CN103229592A - 连续纵向工件的电感应加热处理 - Google Patents

Abstract

多个纵导向连续工件穿过在开盒的矩形铁磁材料中的单独的纵导向可通过间隙，所述开盒的矩形铁磁材料具有多个纵导向可通过间隙。在每个间隙中形成的横向磁通量感应加热穿过每个间隙的工件。可选地，单个纵导向连续工件穿过单个适合宽度的在开盒的矩形铁磁材料中的纵导向可通过间隙，被在适合宽度的纵导向可通过间隙中形成的横向磁通感应加热。

Description

连续纵向工件的电感应加热处理

交叉引用的相关申请

本申请要求申请日为2010年9月23日的申请号为61/385,835的美国临时申请，以及申请日为2010年9月24日的申请号为61/386,213的美国临时申请的权益，并通过引用合并于全文中。

技术领域

本申请涉及纵导向连续工件的电感应加热处理，所述纵导向连续工件如杆、线和由多个线组成的电缆，所述工件穿过磁路中的纵导向间隙，并暴露于间隙中的横向磁场中，从而所述横向磁场电感应加热穿过间隙的纵导向连续工件的那部分。

背景技术

专利号为5412,183-A（`183专利）的美国专利在图1中公开了由叠片磁轭4和彼此相对的电极绕组5、6组成的C形电感器3，位于固定空隙之间，通过用间隙中形成的横向磁通使工件穿过空隙来电感应地加热单个轴向长工件。该专利声明其公开的C形电感器用于加热长材是不理想的，并公开了用C形电感器与其它电感器结合以电感应地加热单个轴向长材的若干个替代方案。

专利号为7,459,053B2的美国专利公开了磁导感应加热装置，用于感应地加热位于磁路间隙中的细长、非均匀的工件，工件被放置于磁路材料中，或被放置于两个分离和间隔的磁芯的空间中。

本发明的一个目的是提供的纵导向连续工件的感应加热处理的装置和方法，所述工件如杆、线或穿过装置的纵导向可通过间隙的电缆，所述装置包括具有横向磁通的磁路，所述横向磁通与工件在可通过间隙中耦合，特别地，装置具有宽度可调节的间隙。

本发明的另一个目的就是提供用于不同配置和大小的多个纵导向工件同时感应加热的装置和方法，所述工件在单个装置的多个纵导向可通过间隙中，所述装置包括通过横向磁通与多个工件耦合的磁路，所述多个工件分别放置在单个装置的多个纵导向可通过间隙的每一个中。

发明内容

本发明的一个方面是用于多个纵导向连续工件加热处理的电感应加热处理装置。由开盒的矩形铁磁材料组成串联磁回路电路，所述开盒的矩形铁磁材料具有多个纵导向工件可通过间隙，用于当每个所述纵导向连续工件穿过所述多个纵导向连续工件可通过间隙时，在所述多个纵导向工件可通过间隙之一内插入一个纵导向连续工件。每个可通过间隙具有间隙宽度，其在间隙内形成与工件穿过间隙的方向相垂直的横向磁通。电感器被放置于开盒的矩形铁磁材料周围，与每个可通过间隙的每个面相邻，交流电源连接至所有的多个电感器。

本发明的另一个方面是多个纵导向连续工件的感应加热处理的方法。交流电源提供至串联由开盒的矩形铁磁材料组成的磁回路电路，所述铁磁材料具有多个纵导向工件可通过间隙。在横跨每个工件可通过间隙的宽度形成横向磁通，每个工件垂直于横向磁通穿过每个工件的可通过间隙。

本发明的另一个方面是用于纵导向连续工件的加热处理的电感应加热处理装置。串联磁回路电路由开盒的矩形铁磁材料组成，所述铁磁材料具有宽度可调节的纵导向工件可通过间隙，当工件通过宽度可调节的可通过间隙时，用于工件的插入。每个宽度可调节的可通过间隙具有间隙宽度，其在所述间隙内形成与工件长度穿过所述间隙方向垂直的横向磁通。电感器被放置于开盒的矩形铁磁材料周围，与每个宽度可调节的可通过间隙的每个对面相邻，交流电源连接至电感器。

本发明的又一个方面是感应加热处理纵导向连续工件的方法。交流电源提供至由开盒的矩形铁磁材料组成的串联磁回路电路，所述铁磁材料具有宽度可调节的纵导向工件可通过间隙。在横跨宽度可调节的可通过间隙的宽度形成横向磁通，工件垂直于横向磁通穿过宽度可调节的可通过间隙。

以上所述以及本发明的其它方面，在本说明书中和所附的权利要求中有进一步的陈述。

附图说明

为了阐明本发明的目的，附图中所示的形式是目前首选的。本发明应被理解为、但不限于附图中所示的精确的形式和内容。

图1是本发明的电感应加热处理装置的一个实施例的等距视图。

图2(a)是本发明的电感应加热处理装置的另一个采用了多匝螺线管线圈的实施例的等距视图。

图2(b)是图2(a)中的装置沿线A-A的截面图。

图2(c)是图2(a)中的装置沿线B-B的截面图。

图2(d)是图2(a)中装置的图解部分的等距视图，图示了多匝螺线管线圈连接至交流电源的一个实施例。

图3(a)是本发明的电感应加热处理装置的另一个采用了单匝薄板电感器的实施例的等距视图。

图3(b)是图3(a)中的装置的图解部分的等距视图，图示了单匝薄板电感器连接至交流电源的一个实施例。

图4(a)是本发明的电感应加热处理装置的另一个采用了多层绕带式电感器的实施例的截面图。

图4(b)是在图4(a)中装置中使用的一个多层绕带式电感器的细节截面图。

图4(c)是用于图4(a)装置中的带电感器缠绕与可通过间隙相邻的铁磁材料之前的一个实施例的平面图。

图4(d)是用于图4(a)装置中的带电感器缠绕与可通过间隙相邻的铁磁材料之后的图4(c)中的带电感器的截面图。

图5是本发明中的电感应加热处理装置的一个实施例的等距视图，其具有纵导向连续工件馈线和定位装置的分解图。

图6(a)是图示了纵导向间隙G1的电感应加热处理装置的图5的部分细节图。

图6(b)是图6(a)中的间隙的图解间隙X-Y平面的截面图。

图6(c)是放置在间隙X-Y平面上方的纵导向连续工件的截面图。

图6(d)是放置在间隙X-Y平面中心位置的纵导向连续工件的截面图。

图6(e)是放置在间隙X-Y平面中心位置之上的纵导向连续工件的截面图。

图7是本发明的电感应加热处理装置的一个实施例的等距视图，其中各个纵导向连续工件线在单独的纵导向间隙中进行感应加热处理，然后缠绕一起形成多股复合的纵导向连续工件。

图8是本发明的电感应加热处理装置的一个实施例的截面图，图示了可插入间隙铁氧体的例子，以适应在所述装置的纵导向可通过间隙内的纵导向连续工件的不同配置和大小，或没有工件在所述装置的纵导向可通过间隙内。

图9(a)本发明的电感应加热处理装置的另一个实施例的截面图，用于单个纵导向连续工件的加热处理，所述工件具有宽度可调节的可通过间隙。

图9(b)-9(e)是应用于本发明的电感应加热处理装置的不同实施例中的通道尖端的不同场的形状。

图10(a)是本发明的电感应加热处理装置的另一实施例的平面图，所述装置用于采用单匝薄板电感器缠绕铁磁材料的整个长度的单个纵导向连续工件的加热处理。

图10(b)是图10(a)中的装置沿C-C线的截面图，图示了单匝薄板电容器围绕着铁磁材料。

图11(a)是本发明电感应加热处理装置的另一实施例的部分等距视图，其在装置的纵导向间隙中采用了密封腔。

图11(b)是图11(a)中的装置沿D-D线的截面图。

具体实施例

尽管本发明根据优选实施例进行阐述，但并不局限于实施例。相反，其意图包括所有的替代、变形和等价方案，并可被包括进本发明的领域。

图1是本发明的电感应加热处理装置的一个实施例。由合适的铁磁材料12形成磁路或磁导，所述铁磁材料12排放在配置有一个或多个纵向空气间隙G1-G5的开盒矩形中。铁磁体可以是例如具有叠片的或由合适的支撑结构的压粉的铁氧体。纵导向连续工件（例如线）可穿过纵导向可通过间隙之一，以形成垂直于间隙中的工件长（图中所示的X-Y-Z正交空间的Z轴方向）的横向磁场（图中所示的X-Y-Z正交空间的X轴方向），在间隙中感应耦合并加热穿过间隙的工件的那部分。装置的厚度T由工件的配置和大小决定，间隙的长度L由参数决定，所述参数如工件穿过间隙的速度，和间隙内工件部分的感应加热时间要求水平。装置的高度H和返回长度RL是具体应用中所适用的最小值。如果具体应用中要求，C形部分12a’的端部是足够长度x₁，以确保磁通量在每个端部12a’的方向与X轴在每个端部的尖端12a”的方向平行，使得跨间隙G1和G5的磁通实质上平行横穿每个间隙，并垂直于穿过这些间隙的工件的长的方向。相邻间隙的最小间隔x₂由电感器（也指感应线圈）的长度x₂决定，在具体应用中，所述电感器被要求提供足够的跨间隙的磁通量，以达到穿过间隙的工件部分的加热温度上升。在图1中，电感器14a-14f被图解示出，并被适当地连接至一个或多个交流电源（图中未示出）。在本发明的所有实施例中，可被用于铁磁部分和感应线圈的合适的安装结构并没有全部显示在附图中。尽管图中装置10的所有可通过间隙是沿着装置的一个面（上面），多个间隙可被布置于装置的一个或多个面，例如，沿着高H和/或返回长度RL。

图2(a)、2(b)和2(c)图示了本发明的装置10，除了具有由多匝螺线管线圈24a-24f形成的电感器外，其与图1中的装置是相似的。每个螺线管线圈成螺旋形地缠绕面临间隙的铁磁材料的每个部分。尽管图中并未图示，优选地，每个线圈延伸至接近在每个间隙的铁磁材料的边缘（例如图2(b)中的12b’和12c’）以使每个线圈绕着与可通过间隙的面相邻的铁磁材料放置。如图2(d)所示，在本发明的这个实施例中，每个螺线管线圈被适当地连接至电源母线26a和26b（被电介质26c分隔开），所述电源母线为螺线管线圈（在本实施例中为并联）提供来自单相电源PS的交流电。

图3(a)和图3(b)图示了本发明的装置10，除了由单匝薄板电感器34a-34f组成的电感器外，其与图1中的装置是相似的。每个单匝薄板电感器可由例如铜片组成，并被缠绕至面临纵导向间隙的铁磁材料的每个部分。尽管图中并未图示出，优选地，每个薄板电感器延伸至接近每个间隙的边缘（例如图3(a)中的12b’和12c’）以使每个薄板电感器绕着与可通过间隙的面相邻的铁磁材料放置。如图3(b)所示，在本发明的这个实施例中，每个单匝薄板电感器被适当地连接至电源母线36a和36b（被电介质36c分隔开），所述电源母线为螺线管线圈（在本实施例中为并联）提供来自单相电源PS的交流电。

图4(a)图示了本发明的装置10，除了由多层绕带式电感器44a-44f组成的电感器外，其与图1中的装置是相似的，所述带包括电导体/绝缘体两层复合材料，或背靠背分隔开的电导体和绝缘体层，可以以多层重叠方式缠绕，从而基本上所有的磁通被包含在铁氧体中。每个多层带式电感器缠绕面临间隙的铁磁材料的每个部分，并被适当地连接至交流电源，例如图4(b)中的用于多层绕带式电感器44a’的端子T1和T2。图4(c)图示了将多层绕带式电感器44a’（图4(a)中示出）缠绕至铁磁部分12a’，并与可通过间隙相邻，其中半部分44a”逆时针方向（关于X轴在Y-Z方向）缠绕铁磁部分12a’，半部分44a”’顺时针方向（关于X轴在Y-Z方向）缠绕铁磁部分12a’，以得到图4(b)中的缠绕配置。优选地，每个绕带式电感器延伸至每个间隙的边缘（例如，图4(a)中的边缘12b’和12c’）。

图5图示了本发明在图2(a)-2(b)中显示的一个实施例，其中最大值为5个单独的纵导向连续工件（本实施例中为线）可被同时加热处理，5个间隙G1-G5的每个间隙中都有一根线。每根线可从单独的供线盘30至收线盘32馈通过间隙的长度。间隙馈通之前，可对线进行另一道工业工序，例如，在涂层材料中浸渍。

每根线可由单独的馈线和间隙定位装置提供。例如，图5用于间隙G5的馈线和间隙定位装置36被用于从间隙G5插入和移除线，当线相对于可建立的合适的间隙X-Y参考平面穿过间隙时，和/或改变线的位置。致动器37a和37b被用于调节间隙中线的Y轴方向，致动器38a和38b被用于调节间隙中线的X轴方向。例如，用于图5中的线W3的馈线间隙定位装置，所述线W3在间隙G3中进行加热处理，如图5和图6(c)中所示，线W3已经从间隙X-Y参考平面（在图6(b)中示出）中移出。相似的馈线和间隙定位装置可被用于间隙G5的收线盘32。

间隙定位装置可被用于改变在间隙中的间隙X-Y参考平面中线的位置，以得到横向磁通98与线的耦合强度，因此，感应加热所述线发生改变，如图6(d)和6(e)所示。改变在间隙X-Y参考平面的线的位置也可用于调整传输给线的感应电源。

在本发明的某些实施例中，如图5中所示的一个或多个热敏传感器34可被用于测量加热线（该实施例中的W5）从加热间隙G5出来时的温度。被测量的温度数据可被计算机处理器存储和分析，响应于被测量的温度数据，所述计算机处理器执行加热控制程序，可输出用来调整电源PS输出功率的控制信号，以得到线的需要加热情况，所述电源PS用于为感应线圈提供电源和/或调整在间隙X-Y参考平面中线W5的位置。

图7图示了本发明的另一个实施例，其中绞合电缆的五根绳（线）的每一个被单独地加热处理，随后被卷绕装置38缠绕在一起形成五股电缆。

图8图示了扩展铁氧体（图中黑色阴影部分）的可选用途，所述扩展铁氧体可被插入在线间隙中以适应空气间隙的大小，从而调节特殊形状（如果横截面是圆形的，则包括直径）的线的磁通量密度，以便通过跨接和集中间隙内的磁通量，来对图中所示的间隙G2和G3的扩展铁氧体81’和81”的感应加热进行控制。铁氧体可由例如U形的非磁铁性载体83构成，如图8所示，扩展铁氧体81’和81”被嵌入在所述非磁铁性载体83中。当前没有线穿过时，扩展铁氧体也可被用来闭合间隙，例如，用于间隙G4的扩展铁氧体81”’。

图9(a)图示了本发明的另一个实施例，其中，装置10d适于单个纵导向连续工件90的感应加热处理。开盒的矩形铁磁材料包括铁磁部分13a、13b和13c。固定的铁磁部分13a可被安装到合适的结构元件23。电感器14a’和14b’在可通过间隙G1’的两边绕铁磁材料，并与间隙的每个面相邻。基于特定工件的尺寸和想要的跨间隙中的线的横向磁通量形状，提供可选合适位置的致动器20a和20b，用来控制L形铁磁部分13b和13c中的一个或两个的X轴方向的位置，以使装置10d具有宽度可调节的纵导向工件可通过间隙。例如，致动器20a和20b可以是螺纹装置，当其与铁磁部分13b、13c的螺纹连接件相互旋转时，分别沿X轴方向移动铁磁部分13b、13c。铁磁部分13c的可替代位置如图9(a)中的虚线所示。也可提供合适的装置用来控制在一个（或多个）横向磁通感应加热间隙之间的铁磁部分的X轴方向的位置，所述间隙被用在本发明上述提到的多间隙实施例中。可选地，合适的（Y轴方向）位置致动器可被提供用来控制在固定铁磁部分13a和可移动铁磁部分13b、13c之间的间隙g的宽度，从而控制图9(a)中磁路的磁阻。

作为对铁磁部分移动以调节间隙宽度w的替代或组合方案，在本发明的某些实施例中，可采用磁通路径适配器或控制尖端。某些应用中，适配器只能用于缩小间隙宽度w。在这些应用中，图9(b)中的适配器12c₁端部的形状与其附着的铁磁部分形状相同。在另外一些应用中，如图9(c)-9(e)所示的磁通量控制尖端12c1-12c4是弯曲轮廓的，以改变间隙中的横向磁通量形状。例如，由陶瓷合成物形成合适的非电磁安装设备，可被用于快速更换或除去适配器，而不用改变本发明的加热装置。

图10(a)和10(b)图示了本发明中的电感应加热处理装置的另一个实施例，其中单匝薄板电感器70（如由铜片组成）绕整个C形铁磁开盒的矩形材料72的整个长度（L1+L2+L3+L4+L5）（除了面对间隙的面（尖端）），所述铁磁开盒的矩形材料72具有可让纵导向公开穿过的纵导向工件可通过间隙G’。交流电源被合适地从例如侧端子70a和70b处提供至薄板电感器。在本发明的某些实施例中，图9(a)中装置10d的开盒的矩形铁磁材料的整个长度可被上述的任何种类的单个电感器围绕。相似地，图1中装置10的开盒的矩形铁磁材料的整个长度可被上述的任何种类的电感器围绕；即端电感器14a-14f可被延长为单个电感器，完全沿着高H和或返回长度RL的边围绕。

在某些应用中，工件在间隙中的感应加热要求封闭的环境，在这种情况下，密封管可被用于图11(a)和11(b)中装置的纵向间隙中，其材料可以是不含铁的不导电的材料组成，例如陶瓷。

本发明在给线镀锌或镀锌层的应用中尤其有效，因为其感应加热非常有效率，并在每个间隙中提供精准的线的温度控制，而这在现有技术中是不可能的。从而降低了加热含有熔融锌和其他合金的镀锌槽的能量需求。这就使得无需改变加热熔融锌的加热系统的情况下，处理量增加。

在本发明的某些实施例中，当穿过间隙的长L时，线可绕自身的中心轴旋转，以促进线的横截面的均匀加热。

尽管在本发明的上述实施例中，描述的纵导向连续工件是以圆形截面的线来举例说明的，其它类型的纵导向连续工件，例如但并不限于杆、导管以及由多根线组成的电缆，也可用本发明的装置和方法进行感应加热处理。在此使用的术语“加热处理”是描述工业过程，其中工件的感应加热应用也可被用于已有感应加热处理过程的替代或非感应加热处理过程的替换，例如在给线镀锌或镀锌层工艺中，用于在应用多股线的冶金变换的铅加热系统，以及例如但不限于铝、铜和钛的非铁工件加热。工件也可以是合成物，其中工件合成物仅有一部分成分具有导电性，用于感应涡流加热。术语“线”被用于最广义的含义，包括单股和多股、截面是圆柱形或其它形状的。术语“连续”在此的意思至少是足够长，以使得工件可以被传送过间隙，而工件传送装置不穿过间隙。

本发明依据优选的实施例进行描述。除了明确记载的内容，其等同、替换和改进也可以包含进本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于多个纵导向连续工件加热处理的电感应加热处理装置，所述电感应加热处理装置包括：

由开盒的矩形铁磁材料组成的串联磁回路电路，所述开盒的矩形铁磁材料具有多个纵导向工件可通过间隙，用于当每个所述纵导向连续工件穿过所述多个纵导向连续工件可通过间隙时，在所述多个纵导向工件可通过间隙之一内插入一个纵导向连续工件，每个所述纵导向连续工件可通过间隙具有间隙宽度，其在间隙内形成与所述纵导向连续工件穿过所述多个纵导向连续工件间隙之一的方向相垂直的横向磁通；

多个电感器，所述多个电感器中的每一个被放置于开盒的矩形铁磁材料周围，与每个所述纵导向工件可通过间隙的每个面相邻；

至少一个交流电源连接至所述多个电感器。

2.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，其中所述多个电感器包括多个多匝螺线管感应线圈或多个单匝薄板感应器。

3.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，其中所述多个电感器包括多个多层绕带式电感器。

4.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，其中所述多个电感器缠绕所述开盒的矩形铁磁材料的整个长度。

5.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，进一步包括用于所述多个纵导向连续工件中的至少一个的工件馈线和定位系统。

6.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，进一步包括将穿过所述多个纵导向工件可通过间隙的所述多个纵导向连续工件缠在一起的缠绕装置。

7.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，进一步包括插入在所述多个纵导向工件可通过间隙中的至少一个的扩展铁氧体。

8.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，进一步包括插入在所述多个纵导向工件可通过间隙中的至少一个的磁通路径适配器。

9.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，其中所述多个电感器扩展至完全围绕所述开盒的矩形铁磁材料。

10.根据权利要求1所述的电感应加热处理装置，进一步包括围绕所述多个纵导向工件可通过间隙中的一个的可控制空气的电磁透明管道，所述纵导向连续工件在密封的所述多个纵导向工件可通过间隙中穿过。

11.一种感应加热处理多个纵导向连续工件的方法，包括下列步骤：

提供交流电源至串联磁回路电路，所述磁回路电路由开盒的矩形铁磁材料形成，所述开盒的矩形铁磁材料具有多个纵导向工件可通过间隙；

形成跨所述多个纵导向工件可通过间隙中的每一个的宽度的横向磁通；

将所述多个纵导向连续工件的每一个垂直于所述横向磁通的方向穿过所述多个纵导向工件可通过间隙的每一个。

12.一种用于纵导向连续工件的加热处理的电感应加热处理装置，所述电感应加热处理装置包括：

由开盒的矩形铁磁材料组成串联磁回路电路，所述开盒的矩形铁磁材料具有宽度可调节的纵导向工件可通过间隙，该间隙用于当纵导向连续工件穿过所述宽度可调节的纵导向工件可通过间隙时，所述纵导向连续工件插入其中，所述宽度可调节的纵导向可通过间隙具有间隙宽度，从而在所述宽度可调节的纵导向可通过间隙内形成与穿过所述宽度可调节的纵导向可通过间隙的所述纵导向连续工件的长度方向相垂直的横向磁通；

一对电感器，所述一对电感器的的每一个被放置在所述开盒的矩形铁磁材料周围，并与所述宽度可调节的纵导向可通过间隙的相对面相邻；以及

连接至所述一对电感器的至少一个交流电源。

13.根据权利要求12的电感应加热处理装置，其中与所述纵导向连续工件可通过间隙相邻的至少所述开盒的矩形铁磁材料的一部分是相对于所述纵导向连续工件可通过间隙而言位置可调节的，从而调节间隙的宽度。

14.根据权利要求12的电感应加热处理装置，其中所述一对电感器包括一对多匝螺线管感应线圈或一对单匝薄板电感器。

15.根据权利要求12的电感应加热处理装置，其中所述一对电感器包括一对多层绕带式电感器。

16.根据权利要求12的电感应加热处理装置，进一步包括用于所述纵导向连续工件的工件馈线和定位系统。

17.根据权利要求12的电感应加热处理装置，进一步包括插入在所述宽度可调节的纵导向工件可通过间隙中的扩展铁氧体。

18.根据权利要求1的电感应加热处理装置，进一步包括插入在所述宽度可调节的纵导向工件可通过间隙中的磁通路径适配器。

19.根据权利要求12的电感应加热处理装置，其中所述一对电感器缠绕所述开盒的矩形铁磁材料的整个长度。

20.根据权利要求12的电感应加热处理装置，进一步包括围绕所述纵导向连续工件穿过的所述宽度可调节的纵导向工件可通过间隙的可控制空气的电磁透明管道。

21.一种感应加热处理纵导向连续工件的方法，包括下列步骤：

提供交流电源至串联磁回路电路，所述磁回路电路由开盒的矩形铁磁材料形成，所述开盒的矩形铁磁材料具有宽度可调节的纵导向工件可通过间隙；

形成跨所述宽度可调节的纵导向工件可通过间隙的宽度的横向磁通；

将所述纵导向连续工件垂直于所述横向磁通的方向穿过所述宽度可调节的纵导向工件可通过间隙。

Images