CN112126748A

CN112126748A - 金属真空磁化热处理装置及其进行金属热处理的发电方法

Info

Publication number: CN112126748A
Application number: CN202011193462.1A
Authority: CN
Inventors: 李福军; 夏惠芬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2020-12-25

Abstract

本发明涉及的是金属真空磁化热处理装置及其进行金属热处理的发电方法，其中金属真空磁化热处理装置包括真空容器，真空容器内设置支承架，支承架用于安装放置待处理的金属，真空容器设置有真空泵；待处理的金属的一端对应设置磁通变感应电流线圈，待处理的金属的另一端对应设置磁通变辅助感应电流线圈，高频加热线圈缠绕于待处理的金属。本发明提出了非接触磁化升温与降温金属热处理新工艺、磁化冷却降温的新工艺、金属热处理及废热发电一体化新工艺；真空磁化热处理，保证了金属材料热处理过程中的材料纯度及应力应变均匀性。

Description

金属真空磁化热处理装置及其进行金属热处理的发电方法

技术领域

本发明涉及金属热处理、热静电发电技术，具体涉及金属真空磁化热处理装置及其进行金属热处理的发电方法。

背景技术

金属热处理工艺已存在上千年历史，热处理时金属的金相组织及机械强度（硬度、韧性、弹性、塑性、断裂强度、应力应变分布等）有很大变化。金属热处理看似简单，实则无限复杂，不仅当今很多技术掌握不了，就是再过百年，金属热处理工艺技术还不会十分完善。金相组织（如马氏体、珠光体、奥氏体等的转换与控制等）也十分难以把握。

问题更严重的是，目前大多数金属热处理都是利用冷却剂直接与热金属接触，可通过金属热传导由外部冷却传递到内部冷却。加热也是热源与金属直接接触，通过金属表面加热传导进金属内部，这种多年常用的热处理工艺存在如下严重的不足：

1、加热介质与冷却介质直接接触到金属材料表面，容易产生金属表面渗入杂质污染，损害材料的纯度。有些特殊功能材料既使杂质渗入千分之一，其材料的特殊功能指标将会发生巨大损害。

2、传统常用热处理都是利用表面热传导进行热冷却或加热升温。由于热传导的速度很慢，造成金属材料温度不均匀、金属尺寸公差变大变形，造成应力分布不均匀、内应力残留隐患，也会造成材料微观内裂纹现象。

3、由于加热及冷却的不均匀性及变化的滞后性，使得材料从外表面到内部的金相组织有过渡性不均匀不统一，晶格组织也不统一，各点粒子的能级也有差异。导致金属表面层与内层的物理化学参数及电性参数等差别较大。

4、目前热金属冷却时，大量的热量都被浪费了，并常产生很多雾气，这也是一种严重的能源浪费及环境污染。

5、工人劳动强度大，工作环境通常较差。

上述金属材料热处理问题对于功能性材料、特殊高强度环境中的材料都是致命的打击。

因此，发明一种真空中非接触式且快速均匀的加热冷却热处理方式，同时又能把废热用于发电的新型热处理方式已显得十分重要及迫切。

发明内容

本发明的一个目的是提供金属真空磁化热处理装置，这种金属真空磁化热处理装置用于实现在真空中非接触式且快速均匀地对金属加热冷却热处理，本发明的另一个目的是提供这种金属真空磁化热处理装置的进行金属热处理的发电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种金属真空磁化热处理装置包括真空容器，真空容器内设置支承架，支承架用于安装放置待处理的金属，真空容器设置有真空泵；待处理的金属的一端对应设置磁通变感应电流线圈，待处理的金属的另一端对应设置磁通变辅助感应电流线圈，高频加热线圈缠绕于待处理的金属。

所述金属真空磁化热处理装置进行金属真空磁化热处理及发电一体化的方法：

步骤一、安装测温仪、高频磁感应测试仪，磁场强度测试仪，感应电流电压测试仪，热电参数测试系统；

步骤二、开启真空泵抽真空，达到规定的真空度；

步骤三、开启高频仪，高频仪具有所述的高频加热线圈，利用高或中或低频磁感应线圈给待处理的金属加热，达到设计的高温，待处理的金属真空磁化热处理成为高温金属；

步骤四、把N型低温材料电极连接到高温金属一端，把P型材料电极连接到高温金属另一端，构成PN结，N型低温材料电极为大尺寸N型低温材料电极，P型材料电极为小尺寸P型材料电极，N型低温材料电极伸出真空容器的一端设置辅助冷却器，辅助冷却器使N型低温材料电极温度降低，并降低N型低温材料电极连接的高温金属的温度，使该端高温金属温度降低，成为低温端，高温金属与P型材料电极连接端为高温端；在真空容器外设置外加协频强磁场，外磁场为环形磁场，环形磁场将PN结环绕在内，构成金属真空磁化热处理及发电一体化装置；

步骤五、断开高频电流，把供电电路改为磁通变感应电流的主线圈；

步骤六、开启外加协频强磁场，产生五种降温及发电效果：

①PN结温差发电产生seebeck电流；

②外磁场抑制热粒子振动，增强震动电子能级跃迁电流，磁阻热增电效应可提高ZT优值，提高热电转换率，得到第四热电效应电流；

③ 外磁场磁化抑制了粒子磁矩杂乱热振动，形成较统一方向的原子或电子磁矩、磁铸及磁壁，因粒子杂乱热振动受到定向抑制，从而起到冷却降温作用；

④霍尔附加电压效应：

由于高温金属中有电流流动，则在外磁场作用下，横断面上产生霍尔附加电压；

⑤居里温度磁化效应：

由于高温金属温度的下降及外磁场的磁化作用，高温金属内的磁化强度得以恢复，高温金属内及周围的磁通量得以定向恢复；

此时的原高频加热线圈已转变为能接受磁通量定向变化的磁通变感应线圈，产生主感应电流，由于磁通量的变化，在高温金属两端设置的辅助磁通变感应线圈也产生辅助感应电流；

步骤七、汇集得到的热磁电直转电流，既完成了金属材料加热升温及冷却降温的一个热处理循环，也得到了热电转化电流；

步骤八、按照热处理的设计方案，控制温度界限及变温速度，重复步骤二～步骤六的循环热处理及发电，直到完成热处理设计方案；

步骤九、记录各测量数据；

步骤十、断开各测量仪器与线路，打开真空容器，取出热处理后的金属。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出了非接触磁化升温与降温金属热处理新工艺、磁化冷却降温的新工艺、金属热处理及废热发电一体化新工艺。

2、本发明提出了真空磁化热处理炉新工艺，本发明中真空容器为一种真空磁化热处理炉，保证了金属材料热处理过程中的材料纯度及应力应变均匀性。减少微观开裂，保证金相组织均匀，提高了金属材料的性能。

3、本发明提出了磁阻热降温增电的“第四热电效应”，解决了提高ZT优值的“低导热高导电”的矛盾要求，实现了降温发电一体化。

4、本发明提出了把加热时的磁感应线圈可转化为冷却时的磁通变主感应电流线圈。

5、本发明提出了在金属棒的两端设置辅助磁通变感应线圈，提高了磁感应电流的接收。

6、本发明提出了可拆装PN结材料结构。加热时分离，冷却降温发电时再组合连接。

7、本发明提出了热磁电转换相关的四个新工艺技术：

居里温度逆效应工艺技术—“磁阻尼”效应，即“磁阻热降温效应”工艺技术，利用外加强磁场可以冷却高温铁磁材料。

霍尔电压的温差效应工艺技术，在存在温差的材料棒上施加强磁场，则会在温差材料棒上产生附加电压。

振动磁涡增能发电效应工艺技术，往复振动的原子电子在磁旋窝场中振动一个循环回到原始点，此磁强度的环积分不为零（而在位势场的电场中其环积分恒等于零）。当电子能级升高到超过原子核的束缚能时，此电子将脱离轨道流向低能级区。从而产生电子的定向流动。符合“右手法则”的安培环路电流定律。

磁化电流的表面效应，材料棒周围的环形磁力线在材料表面纵向形成“右手法则”的磁化电流现象。

附图说明

图1是金属真空磁化热处理及发电一体化装置。

图中：1真空容器；2金属棒；3真空泵；4磁通变感应电流线圈； 5磁通变辅助感应电流线圈；6高频加热感应线圈；7 N型低温材料电极；8 P型材料电极；9外磁场；10辅助冷却器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

参阅图1所示，这种金属真空磁化热处理装置包括真空容器1，真空容器1内设置支承架，支承架用于安装放置待处理的金属，待处理的金属为金属棒2或金属板，真空容器1设置有真空泵3；待处理的金属的一端对应设置磁通变感应电流线圈4，待处理的金属的另一端对应设置磁通变辅助感应电流线圈5，高频加热线圈缠绕于待处理的金属。高频加热感应线圈6，兼断电降温时的磁通变主感应电流线圈。加热时输入电流，冷却降温时输出感应电流。

步骤一、安装测温仪、高频线圈磁感应测试仪，外加协频强磁场测试仪，感应电流电压测试仪，热电参数测试系统；

步骤二、开启真空泵3抽真空，达到规定的真空度；

步骤三、开启高频电流磁感仪，高频仪具有所述的高频加热线圈，利用高或中频磁感应线圈给待处理的金属加热，达到设计的高温，待处理的金属真空磁化热处理成为高温金属；

步骤四、把N型低温材料电极7连接到高温金属一端，把P型材料电极8连接到高温金属另一端，构成PN结，N型低温材料电极7为大尺寸N型低温材料电极，P型材料电极8为小尺寸P型材料电极， N型低温材料电极7伸出真空容器1的一端设置辅助冷却器10，辅助冷却器10使N型低温材料电极7温度降低，并降低N型低温材料电极7连接的高温金属的温度，使该端高温金属温度降低，成为低温端。高温金属与P型材料电极8连接端为高温端，低温端N型材料电极与热处理金属材料不同，低温端N型材料电极通过导线与外界链接，以形成PN结异性材料结构；在真空容器1外设置外磁场9（外加强磁场），外磁场9为环形磁场，环形磁场将PN结环绕在内，构成金属真空磁化热处理及发电一体化装置；周向环（弧）形磁场的磁场强度应高于该材料“居里消磁温度”所对应的磁感应强度。

步骤六、开启外磁场9（外加强磁场），对待处理的高温金属产生五种降温发电效果：

①PN结温差发电产生seebeck电流；

②外磁场9抑制热振动，增强震动电子能级跃迁电流，磁场的阻热增电效应可提高材料ZT优值，提高热电转换率，得到第四热电效应电流；

③ 外磁场磁9化抑制了粒子磁矩杂乱热振动，形成较统一方向的原子或电子磁矩、磁铸及磁壁，因粒子杂乱热振动受到定向抑制，从而起到冷却降温作用；

④霍尔附加电压效应：

由于高温金属中有电流流动，则在外磁场9作用下，横断面上产生霍尔附加电压；

⑤居里温度磁变化效应：

步骤七、既完成了金属材料加热升温及冷却降温的一个热处理循环，也得到了余热利用的热电转化电流；

步骤九、记录各测量数据；

步骤十、断开各测量仪器与线路，打开真空容器1，取出处理后的金属。

本发明中磁化热处理的原理：

1、金属磁化加热原理

一定频率的电磁波作用在金属材料中，使金属材料内部产生感应涡流，由于表面趋肤效应，金属表面的感应涡电流密度更大，因金属材料既是导电体也是电阻，将会产生电阻发热，使金属材料迅速加热升温。实现金属热处理中的加热升温环节。此加热工艺已得到普遍应用。

2、磁化冷却技术原理

对于铁磁性材料，其内部原子磁矩、电子磁矩等不是完全杂乱，而是有一个大致统一方向，并能形成一定的磁畴与磁壁。在宏观上看，该铁磁性材料对外有N-S极磁场显示。

如果对该铁磁材料加热升温，由于粒子（原子、电子等）的热振方向杂乱，将破坏原子磁矩及电子磁矩原有的统一方向性，变成杂乱方向，其磁畴与磁壁消失，外在的宏观表现是该铁磁材料的磁性减弱或消失。加热温度越高磁性退化越大，该铁磁材料的磁性完全消失的对应加热温度被称为“居里消磁温度”。

矛盾的双方常以对方的存在为自己存在的前提，作用是相互的。由正效应，通常能推出反效应，提出“居里消磁温度”的反效应，即“磁消热降温”效应。

当磁强度为B₀的铁磁材料被加热到“居里消磁温度”T₀时，该材料的磁性消失。如果此时在外部施加更强大的磁场B₁>>B₀，对温度为T₀的铁磁材料进行再次超强磁化，使原来因高温T₀粒子热振动造成的原子磁矩、电子磁矩再次顺向统一方向，同时抑制了粒子的杂乱振动，重构磁畴与磁壁，不仅已消磁的铁磁材料再次显现出磁性，而且由于磁化对粒子杂乱热振动的抑制，而使该材料的温度大大降低。实现了“磁消热降温”效应。也实现了金属热处理中的非接触冷却降温工艺。

本发明中金属磁化冷却的发电原理

1、由于外强磁场的磁化作用，使原热振动杂乱方向的原子（电子）磁矩被约束，按一定磁化方向重新排列克服了“居里消磁温度”效应，抑制了粒子杂乱振动，起到了“阻热降温”的冷却作用。

2、粒子携带电子在磁场中热振动。不同于位势场的电场，磁场是涡旋场，粒子热振动一个循环周期回到原点后，磁场强度的环积分不为零，当电子能级增加量超过原子核的束缚力后，电子能级将产生量子化的跃迁，流向低能量区域，实现了由热振动动能向电子流动能量的转化，即热电直转效果。

3、按照seebeck第一热电效应，即使没有外磁场的磁化作用，只要有温差，其粒子电荷就有能级差，也能出现有热振动能量直接转为电子流动能量，只不过此种方法的热电直转效率较低。

4、按照热电材料提高ZT优值的要求，材料所处工况要同时满足“低导热高导电”的矛盾要求。由上述发电原理1与发电原理2中看出，外强磁场的磁化作用，可同时满足抑制杂乱方向热振动的阻热降温作用及电子磁能级跃迁增加作用的双重效果。可暂称为“第四热电效应”。因极大提高了热电材料ZT优值，所以可大大提高热电转换率。

5、“霍尔附加电压”效应。当热电材料中有电流流动时，由于外加磁场的电磁作用，使得材料的横截面方向产生“霍尔附加电压”。

6、磁化电流附加作用。金属材料周向环（弧）形磁力线的设计，可在金属表层产生磁化电流，相应也产生了磁化电流的附加磁场。

7、磁通变热磁线圈发电方法

对于铁磁性材料，在热处理降温过程中，由于“居里消磁温度”效应，材料的磁感应强度将得以恢复增大。即材料周围的磁通量发生了变化，此时若在材料周围设置感应线圈，因线圈中的磁通量的变化，必将在线圈中产生感应的电流。此电流的来源是材料热处理冷却降温后恢复了铁磁材料的磁感应强度，引起磁通量的变化，从而在线圈中得到感应电流。

因此，在温差降温中，特别是施加外强磁场强制降温冷却后，均可实现热处理冷却降温的余热发电。

实施例：

1、把待处理金属放入真空磁化热处理炉容器中。

2、检查各线路连接完好性、检查各测试仪连接完好性、检查真空磁化炉容器完好性、检查真空泵3完好性等。

3、开启真空泵3抽真空，达到规定的真空度。

4、开启高频电流磁感仪，利用高（或中）频磁感应线圈给目标金属棒（板等）加热，达到设计的高温。

5、连接构造PN结的结构。

①把大尺寸N型低温材料电极7连接到高温金属一端；

②把小尺寸P型（与金属材料同类）材料电极8连接到高温金属另一端。

6、进入冷却降温并发电过程

7、断开高频电流，把供电电路改为磁通变感应电流的主线圈。

8、开启外加协频强磁场，产生多种降温发电效果

①金属材料PN结温差发电产生seebeck电流

②强磁场抑制热振动，增强震动电子能级跃迁电流，外加强磁场的阻热增电效应可提高材料ZT优值，提高热电转换率，得到“第四热电效应”电流。

③ 外加强磁场磁化抑制了粒子磁矩杂乱热振动，形成较统一方向的原子（电子）磁矩、磁铸及磁壁等，因粒子杂乱热振动受到定向抑制，从而起到冷却降温作用。这是非接触金属冷却的核心技术。

④“霍尔附加电压效应”。

由于金属棒（板）中有电流流动，则在外磁场9作用下，横断面上产生“霍尔附加电压”。

⑤“居里温度”磁变化效应

由于金屋温度的下降及外磁场9的磁化作用，金属材料内的磁化强度得以恢复。金属棒（板）内及周围的磁通量得以定向恢复。

此时的原高频加热线圈已转变为能接受磁通量定向变化的磁通变感应线圈，产生主感应电流。

⑥ 由于上述磁通量的变化，在金属棒（板）两端设置的辅助磁通变感应线圈也产生辅助感应电流。

⑦ 汇集以上各种热磁电的直转电流

1〉PN结温差seebeck电流

2〉磁场的阻热增电、提高ZT优值工况的“第四热电效应”的热磁电电流。

3〉霍尔附加电压作用。

4〉磁化电流的附加作用。

5〉主感应线圈感应电流及辅助感应线圈感应电流

9、上述不仅完成了金属材料加热升温及冷却降温的一个热处理循环，还得到了余热利用的热电转化电流。

10、按照热处理的设计方案，控制温度界限及变温速度，重复步骤4～步骤8的循环热处理及发电，直到完成热处理设计方案

11、记录各测量数据

12、断开各测量仪器与线路

13、打开真空磁化热处理炉，取出金属件。

14、检查收尾工作。

Claims

1.一种金属真空磁化热处理装置，其特征在于：这种金属真空磁化热处理装置包括真空容器（1），真空容器（1）内设置支承架，支承架用于安装放置待处理的金属，真空容器（1）设置有真空泵（3）；待处理的金属的一端对应设置磁通变感应电流线圈（4），待处理的金属的另一端对应设置磁通变辅助感应电流线圈（5），高频加热线圈缠绕于待处理的金属，高频加热线圈在冷却降温时兼作磁通变主感应电流线圈。

2.一种权利要求1所述的金属真空磁化热处理装置的进行金属真空磁化热处理及发电一体化的方法，其特征在于：

步骤一、安装测温仪、高频磁感应测试仪，外加协频磁场强度测试仪，感应电流电压测试仪，热电参数测试系统；

步骤二、开启真空泵（3）抽真空，达到规定的真空度；

步骤三、开启高频加热仪，高频仪具有所述的高频加热线圈，利用高或中频磁感应线圈给待处理的金属加热，达到设计的高温，待处理的金属真空磁化热处理成为高温金属；

步骤四、把N型低温材料电极（7）连接到高温金属一端，把P型材料电极（8）连接到高温金属另一端，构成PN结，N型低温材料电极（7）为大尺寸N型低温材料电极，P型材料电极（8）为小尺寸P型材料电极，N型低温材料电极（7）伸出真空容器（1）的一端设置辅助冷却器（10），辅助冷却器（10）使N型低温材料电极（7）温度降低，并降低N型低温材料电极（7）连接的高温金属的温度，使该端高温金属温度降低，成为低温端，高温金属与P型材料电极（8）连接端为高温端；在真空容器（1）外设置外磁场（9），外磁场（9）为环形磁场，环形磁场将PN结环绕在内，构成金属真空磁化热处理及发电一体化装置；

步骤五、断开高频电流，把供电线圈电路改为磁通变感应电流的主线圈；

步骤六、开启外磁场（9），产生五种降温发电效果：

①PN结温差发电产生seebeck电流；

②外磁场（9）抑制热振动，增强震动电子能级跃迁电流，外加磁场的阻热增电效应提高材料ZT优值，提高热电转换率，得到第四热电效应电流；

③ 外磁场（9）磁化抑制了粒子磁矩杂乱热振动，形成较统一方向的原子或电子磁矩、磁铸及磁壁，因粒子杂乱热振动受到定向抑制，从而起到冷却降温作用；

④霍尔附加电压效应：

⑤居里温度磁变化效应：

此时的原高频加热线圈已转变为能接受磁通量定向变化的磁通变主感应线圈，产生主感应电流，由于磁通量的变化，在高温金属两端设置的辅助磁通变感应线圈也产生辅助感应电流；

步骤七、既完成了金属材料加热升温及冷却降温的一个热处理循环，也得到了余热直电转化电流；

步骤入、按照热处理的设计方案，控制温度界限及变温速度，重复步骤二～步骤六的循环热处理及发电，直到完成热处理设计方案；

步骤九、记录各测量数据；