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高温循环风机在铝合金热处理设备中的应用

发表时间:2020-07-09 11:29:18

高温循环风机在铝合金热处理设备中的应用

崔清链
(中国航空规划设计研究总院有限公司,北京102206)

摘要:根据风机气流流动原理对风机进行了分类,并对相关风机进行了介绍。分析了不同产品和形状的工件所对应的空气流场,确定了流场风机的类型和参数是保证设备性能优劣的关键。通过对风机选型的总结和分类,为热处理设备高温风机选型的合理性和经济适用性提供一定的参考。
关键词:高温循环风机;热处理设备;热流场
中图分类号:TG155文献标识码:B文章编号:1001-6988(2015)06-0022-05

近十多年来,世界铝加工产业发展十分迅猛,成了很多国家和地区的支柱产业之一,世界铝及铝加工产业发展已具有相当规模,技术水平得到空前发展。中国从产能上已成为铝加工大国,但还不是铝加工强国,而且产品的比例仍不够合理,铝板、带材的产量和品种仍落后于发达国家,工业型材的比例也较低,特别是年人均铝和铝材消耗量大大低于发达国家。最主要的是,我国在高精产品研发方面严重滞后,长期以来出口中低档产品而进口高精度产品的问题没有根本解决。主要问题集中在产业和产品结构不合理,综合技术经济指标不高。尤为主要的是加工技术和工艺相对落后,装备和加工器具的设计制造水平还较低,高精产品加工能力不足。

虽然目前全行业装机水平已相当高,但高精度设备主要还是靠进口,依靠进口使装机水平得到迅速提高。在铝加工的装机设备中,热处理设备是尤为关键的一环。热处理设备的工艺性能优劣,温度控制、升温和冷却等性能实现的精准度,对铝加工产品的材质机理性能和表面品质都有至关重要的影响。尤其是随着近几年航空航天及轨道交通的发展,对高端铝合金产品的需求越来越多,而相关铝加工产品的生产要么采购国外热处理设备进行加工,要么直接从国外采购铝合金的成品件。因而严重影响了国内铝加工行业的发展。铝合金热处理设备中影响产品品质的重要参数是温度的控制精度,影响温度控制精度的关键因素是设备内部气体流场,而高温循环风机的结构和性能参数是气体流场的主要决定因素。

本文主要描述铝合金空气循环热处理炉设计应用过程中高温循环风机的性能确定和选型,并做相关探讨。

1 风机的性能特点

1.1 风机的基本性能

风机是依靠输入的机械能提高气体压力,并排送气体的机械的统称。

风机性能主要由风压、流量、主轴转速、轴功率和效率等参数表示,这些参数之间存在着一定的关系,见表1。

表1 风机性能参数关系式

注:1.q-流量,m3/h;p-全压,Pa;P-轴功率,kW;η-全压效率;ρ-介质密度,kg/m3;n-转速,r/min;t-介质温度,℃;
2.注脚符号“2”表示已知的性能及其关系参数,注脚符号“1”表示所求的性能及其参数。

风机所需功率按下式求出:

式中:q-流量,m3/h;p-全压,Pa;P-轴功率,kW;η-效率;K—电机容量安全系数;轴流风机η取值范围0.55~0.65,多翼式离心风机η取值范围0.65~0.75,后向叶轮离心风机η取值范围0.8~0.9,炉用高温循环风机K值一般取1.05。

风机性能一般均指标准状态下的风机性能,特殊要求除外。标准状态系指大气压力为101 302 Pa,大气温度t=20℃,相对湿度φ=50%时的空气状态,标准状态下的空气密度ρ=1.2 kg/m3[1]

1.2 风机功率的确定

风机选型时,若使用状态为非标准状态,则应将非标准状态下性能转化为标准状态性能后,再根据换算性能进行选取。

高温炉用循环风机,从启动开始到炉温达到最高,需要经过几百摄氏度的炉温变化。在选取电机时,既不会按照最高使用温度选取,也不会按照风机启动时即达到额定转速进行选取。而是选择一款能够支持风机在炉温升至0.5 tmax时达到额定转速运转的电机。这样做的目的,是为了使风机运行达到最佳的经济性。举例说明如下:

设某热处理炉,其炉内温度变化范围从20℃到600℃,选定一台高温循环风机,此风机在20℃时以额定转速运转需要消耗功率100 kW,那么它在600℃时消耗的功率为多少?

将已知条件P2=100 kW,tmin=t2=20℃,tmax=t1=600℃(由于均达到额定转速,故n1=n2)代入

可以求出P1=33.5 kW。即当炉温升至600℃时,风机额定转速运转时,只需消耗约33.5 kW的功率。

根据上述计算结果,如果按照风机常温启动就达到额定运转,那么必须选取≥100 kW的电机,查电机样本满足条件的电机最小功率等级为110 kW,如果这样选取,风机可直接50 Hz全速启动,但当炉内温度升高后,风机大部分运转时间内所需的电机功率都远小于110 kW,造成能源浪费。反之,按照600℃风机达到最高转速选取电机即选取≥33.5 kW的电机,查电机样本满足条件的电机最小功率等级为37 kW。但这样选取又会造成风机从启动一直到炉温达到600℃前,风机都不能达到50 Hz运转,由此又导致炉子不能在最短时间内达到热处理炉所需的相关性能。为了兼顾设备运转经济性并尽量满足设备在各个温度段的设备性能,选取t= 1/2tmax=300℃,按此代入

可以求出P1=51 kW,查电机样本满足条件的电机最小功率等级为55 kW。这样20~300℃之间风机低速运转,300℃时切换至高速运转。

2 风机的分类

循环风机按照不同的应用环境和工作原理可以有多重分类方式,本文涉及到的风机主要是应用在高温环境下,因此主要就铝合金用热处理设备中高温工作环境下的风机做一探讨。按照风机的工作原理分类,风机主要分为轴流风机、离心风机和混流风机,其中高温轴流风机和高温离心风机在热处理设备中应用最为广泛。

2.1 高温轴流风机

轴流风机是气流通过风机叶轮后依然沿轴向

图1 轴流风机图

2.1.1 炉用轴流风机的传动方式

热处理设备用高温轴流风机根据传动方式不同分为两种:D式传动(直联)方式和C式传动(皮带)方式。

D式传动方式,即采用联轴器连接风机主轴与电机主轴,或者在特殊场合下风机主轴和电机传动轴是同一根轴,如图2所示。前者是比较传统的风机直联方式,后者需对电机进行改造,或者采用专门制造的风机电机。采用D式传动方式的风机,其转速与所采用的电机额定转速时刻保持一致,但要求风机轴和电机轴的同轴度较高。

图2 轴流风机D式传动(直联)方式图

C式传动方式,是通过皮带及皮带轮连接风机运动的风机。其核心部件叶轮由轮毂和围绕轮毂一周均布的叶片组成。热处理设备用高温轴流风机设置了保温塞体,用于风机叶轮和风机电机的隔热,风机叶轮的导流筒体一般固化于炉内的导流板之上(见图1)。主轴与电机主轴。采用C式传动方式的风机轴和电机轴在一些特殊情况下会出现转速不一样的现象(丢转),但因采用皮带属于挠性传动,可以避免因风机轴和电机轴不同轴带来的问题,见图3。

图3 轴流风机C式传动(皮带)方式图

鉴于安装位置的不同,装在热处理炉顶部风机轴垂直安装的轴流风机称为立式轴流风机(如W63B型),装在炉侧壁风机轴水平安装的轴流风机称为卧式轴流风机(如W63A型)。

2.1.2 选型建议

安装于热处理炉顶部的立式轴流风机最好选用D式连接的风机,这种连接的风机可以有效的减少风机对炉顶面积的占用,同时传动效率高且便于安装和维护。安装于热处理炉侧的风机由于结构强度的问题,功率≥37 kW的侧装轴流风机基本都选用C式皮带连接。

2.2 高温离心风机

离心风机的气流沿轴向进入叶轮,高速旋转叶轮对其施加离心力,最终气流沿垂直于主轴方向远离叶轮的风机。离心风机叶轮由轮毂、后盘、前盘及叶片组成。根据风量和风压以及其它方面的需要,风机的叶轮分为后向风机叶轮和前向风机叶轮。在基本相同的情况下一般前者风量和风压均较后者小。在同一种风机叶轮结构下为了调整风机风量和风压,可以通过调整风机叶片片数、角度和长度来实现。如果叶片比较长,一般设置中间盘,用以加强风机叶轮强度,见图4。

图4 离心风机叶轮图

2.2.1 炉用高温离心风机的安装方式

炉用高温离心风机有两种安装方式,一是安装于炉顶的离心风机,风机轴垂直于地面,称为立式离心风机;另外一种是安装于炉体的侧面,风机轴平行于地面,称为为卧式离心风机。小型的离心风机一般直联的比较多,而对于叶轮较大的离心风机目前热处理炉上应用的多为皮带传动,见图5。

图5 高温离心风机安装方式图

2.2.2 离心风机蜗壳

对于离心风机而言,蜗壳具有导向增压的作用,对风机最终所需要的风量和风压等参数起着重要的影响。一般立式离心风机,限于安装的需要,其蜗壳或导流板在炉体制作时直接固化于水平导流板和炉顶之间。卧式离心风机的蜗壳一般由风机厂家设计生产并最终组装于炉体上。

轴流风机的压力一般不大于700 Pa,经增压改造的不超过1 100 Pa,因此适用于对压力要求不高的场所。离心风机所能提供的压力比轴流风机高的多,炉用离心风机一般风压集中于1 500~4 000 Pa之间。目前热处理炉上用到的轴流风机叶轮尺寸一般限定在2 000 mm以内,离心风机限定在1 600 mm以内,所能提供的风量均不大于25万m3/h。

3 风机在不同铝合金热处理设备中的应用

铝合金热处理设备根据所加工工件的性能要求以及工件形状和装料方式,分为多种形式,每种形式采用不同种类和安装形式的风机,以满足循环热风流场的需要。下面就相关内容予以探讨。

3.1 空气循环炉风机参数的确定

风机的风量、风压是其主要的性能参数,而参数的确定和炉温均匀性的要求及炉体导流系统流场的形式密切相关。

确定风机风量时,如果炉温均匀性要求≤±3℃时,流场内的热风循环次数一般是0.8~1次/s;均匀性要求≤±5℃时,热风循环次数一般是0.5~0.8次/s。风压则根据导流系统的流场结构所涉及到的局部压力损失和沿程压力损失确定。其中局部压力损失占较大比重。流场压力损失的确定,之前主要根据相关资料中按不同流场结构确定局部和沿程阻力系数,然后根据公式计算压损。常因边界条件不是特别准确,所以一般计算出来的压损也不是非常准确,但具备参考性。现在Fluent及Ansys软件的应用,提高了该数据的准确度[2]

风机风量的确定也因多重因素的影响和手册给出的参考方法有所不同。首先确定流场气流的流程,然后根据所需气流的循环频率即可得出气流的流速,其次计算出气流流通截面积,与之相乘便得出流量,然而很多情况下流场并不规则。笔者根据几年来的理论和实践经验,一般取流场循环的中线作为气流流程线。截面积一般是计算气流所经过的所有不同截面面积的算术平均值作为最终计算面积。

3.2 热处理设备流场的分类

热处理设备按照热处理工艺分时效炉、退火炉、淬火炉、均热炉、加热炉等多种炉型。各种炉型中按照产品性能要求、放料形式不同对于热处理炉内热风循环流场的需求也有所不同。下面根据编者的总结初步分成了圆型流场和箱型流场。箱型流场又分成热循环风侧吹和热循环风顶吹。

另外流场的结构形式对流量和压损的影响也非常大。在同样风机参数性能的情况下,圆型流场较箱型流场而言气流稳定,流场效率高。在箱型流场中,是否采用合理的导流片及风道结构,所需风机提供的风量和风压也大不相同。

3.2.1 圆型流场

铝合金热处理设备中的圆型流场多为立式结构,主要是由工件在炉内放置的方式确定的,处理的工件多数是长细比比较大的管、棒、线等型材产品,工件在炉内吊挂装料。

通常因流场比较高,所需循环热风的风量和风压都很大,在圆形炉炉膛中很难有合理空间放置风机,因此一般设置单独的风机箱放置风机,并在风机的附近设置加热系统,实现热交换。该种设备风机一般为卧式离心风机,风量在100 000~140 000 m3/h,风压为2 000~4 000 Pa之间。有效区是一个圆柱形空间,有效区外侧是一个环形风道,气流从风机吹出后沿环形风道上升,之后从有效区的上端进入,然后经过有效区从有效区的下端进入风机吸风口,实现热风循环。该炉型一般用于硬质铝合金的时效和淬火热处理,如图6所示。

图6 铝合金淬火炉结构示意图

3.2.2 箱型流场

箱型流场顾名思义一般是指箱型炉体结构中的空气流场。根据近几年市场上所需的铝合金热处理设备的使用情况,箱型炉体的热风循环流场一般分为两种,一般是根据有效区内气流的方向进行分类。其中一种是每区的高温风机顶置,风机吸风,循环热风通过炉体两侧的风道和加热器热交换后进入炉体有效区(即有效区内循环热风上下流动)。一种是风机顶置或侧装,循环热风和加热系统换热后从有效区的一侧进入有效区(即有效区内循环热风水平流动),风机顶置循环热风上下流动,如图7所示。

图7 风机顶置循环热风上下流动示意图

对于轴流风机顶置的设备,因流场均为畅通大循环,流场压损小,所以采用轴流风机即可。对于离心风机顶置设备,因热循环风从炉顶导流进入炉侧静压箱,从有效区左右两侧高速喷出,所以所需风压较大,因此采用大风量高风压的离心风机。

风机顶置或侧装循环热风水平流动(见图8)。

图8 风机顶置或侧装循环热风水平流动示意图

对于有效区内循环热风水平流动的情况,在轴流风机侧装的设备中,导流系统压损较小,循环热风循环流场,所以一般的轴流风机侧装方案即可满足。而对于侧吹带静压整流箱的设备,压损较大,所以如图8中采用两个轴流风机串联,提高流场中的风压,满足设备使用需求。

4 结论

高温循环风机在铝合金热处理设备中的应用至关重要,直接关系到热处理设备炉温均匀性的优劣及加热效率的高低。深入了解风机的相关性能及应用环境,并在实际应用过程中根据热处理设备中不同的流场形式和性能要求选用不同的风机及风机的安装方式,从而使整个热风循环系统更加合理,在提高热处理设备技术参数的情况下,做到节能高效。


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