一种热轧铝卷强制风冷控制方法及冷却装置与流程

本技术涉及热轧铝卷冷却，具体涉及一种热轧铝卷强制风冷控制方法及冷却装置。

背景技术：

1、随着新能源汽车等高端制造业的快速发展，产品轻量化需求日益迫切，推动铝合金材料的市场用量稳步增长，也使得铝热轧产线的投产数量逐年增加。铝卷经热轧机轧制完成出卷时，其温度通常在300℃以上，若在此状态下直接进入后续生产工序，不仅难以保证铝卷成品的加工质量，也不符合标准化生产工艺要求。为满足后续冷轧、拉矫、切边等工序对来料温度的要求，轧制完成后的热轧铝卷需在轧卷库中静置冷却，待温度降至常温后方可进入下道工序。

2、传统的热轧铝卷冷却多采用自然冷却方式，即依靠空气自然对流带走铝卷自身热量，冷却速率缓慢，夏季甚至需要数天才能降至目标温度；该冷却模式不仅占用大量库区堆放空间、场地利用率低，还会造成在制品资金长期占用、生产周转效率低下等诸多问题。为提高冷却效率、缩短冷却周期，目前业内已普遍采用强制风冷方式替代传统自然冷却方式；如cn119566078a、cn119702723a公开的技术方案，均是采用从铝卷的下方沿铝卷径向朝铝卷外表面强制送风的冷却方式，实现热轧铝卷的快速降温。

3、然而，现有的强制风冷方式仍存在以下不足：其一，现有送风仅作用于铝卷外圆面或端面，热量需先由铝卷内部传导至外表面，方能被气流带走；受铝卷径向及层间热阻的限制，内部热量传导速率慢，表面强制对流与内部缓慢导热之间不匹配，整体冷却效率提升有限，且铝卷不同部位的冷却均匀性欠佳。其二，现有风冷方式仅能实现风机的简单启停或档位控制，无法按照工艺要求对冷却过程进行精准调控，易出现冷却不均、过冷或冷却不及时等问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种热轧铝卷强制风冷控制方法及冷却装置，解决现有强制风冷方式的整体冷却效率提升有限且冷却均匀性欠佳的问题。

2、本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，提供一种热轧铝卷强制风冷控制方法，包括：

4、沿与热轧铝卷的轴向平行的方向，向所述热轧铝卷的端部输送脉动气流，所述脉动气流具有周期性交替的高流量阶段与低流量阶段，且高流量阶段的送风量大于低流量阶段的送风量；

5、所述脉动气流在到达所述热轧铝卷的端部之前分为两部分，一部分气流进入所述热轧铝卷的内孔、沿轴向流动并扫掠冷却内表面，另一部分气流沿所述热轧铝卷的外表面形成螺旋附壁流并冷却外表面；

6、检测所述热轧铝卷的外表面温度，根据所述外表面温度以及温度变化趋势，调节所述脉动气流的脉动频率、占空比和高流量阶段送风量中的至少一种。

7、进一步的，所述脉动气流的脉动频率、占空比和高流量阶段送风量的调节依据预先建立的冷却速率控制模型进行，所述冷却速率控制模型为：

8、

9、其中，为热轧铝卷的冷却速率，单位是；为热轧铝卷的有效换热面积，单位是；为热轧铝卷的质量，单位是；为热轧铝卷材料的比热容，单位是；为等效对流换热系数，单位是；为热轧铝卷的等效平均温度，单位是；为冷却空气温度，单位是；为热轧铝卷的表面发射率；为斯忒藩-玻尔兹曼常数，单位是；为脉动气流的占空比；为高流量阶段的对流换热系数，单位是；为低流量阶段的对流换热系数，单位是；为脉动换热强化幅值系数；为脉动换热强化指数；为脉动气流的脉动频率，单位是；为特征流道的水力直径，单位是；为脉动气流分流为两部分之前的流道有效流通面积，单位是；为脉动气流分流为两部分之前的高流量阶段送风量，单位是。

10、进一步的，所述脉动换热强化幅值系数与所述脉动换热强化指数采用如下方式标定：

11、在热轧铝卷规格、环境温度和流道结构参数不变的条件下，分别改变所述脉动气流的脉动频率、占空比和高流量阶段送风量进行冷却试验或流场传热耦合仿真，获得各工况下的热轧铝卷的外表面温度随时间的变化曲线；根据热轧铝卷温度下降速率反算各工况的等效对流换热系数，并采用非线性最小二乘法拟合等效对流换热系数与斯特劳哈尔数之间的关系，得到脉动换热强化幅值系数与脉动换热强化指数。

12、进一步的，将所述热轧铝卷由轧后温度冷却至目标温度的全过程分为冷却初期、冷却中期和冷却末期三个阶段，所述冷却初期的冷却速率大于所述冷却中期的冷却速率，所述冷却中期的冷却速率大于所述冷却末期的冷却速率。

13、进一步的，所述冷却初期为所述热轧铝卷的外表面温度高于200℃的阶段，所述冷却中期为所述热轧铝卷的外表面温度介于100℃～200℃之间的阶段，所述冷却末期为所述热轧铝卷的外表面温度低于100℃的阶段。

14、进一步的，在各冷却阶段，依据热轧铝卷的外表面温度计算热轧铝卷的实际冷却速率，将热轧铝卷的实际冷却速率与目标冷却速率比对得到速率偏差；

15、当所述速率偏差处于预设允许偏差范围内时，维持所述脉动气流的脉动频率、占空比和高流量阶段送风量不变；

16、当所述速率偏差超出预设允许偏差范围，且实际冷却速率低于目标冷却速率时，增大占空比和/或高流量阶段送风量；

17、当所述速率偏差超出预设允许偏差范围，且实际冷却速率高于目标冷却速率时，减小占空比和/或高流量阶段送风量。

18、第二方面，提供一种热轧铝卷冷却装置，用于实现所述的热轧铝卷强制风冷控制方法；

19、包括风冷箱和送风单元，所述风冷箱内围合形成沿水平方向延伸且两端敞开的风冷腔室，所述风冷腔室用于容纳热轧铝卷，所述送风单元包括脉动进风管、螺旋导风罩、中心导流管和螺旋肋片；

20、所述螺旋导风罩为水平设置的中空锥形结构，其大端与所述风冷腔室的一端连通，其小端与同轴布置的所述脉动进风管连通，所述脉动进风管用于输送脉动气流；

21、所述中心导流管同轴设在所述螺旋导风罩内，所述中心导流管与所述螺旋导风罩之间圆周均布连接若干所述螺旋肋片，每个所述螺旋肋片沿所述中心导流管的轴向呈螺旋状延伸；

22、所述中心导流管的内腔连通所述脉动进风管与所述风冷腔室，构成内风冷流道，用于供脉动气流的一部分流出并沿热轧铝卷的内孔轴向流动；

23、所述中心导流管与所述螺旋导风罩之间的环形空间连通所述脉动进风管与所述风冷腔室，构成外风冷流道，用于供脉动气流的另一部分流出并沿热轧铝卷的外表面形成螺旋附壁流。

24、进一步的，所述送风单元包括多个，多个所述送风单元设在所述风冷腔室的同侧、并沿垂直于所述风冷腔室延伸的水平方向并列布置，各所述送风单元的螺旋导风罩的大端均与所述风冷腔室连通。

25、进一步的，所述中心导流管内孔的截面积沿所述脉动进风管至所述风冷腔室的方向逐渐减小，所述截面积的变化关系为：

26、

27、其中，为当前位置的截面积，单位是；为入口端的截面积，单位是；为出口端的截面积，单位是；为中心导流管的轴向长度，单位是；为当前位置与入口端之间的距离，单位是；为流道渐变指数。

28、进一步的，所述风冷箱为底部敞口结构，所述风冷箱底部的两侧壁分别与承载平台滑动连接，所述承载平台上沿所述风冷腔室的延伸方向依次设有冷却工位和装卸工位，所述冷却工位设有用于承托所述热轧铝卷的铝卷基座，所述风冷箱能够在所述冷却工位和所述装卸工位之间往复移动。

29、本技术的有益效果是：

30、1、本技术通过向热轧铝卷端部输送脉动气流，脉动气流在到达热轧铝卷端部之前分流形成两部分气流，一部分气流进入热轧铝卷内孔沿轴向扫掠冷却热轧铝卷内表面，另一部分气流形成螺旋附壁流冷却热轧铝卷外表面；由此能够同时对热轧铝卷的内表面、外表面开展对流换热冷却，可直接带走铝卷卷芯位置蓄积的热量；螺旋附壁流还能够破坏铝卷外表面气流边界层，进一步强化外表面换热；并且分流后的两部分子气流均继承上游脉动气流的脉动特性，借助气流脉动扰动进一步强化壁面换热。相较于传统仅针对铝卷外表面进行径向送风冷却的方式，本技术能够有效提升热轧铝卷的冷却效率，减小铝卷径向、周向的温度差值，改善热轧铝卷冷却后的温度场均匀性，降低热轧铝卷局部温差过大引发铝卷材料性能不一致的风险。

31、2、本技术通过预先建立冷却速率控制模型，获得热轧铝卷冷却速率与脉动气流参数之间的定量映射关系；并且通过冷却试验或者流场传热耦合仿真，结合非线性最小二乘法完成脉动换热强化幅值系数、脉动换热强化指数的标定；由此可将目标冷却速率代入冷却速率控制模型反向求解得到所需的脉动频率、占空比、高流量阶段送风量，实现冷却过程的量化计算，为脉动气流参数的精准调节提供可靠的计算基础，降低人为经验因素对冷却工艺的影响，减少冷却过程出现过冷或者冷却不足的风险。