CN107041022A - 一种导电坯料导电加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电坯料导电加热装置，包括一对相对设置的铜电极，铜电极之间安装导电坯料，所述导电坯料周围设有两端开口的半封闭结构的保温装置，保温装置中部设有储能部，储能部内表面各处与导电坯料表面距离相等，保温装置两端分别设有与导电坯料表面距离逐步递减的收缩部，收缩部外缘分别靠近所述铜电极。本发明利用不均等传热的方法，实现了导电坯料导电加热温度的均匀性；降低了导电坯料与空气之间的对流，减小了坯料的对流散热，降低坯料的能量损失，提高了能量利用率；装置制造简单，安装方便，成本低，且适用不同形状和尺寸的坯料。

Description

一种导电坯料导电加热装置

技术领域

本发明属于导电坯料加热领域，本发明涉及一种导电坯料导电加热装置。

背景技术

坯料的加热作为热成形的首要环节，其温度的均匀性对最终零件的性能有重要影响。目前，工业生产主要采用箱式炉或者辊底式炉来完成坯料的加热，该加热方法具有坯料整体温度均匀性好的优点，但是其加热速率慢、效率低、占地面大、成本高、灵活性差。感应加热作为一种可替代的加热方法，具有加热速率快和效率高的优点，但是受限于感应线圈的形状，即一种形状的线圈只能加热特定形状的坯料，且当材料的温度达到居里点后，其加热效率将大大降低。导电加热作为另一种可替代的加热方法，也具有加热速率快与效率高的特点，其最大加热速率达400℃/s，加热效率在60％以上，由于其加热速率快、生产效率高，具有较好的应用前景。但是，在导电加热过程中，由于靠近铜电极区域的坯料向铜电极传导的热量多于中间区域，导致靠近铜电极区域的坯料温度较低，远离铜电极的中间区域温度高。同时，坯料的电阻率随温度的升高而变大，因此，靠近铜电极区域材料的电阻率低，而远离铜电极的中间区域材料的电阻率大，由焦耳定律可知，靠近铜电极区域坯料的发热量小，远离铜电极的中间区域的发热量大，这进一步加剧了导电加热坯料中间区域与靠近铜电极区域坯料的温度差，因而，在自然条件下，导电加热坯料温度的分布规律是中间区域温度高，靠近铜电极的区域温度低，影响了坯料整体温度的均匀性以及后续热成形零件的力学性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种实现了导电坯料整体温度一致性的导电坯料导电加热装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种导电坯料导电加热装置，包括一对相对设置的铜电极，铜电极之间安装导电坯料，所述导电坯料周围设有两端开口的半封闭结构的保温装置，保温装置中部设有储能部，储能部内表面各处与导电坯料表面距离相等，保温装置两端分别设有与导电坯料表面距离逐步递减的收缩部，收缩部外缘分别靠近所述铜电极。

所述保温装置内表面为低吸收率、高反射率的内反射层，内反射层外包裹有绝热储能的外储能层。

所述保温装置为上下分体开合式结构，下体固定安装，上体可开合以安装导电坯料。

所述保温装置为两端开口的半封闭筒状结构。

所述内反射层厚度为0.1mm～2mm。

所述外储能层厚度范围1～10mm。

所述保温装置内表面各处与导电坯料表面距离小于100mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用不均等传热的方法，在导电坯料周围布置离导电坯料距离变化的保温装置，保温装置内侧将导电坯料辐射到保温装置中的能量反射到导电坯料上，增加了导电坯料的能量输入，由于保温装置离坯料靠近低温区的距离小于中间高温区的距离，实现了导电坯料导电加热温度的均匀性；

2、保温装置在导电坯料的周围形成了一个半封闭空间，降低了导电坯料与空气之间的对流，减小了坯料的对流散热，降低坯料的能量损失，提高了能量利用率；

3、所述的保温装置制造简单，安装方便，成本低，且适用不同形状和尺寸的坯料。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为高温坯料点源辐射能量随距离关系示意图；

图3为不均等传热示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种导电坯料导电加热装置，包括一对相对设置的铜电极4，铜电极4之间安装导电坯料3，所述导电坯料3周围设有两端开口的半封闭筒状结构的保温装置5，所述保温装置5内表面为低吸收率、高反射率的内反射层1，内反射层1外包裹有绝热储能的外储能层2。内反射层1厚度为0.1mm～2mm，外储能层2厚度为1mm～10mm。

保温装置5中部设有储能部6，储能部6内表面各处与导电坯料3表面距离相等，保温装置5两端分别设有与导电坯料3表面距离逐步递减的收缩部7，收缩部7外缘分别靠近所述铜电极4。所述保温装置5还可以加工成上下分体的开合式结构，下体固定安装，上体可开合，以便于安装更换导电坯料3。

本发明的保温装置没有特定形状，具体形状可根据导电坯料的形状设计，只需要保证保温装置内表面与导电坯料的距离就能实现保温导热的目的。

本实施例假定通过导电加热的方法将矩形导电坯料加热到900℃左右，并进行一段时间的保温。导电加热是导电材料内部生产的焦耳热转换为导电材料温度升高的过程，由焦耳定律与能量守恒定律可知：

Q＝I²Rt＝cmΔT (1)

其中，Q为导电材料的发热量，I为输入的电流，R为导电材料的电阻，t为加热时间，c为导电材料的比热容，m为导电材料的质量，△T为导电材料温度的升高。

在自然条件下，导电坯料在加热和保温阶段，通过对流和辐射向周围环境散热。假设环境温度为20℃，则导电坯料3通过对流向周围环境散热的对流换热热流h_conv为：

其中，Gr为普朗特数、Pr在膜层温度下评估所得，L为尺度率，导电坯料3通过辐射向周围环境散热的辐射换热热流h_rad为：

其中，σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数，ε为导电坯料的发射率，T₁和T₂分别为导电坯料3和环境的温度。

由式(1)与(2)可知，由于高温物体的辐射换热热流比对流换热热流高一个数量级，因而，高温物体主要是通过辐射形式散热。

辐射是电磁波传递能量的现象。当辐射的能量投射到物体表明时，会存在吸收、反射和穿透现象，即：

α+ρ+τ＝1 (4)

其中，α、ρ、τ分别为物体对投入的辐射能量的吸收率、反射率和穿透率。对于工业生产用导电坯料3，一般认为穿透率τ＝0，即

α+ρ＝1 (5)

由于物体对投入辐射能量所呈现的吸收和反射特性，都具有在物体表面上进行的特点。

如图3所示，当保温装置5的内侧采用低吸收率、高反射率的材质时，导电坯料3因辐射散失的能量，将在保温装置5的内反射层1发生发射，使大部分辐射散失的能量重新反射到导电坯料3上。

对于宽度方向一定的保温装置5，如图2所示，其宽度为L，到导电坯料3的距离为h，导电坯料3的一个点源辐射出的能量总强度为E₀，在二维空间内，点源的能量辐射以半圆形的形式，则保温装置5在宽度方向上，接收到的能量E为：

从式(6)可以看出，所述的保温装置5距导电坯料3的距离越近，接收到导电坯料3的辐射能量也越多，保温装置5内反射层1反射的能量也越多。因而，从理论角度分析，保温装置5整体距导电坯料3的距离越近，反射到导电坯料3上的辐射能量越多。但考虑到材料耐热性制约，以及接触传导对导电坯料的影响，经反复试验验证，保温装置5内表面各处与导电坯料3的距离小于100mm，此时，保温效果及热均衡效果最佳。

在加热过程中，所述的铜电极4压紧导电坯料3，由于铜电极4热导率大，导电坯料3靠近铜电极4的区域，通过铜电极4传导而散失热量多，导致导电坯料3靠近铜电极4区域温度低，远离铜电极4的中段温度高。由于材料的电阻率随温度的升高而增加，导电坯料3靠近铜电极4的区域温度低，该区域材料的电阻率低，材料的发热量也减小，进一步加剧了导电坯料3中部区域与靠近铜电极4端部区域的温度差。

导电坯料3外部罩有保温装置5后，导电坯料3辐射的能量经过保温装置5的内反射层1反射回来，可以弥补导电坯料3的热量散失，同时由于保温装置5储能部6、收缩部7距导电坯料3的距离不等，根据传热学的原理可知，导电坯料3靠近铜电极4的低温区域，对应收缩部7从而得到更多的能量补充，并且保温装置5形成一个半封闭的空间，只在两端收缩部7开口，降低了导电坯料3与空气之间的对流散热，同时又促进了保温装置5内部自中间的储能部6向两端的收缩部7的热对流，使得导电坯料3中间区域的热量源源不断的向靠近铜电极4的区域传导，增加了导电坯料3两端的热量补充，加之，保温装置5收缩部7距坯料距离更近，保温装置5内侧反射回来的能量多，两种作用叠加后导电坯料3靠近铜电极区域的温度升高多，温度的升高使得导电坯料3靠近铜电极4区域的材料的电阻率增加，发热量也增加，从而降低了导电坯料3中间区域与靠近铜电极区域的温度差。

由于导电坯料3辐射的能量有一部分会被保温装置5吸收，使保温装置5温度升高，因此，当保温装置5所用材料的过厚时，其体积增加，则保温装置5会吸收更多的能量使整体温度上升，从而增加了不必要的能耗，因此，保温装置5内反射层1所用材料的厚度在0.1～2mm之间。保温装置5的外侧包裹绝缘、储能材料制成的外储能层2，以减少保温装置5形成的半封闭空间的热量散失。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种导电坯料导电加热装置，其特征在于，包括一对相对设置的铜电极，铜电极之间安装导电坯料，所述导电坯料周围设有两端开口的半封闭结构的保温装置，保温装置中部设有储能部，储能部内表面各处与导电坯料表面距离相等，保温装置两端分别设有与导电坯料表面距离逐步递减的收缩部，收缩部外缘分别靠近所述铜电极。

2.根据权利要求1所述的导电坯料导电加热装置，其特征在于，所述保温装置内表面为低吸收率、高反射率的内反射层，内反射层外包裹有绝热储能的外储能层。

3.根据权利要求1所述的导电坯料导电加热装置，其特征在于，所述保温装置为上下分体开合式结构，下体固定安装，上体可开合以安装导电坯料。

4.根据权利要求1所述的导电坯料导电加热装置，其特征在于，所述保温装置为两端开口的半封闭筒状结构。

5.根据权利要求2所述的导电坯料导电加热装置，其特征在于，所述内反射层厚度为0.1mm~2mm。

6.根据权利要求2所述的导电坯料导电加热装置，其特征在于，所述外储能层厚度范围1~10mm。

7.根据权利要求1-6任一所述的导电坯料导电加热装置，其特征在于，所述保温装置内表面各处与导电坯料表面距离小于100mm。