CN113638064A - 热管组件、包括热管组件的组合热管式热辊及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热管组件，热管组件包括组合热管和连通组合热管的热环，组合热管包括多个轴向排布的热管，每个热管均为斜管。本发明的组合热管式热辊具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑，加工方便、工作可靠和维护费用少的优点，提高热辊辊体的温度均匀性，降低了加工难度和成本，以及热媒在热辊中的动态平衡，使热管中的热媒蒸汽更好的扩散和分布。

Description

热管组件、包括热管组件的组合热管式热辊及其加工方法

技术领域

本发明涉及化纤牵伸用热辊技术领域，尤其涉及一种热管组件、包括热管组件的组合热管式热辊及其加工方法。

背景技术

在合成纤维热处理过程中，感应加热辊筒是理想加热辊形式，进一步地，为了提高辊筒表面温度分布的均匀性，又采用了热管技术。

对于导磁钢质辊体而言，感应加热辊的热源就是辊筒本身，或者对于铝合金材质的辊体，其内壁会紧密联接一圈高导磁钢套结构用于感应加热，都属直接加热方式，其温度可控性、响应性都优于其它任何一种间接加热方式的辊筒。辊筒内产生磁力线的感应线圈通入交流电后就产生交变磁场，辊筒圆周方向的感应电压产生电流（涡流），从而使辊体发热。感应线圈停止通电则辊体发热也同时停止。因此，始终对辊筒表面的温度进行监测，将结果反馈到电源侧，组成一个简单的控制回路，这样就能精确地保持辊筒温度的恒定不变。

感应加热辊筒壁厚内分布有热管，可以称为辊筒的筒壁上的"夹层"空间。这一小空间内负压封装入传热媒介，夹层中始终充满媒介的蒸汽，并控制使之达到其温度对应的饱和蒸汽压。辊筒表面的一部分如果有热负载，则这部分辊面的温度将比其余部分的低，其附近的饱和蒸汽压也随之下降。这样一来，周围的蒸汽流会迅速向这里集中，通过蒸汽的凝结放出气化热，使之回复到原先温度。反之，如果某一部分比其余部分的温度高，则媒介沸腾蒸发，将热量扩散开去。这种蒸发、凝结的循环在温差消除前一直持续。这实际上无需外部操作就能自动补偿调节以维持温度的平衡，并且，依靠热媒蒸汽的传热，会有很高的传热效率。

热辊中设置热管可以有不同的方式，有在辊体上直接打孔，但孔内表面处理困难；有在辊体上打孔后，插入预制热管；如果热管走向是与辊体中心轴平行（水平管），则需要热辊辊体通长加热；更进一步是采用打斜孔的方式，利用离心力作用，冷凝的热媒液体可以快速回到加热端，这样的情况，只要在局部进行高频加热，缩短了加热段的长度，减轻了热辊的重量、加热控制也更容易。

例如，中国专利CN105155006B公开了一种高速旋转热管式热辊及其传热加工方法，热辊一端封闭，另一端打有众多热管孔后封闭，所述的热管孔为斜孔，斜度为0.7°～1.2°，每个热管孔根部联通，整体封口；加热区设置在靠近电机的近端且长度缩短至辊体长度的30-45%。由于斜孔的设计，在高速运行时，热媒液体会依靠离心力回流至辊体近端的加热段进行加热，加热后产生的蒸汽扩散至辊体远端实现高效传热的目的，因此具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、工作可靠和维护费用少的优点。

另外，日本TMT公司设计热管式热辊，是在辊体周向均匀打有与辊体中心线平行的水平孔，然后每个水平孔中插入封闭的含有热媒介质的不锈钢热管，最后两头进行封口，这是一种水平孔中插入热管的方式，即辊体打孔和热管分为两个独立的工序完成，简化了制造过程，生产稳定和高效。

为提高传热效果，CN2020106861546又研发了铝合金辊体的热辊技术；在斜管技术的基础上，为了减小辊体壁厚，CN2021106861565又开发的梯度斜管技术，在同样条件下，可以降低辊体壁的厚度2mm左右。

对此，易于想到的是在上述斜孔中插入含有热媒介质的不锈钢热管，即插管技术，但插管技术总是要先在辊体上周向上打几十个深孔，加工难度大生产效率低；而且在热辊辊体上插管都是单独进行，各个热管之间都不能联通，一是影响传热效果，二是影响热辊的动平衡调试。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种热管组件、包括热管组件的组合热管式热辊及其加工方法，提高传热效率、辊体的温度均匀性，降低加工难度和成本，以及热媒在热辊中的动态平衡，使热管中的热媒蒸汽更好的扩散和分布。

本发明采用的技术方案是：

一种热管组件，其中：所述热管组件包括组合热管和连通组合热管的热环，所述组合热管包括多个轴向排布的热管，每个所述热管均为斜管。

优选的是，所述的热管组件，其中：每个所述斜管的斜度相同。

优选的是，所述的热管组件，其中：每个所述斜管的斜度大于0°、小于等于2.5°。

优选的是，所述的热管组件，其中：所述组合热管两端均与热环相互联通；或者，所述组合热管一端与热环相互联通，另一端封闭。

优选的是，所述的热管组件，其中：所述热管的材质为不锈钢。

优选的是，所述的热管组件，其中：所述热管的材质为304不锈钢。

优选的是，所述的热管组件，其中：所述热管的轴向斜度为0°时，组合热管为水平热管。

一种包括热管组件的组合热管式热辊，其中：所述热辊包括辊体，所述辊体内设置热管组件和和套筒，所述辊体上固定连接有连接锥套，所述连接锥套上设置电机轴，所述电机轴通过连接锥套连接辊体，所述电机轴上设置连接座，所述连接座上设置感应发热机构，所述连接座一端连接轴座，所述轴座连接电机，所述电机连接温度变送器。

优选的是，所述热管组件的组合热管式热辊，其中：所述组合热管的热管间距为5～15mm，热管直径为Φ3～16mm；所述辊体的辊壁厚度为8～32mm；所述辊体内壁上设置的套筒与感应发热机构外表面的距离为2～8mm；所述斜管的轴向斜度为0.5°～1.5°；所述套筒的长度比感应发热机构长0～20%，所述套筒长度为辊体总长度的20～45%。

一种组合热管式热辊的加工方法，其中：包括以下步骤：

S1.加工热管组件；

S2.加工辊体模具；

S3.在辊体模具的规定位置固定组合热管；

S4.将铝合金熔体注入辊体模具内铸造，得到粗品；

S5.将步骤S4得到的粗品进行冷却；

S6.将冷却后的粗品进行强化处理，强化处理后，得到内含组合热管（1）的辊体；

S7.将铝合金辊体精密机加工，得到成品；

S8.将步骤S7成品的组合热管抽真空、注入热媒液体并封口；

S9.将步骤S8的铝合金辊体动态平衡检验和校正，得到热管式铝合金热辊辊体；

S10.将热管式铝合金热辊辊体和其它部件组装，得到组合热管式热辊。

优选的是，所述的组合热管式热辊的加工方法，其中：所述步骤S6强化处理具体为：在500～550℃保温8～10h，然后在175℃～180℃时效处理8-16h。

热管的轴向斜度小于0.5°时，感应发热机构设置为热辊全长加热；热管的轴向斜度使热管中的冷凝液体在0.5-2.5°时，感应发热机构设置为热辊全长的20-45%，热辊为高速使用、速度大于2000rpm或线速度大于1800m/min。

本发明的优点在于：

（1）本发明的组合热管式热辊的加工方法，采用铝合金铸造工艺生产，制作好组合热管和热辊辊体模具后，将铝合金熔体注入到模具内，得到内含组合热管的铝合金辊体。采用铸造工艺避免了热管热辊需要打深孔的麻烦，操作简便、成本低，效率高。

（2）本发明的组合热管式热辊具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑，加工方便、工作可靠和维护费用少的优点，提高热辊辊体的温度均匀性，降低了加工难度和成本，以及热媒在热辊中的动态平衡，使热管中的热媒蒸汽更好的扩散和分布，铝合金热辊在空间技术，电子、冶金，动力、石油、化工、机械、纺织、化纤、塑料、各种行业得到了广泛的应用。

附图说明

图1组合热管式热辊的结构示意图。

图2组合热管式热辊的部分结构示意图。

图3 热管组件三维图。

图4热管组件主视图。

图示说明：组合热管1、热环2、辊体11、热管组件12、套筒13、感应发热机构14、连接锥套15、电机轴16、连接座17、电机18、温度变送器19、轴座20。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1-2一种组合热管式热辊，其中：所述热辊包括辊体11，所述辊体11内设置热管组件12和和套筒13，所述辊体11上固定连接有连接锥套15，所述连接锥套15上设置电机轴16，所述电机轴16通过连接锥套15连接辊体11，所述电机轴16上设置连接座17，所述连接座17上设置感应发热机构14，所述连接座17一端连接轴座20，所述轴座20连接电机18，所述电机18连接温度变送器19。

以上结构中除了高速旋转机构、热量提供机构和控制机构外，最重要的部件就是热管组件的结构，它直接影响热辊的生产制造、传热效果和系统的温度均匀性，现有设计的热管，其优点是可以通过热媒蒸汽的快速传热使辊面升温，但加工时都是采用打深孔的方法，其不足也是明显的，就是众多热管孔加工困难、加工成本高，并且也使热辊的壁厚增加，但总体而言，热管热辊的均温效果还是明显的，能够满足化纤纺丝的生产工艺要求。

斜管技术有效解决了局部高效加热的问题，这是一个重大的技术进步，但无论打孔还是插管，都需要打深孔，打深孔技术借助电子分度头已经可以比较容易地实现，但工作效率低，特别对于高速热辊中多热管产品（多达50个热管以上）中，生产成本因这个因素而变得很大，产品单价高、大大提高了使用成本。

采用组合式不锈钢热管，一是可以有效控制热管内壁表面粗糙度，使在相同的转速下可减小斜孔的斜度，减少热辊的壁厚，因为不锈钢内壁的表面易于进行；二是组合热管的一端或两端联通，更利于热媒蒸汽的均匀扩散；三是加工便利性，可使得辊体斜孔和含有热媒的热管分开制造，各自保证质量的前提下，最后组装成产品。

本发明利用组合热管技术、铝合金铸造技术，将这两种技术结合起来，进一步利用不锈钢和铝合金不同熔点在固化成型制备产品上的差异，在辊体模具中将高熔点的组合热管放置在规定位置上，采用铝合金铸造的方法，一步获得了内含组合热管的组合热管式热辊，从而完成了本发明。

对于不锈钢也有许多不同的型号，它们的熔点相差较大，例如201不锈钢的熔点只有650℃，与铝合金的熔点差异不大，故不适合本发明；314不锈钢的熔点为920℃，相对铝合金600℃的熔点，特别是浇铸铝合金熔体的温度一般在700℃左右，对它也有不利的影响，304不锈钢是一个好的选择，它的熔点达到1400℃，加工好的304不锈钢组合热管，在铝合金铸造时对不锈钢的性能影响小，可以用于本发明产品和工艺过程的实现，是一个可以实用化的选择。

化纤用牵伸热辊，对于民用丝生产，牵伸温度达到180℃左右，对于工业丝的生产牵伸温度更高，达到200℃以上，因此使用铝合金热辊主要要考虑的因素就是耐热稳定性和热变形性，随着技术的发展，新的配方、新的加工技术使铝合金耐温性能和高温蠕变得到很大改善，为实现化纤牵伸用铝合金热辊技术应用提供了可能。

铝合金具有密度小、传热系数高的特点，有良好的牵伸热辊用材特征，但是它磁性弱，难以通过高频电磁感应加热的方式快速加热，又铝合金热稳定性差，特别是在200℃长期使用会造成强度下降和蠕变，铝合金材料的选择和工艺加工条件对本发明的完成至关重要。

实施例2

如图3-4所示，一种热管组件包括组合热管1和连通组合热管1的热环2，所述组合热管1包括多个轴向排布的热管，每个所述热管均为斜管，每个所述斜管的斜度斜度大于0°、小于等于2.5°，组合热管1一端与热环2相互联通，另一端封闭。

以本发明斜管组合热管的布局方式，可以根据热媒的量控制加热线圈的长度为辊体长度的35%作为加热段，加热线圈长度只需要原加热线圈的1/3左右，感应电磁加热系统集中加热液态介质，迅速使电磁涡流产生的热量转化为汽化潜热，最大效率地发挥了热管效应。

不锈钢热管的内表面经过电化学钝化处理和光洁处理，冷凝热媒液体回流的阻力更小，其斜孔的斜度可以缩小到0.5-0.7°，可以降低对辊壁厚度的要求。

由于组合式热管由热环进行联通，传热效果更好，按上述要求装配好的热辊以1000rpm转速旋转，设定温度为120℃，从室温开始只需4分钟时间就达到设定温度，平衡4分钟后测辊面温度，四点位量温度差±0.6℃(实际测量误差)，辊面温度均匀是热管式传热最基本的汽液平衡热辊的特征，将上述热辊继续升温至180℃，并提高转至5000rpm，本发明更显示出热管效应中均温和热负荷较大状况下的补偿温度功能，实测辊面温度偏差小于1.0℃。

一种组合热管式热辊的加工方法，其中：包括以下步骤：

S1.加工热管组件12；

S2.加工辊体11模具；

S3.在辊体11模具的规定位置固定组合热管12；

S4.将铝合金熔体注入辊体模具11内铸造，得到粗品；

S5.将步骤S4得到的粗品进行冷却；

S6.将冷却后的粗品进行强化处理，强化处理后，得到内含组合热管（1）的辊体11；

S7.将铝合金辊体精密机加工，得到成品；

S8.将步骤S7成品的组合热管1抽真空、注入热媒液体并封口；

S9.将步骤S8的铝合金辊体动态平衡检验和校正，得到热管式铝合金热辊辊体；

S10.组装：将热管式铝合金热辊辊体和其它部件组装，得到组合热管式热辊。

本实例中采用304不锈钢作为组合热管的材料，它与铝合金的熔点差异达到近800℃，可以有效避免铝合金在铸造成型过程的性能下降，并且随着铝合金成型过程，相当于经历了一次缓慢的热处理，可有效消除不锈钢组合热管的加工应力。

铝合金熔体采用铸造用铝硅系铝合金ZL108，化学成分:硅Si:11.0-13.0铜Cu:1.0-2.0锰Mn:0.3-0.9镁Mg:0.4-1.0铝Al:余量铁(金属型铸造):0.000~0.700锌Zn:≤0.2(杂质)钛Ti:≤0.20(杂质)镍Ni:≤0.3(杂质)锡Sn:≤0.01(杂质)铅Pb:≤0.05(杂质)，该材料制造的铸件，力学性能和切削性良好，强度高，耐压性好，热脆性小，适合本发明对热辊材料的要求。

本实施中铸造过程工艺流程为：配料→熔炼→精炼→变质→半连续铸造。

强化处理条件为：经过500℃、保温8h固溶处理后，并经180℃进行时效处理16小时，得到的内含组合热管的铝合金辊体，220℃保温96小时，拉伸强度为127mpa，伸长22%，达到化纤牵伸用热辊的要求。

在本实施例中，辊体11采用的材质的导热系数对辊面温度均匀分布起重要作用。铝合金的导热系数是钢质材料的4-5倍左右，有很好的传热性能，而铝合金的比重又是钢质材料的约三分之一，因此，对于高速牵伸热辊而言是最合适的材料。但铝合金没有导磁性，在感应磁场作用下不能产生大量的热，在铝合金辊体4加热段设置一个与之紧密联接的铁素体不锈钢套筒13作为感应电流作用下的发热源，进而利用铝合金的高传热性能，将热量传递给热管中的热媒介质并气化。

实施例3

如图3-4所示，一种热管组件包括组合热管1和连通组合热管1的热环2，所述组合热管1包括多个轴向排布的热管，每个所述热管均为斜管，每个所述斜管的斜度斜度大于0°、小于等于2.5°，组合热管1两端均与热环2相互联通；热环2包括2-1和和2-2。

以本发明斜管组合热管的布局方式，可以根据热媒的量控制加热线圈长度为辊体长度的40%作为加热段，加热线圈长度只需要原工频线圈的1/3左右，感应电磁加热于铝合金辊体内表面的铁素体钢套，并传热于铝合金辊体以及组合热管中的热媒液体，产生的蒸汽迅速传递至电机远端的辊体，同时冷凝的热媒液体在离心力作用下沿斜管迅速回流到电机近端的加热段。

本实施中，不锈钢热管的内表面经过电化学钝化处理和光洁处理，冷凝热媒液体回流的阻力更小，为达到热媒液体回流的热管斜度可以缩小到0.5-0.7°，从而可以降低对辊壁厚度的要求。

本实施例中，组合热管两端均与热环2相互联通，传热效果更好，按上述要求装配好的热辊以1000rpm转速旋转，设定温度为120℃，从室温开始只需4分钟时间就达到设定温度，平衡4分钟后测辊面温度，四点位量温度差±0.6℃(实际测量误差)，辊面温度均匀是热管式传热最基本的汽液平衡热辊的特征，将上述热辊继续升温至180℃，并提高转至5000rpm，本发明更显示出热管效应中均温和热负荷较大状况下的补偿温度功能，实测辊面温度偏差小于1.0℃。

一种组合热管式热辊的加工方法，其中：包括以下步骤：

S1.加工热管组件12；

S2.加工辊体11模具；

S3.在辊体11模具的规定位置固定组合热管12；

S4.将铝合金熔体注入辊体模具11内铸造，得到粗品；

S5.将步骤S4得到的粗品进行冷却；

S6.将冷却后的粗品进行强化处理，强化处理后，得到内含组合热管（1）的辊体11；

S7.将铝合金辊体精密机加工，得到成品；

S8.将步骤S7成品的组合热管1抽真空、注入热媒液体并封口；

S9.将步骤S8的铝合金辊体动态平衡检验和校正，得到热管式铝合金热辊辊体；

S10.组装：将热管式铝合金热辊辊体和其它部件组装，得到组合热管式热辊。

本实例中组合热管的材料为304不锈钢，它与铝合金的熔点差异达到近800℃，即使在使铝合金熔体保证良好流动性的750-800℃的铸造工艺条件下，也可以有效避免不锈钢热管的性能下降，并且随着铝合金成型过程，相当于经历了一次缓慢的热处理，可有效消除不锈钢组合热管的加工应力，使不锈钢热管与铝合金之间有更好的物理性能一致性。

本实施例中采用铸造用铝硅系铝合金A390铝锭作为铝合金熔体原料，其化学成分为Si：16.0-18.0，Fe:1.3，Cu:4.0-5.0，Mn:0.10，Mg:0.45-0.65,Zn:0.10Ti:0.2其它杂质总和:0.20。

本实施例选用的A390铝合金属于过共晶铝硅合金，具有良好的力学性能、耐磨性、耐蚀性、低的线膨胀系数以及好的铸造成型性，适合本发明对热辊材料的要求。

A390铝合金属于过共晶铝硅合金，成型过程中及后处理工艺条件对晶粒形成都有很大的影响；本实施中，通过对合金的进行 T6 固溶处理发现，在 500℃固溶 8 小时，材料晶间富 Cu的二次相会很好的固溶基体中，温度过高会产生过烧，可以通过三种强化机制(细晶强化、固溶强化、沉淀强化)相互协调，达到最高的强化效果。

变质处理也是使晶粒细小和均匀分散起到强化目的的常用方法，本实施中在配合使用后效热处理工艺时，适当添加变质剂，例如锶（Sr），可以在二次加热过程中控制共晶硅长大的作用，这些方法的目的就在于增强A390铝合金的强度和耐热性能，保证牵伸热辊长期稳定运行。

本实施例对过共晶A390铝合金坯料采用A1-P中间合金变质制备，工艺流程为：配料→熔炼→精炼→变质→半连续铸造，强化处理条件为500℃、保温8h固溶处理后，经175℃进行时效处理8-16小时，本实施例得到的内含组合热管的铝合金辊体，220℃ 保温192小时，拉伸强度为168mpa，伸长16%，也达到化纤牵伸用热辊的要求。

在本实施例中，辊体11材质的导热系数、以及热管组件中热媒蒸汽的作用，对辊面温度均匀分布起重要作用，铝合金的导热系数是钢质材料的3-5倍左右，有很好的传热性能，而铝合金的比重又是钢质材料的约三分之一，因此，对于高速牵伸热辊而言是最合适的材料，但铝合金没有导磁性，在感应磁场作用下不能产生大量的热，铝合金辊体11加热段设置一个与之紧密联接的铁素体不锈钢套筒13作为感应电流作用下的发热源，进而利用铝合金的高传热性能，将热量传递给热管中的热媒介质并气化。

铝合金A390合金，其热膨胀系数与钢质材料差异不大，通过焊接或其它方式可将发热钢套组件与铝合金辊体之间紧密联接，不会因热膨胀差异大在使用过程中出现裂纹的风险。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种热管组件，其特征在于：所述热管组件包括组合热管（1）和连通组合热管（1）的热环（2），所述组合热管（1）包括多个轴向排布的热管，每个所述热管均为斜管。

2.根据权利要求1所述的热管组件，其特征在于：每个所述斜管的斜度相同。

3.如权利要求1所述的热管组件，其特征在于：每个所述斜管的斜度大于0°、小于等于2.5°。

4.根据权利要求1所述的热管组件，其特征在于：所述组合热管（1）两端均与热环（2）相互联通；

或者，所述组合热管（1）一端与热环（2）相互联通，另一端封闭。

5.根据权利要求1所述的热管组件，其特征在于：所述热管的材质为不锈钢。

6.如权利要求4所述的热管组件，其特征在于：所述热管的材质为304不锈钢。

7.一种包括权利要求1-6任一项所述热管组件的组合热管式热辊，其特征在于：所述热辊包括辊体（11），所述辊体（11）内设置热管组件（12）和和套筒（13），所述辊体（11）上固定连接有连接锥套（15），所述连接锥套（15）上设置电机轴（16），所述电机轴（16）通过连接锥套（15）连接辊体（11），所述电机轴（16）上设置连接座（17），所述连接座（17）上设置感应发热机构（14），所述连接座（17）一端连接轴座（20），所述轴座（20）连接电机（18），所述电机（18）连接温度变送器（19）。

8.根据权利要求7所述热管组件的组合热管式热辊，其特征在于：所述组合热管（1）的热管间距为5～15mm，热管直径为Φ3～16mm；所述辊体（11）的辊壁厚度为8～32mm；所述辊体（11）内壁上设置的套筒（13）与感应发热机构（14）外表面的距离为2～8mm；所述斜管的轴向斜度为0.5°-1.5°；所述套筒（13）的长度比感应发热机构（14）长0～20%，所述套筒（13）长度为辊体（11）总长度的20～45%。

9.一种组合热管式热辊的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.加工热管组件（12）；

S2.加工辊体（11）模具；

S3.在辊体（11）模具的规定位置固定组合热管（12）；

S4.将铝合金熔体注入辊体模具（11）内铸造，得到粗品；

S5.将步骤S4得到的粗品进行冷却；

S6.将冷却后的粗品进行强化处理，强化处理后，得到内含组合热管（1）的辊体（11）；

S7.将铝合金辊体精密机加工，得到成品；

S8.将步骤S7成品的组合热管（1）抽真空、注入热媒液体并封口；

S9.将步骤S8的铝合金辊体动态平衡检验和校正，得到热管式铝合金热辊辊体；

S10.将热管式铝合金热辊辊体和其它部件组装，得到组合热管式热辊。

10.根据权利要求9所述的组合热管式热辊的加工方法，其特征在于：所述步骤S6强化处理具体为：在500～550℃保温8～10h，然后在175℃～180℃时效处理8-16h。

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