CN103069243A - 电感应气密隧道炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电感应气密隧道炉和方法。形成闭合的隧道区域的炉的外壳外部至少沿着其纵向长度由气密屏蔽腔包围，在气密屏蔽腔中填充屏蔽气体至与炉的闭合隧道区域中工艺气体的压力不同的压力。用于感应闭合隧道区域中的热条和板的电感器可以位于围绕闭合隧道区域的纵向长度的气密屏蔽腔内或外部。

Description

电感应气密隧道炉

相关申请的交叉引用

本申请主张2010年5月25日提交的美国临时申请No.61/348,167的权益，其全部内容结合与此作为参考。

技术领域

本发明总地涉及一种电感应气密隧道炉，其中连续条或离散板穿过气密隧道被感应地加热，并且特别涉及当用在工艺过程中必须容纳这样的炉，防止工艺气体从隧道泄露至大气。

背景技术

存在如下工业过程：必须在气密隧道炉中实现连续条的电子感应加热。如图1的纵向横截面所示，条90通过电子感应气密隧道炉110。炉外壳112使得条90通过的隧道114周围足够气密。如果外壳对于通过线圈116的交流电产生的磁通量场足够透明并且允许该场穿透到外壳内部使得该场与隧道中的条磁耦合，电子感应线圈116（或线圈）可以放在外壳112之外。例如，在隧道内部和外壳112之间可以利用热感应。通量场通过与条电磁耦合而在条中感生的涡电流来加热条。条被加热以执行工业过程，例如，如果条在进入使得之前涂覆有液体合成物，条的感应加热将引起液体合成物通过蒸发液体合成物中的溶剂来将液体合成物结合至条（或硬化条）。

在一些工业处理中，炉中的感应加热必须在工艺气体环境下实现，如果隧道气体由于污染、爆炸或与气体的易燃反应等原因被释放到炉外部周围的开放气体（大气），这将引起麻烦，生成气体的高成本或对于工艺气体的合成物中偏差的非常低容差。例如，在隧道内用于对钢铁脱碳的工艺气体包括高浓度的氢气。尽管外壳112被称为“气密”外壳，部分地由于外壳不可能不受成本约束地被构造为单个连续外壳，所以外壳也会泄露。由此，例如在制造外壳的材料之间存在连接处，其可能使得外壳在初始制造过程中充分气密，但是例如作为连接处周围重复加热和制冷材料的结果，在炉被放入操作之后外壳可能泄露。尽管外壳合成物和热绝缘本身可以是可渗透气体的，并且用作气体从隧道泄露的通道。处理隧道气体泄露的一个方法是允许隧道气体泄露以进入通风良好的大气，例如，被迫通风盒180可以放置在炉110的外部周围。当风扇182迫使周围的外部空气通过通风盒，通风盒中的顶部开口180a从通风盒直接释放气体。然而，这样的方法缺少确保在炉外部的大气中不建立危险浓度的工艺气体的正确方法。

本发明的一个目的在于提供一种电感应气密隧道炉，其有助于防止工艺气体从电感应气密隧道炉中释放。

发明内容

在一个方面，本发明是一种设备和方法，用于对通过实质气密隧道炉的连续条或离散板上执行电感应加热处理，其中隧道由沿着炉的纵向方向从炉的条进入端到条退出端延伸的外壳形成。围绕外壳的外部的纵向方向形成屏蔽腔或高压室。屏蔽气体可以被注入屏蔽腔并且保持在与隧道内的工艺气体的压力不同的压力下。感应加热处理中使用的电感器可以位于屏蔽腔外部或屏蔽腔内。

在另一个方面，本发明是电感应气密隧道炉。炉外壳沿着炉外壳的纵向长度形成闭合的隧道区域，工件通过隧道外壳以感应加热。炉外壳的闭合隧道区域具有工件进入端和工件退出端。炉外壳进入端凸缘位于工件进入端和炉外壳退出端凸缘位于工件退出端。感应线圈围绕炉外壳的闭合的隧道区域的纵向长度布置。屏蔽材料形成围绕炉外壳的纵向长度的外部的气密屏蔽腔，屏蔽材料具有与炉外壳进入端凸缘的密封的进入端接口和与炉外壳退出端凸缘的密封的退出端接口。

本发明的另一个方面是一种防止工艺气体从电感应气密炉泄露的方法，电感应气密炉包括炉外壳，沿着炉外壳的纵向长度形成闭合的隧道区域，工件通过隧道外壳以感应加热。炉外壳的闭合隧道区域具有工件进入端和工件退出端。炉外壳进入端凸缘位于工件进入端和炉外壳退出端凸缘位于工件退出端，感应线圈围绕炉外壳的闭合的隧道区域的纵向长度布置。围绕炉外壳的纵向长度的外部提供屏蔽材料。通过密封屏蔽材料和炉外壳进入端凸缘之间的进入端接口和通过密封屏蔽材料和炉外壳退出端凸缘之间的退出端接口，围绕炉外壳的纵向长度的外部形成气密腔。

本发明的另一个方面是一种电感应热处理炉外壳的纵向长度内形成的闭合隧道区域中的工艺气体中的工件的方法。通过闭合的隧道区域的工件进入端处的进入端凸缘馈送工件，进入端凸缘形成与位于炉外壳外部的屏蔽材料的密封的进入端接口。向围绕炉外壳的纵向长度布置的感应线圈提供交流电，从而感应地加热闭合的隧道区域中的工件。通过闭合的隧道区域的工件退出端处的退出端凸缘将工件从闭合的隧道区域取出，退出端凸缘形成与屏蔽材料密封的退出端接口，并且由此围绕炉外壳的纵向长度的外部形成气密屏蔽腔，将屏蔽气体提供给气密屏蔽腔。

在该说明书和所附的权利要求中阐述了本发明的上述和其他方面。

附图说明

为了示例本发明，图中示出了优选模式，然而应该理解到本发明不局限于所示的精确布置和手段。

图1是现有技术电感应气密隧道炉的截面图；

图2（a）是本发明的电感应气密隧道炉的一个例子的纵向截面图；

图2（b）是图2（a）的线A-A所示的本发明的电感应气密隧道炉的横向截面图；

图2（c）是图2（a）的线D-D所示本发明的电感应气密隧道炉的部分顶部正视图；

图3（a）是本发明的电感应气密隧道炉的另一个例子的截面图；

图3（b）是图3（a）的线B-B所示的本发明的电感应气密隧道炉横向截面图；

图3（c）是图3（a）的线E-E所示的本发明的电感应气密隧道炉部分顶部正视图；

图4（a）是本发明的电感应气密隧道炉的另一个例子的截面图；

图4（b）是图4（a）的线C-C所示的本发明的电感应气密隧道炉横向截面图；

图4（c）是图4（a）的线F-F所示的本发明的电感应气密隧道炉的部分顶部正视图；

图5（a）和图5（b）示出了气密本发明的电感应气密隧道炉的工件进入和退出端的可选方式；

图6是与本发明的电感应气密隧道炉一起使用的屏蔽气体控制系统的一个例子。

具体实施方式

在附图中，如下所述，相同的附图标记用于描述相同的元件。图2（a）、图2（b）和图2（c）示出了本发明的电感应气密隧道炉的一个例子。在该例子中，通过将屏蔽材料22接合至外壳12的适当的纵向端结构件，在外壳12的外部纵向表面周围形成屏蔽腔20。在该非限制性例子中，端结构件是“U”形进入和退出端凸缘12a，其被适当地连接至炉外壳12的每个纵向端，例如通过焊接或螺栓连接。可以使用类似的连接方式将屏蔽材料22与凸缘12a接合。例如，如图所示，在图2（a）的纵向横截面和图2（c）的部分顶视图中的至少一个位置处，提供入口管道24以将屏蔽气体提供给屏蔽腔。这里使用的术语“纵向”是炉的外壳从条进入端（临近图2（a）中的箭头）到条退出端的长度方向。由此，屏蔽腔20在炉从条进入端到条退出端的长度上形成了炉外壳12外部的包裹的实质气密腔。换句话说，外壳12形成了围绕隧道的横向的内部纵向“套管”并且屏蔽材料22形成了围绕闭合的隧道区域的横向的外部纵向第二“套管”，其中这里使用的术语“横向”指的是与条移动通过隧道的长度基本垂直的隧道横截面。结果，气密屏蔽腔由炉外壳12的外部、屏蔽材料22的内部和外壳12的两个纵向退出和进入端凸缘12a界限。凸缘12a在本申请中可以被看做外壳12的整体部分，并且代表终止外壳的纵向端的一个非限制性方法。在炉的一个纵向端的凸缘12a可以完全围绕隧道工件进入和/或退出的周长延伸。

一个或多个电感器16（感应线圈）可以位于外壳12和屏蔽材料22的外部，如果外壳和屏蔽材料由电磁透明材料例如用硅酮处理的或用特氟龙处理的玻璃布例如为片状。如在现有技术中，在本发明的所有例子中可以提供热绝缘物18。如图2（b）所示，在本例子中使用的单匝螺旋管电感线圈可以连接至端子16a和16b处的外部交流电源（通过电感器负载匹配元件，如果使用的话）。

尽管在图中示出了单匝螺旋管电感线圈，对于本发明的所有例子，电感器可以是能够以任何电配置例如串联和/或并联连接的一个或多个电感器，并且可以是用于特定应用的任何类型，例如螺旋管或横向磁通电感器。

屏蔽气体，例如诸如氮气的惰性气体，可以经过入口通道24被注射进入屏蔽腔20至比隧道中的条处理过程中气密隧道14中的工艺气体的压力更大的正屏蔽气体压力。可以提供一个或多个出口通道（图中未显示）以从屏蔽腔取回屏蔽气体。

通过如图5（a）所示在条工业处理中互联其他元件，或者通过如图5（b）所示使得炉的进入和退出端充分气密，在本发明的所有例子中可以实现进入和退出炉的隧道的气密性。在图5（a）中，立即互联进入和退出气密元件的可以是不锈钢凸缘80，并且连接至不锈钢凸缘的上游或下游元件可以处理将工艺气体提供至炉的隧道和从炉的隧道返回工艺气体。在图5（b）中，炉的外壳的横向进入和退出端可以是气密的，例如通过使用在条的两面施加密封压力的压力辊82或压力垫。

图3（a）、图3（b）和图3（c）示出了本发明的电感应气密隧道炉30的另一个例子。在该例子中，屏蔽腔是通过将屏蔽材料32接合到外壳12的适合的纵向端结构件围绕炉外壳12的外部纵向表面形成的放大的屏蔽高压间34。在这个非限制性例子中，端结构件是“U”形进入和退出端凸缘12a，其适合地连接至外壳的每个纵向端，例如通过焊接或螺栓连接。可以使用类似的连接手段将屏蔽材料32接合至凸缘12a。如图所示，例如在图3（a）中的纵向横截面中和在图3（c）的部分顶视图中的至少一个位置处，提供入口管道36用于将屏蔽气体提供至屏蔽腔。由此，屏蔽高压室34在炉从条进入端到条退出端的长度方向上炉外壳12外部的包裹的实质气密腔，类似于图2（a）中的如上例子，除了在图3（a）的本例子中，电感器16包含在屏蔽高压室内。屏蔽高压室34至少足够大以在屏蔽高压室内包含一个或多个电感器（和流体冷却件，如果使用的话），与在图2（a）的例子中在屏蔽高压室外部相反。通过这个配置，必须使用气密电子配件（和流体冷却配件，如果使用的话）连接至电感器外部电源（和冷却源，如果使用的话）。与图2（a）中本发明的例子相同，本发明中端凸缘12a可以被看做外壳12的整体部分，并且表示终止外壳的纵向端的一个非限制性例子。可选地，凸缘12a可以被看做屏蔽材料32的整体部分。

屏蔽气体，例如诸如氮气的惰性气体，可以经过入口通道36被注射进入屏蔽高压室34至比隧道中的条处理过程中气密隧道14中的工艺气体的压力更大的正屏蔽气体压力。可以提供一个或多个出口通道（图中未显示）以从屏蔽腔取回屏蔽气体。

如果屏蔽材料32是导电材料，屏蔽高压室34足够大使得屏蔽材料不干扰磁通量场的路径，该磁通量场是在交流电流过电感器16时产生的。如果屏蔽材料由非导电材料形成，屏蔽高压室可能较小，然而，围绕较小的不导电材料可能需要电磁屏蔽。

图4（a）、图4（b）和图4（c）示出了本发明的电感应气密隧道炉40的另一个例子。在该例子中，如图4（a）所示通过将外壳进入和退出端凸缘12b之间的炉外壳12的端部12’和12”和屏蔽材料42的端部42’和42”接合在一起，围绕炉外壳12的外部纵向表面形成屏蔽腔44。屏蔽材料端、外壳端和外壳凸缘可以通过适合的手段结合在一起，例如螺母和螺栓紧固件。如图所示，例如在图4（a）中的纵向横截面中和在图4（c）的部分顶视图中的至少一个位置处，在屏蔽材料42中提供入口管道46用于将屏蔽气体提供至屏蔽腔。由此，气密屏蔽腔44由炉外壳12的外部和屏蔽材料42的内部界限。本发明中端凸缘12b可以被看做炉外壳12的整体部分，并且表示终止外壳的纵向端的一个非限制性例子。

屏蔽气体，例如诸如氮气的惰性气体，可以经过入口通道46被注射进入屏蔽腔44至比隧道中的条处理过程中气密隧道14中的工艺气体的压力更大的正屏蔽气体压力。可以提供一个或多个出口通道（图中未显示）以从屏蔽腔取回屏蔽气体。

可选地，根据屏蔽腔的特定布置将附加的屏蔽气体注入屏蔽腔外部的炉区域。例如，在图4（a）中，热绝缘物18通常是可渗透气体的材料。结果，隧道14中的工艺气体可以通过绝缘物18泄露，并且然后通过如图4（a）所示的外壳端12”处的端凸缘12b和炉外壳12之间连接的接合处。因为该接合处将泄露至大气而不是图4（a）所示的特定布置的屏蔽腔，屏蔽气体可以被注入管道48以使用屏蔽气体充满接合处区域。

图6是本发明的一些例子中可以使用的简化屏蔽气体控制系统。阀V-1控制屏蔽气体提供给屏蔽气体调节器BRG，该屏蔽气体调节器调节在标称屏蔽气体压力下至屏蔽腔（在本发明的上述例子中为20、34或44）的气体流量，标称屏蔽气体压力与该例子中使得内的工艺气体压力相比处于较高的正压力。压力传感器PS感应屏蔽腔中屏蔽气体的实际压力（或屏蔽腔中的气体和使得中的工艺气体之间的差异压力）并且将感应到的压力数据返回到屏蔽气体调节器BGR。压力控制器PC也感应屏蔽腔内屏蔽气体的实际压力（或屏蔽腔内气体和使得内工艺气体之间的差异压力）。如果屏蔽气体压力超过了设置的压力控制器的高低压力范围，控制器输出故障信号，该故障信号例如用于由工艺线上的其他设备启动隧道内工艺气体的流动。阀V-2是用于气体提供给压力传感器和压力控制器的可选控制阀。阀V-3可以设置在从屏蔽腔的可选气体出口，例如通过屏蔽气体通过腔的连续流动（或流通）来冷却屏蔽气体腔，或者使得工艺气体从隧道泄露进入屏蔽腔。阀V-3可以连接至未在图中显示的屏蔽气体处理设备。

本发明的电感应气密隧道炉的应用的一个例子是用于使得条钢脱碳。隧道内包含的工艺气体包括高百分比的氢气，其能够在空气中燃烧或爆炸。由此，隧道内的工艺气体必须保持在大于炉周围的大气压力的压力下，以避免空气渗入隧道。为这个例子选择的惰性屏蔽气体是标准工业级氮气，其被注射进入炉的屏蔽腔至大于工艺气体压力的压力，使得炉的外壳和屏蔽腔之间的任何泄露将导致氮气流动进入隧道，而不是工艺气体流动进入屏蔽腔。

作为成为惰性气体的可选方式，屏蔽气体与隧道内的工艺气体反应是可接受的。即，非惰性屏蔽气体和工艺气体之间的化学反应不能导致燃烧、爆炸或其他危险情况。

在本发明的所有例子中，提供给屏蔽腔的屏蔽气体可以是再循环其他或不可再循环气体。例如在屏蔽腔中的屏蔽气体和隧道中的工艺气体之间的正压力差消失的情况下，或者如果需要通过屏蔽气体通过屏蔽腔的连续流动而冷却屏蔽腔或屏蔽腔附近的区域，再循环气体可以被用于捕获和处理从隧道泄露的工艺气体。

在本发明的所有例子中，至屏蔽腔或屏蔽高压室的屏蔽气体入口的位置可以位于特定应用所需的其他方便的位置。

尽管在本发明的例子中示出了一个屏蔽腔，根据特定应用可以在本发明的其他例子中使用多个屏蔽腔。

尽管在本发明的上述例子中屏蔽腔或高压室内屏蔽气体的压力大于隧道内的工艺气体，在其他应用中，压力差可以反转，屏蔽腔或高压室中的屏蔽气体比隧道内的工艺气体压力低。

在本发明的所有例子中，图1所述的强迫通风流通盒可以与本发明的电感应气密隧道炉结合使用作为附加特征。

尽管本发明用于最小化危险情况的可能性，不管设计如何灯操作工业设备时都应当小心。自然和强迫通风至大气是典型的，但不是唯一的防范措施。

关于优先例子和实施例已经描述了本发明。除了所述的这些以外可选方式和变形也是可能的并且处于本发明的范围内。本领域普通技术人员具有该说明书教导的收益能够对其进行修改而不偏离本发明的范围。

Claims (20)

1.一种电感应气密隧道炉，包括：

炉外壳，沿着炉外壳的纵向长度形成闭合的隧道区域，工件通过隧道外壳以感应加热，炉外壳的闭合隧道区域具有工件进入端和工件退出端；

位于工件进入端的炉外壳进入端凸缘和位于工件退出端的炉外壳退出端凸缘；

感应线圈，围绕炉外壳的闭合的隧道区域的纵向长度布置；

改进包括：

屏蔽材料，形成围绕炉外壳的纵向长度的外部的气密屏蔽腔，屏蔽材料具有与炉外壳进入端凸缘的密封的进入端接口和与炉外壳退出端凸缘的密封的退出端接口。

2.根据权利要求1所述的电感应气密隧道炉，其中感应线圈布置在屏蔽材料外部。

3.根据权利要求1所述的电感应气密隧道炉，还包括布置在炉外壳进入或退出端凸缘内的屏蔽气体入口管道，屏蔽气体入口管道形成进入气密屏蔽腔的屏蔽气体进入通道。

4.根据权利要求3所述的电感应气密隧道炉，还包括屏蔽气体出口管道，屏蔽气体出口管道形成从气密屏蔽腔的屏蔽气体退出通道。

5.根据权利要求1所述的电感应气密隧道炉，还包括形成与炉外壳进入端凸缘的进入气密连接的互联进入气密元件和形成与炉外壳退出端凸缘的退出气密连接和互联退出气密元件。

6.根据权利要求1所述的电感应气密隧道炉，其中，感应线圈布置在气密屏蔽腔内。

7.根据权利要求1所述的电感应气密隧道炉，其中，与炉外壳进入端凸缘的密封的进入端接口是通过延伸屏蔽材料和炉外壳进入端凸缘之间的炉外壳形成的，屏蔽材料和炉外壳进入端凸缘之间的炉外壳形成了炉外壳进入端凸缘密封的接口；并且与炉外壳退出端凸缘的密封的退出端接口是通过延伸屏蔽材料和炉外壳退出端凸缘之间的炉外壳形成的，屏蔽材料和炉外壳进入端凸缘之间的炉外壳形成了炉外壳退出端凸缘密封的接口。

8.根据权利要求7所述的电感应气密隧道炉，还包括屏蔽气体入口管道，布置在屏蔽材料内以形成进入气密屏蔽腔的屏蔽气体进入通道。

9.根据权利要求8所述的电感应气密隧道炉，还包括屏蔽气体出口管道，形成从气密屏蔽腔的屏蔽气体退出通道。

10.根据权利要求7所述的电感应气密隧道炉，还包括：

沿着炉外壳的纵向长度布置在炉外壳附近的闭合隧道区域内的热绝缘物；和

屏蔽气体注射器，用于在热绝缘物和炉外壳退出端凸缘密封的接口之间的第一区域内或热绝缘物和炉外壳退出端凸缘密封的接口之间的第二区域内注射屏蔽气体。

11.根据权利要求3所述的电感应气密隧道炉，还包括：

气体调节器，具有连接至屏蔽气体入口管道的调节的气体出口；

连接至气体调节器输入的屏蔽气体的提供物；和

压力传感器，将反馈压力信号提供给气体调节器以调节向调节的气体输出提供屏蔽气体。

12.根据权利要求11所述的电感应气密隧道炉，其中反馈压力信号与气密屏蔽腔中的屏蔽气体的压力和闭合的隧道区域内工艺气体的压力之间的压力差成比例，电感应气密隧道炉还包括压力控制器，具有输出故障信号以控制工艺气体从闭合的隧道区域流动。

13.一种防止工艺气体从电感应气密炉泄露的方法，电感应气密炉包括炉外壳，沿着炉外壳的纵向长度形成闭合的隧道区域，工件通过隧道外壳以感应加热，炉外壳的闭合隧道区域具有工件进入端和工件退出端；工艺气体至少包含在闭合的隧道区域；位于工件进入端的炉外壳进入端凸缘和位于工件退出端的炉外壳退出端凸缘；和感应线圈，围绕炉外壳的闭合的隧道区域的纵向长度布置；所述方法包括：

在围绕炉外壳的纵向长度的外部提供屏蔽材料；和

通过密封屏蔽材料和炉外壳进入端凸缘之间的进入端接口和通过密封屏蔽材料和炉外壳退出端凸缘之间的退出端接口，围绕炉外壳的纵向长度的外部形成气密腔。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：通过布置在炉外壳进入端凸缘、炉外壳退出端凸缘或屏蔽材料内的屏蔽气体入口管道将屏蔽气体提供给气密屏蔽腔。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：从气密屏蔽腔排净屏蔽气体。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：保持气密屏蔽腔内的屏蔽气体处于比闭合的隧道区域内的工艺气体的压力更大的压力下。

17.一种电感应热处理炉外壳的纵向长度内形成的闭合隧道区域中的工艺气体中的工件的方法，所述方法包括以下步骤：

通过闭合的隧道区域的工件进入端处的进入端凸缘馈送工件，进入端凸缘形成与位于炉外壳外部的屏蔽材料的密封的进入端接口；

向围绕炉外壳的纵向长度布置的感应线圈提供交流电，从而感应地加热闭合的隧道区域中的工件；

通过闭合的隧道区域的工件退出端处的退出端凸缘将工件从闭合的隧道区域取出，退出端凸缘形成与屏蔽材料密封的退出端接口，并且由此围绕炉外壳的纵向长度的外部形成气密屏蔽腔；以及

将屏蔽气体提供给气密屏蔽腔。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤：

将闭合的隧道区域内的工艺气体保持在比大气压力更大的压力下；以及

将气密屏蔽腔内的屏蔽气体保持在比闭合的隧道区域内的工艺气体的压力更大的压力下。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：再循环气密屏蔽腔内的屏蔽气体。

20.根据权利要求18所述的方法，其中工艺气体是氢气并且屏蔽气体是氮气。

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