CN111570580A - 用于大直径厚壁管的加热装置及其加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大直径厚壁管的加热装置，其包括感应线圈、导磁体、红外测温仪和液体压力控制器。感应线圈的外形为矩形空心铜管绕制而成的螺旋结构，感应线圈的两端分别设有进出水口和接线板，导磁体的外形为马鞍形的空心结构，导磁体槽内表面包覆在感应线圈上，导磁体外表面的两侧分别设有进水口和出水口，进水口和液体压力控制器连接，支架和红外测温仪连接。目标管坯在弯曲时的中性层为面P，面P将感应线圈分为少匝数端和多匝数端，少匝数端和多匝数端分别位于目标管坯弯曲的内侧和外侧。本发明利用导磁体导磁能力随温度变化的特性，通过对称设置的导磁体，优化管坯加热后温度场分布，有效提高管坯弯曲后质量。

Description

用于大直径厚壁管的加热装置及其加热方法

技术领域

本发明涉及弯管加工领域，特别涉及一种用于大直径厚壁管的加热装置及其加热方法。

背景技术

管材的弯曲加工，在金属结构、工程机械、石油化工、轻工等工业部门占有重要地位，其中，大直径厚壁弯管被广泛应用于气体、液体的输送网络。中频感应局部加热弯管工艺是目前大管径厚壁管材弯管加工中最先进的工艺方法，依靠中频感应加热设备将管坯局部加热到所需温度，随即对加热部分进行弯曲，进而得到目标弯管件。

对管坯成型时加热温度的精确控制是中频感应局部加热弯管工艺的研究重点之一，合理的加热温度可有效减少弯管截面畸变。目前大直径厚壁弯管加热用感应线圈均为环形线圈，为了提高加热效果，通常在线圈外布置导磁体，这种加热方式使位于管坯加热区域的环形温度带均处于同一温度。然而，在后续弯曲过程中，管坯弯曲外侧壁厚减薄，内侧壁厚增大，当变形程度过大时，最外侧管壁会产生裂纹，最内测管壁会出现褶皱，这就要求管坯在加热过程中，其周向应该按照弯曲后形变的不同而加热至不同温度，以期降低管壁内、外侧的变形。

公开号为CN106140907A的中国专利公开了一种高级钢感应加热弯管双温煨制方法，该方法通过调整感应线圈的局部间隙，将钢管焊缝置于调整间隙后的位置处，从而达到钢管在加热过程中焊缝位置与其他位置温度不同的目的，实现双温煨制，但该方法没有考虑钢管在弯曲过程中周向变形量的差异，除焊缝位置处，其他均加热至同一温度，由于形变量不同引发的管坯弯曲后质量问题依然难以得到有效解决。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于大直径厚壁管的加热装置及其加热方法，利用导磁体导磁能力随温度变化的特性，通过改变分布在感应线圈不同位置处导磁体的工作温度从而改变管坯内磁场分布，进而精确控制目标管坯加热后温度分布，实现对管材的变温度加热，提高管坯弯曲后质量。

本发明提供了一种用于大直径厚壁管的加热装置，其包括感应线圈、导磁体、目标管坯、支架、红外测温仪和液体压力控制器。所述感应线圈的外形为矩形空心铜管绕制而成的螺旋结构，所述感应线圈的两端分别设有进出水口和接线板，所述导磁体的外形为马鞍形的空心结构，所述导磁体的槽内表面包覆在所述感应线圈上，并和所述感应线圈固定连接，所述导磁体外表面的两侧分别设有进水口和出水口，所述进水口和所述液体压力控制器的出水端连接，所述液体压力控制器的进水端和外部冷却水管连接，所述支架和所述红外测温仪连接，所述目标管坯位于所述感应线圈的内表面，并和所述感应线圈的内表面同轴心安装。所述目标管坯在弯曲时的中性层为面P，与面P垂直的对称平面为面Q，绕制所述感应线圈的螺旋线的起点和终点分别位于面P的两侧，面P将所述感应线圈分为少匝数端和多匝数端，少匝数端匝数记为n，多匝数端匝数记为n+1，少匝数端位于所述目标管坯弯曲的内侧，多匝数端位于所述目标管坯弯曲的外侧，所述感应线圈的接线板设置在所述目标管坯中性层所在的位置。

可优选的是，所述导磁体的外形结构尺寸和与之对应的少匝数端和多匝数端的外形尺寸相等，所述少匝数端或者所述多匝数端分别与多个导磁体的内表面固定连接。

可优选的是，所述导磁体关于所述面Q对称分布，在对称面Q的一侧中，所述导磁体的数量不少于3个。

可优选的是，所述红外测温仪在面Q任意一侧的半圆周方向上，每一导磁体对应一个所述红外测温仪。

本发明的另一方面，用于大直径厚壁管的加热方法，其包括如下步骤：

S1、将所述感应线圈、所述液体压力控制器的电源端和所述红外测温仪的电源端分别与外部电源连接，将所述液体压力控制器的通讯端和所述红外测温仪的通讯端分别与外部控制系统连接，往感应线圈的进出水口和液体压力控制器的进水端分别通入冷却水；

S2、根据目标管坯的材料属性，设定目标管坯中性层面P在管坯加热区域的最佳加热温度为T₀，目标管坯在管坯加热区域的最外侧加热温度T₁以及最内侧加热温度T₂，根据目标管坯弯曲后形变量的不同，设定T₁>T₂>T₀；

S3、在面Q任意一侧半圆周方向上，根据导磁体的数量，按照等差的形式，分别划分温度区间[T₀,T₁]和[T₀,T₂]，确定每一导磁体所对应感应线圈区域的加工温度，关于面Q对称布置的一组导磁体的加工温度相同；

S4、根据步骤S3确定的每一导磁体的加工温度以及导磁体导磁能力关于温度变化特性，确定每一导磁体的最佳工作温度；

S5、设定每一液体压力控制器的初始压力P₀；

S6、对目标管坯开始加热，

S61、导磁体会由于自身磁阻、目标管坯的热辐射以及感应线圈传热的综合作用快速升温，设定红外测温仪以频率f测定对应位置导磁体的温度；

S62、红外测温仪测定对应位置导磁体的温度后，以调整频率f来调整液体压力控制器的压力，以控制导磁体的工作温度；

S7、记步骤S4获得的某一导磁体的最佳工作温度为T_f，所测得某一导磁体的实际温度为T_c，根据温度差百分比μ调整，与对应导磁体相连的液体压力控制器的压力，进而控制导磁体的工作温度，其中，

S71、当μ≤μ₁，与对应导磁体相连的液体压力控制器不动作；

S72、当μ₁<μ≤μ₂，与对应导磁体相连的液体压力控制器压力变化η₁；

S73、当μ₂<μ，与对应导磁体相连的液体压力控制器变化η₂；

S8、加工完毕后，移出目标管坯。

可优选地是，在步骤S7中，μ₁、μ₂为温度差百分比μ的优选值，η₁、η₂为液体压力控制器压力变化的优选值，优选值根据实际工况以及加工能力选取。

可优选地是，在步骤S7中，当T_f-T_c＞0时，所述液体压力控制器的压力变小，反之则增大，液体压力控制器压力的变化均以当前压力值为基准。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明利用导磁体导磁能力随温度变化的特性，通过改变分布在感应线圈不同位置处导磁体的工作温度，从而改变管坯内磁场分布，进而精确控制目标管坯加热后温度分布，实现对管材沿周向的变温度加热。

2、本发明提出一种对大直径厚壁管加热方法，对管坯周向进行温度划分，通过对称设置的导磁体，进一步优化管坯加热后温度场分布，可有效提高管坯弯曲后质量。

附图说明

图1为本发明用于大直径厚壁管的加热装置的整体结构加热示意图；

图2为本发明用于大直径厚壁管的加热装置的感应线圈结构示意图；

图3为本发明用于大直径厚壁管的加热装置的导磁体安装示意图；

图4a为本发明用于大直径厚壁管的加热装置的管坯加热区域结构示意图；

图4b为本发明用于大直径厚壁管的加热装置的管坯温度划分示意图；

图5a为本发明用于大直径厚壁管的加热装置中利用本发明前目标管坯内磁场分布对比图；

图5b为本发明用于大直径厚壁管的加热装置中利用本发明后目标管坯内磁场分布对比图；以及

图6为本发明用于大直径厚壁管的加热装置中导磁体与液体压力控制器连接示意图。

主要附图标记：

感应线圈1，进出水口11，接线板12，导磁体2，进水口21，出水口22，目标管坯3，支架4，红外测温仪5，管坯加热区域6，液体压力控制器7，出水端71。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于大直径厚壁管的加热装置，如图1所示，其包括感应线圈1、导磁体2、目标管坯3、支架4、红外测温仪5和液体压力控制器7。

如图2所示，感应线圈1的外形为矩形空心铜管绕制而成的螺旋结构，外表面涂有绝缘层，感应线圈1的两端分别设有进出水口11和接线板12，进出水口11用于感应线圈1在工作过程中通冷却水降温，接线板12用于连接外部电源。感应线圈1的螺旋线的直径应比目标管坯3的直径大4～6mm，螺距按照感应线圈1所用矩形空心铜管尺寸确定，使得绕制后感应线圈1相邻管壁间距2～3mm。同时，感应线圈1的匝数n＝1或n＝2。

如图3所示，导磁体2是由软磁复合粉末烧结而成的马鞍形空心结构，导磁体2的槽内表面包覆在感应线圈1上，并和感应线圈1固定连接，如图6所示，导磁体2的外表面的两侧分别设有进水口21和出水口22，进水口21用于给导磁体2通冷却水进而控制导磁体2的工作温度，进水口21和液体压力控制器7的出水端71连接，液体压力控制器7的进水端和外部冷却水管连接，如图1所示，支架4和红外测温仪5连接，目标管坯3位于感应线圈1的内表面，目标管坯3的轴线和感应线圈1的内表面的轴线同轴心。

如图1和图4所示，记目标管坯3在弯曲时的中性层为面P，与面P垂直的对称平面为面Q，绕制感应线圈1的螺旋线的起点和终点分别位于面P的两侧，面P将感应线圈1分为少匝数端和多匝数端，少匝数端匝数记为n，多匝数端匝数记为n+1，少匝数端位于目标管坯3弯曲的内侧，多匝数端位于目标管坯3弯曲的外侧，感应线圈1的接线板12设置在目标管坯3中性层所在位置。

如图3所示，导磁体2的外形结构尺寸和与之对应的少匝数端和多匝数端的外形尺寸相等，少匝数端或者多匝数端分别与多个导磁体2的内表面固定连接。导磁体2槽内表面应与对应感应线圈1的螺旋面一致，以保证安装时结合面贴合。

如图1所示，导磁体2关于面Q对称分布，在对称面Q的一侧中，导磁体3的数量不少于3个。导磁体2中，每一组关于面Q对称布置的导磁体2在加工过程中内部水压同步变化。

红外测温仪5在面Q任意一侧的半圆周方向上，每一导磁体2对应一个红外测温仪5，用于测量工作过程中导磁体2的温度。

用于大直径厚壁管的加热方法，其包括如下步骤：

S1、将感应线圈1、液体压力控制器7的电源端和红外测温仪5的电源端分别与外部电源连接，将液体压力控制器7的通讯端和红外测温仪5的通讯端分别与外部控制系统连接，往感应线圈1的进出水口和液体压力控制器7的进水端分别通入冷却水；

S2、根据目标管坯3的材料属性，如图4a和图4b所示，设定目标管坯3中性层面P在管坯加热区域6的最佳加热温度为T₀，目标管坯3在管坯加热区域6的最外侧加热温度T₁以及最内侧加热温度T₂，根据目标管坯3弯曲后形变量的不同，设定T₁>T₂>T₀；

S3、在面Q任意一侧半圆周方向上，根据导磁体2的数量，按照等差的形式，分别划分温度区间[T₀,T₁]和[T₀,T₂]，确定每一导磁体2所对应感应线圈1区域的加工温度，关于面Q对称布置的一组导磁体2的加工温度相同；

S4、根据步骤S3确定每一导磁体2的加工温度以及导磁体2导磁能力关于温度变化特性，确定每一导磁体2的最佳工作温度；

S5、设定每一液体压力控制器7的初始压力P₀；

S6、对目标管坯开始加热，

S61、导磁体2会由于自身磁阻、目标管坯3的热辐射以及感应线圈1传热的综合作用快速升温，设定红外测温仪5以频率f测定对应位置导磁体2的温度；

S62、红外测温仪5测定对应位置导磁体2的温度后，以调整频率f来调整液体压力控制器7的压力，以控制导磁体2的工作温度；

S7、记步骤S4获得的某一导磁体2的最佳工作温度为T_f，所测得某一导磁体2的实际温度为T_c，根据温度差百分比μ调整，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7的压力，进而控制导磁体2的工作温度，其中，

S71、当μ≤μ₁，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7不动作；

S72、当μ₁<μ≤μ₂，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7压力变化η₁；

S73、当μ₂<μ，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7变化η₂；

S8、加工完毕后，移出目标管坯3。

在步骤S7中，μ₁、μ₂为温度差百分比μ的优选值，η₁、η₂为液体压力控制器7的压力变化的优选值，优选值根据实际工况以及加工能力选取。当T_f-T_c＞0时，液体压力控制器7的压力变小，反之则增大，液体压力控制器7压力的变化均以当前压力值为基准。

以下结合实施例对本发明一种用于大直径厚壁管的加热装置及其加热方法做进一步描述：

根据实验要求以及所要达到的结果，分别选取感应线圈1、导磁体2、目标管坯3的具体尺寸以及确定红外测温仪5的数量。

感应线圈1是由截面尺寸10mm×10mm，壁厚1mm的矩形空心铜管绕制而成的螺旋结构，并在外表面涂有绝缘层。

目标管坯3的外径设为500mm，根据感应线圈1的螺旋线的直径应比目标管坯3的直径大4～6mm，取感应线圈1的螺旋线基圆为506mm，螺距12mm。将感应线圈1螺旋线的起点和终点分别置于面P的两侧，面P将感应线圈1分为少匝数端和多匝数端，少匝数端匝数记为n，多匝数端匝数记为n+1，少匝数端位于目标管坯3弯曲的内侧，多匝数端位于目标管坯3弯曲的外侧。

不同位置处，导磁体2会由于工作温度的不同，使得其驱磁能力不同，进一步改变目标管坯3内磁场分布情况，利用本加热方法，加热前和加热后，目标管坯3内磁场分布如图5a和图5b所示。

导磁体2包覆并固连在感应线圈1上，由于感应线圈1以P面为界分为两部分，故而导磁体2结构尺寸应与所对应感应线圈1部分保持一致，则槽口宽度分别为10mm和22mm，在面Q单一侧半圆周方向上布置导磁体数量为4个。

红外测温仪5固定于支架4上，由于导磁体2关于面Q对称分布，在面Q任意一侧半圆周方向，每一导磁，2外侧设置一个红外测温仪5，用于测量工作过程中导磁体2的温度。

用于大直径厚壁管的加热方法具体实施包括如下步骤：

S1、将感应线圈1、液体压力控制器7的电源端和红外测温仪5的电源端分别与外部电源连接，将液体压力控制器7的通讯端和红外测温仪5的通讯端分别与外部控制系统连接，往感应线圈1的进出水口和液体压力控制器7的进水端分别通入冷却水。

S2、由于目标管坯3的材料为碳钢，设定目标管坯3中性层面P在管坯加热区域6的最佳加热温度为700℃，目标管坯3在管坯加热区域6的最外侧加热温度800℃以及最内侧加热温度740℃。

S3、在面Q任意一侧半圆周方向上，结合图1所示，根据导磁体2的数量，按照等差的形式，分别划分温度区间[700,800]和[700,740]，确定每一导磁体2所对应感应线圈1区域的加工温度，关于面Q对称布置的一组导磁体2的加工温度相同；在本实施例中，面Q右侧半圆周方向温度划分如图4a和图4b所示，T₀＝700℃、T₁＝800℃、T₂＝740℃、T₁₁＝733℃、T₁₂＝766℃。

S4、根据步骤S3确定每一导磁体2的加工温度以及导磁体2导磁能力关于温度变化特性，确定每一导磁体2的最佳工作温度；

S5、设定每一液体压力控制器7的初始压力P₀；

S6、对目标管坯开始加热，

S61、导磁体2会由于自身磁阻、目标管坯3的热辐射以及感应线圈1传热的综合作用快速升温，设定红外测温仪5以频率f测定对应位置导磁体2的温度；

S62、红外测温仪5测定对应位置导磁体2的温度后，以调整频率f来调整液体压力控制器7的压力，以控制导磁体2的工作温度；

S7、记步骤S4获得的某一导磁体2的最佳工作温度为T_f，所测得某一导磁体2的实际温度为T_c，根据温度差百分比μ调整，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7的压力，进而控制导磁体2的工作温度，其中，

在本实施例中：

S71、当μ≤5％，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7不动作；

S72、当5％<μ≤20％，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7压力变化10％；

S73、当20％<μ，与对应导磁体2相连的液体压力控制器7变化30％；

S8、加工完毕后，移出目标管坯3。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于大直径厚壁管的加热装置，其包括感应线圈、导磁体、目标管坯、支架、红外测温仪和液体压力控制器，其特征在于：

所述感应线圈的外形为矩形空心铜管绕制而成的螺旋结构，所述感应线圈的两端分别设有进出水口和接线板，所述导磁体的外形为马鞍形的空心结构，所述导磁体的槽内表面包覆在所述感应线圈上，并和所述感应线圈固定连接，所述导磁体外表面的两侧分别设有进水口和出水口，所述进水口和所述液体压力控制器的出水端连接，所述液体压力控制器的进水端和外部冷却水管连接，所述支架和所述红外测温仪连接，所述目标管坯位于所述感应线圈的内表面，并和所述感应线圈的内表面同轴心安装；以及

所述目标管坯在弯曲时的中性层为面P，与面P垂直的对称平面为面Q，绕制P将所述感应线圈分为少匝数端和多匝数端，少匝数端匝数记为n，多匝数端匝数记为n+1，少匝数端位于所述目标管坯弯曲的内侧，多匝数端位于所述目标管坯弯曲的外侧，所述感应线圈的接线板设置在所述目标管坯中性层所在的位置。

2.根据权利要求1所述的用于大直径厚壁管的加热装置，其特征在于，所述导磁体的外形结构尺寸和与之对应的少匝数端和多匝数端的外形尺寸相等，所述少匝数端或者所述多匝数端分别与多个导磁体的内表面固定连接。

3.根据权利要求1或者2所述的用于大直径厚壁管的加热装置，其特征在于，所述导磁体关于所述面Q对称分布，在对称面Q的一侧中，所述导磁体的数量不少于3个。

4.根据权利要求1所述的用于大直径厚壁管的加热装置，其特征在于，所述红外测温仪在面Q任意一侧的半圆周方向上，每一导磁体对应一个所述红外测温仪。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述的用于大直径厚壁管的加热方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、将所述感应线圈、所述液体压力控制器的电源端和所述红外测温仪的电源端分别与外部电源连接，将所述液体压力控制器的通讯端和所述红外测温仪的通讯端分别与外部控制系统连接，往感应线圈的进出水口和液体压力控制器的进水端分别通入冷却水；

S2、根据目标管坯的材料属性，设定目标管坯中性层面P在管坯加热区域的最佳加热温度为T₀，目标管坯在管坯加热区域的最外侧加热温度T₁以及最内侧加热温度T₂，根据目标管坯弯曲后形变量的不同，设定T₁>T₂>T₀；

S3、在面Q任意一侧半圆周方向上，根据导磁体的数量，按照等差的形式，分别划分温度区间[T₀,T₁]和[T₀,T₂]，确定每一导磁体所对应感应线圈区域的加工温度，关于面Q对称布置的一组导磁体的加工温度相同；

S4、根据步骤S3确定的每一导磁体的加工温度以及导磁体导磁能力关于温度变化特性，确定每一导磁体的最佳工作温度；

S5、设定每一液体压力控制器的初始压力P₀；

S6、对目标管坯开始加热，

S61、导磁体会由于自身磁阻、目标管坯的热辐射以及感应线圈传热的综合作用快速升温，设定红外测温仪以频率f测定对应位置导磁体的温度；

S62、红外测温仪测定对应位置导磁体的温度后，以调整频率f来调整液体压力控制器的压力，以控制导磁体的工作温度；

S7、记步骤S4获得的某一导磁体的最佳工作温度为T_f，所测得某一导磁体的实际温度为T_c，根据温度差百分比μ调整，与对应导磁体相连的液体压力控制器的压力，进而控制导磁体的工作温度，其中，

S71、当μ≤μ₁，与对应导磁体相连的液体压力控制器不动作；

S72、当μ₁<μ≤μ₂，与对应导磁体相连的液体压力控制器压力变化η₁；

S73、当μ₂<μ，与对应导磁体相连的液体压力控制器变化η₂；

S8、加工完毕后，移出目标管坯。

6.根据权利要求5所述的用于大直径厚壁管的加热方法，其特征在于，在步骤S7中，μ₁、μ₂为温度差百分比μ的优选值，η₁、η₂为液体压力控制器压力变化的优选值，优选值根据实际工况以及加工能力选取。

7.根据权利要求5所述的用于大直径厚壁管的加热方法，其特征在于，在步骤S7中，当T_f-T_c>0时，所述液体压力控制器的压力变小，反之则增大，液体压力控制器压力的变化均以当前压力值为基准。

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