CN104775012B - 均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带钢感应加热气氛炉领域，尤其涉及一种均匀加热带钢的方法及装置。一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热方法，通过改变感应加热气氛炉的结构以改变若干个气氛流动区内气氛的流速，从而改变带钢表面的对流换热效率，使得带钢在宽度方向上能得到均匀的温度。一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，感应加热气氛炉包括，由炉衬形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔，带钢在加热时穿过炉腔，炉衬上设置有气氛进出管组，炉衬外设置有电磁感应器，气氛进出管组持续向炉腔内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢的加热。本发明在不改变电磁感应器结构和形状的条件下，进一步优化带钢加热温度均匀性，对感应加热气氛炉加热温度均匀性有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及带钢感应加热气氛炉领域，尤其涉及一种均匀加热带钢的装置。
背景技术
钢铁产品按形状大体可分成管线材和板带材两个大类，其中绝大多数板带材产品，比如热轧板、冷轧板以及连退板、涂镀板等都要经过加热炉进行退火等相关热处理。为防止板带产品氧化，加热炉内往往都有保护气氛，比如氮气等，或还原性气氛，如氢气等，以下简称气氛加热炉。
由于板带产品的宽窄比很大，在气氛加热炉内完成加热，其产品横向温度不均。现有技术中，传统的气氛加热炉往往采用电加热或燃气加热、热风加热等方式，由于炉体比较长，炉内蓄热，温度相对比较均匀，板带产品横向温度均匀性基本满足退火要求，而随着加热技术的进步，一些的特殊的需求提出来了，采用感应加热形式的气氛加热炉也开始多起来。感应加热气氛加热炉与传统气氛加热炉有很大不同，钢铁板带产品的加热是依靠非接触的电磁场在钢铁产品内部产生涡电流，利用金属材质的电阻焦耳热特性来达到加热目的，因而这种加热炉基本没有蓄热功能，钢铁板带产品的升温是内生热源，加热速率也比传统气氛炉快，因而对感应加热气氛炉而言，板带产品的加热温度均匀性问题更大，尤其是对宽幅面规格的板带产品加热，因电磁场的边部效应易造成更大的横向温差。
感应加热气氛炉目前有两类：一是纵磁炉，其电磁感应器是扁平螺线管形式，电磁场方向与工件表面平行，该类炉加热板带产品的厚度方向即表面和心部温差往往比较大，表面横向温差相对比较小，根据相关的文献和加热实践看，在同一时刻，板带产品表面的横向宽度最大温度也达正负10℃以上，对材质的热处理性能产生不良影响，因而需要对加热温度均匀性进行优化改进。二是横磁炉，其电磁感应器在板带产品上下成对设置，电磁场方向垂直传统工件表面，该类炉加热板带产品，由于电磁的边部效应会造成带钢在宽度方向上温度均匀性比较差，根据国内外的研究文献看，用横磁炉加热板带钢产品的同一横断面表面温差达正负3%以上，无法满足材质热处理要求，更需要对炉子的加热温度均匀性进行优化改进；现有技术中的感应加热气氛炉的型腔形状一般均为长条矩形，对提高带钢的温度均匀性无任何帮助。
事实上，感应加热气氛炉的加热温度均匀性有两方面因素决定：一是电磁热作用，为加热工件提供主体发热热源，其电磁发热功率的分布决定着加热工件的温度均匀性；二是气氛炉内的对流换热条件。感应加热气氛炉电磁感应器的设计和形状结构本身对工件加热的温度均匀性有着非常关键的影响，但同时，气氛炉内的对流换热条件同样对工件的加热温度均匀性产生重要影响。
针对感应加热气氛炉对工件的加热温度均匀性问题，现有专利技术CN200480008083.3公开了一种复杂工件的感应热处理装置，依靠改变电磁加热感应器的形状来解决加热工件的温度分布。专利CN99203899.5则公开了一种形状可改变的高频电磁感应器，同样说明了对温度均匀性控制的可行性。专利US20030192878则公开了一种横磁气氛加热炉或称为马弗，该专利的核心权利要求是该马弗结构的抗电磁性材质结构，创造性的解决了在感应加热马弗炉内的电磁穿透性问题。
以上专利技术所涉及的感应加热气氛炉，通过改变电磁感应加热器的形状结构以及炉体的抗电磁性材质，虽然在一定程度上能改善工件的加热温度均匀性，但以上专利技术均是单一从电磁热作用的角度来改善温度均匀性，从现有技术的发展程度看，上述专利技术中利用改变电磁感应器形状来提高工件的加热温度均匀性已达到了极限，比如，利用现代电磁有限元仿真技术可优化设计电磁感应器的形状，就是这种条件下，工件的温度均匀性问题仍达到正负10℃上下，若要进一步提高工件的温度均匀性，对电磁感应器进行优化设计会造成结构无法实现或成本太高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，通过改变对带钢表面的对流换热最终提高带钢在宽度方向上的温度均匀性，在不改变电磁感应器结构和形状的条件下，进一步优化带钢加热温度均匀性，方法和装置都简单易行，对感应加热气氛炉的加热温度均匀性有重要意义，具有较高的推广应用价值。
本发明是这样实现的：一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热方法，利用感应加热气氛炉对带钢进行感应加热分为纵磁感应加热和横磁感应加热两种，将带钢沿宽度方向从中心向两侧划分成若干个气氛流动区，通过改变感应加热气氛炉的结构以改变若干个气氛流动区内气氛的流速，从而改变带钢表面的对流换热效率，使得带钢在宽度方向上能得到均匀的温度，具体分为以下三种情况：
1）当使用纵磁感应加热带钢时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
2）当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度大于等于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速低于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
3）当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度小于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速。
通过改变感应加热气氛炉内的炉腔形状使带钢表面的宽度方向上产生流速差，实现对带钢的均匀加热。
通过调整感应加热气氛炉内的气氛进出管组的位置、分布、压力、流量使带钢表面的宽度方向上产生流速差，从而实现对带钢的均匀加热。
一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，所述感应加热气氛炉包括，由炉衬形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔，带钢在加热时穿过炉腔，炉衬上设置有气氛进出管组，炉衬外设置有电磁感应器，气氛进出管组持续向炉腔内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢的加热，所述炉腔的横截面由三段构成，炉腔的中部为矩形段，所述矩形段的两侧对称设置有一对圆弧段，所述圆弧段的直径大于矩形段的高度，矩形段的长度小于带钢的宽度。
所述矩形段长度为带钢宽度的2/3～5/6，所述圆弧段直径为矩形段高度的1.2～2倍。
一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，所述感应加热气氛炉包括，由炉衬形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔，带钢在加热时穿过炉腔，炉衬上设置有气氛进出管组，炉衬外设置有电磁感应器，气氛进出管组持续向炉腔内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢的加热，所述炉腔的横截面由三段构成，炉腔的中部为矩形段，所述矩形段的两侧对称设置有一对圆弧段，所述圆弧段的直径小于矩形段的高度，矩形段的长度小于带钢的宽度，所述矩形段与圆弧段之间通过S形曲线段光滑过渡。
所述矩形段长度为带钢宽度的2/3～5/6，所述圆弧段直径为矩形段高度的0.5～0.8倍。
一种述均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，所述感应加热气氛炉包括，由炉衬形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔，带钢在加热时穿过炉腔，炉衬上设置有气氛进出管组，炉衬外设置有电磁感应器，气氛进出管组持续向炉腔内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢的加热，所述气氛进出管组由若干对气氛进出管构成，若干对气氛进出管沿带钢的宽度方向顺次排列，各对气氛进出管独立控制。
所述气氛进出管组由三对气氛进出管构成，其中一对气氛进出管的位置与带钢的轴线对应，另外两对气氛进出管对称设置在带钢的侧边。
本发明均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置通过改变对带钢表面的对流换热最终提高带钢在宽度方向上的温度均匀性，充分挖掘和考虑气氛炉内的对流换热条件对温度均匀性的影响，在实际操作中通过改变炉腔形状、或改变气氛进出管组位置，结合气氛的流量和压力控制等途径改善炉内加热带钢表面的对流换热条件，从而优化带钢温度均匀性；在不改变电磁感应器结构和形状的条件下，进一步优化带钢加热温度均匀性，方法和装置都简单易行，对感应加热气氛炉的加热温度均匀性有重要意义，具有较高的推广应用价值。
附图说明
图1为纵磁感应加热的示意图；阴影区为高温区
图2为横磁感应加热的示意图；阴影区为高温区
图3为本发明均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置实施例1应用于纵磁加热的横截面示意图；
图4为本发明均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置实施例1应用于横磁加热的横截面示意图；
图5为本发明均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置实施例2的横截面示意图；
图6为本发明均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置实施例3的俯视示意图。
图中：1电磁感应器、2带钢、3炉衬、4炉腔、41矩形段、42圆弧段、43S形曲线段、5气氛进出管。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热方法，利用感应加热气氛炉对带钢进行感应加热分为纵磁感应加热和横磁感应加热两种，如图1所示，纵磁感应加热为使用螺旋形的电磁感应器1套住带钢2，此时电磁感应器1产生的磁力线与带钢2轴线平行；如图2所示，横磁感应加热为使用平面的电磁感应器1成对布置在带钢2的上下表面，此时电磁感应器1产生的磁力线与带钢2的表面垂直；将带钢2沿宽度方向从中心向两侧划分成若干个气氛流动区，通过改变感应加热气氛炉的结构以改变若干个气氛流动区内气氛的流速，从而改变带钢表面的对流换热效率，使得带钢在宽度方向上能得到均匀的温度，具体分为以下三种情况：
1）当使用纵磁感应加热带钢时，带钢2的两侧温度高，中间温度低，所以通过对气氛流动的控制，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
2）当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度大于等于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，带钢2的两侧温度低，中间温度高，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速低于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
3）当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度小于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，带钢2的两侧温度高，中间温度低，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速。
通常情况下在本实施例中将带钢2沿宽度方向划分出三个气氛流动区，一个位于带钢2中心位置的中部气氛流动区和对称设置在中部气氛流动区两侧的边部气氛流动区；
本发明为了实现对各个气氛流动区内气氛流速的控制，可以通过多种方法来实现，例如：
1.通过改变感应加热气氛炉内的炉腔形状使带钢表面的宽度方向上产生流速差，实现对带钢的均匀加热，根据带钢2的加热特点，改变炉腔4，使炉腔4的两端和中部形成不同的扩展空间，这样就能调整炉腔4内的压力分布和气氛流速，从而改变带钢4表面的对流换热条件。
2.通过调整感应加热气氛炉内的气氛进出管组的位置、分布、压力、流量使带钢表面的宽度方向上产生流速差，从而实现对带钢的均匀加热；比如在带钢温度较高的区域设置较多的气氛进出管或提高带钢温度较高区域的气氛进出管的流量。
如图3、4所示，一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，所述感应加热气氛炉包括，由炉衬3形成一个气密性空腔，炉衬3通常由抗电磁性的耐热材料制成，该气密性空腔为炉腔4，带钢2在加热时穿过炉腔4，炉衬3上设置有气氛进出管组，炉衬3外设置有电磁感应器1，气氛进出管组持续向炉腔4内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢2的加热，在现有设备中炉腔4的横截面都为矩形，本发明中，所述炉腔4的横截面由三段构成，炉腔4的中部为矩形段41，所述矩形段41的两侧对称设置有一对圆弧段42，所述圆弧段42的直径大于矩形段41的高度，矩形段41的长度小于带钢2的宽度，因为炉腔4靠近带钢2边部的空间大，所以当气氛流向带钢2的边部时，由于气流的扩散效应造成气氛的流速提高，流速高就会加强气氛对带钢2边部的换热，使带钢2边部的温度与中部温度趋向均衡；本结构的加热装置适合应用于如图3所示的纵磁感应加热或如图4所示的带钢2的宽度小于感应加热气氛炉内电磁感应器1的宽度时的横磁感应加热。
在本实施例中，所述矩形段41长度为带钢2宽度的2/3～5/6，所述圆弧段42直径为矩形段41高度的1.2～2倍。
实施例2
如图5所示，一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，所述感应加热气氛炉包括，由炉衬3形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔4，带钢2在加热时穿过炉腔4，炉衬3上设置有气氛进出管组，炉衬3外设置有电磁感应器1，气氛进出管组持续向炉腔4内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢2的加热，炉腔4内的气氛一般是氮气N2、氢气H2或者两者的混合气，所述炉腔4的横截面由三段构成，实施例2与实施例1的区别在于，炉腔4的中部为矩形段41，所述矩形段41的两侧对称设置有一对圆弧段42，所述圆弧段42的直径小于矩形段41的高度，矩形段41的长度小于带钢2的宽度，所述矩形段41与圆弧段42之间通过S形曲线段43光滑过渡；本结构的加热装置适合应用于带钢2的宽度大于感应加热气氛炉内电磁感应器1的宽度时的横磁感应加热。
在本实施例中，所述矩形段41长度为带钢2宽度的2/3～5/6，所述圆弧段42直径为矩形段41高度的0.5～0.8倍。
实施例3
如图6所示，一种述均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，所述感应加热气氛炉包括，由炉衬3形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔4，带钢2在加热时穿过炉腔4，炉衬3上设置有气氛进出管组，炉衬3外设置有电磁感应器1，气氛进出管组持续向炉腔4内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢2的加热，所述气氛进出管组可以根据实际需要设置若干对气氛进出管5，各对气氛进出管5独立控制；在本实施例中，所述气氛进出管组由三对气氛进出管5构成，其中一对气氛进出管5的位置与带钢2的轴线对应，另外两对气氛进出管5对称设置在带钢2的侧边；本结构的加热装置适合应用于任何磁感应加热方法，无论是纵磁加热还是横磁加热都可以通过调整各个气氛进出管5内的气氛流量使得带钢2的温度能在宽度方向上保持均衡。
Claims (2)
1.一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，利用感应加热气氛炉对带钢进行感应加热分为纵磁感应加热和横磁感应加热两种，将带钢沿宽度方向从中心向两侧划分成若干个气氛流动区，通过改变感应加热气氛炉的结构以改变若干个气氛流动区内气氛的流速，从而改变带钢表面的对流换热效率，使得带钢在宽度方向上能得到均匀的温度，具体分为以下三种情况：
当使用纵磁感应加热带钢时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度大于等于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速低于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度小于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速，其特征是：所述感应加热气氛炉包括，由炉衬(3)形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔(4)，带钢(2)在加热时穿过炉腔(4)，炉衬(3)上设置有气氛进出管组，炉衬(3)外设置有电磁感应器(1)，气氛进出管组持续向炉腔(4)内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢(2)的加热，其特征是：所述炉腔(4)的横截面由三段构成，炉腔(4)的中部为矩形段(41)，所述矩形段(41)的两侧对称设置有一对圆弧段(42)，所述圆弧段(42)的直径大于矩形段(41)的高度，矩形段(41)的长度小于带钢(2)的宽度；所述矩形段(41)长度为带钢(2)宽度的2/3～5/6，所述圆弧段(42)直径为矩形段(41)高度的1.2～2倍。
2.一种均匀加热带钢的宽幅面感应加热装置，利用感应加热气氛炉对带钢进行感应加热分为纵磁感应加热和横磁感应加热两种，将带钢沿宽度方向从中心向两侧划分成若干个气氛流动区，通过改变感应加热气氛炉的结构以改变若干个气氛流动区内气氛的流速，从而改变带钢表面的对流换热效率，使得带钢在宽度方向上能得到均匀的温度，具体分为以下三种情况：
当使用纵磁感应加热带钢时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度大于等于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速低于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速；
当使用横磁感应加热带钢，且带钢宽度小于感应加热气氛炉内电磁感应器的宽度时，使带钢两侧的气氛流动区内的气氛流速高于带钢中部的气氛流动区内的气氛流速，其特征是：所述感应加热气氛炉包括，由炉衬(3)形成一个气密性空腔，该气密性空腔为炉腔(4)，带钢(2)在加热时穿过炉腔(4)，炉衬(3)上设置有气氛进出管组，炉衬(3)外设置有电磁感应器(1)，气氛进出管组持续向炉腔(4)内通入气氛，在气氛保护下完成对带钢(2)的加热，其特征是：所述炉腔(4)的横截面由三段构成，炉腔(4)的中部为矩形段(41)，所述矩形段(41)的两侧对称设置有一对圆弧段(42)，所述圆弧段(42)的直径小于矩形段(41)的高度，矩形段(41)的长度小于带钢(2)的宽度，所述矩形段(41)与圆弧段(42)之间通过S形曲线段(43)光滑过渡；所述矩形段(41)长度为带钢(2)宽度的2/3～5/6，所述圆弧段(42)直径为矩形段(41)高度的0.5～0.8倍。
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