CN102618703A - 一种板材快速高温加热方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种板材快速高温加热方法及装置，将惰性气体充入水泥加热腔中，开启感应加热电源对石墨内腔加热至设定度，然后再将金属板材试样放入石墨内腔的空隙内，加热到设定温度后并保温，加热过程中热电偶实时监控加热腔内石墨的温度，并由温控器控制感应线圈的加热功率，采用带反馈的闭环控制方式保证加热保温过程的稳定可控，且加热过程中对空心紫铜管内通水，对感应线圈进行冷却，保护线圈不受高温损坏。采用本发明的板材快速高温加热方法及装置，成功实现了板状材料均匀加热，并且快速加热至高达950度的超高温度，同时保护试样不被过度氧化。该装置结构紧凑，制作方便易行，占用空间小，节能环保，加热温度控制相应速度快，运行稳定可靠。

Description

一种板材快速高温加热方法及装置

技术领域

本发明涉及一种能对板材进行快速高温加热的方法和装置，具体涉及一种可用于加热热冲压用钢高温成形极限试验试样的方法及装置。

背景技术

热冲压是最近二十多年发展起来的新型成形技术，其工艺特征是将原始强度在400～600Mpa左右的Boron钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具并快速冲压，在压机保压状态下通过模具快速冷却零件以实现淬火强化，得到马氏体组织和1500Mpa左右，甚至更高的抗拉强度。热冲压零件在车身结构上的使用，可以极大的提高车身的碰撞安全性，减轻车身重量，满足汽车行业对安全性，节能环保和舒适性的要求。

在国外已有研究机构或企业开展了热冲压成形材料、工艺和模具的研究，如：阿塞洛早在2002年就成功开发了商用的热成形用钢板USIBOR1500，并为汽车厂生产防撞梁、立柱加强板，进行热冲压成形高强度钢板的开发和使用技术的研究。高温的成形极限有其特殊性，无法沿用传统常温下的成形极限试验装备和方法。高温成形极限试验要求试样在3分钟内快速加热至950℃后，保温1分钟，待材料组织均匀奥氏体化，再冷却至某设定的试验温度进行试验。在所设定的试验温度下进行胀形至破裂，测量破裂边缘两方向的应变值，绘制成形极限图。传统的常温成形极限试验采用在试样上绘制网格，用圆凸模胀型的方式使板料变形。为了测量材料在高温条件下的成形极限性能，则需要实现试样的快速加热，保温、变形过程中温度稳定的同时，需要保证试样表面不被过度氧化，以便能准确测量变形后材料的应变

目前国内外对金属材料的加热一般采用加热炉的热传导加热，电阻加热及感应加热。加热炉占用空间大，升温慢，开炉门放取试样后炉温下降很快，无法保证试样快速升温的要求；电阻加热速度快，但试样两端需要导电用的加持钳，不方便试样取出，且整个试样温度不均匀，形成中间高，两端低的温度梯度；感应加热对圆棒状材料加热效果较好，对于厚度5mm以下的金属板材，由于其自身表面积大，直接暴露在空气加热时散热快，无法达到900℃以上的高温，且极易被氧化，另外，由于感应加热的集肤效应，对板材的感应加热常常因感应电流分布不均匀而导致板材温度不均匀，甚至出现板材局部熔化。

为此，现迫切需要一种符合热冲压成形工艺的快速高温加热方法及装置，用于加热高温成形极限试验试样，和相关的试验机一起，通过一定的试验方法，可研究热冲压成形材料或工艺的特性，满足科研，用户技术支持的需要。

发明内容

为了能够满足高温成形极限试验要求，实现金属板材试样快速均匀加热至950度，在加热后对试样能在稳定的高温下进行保温，并防止加热和保温过程中试样过度氧化，本发明提供了一种板材快速高温加热方法及装置。

一种板材快速高温加热方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将惰性气体氦气充入水泥加热腔2中；

(2)开启感应加热电源对石墨内腔1加热至930-950℃；

(3)将金属板材试样放入石墨内腔1的空隙内，随后加热到930-950℃后并保温；

在所述加热过程中对感应线圈5以215±10ml/s流速通入冷却水。

在所述步骤(1)中，充气速度为10±2ml/s。

所述感应加热电源采用13.5KHZ的中频加热，功率为28.4KW。

所述感应线圈5以空心的紫铜管制成，弯制成220mm*220mm*50mm-500mm*500mm*80mm的矩形框，共20-80匝。

在所述加热过程中热电偶实时监控石墨内腔1温度，并由温控器控制感应线圈5的加热功率。

一种用于板材快速高温加热方法的装置，包括石墨内腔1，水泥加热腔2和感应线圈5，具体结构为：用水泥将弯制成矩形框的感应线圈5固定封装成一面开口的盒形水泥加热腔2，石墨内腔1放置于水泥加热腔2中央，并留有3-8mm的间隙，水泥加热腔2上部固定有保护气体充气口3，热电偶安装孔4和感应线圈电源接口6。

所述感应线圈电源接口6也是冷却水出口。

石墨内腔固定在水泥加热腔的中间，是产生热量，保证板材快速升温并且温度均匀的重要构件。石墨内腔尺寸为：200mm*200mm*30-450mm*450mm*50mm，中间加工有5*200mm的空隙。石墨化学性能稳定，导电性好，在感应电流的作用下从外到里被加热至所设定的温度。当金属板材放入中间的空隙后，通过热传导对金属板材加热，保温。

水泥加热腔是一个长250mm，宽250mm，高80mm，壁厚15-25mm的矩形水泥壳体。将感应线圈固定封装在壳壁内部，起到固定支撑和绝缘的作用。一面开口的结构形成半封闭空间，当内部充满保护气体后，可以保护加热过程中试样不被空气中的氧气氧化，同时壳体也是隔热层，放置加热后的石墨直接向空气中释放热量，起到保温节能的作用。用水泥制造加热腔，成本低廉，可塑性好，固化后结构强度高，具有保温防氧化的作用。

感应线圈是整个加热装置的加热源，在加热过程中，线圈会由于自阻发热，为降低线圈自身发热量，线圈需要用阻抗较低的铜线缠绕，而且铜管内部需要冷却。线圈中的电流在一定的穿透深度处流动，而且该深度取决于电流频率及铜的自阻率(1.67×e^-6Ω·cm)，因此线圈管材的壁厚的选择应当与感应加热时的穿透深度极限相同。由此确定线圈管材尺寸为外径6mm、内径2mm的紫铜管。由于集肤效应，产生的感应电流将由表及里逐渐降低，当截面尺寸远远大于有效加热深度时，截面内部温度只能依靠传热提升，由于金属板材的截面尺寸与材料所需的加热深度相当，所以金属板材的加热需采用矩形线圈。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的板材快速高温加热方法及装置成功实现了板状材料均匀加热，并且快速加热至高达950度的超高温度，同时保护试样不被过度氧化。该装置结构紧凑，制作方便易行，占用空间小，节能环保，加热温度控制相应速度快，运行稳定可靠。本发明可广泛应用于热冲压零件生产的产业化中，以及航空、航天、核电等需要高温加工的研究领域，如锻造，镁合金，钛合金的高温成形。

附图说明

图1为本发明的一种板材快速高温加热方法及装置的具体结构图；

图2为本发明的一种板材快速高温加热方法及装置的侧面剖视图；

图3为本发明的水泥加热腔结构图；

图4为本发明的石墨内腔结构图；

图5a，5b，5c为本发明的感应线圈结构图。

图中：1-石墨内腔，2-水泥加热腔，3-保护气体充气口，4-热电偶安装孔，5-感应线圈，6-感应线圈电源接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种板材快速高温加热方法及装置作进一步的描述。

实施例1

如图5a，5b，5c所示，将感应线圈5弯制成220*220*50mm的矩形框，保证加热的均匀性，共30匝，具体参数见表1。

表1感应线圈参数表

如图1-4所示，用水泥将弯制成矩形框的感应线圈5固定封装成一面开口的盒形加热腔，将保护气体充气口3以及热电偶安装孔4安装所需的位置固定好，待水泥固化后，即形成了水泥加热腔2。石墨内腔1放置在水泥加热腔2中央，并留有3mm的间隙，用水泥浆固定。

将惰性气体氦气通入保护气体充气孔3，赶走水泥加热腔2中的空气，防止高温下试样过度氧化，加热保温过程中充气速度为10ml/s；将温控所需的热电偶安装在热点偶安装孔4内，并连接好温控器；感应线圈5连接好冷却水循环系统，接好感应线圈5电源，开启感应加热电源对石墨内腔1加热至930℃；然后将金属板试样放置在石墨内腔1的空隙中，继续加热到930℃并保温，利用温控器及计算机实时控制感应加热功率，保证试样的加热速度及保温条件。加热过程中中对空心紫铜管内以215mL/s流速通入冷却水通水，对感应线圈进行冷却，保护线圈不受高温损坏。

实施例2

如图5a，5b，5c所示，将感应线圈5弯制成500mm*500mm*80mm的矩形框，保证加热的均匀性，共80匝。

如图1-4所示，用水泥将弯制成矩形框的感应线圈5固定封装成一面开口的盒形加热腔，将保护气体充气口3以及热电偶安装孔4安装所需的位置固定好，待水泥固化后，即形成了水泥加热腔2。石墨内腔1放置在水泥加热腔2中央，并留有8mm的间隙，用水泥浆固定。

将惰性气体氦气通入保护气体充气孔3，赶走水泥加热腔2中的空气，防止高温下试样过度氧化，加热保温过程中充气速度为12ml/s；将温控所需的热电偶安装在热点偶安装孔4内，并连接好温控器；感应线圈5连接好冷却水循环系统，接好感应线圈5电源，开启感应加热电源对石墨内腔1加热至950℃；然后将金属板试样放置在石墨内腔1的空隙中，继续加热到950℃并保温，利用温控器及计算机实时控制感应加热功率，保证试样的加热速度及保温条件。加热过程中中对空心紫铜管内以225mL/s流速通入冷却水通水，对感应线圈进行冷却，保护线圈不受高温损坏。

实施例3

如图5a，5b，5c所示，将感应线圈5弯制成400mm*400mm*65mm的矩形框，保证加热的均匀性，共60匝。

如图1-4所示，用水泥将弯制成矩形框的感应线圈5固定封装成一面开口的盒形加热腔，将保护气体充气口3以及热电偶安装孔4安装所需的位置固定好，待水泥固化后，即形成了水泥加热腔2。石墨内腔1放置在水泥加热腔2中央，并留有5mm的间隙，用水泥浆固定。

将惰性气体氦气通入保护气体充气孔3，赶走水泥加热腔2中的空气，防止高温下试样过度氧化，加热保温过程中充气速度为10ml/s；将温控所需的热电偶安装在热点偶安装孔4内，并连接好温控器；感应线圈5连接好冷却水循环系统，接好感应线圈5电源，开启感应加热电源对石墨内腔1加热至950℃；然后将金属板试样放置在石墨内腔1的空隙中，继续加热到950℃并保温，利用温控器及计算机实时控制感应加热功率，保证试样的加热速度及保温条件。加热过程中中对空心紫铜管内以220mL/s流速通入冷却水通水，对感应线圈进行冷却，保护线圈不受高温损坏。

本发明提供的板材快速高温加热方法及装置成功实现了板状材料均匀加热，并且快速加热至高达950度的超高温度，同时保护试样不被过度氧化。该装置结构紧凑，制作方便易行，占用空间小，节能环保，加热温度控制相应速度快，运行稳定可靠。本发明可广泛应用于热冲压零件生产的产业化中，以及航空、航天、核电等需要高温加工的研究领域，如锻造，镁合金，钛合金的高温成形。

Claims (9)

1.一种板材快速高温加热方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将惰性气体氦气充入水泥加热腔(2)中；

(2)开启感应加热电源对石墨内腔(1)加热至930-950℃；

(3)将金属板材试样放入石墨内腔(1)的空隙内，随后加热到930-950℃后并保温；

在所述加热过程中对感应线圈(5)以215±10ml/s流速通入冷却水。

2.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，充气速度为10±2ml/s。

3.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，所述感应加热电源采用13.5KHZ的中频加热，功率为28.4KW。

4.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，所述感应线圈(5)以空心的紫铜管制成，弯制成220mm*220mm*50mm-500mm*500mm*80mm的矩形框，共20-80匝。

5.根据权利要求1所述的加热方法，其特征在于，在所述加热过程中热电偶实时监控石墨内腔(1)温度，并由温控器控制感应线圈(5)的加热功率。

6.一种用于权利要求1所述板材快速高温加热方法的装置，包括石墨内腔(1)，水泥加热腔(2)和感应线圈(5)，其特征在于，用水泥将弯制成矩形框的感应线圈(5)固定封装成一面开口的盒形水泥加热腔(2)，石墨内腔(1)放置于水泥加热腔(2)中央，并留有3-8mm的间隙，水泥加热腔(2)上部固定有保护气体充气口(3)，热电偶安装孔(4)和感应线圈电源接口(6)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述石墨内腔(1)尺寸为200mm*200mm*30-450mm*450mm*50mm。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述水泥加热腔(2)尺寸为250mm*250mm*80mm，壁厚15-25mm。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述感应线圈电源接口(6)是冷却水出口。

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