CN104250676A - 一种具有温度补偿功能的感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的感应加热装置，包括感应器部件（1）、温度检测部件（2）、PLC控制系统（6）和补偿部件，补偿部件包括若干个补偿单元，该补偿单元包括电容补偿单元（3）和电感补偿单元（4），电容补偿单元和电感补偿单元分别设置了断路器（5），并且电容补偿单元和电感补偿单元并联连接，每个补偿单元并联于感应器部件的感应线圈单元上，断路器被PLC控制系统控制。电源（8）给各个部件和系统提供电源，包括感应器部件和PLC控制系统，工件（7）被吊装至感应器部件内。本发明采用补偿单元来调节感应加热线圈上电流的分布，进而对工件局部温度进行实时补偿和调节，从而达到控制工件纵向温度分布的目的。

Description

一种具有温度补偿功能的感应加热装置

技术领域

    本发明涉及一种感应加热装置，尤其涉及一种具有温度补偿功能的感应加热装置。

背景技术

    一些大型工件为了达到表硬内韧的性能，通常会采取淬火方式进行热处理，使工件表层一定深度产生奥氏体化而工件心部仍保持在相变点温度以下，从而工件可获得有效的硬度和淬硬层深度。一般可采用差温淬火和感应淬火两种热处理方式。其中，差温淬火有两种方法，一种为先整体表层区域加热，然后进行辊身喷雾淬火，再低温回火；另一种方法为差温炉加热，然后辊身喷雾淬火，再低温回火。而感应淬火是将辊身表面进行感应加热，然后辊身喷雾淬火，再进行低温回火的工艺方法。感应淬火特点是加热时间短，加热温度均匀，并且加热层深，是增加淬硬层深度、提高辊身表面硬度及均匀性的有效方法。目前，欧美和中国国内的轧辊制造商普遍采用差温淬火工艺生产支承辊。整体感应加热淬火是国际上最先进的辊身表面淬火技术，上世纪90年代至今，日本的JCFC（日本铸锻钢公司）、JSW（日本制钢所）和HITACHI（日立）等国际知名的大型锻钢支承辊制造企业相继开发成功并投入生产应用。

在轧制过程中，支承辊对工作辊起支承作用，必须具有良好的刚度；由于支承辊使用周期长，与工作辊或中间辊长时间滚动接触，辊面易产生磨损和加工硬化现象，辊面材料必须具有较高的硬度、耐磨性和抗裂纹扩展能力；支承辊长期承受交变弯曲应力，辊颈和辊体必须具有高强度、高断裂韧性和抗疲劳性能。随着现代板带轧机及“三高”板带产品需求的不断增长，支承辊将向高硬度、深淬硬层、抗事故能力方向发展，辊面硬度由50-60HSD，提高到65～71HSD，辊面基体组织也相应地由索氏体→贝氏体→马氏体，碳化物由M3C型→M7C3型碳化物转变，差温淬火工艺支承辊已不能满足一些轧制条件的生产要求，整体感应淬火工艺是大型锻钢支承辊具有竞争力的先进制造技术。

感应加热技术虽然已经成为金属材料表面热处理的常规技术，但是作为大型工件的整体感应加热，在技术上仍然存在很大难度，具体主要体现在：1）径向上，对满足工艺要求的温度梯度分布的控制较为困难；2）轴向上，温度分布的均匀性控制较为困难；3）由于工件体积庞大，因此达到目标温度所需的功率、加热时间均要远远高于常规感应加热，这对稳定、合理的工业化生产带来一定的风险。

大型工件在感应加热工艺中，其长度方向（轴向）上的温度呈现一定的分布，往往出现中部温度较均匀，而从中部到端部的温度分布则会呈现先增大后减小的趋势。当感应器的有效作用匝数选择不同时，其温度分布也会发生变化。这样大型工件在长度方向的温度分布不均，影响产品质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有温度补偿功能的感应加热装置，该装置采用补偿单元来调节感应加热线圈上电流的分布，进而对工件局部温度进行实时补偿和调节，从而达到控制工件纵向温度分布的目的。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有温度补偿功能的感应加热装置，包括感应器部件、温度检测部件、PLC控制系统和补偿部件，补偿部件包括若干个补偿单元，该补偿单元包括电容补偿单元和电感补偿单元，电容补偿单元和电感补偿单元分别设置了断路器，并且电容补偿单元和电感补偿单元并联连接，每个补偿单元并联于感应器部件的感应线圈单元上，断路器被PLC控制系统控制。

所述电容补偿单元由多组电容组成，每组电容接有一个断路器，多组电容并联后组成一个具有多级补偿功能的电容补偿单元；所述电感补偿单元由多组电感组成，每组电感接有一个断路器，多组电感并联后组成一个具有多级补偿功能的电感补偿单元。

所述感应器部件距离端部向内1～10匝范围内并联电感补偿单元，在感应器部件端部向内5～15匝范围内并联电容补偿单元。

所述感应器部件由多个感应线圈单元组成，感应线圈单元采用串联方式连接，或并联连接，或采用串、并联组合的方式连接。

所述每个感应线圈单元的匝数为1-15匝。较佳值为2匝。

本发明由于采用了上述技术方案对工件进行感应加热，与现有技术相比有如下优点：

（1）感应线圈单元并联了电容补偿单元和电感补偿单元，便于感应加热过程的温度补偿或降低升温速率调节，有利于工件加热均匀。

（2）电容补偿单元和电感补偿单元具有多级补偿，与感应器并联连接，其接入或断开以及补偿单元的接入级数由PLC控制系统根据温度检测数据自动选择，避免了不同工况条件下感应器电缆的反复拆卸和繁琐的补偿单元增减操作，简化了感应加热过程的操作程序。

（3）对工件端部区域温度进行合理调节，感应加热过程工件长度方向温差较小，温度分布相对均匀，有利于产品质量的提高。

（4）采用该加热装置可节约生产成本，并且清洁环保。

本发明的感应加热装置可对大型工件进行感应加热处理，具有较高的加热精度和加热效率。

附图说明

图1为本发明具有温度补偿功能的感应加热装置电气示意图；

图2为本发明补偿单元级数调节示意图，其中：图2a为电容补偿单元级数调节示意图，图2b为电感补偿单元级数调节示意图；

图3为本发明的实施例示意图；

图4为加热工件和相应夹持装置结构示意图；

图5为感应器系统结构示意图；

图6为感应器部件结构示意图。

图中：1感应器部件，2温度测温部件，3电容补偿单元，4电感补偿单元，5断路器，6 PLC控制系统，7工件，8电源，9工件夹持装置，10感应器系统，11磁轭，12感应器支架；13感应线圈，14电缆抽头，15线圈冷却水接头；31、32、33电容，41、42、43电感，51、52、53、54、55、56断路器。

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。

参见图1，一种具有温度补偿功能的感应加热装置，包括感应器部件1、温度检测部件2、PLC控制系统6和补偿部件，补偿部件包括若干个补偿单元，该补偿单元包括电容补偿单元3和电感补偿单元4，电容补偿单元3和电感补偿单元4分别设置了独立的断路器5，并且电容补偿单元3和电感补偿单元4并联连接，断路器5为电动断路器；每个补偿单元并联于感应器部件1的感应线圈单元上，断路器5连接PLC控制系统6，PLC控制系统6控制断路器5的闭合和断开。通过在感应器中增加补偿部件，用来调节感应器部件1的感应线圈单元内电流。

所述电容补偿单元3由多组电容组成，每组电容接有一个断路器，多组电容并联后组成一个具有多级补偿功能的电容补偿单元。所述电感补偿单元4由多组电感组成，每组电感接有一个断路器，多组电感并联后组成一个具有多级补偿功能的电感补偿单元。将补偿单元并联于某个感应线圈单元，当该感应线圈单元对应的工件7温度偏低时，可启动电容补偿来增大该感应线圈单元的电流，从而可提高工件的温度，该感应线圈单元的电流随补偿电容组数的增加而增大。工件温度值偏低较大时，则增加电容补偿单元3电容接入组数来提高加热效率。当并联接入的电容组数越多，即补偿级数越高,则电容补偿单元3的补偿能力越高。将电感补偿单元4并联接入某感应线圈单元，该感应线圈单元的电流降低，则对应的工件加热效率降低，能用来调节工件过高的温度。当并联接入的补偿电感组数越多，即补偿级数越高，则调节能力越强，可显著降低工件的加热效率。

为了说明多级补偿功能的实现方法，以其中三组补偿单元（即三级补偿）的切换方法为例加以说明，参见图2。若工件7温度无需调节，则断路器5处于断开状态。

当工件温度低于控制温度时，则断路器5闭合，PLC控制系统6将电容补偿单元3接入感应线圈单元；依次闭合断路器51、52和53，可分别实现电容补偿单元3的1级补偿、2级补偿和3级补偿，更高级数的补偿依次类推。当工件温度趋近控制温度时，可降低电容补偿单元3级数，依次将断路器53和52断开即可实现电容的2级补偿和1级补偿，若继续将断路器51断开，则电容补偿完全关闭。

当工件温度高于控制温度时，则断路器5闭合，PLC控制系统6将电感补偿单元4接入感应线圈单元；依次闭合断路器54、55和56，可分别实现电感补偿单元4的1级补偿、2级补偿和3级补偿，更高级数的补偿依次类推。当工件温度接近控制温度时，可降低电感补偿单元4级数，依次将断路器56和55断开即可实现电感的2级补偿和1级补偿，若继续将断路器54断开，则电感补偿完全关闭。

PLC控制系统6可根据温差值选择补偿单元的接入级数。

所述感应器部件1距离端部向内1～10匝范围内并联电感补偿单元4，在感应器部件1端部向内5～15匝范围内并联电容补偿单元3。能对工件端部区域温度进行合理调节，在感应加热过程中工件长度方向温差较小，温度分布相对均匀，有利于产品质量的提高。

所述感应器部件1由多个感应线圈单元组成，每个感应线圈单元的匝数为1-15匝，较佳的匝数为2匝。感应线圈单元采用串联方式连接，或并联连接，或采用串、并联组合的方式连接。采用串联连接或并联连接方式连接的称之为感应线圈单元组，采用串、并联组合的方式连接的称之为感应线圈单元组合体，由上述感应线圈单元组或感应线圈单元组合体构成的感应器部件1，感应线圈单元组或感应线圈单元组合体内电流方向相同，从而保证感应线圈单元组或感应线圈单元组合体的连接处磁场相对连续和均匀，保证加热工件7的温度均匀性。

电源8给各个部件和系统提供电源，包括感应器部件1和PLC控制系统6。

参见图3，图3为本发明的实施例示意图。其中，9为工件夹持装置，如图4所示。感应器系统10包括感应器部件1、磁轭11和感应器支架12，如图5所示。感应器部件1为多个感应线圈单元组成，每个感应线圈单元包括感应线圈13、电缆抽头14和线圈冷却水接头15，如图6所示。同时感应加热装置中还装有温度检测部件2，安装于感应线圈上，与感应线圈抽头位置成90夹角。磁轭11由0.3mm厚的硅钢片叠加而成，叠加厚度为240mm。为了固定硅钢片，在两端采用不锈钢片进行夹持，采用螺栓进行连接紧固。感应器支架12包括底座和顶板，采用6根槽钢进行支撑和连接，并用焊接的方法固定感应器支架12的各部件。

感应加热前，首先，根据工件7的高度选择合理的感应器的感应线圈接入匝数，并在电缆抽头14上连接好感应线圈的补偿单元，设定启动补偿的条件和相应的温差值，本发明可设定温差值为10℃；然后，将预热至300℃的工件7吊装至感应器系统10内，工件7通过夹持装置9进行固定，并在机械转动作用下周向旋转，接通电源8，启动感应器系统10进行加热；加热过程中，温度检测部件2对工件1表面温度分布进行实时测量和记录；工件高度方向的中心位置的温度为闭环控制温度，PLC控制系统6根据检测部件2输出的数据自动选择接通电容补偿单元3或电感补偿单元4，从而保证加热过程工件温度均匀；当工件7加热至目标温度时，停止加热，并将工件7从感应器系统10内吊出。

在上述过程中，若感应加热中工件7某区域的温度低于闭环控制的温度，则PLC控制系统6经过运算后接通该区域感应器上并联的电容补偿单元3，多级电容补偿单元3级数逐级增加，并联的感应器电流逐渐增大，加热效率提高，直到工件温差值低于设定值，随后PLC控制系统6根据温度检测部件2反馈的温度信号实时调节电容补偿单元3的级数，保证加热过程的温差小于设定值；若感应加热过程中，工件7某区域的温度高于闭环控制温度，则PLC控制系统6经过运算后接通该区域感应器上并联的电感补偿单元4，并联的感应器电流减小，对工件7的加热效率降低，有助于加热工件的温度均匀；若工件7投入电容补偿单元3或电感补偿单元4后，整体温度趋于均匀，并且温差低于设定值的10%时则可断开补偿单元。

若加热过程中，工件7高度方向上呈现中间温度较均匀，而两端的表面局部温度偏高或偏低，则可在感应器端部区域并联补偿单元，中间区域不接补偿单元。在该情况下，可在感应器部件1距离端部向内1～10匝范围内并联电感补偿单元4，在感应器部件1端部向内5～15匝范围内并联电容补偿单元3。

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 (6)

1.一种具有温度补偿功能的感应加热装置，包括感应器部件（1）、温度检测部件（2）和PLC控制系统（6），其特征是：所述感应加热装置还包括补偿部件，补偿部件包括若干个补偿单元，该补偿单元包括电容补偿单元（3）和电感补偿单元（4），电容补偿单元（3）和电感补偿单元（4）分别设置了断路器（5），并且电容补偿单元（3）和电感补偿单元（4）并联连接，每个补偿单元并联于感应器部件（1）的感应线圈单元上，断路器（5）被PLC控制系统（6）控制。

2.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的感应加热装置，其特征是：所述电容补偿单元（3）由多组电容组成，每组电容接有一个断路器，多组电容并联后组成一个具有多级补偿功能的电容补偿单元；所述电感补偿单元（4）由多组电感组成，每组电感接有一个断路器，多组电感并联后组成一个具有多级补偿功能的电感补偿单元。

3.根据权利要求1或2所述的具有温度补偿功能的感应加热装置，其特征是：所述感应器部件（1）距离端部向内1～10匝范围内并联电感补偿单元（4），在感应器部件（1）端部向内5～15匝范围内并联电容补偿单元（3）。

4.根据权利要求1所述的具有温度补偿功能的感应加热装置，其特征是：所述感应器部件（1）由多个感应线圈单元组成，感应线圈单元采用串联方式连接，或并联连接，或采用串、并联组合的方式连接。

5.根据权利要求1或4所述的具有温度补偿功能的感应加热装置，其特征是：所述每个感应线圈单元的匝数为1-15匝。

6.根据权利要求5所述的具有温度补偿功能的感应加热装置，其特征是：所述每个感应线圈单元的匝数为2匝。