)闹行耐庠絹?lái)越大，且成喇叭狀擴(kuò)散，遇到鋁卷端面后，空氣流沿鋁卷端面高速向外噴射，在鋁卷內(nèi)部就形成了一個(gè)相對(duì)真空的腔體，這個(gè)腔體內(nèi)熱空氣相對(duì)靜止，空氣不流動(dòng)，不利于熱傳遞。為了打破這個(gè)真空腔，將風(fēng)機(jī)中心線(xiàn)與鋁卷幾何中心線(xiàn)相對(duì)偏移，得到模式2和模式3。

圖3 風(fēng)機(jī)與鋁卷正對(duì)位置圖

（2）模式2：風(fēng)機(jī)與鋁卷正對(duì)，中心線(xiàn)偏移500mm。風(fēng)機(jī)中軸線(xiàn)與鋁卷幾何中心線(xiàn)正對(duì)且中心線(xiàn)平行偏移500mm，風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與鋁卷端面距離0.5m，鋁卷迎風(fēng)表面積包括鋁卷的內(nèi)圓面、部分環(huán)形端面和部分鋁卷外圓面，約占總表面積的42%，如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)與鋁卷正對(duì)中心線(xiàn)偏移500mm位置圖

（3）模式3：風(fēng)機(jī)與鋁卷斜對(duì)，中心線(xiàn)成15°夾角。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與鋁卷端面相對(duì)距離0.5m，風(fēng)機(jī)中軸線(xiàn)與鋁卷幾何中心線(xiàn)成15°夾角。鋁卷迎風(fēng)表面積包括鋁卷的內(nèi)圓面、大部分環(huán)形端面和1/2鋁卷外圓面，約占總表面積的58%，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)與鋁卷斜對(duì)，中心線(xiàn)成15°夾角

為驗(yàn)證不同冷卻表面積對(duì)冷卻效率的影響，采用SFG6-4風(fēng)機(jī)對(duì)規(guī)格0.27mm×1280mm的鋁卷，在環(huán)境溫度15℃時(shí)分別按照上述三種模式進(jìn)行冷卻實(shí)驗(yàn)，繪制初始溫度360℃到終了溫度40℃與時(shí)間柱狀圖，如圖6所示。

圖6 不同模式冷卻時(shí)間柱狀圖

3 總結(jié)

上述實(shí)驗(yàn)表明，在外部因素相同的條件下降到同一目標(biāo)溫度，模式1需要19.5h，模式2需要17h，模式3僅需16.3h。最少的時(shí)間意味著最高的冷卻速率，即模式3是最佳的安裝方式（風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與鋁卷端面相對(duì)距離0.5m，風(fēng)機(jī)中軸線(xiàn)與鋁卷幾何中心線(xiàn)成15°夾角）。

另外，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然一年中基礎(chǔ)環(huán)境溫度不同，但使用同樣的安裝方法后，基礎(chǔ)環(huán)境溫度每降低5℃冷卻時(shí)間可縮短3h。綜合全年平均冷卻時(shí)間可以控制在20h左右，直接節(jié)約電能20%，減少過(guò)程庫(kù)存10%以上，提高物料流轉(zhuǎn)效率20%，有效降低了單位成本，縮短產(chǎn)品制造期，減少資金占用，極大地提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。由此可見(jiàn)，本文提出的風(fēng)機(jī)安裝方式有實(shí)際指導(dǎo)性，值得推廣借鑒。

Effect of Different Installation Mode of Fan on Cooling Efficiency of Aluminum Coil Annealing

ZHANG Xian-pei,XU Da-long
(Arconic(Kunshan)Aluminum Products Co.,Ltd.,Jiangsu 215332,China)

Most enterprises use natural cooling or fan cooling to cool the aluminum coil to the corresponding operating temperature after annealing or finished annealing.But many factories have long been running in their own way,there is no standard of installation modes for fans in the industry.Aluminum coil with spool was selected as the breakthrough point,which had been annealed and cooled.Through theory analysis and experimental method,the effect of fan installation mode on cooling efficiency is studied in this paper.

aluminum coil;cooling;fan;installation mode

TG166.3

B

1005-4898(2017)06-0033-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.06

張獻(xiàn)培（1982-），男，河南濮陽(yáng)人，本科，工程師。

2017-07-14