CN100488324C - 宽度可调节与温度可控的横向磁通感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽度可调节与温度可控的横向磁通感应加热装置。它包括它包括带材、固定线圈、移动线圈、轭铁块、导轨、移动机构、槽型结构、固定结构与支承架构成；固定线圈平行于带材的表面，固定线圈的长边垂直于带材的运动方向(V)；可移动线圈平行于带材的表面，位于固定线圈的外部，其长边平行于带材的运动方向；移动线圈固定于支撑架上，其内部固定若干个槽形结构，槽内可插入轭铁，并由固定结构固定，每一个移动的线圈可在移动机构的带动下在两端的导轨上滑动。本发明是宽度可调节与温度可控的，能更大范围内地适应带材宽度的变化，并能得到更加均匀的温度分布，将极大程度地提高生产效率和节约成本。

Description

宽度可调节与温度可控的横向磁通感应加热装置

技术领域

本发明涉及一种宽度可调节与温度可控的横向磁通感应加热装置。

背景技术

感应加热的重要应用领域之一是对金属板材与带材(以下简称带材)的加热，加热方式基本上可分为纵向磁通感应加热与横向磁通感应加热。

对于纵向磁通感应加热，线圈围绕工件，如图1a所示。交变电流产生沿工件轴向的交变磁通，交变磁通产生的涡流平行于带材横截面。如果要得到较高的加热效率必须使带材厚度与集肤深度之比大于3，否则，会因涡流的相互抵消而导致加热效率降低。因此，对于一定厚度的带材，要想取得较好的加热效率，就要增大频率以减小集肤深度。被加热的带材愈薄，则要求集肤深度愈小，而要减小集肤深度则要增大频率。事实上，对于带材，若采用纵向磁通感应加热，其频率要超过10kHz。在带材厚度与集肤深度之比很小的情况下，即便增大加热的频率与电流，也难以达到所需要的温度。例如，采用纵向磁通感应加热，对于铁磁性带材能够加热的最小厚度为0.8mm，铝带材为4mm，而非铁磁性钢带材只能达到12mm。因此纵向磁通感应加热难以处理很薄的带材。

横向磁通感应加热避免了上述限制，感应加热装置的结构(省略轭铁)如图1b所示，这种加热装置包含对称放置在金属带材两侧的两组线圈，两组线圈中同相的交变电流产生垂直于工件表面的交变磁通，感应出的涡流平行于带材表面，在带材截面上并不存在涡流相互抵消的问题，因此对频率的要求大大降低了。但横向磁通感应加热的主要缺点是难以产生均匀的温度分布。图1b所示的这种典型的横向磁通感应加热器具有固定的结构，它只能适合对某一固定宽度的带材进行加热，对于不同宽度的带材进行加热需要不同尺寸的感应加热器。

US4678883(1987年7月7日)公开了一种感应加热装置，其感应加热器由多个独立的线圈构成，各线圈平行于带材的运动方向，并可在垂直于带材表面的方向上自由移动。通过调整线圈与带材之间的距离来适应不同宽度的带材，并试图获得较均匀的温度分布。这种感应加热装置缺点有二：其一，线圈与带材之间的气隙对温度分布的影响并不是很大，因而，对气隙的调整不会明显地提高带材边缘温度分布的均匀性，换句话说，这种感应加热器能够适应带材的宽度有限。其二，为了得到较大的加热效率，线圈与带材之间的距离应充分接近，增大感应加热器与带材之间的距离会降低加热效率，因而这种感应加热器的效率会低于同类感应加热器。

论文“Developing an universal TFIH equipment using 3d eddy current field Computation”(IEEE Transactions on Magnetics，vol.32，no.3，pp.1609-1612，May 1996.)所给出的横向磁通感应加热装置由两组独立的线圈组成，通过沿带材宽度方向调整两个线圈的位置以期得到比较均匀的温度分布。这种方式在一定程度上可适应不同宽度的带材，但并不能解决边缘温度分布不均匀的问题，从该文献的所给出的仿真与试验结果看，温度分布不均匀。

EP0667731(1995年8月16日)公开了一种横向磁通感应加热装置，其感应器有两个对置的J线圈组成，其特点是线圈可沿带材宽度方向移动，即：线圈宽度可调整以适应对不同宽度的带材加热，加热带材宽度的范围在1—2倍之间。其缺点是，1、由于温度分布不仅与线圈和带材宽度的相对位置有关，还与轭铁的位置有关，此感应加热器的轭铁固定于带材的中心位置，因此，单纯调整线圈难以得到均匀的温度分布；2、由于必须适应不同宽的带材，在这种J线圈的端部，线圈回路块状导体之间的距离太近，致使所产生的涡流相会抵消，导致加热效率下将，同时也会造成带材边缘温度分布不均匀。

EP1148762(2001年10月24日)公开了一种感应加热装置，其感应加热器的结构为：在线圈上连接有若干个独立的磁棒，磁棒可在平行于带材宽度方向上自由移动，通过沿带材宽度方向调节磁棒的位置以适应对不同宽度带材的加热，并希望产生比较均匀的温度分布。

中国专利CN1326309A公开了一种对沿规定方向移动的金属带材进行电磁感应加热的装置，它具有至少一个与上述带材的至少一个大表面对置的导电线圈，以便通过横向的磁力线感应而加热上述的带材，每个线圈与至少一个磁路相协作，每个磁路分成多个平行于上述带材的移动方向设置的相互独立的磁棒，上述加热装置的特征在于，上述的磁棒可以相互移近或移离，以便使上述磁力线的分布适应于上述带材的具体尺寸。

由于横向磁通感应加热所产生的温度分布不仅与磁棒的位置有关，主要取决于线圈的形状和位置，因而单纯通过调整磁棒的位置来改变温度分布，其效果并不理想，对于这种感应加热装置，由于其线圈的宽度远远大于带材的宽度，因而带材的边缘会产生局部过热。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽度可调节与温度可控的横向磁通感应加热装置，可以克服现有技术的缺点。本发明是宽度可调节与温度可控的，本发明所设计的感应加热装置能更大范围内地适应带材宽度的变化，并能得到更加均匀的温度分布，将极大程度地提高生产效率和节约成本。

本发明宽度可调节与温度可控的横向磁通感应加热装置，包括带材、固定线圈、移动线圈、轭铁、导轨、移动机构、槽形结构、固定结构与支撑架；其特征在于固定线圈平行于带材的表面，固定线圈的长边垂直于带材的运动方向；移动线圈平行于带材的表面，移动线圈位于固定线圈的外部，所述的移动线圈的长边平行于带材的运动方向；移动线圈固定于支撑架上，在移动线圈内部固定若干个槽形结构，槽形结构内插入轭铁，并由固定结构固定，每一个移动线圈在移动机构的带动下在位于移动线圈两端的导轨上滑动；轭铁插入固定线圈和移动线圈的间隔处，使固定线圈和移动线圈组成了网格状线圈，移动线圈沿带材的宽度方向调整位置。

轭铁的分布可根据需要来改变，例如，可以在A、C、E...等位置，也可以在B、D、F...等位置，如图3a所示，比如图3b所示的轭铁分布不同于图2所示的轭铁分布。固定线圈和移动线圈实际上组成了“网格状”线圈，网格线圈中通有交变电流产生垂直于带材表面的交变磁通，在带材上产生许多平行于带材的“涡流环”，这种形式的涡流分布较之其他形式的涡流分布能够产生更加均匀的温度分布。

除了这种特殊的涡流分布形式有利于得到更加均匀的温度分布外，本装置可以从三个方面来实现对温度分布的调节：(1)沿带材宽度方向调整移动线圈的位置；(2)改变轭铁的分布；(3)移动线圈中可通有同样大小的电流，也可通有不同大小的电流，以改变温度的分布。

本发明的特点为：

(1)固定线圈和移动线圈组成了“网格状”线圈，在带材内部产生“涡流环”，这种涡流分布形式不同于以往任何专利或文献所给出的涡流分布，现有专利或文献给出的涡流分布(无论线圈长边平行或垂直于带材的宽度方向)类似于“矩形”分布，本发明所产生的涡流呈“网格”分布，在每一个“网格”中都有一个“涡流环”。在其他条件不变的情况下，温度的分布决定于涡流的分布。这种“涡流环”细密而均匀地分布于带材上，从而使得带材上的温度较之其他形式分布的涡流所产生的温度更加均匀。

(2)移动线圈可在带材宽度方向连续调节，以改变温度分布。

(3)移动线圈上固定有槽形结构，槽内可插入和固定轭铁，轭铁可按照一定的形式分布，以改变磁通的分布，并最终改变温度的分布。

(4)移动线圈中可通有同样大小的电流，也可通有不同大小的电流，以改变温度的分布。

(5)由于本发明是基于对“涡流环”分布及大小的控制，因此在带材上可以得到更加灵活的温度分布。

本发明与现有技术相比能更大范围内适应带材宽度的变化而获得更加均匀的温度分布；不仅如此，由于本发明是基于对“涡流环”分布及大小的控制，因此能得到更加灵活的温度分布，这在带材的热处理上具有潜在的应用价值，因而本发明不仅能产生均匀地温度分布，还可用于某些温度分布要求特殊的热处理。

本发明解决了带材横向磁通感应加热中的难点问题，它能适应不同宽度的带材而产生均匀的温度分布，这将极大程度地提高生产效率和节约成本，对金属制品水平的提高有积极的作用，具有重要的经济价值。钢铁等金属制品的性能与其加热技术密不可分，例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，温度分布的均匀性使得局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。本发明的应用前景广阔、经济效益和社会效益巨大。

附图说明

图1a是纵向磁通感应加热器加热线圈围绕金属带材工件示意图。

图1b是横向磁通感应加热器加热线圈平行金属带材工件示意图。

图2是本发明横向磁通感应加热装置示意图。

图3a是本发明横向磁通感应加热装置轭铁分布的可能位置示意图。

图3b是本发明横向磁通感应加热装置轭铁分布不同于图2轭铁分布示意图。

图4a表示一个线圈网格相对应的涡流环的位置和形状。

图4b表示一个线圈网格相对应的放大了的涡流环的位置和形状。

具体实施方式

如图2所示，1-带材，2-固定线圈，3-移动线圈，4-轭铁，5-导轨，6-移动机构，7-槽形结构，8-固定结构，9-支撑架；

轭铁：由0.2毫米厚的特种硅钢片叠积而成，为了减小涡流损耗，硅钢片的表面垂直于工件。轭铁的基本形状为长方体，在安装时，刚好能穿过槽。轭铁块底面与固定线圈的底面处于同一平面，为了确定其在槽内的位置，在其上部表面上有卡子，将轭铁块卡于支撑架上。轭铁块上有螺孔，以便于固定。

槽：槽固定于支撑架上，其基本形状与轭铁形状相似，其内部有弹簧片结构，槽内有螺孔。

固定结构：槽内部的弹簧片结构与轭铁上的卡子共同确保轭铁的位置；通过螺栓将轭铁块与支撑架固定在一起。

移动机构的组成包括导轨和滑块，导轨为直线导轨，其上有滑块，每个滑块与一个支撑架固定在一起。在滑块的带动下，支撑架可自由移动。滑块可手动也可在电机的带动下运动。滑块可自锁，使支撑架固定于某一位置。

固定线圈2与移动线圈3平行于带材1的表面，固定线圈平行于带材1的表面，其长边垂直于带材的运动方向(V)；移动线圈平行于带材的表面，位于固定线圈的外部，其长边平行于带材的运动方向。移动线圈和固定线圈之间非接触，但距离很小。每一移动线圈与各个支撑架9固定在一起，在支撑架之间有一槽形结构7，槽与支撑架固定在一起，轭铁4可置于槽内，轭铁的底部与固定线圈的底部位于同一平面内，通过固定结构8在支撑架两侧将轭铁固定于槽内或将轭铁从槽内取出。轭铁的分布可根据需要来改变，例如，可以在A、C、E...等位置，也可以在B、D、F...等位置，如图3a所示，比如图3b所示的轭铁分布不同于图2所示的轭铁分布。改变轭铁分布可改变磁通的分布，进而改变涡流和温度的分布。在固定线圈的两侧，平行于固定线圈，有两个导轨5，在导轨上有移动机构6，移动机构控制着固定结构8在导轨上移动，使得固定于其上的线圈在带材宽度方向上能精确地移动到某一位置，当然也可手动调节其位置。当加热较宽的带材时，使移动线圈的之间的距离变大，当加热窄带材时，使移动线圈的之间的距离减小，以适应带材的宽度，从而改变涡流的分布，并最终改变温度的分布。在移动线圈中可通有不同大小的电流以改变温度的分布。

本发明所设计的感应加热器如图2所示，包括固定的线圈2和一组可移动的线圈3构成成。固定线圈平行于带材1的表面，其长边垂直于带材的运动方向(V)；可移动线圈平行于带材的表面，位于固定线圈的外部，其长边平行于带材的运动方向。移动线圈固定于支撑架9上，其内部固定若干个槽形结构7，槽内可插入轭铁4，并由固定结构8固定，对于每一个移动的线圈可在移动机构6的带动下在两端的导轨5上滑动。轭铁的分布可根据需要来改变，例如，可以在A、C、E...等位置，也可以在B、D、F...等位置，如图3a所示，比如图3b所示的轭铁分布不同于图2所示的轭铁分布。固定线圈和移动线圈实际上组成了“网格状”线圈，网格线圈中通有交变电流产生垂直于带材表面的交变磁通，在带材上产生许多平行于带材的“涡流环”，这种形式的涡流分布较之其他形式的涡流分布能够产生更加均匀的温度分布。

除了这种特殊的涡流分布形式有利于得到更加均匀的温度分布外，本装置可以从三个方面来实现对温度分布的调节：(1)沿带材宽度方向调整移动线圈的位置；(2)改变轭铁的分布；(3)移动线圈中可通有同样大小的电流，也可通有不同大小的电流，以改变温度的分布。

本发明的工作原理、性能与优点：

移动线圈内部固定若干个槽形结构，槽内可插入并固定轭铁，移动线圈与固定线圈纵横交错构成“网格状”的线圈分布，由“网格状”的线圈和轭铁构成了感应加热器。在线圈中通有中频交变电流，在每一个这样的“网格”中沿顺时针(或逆时针)流动着交变电流，交变电流产生垂直于带材表面的磁通，这种交变磁通在金属带材内部产生平行于带材表面的环状涡流，整个带材上分布着很多这样的“涡流环”，图4a表示了一个线圈网格相对应的涡流环的位置和形状，图4b为放大了的“涡流环”，图中的箭头方向表示涡流的方向，箭头的大小表示涡流幅值的大小，在每一个网格下都存在这样一个类似的“涡流环”，涡流在带材内部产生焦耳热，从而加热带材。当带材以一定的速度通过该装置时，在装置的出口处可获得均匀的温度分布。

本发明所得到的涡流分布形式不同于以往任何文献或专利所给出的涡流分布，“涡流环”细密而均匀地分布于带材上，从而使得带材上的温度较之其他形式分布的涡流所产生的温度分布更加均匀。

所发明的装置可以从三个方面改变涡流分布，其一，随着移动线圈沿带材宽度方向的移动，上述的“涡流环”也相应移动，从而调节涡流的分布；其二，由于轭铁的磁导率远远大于空气的磁导率，因此轭铁的不同的分布，必然改变磁通的分布，从而影响涡流与最终温度的的分布；其三，调整移动线圈中的激励电流的大小可调整涡流的分布。

Claims (8)

1、一种横向磁通感应加热装置，它包括带材、固定线圈、移动线圈、轭铁、导轨、移动机构、槽形结构、固定结构与支撑架；其特征在于固定线圈平行于带材的表面，固定线圈的长边垂直于带材的运动方向；移动线圈平行于带材的表面，移动线圈位于固定线圈的外部，所述的移动线圈的长边平行于带材的运动方向；移动线圈固定于支撑架上，在移动线圈内部固定若干个槽形结构，槽形结构内插入轭铁，并由固定结构固定，每一个移动线圈在移动机构的带动下在位于移动线圈两端的导轨上滑动；轭铁插入固定线圈和移动线圈的间隔处，使固定线圈和移动线圈组成了网格状线圈，移动线圈沿带材的宽度方向调整位置。

2、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于所述的轭铁是由硅钢片叠积而成，硅钢片的表面垂直于工件，轭铁的形状为长方体，轭铁底面与固定线圈的底面处于同一平面，在轭铁上部表面上有卡子，将轭铁卡于支撑架上，轭铁上有螺孔，以便于固定。

3、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于所述的槽形结构固定于支撑架上，槽形结构的形状与轭铁块形状相似，所述的槽形结构内部有弹簧片结构，槽内有螺孔。

4、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于所述的固定结构是槽内部的弹簧片结构与轭铁上的卡子共同确保轭铁的位置；通过螺栓将轭铁与支撑架固定在一起。

5、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于导轨为直线导轨，其上有滑块，每个滑块与一个支撑架固定在一起，在滑块的带动下，支撑架能自由移动，滑块在手动的作用下或电机的带动下运动，滑块能自锁，以便于支撑架固定。

6、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于所述的插入轭铁的方式是相邻对应位置依次插入，或相邻错开一轭铁位置依次插入，使固定线圈和移动线圈组成了网格状线圈，网格线圈中通有交变电流产生垂直于带材表面的交变磁通，以便在带材上产生许多平行于带材的涡流环。

7、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于所述的移动线圈沿带材宽度方向调整位置，以便改变温度的分布。

8、按照权利要求1所述的横向磁通感应加热装置，其特征在于所述的移动线圈中通有同样大小的电流或不同大小的电流，以改变温度的分布。

Images