CN106941739A - 一种连续加热装置的感应器 - Google Patents

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李爱武
谢亚军
易兵
刘滔文
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张正红
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Abstract

本发明提供了一种连续加热装置的感应器，包括磁芯、线圈、聚磁保温罩和耐火保温筒；其中磁芯设置在线圈外侧，聚磁保温罩设置在线圈两端；被加热的金属材料从线圈中间连续运动通过，通过的同时被加热；耐火保温筒设置在被加热的金属材料和线圈之间，用于保温及隔离金属材料对线圈的热辐射。本发明通过导磁性较强的物质把非工作面的磁力线聚集起来，基于磁力线必须是闭合曲线的原理，让它们穿透感应器工作面而闭合，从而减少非工作面磁感应强度，极大地提高了感应加热装置的磁场利用率和产品应用范围。

Description

一种连续加热装置的感应器
技术领域
本发明涉及导电材料加热或补热用的感应加热装置，尤其涉及一种连续加热装置的感应器，适用于金属材料的热处理技术。
背景技术
利用电磁感应加热能对金属材料或者板材进行连续加热或者补热的技术，不仅能在生产上控制金属板材的长度，而且连续在线快速加热对金属材料组织性能的转变具有重要影响，是获得金属材料最终性能的关键技术。
根据磁路不同，感应器根据磁场形式可以分为：横向磁场和纵向磁场感应器。横向磁场的感应器，多采用空心螺线管线圈的感应器，如日本专利JP2004074277A、JP2002226912A、JP2003082412A和中国专利CN200810196998中应用的均为空心螺旋形线圈的感应器，主要原因为空心螺线管线圈在结构设计及制作上较为简单。但空心螺线管线圈的感应器，由于仅由空心螺线管线圈绕制而成，其激发的磁力线是发散的，非工作面漏磁较大，磁场利用率不高，从而导致能源利用率不高，造成的电能浪费很大。因而其加热效率低，在大功率加热场合下的应用受限。同时，现也有感应器通过磁屏蔽装置减少非工作面的磁感应强度，但磁屏蔽装置多采用高导电材料(如铜质材料)制成，在大功率加热设备上，磁屏蔽装置自身的冷却、散热问题较为复杂，且磁屏蔽装置上过多消耗的焦耳热对能源的有效利用极为不利，故同样无法适用于大功率的加热场合下。因此，有必要设计一种适用于大功率加热环境下的感应器。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术中存在的不足，提供一种连续加热装置的感应器，极大地提高了感应加热装置的磁场利用率和产品应用范围。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种所述连续加热装置的感应器，包括磁芯、线圈和聚磁保温罩；其中磁芯设置在线圈外侧，聚磁保温罩设置在线圈两端；被加热的金属材料从线圈中间连续运动通过，通过的同时被加热。
本发明中磁芯的工作原理是通过导磁性较强的物质把感应器非工作面的磁力线聚集起来，基于磁力线必须是闭合曲线的原理，让它们穿透工作面而闭合，从而减少非工作面磁感应强度。
所述聚磁保温罩为一种掺杂导磁物质和耐火材料的复合材料，具有聚磁和保温的作用。进一步地，为提高磁场利用率,磁芯与线圈表层之间的间距控制在5mm-10mm。
进一步地，所述磁芯由高导磁片与高导热率冷却片叠放组成；其中高导磁片与高导热率冷却片的叠放比例为1:9；高导磁片的磁导率μ＞2×104H/m，高导热率冷却片的热导率λ＞397W/(m·℃)。
进一步地，所述线圈的形状根据工业应用中被加热金属材料的形状进行设计，可以是圆形、正方形、长方形或者异形等，以提高磁场利用率；
所述高导磁片和高导热率冷却片的形状和大小一致，磁芯整体呈筒状，形状与线圈匹配，包围在线圈外侧；两个聚磁保温罩分别罩在在磁芯两端；聚磁保温罩中间留有供被加热的金属材料通过的开孔。
进一步地，所述高导热率冷却片为空心夹层结构，空腔内通有冷却水。由于感应器的加热功率较大，磁芯需要考虑冷却，本发明通过在高导磁片里面叠加高导热率冷却片，且将高导热率冷却片做成空心内水冷结构，由冷却水带走磁芯的热量，进行冷却。
进一步地，所述连续加热装置的感应器，还包括耐火保温筒；耐火保温筒设置在被加热的金属材料和线圈之间，用于保温及隔离金属材料对线圈的热辐射。
所述耐火保温筒为一种耐火度不低于1600度，具有一定强度、耐高温和潮湿度的无机非金属材料。
进一步地，高导磁片之间、高导热率冷却片之间、高导磁片与高导热率冷却片之间以及磁芯外侧绝缘。
进一步地，所述线圈为一组或几组绕成的空心螺旋管状线圈。
进一步地，所述线圈的冷却结构，采用内水冷结构或外水冷结构；
所述内水冷结构，是通过在铜管内部通以冷却水，铜管绕制绕制成跟被加热金属材料最为贴近的形状如圆形、正方形、长方形或者异形等，并形成一个线包，此结构中所述线圈就是由该通以冷却水的铜管绕制而成的。
所述外水冷结构，是线圈直接浸泡在冷却水中。
进一步地，所述线圈内通有大功率、高频的交变电流；交变电流的功率和频率根据不同工况及加热的温度要求确定，功率在1～100MW之间，频率在1000—30000Hz之间。
进一步地，所述线圈的匝与匝之间的间距d≥5mm，以保证线圈的匝与匝之间绝缘。
有益效果：
大功率感应加热装置是获得高性能金属材料组织的重要手段，在一些连铸连轧生产过程中必须使用大功率感应加热装置。而如何提高感应装置的功率因数及加热效率，是提高设备利用率、节约能源的有效手段。
本发明用于工业上金属或者金属板材的连续加热，通过改变感应加热装置内部的电磁感应器结构，充分利用了感应器内的内部空间，设计了带磁芯连续加热装置的感应器，改变了磁力线在空间中的走向，实现了最终在同样输入电流(输入功率)的条件下，使用过程中在金属材料内产生的磁感应强度更大，从而提高金属材料内的焦耳热，提高了系统的加热效率，降低了电能损耗，这对于在冶炼过程中必须投入大功率感应加热装置的生产线来说，长时间使用大大节约了生产成本，也大大减少了钢铁企业的碳排放量，对环境保护具有积极的意义。
本电磁感应器结构简单，便于实际加工、制造和实施难度不大，设备安装、更换方便，有利于推广使用。
附图说明
图1是本发明感应器的示意图；图1(a)～图1(d)分别为圆形坯、方形坯、异形坯、板坯或板带的感应器的结构；
图2是本发明磁芯的结构示意图；图2(a)～图2(d)分别为圆形坯、方形坯、异形坯、板坯或板带的感应器中的磁芯结构；
图3是本发明线圈的结构示意图；图3(a)～图3(d)分别为圆形坯、方形坯、异形坯、板坯或板带的感应器中的线圈结构；
图4是无磁芯和有磁芯感应器在工作状态磁力线分布图；图4(a)和图4(b)分别为无磁芯和有磁芯感应器在工作状态磁力线分布图；
图5是有无磁芯和有磁芯感应器工作腔内磁感应强度大小曲线；
附图标记说明：1—磁芯；2-线圈；3-聚磁保温罩；4-被加热金属；5-磁力线。
具体实施方式
参见图1，本发明公开的连续加热装置的感应器示意图，包括磁芯、线圈和聚磁保温罩；其中磁芯设置在线圈外侧，聚磁保温罩设置在线圈两端；被加热的金属材料从线圈中间连续运动通过，通过的同时被加热。
图1(a)与(b)中感应器设计成圆形或者方形的形状，比较适用于方圆坯棒材的连续感应加热，图1(c)感应器适用于重轨异形坯的加热，图1(d)适合板坯或板带的加热，是目前普遍需要的感应器结构形式。
所述磁芯由高导磁片与高导热率冷却片叠放组成；其中高导磁片与高导热率冷却片的叠放比例为1:9；高导磁片的磁导率μ＞2×104H/m，高导热率冷却片的热导率λ＞397W/(m·℃)。
所述线圈的形状根据工业应用中被加热金属材料的形状进行设计，可以是圆形、正方形、长方形或者异形等任意形状，以提高磁场利用率；图3为与图1感应器相应的线圈结构示意图；
所述高导磁片和高导热率冷却片的形状和大小一致，磁芯整体呈筒状，形状与线圈匹配，包围在线圈外侧，两端设置有聚磁保温罩。图2为与图1感应器相应的磁芯
磁芯与线圈间距越小，线圈的漏磁就越小，磁场的利用率及可利用的焦耳热就越大。本发明将磁芯与线圈表层之间的间距控制在5mm-10mm，较为贴合线圈间距。进一步地，所述高导热率冷却片为空心夹层结构，空腔内通有冷却水。由于感应器的加热功率较大，磁芯需要考虑冷却，本发明通过在高导磁片里面叠加高导热率冷却片，且将高导热率冷却片做成空心内水冷结构，由冷却水带走磁芯的热量，进行冷却。
所述连续加热装置的感应器，还包括耐火保温筒；耐火保温筒设置在被加热的金属材料和线圈之间，用于保温及隔离金属材料对线圈的热辐射。
所述耐火保温筒为一种耐火度不低于1600度，具有一定强度、耐高温和潮湿度的无机非金属材料。
高导磁片之间、高导热率冷却片之间、高导磁片与高导热率冷却片之间以及磁芯外侧绝缘。
所述线圈为一组或几组绕成的空心螺旋管状线圈。
所述线圈的冷却结构，采用内水冷结构或外水冷结构；
所述内水冷结构，是通过在铜管内部通以冷却水，铜管绕制成跟被加热金属材料最为贴近的形状如圆形、正方形、长方形或者异形等，并形成一个线包，此结构中所述线圈就是由该通以冷却水的铜管绕制而成的。
所述外水冷结构，是线圈直接浸泡在冷却水中。
所述线圈内通有大功率、高频的交变电流；交变电流的功率和频率根据不同工况及加热的温度要求确定，功率在1～100MW之间，频率在1000—30000Hz之间。
由于线圈内主要通以大功率的交变电流，所述线圈的匝与匝之间的间距d≥5mm，以保证线圈的匝与匝之间绝缘。
图4比较了无磁芯和有磁芯感应器在工作状态磁力线分布图。在无磁芯的情况下，磁力线四处发散，用于加热的工作内腔分布的磁力线与其周围分布数量一致，也就是感应器在加热金属的同时，周围金属物件也被加热，磁场利用率不高，而导致能源的利用率低。而增设了磁芯部件的感应器，在工作状态，感应器激发的磁力线主要集中在加热金属工作的内腔，感应器外围分布的磁力线特别少，从而提高了磁场利用率，及对外围设备的干扰。
图5比较了无磁芯和有磁芯感应器工作腔内磁感应强度大小曲线，磁芯的增设不仅提高了内腔内磁感应强度分布的均匀性，而且对比无磁芯的情况，用于加热的交变磁感应强度大小提高50％以上，极大的提高了磁场利用率。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续加热装置的感应器，其特征在于，包括磁芯、线圈和聚磁保温罩；其中磁芯设置在线圈外侧，聚磁保温罩设置在线圈两端；被加热的金属材料从线圈中间连续运动通过，通过的同时被加热。
2.根据权利要求1所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述磁芯与线圈表层之间的间距为5mm-10mm。
3.根据权利要求1所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述磁芯由高导磁片与高导热率冷却片叠放组成；其中高导磁片与高导热率冷却片的叠放比例为1:9；高导磁片的磁导率μ＞2×104H/m，高导热率冷却片的热导率λ＞397W/(m·℃)。
4.根据权利要求3所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述线圈的形状根据工业应用中被加热金属材料的形状设计成圆形、正方形、长方形或者异形；
所述高导磁片和高导热率冷却片的形状和大小一致；磁芯整体呈筒状，形状与线圈匹配，包围在线圈外侧；两个聚磁保温罩分别罩在磁芯两端；聚磁保温罩中间留有供被加热的金属材料通过的开孔。
5.根据权利要求4所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述高导热率冷却片为空心夹层结构，空腔内通有冷却水。
6.根据权利要求4所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，高导磁片之间、高导热率冷却片之间、高导磁片与高导热率冷却片之间以及磁芯外侧绝缘。
7.根据权利要求1所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，还包括耐火保温筒；耐火保温筒设置在被加热的金属材料和线圈之间，用于保温及隔离金属材料对线圈的热辐射。
8.根据权利要求1所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述线圈的冷却结构，采用内水冷结构或外水冷结构；
所述内水冷结构，是通过在铜管内部通以冷却水，铜管绕制成跟被加热金属材料最为贴近的形状，并形成一个线包，此结构中所述线圈就是由该通以冷却水的铜管绕制而成的；
所述外水冷结构，是线圈直接浸泡在冷却水中。
9.根据权利要求1所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述线圈内通有大功率、高频的交变电流；交变电流的功率和频率根据不同工况及加热的温度要求确定，功率在1～100MW之间，频率在1000—30000Hz之间。
10.根据权利要求1所述的连续加热装置的感应器，其特征在于，所述线圈的匝与匝之间的间距d≥5mm，以保证线圈的匝与匝之间绝缘。
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