CN103428928B - 一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置和方法，属于金属材料加工技术领域。该装置主要由感应加热机构、风冷机构和坯料转运机构组成，感应加热机构为电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈呈立式放置；风冷机构为风冷线圈，风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的外围，坯料转运机构用于运送金属坯料。本发明的装置和方法适合大尺寸的金属坯料的快速均匀加热，可避免加热过程中晶粒的长大和粗化，防止加热后期坯料形成“象足”和运送转移过程中会发生坍塌，有利于坯料的转运、对接和成形。能够满足大尺寸金属坯料既需要加热迅速又要求温度均匀的要求，适用于金属材料的热成形，同时具有操作安全、结构紧凑、运行稳定、易于自动控制的优点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及到一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置和方法。
背景技术
金属材料的加工成形技术主要有锻造、铸造以及新兴的半固态成形技术，金属坯料的均匀加热是金属坯料热成形过程的重要环节。控温不准和温度场不均匀都会对后续的成形过程、制件组织和性能造成较大影响。所以，金属坯料的加热要求坯料的加热温控精度很高，同时，还要求坯料的加热要具有一定的速度，防止加热过程中晶粒长大和粗化，加热时间不宜太长。同时为了满足工业化生产，加热完成的金属坯料要能够迅速转移和对接，尽可能减小温降和防止晶粒进一步长大。
为了保证金属坯料的加热精度和加热速度，工业上采用的加热方式主要是电磁感应加热，并采用机械手将加热好的金属坯料快速装入模具内完成后续成形。有关金属坯料加热的装置和工艺方法方面的研究不少，包括北京有色金属研究总院半固态金属坯料二次加热立式装置（200820108866）和卧式装置（200810115679），上海大学申请的一种铝合金半固态成形技术中的二次加热工艺（03115916），该专利对多线圈间歇式分段感应加热工艺进行了研究和保护。但上述专利提及的加热坯料的尺寸和重量都较小，尤其是对半固态成形而言，坯料的重量一般不超过5Kg。实际上大尺寸金属坯料的均匀加热控制对坯料组织稳定性以及工业化连续生产效率非常重要，大尺寸金属坯料在加热过程中加热精度的控制难度大，坯料内外、上下的温差不均匀，坯料表面加热不均匀，容易流汤，同时加热后期容易产生“象足”现象，对后续的坯料转运、对接和成形过程带来诸多问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置，本发明通过大量的前期研究，对感应加热器结构、风冷结构和加热工艺进行优化设计，实现了对大尺寸金属坯料的快速均匀性加热，效果十分明显。本发明的装置加热速率快，能够保证被加热大尺寸金属坯料内外温差小、温度场均匀、控温准确，金属坯料的转移与后续加工成形对接方便。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置，该装置主要由感应加热机构、风冷机构和坯料转运机构组成，感应加热机构为电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈呈立式放置；风冷机构为风冷线圈，风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的外围，坯料转运机构用于运送金属坯料。
所述的坯料转运机构位于电磁感应加热线圈的下方，主要包括气动驱动气缸，通过上下运动实现坯料的转运。
所述的坯料转运机构由气缸、绝缘棒、石棉垫片和坯料托板组成，气缸和坯料托板之间通过绝缘棒连接，石棉垫片放置于坯料托板上。
所述的风冷机构由径向可移动风冷线圈、径向固定风冷线圈和轴向固定风冷线圈组成，各风冷线圈对坯料表面温度场进行控制。径向可移动风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的中上部，可上下移动，径向固定风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的下部，轴向固定风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的底部。
该装置的电磁感应加热线圈的电源可以选择可控硅电源或IGBT电源或其他电源，电源频率为200～1500Hz。电磁感应加热线圈的尺寸根据所需加热大尺寸金属坯料的尺寸决定，对于圆形的感应加热线圈而言，感应线圈内径为坯料直径的1.1～1.5倍，感应线圈的高度为坯料高度的1.5～4倍。
在径向固定风冷线圈与轴向固定风冷线圈之间还设置加热工作平台，其作用是用于安装和固定电磁感应加热线圈以及轴向固定风冷线圈。
本发明的另一目的是提供一种大尺寸金属坯料的均匀加热方法，采用上述加热装置对大尺寸金属坯料进行均匀加热。
一种大尺寸金属坯料的均匀加热方法，包括如下步骤：将金属坯料放置在垫有石棉垫片的坯料托板上，坯料转运机构将坯料推入电磁感应加热线圈中进行加热，加热的同时开启风冷机构；加热完成后，坯料转运机构将坯料移出电磁感应加热线圈，取出坯料，完成大尺寸金属坯料加热的全过程。
大尺寸金属坯料的加热方式采用三段式加热工艺：高功率快速加热阶段、中功率温度平衡阶段和低功率均匀化阶段，可以根据坯料的尺寸调整三段式加热工艺。
高功率快速加热阶段加热功率为30~50KW，加热时间3~5min；中功率温度平衡阶段的加热功率为10~15KW，加热时间4~5min；低功率温度平衡阶段的加热功率为6~8KW，加热时间3~4min。
大尺寸坯料加热的主要问题是加热的不均匀性，表面容易局部流汤，坯料底部容易产生“象足”现象，针对上述情况，本发明采用3套风冷线圈对坯料进行风冷处理。径向固定风冷线圈主要针对“象足”现象，对坯料的底部进行风冷处理。轴向固定风冷线圈加速坯料表面的空气流动，平衡坯料表面的温度场。径向可移动风冷线圈可对坯料表面局部区域进行风冷处理，防止流汤现象产生。
坯料转运机构由气缸完成，为防止转运机构气缸被感应加热，在气缸上端装配绝缘棒，通过气缸的上下运动完成坯料的转运。
本发明选用电磁感应加热，加热方式采用三段式加热工艺，如图4所示，包括：高功率快速加热阶段、中功率温度平衡阶段和低功率均匀化阶段，这种加热方式可使坯料的加热和温度场的分布更加均匀合理。
本发明的优点是：
1、与传统的电阻加热方式比较，本发明具有加热效率高，所需时间短，避免大尺寸坯料（大尺寸金属坯料的直径范围φ120~200mm，重量范围5~20kg）加热过程中的晶粒长大和粗化等。
2、本发明采用的三段式加热工艺可使大尺寸坯料内外的温度差更小，坯料温度场的分布更加均匀，这对后续的转运和成形极为有利。
3、本发明利用风冷线圈对坯料表面进行风冷处理，金属坯料表面温度迅速降低，避免了加热过程中坯料表面流汤和“象足”现象产生，适合大尺寸坯料的快速均匀加热。
4、本发明采用单线圈多功率加热方法，不需要复杂的机械传动机构，设备结构简单紧凑，具有操作安全、运行稳定等优点。
附图说明
图1是本发明用大尺寸金属坯料均匀加热装置示意图。
图2是本发明用大尺寸金属坯料均匀加热装置示意图的A-A方向示意图。
图3是本发明用大尺寸金属坯料均匀加热装置坯料加热阶段示意图。
图4是本发明用大尺寸金属坯料三段式加热工艺。
主要附图标记：
1 径向可移动风冷线圈 2 电磁感应加热线圈
3 径向固定风冷线圈 4 加热工作平台
5 轴向固定风冷线圈 6 金属坯料
7 石棉垫片 8 坯料托板
9 绝缘棒 10 气缸
具体的实施方式
如图1-3所示为大尺寸金属坯料均匀加热装置，该装置主要由感应加热机构、坯料转运机构和风冷机构组成。感应加热机构为单电磁感应加热线圈2，电磁感应加热线圈2呈立式放置；风冷机构为风冷线圈，风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的外围，坯料转运机构用于运送金属坯料6。
坯料转运机构位于电磁感应加热线圈2的下方，主要包括气动驱动气缸，通过上下运动实现坯料的转运。坯料运载机构由气缸10完成，为防止转运机构气缸10被感应加热，在气缸10上端装配绝缘棒9，通过气缸10的上下运动完成坯料的转运。
坯料转运机构具体由气缸10、绝缘棒9、石棉垫片7和坯料托板8组成，气缸10和坯料托板8之间通过绝缘棒9连接，石棉垫片7放置于坯料托板8上。
风冷机构由径向可移动风冷线圈1、径向固定风冷线圈3和轴向固定风冷线圈5组成，各风冷线圈对坯料表面温度场进行控制。径向可移动风冷线圈1安装于电磁感应加热线圈2的上部，可上下移动，径向固定风冷线圈3安装于电磁感应加热线圈2的中下部，轴向固定风冷线圈5安装于电磁感应加热线圈2的底部。
大尺寸坯料加热的主要问题是加热的不均匀性，表面容易局部流汤，坯料底部容易产生“象足”现象，针对上述情况，本发明采用3套风冷线圈对坯料进行风冷处理。径向固定风冷线圈3主要针对“象足”现象，对坯料的底部进行风冷处理。轴向固定风冷线圈5加速坯料表面的空气流动，平衡坯料表面的温度场。径向可移动风冷线圈1可对坯料表面局部区域进行风冷处理，防止流汤现象产生。
电磁感应加热线圈2的电源可以选择可控硅电源或IGBT电源或其他电源，电源频率为200～1500Hz。电磁感应加热线圈2的尺寸根据所需加热大尺寸金属坯料的尺寸决定，对于圆形的感应加热线圈而言，感应线圈内径为坯料直径的1.1～1.5倍，感应线圈的高度为坯料高度的1.5～4倍。
在径向固定风冷线圈3与轴向固定风冷线圈5之间还可安装加热工作平台4，其作用是：用于安装和固定电磁感应加热线圈2以及轴向固定风冷线圈5。
采用上述装置进行大尺寸金属坯料的均匀加热的方法，包括：将金属坯料6放置在垫有石棉垫片7的坯料托板8上，坯料转运机构将坯料推入电磁感应加热线圈2中进行加热，加热的同时开启风冷机构；加热完成后，坯料转运机构将坯料移出电磁感应加热线圈2，取出坯料，完成大尺寸金属坯料加热的全过程。
本发明大尺寸金属坯料的电磁感应加热选用三段式加热工艺，如图4所示，为高功率快速加热阶段、中功率温度平衡阶段和低功率均匀化阶段，可以根据坯料的尺寸调整三段式加热工艺，这种加热方式可使坯料的加热和温度场的分布更加均匀合理。
高功率快速加热阶段加热功率为30~50KW，加热时间3~5min；中功率温度平衡阶段的加热功率为10~15KW，加热时间4~5min；低功率温度平衡阶段的加热功率为6~8KW，加热时间3~4min。
实施例1
如图1所示的为大尺寸金属坯料的均匀加热装置，该装置主要由感应加热机构、坯料转运机构和风冷机构三部分组成。感应加热机构由单个感应加热线圈2组成，感应加热线圈呈立式放置，加热线圈采用15×15mm方形铜管绕制而成，内通冷却水，线圈内径280mm，线圈高度均为380mm。感应加热电源采用IGBT电源，电源频率1000Hz。
转运机构由气缸10、绝缘棒9、坯料托板8和石棉垫片7组成，坯料放置在垫有石棉垫片7的坯料托板8上，主要通过气缸10的上下运动方式进行驱动。
风冷结构主要由径向可移动风冷线圈1、径向固定风冷线圈3和轴向固定风冷线圈5组成。径向固定风冷线圈3主要针对“象足”现象，对坯料的底部进行风冷处理。轴向固定风冷线圈5加速坯料表面的空气流动，平衡坯料表面的温度场。径向可移动风冷线圈1可对坯料表面局部区域进行风冷处理，防止流汤现象产生。
开始加热前，气缸10置于下行位置处，如图2所示，将切割好的A356铝合金坯料放置在垫有石棉垫片7的坯料托板8上，A356铝合金坯料的尺寸为Φ200×240mm。转运机构气缸10上行至加热位置，将A356铝合金坯料推入感应加热线圈2中进行加热，如图3所示。此时采用图4的三段式加热工艺对坯料进行加热，高功率快速加热阶段加热功率为30~40KW，加热时间3~5min；加热的同时开启风冷机构的3组风冷线圈；中功率温度平衡阶段的加热功率为10~12KW，加热时间4~5min；低功率温度平衡阶段的加热功率为6~8KW，加热时间3min。图4中，Ⅰ为高功率快速加热阶段，Ⅱ为中功率温度平衡阶段，Ⅲ为低功率均匀化阶段，曲线1为坯料中心温度曲线，曲线2为坯料1/2半径处温度曲线。
第三阶段均匀化加热完成后，将转运机构气缸10从上行位置下行，取出A356合金坯料，完成大尺寸金属坯料加热的全过程。坯料的最终温度达到580℃，中心温度和1/2半径处的温差为2℃，温度场较为均匀，可以实现大尺寸A356铝合金坯料的加热和后续成形。
实施例2
如图1所示的为大尺寸金属坯料的均匀加热装置，该装置主要由感应加热机构、坯料转运机构和风冷机构三部分组成。感应加热机构由单个感应加热线圈2组成，感应加热线圈呈立式放置，加热线圈采用15×15mm方形铜管绕制而成，内通冷却水，线圈内径350mm，线圈高度均为400mm。感应加热电源采用可控硅电源，电源频率1000Hz。
转运机构由气缸10、绝缘棒9、坯料托板8和石棉垫片7组成，坯料放置在垫有石棉垫片7的坯料托板8上，主要通过气缸10的上下运动方式进行驱动。
风冷结构主要由径向可移动风冷线圈1、径向固定风冷线圈3和轴向固定风冷线圈5组成。径向固定风冷线圈3主要针对“象足”现象，对坯料的底部进行风冷处理。轴向固定风冷线圈5加速坯料表面的空气流动，平衡坯料表面的温度场。径向可移动风冷线圈1可对坯料表面局部区域进行风冷处理，防止流汤现象产生。
开始加热前，气缸10置于下行位置处，如图2所示，将切割好的6061铝合金坯料放置在垫有石棉垫片7的坯料托板8上，6061铝合金坯料的尺寸为Φ250×300mm。转运机构气缸10上行至加热位置，将6061铝合金坯料推入感应加热线圈2中进行加热，如图3所示。此时采用图4的三段式加热工艺对坯料进行加热，高功率快速加热阶段加热功率为35~45KW，加热时间3~5min；加热的同时开启风冷机构的3组风冷线圈，中功率温度平衡阶段的加热功率为12~14KW，加热时间4~5min；低功率温度平衡阶段的加热功率为6~8KW，加热时间3~4min。
第三阶段均匀化加热完成后，将转运机构气缸10从上行位置下行，取出6061合金坯料，完成大尺寸金属坯料加热的全过程。6061坯料的最终温度达到540℃，中心温度和1/2半径处的温差为3℃，温度场较为均匀，可以实现大尺寸6061铝合金坯料的均匀加热和后续锻造成形。
本发明装置为大尺寸金属坯料的快速均匀加热装置，单个感应加热线圈呈立式放置，线圈的尺寸根据坯料尺寸进行设计加工。坯料转运机构可以通过气缸往返完成。坯料的加热方式采用高功率快速加热、中功率温度平衡和低功率均匀化的三段式加热方法，通过3组风冷线圈对坯料表面的温度场进行控制，达到快速均匀加热大尺寸金属坯料的目的。
本发明装置和方法适合大尺寸的金属坯料的快速均匀加热，可避免加热过程中晶粒的长大和粗化，防止加热后期坯料形成“象足”和运送转移过程中会发生坍塌，有利于坯料的转运、对接和成形。能够满足大尺寸金属坯料既需要加热迅速又要求温度均匀的要求，适用于金属材料的热成形，同时具有操作安全、结构紧凑、运行稳定、易于自动控制的优点。
Claims (9)
1.一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置，其特征在于：主要由感应加热机构、风冷机构和坯料转运机构组成，感应加热机构为电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈呈立式放置；风冷机构由径向可移动风冷线圈、径向固定风冷线圈和轴向固定风冷线圈组成，风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的外围，坯料转运机构用于运送金属坯料。
2.根据权利要求1所述的大尺寸金属坯料的均匀加热装置，其特征在于：所述的坯料转运机构由气缸、绝缘棒、石棉垫片和坯料托板组成，气缸和坯料托板之间通过绝缘棒连接，石棉垫片放置于坯料托板上。
3.根据权利要求1所述的大尺寸金属坯料的均匀加热装置，其特征在于：所述的径向可移动风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的中上部，可上下移动，所述的径向固定风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的下部，所述的轴向固定风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的底部。
4.根据权利要求3所述的大尺寸金属坯料的均匀加热装置，其特征在于：所述的电磁感应加热线圈的电源为可控硅电源或IGBT电源，电源频率为200～1500Hz。
5.根据权利要求4所述的大尺寸金属坯料的均匀加热装置，其特征在于：所述的电磁感应加热线圈为圆形，所述的电磁感应加热线圈的内径为坯料直径的1.1～1.5倍，高度为坯料高度的1.5～4倍。
6.根据权利要求1所述的大尺寸金属坯料的均匀加热装置，其特征在于：所述的径向固定风冷线圈与轴向固定风冷线圈之间还设置加热工作平台。
7.一种大尺寸金属坯料的均匀加热方法，包括如下步骤：将金属坯料放置在垫有石棉垫片的坯料托板上，坯料转运机构将坯料推入电磁感应加热线圈中进行加热，加热的同时开启风冷机构；加热完成后，坯料转运机构将坯料移出电磁感应加热线圈，取出坯料。
8.根据权利要求7所述的大尺寸金属坯料的均匀加热方法，其特征在于：坯料在电磁感应加热线圈中加热的方式为三段式加热工艺，包括高功率快速加热阶段、中功率温度平衡阶段和低功率均匀化阶段。
9.根据权利要求8所述的大尺寸金属坯料的均匀加热方法，其特征在于：所述的高功率快速加热阶段加热功率为30～50KW，加热时间3～5min；所述的中功率温度平衡阶段的加热功率为10～15KW，加热时间4～5min；所述的低功率温度平衡阶段的加热功率为6～8KW，加热时间3min。
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