CN101919306A - 导电工件在具有通量补偿器的螺线管线圈中的受控电感应加热 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于在同一感应线圈中感应加热具有变化的特性的工件的装置和方法，其中用连同将要感应加热的工件插入感应线圈的一个或多个通量补偿器有选择地控制每一工件的感应加热温度分布。
Description
技术领域
本发明涉及位于螺线管感应线圈内的导电工件的电感应加热。
背景技术
电感应加热可用于加热导电材料。例如，在锻造、挤压、滚压及其它金属热成形操作之前可使用感应加热。在其它应用中，导电工件的感应加热可用于热处理过程如硬化、退火、正火、应力消除和回火。一些应用要求整个工件的均匀加热，而其它应用要求加热工件的特定区域，或者在挤压过程之前要求将工件如铝坯从头到尾加热到梯度温度。
如图1(a)中所示，圆柱形形状的工件90保持在螺线管感应线圈30内的适当位置。用于将工件保持在线圈内的支撑结构未在图1(a)中示出。当适当的交流功率施加到线圈时，导电工件由与交流电流流过线圈建立的大致纵向的通量场的磁耦合感应加热。当希望沿工件长度方向均匀加热时，工件定位在线圈中使得线圈的两端悬在线圈中的工件的两端之上。如图中所示，线圈和工件的纵向中心轴(图1(a)中指示为X′)可重合，及线圈大致成形为与工件的纵向表面相符或者实现沿工件长度方向变化程度的感应加热。在线圈每一端处的线圈外伸距离xoh控制在线圈内部外伸区域中建立的通量场的形状，如该例子中所要求的，使得在工件两端内建立的通量场强度实现沿工件长度方向的均匀加热，包括工件的两端。例如，可在图1(c)中的相邻理想化等温虚线之间形成的等温截面区域Riso中沿工件的整个长度L1实现均匀的纵向温度T1(在图1(b)中图示)。实现该工件加热轮廓所需要的外伸距离受多个参数影响，包括工件的外径(OD)、工件的总长度、工件的物理和冶金性质、线圈几何结构、及施加到线圈的交流功率的频率。术语“工件特性”用于总称工件的物理尺寸和冶金性质。因此，其中每一线圈具有独特特性及可能还具有不同电源的不同线圈理想地用于均匀加热不同尺寸或不同物理性质的工件。然而，在工业环境中改变线圈以适应具有不同特性的工件的时间和成本效率均低。因此，通常进行调节以在连接到一个交流电源的同一感应线圈中加热各种大小的工件，但具有变化的成功程度。
单一感应线圈中加热的工件的长度变化直接影响线圈每一端处的线圈外伸距离，因而影响沿感应加热的工件的总长度的温度分布。例如，当在为均匀纵向加热较长总长度的圆柱形工件设计的感应线圈中感应加热相对较短总长度的圆柱形工件时，相较较长工件的外伸区域，暴露给更大线圈外伸区域的较短工件的端部区域将具有过多的热源，因而相对于较短工件的中心区域将过热。例如，图2(a)、图2(b)和图2(c)中的每一个示出了同一感应线圈30用于感应加热具有不同尺寸的三个工件。图2(a)中的工件90a具有等于OD1的OD和等于L1的总长度；图2(a)中的工件90a具有等于OD1的OD和等于L1的总长度；图2(b)中的工件90b具有等于OD1的OD和等于L2的长度，L2小于长度L1；图2(c)中的工件90c具有等于OD2的OD和等于L1的总长度，OD2小于外径OD1。如图2(a)′、图2(b)′和图2(c)′中分别对应于图2(a)、图2(b)和图2(c)的加热工件温度分布曲线所示，线圈外伸距离Xoh1沿图2(a)中所示特定几何结构的工件的总长度提供所希望的均匀温度分布，但同一线圈沿图2(b)和图2(c)中不同几何结构的工件的长度不能提供温度均匀性。之后，将较短工件非对称地定位在线圈中(图2(b))使得一端的线圈外伸距离为最佳距离(Xoh1)将在工件的该端提供所希望的温度均匀性，代价是在工件的另一端出现增强的过热。加热其OD小于感应线圈设计成对之均匀加热的工件OD的工件导致较小OD工件的端部欠热，这由对应于图2(c)方案的图2(c)′中所示的电磁端部效应的热源减少引起。
如果两个工件具有相同形状但由具有不同物理或冶金性质的材料制成，例如具有不同电阻率(ρ)的金属合金，使用设计来将两个工件中具有电阻率ρ1的第一工件感应加热到均匀纵向温度分布的感应线圈和电源将导致具有电阻率ρ2的第二工件的端部过热，这由电磁端部效应引起，其中ρ2小于ρ1。相反，如果第二工件具有大于ρ1的电阻率ρ3，则将导致第二工件的端部欠热。
在线圈两端具有电源连接的单螺线管线圈的备选方法是沿线圈一端的长度具有多个电源抽头连接80，如图3(a)和图3(b)中图示。通过基于将要在线圈中加热的工件的特性选择电源端部抽头80，可改变线圈的加电长度因而改变外伸距离以实现具有不同特性的工件的均匀加热，前述工件如图3(b)中的工件90a′
(使用端部抽头80b)，其总长度比图3(a)中的工件90a(使用端部抽头80a)短。这种多抽头结构有几个缺点。例如，当手动改变抽头时，失去一些工件加热生产时间。这些及其它因素使多抽头线圈结构不利于感应加热大量具有不同特性的工件。
本发明的目标之一在于在同一感应线圈或感应线圈组合中有选择地控制具有不同特性的导电工件的感应加热温度分布。
本发明的另一目标在于在单感应线圈或感应线圈组合中沿具有不同特性的导电工件的总长度实现均匀的温度分布。
本发明的又一目标在于通过在单一感应线圈中有选择地控制具有不同特性的导电工件的感应温度分布而提高包括单一感应线圈和电源的感应加热系统的通用性。
发明内容
一方面，本发明为在从交流电源接收功率的至少一螺线管线圈中电感应加热导电工件的装置和方法，其中至少一通量补偿器被使得靠近线圈中的工件的至少一端以影响工件的感应加热温度分布。通量补偿器基于将要感应加热的工件的特性及所要求的感应加热温度分布进行选择。
另一方面，本发明为在没有通量集中器的情况下控制导电工件中感应的纵向截面加热分布的装置和方法。工件定位在螺线管型感应线圈中使得邻近工件端部存在线圈外伸区域。通量补偿器定位在线圈外伸区域中，通量补偿器的一端非常接近工件端部以改变工件端部中感应的纵向截面加热分布。在本发明的其它例子中，在通量补偿器和工件的对向端之间提供电磁间隙。交流电流提供给感应线圈以在导电工件中产生感应的纵向截面加热分布。
本发明的上述及其它方面在本说明书及所附权利要求中提出。
附图说明
如下简要汇总的附图仅为示意性理解本发明的目的给出，并不限制本说明书及所附权利要求中进一步提出的发明：
图1(a)示出了螺线管线圈的截面图，导电工件定位在线圈中使得线圈两端处的线圈外伸距离一样；图1(b)图示了对于图1(a)中所示的线圈和工件方案在图1(c)所示的理想化截面等温区域Riso沿工件长度获得的均匀温度分布。
图2(a)′、图2(b)′和图2(c)′示出了当分别按图2(a)、图2(b)和图2(c)方案所示在同一感应线圈中感应加热时沿具有不同特性的工件的总长度的温度分布的变化。
图3(a)和图3(b)示出了多抽头线圈的截面图，其可用于补偿具有不同特性的各种工件的感应加热以使各种工件的不规则端部加热的影响最小。
图4(a)、图4(b)和图4(c)示出了本发明的电感应加热装置的一个例子的截面图。
图5(a)示出了截面图，其中导电工件插入感应线圈内使得线圈两端处的线圈外伸距离一样；及图5(b)示出了对于图5(a)中所示的线圈和工件布置，沿工件长度可实现的均匀温度分布。
图6(a)示出了本发明的电感应加热装置的另一例子的截面图，及图6(b)示出了对于图6(a)中所示的线圈、工件和通量补偿器布置，沿工件长度可实现的均匀温度分布。
图7(a)示出了本发明的电感应加热装置的另一例子的截面图，及图7(b)示出了对于图7(a)中所示的线圈、工件和通量补偿器布置，沿工件长度可实现的均匀温度分布。
图8(a)示出了本发明的电感应加热装置的另一例子的截面图，及图8(b)示出了对于图8(a)中所示的线圈、工件和通量补偿器布置，沿工件长度可实现的非均匀温度分布。
图9(a)示出了本发明的电感应加热装置的另一例子的截面图，及图9(b)示出了对于图9(a)中所示的线圈、工件和通量补偿器布置，沿工件长度可实现的非均匀温度分布。
图10(a)示出了本发明的导电工件的电感应加热装置的另一例子的截面图，及图10(b)示出了对于图10(a)中所示的线圈、工件和通量补偿器布置，沿工件长度可实现的非均匀温度分布。
具体实施方式
本发明的用于加热导电工件的电感应加热装置的一个非限制性例子如图4(a)、图4(b)和图4(c)中所示。本发明装置包括单一多匝螺线管感应线圈30，感应线圈30具有连接到线圈两端以向线圈提供交流电流的电源(未在图中示出)，这在线圈周围产生与线圈中的工件耦合以感应加热线圈的通量场。如下面进一步所述，在感应加热具有变化的特性的工件期间有选择地使用通量补偿器。通量补偿器可以是实质上实心或中空的圆盘。补偿器可通过在补偿器中提供适当的通道并将该通道连接到冷却介质如水的供给管道和回行管道而进行水冷。可提供适当的工件输送装置以将工件插入线圈内及在加热后将其从线圈内移走。可提供适当的补偿器输送装置以将补偿器插入线圈内及在加热后将其从线圈内移走。作为备选，可提供工件和补偿器输送装置的组合。
图4(a)中的工件90d具有总长度L1；图4(b)中的工件90e具有小于L1的总长度L3；及图4(c)中的工件90f具有小于L3的总长度L4。当线圈两端的线圈外伸距离Xoh1一样时，如图4(a)中所示，对于感应加热，图4(a)中的工件90d具有最佳长度，沿其总长度具有均匀的温度分布。在图4(b)中，补偿器40a的端面40a′被使得非常接近工件90e的端面9Oe″(指定的“第二端”)以补偿工件的较短总长度从而减轻工件第二端的过热。例如，如果工件90e为无磁性不锈钢坯，工件和补偿器的相对端面之间约0.03英寸到约1.8英寸的距离可被认为是足够小的间隙因此非常接近。如果通量补偿器由具有与工件约一样如电磁性质(主要是电阻率和磁导率)变化不大于10-15％的材料成分形成，及补偿器40a和工件90e的直径差不大于涡流穿透工件的深度的四分之一，及补偿器40a和工件90e之间的电磁间隙足够小同时使用电源的中间频率(即从约1kHz到约10kHz)，则在如图4(b)和图6(a)中所示的采用足够长通量集中器的情况下在工件90e的第二端将没有明显的电磁场干扰。不管距工件第二端的实际线圈外伸距离从Xoh1(图4(a)和图5(a)中)增加到Xoh3(图4(b)和图6(a)中)的事实，沿图中的工件90e的总长度的感应加热温度分布(图6(b)中的线Twp)将为均匀分布，与图4(a)和图5(a)中所示的最佳线圈外伸Xoh1的情形一样。线圈第二端区域处的磁场干扰通过使用通量补偿器40a进行补偿，并位于补偿器内，这使得将温度过剩Tfc从工件第二端转移到补偿器40a，如图6(b)中所示。
图4(c)和图7(a)示出了本发明的方案，其中工件90f的总长度L4小于图4(b)和图6(a)中所示工件90e的总长度，这导致工件90f的第二端处的线圈外伸距离进一步增大到Xoh4，其通过使用通量补偿器40b进行补偿以实现图7(b)中所示的均匀的感应加热温度分布(线Twp)。所使用的通量补偿器的总长度取决于工件总长度的所希望的感应加热温度分布。例如，如果要求均匀温度分布，所使用的通量补偿器应足够长以确保端部效应区(发生磁场干扰的区域)将位于相邻通量补偿器的长度内，如图7(b)中针对补偿器40b的非均匀温度分布(曲线Tfc)所示。如果要求非均匀温度分布，例如沿工件第二端的长度有温度梯度，工件的该端部应被感应加热到大于工件总长度的其余部分的温度。对于该方案，通量补偿器的长度将比均匀温度分布情形所要求的长度短以确保端部效应区将不位于通量补偿器内，但在要求更高温度的工件端部将发生。
本发明感应加热装置和方法中使用的通量补偿器不是通量集中器(也称为通量分流器、通量控制器、磁分路或磁芯)，且不应由通常用于制造通量集中器的材料制成。通量集中器的物理性质大大不同于在感应加热应用中与集中器一起使用的工件的性质。不管工件的物理性质如何，用作磁通集中器的材料本质上为软磁，这意味着一旦施加外部磁场它们就变得有磁性。在感应加热中通量集中器的最常使用的材料类型为铁心片、含电解铁的粉末型材料、含羟基铁的粉末型材料、纯铁氧体及含铁氧体的材料。磁通集中器以这样的方式制造使得它们具有非常高的电阻率(理想情况下，无限电阻率)及可以忽略的涡流损失。相反，如上所述，通量补偿器由与正感应加热的工件具有类似电磁性质的材料形成。因此，如果无磁工件由相当高电阻的材料形成，例如奥氏体不锈钢或钛合金合成物，则通量补偿器也应由相当高电阻的无磁材料形成。如果工件由具有相当低值的电阻率的材料形成，例如，金、铝、银、或铜合金合成物，则通量补偿器也应由低电阻率材料形成。
在本发明感应加热装置和方法中使用的通量补偿器不是法拉第感应环，其也称为传导屏蔽、铜环、铜帽或“强盗”环。法拉第环为基本上表示单匝短路电感器的无源屏蔽，其抵消或大大减小源感应线圈的磁场以提高屏蔽性能。源感应线圈在法拉第环内引起涡流，该涡流产生其自己的、与源场相反并抵消源场的磁场。如果法拉第环用高电阻率材料制造，法拉第环及其屏蔽特性的有效性将明显降低。这就是为什么法拉第环通常由低电阻率材料如铜、铝或银合成物制成的原因。
在本发明感应加热装置和方法的一些应用中，需要沿工件总长度实现感应的加热梯度温度分布。实现这种类型的梯度温度分布的一种方法是利用直径与工件直径不同的通量补偿器。图8(a)和图9(a)示出了本发明的非限制性示例性方案，其中补偿器40c的直径小于工件90f的直径，及其中补偿器40d的直径大于工件90f的直径。图8(b)和图9(b)示出了工件90f内导致的相应非均匀温度分布。如果通量补偿器的直径小于正感应加热的工件的直径，如图8(a)中所示，则工件端部将具有热源过剩及第二端工件温度(曲线T′wp)将高于工件其它区域的温度(线Twp)，如图8(b)中所示。如果通量补偿器的直径大于正感应加热的工件的直径，如图9(a)中所示，则工件端部将热源不足因而第二端工件温度(曲线T″wp)将低于工件其它区域的温度(线Twp)，如图9(b)中所示。
在本发明上述例子中优选使通量补偿器和工件的相对端彼此非常接近的同时，在本发明的其它例子中可能使通量补偿器和工件的相对端彼此接触。如果这样，则在工件端部区域与通量补偿器接触的同时在工件端部区域感应的功率(热源)可导致热量从工件端部区域流向通量补偿器从而在工件中导致均匀或非均匀截面温度分布。
实现梯度温度分布的另一方法是通过在补偿器和将要感应热处理的工件的端面端之间建立电磁间隙。图10(a)示出了本发明的一个非限制性示例方案，其中靠近工件90f的第二端的纵向温度分布(曲线T′wp)由于补偿器40e和工件90f之间的电磁间隙Lgap而不均匀。电磁间隙在此形成为由实质上不导电且无磁性的材料占用的区域。例如，通量补偿器可具有位于电磁间隙Lgap中的绝热板(耐火)。绝热板物理上可附着到补偿器40e的端面端并与工件的第二端物理接触。如果绝热板由不导电且无磁性的材料制成，该板将对电磁场有效地透明，因而在电磁方面表现为自由空间(起到空气或真空的作用)。因此，即使在通量补偿器和工件的端面端之间没有实际的自由空间气隙，也有因绝热板的存在而引起的电磁间隙。不导电隔离层或由组合涡流降低结构件如径向和/或纵向狭槽的导电材料制成的隔离层也可用于建立电磁间隙。
总的来说，本发明感应加热装置和方法利用具有在此公开的定位、尺寸、组成和电磁间隙(可选)的一个或多个通量补偿器来改变插入同一螺线管线圈进行感应加热的、具有不同特性的工件的感应加热温度分布。通量补偿器可包括端面端结合在一起的两个或两个以上通量补偿器。可提供通量补偿器组件，其中该组件包括安装在补偿器支架中的通量补偿器(主要元件)，补偿器支架可固定到补偿器传送装置以将主要元件移进和移出线圈。一系列可互换的补偿器主要元件可在组件中使用以适应同一感应线圈中具有不同特性的各种工件的感应加热，及可扩展成使用椭圆线圈、通道电感器及类似的线圈/电感器，这些线圈/电感器一般地描述为螺线管型线圈。
本发明中使用的术语“螺线管感应线圈”应按其最宽的含义理解为一个或多个感应线圈的任何组合，当交流电流流过一个或多个感应线圈时在其中产生磁场，该磁场与插入一个或多个感应线圈的电磁传导材料耦合。本发明不限于特定几何结构构造的螺线管感应线圈。
在本发明的上述例子中示例性工件通常为圆柱形的同时，本发明感应加热装置也可与其它形状的导电工件一起使用，例如实质上实心或中空的圆柱形工件，如钢坯、条、管；实心或中空的矩形和梯形工件，如金属平板、板和钢锭；或可插入感应线圈以按如上所述进行感应加热的任何其它形状。可改变所使用的通量补偿器的构造和定位以适于感应加热的工件的具体形状。在直径和(轴向)长度为本发明中使用的圆柱形工件的感兴趣参数的同时，其它参数可用于不同形状的工件。
在本发明上述例子中示例性通量补偿器通常为圆盘形状的同时，根据本发明的装置和方法，可使用不同形状的补偿器以适应各种形状的工件。
由于本发明中使用的通量补偿器可通过液体介质冷却和/或与感应加热的工件绝热，它们在本发明中可重复使用，在感应加热后续工件的同时没有明显的热疲劳。
在本发明的所有例子中，两个分开的通量补偿器可与本发明的装置和方法一起使用，其中每一通量补偿器具有面向感应线圈中的工件两端的每一端的端部。
本发明的上述例子仅为说明的目的给出，绝不应视为限制本发明。在本发明已结合不同实施例进行描述的同时，在此使用的措辞为描述性和说明性的措辞，而不是限制性的措辞。尽管本发明在此已结合具体手段、材料和实施方式进行描述，但本发明不限于在此公开的细节；而是，本发明扩展到所有功能上等效的结构、方法和使用。本领域技术人员在受教于本说明书的教示的情况下可对其进行多种修改，及在不背离本发明各方面的范围的情况下可进行变化。本发明不限于上面描述的内容，而是还包括所附权利要求中限定的发明。
Claims (15)
1.在没有通量集中器的情况下控制导电工件中感应的纵向截面加热分布的方法，该方法包括步骤：
将工件定位在螺线管型感应线圈中使得邻近工件的至少一端存在线圈外伸区域；
将至少一通量补偿器定位在线圈外伸区域中，至少一通量补偿器的一端接近工件的至少一端以改变在工件的至少一端中感应的纵向截面加热分布；及
向感应线圈供应交流电流以在导电工件中产生感应的纵向截面加热分布。
2.根据权利要求1的方法，还包括步骤：形成具有纵向和截面尺寸的至少一通量补偿器使得在工件的至少一端中感应的纵向截面加热分布均匀。
3.根据权利要求1的方法，还包括步骤：形成在工件的至少一端处截面积大于工件截面积的至少一通量补偿器使得在工件的至少一端中感应的纵向截面加热分布小于在工件的其它区域中感应的纵向截面加热分布。
4.根据权利要求1的方法，还包括步骤：形成在工件的至少一端处截面积小于工件截面积的至少一通量补偿器使得在工件的至少一端中感应的纵向截面加热分布大于在工件的其它区域中感应的纵向截面加热分布。
5.根据权利要求1的方法，其中将至少一通量补偿器定位在线圈外伸区域中的步骤包括使至少一通量补偿器的一端与工件的至少一端接触。
6.在没有通量集中器的情况下控制导电工件中感应的纵向截面加热分布的方法，该方法包括步骤：
将工件定位在螺线管型感应线圈中使得邻近工件的至少一端存在线圈外伸区域；
将至少一通量补偿器定位在线圈外伸区域中，至少一通量补偿器的一端通过电磁间隙与工件的至少一端分离以改变在工件的至少一端中感应的纵向截面加热分布；及
向感应线圈供应交流电流以在导电工件中产生感应的纵向截面加热分布。
7.根据权利要求6的方法，还包括步骤：由不导电且无磁性的材料形成电磁间隙。
8.用于加热导电工件的电感应加热装置，该装置包括工件插入其中的螺线管型感应线圈，及连接到感应线圈的交流电流源，其特征在于还包括插入到感应线圈的内部外伸区域内的至少一通量补偿器，使得工件插入感应线圈内且工件端部接近至少一通量补偿器的端部。
9.根据权利要求8的电感应加热装置，其中工件插入感应线圈内且感应线圈端部到至少一通量补偿器的端部的距离在约0.03英寸和1.8英寸之间。
10.根据权利要求8的电感应加热装置，其中至少一通量补偿器由与工件一样的材料形成。
11.根据权利要求8的电感应加热装置，其中至少一通量补偿器由电阻率和磁导率不大于工件的电阻率和磁导率的正或负15％的材料形成。
12.根据权利要求8的电感应加热装置，其中至少一通量补偿器由电阻率和磁导率不大于工件的电阻率和磁导率的正或负15％的材料形成，及工件和至少一通量补偿器的相对端的直径差不大于在交流电流源连接到感应线圈时透入工件的涡流穿透深度的四分之一。
13.根据权利要求8的电感应加热装置，其中至少一通量补偿器包括中空圆盘。
14.根据权利要求8的电感应加热装置，其中至少一通量补偿器具有形成冷却介质流动通路的至少一内部通道。
15.根据权利要求8的电感应加热装置，还包括位于至少一通量补偿器面向工件的对向端的端部处的电磁间隙材料。
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