气垫式连续退火炉，简称气垫炉，是一种先进的热处理设备，广泛用于铝带和铜带的热处理过程.气垫炉的加热速度快、工作效率高，能够生产出高表面质量、高性能、大规格、高合金化、晶粒细化的铝带材.对于1.5 mm以下铝带材的热处理，特别是薄带材的热处理，气垫炉具有无可比拟的优势^{[1, 2, 3]}.

气垫炉设备结构复杂、设计难度高，气垫炉技术被国外大型工业炉制造公司所垄断，例如美国Surface公司、德国Otto Juncker公司、奥地利Ebner公司等.目前，我国尚未将气垫炉成功应用于工业生产过程中.

国内关于气垫炉装置自主开发的研究比较少^[4]，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室以工业气垫炉的热处理区为研究对象，设计并制造了一台与工业气垫炉结构相近的大型冷态气垫炉装置，以探索工业气垫炉的运行规律，获得大量实验数据及设计经验.

在气垫炉的工作过程中，带材一边漂浮一边前进，在漂浮的过程中与热空气进行热交换，从而完成加热过程.气垫炉的工作过程如图 1所示.在工作过程中，气垫炉主要有两个功能：一方面，基于空气动力学原理，喷嘴喷射气流到带材的上下表面，使带材漂浮在空中；另一方面，基于对流传热原理，热气流与带材相接触，使带材完成对流传热过程.

图 1 (Figure 1)

Fig. 1

图 1 气垫炉工作过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the working process of the air flotation furnace

图 1中:h_d为上喷嘴下边沿与下喷嘴上边沿之间的间距，m；h为带材漂浮高度，m；θ为缝隙喷嘴倾斜喷射角度，(°)；w为两个缝隙之间的间距，m；b为缝隙宽度，m.

气垫炉由若干个热处理区组成，故气垫炉的结构设计工作主要是对气垫炉的单个热处理区进行设计.本文以气垫炉的热处理区为研究对象，对气垫炉试验平台进行了设计与研究.

对气垫炉试验平台进行了设计，气垫炉试验平台主要包括炉体、鼓风机与机架系统、风道、导流结构、喷嘴、气封系统、张力装置、检测系统等几个部分.气垫炉试验平台的机械设计原理图如图 2所示.

图 2 (Figure 2)

Fig. 2

图 2 气垫炉试验平台整体设计原理图 Fig. 2 The schematic diagram of air flotation

气垫炉试验平台包含有两个气体控制回路，一个为空气循环回路，另一个为压缩空气回路.

在空气循环回路中，空气由下鼓风机进入鼓风道，再被分配到喷嘴内，然后由回风道回到下鼓风机的入口，从而完成一次循环.当气垫炉试验平台工作时，通过调整上鼓风机转速、下鼓风机转速，使鼓风道压力、喷嘴压力和炉膛压力达到期望值.

在压缩空气回路中，压缩空气由空压机送入总压缩空气管道中，再被分配到炉前和炉后的气封装置中，从而在炉前与炉后形成气幕，以防止炉内气体逸出.

基于上述设计思想，对气垫炉试验平台的零件进行了加工与制造，对加工后的零件进行了整体组装，最终制造出一台以工业化为目的的大型气垫炉试验平台.气垫炉实物如图 3所示.

图 3 (Figure 3)

Fig. 3

图 3 气垫炉试验平台 Fig. 3 The air flotation furnace test platformfurnace test platform

测试了气垫炉试验平台的一些关键性能指标，例如横向均匀性、纵向均匀性、风机与机架的静力学特性和动力学特性、设备整体结构配置的合理性、气密性、噪声等性能指标.测试结果表明设备的关键性能指标符合要求.

在气垫炉试验平台上进行整条带材的漂浮实验，飘浮实验过程如图 4所示.

图 4 (Figure 4)

Fig. 4

图 4 气垫炉试验平台实物图 Fig. 4 The physical map of the air flotation furnace test platform

实验结果证明气垫炉试验平台能够将厚度规格在0.3~2 mm之间的1系铝带材漂浮到0~200 mm的任意高度上，能够达到气垫炉试验平台对带材的漂浮要求.

气垫炉内带材的漂浮高度是气垫炉过程控制的一个重要参数^[5]，本文的带材漂浮高度混合结构的预报模型由机理模型部分和数据模型部分组成.其中，机理模型预测漂浮高度的主要信息，数据模型预测机理模型预测值与试验值之间的误差，数据模型采用现有的Bagging算法^{[6, 7, 8, 9, 10]}，本文不再详细介绍.

机理模型部分基于重力平衡原理和射流理论进行建模，其建模过程如下.

忽略带材的横向变形量，假设带材的形状为平直的，在气垫炉内欲使板带材漂浮稳定，必须满足下气垫与上气垫两者静压力之差等于板带材本身重力的力平衡条件，即

式中：F₁为带材下表面的漂浮力，N；F₂为带材上表面的漂浮力，N；G为带材的重力，N.

根据壁面射流理论^{[11, 12]}，可得出漂浮力为

式中，P_c1为带材下表面的气垫压力，Pa.

当带材距离下喷嘴的漂浮高度为h，则带材距离上喷嘴的高度为h_d-h.

上气垫作用在带材上表面的力F₂为

式中，P_c2为带材上表面的气垫压力，Pa.

将式(2)，式(3)代入式(1)中，即获得含有带材漂浮高度的方程：

式中：P_j1为等效下喷嘴压力(下喷嘴出口压力×喷嘴个数)，Pa；P_j2为等效上喷嘴压力(上喷嘴出口压力×喷嘴个数)，Pa.

对式(4)进行求解即可获得带材的漂浮高度.

混合模型的结构如图 5所示.

图 5 (Figure 5)

Fig. 5

图 5 混合模型结构 Fig. 5 Hybrid model structure

机理模型部分预测带材的平均漂浮高度，数据模型部分对带材的变形量以及机理模型的未建模部分进行补偿.混合模型的输入变量为空气密度、上喷嘴工作压力、下喷嘴工作压力、带材厚度、铝带密度.

本文以带材的飘浮高度为研究对象，对带材进行了漂浮实验.在实验过程中，激光测距仪记录下带材的漂浮高度，该实验仪器只是为了方便检测带材的漂浮高度，在实际的生产中是没有该仪器的.对宽度为200~400 mm，厚度为0.8~2 mm的1系铝带材进行漂浮实验，在不同的工况下采集到850个实验数据，利用这些数据对数据模型进行训练.当下喷嘴的等效工作压力P_j1和上喷嘴的等效工作压力P_j2稳定时，测试带材的漂浮高度，带材漂浮高度预报模型的预测值和实验过程中带材漂浮高度的实测值如图 6所示.

图 6 (Figure 6)

Fig. 6

图 6 漂浮高度模型预测和实测曲线 Fig. 6 The prediction and actual practice flotation height curves (a)—带材厚度1 mm, 上喷嘴压力0 Pa；(b)—带材厚度1 mm, 上喷嘴压力65 Pa.

由图 6可见本文提出的混合预报模型具有较高的预测精度，能够对带材的漂浮高度进行准确预测.

1) 在国内首次以工业气垫炉的热处理区为研究对象，设计并制造出一台与工业气垫炉结构相似的气垫炉试验平台，为气垫炉的国产化奠定了基础.

2) 该平台整体结构设计合理，能够将厚度为0.3~2 mm的一系铝带材稳定漂浮在0~200 mm的高度上，达到设计要求.截止到设备调试成功时，通过对国内文献进行检索，有色金属行业内未发现比该装置规模更大、国内自主研发的以工业化为目的的气垫炉装置.

3) 建立了带材漂浮高度混合预报模型，该混合预报模型解决了机理模型结构复杂、建模困难和参数难确定等问题，也能够克服单纯数据模型对数据的过度依赖和泛化性能差等问题.经过实验验证，该模型具有良好的预测精度.