CN103313449B - 感应加热装置及其感应加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应加热装置，包括加热装置及旋转驱动装置，所述锭子通过旋转驱动装置设置在加热装置中并通过旋转驱动装置驱动旋转切割加热装置中形成的磁力线，所述加热装置包括设有气隙的铁芯机构、以及与铁芯机构相互作用形成静态磁场的超导线圈，所述锭子通过旋转驱动装置可移动地设置在所述气隙中;还公开了其感应加热方法。本发明采用多种控制方法实现被加热工件沿其径向和轴向两个维度的温度可调和可控，从而是被加热工具可以实现多种温度梯度，来适应不同的应用要求。

Description

感应加热装置及其感应加热方法

技术领域

本发明涉及感应加热技术领域，具体是一种感应加热装置及其感应加热方法。

背景技术

感应加热是基于法拉第-楞次电磁感应原理的一种加热方式，具有快速、干净、便于进行表面和局部加热及在大多数情况下节能等优点。

从20世纪20年代起，国外开始引入利用电磁涡流加热的交流感应加热，近年来国内也逐步采用。然而，传统的有色金属热处理多采用直接燃煤燃气加热技术，国内相当数量的铝型材加工企业还停留在燃煤燃气加热的水平。传统的交流感应加热方式，其工作原理为：让交流电通过由水冷铜管绕制的线圈产生交变磁场，从而使位于线圈中的锭子内因电磁感应原理产生涡流，涡流在锭子内流动产生焦耳热加热物料。此时，铜线圈电阻产生的电损耗被冷却水带出。采用这种方式加热铝、铜等电阻率较小的非磁性金属材料时，由于线圈的电阻损失明显增大使加热装置的电效率变得很低，仅为50％-60％，造成了巨大的电能损失。在对加热精度要求较高的情况下，传统交流感应加热设备只能对铝型材表面有限的深度进行温度同步加热，更深区域的加热大都靠材料自身热传导实现，所以型材深浅部分温差大，在后续挤压时不但会造成材料局部软硬不一，从而引起微裂纹等缺陷，而且外部比内部高出来的余温也造成了能源的浪费。除此之外，燃煤燃气加热精度比交流感应加热差，而且存在高污染、存放运行风险大等方面的潜在问题。

由此，超导直流感应加热成为目前感应加热的主要研究方向。超导直流感应加热的工作原理为，让直流通过由超导线圈组成的磁体产生强直流磁场并让铝锭或者铜锭在该直流磁场中旋转(即导体切割磁力线)，从而在锭子内形成涡流并进而产生焦耳热。在运行过程中，锭子内的感应电流(涡流)将产生阻碍锭子旋转的反力矩，于是机械能通过电磁感应的作用变成了热能，随着转动次数的增加，锭子的温度就会持续升高。同时由于采用直流，超导线圈中几乎不存在损失。

经过检索发现，Magne Runde等人在《IEEE TRANSACTIONS ON APPLIEDSUPERCONDUCTIVITY》上发表的“Commercial Induction Heaters WithHigh-Temperature Superconductor Coils”一文中提到：美国南部旧金山Zenergy Power公司为一家德国铝挤压公司提供了一台直流感应加热装置，该装置由超导磁体、制冷装置、加热室和电机四个主要部分组成。磁体的顶部有一个装有市售制冷器的小箱子，为磁体提供低温环境。磁体产生的直流磁场透入两个隔热的加热室中，锭子在其内旋转。锭子两端的电机提供旋转动力，这些电机能滑动以适应不同长度的锭子。电机装有法兰以在旋转时夹持锭子并不使其产生任何损害或变形。超导磁体紧固在非常结实的钢壳内。

中国专利申请号：200880112972.2，专利名称：感应加热金属工件的方法。该专利自述为：一种通过使金属工件相对于穿透该工件的直流磁场旋转来将所述金属工件感应加热到希望温度的方法的区别特征在于，所述工件被夹紧在适于围绕共轴旋转的两个夹爪之间，所述夹爪中的至少一个被驱动旋转，所述夹爪中的至少一个适于沿着或平行于所述旋转轴主动移位，所述夹爪中的至少一个的接触力被调整，并且代表所述工件的温度的至少一个机械参数被测量作为实际值且与该机械参数的代表所述希望温度的希望值相比较。

中国专利申请号：200880100217.2，专利名称：感应加热器。该专利自述为：一种用于加热金属锭子的感应加热器，其具有E形截面的轭，在所述轭的中间分支上设置有超导线圈，所述感应加热器具有各自位于所述中间分支与两个外侧分支中的每一个之间的阱。可通过使锭子在两个阱中的每一个中旋转而加热该锭子。

中国专利申请号：200880100216.8，专利名称：感应加热方法。该专利自述为：在通过使导电材料的锭子相对于由铁芯上的至少一个承载直流电的超导绕组产生的磁场旋转而感应加热所述锭子期间，通过在所述绕组中产生且维持直流值可以降低反向感应电压，该直流值在所述铁芯中，至少在所述绕组的区域中，产生这样的磁通密度，在该磁通密度下，所述铁芯的材料的相对磁导率比在所述绕组的零电流状态时低。

为了提高锭子挤压后生产出来的产品质量，一般要求锭子轴向的温度梯度，这是超导直流感应加热的核心部分。上述已有的方案均没有提到产生梯度的方法，其感应加热技术也没有温度控制环节和方法，被加热过后的工件内部的温度分布是单一的，不可控的，这种温度分布往往不能满足实际工业需求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种感应加热装置及其感应加热方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种感应加热装置，包括加热装置及旋转驱动装置，锭子通过旋转驱动装置设置在加热装置中，旋转驱动装置驱动锭子旋转并切割加热装置中形成的磁力线，所述加热装置包括设有气隙的铁芯机构、以及与铁芯机构相互作用形成静态磁场的超导线圈，所述锭子通过旋转驱动装置可移动地设置在所述气隙中。

所述锭子通过旋转驱动装置沿所述气隙轴线方向移动。

所述铁芯机构包括两根铁芯，所述气隙通过两根铁芯相互之间等间距放置形成；

所述两根铁芯之间的距离可调节。

所述铁芯机构包括两根铁芯，所述气隙通过两根铁芯之间不同位置对应不同间距放置形成；

所述两根铁芯之间不同位置对应不同间距通过两根铁芯相对位置的移动和/或通过改变铁芯厚度实现；

所述两根铁芯之间的距离可调节。

所述铁芯厚度的改变为直线线性改变或阶梯式改变。

一种上述感应加热装置的感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，首先通过铁芯机构及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场；

步骤2，在静态磁场中的任一位置放入锭子，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；

步骤3，连续改变锭子在气隙中轴线方向的位置，将连续改变锭子位置的过程离散化，对锭子在每个位置的加热效果进行计算和实验，并将加热效果数据存入预定的数据库；

步骤4，根据需求从数据库中寻找最佳的锭子放置位置，从而完成满足轴向温度梯度要求的锭子感应加热。

第二种上述感应加热装置的感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，首先通过铁芯机构及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场；

步骤2，在静态磁场中放入锭子，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；

步骤3，在锭子旋转的同时，沿气隙轴线方向移动所述被加热锭子，以此调节锭子轴向各处的加热功率密度分布，完成满足轴向温度梯度要求的锭子感应加热。

所述步骤3中，锭子沿气隙轴线方向的移动为连续移动、时断时续移动、往复移动或单向移动。

第三种上述感应加热装置的感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，预先调整气隙的宽度；

步骤2，通过铁芯机构及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场；

步骤3，在静态磁场中的任一位置放入锭子，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；预先调整的气隙宽度使锭子沿轴向各位置处在不同的磁场之下，进而实现了加热后轴向温度梯度。

所述铁芯机构各部分的气隙宽度的改变通过构成铁芯机构的两根铁芯相对位置的移动和/或通过改变铁芯厚度来实现；

所述铁芯厚度的改变为直线线性改变或阶梯式改变。

第三种感应加热装置的感应加热方法还包括步骤A和步骤B、或者步骤C，其中：

步骤A，连续改变锭子在气隙中轴线方向的位置，将连续改变锭子位置的过程离散化，对锭子在每个位置的加热效果进行计算和实验，并将加热效果数据存入预定的数据库；

步骤B，根据需求从数据库中寻找最佳的锭子放置位置；

步骤C，在锭子旋转的同时，沿气隙轴线方向移动所述被加热锭子，以此调节锭子轴向各处的加热功率密度分布；

所述步骤A和步骤B、或者步骤C在步骤1至步骤3之间执行。

本发明主要是针对超导直流感应加热方法，通过调整锭子轴向磁场分布来对任意规格的被加热锭子实现用户要求的轴向温度梯度。本发明首先用超导线圈和铁芯在铁芯气隙槽中产生一个垂直于锭子侧面的静态磁场，然后驱动锭子在此静态磁场中做旋转运动切割磁力线产生感应电流从而加热锭子。本发明针对超导直流感应加热方法提出一种实现用户要求的被加热锭子轴向温度梯度的方法。本方法通过调节被加热锭子的轴向磁场分布，来调节锭子轴向的感应电流分布，从而调节加热功率分布，最终实现对锭子轴向温度梯度的调节以满足客户要求。

本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：

(1)效率高

本发明采用超导直流加热原理，加热铝锭或铜锭等低电阻率的非磁性材料时，可使加热效率由常规的50％～60％提高到90％以上。在直流感应加热中，加热锭子的能量不是来自产生直流磁场的超导线圈，而是高效率的电机，用来旋转锭子的所有能量被转换用来加热锭子，损失很小；

(2)锭子加热均匀，产品质量好

本发明中，锭子的转速为240～600rpm，这相当于4～10Hz，能够得到较深、较均匀的加热，其加热较快，生产率较高；

(3)锭子温度控制性好

本发明中，通过多种温度控制方法，可以在锭子上实现用户需要的温度梯度，更适合铝加工行业实际生产的需求。

(4)制造简单，操作维护方便

本发明在机械上非常简单明了，装置安装方便，维修工作量很小，另外，它不需要传统感应加热装置那样的供功率因数调节的无功功率补偿；感应加热装置可加热不同长度的锭子而不需调节线圈或功率因数，也无任何效率的损失；磁体的超导线圈与被加热锭子完全被热屏蔽且加热装置内不含传送锭子的复杂运动部件和驱动机构，因此线圈不受任何热影响和振动，能可靠、持久地运行，在装置的使用寿命期间不需维护和更换。

本发明提供的感应加热装置及其感应加热方法，采用多种控制方法实现被加热工件沿其径向和轴向两个维度的温度可调和可控，从而是被加热工具可以实现多种温度梯度，来适应不同的应用要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1原理图；

图2为本发明实施例2原理图；

图3为本发明实施例3铁芯的厚度为直线线性改变示意图；

图4为本发明实施例3铁芯的厚度为阶梯式改变示意图；

图5为本发明实施例5原理图；

图6为本发明实施例5原理图；

图中：1为铁芯机构，2为锭子，3为气隙轴线，4气隙，5为磁力线，6为轴向移动，7为磁力线分布的端部效应。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种感应加热装置，包括加热装置及旋转驱动装置，所述锭子2通过旋转驱动装置设置在加热装置中，旋转驱动装置驱动锭子2旋转并切割加热装置中形成的磁力线5，所述加热装置包括设有气隙4的铁芯机构1、以及与铁芯机构1相互作用形成静态磁场的超导线圈，所述锭子2通过旋转驱动装置可移动地设置在所述气隙4中。

进一步地，所述锭子2通过旋转驱动装置沿所述气隙轴线3为中心轴旋转。

进一步地，所述铁芯机构1包括两根铁芯，所述气隙4通过两根铁芯相互之间等间距放置形成。

进一步地，所述两根铁芯之间的距离可调节。

在本实施例中，锭子2的转速优选为240～600rpm；旋转驱动装置的驱动电机功率优选为200～400kW。

本实施例提供的感应加热装置，其感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，首先通过铁芯机构及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场；

步骤2，在静态磁场中的任一位置放入某一规格的锭子，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；

步骤3，连续改变锭子在气隙中轴线方向的位置，将连续改变锭子位置的过程离散化，对锭子在每个位置的加热效果进行计算和实验，并将加热效果数据存入预定的数据库；

步骤4，根据需求从数据库中寻找最佳的锭子放置位置，从而完成满足轴向温度梯度要求的锭子感应加热。

具体为，如图1所示，构成铁芯机构1的平行等间距放置的铁芯，在其气隙中不存在被加热锭子2时，会在气隙中产生一个静态的磁场5，此磁场在铁芯轴向两端表现出端部效应，即图1中气隙轴线3呈现出的端部效应磁场分布线7，又由于磁场的轴向分布会影响锭子中加热功率密度的轴向分布，所以磁场沿气隙轴线3方向有规律不均匀的分布为调节锭子的轴向加热功率分布提供了可能。而计算和实践表明，当锭子在轴向均匀磁场中旋转加热时，锭子温度分布也会随锭子尺寸和转速的不同而呈现出“两端冷中间热”或“两端热中间冷”的端部效应。配合使用上述磁场的端部效应和均匀磁场加热的端部效应，即可实现对被加热锭子轴向温度梯度的调节以满足客户的要求。该方法首先对于某一规格的锭子，连续改变其在气隙轴线方向的位置，然后将此连续改变锭子位置的过程离散化，对其在每个位置点的加热效果进行计算和实验，并将其数据存入预定的数据库，然后根据客户对锭子轴向温度梯度的要求从数据库中寻找最佳的放置锭子的位置。此方法的特点是锭子在气隙轴线方向的位置一经选定，则在被加热的过程中不再进行沿轴向方向的移动或改变。

实施例2

实施例2为实施例1提供的感应加热装置的第二种感应加热方法。

本实施例提供的感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，首先通过铁芯机构1及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场5；

步骤2，在静态磁场中放入某一规格的锭子2，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；

步骤3，在锭子2旋转的同时，沿气隙轴线方向移动6所述被加热锭子，以此调节锭子轴向各处的加热功率密度分布，完成满足轴向温度梯度要求的锭子感应加热。

进一步地，所述步骤3中，锭子沿气隙轴线方向的移动为连续移动、时断时续移动、往复移动或单向移动。

具体为，如图2所示，利用实施例1中提到的无锭子时气隙磁场沿轴线方向有规律不均匀的分布和锭子在轴向均匀磁场中加热时所呈现的端部效应，在铁芯产生的气隙磁场中旋转加热锭子的同时沿气隙轴线方向移动被加热锭子，以此调节锭子轴向各处的加热功率密度分布，从而实现客户对被加热锭子轴向温度梯度的要求。对于一个锭子的整个加热过程来说，这种沿气隙轴线方向的移动可以是连续的，也可以是时断时续的，可以是往复式的，也可以是单向；总之这种移动可以是任意方式的。对于某一规格的待加热锭子和客户提出的轴向温度梯度要求，可以利用此方法设计许多不同的加热策略，然后利用计算和实验的方法对其进行验证，直至找到最佳的满足客户要求的加热策略。

实施例3

本实施例为实施例1的变化例。

本实施例在实施例1的基础上，提供了另外一种感应加热装置，本实施例与实施例1的区别在于：

所述铁芯机构包括两根铁芯，所述气隙通过两根铁芯之间不同位置对应不同间距放置形成；

所述两根铁芯之间不同位置对应不同间距通过两根铁芯相对位置的移动或通过改变铁芯厚度实现；

所述两根铁芯之间的距离可调节。

进一步地，所述铁芯厚度的改变为直线线性改变或阶梯式改变。

本实施例提供的感应加热装置的感应加热方法，包括以下步骤：

步骤1，预先调整气隙的宽度；

步骤2，通过铁芯机构及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场；

步骤3，在静态磁场中的任一位置放入锭子，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；预先调整的气隙宽度使锭子沿轴向各位置处在不同的磁场之下，进而实现了加热后轴向温度梯度。

进一步地，上述方法中，铁芯机构各部分的气隙宽度的改变通过构成铁芯机构的两根铁芯相对位置的移动和/或通过改变铁芯厚度来实现；

所述铁芯厚度的改变可以是直线线性改变，也可以是阶梯式改变。

具体为，如图3所示，通过改变气隙轴向的宽度来改变无被加热锭子时气隙静态磁场的轴向分布，进而改变在气隙中旋转加热锭子时锭子轴向的加热功率密度分布，从而实现对锭子轴向温度梯度的调节。本实施例首先对于某一规格待加热的锭子，将其放置于气隙中的某一位置；然后，改变铁芯之间的相对位置，从而改变气隙的宽度，进而改变气隙磁场轴向分布。这种对铁芯之间相对位置的改变可以是对铁芯相对位置的移动，如旋转、平移等，也可以是直接对铁芯进行加工，改变其几何结构，例如通过改变铁芯厚度来实现，铁芯的厚度可以是直线线性改变(如图4所示)，也可以是阶梯式改变(如图5所示)，也可以是位置的移动和几何结构两者兼而有之，或其他方法。接着，用计算或实验的方法对此气隙磁场分布下锭子的加热效果进行分析和评估，如果此结果满足客户的要求，则即为所需的加热方案；如果不满足要求，则继续用上述方法优化气隙磁场的轴向分布，重复上述过程，直至寻满足客户的要求。本实施例提供的方法，其特点是，被加热锭子的位置在整个优化和寻找最佳气隙磁场轴向分布的过程中是不变的，改变的是铁芯的空间位置和几何结构，但加热策略一经选定，在加热过程中铁芯的空间位置和几何结构是不变的，锭子仅做围绕其轴线的旋转运动。

实施例4

实施例4为实施例3的变化例。

本实施例提供的感应加热方法，其在实施例3提供的感应加热方法的前提下，还包括以下步骤：

步骤A，连续改变锭子在气隙中轴线方向的位置，将连续改变锭子位置的过程离散化，对锭子在每个位置的加热效果进行计算和实验，并将加热效果数据存入预定的数据库；

步骤B，根据需求从数据库中寻找最佳的锭子放置位置；

所述步骤A和步骤B在步骤1至步骤3之间执行。

具体为，本实施例配合使用了实施例3和实施例1提供的方法，在求解满足客户要求的轴向温度梯度的策略时，即利用实施例3来改变气隙磁场的轴向分布，又同时利用实施例1来改变锭子在气隙中的位置，然后利用计算和试验的方法对各种情况下的加热效果进行分析和评估，直至找到能够满足客户要求的加热策略。本实施例提供的方法，其特点是在针对某一规格的锭子选择加热策略的过程中，锭子在气隙中的空间位置和无锭子时气隙磁场的轴向分布都是可以变化的，但加热策略一经选定，在加热过程中被加热锭子的空间位置和铁芯的空间位置和几何结构都是不变的。

实施例5

实施例5为实施例3的变化例。

本实施例提供的感应加热方法，其在实施例3提供的感应加热方法的前提下，还包括以下步骤：

步骤C，在锭子旋转的同时，沿气隙轴线方向移动所述被加热锭子，以此调节锭子轴向各处的加热功率密度分布；

所述步骤C在步骤1至步骤3之间执行。

具体为，如图5和6，本实施例配合使用实施例3和实施例2提供的方法，在求解满足客户要求的轴向温度梯度的策略时，即利用实施例3来改变气隙磁场的轴向分布，又同时利用实施例2使锭子在气隙中做轴线方向的运动，然后利用计算和试验的方法对各种情况下的加热效果进行分析和评估，直至找到能够满足客户要求的加热策略。即该方法最终的加热策略包含两个内容，一是铁芯的空间位置和几何结构，二是锭子在加热过程中做轴向移动的方式。对于一个锭子的整个加热过程来说，这种沿气隙轴线方向的移动可以是连续的，也可以是时断时续的，可以是往复式的，也可以是单向；总之这种移动可以是任意方式的。本实施例提供的方法，其特点是在针对某一规格的锭子选定加热策略后，在加热过程中被加热锭子的空间位置和铁芯的空间位置是变化的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种感应加热装置，包括加热装置及旋转驱动装置，锭子通过旋转驱动装置设置在加热装置中，旋转驱动装置驱动锭子旋转并切割加热装置中形成的磁力线，其特征在于，所述加热装置包括设有气隙的铁芯机构、以及与铁芯机构相互作用形成静态磁场的超导线圈，所述锭子通过旋转驱动装置可移动地设置在所述气隙中；

所述铁芯机构包括两根铁芯，所述气隙通过两根铁芯之间不同位置对应不同间距放置形成；

所述两根铁芯之间不同位置对应不同间距通过改变铁芯厚度实现；

所述铁芯厚度的改变为多级阶梯式改变。

2.根据权利要求1所述的感应加热装置，其特征在于，所述锭子通过旋转驱动装置沿所述气隙轴线方向移动。

3.根据权利要求1或2所述的感应加热装置，其特征在于，所述两根铁芯之间的距离可调节。

4.一种权利要求1至3中任一项所述的感应加热装置的感应加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，预先调整气隙的宽度；

步骤2，通过铁芯机构及超导线圈在气隙中形成按预先设计规律分布的静态磁场；

步骤3，在静态磁场中的任一位置放入锭子，所述锭子通过旋转驱动装置的驱动旋转，从而加热锭子；预先调整的气隙宽度使锭子沿气隙轴线方向各位置处在不同的磁场之下，进而实现了加热后轴向温度梯度。

5.根据权利要求4所述的感应加热装置的感应加热方法，其特征在于，还包括步骤A和步骤B、或者步骤C，其中：

步骤A，连续改变锭子在气隙中轴线方向的位置，将连续改变锭子位置的过程离散化，对锭子在每个位置的加热效果进行计算和实验，并将加热效果数据存入预定的数据库；

步骤B，根据需求从数据库中寻找最佳的锭子放置位置；

步骤C，在锭子旋转的同时，沿气隙轴线方向移动所述被加热锭子，以此调节锭子轴向各处的加热功率密度分布；

所述步骤A和步骤B、或者步骤C在步骤1和步骤2之间执行或者在步骤2和步骤3之间执行。