CN103582196B - 感应加热过程磁场增强器智能控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应加热过程中磁场控制方法和装置。一种感应加热过程磁场增强器智能控制装置，包括磁场增强器（4）和屏蔽单元智能调节模块（5），在磁场增强器底部或顶部外表面装有屏蔽单元智能调节模块，所述屏蔽单元智能调节模块由测温模块（8）、智能处理模块（9）、屏蔽单元执行模块（10）和磁场屏蔽模块（11）组成，测温模块朝外，磁场屏蔽模块由多个磁场屏蔽单元组成，磁场屏蔽模块覆盖磁场增强器底部或顶部；测温模块输出接智能处理模块，智能处理模块输出接屏蔽单元执行模块，屏蔽单元执行模块控制磁场屏蔽模块中各磁场屏蔽单元打开和关闭。本发明可实现磁场增强器的智能控制和调节功能。

Description

感应加热过程磁场增强器智能控制方法和装置

技术领域

    本发明涉及一种感应加热过程中磁场控制方法和装置，尤其涉及一种感应加热过程中磁场增强器控制方法和装置。

背景技术

目前，感应加热技术由于其快速、高效和清洁等特点，在金属热处理中得到了广泛应用。一般情况下，为了得到较好的综合性能，要求坯料在加热过程中温度相对均匀，这在实际生产中具有较大的难度，坯料的端部温差尤为明显。为了尽可能减小端部的这种温差，通常采用磁场增强器来增加端部磁通密度，从而提高坯料端部温度，减小坯料的温差。

中国专利01132938.6和95107015.0提出在两个C型电感器上绕上线圈，被加热工件置于C型电感的空隙处，铜线中施加交流电时可对工件进行加热。采用该加热装置可对移动中的金属工件进行加热，主要用于工件边缘部分的加热。中国专利201010120424.3公开了一种感应加热装置中，采用两个C型电感分别对材料两侧的边缘部分进行加热。

中国专利200810180088.4和200810180357.7公开了两项关于聚磁体的技术，是将永磁体或导磁体做成带凹槽状的聚磁面，从而达到聚磁目的。采用该方法设计的聚磁体为整体式，能满足在一定条件下的聚磁功能，可应用于变压器、发电机和电动机。

以上专利所提及的磁场增强器，在感应加热过程中位置保持固定，在加热阶段一直起增强磁场的作用，可显著提高坯料端部温度，有利于坯料温度均匀。但是，这些磁场增强器没有在线调节功能，无法根据实际情况进行实时调节，有些坯料端部在感应加热过程中会出现升温过高的现象，如果控制不当其端部可能出现较大的温差，甚至会导致坯料局部烧损等事故的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种感应加热过程磁场增强器智能控制方法和装置，该方法和装置可实现磁场增强器的智能控制和调节功能。    

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种感应加热过程磁场增强器智能控制装置，包括磁场增强器，在磁场增强器底部或顶部外表面装有屏蔽单元智能调节模块，所述屏蔽单元智能调节模块由测温模块、智能处理模块、屏蔽单元执行模块和磁场屏蔽模块组成，测温模块朝外，磁场屏蔽模块由多个磁场屏蔽单元组成，磁场屏蔽模块覆盖磁场增强器底部或顶部；测温模块输出接智能处理模块，智能处理模块输出接屏蔽单元执行模块，屏蔽单元执行模块控制磁场屏蔽模块中各磁场屏蔽单元打开和关闭。

所述测温模块包含测温探头，测温探头正对磁场增强器下方或上方，并能180度转动。

所述磁场屏蔽单元包含屏蔽薄片，屏蔽薄片由硅钢片或铁氧体材料制成。

所述屏蔽薄片厚度在0.1～10mm。

一种感应加热过程磁场增强器智能控制装置的控制方法，

在感应加热过程中，第一，测温模块对磁场增强器对应的坯料端面温度进行扫描，测温结果及其对应的位置坐标发送至智能处理模块；

第二，智能处理模块将温度数值与目标温度进行比较，并判断是否要通过屏蔽单元执行模块对磁场屏蔽模块执行动作以及动作执行范围，确定磁场增强器的磁场是否作用于坯料；

第三，屏蔽单元执行模块根据智能处理模块发出的指令对磁场屏蔽模块中各磁场屏蔽单元分别执行开启或关闭动作；

当坯料温度低于目标温度时则开放磁场增强器，促进坯料升温；一旦坯料部分区域温度达到目标温度，则关闭该区域的磁场增强器；当坯料全部区域都达到目标温度则关闭磁场增强器，从而防止坯料过烧；若加热过程中坯料温度降至目标温度以下，则重新打开该区域的磁场增强器，促进坯料的升温，实现坯料感应加热过程中磁场增强器的智能控制。

所述磁场屏蔽单元开启或关闭动作的控制方法有，对于坯料端面较规则，磁场屏蔽单元的执行动作采用推拉式，磁场屏蔽单元的屏蔽薄片为长条形或半圆环形薄片。

所述磁场屏蔽单元开启或关闭动作的控制方法有，对于坯料端面不规则，磁场屏蔽单元的执行动作采用单侧开关式，磁场屏蔽单元的屏蔽薄片为条形或三角形薄片。

本发明的方法和装置与现有技术相比具有如下优点：

1）坯料感应加热过程中，可实时控制坯料温度，在促进坯料升温的同时，还可防止坯料局部过烧，有利于坯料温度均匀；

2）可根据不同的加热要求进行灵活控制，有利于坯料端部温度的精确控制；

3）该智能磁场调节器结构灵活，可根据坯料形状进行优化选择。

附图说明

图1（a）为圆形智能磁场调节器位于线圈内的结构示意图，图1（b）为圆形智能磁场调节器和坯料之间位置及结构示意图。

图2（a）为圆形智能磁场调节器示意图，图2（b）为圆形智能磁场调节器底部结构示意图。

图3（a）为圆形智能磁场调节器的所有屏蔽单元打开时的示意图，图3（b）为圆形智能磁场调节器的所有屏蔽单元处于闭合状态示意图。

图4（a）为圆形智能磁场调节器为坯料中间区域磁场屏蔽，边缘区域加热的示意图；图4（b）为圆形智能磁场调节器为坯料边缘区域磁场屏蔽，中间区域加热的示意图；图4（c）为圆形智能磁场调节器为坯料半径中心区域加热，其它区域磁场屏蔽的示意图；图4（d）为圆形智能磁场调节器为坯料半径中心区域磁场屏蔽，坯料中心和边缘区域加热的示意图。

图5为长方形磁场增强器智能调节装置示意图。

图6（a）为半圆环形磁场屏蔽单元的屏蔽薄片示意图，适用于推拉式控制；图6（b）为长条形磁场屏蔽单元的屏蔽薄片示意图，适用于推拉式控制或单侧开关式控制。

图7（a）为单侧开关式控制条形磁场屏蔽单元的所有屏蔽单元处于打开状态示意图，图7（ b）为单侧开关式控制条形磁场屏蔽单元打开状态时的局部放大图，图7（c）为单侧开关式控制条形磁场屏蔽单元的所有屏蔽单元处于关闭状态示意图。

图8（a）为采用单侧开关式控制时采用方形磁场屏蔽单元结构示意图，图8（b）为采用单侧开关式控制时采用圆形磁场屏蔽单元结构示意图，图8（c）为采用单侧开关式控制时采用半圆形磁场屏蔽单元结构示意图，图8（d）为采用单侧开关式控制时采用三角形磁场屏蔽单元结构示意图。

图中：1感应线圈， 2坯料，3智能磁场调节器（磁场增强器智能控制装置），4磁场增强器，5屏蔽单元智能调节模块，6磁场增强器顶部和底部不锈钢钢板，7圆形聚磁体，8测温模块，9智能处理模块，10屏蔽单元执行模块，11磁场屏蔽模块（屏蔽单元）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种感应加热过程磁场增强器智能控制装置，包括磁场增强器4，在磁场增强器底部或顶部外表面装有屏蔽单元智能调节模块5，所述屏蔽单元智能调节模块由测温模块8、智能处理模块9、屏蔽单元执行模块10和磁场屏蔽模块11组成，测温模块8朝外，测温模块8包含测温探头，测温探头正对磁场增强器4下方或上方，并能180度转动。磁场屏蔽模块11由多个磁场屏蔽单元组成，磁场屏蔽单元包含屏蔽薄片，屏蔽薄片由硅钢片或铁氧体材料制成，铁氧体材料为软磁铁氧体，如锰锌铁氧体、锌铬铁氧体、镍锌铁氧体材料等；所述屏蔽薄片厚度在0.1～10mm。磁场屏蔽模块11覆盖磁场增强器底部或顶部；测温模块8输出接智能处理模块9，智能处理模块9输出接屏蔽单元执行模块10，屏蔽单元执行模块10控制磁场屏蔽模块11中各磁场屏蔽单元打开和关闭。

所述磁场屏蔽模块11是控制坯料端部磁场的关键组件，由多个磁场屏蔽单元组成，磁场屏蔽单元包含屏蔽薄片，屏蔽薄片为电磁屏蔽材料制成，其作用机理为：电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的界面处阻抗不连续，导致入射波在界面处的反射，从而达到屏蔽磁场的作用；即使部分电磁波未被反射而进入屏蔽体，在屏蔽体内向前传播过程中能量衰减，从而被屏蔽材料吸收；屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，在屏蔽体的另一表面时，会形成再次反射，使电磁波重回屏蔽体内。因此，在感应加热过程中，通过调节磁场屏蔽模块11，可有效控制坯料端部磁场，进而控制坯料在感应加热过程的端部温度。

磁场屏蔽模块11的多个磁场屏蔽单元可独立控制，当磁场屏蔽单元处于打开状态时，则对磁场无任何影响，不会影响坯料端部的感应加热；当磁场屏蔽单元关闭时，则对垂直于磁场屏蔽单元的磁场进行屏蔽，进而对应于该磁场屏蔽单元下方的坯料端面处的磁场将减弱，该端面处的感应加热效率降低。通过屏蔽单元的打开和闭合动作，可实现坯料端部磁场的控制，进而控制坯料端部的感应加热。

一种在上述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置基础上的感应加热过程磁场增强器智能控制方法，

在感应加热过程中，第一，测温模块8对磁场增强器4对应的坯料2端面温度进行扫描，测温结果及其对应的位置坐标发送至智能处理模块9；

第二，智能处理模块9将温度数值与目标温度进行比较，并判断是否要通过屏蔽单元执行模块10对磁场屏蔽模块11执行动作以及动作执行范围，确定磁场增强器4的磁场是否作用于坯料2；

第三，屏蔽单元执行模块10根据智能处理模块9发出的指令对磁场屏蔽模块11中各磁场屏蔽单元分别执行开启或关闭动作；

当坯料温度低于目标温度时则开放磁场增强器4，促进坯料升温；一旦坯料部分区域温度达到目标温度，则关闭该区域的磁场增强器4；当坯料全部区域都达到目标温度则关闭磁场增强器4，从而防止坯料过烧；若加热过程中坯料温度降至目标温度以下，则重新打开该区域的磁场增强器4，促进坯料的升温，实现坯料感应加热过程中磁场增强器4的智能控制。

通过对磁场增强器4下方或上方的磁场屏蔽模块11中各磁场屏蔽单元分别执行开启或关闭动作的控制，实现坯料感应加热过程中磁场增强器4的控制；该动作执行频率可根据实际情况而定，如坯料总的加热时间、升温幅度、目标温度、允许的温差范围调整等，当坯料加热精度较高时，则整套智能控制装置的执行动作频率要适当提高。

所述磁场屏蔽单元开启或关闭动作的控制方法有两种，第一种，对于坯料端面较规则，磁场屏蔽单元的执行动作采用推拉式，磁场屏蔽单元的屏蔽薄片为长条形或半圆环形薄片，半圆环形和长条形薄片的宽度为20mm，可在5～100mm之间选择；第二种，对于坯料端面不规则或热处理工艺较复杂的加热过程，磁场屏蔽单元的执行动作采用单侧开关式，磁场屏蔽单元的屏蔽薄片为条形或三角形薄片，具体形状和大小可视坯料端面实际情况而定。

所述磁场屏蔽模块11，对于圆形磁场增强器屏蔽模块11，完全闭合时屏蔽范围为直径d，d可从20～1000mm取值；对于方形磁场增强器屏蔽模块11，其长度与被加热坯料端面的长度相同，宽度可根据坯料规格和加热要求，在20～1000mm之间选择。

具体实施例，以圆形磁场增强器为例，坯料为圆棒状。

参见图1，圆形磁场增强器智能控制装置（即圆形智能磁场调节器3）在感应加热过程中，包括线圈1、坯料2和二个圆形智能磁场调节器3。其中，坯料2直径为190mm；圆形智能磁场调节器3由圆形磁场增强器4和屏蔽单元智能调节模块5组成，在圆形磁场增强器4底部为屏蔽单元智能处理模块5，或在圆形磁场增强器4顶部为屏蔽单元智能处理模块5，屏蔽单元智能处理模块5对着坯料2端面。其中屏蔽单元智能调节模块5由若干模块组成，包括测温模块8、智能处理模块9、屏蔽单元执行模块10和磁场屏蔽模块11，参见图2（b）。

感应加热前，在坯料2的顶部和底部各安装一套智能磁场调节器3，智能磁场调节器3与坯料端部距离为20mm，可根据实际情况在5～60mm之间选择。根据坯料2加热要求设置好智能磁场调节器3，然后线圈1施加交流电对坯料2进行加热，测温模块8对坯料2端面温度进行扫描，测量数据传送至智能处理模块9，然后将运算结果输送至屏蔽单元执行模块10。屏蔽单元执行模块10将根据指令对磁场屏蔽模块11各磁场屏蔽单元进行打开或关闭操作，直至坯料2加热至目标要求。

参见图2（a）、图2（b），图中，6为磁场增强器4顶部和底部不锈钢钢板，7为圆形聚磁体，在圆形磁场增强器4底部为屏蔽单元智能处理模块5，在正对坯料2端面一侧安装有测温模块8，测温模块8为红外测温模块，包含了红外测温探头，红外测温探头可实现180°转动，从而可测量坯料2端面直径方向上的温度分布。温度数据传至智能处理模块9进行数据分析和计算，并将运算结果发送至屏蔽单元执行模块10，最终在屏蔽单元执行模块10的驱动下对磁场屏蔽模块11各屏蔽单元执行开启或关闭动作。图3（a）和（b）分别为磁场屏蔽模块11的各屏蔽单元完全打开和完全关闭时的结构示意图，当所有磁场屏蔽单元11－1都处于打开状态时，磁场增强器4完全作用于坯料2端面，如图3（a）所示，增强坯料2端部磁场，进而促进坯料端部的感应加热；当坯料2端面温度达到目标温度时，则磁场屏蔽单元11－1均关闭，如图3（b）所示，坯料2端部磁场完全屏蔽，坯料端部加热停止。

上述过程中，所有磁场屏蔽单元11－1均关闭时，其屏蔽单元覆盖区域直径比坯料2端面直径大10mm，从而保证对坯料端面的磁场屏蔽效果。

在上述过程中，当坯料2温度尚未达到目标温度，则智能处理模块9通过运算后作出判断，目前磁场屏蔽模块11各屏蔽单元处于何种状态，若已经处于打开状态则维持原状，闭合的屏蔽单元则要打开，随后对屏蔽单元执行模块10发出指令，屏蔽单元执行模块10将对未打开的屏蔽单元执行打开动作，加热初期屏蔽单元11-1均处于打开状态，如图3（a）所示；当坯料温度已经达到目标温度，则智能处理模块9通过运算，判断各屏蔽单元的状态，对屏蔽单元执行模块10发出指令，屏蔽单元执行模块10将处于打开状态的屏蔽单元11-1关闭，坯料端部达到目标温度时屏蔽单元均处于关闭状态，如图3（b）所示。

利用本发明的磁场增强器智能控制装置3，不仅可实现常规条件下坯料端部磁场的在线调节功能，而且还可实现特定条件下坯料端部磁场的调节。某些坯料只需加热边缘部分，而对中心处无需加热，可将磁场屏蔽模块11的部分磁场屏蔽单元11－2关闭，把其它部位的磁场屏蔽单元11－3打开，即收缩至坯料端部外侧，参见图4（a），这样坯料2中心部位的磁场被屏蔽，磁力线主要从坯料2边缘区域穿过，可实现对坯料2边缘区域加热的目的；与之相反，欲加热坯料2中心部位，而边缘区域无需加热时，可打开磁场屏蔽模块11的中心部位磁场屏蔽单元11－2，而坯料2边缘区域的磁场屏蔽单元闭合11-3，参见图4（b），实现对坯料2中心部位的加热。利用本发明的磁场增强器智能控制装置3可满足更复杂的加热要求，如只加热圆形坯料端面半径中心的圆环形区域，而其它部位无需加热，则可打开半径中心区域的磁场屏蔽模块11的磁场屏蔽单元11－6，坯料端面中心的磁场屏蔽单元11－5和边缘区域磁场屏蔽单元11－4均处于闭合状态，参见图4（c），则可实现对半径中心区域的加热要求。还有一种特殊的加热要求，对坯料端面的中心和边缘区域需要加热，而半径中心区域无需加热，对该加热要求，可打开坯料中心区域和边缘区域的磁场屏蔽模块11的磁场屏蔽单元11－5和11－4，关闭半径中心区域的磁场屏蔽单元11－6，参见图4（d），这样可实现特定区域的加热。

对于坯料2不同端面形状，可采用不同形状的磁场增强器4。当坯料端面为长方形时，磁场增强器智能控制装置3的形状可随之变化，参见图5，并且磁场屏蔽模块11的磁场屏蔽单元采用长条形。

在圆形磁场增强器智能控制装置3的实施例中，磁场屏蔽模块11的屏蔽单元为半圆环形薄片，参见图6（a）；若磁场增强器4为方形，则磁场屏蔽模块11的磁场屏蔽单元可采用长条形薄片11－7，参见图6（b）。

上述圆形磁场增强器屏蔽单元执行模块10长度为300mm，其长度比坯料端面直径大110mm。屏蔽单元执行模块10可采用推拉式来实现磁场屏蔽模块11的屏蔽单元的开启和关闭，每个屏蔽单元均有一个独立的推拉杆相连，可单独执行推拉动作，常用的屏蔽单元为半圆环形薄片或长条形薄片，参见图6（a）和图6（b）。当采用方形屏蔽单元11－7时，也可采用单侧开关式，如图7所示，此时每个屏蔽单元一侧与一根旋转轴相连，每个旋转轴可独立控制旋转90度，从而实现屏蔽单元11的开启和关闭功能，开启式参见图7（a），关闭式参见图7（c）。图7（b）为屏蔽单元11打开时的局部放大图。

当坯料2端面形状不规则时，上述屏蔽单元11薄片的形状，可根据实际情况采用方形、圆形、半圆形或三角形屏蔽单元，如图8所示。也可综合考虑加热要求和坯料端面形状，采用三角形、方形、圆形和半圆形的屏蔽单元进行灵活组合，从而精确控制坯料端面温度，提高产品质量。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种感应加热过程磁场增强器智能控制装置，包括磁场增强器（4），其特征是：在磁场增强器（4）底部或顶部外表面装有屏蔽单元智能调节模块（5），所述屏蔽单元智能调节模块（5）由测温模块（8）、智能处理模块（9）、屏蔽单元执行模块（10）和磁场屏蔽模块（11）组成，测温模块（8）朝外，磁场屏蔽模块（11）由多个磁场屏蔽单元组成，磁场屏蔽模块（11）覆盖磁场增强器（4）底部或顶部；测温模块（8）输出接智能处理模块（9），智能处理模块（9）输出接屏蔽单元执行模块（10），屏蔽单元执行模块（10）控制磁场屏蔽模块（11）中各磁场屏蔽单元打开和关闭。

2.根据权利要求1所述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置，其特征是：所述测温模块（8）包含测温探头，测温探头正对磁场增强器（4）下方或上方，并能180度转动。

3.根据权利要求1所述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置，其特征是：所述磁场屏蔽单元包含屏蔽薄片，屏蔽薄片由硅钢片或铁氧体材料制成。

4.根据权利要求3所述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置，其特征是：所述屏蔽薄片厚度在0.1～10mm。

5.一种如权利要求1或2所述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置的控制方法，其特征是：

在感应加热过程中，第一，测温模块（8）对磁场增强器（4）对应的坯料（2）端面温度进行扫描，测温结果及其对应的位置坐标发送至智能处理模块（9）；

第二，智能处理模块（9）将温度数值与目标温度进行比较，并判断是否要通过屏蔽单元执行模块（10）对磁场屏蔽模块（11）执行动作以及动作执行范围，确定磁场增强器（4）的磁场是否作用于坯料（2）；

第三，屏蔽单元执行模块（10）根据智能处理模块（9）发出的指令对磁场屏蔽模块（11）中各磁场屏蔽单元分别执行开启或关闭动作；

当坯料（2）温度低于目标温度时则开放磁场增强器（4），促进坯料升温；一旦坯料（2）部分区域温度达到目标温度，则关闭该区域的磁场增强器（4）；当坯料（2）全部区域都达到目标温度则关闭磁场增强器（4），从而防止坯料过烧；若加热过程中坯料（2）温度降至目标温度以下，则重新打开该区域的磁场增强器（4），促进坯料的升温，实现坯料感应加热过程中磁场增强器（4）的智能控制。

6.根据权利要求5所述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置的控制方法，其特征是：所述磁场屏蔽单元开启或关闭动作的控制方法有，对于坯料端面较规则，磁场屏蔽单元的执行动作采用推拉式，磁场屏蔽单元的屏蔽薄片为长条形或半圆环形薄片。

7.根据权利要求5所述的感应加热过程磁场增强器智能控制装置的控制方法，其特征是：所述磁场屏蔽单元开启或关闭动作的控制方法有，对于坯料端面不规则，磁场屏蔽单元的执行动作采用单侧开关式，磁场屏蔽单元的屏蔽薄片为条形或三角形薄片。