ES2646540T3 - Tratamiento térmico por inducción eléctrica de un extremo de material tubular - Google Patents

Tratamiento térmico por inducción eléctrica de un extremo de material tubular Download PDF

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ES2646540T3 ES07759479.4T ES07759479T ES2646540T3 ES 2646540 T3 ES2646540 T3 ES 2646540T3 ES 07759479 T ES07759479 T ES 07759479T ES 2646540 T3 ES2646540 T3 ES 2646540T3
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Don L. Loveless
Peter A. Ross
Valery I. Rudnev
John Paul Lang
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Abstract

Método de tratamiento térmico por inducción eléctrica de una región extrema de un material tubular (95), comprendiendo el método la etapa de introducir la región extrema del material tubular en una bobina (30) de inducción a una distancia de voladizo de un extremo de la bobina de inducción y aplicar energía de corriente alterna en la bobina de inducción, y caracterizado por: disponer un concentrador (10, 11, 20, 21) de flujo en la proximidad de la región extrema del material tubular en la bobina de inducción de modo que una barra central (10c) del concentrador de flujo se extiende generalmente desde la región central de una superficie de una base (10a) del concentrador de flujo al menos parcialmente en la distancia de voladizo, y una pluralidad de barras periféricas (10b), distribuidas radialmente alrededor del perímetro de la base, se extienden generalmente alrededor del exterior del extremo de la bobina de inducción una distancia de barra igual a al menos una parte de la distancia de voladizo.

Description

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DESCRIPCION
Tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de material tubular Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un tratamiento termico por induccion electrica de las regiones extremas de un material tubular.
Antecedentes de la invencion
Es posible usar calentamiento por induccion electrica para tratar termicamente materiales tubulares, tales como tubos y tuberias metalicos. De forma ffpica, el material tubular se mantiene en su posicion en el interior de una bobina de induccion de solenoide, tal como se muestra en la FIG. 1. Un tubo 90 se dispone en el interior de la bobina 30 de solenoide. Cuando se aplica una energfa de corriente alterna adecuada en la bobina el tubo se calienta por induccion mediante conexion magnetica al campo de flujo longitudinal establecido por el flujo de corriente alterna a traves de la bobina. El tratamiento termico puede ser, por ejemplo, recocido, normalizado, relajamiento de tensiones, recubrimiento, secado, endurecimiento o templado del extremo del material tubular. En otras aplicaciones, es posible usar calentamiento por induccion de extremos de productos tubulares para calentar extremos antes de realizar operaciones de conformacion de metal. Algunas aplicaciones pueden requerir un calentamiento espedfico de una longitud espedfica de una parte extrema del material tubular.
Tal como se muestra en la FIG. 1, cuando se desea obtener un tratamiento termico uniforme en un extremo, el material tubular se dispone en la bobina, de modo que la bobina “se extiende en voladizo” en el extremo del material. De forma general, los ejes longitudinales X de la bobina y del material tubular son coincidentes y la bobina de solenoide esta conformada para coincidir con la forma del material tubular. La distancia xoh de voladizo controla la forma del campo de flujo establecido en un extremo axial de la bobina mas alla del extremo del material tubular, de modo que la intensidad del campo de flujo se establece en el interior del extremo del material para calentarlo de manera uniforme hasta la longitud necesaria. La distancia de voladizo adecuada se ve afectada por varios parametros, incluyendo el diametro exterior del material tubular, el espesor del material, las propiedades ffsicas y metalurgicas y la frecuencia de la energfa de corriente alterna aplicada en la bobina. Por lo tanto, son necesarias bobinas diferentes para materiales tubulares con tamanos diferentes o para el tratamiento termico del mismo material tubular en diferentes longitudes del extremo. Pueden observarse, por ejemplo, la FIG. 2(a), la FIG. 2(b) y la FIG. 2(c), en las que se usan las mismas bobina 30 de induccion y distancia xoh de voladizo para calentar por induccion un extremo de: (1) un material tubular 90a que tiene un diametro exterior (OD) igual a OD1 y un espesor ti; (2) un material tubular 90b que tiene un diametro exterior OD2 que es mas pequeno que OD1 y un espesor ti; y (3) un material tubular 90c que tiene un diametro exterior OD2 y un espesor t2, que es mas grande que ti, respectivamente. Tal como se muestra en el grafico de la FIG. 2(d), para el material tubular 90a de la FIG. 2(a), la longitud calentada 92 del extremo necesaria, la zona 94 de transicion termica y la zona fria 96 varian todas ellas. El termino “longitud calentada del extremo necesaria” se refiere de forma ffpica a una distribucion de temperatura uniforme en la longitud calentada del extremo necesaria. Debido a que el calor no puede ser inducido en una longitud del extremo del material con una transicion brusca a una zona extrema de “no calor” (o fria), hay una longitud del extremo con una zona 94 de transicion termica en la que el calor disminuye gradualmente hacia la zona fria 96 debido a un efecto de “absorcion” en el que el calor inducido en la longitud calentada del extremo necesaria es conducido de la longitud calentada 92 del extremo necesaria hacia la zona fria 96. El control de la longitud calentada del extremo necesaria y la longitud de la zona de transicion termica es importante en algunos procesos de tratamiento termico. En los materiales tubulares 90b y 90c de la FIG. 2(b) y la FIG. 2(c), respectivamente, debido al efecto extremo electromagnetico que se produce en el extremo de la bobina, los materiales no se calientan suficientemente a lo largo de toda la longitud de la longitud calentada 92' y 92'' del extremo necesaria, respectivamente. En el extremo del tubo hay una zona 91 poco calentada. Cuando es necesario calentar un material tubular con un OD mas pequeno usando una bobina disenada para un OD mas grande, el extremo del tubo se calentara poco (zona 91) debido a la reduccion de las fuentes de calor provocada por el efecto extremo electromagnetico. Si el material tubular tiene la misma forma, aunque fabricado a partir de un material que tiene unas propiedades ffsicas o metalurgicas diferentes, por ejemplo, un metal que tiene una resistividad electrica mas grande, entonces el extremo del tubo tambien se calentara poco debido a la reduccion de las fuentes de calor provocadas por el efecto extremo electromagnetico.
De forma alternativa, una unica bobina con multiples tomas ('taps' en ingles) de conexiones de energfa de corriente alterna a lo largo de la longitud de la bobina permitiria cierta flexibilidad adicional para realizar un calentamiento del extremo tubular uniforme de materiales tubulares con distintas dimensiones o composicion metalurgica. Mediante el uso de tomas adecuadas para una conexion de energfa de corriente alterna, es posible cambiar la longitud con energfa de la bobina para ajustar la distancia de voladizo. Desafortunadamente, existe una limitacion en el uso de la distancia de voladizo de la bobina para obtener un calentamiento del extremo uniforme. Esta limitacion resulta especialmente sensible al calentar metales magneticos por debajo de la temperatura de Curie. Despues de alcanzar ciertos valores, un mayor aumento en la distancia de voladizo de la bobina no compensara la ausencia de fuentes de calor provocada por el efecto extremo electromagnetico. Ademas, grandes distancias de voladizo dan como resultado una reduccion en la eficacia de la bobina y del factor de potencia de la bobina. Ambos factores afectan
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negativamente la eficacia y la flexibilidad de costes de un sistema de induccion debido a las perdidas de energfa mas altas y a la necesidad de usar medios especiales para la correccion del factor de potencia de la bobina.
Un objetivo de la presente invencion consiste en mejorar la uniformidad del calentamiento de la temperatura del extremo de diversos tipos de materiales tubulares en un proceso de tratamiento termico por induccion electrica en el que al menos una region extrema del material tubular se introduce en una bobina de induccion de solenoide. Otro objetivo de la presente invencion consiste en mejorar la flexibilidad del sistema de calentamiento por induccion para permitir el calentamiento necesario (por ejemplo, uniforme) de productos tubulares con geometnas y materiales diferentes usando el mismo calentador por induccion.
GB 487385 A y DE 906959 C describen hornos de induccion electrica que estan conformados integralmente a partir de una carcasa de control de flujo de hierro y una bobina en el interior de la carcasa y soportada por la carcasa. Ademas, US 6 844 533 describe un aparato de calentamiento por induccion dispuesto sobre un precinto en el interior de una lamina de aluminio que se apoya en un tapon de botella para el calentamiento inductivo del aluminio.
Breve resumen de la invencion
La presente invencion da a conocer un metodo de tratamiento termico por induccion electrica de una region extrema de un material tubular, comprendiendo el metodo la etapa de introducir la region extrema del material tubular en una bobina de induccion a una distancia de voladizo de un extremo de la bobina de induccion y aplicar energfa de corriente alterna en la bobina de induccion, y caracterizado por:
disponer un concentrador de flujo en la proximidad de la region extrema del material tubular en la bobina de induccion de modo que una barra central del concentrador de flujo se extiende generalmente desde la region central de una superficie de una base del concentrador de flujo al menos parcialmente en la distancia de voladizo, y una pluralidad de barras perifericas, distribuidas radialmente alrededor del penmetro de la base, se extienden generalmente alrededor del exterior del extremo de la bobina de induccion una distancia de barra igual a al menos una parte de la distancia de voladizo.
En algunos ejemplos de la invencion, la al menos una barra central puede moverse con respecto a la base y la pluralidad de barras perifericas en la direccion del eje longitudinal del concentrador de flujo. En otros ejemplos de la invencion, el concentrador de flujo puede incluir una pata dispuesta de forma adyacente con respecto al extremo extendido de al menos una de la pluralidad de barras perifericas. Opcionalmente, la pata es movil en una direccion generalmente paralela con respecto a la longitud de la al menos una de la pluralidad de barras perifericas. En otros ejemplos de la invencion, la base no se extiende en el interior del extremo de la bobina de induccion; de forma alternativa, un elemento de desplazamiento, dispuesto entre la superficie orientada hacia el tubo de la base y el extremo del material tubular, puede extenderse en el interior de la bobina de induccion; en cualquiera de estas disposiciones alternativas, el extremo del tubo puede disponerse contra la superficie de la base o del elemento de desplazamiento de la base, respectivamente, o puede disponerse separado de la superficie respectiva. En otros ejemplos de la invencion, el concentrador de flujo puede ser un anillo o un diafragma de iris ajustable, que puede alinearse de forma selectiva con el eje longitudinal del exterior del material tubular en la bobina de induccion.
El anterior y otros aspectos de la invencion se describen adicionalmente en esta memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripcion de los dibujos
Tal como se resume brevemente mas adelante, los dibujos adjuntos se incorporan a efectos de comprension de la invencion y no limitan la invencion descrita adicionalmente en esta memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas:
La FIG. 1 muestra en un diagrama en seccion un aparato de la tecnica anterior para un tratamiento termico por induccion electrica de un material tubular.
La FIG. 2(a), la FIG. 2(b) y la FIG. 2(c) muestran en diagramas en seccion un aparato de la tecnica anterior para un tratamiento termico por induccion electrica de materiales tubulares con diferentes dimensiones.
La FIG. 2(d) compara graficamente el calentamiento de extremo inducido de los materiales tubulares mostrados en la FIG. 2(a), en la FIG. 2(b) y en la FIG. 2(c).
La FIG. 3 muestra en un diagrama en seccion un ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 4(a) y la FIG. 4(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 5(a) y la FIG. 5(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
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La FIG. 6(a) y la FIG. 6(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 7(a), la FIG. 7(b) y la FIG. 7(c) muestran en una vista en alzado extrema ejemplos alternativos del concentrador de flujo magnetico mostrado en la FIG. 3 con un numero variable de barras perifericas.
La FIG. 8(a) es una vista en perspectiva del concentrador de flujo magnetico mostrado en la FIG. 7(a).
La FIG. 8(b) es una vista en perspectiva de un concentrador de flujo magnetico con una seccion central conica que se usa para un tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 9(a) y la FIG. 9(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular que es una realizacion que no forma parte de la presente invencion.
La FIG. 10(a), la FIG. 10(b) y la FIG. 10(c) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 11(a) muestra en un diagrama en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 11(b) es una vista en alzado extrema de un ejemplo de un diafragma de iris ajustable que se usa con algunos ejemplos del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 12 es una vista en perspectiva de otro concentrador de flujo magnetico que se usa para un tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 13(a) y la FIG. 13(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 14(a) y la FIG. 14(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 15(a) y la FIG. 15(b) muestran en diagramas en seccion otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion.
La FIG. 16(a), la FIG. 16(b) y la FIG. 16(c) muestran en una vista en alzado extrema ejemplos alternativos del concentrador de flujo magnetico mostrado en la FIG. 12 con un numero variable de barras perifericas.
La FIG. 17(a), la FIG. 17(b) y la FIG. 17(c) muestran otro ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion en el que el concentrador de flujo magnetico tiene elementos ajustables radialmente a lo largo del eje central del material tubular.
La FIG. 18(a), la FIG. 18(b) y la FIG. 18(c) muestran la recolocacion de los elementos ajustables del concentrador de flujo magnetico mostrado en la FIG. 17(a), la FIG. 17(b) y la FIG. 17(c).
La FIG. 19 muestra un ejemplo del tratamiento termico por induccion electrica de un extremo de un material tubular de la presente invencion en el que se usa una bobina de induccion con una relacion de espiras variable.
Descripcion detallada de la invencion
En la FIG. 3 se muestra un ejemplo no limitativo del aparato de tratamiento termico por induccion electrica para calentar el extremo de un material tubular de la presente invencion. En el extremo de un tubo, un concentrador 10 de flujo magnetico comprende una base 10a que tiene una pluralidad de barras perifericas 10b y una barra central 10c que se extienden desde una superficie de la base generalmente en la direccion axial del material tubular 95, que se introduce en la bobina 30 de induccion para realizar un tratamiento termico por induccion cuando se aplica energfa de corriente alterna en la bobina. La barra central esta situada interiormente con respecto al diametro interior del material tubular. Las barras perifericas estan situadas alrededor de las regiones perifericas de la base y son externas con respecto a la superficie exterior del material tubular y la bobina de induccion, tal como se muestra en la FIG. 3. El concentrador 10 puede moverse en la direccion +X o -X para adaptarse a materiales tubulares con dimensiones diferentes o para afectar a las longitudes de extremo del tratamiento termico. El cambio de la posicion del concentrador 10 con respecto a la posicion fija de la bobina 30 y del material tubular 95 resulta en un calentamiento del extremo controlado de materiales tubulares con tamanos, longitudes o propiedades metalurgicas diferentes dentro de la misma bobina.
Por ejemplo, la FIG. 4(a) y la FIG. 4(b) muestran el uso del mismo concentrador 10 de flujo magnetico para calentar dos materiales tubulares con diametros interiores y espesores de pared diferentes, es decir, el material tubular 95a de la FIG. 4(a), que tiene un diametro interior mas pequeno y un espesor mas grande que el elemento tubular 95b
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de la FIG. 4(b). En la FIG. 4(a), el extremo de la barra central 10c del concentrador 10 esta situado a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95a una distancia x1 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria; mientras que en la FIG. 4(b) la barra central 10c del concentrador 10 esta situada a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95b una distancia X2 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria. Dependiendo de los requisitos espedficos de una aplicacion, la distancia X2 podna ser negativa (posicion X del extremo del material tubular, estableciendo x=0 tal como se indica en la FIG. 4(b)); es decir, el extremo 10cend de la barra central 10c puede estar situado a cierta distancia fuera del tubo en la region de voladizo de la bobina.
La FIG. 5(a) y la FIG. 5(b) muestran otro ejemplo no limitativo de la presente invencion. En estos ejemplos de la invencion, el concentrador 11 comprende un elemento 11a de base, una pluralidad de barras perifericas 11b y una barra central 11c. De forma adicional, la base y las barras perifericas tienen una posicion fija, ademas de la bobina 30 de solenoide y el material tubular 95c o 95d. La base y las barras perifericas rodean al menos una parte de la longitud longitudinal de la bobina 30. Opcionalmente, un elemento 11d de pata puede estar dispuesto en una o mas de las barras perifericas. En este ejemplo, el elemento 11d de pata esta situado en el extremo extendido de cada barra periferica y esta orientado hacia el exterior del material tubular. La barra central 11c puede moverse en las direcciones +X y -X, a lo largo del eje X. Tal como se muestra en la FIG. 5(a), el extremo de la barra central 11c esta situado a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95c una distancia x3 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria; mientras que en la FIG. 5(b) la barra central 11c del concentrador 11 esta situada a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95d una distancia x4 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria. Dependiendo de los requisitos espedficos de una aplicacion, la distancia x4 podna ser negativa; es decir, el extremo 11cend de la barra central 11c puede estar situado a cierta distancia fuera del tubo en la region de voladizo de la bobina.
La FIG. 6(a) y la FIG. 6(b) muestran otro ejemplo no limitativo de la presente invencion. Estos ejemplos son similares a los de la FIG. 5(a) y la FIG. 5(b), excepto por el hecho de que el elemento 11d de pata puede moverse en una direccion generalmente paralela con respecto a la longitud del elemento de barra periferica adyacente. Este ejemplo de la presente invencion resulta especialmente util para controlar la longitud 94 de transicion termica. Tal como se muestra en la FIG. 6(a), el elemento 11d de pata esta situado a lo largo del elemento de barra periferica a una distancia x'5 del extremo extendido del elemento de barra periferica para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria; mientras que en la FIG. 6(b) el elemento 11d de pata esta situado en x'0, que se define como el extremo del elemento de barra periferica. En otros ejemplos de la invencion, es posible usar una combinacion de movimiento del elemento 11d de pata y de la barra central 11c que se han descrito anteriormente.
En otros ejemplos no limitativos de la invencion, cualquiera de los concentradores de flujo puede ser un concentrador en forma de “E” que comprende un par de barras perifericas, tal como se muestra en la FIG. 7(a) y en la FIG. 8(a) o en la FIG. 8(b). En otros ejemplos de la invencion, el numero de barras perifericas puede aumentar, por ejemplo, a cuatro o seis, tal como se muestra en la FIG. 7(b) y en la FIG. 7(c), respectivamente, o cualquier otro numero de barras. Aunque las barras perifericas se muestran como elementos rectangulares curvados en la FIG. 8(a) y en la FIG. 8(b), las mismas pueden tener formas diferentes, siempre que establezcan un campo magnetico alrededor del extremo del material tubular en el interior de la bobina de induccion. Como limitacion, el numero de barras puede aumentar hasta un estado en el que las barras perifericas generan una estructura de barra periferica cilmdrica alrededor del elemento de base del concentrador. Aunque los elementos de base de los anteriores concentradores de flujo se muestran como discos circulares en la FIG. 7(a) a la FIG. 7(c), en la FIG. 8(a) y en la FIG. 8(b), los mismos pueden tener otras formas dependiendo del material tubular espedfico a tratar termicamente por induccion. Aunque la barra central se muestra como un unico elemento cilmdrico en algunos de los ejemplos anteriores de la invencion, la barra central puede tener formas diferentes, por ejemplo, conica, tal como se muestra en la FIG. 8(b), y puede consistir en multiples elementos de barra central que establecen un campo magnetico compuesto alrededor del extremo del material tubular.
La FIG. 9(a) y la FIG. 9(b) muestran realizaciones que no forman parte de la presente invencion, especialmente indicadas para usar con un material tubular de baja resistividad (por ejemplo, composiciones de cobre, laton o aluminio). En el ejemplo de la FIG. 9(a) no se usa un elemento de barra central. El concentrador 13 comprende un elemento 13a de base y una pluralidad de barras perifericas 13b, teniendo cada una de las mismas un elemento 13d de pata opcional situado de forma adyacente a su extremo extendido. El elemento 13a de base es un anillo en este ejemplo no limitativo de la invencion. De forma alternativa, el elemento 13a de base puede ser un diafragma de iris ajustable con una abertura u orificio ajustable, tal como se muestra en la FIG. 11(b). La base, las barras perifericas y las patas tienen una posicion fija, ademas de la bobina 30 de solenoide y el material tubular 95g. La base, las barras perifericas y las patas rodean al menos una parte de la longitud longitudinal de la bobina 30. El extremo del material tubular 95g esta alineado con respecto a la superficie enfrentada del elemento 13a de base y, en consecuencia, no existe ninguna distancia de voladizo. Aunque la FIG. 9(a) y la FIG. 9(b) muestran el extremo del material tubular 95g y 95h, respectivamente, alineado con el elemento de base 13a y 13a' del concentrador de flujo, respectivamente, en otros ejemplos de la invencion, el extremo del tubo puede estar desplazado con respecto a la superficie de la base y el diametro d1 del orificio anular puede ser mas pequeno que el diametro interior del material tubular en el interior de la bobina de induccion. La disposicion mostrada en la FIG. 9(b) es similar a la disposicion de la FIG. 9(a) excepto por el hecho de que el elemento 13a' de base del concentrador 13' es un disco cilmdrico solido.
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La FIG. 10(a), la FIG. 10(b) y la FIG. 10(c) muestran ejemplos de la presente invencion que resultan especialmente indicados para usar con un material tubular de alta resistividad (por ejemplo, grafito o composiciones ceramicas conductoras electricas). En el ejemplo de la FIG. 10(a) no se usa un elemento de barra central. El concentrador 14 comprende un elemento 14a de base y una pluralidad de barras perifericas 14b, teniendo cada una de las mismas un elemento 14d de pata opcional situado de forma adyacente a su extremo extendido. El elemento 14a de base es un anillo en este ejemplo no limitativo de la invencion y tiene un elemento 14e de desplazamiento anular que se extiende alrededor de su abertura en el lado orientado hacia el tubo del elemento de base para extender el elemento de base en el interior de la region de voladizo. Durante el proceso de calentamiento, todos los elementos del concentrador 14 tienen una posicion fija, ademas de la bobina 30 de solenoide y el material tubular 95j. El extremo del material tubular 95j esta alineado con respecto a la superficie enfrentada del elemento 14e de desplazamiento anular. La disposicion mostrada en la FIG. 10(b) es similar a la disposicion de la FIG. 10(a) excepto por el hecho de que el elemento 14a' de base del concentrador 14' es un disco cilmdrico solido. La disposicion mostrada en la FIG. 10(c) es similar a la disposicion mostrada en la FIG. 10(b) excepto por el hecho de que el elemento 14e'' de desplazamiento del concentrador 14'' es un disco cilmdrico solido.
La FIG. 11(a) y la FIG. 11(b) muestran ejemplos de la presente invencion especialmente indicados para usar con un material tubular de baja resistividad. En estos ejemplos, en el extremo de un tubo, el concentrador de flujo comprende un anillo fijo 15, tal como se muestra en la FIG. 11(a), o un diafragma 15' de iris ajustable, tal como se muestra en la FIG. 11(b), que funciona efectivamente como un anillo con una abertura variable para su adaptacion a un calentamiento por induccion de materiales tubulares con propiedades y caractensticas ffsicas diferentes. La FIG. 11(b) muestra un ejemplo tfpico, aunque no limitativo, de un diafragma de iris ajustable en el que unas palas 15'a estan unidas de forma giratoria a una estructura 15'b de montaje, de modo que el giro de las palas resulta en un aumento o en una disminucion del tamano de una abertura 15'c. Los ejes centrales del anillo 15 y del diafragma 15' pueden estar alineados con el eje central de la bobina de induccion o del tubo dentro de la bobina de induccion. Tal como se muestra en la FIG. 11(a), es posible usar una distancia de voladizo cuando se usa el anillo o diafragma, o el extremo del tubo puede estar en contacto con la superficie del anillo o diafragma. El radio fijo del anillo 15 o el radio variable del diafragma 15' puede oscilar de un tamano mas pequeno que el diametro interior del material tubular a la dimension interior (p. ej., diametro) de la bobina de induccion.
Cuando se usa un elemento de barra central en otros ejemplos de la invencion, el elemento de barra central puede comprender una pluralidad de estructuras que forman colectivamente un elemento de barra central para establecer una trayectoria de flujo espedfica alrededor del eje central del material tubular. Por ejemplo, en la FIG. 12, el concentrador 20 de flujo magnetico comprende una base 20a, unas barras perifericas 20b y una barra central 20c, comprendiendo la barra central 20c cuatro elementos 20c' de cuna dispuestos simetricamente alrededor de un eje central. Cada elemento 20c' de cuna tiene un elemento 20a' de pata de base que se extiende de forma sustancialmente perpendicular desde un extremo (al que se hace referencia como el extremo convergente) del elemento de cuna para formar colectivamente la base 20a. La barra periferica 20b se extiende desde el extremo opuesto (al que se hace referencia como el extremo divergente) de cada elemento de cuna, tal como se muestra en la FIG. 12 y en la FIG. 16(a). En otros ejemplos de la invencion, el numero de barras perifericas puede aumentar, por ejemplo, a cuatro o seis, tal como se muestra en la FIG. 16(b) y en la FIG. 16(c), respectivamente, o cualquier otro numero de barras.
La FIG. 13(a) y la FIG. 13(b) muestran ejemplos de un concentrador 20 en el que se usan dos barras perifericas 20b. La disposicion y la configuracion son similares a las de la FIG. 4(a) y la FIG. 4(b), respectivamente, excepto por el hecho de que en la FIG. 4(a) y en la FIG. 4(b) se usan una base cilmdrica 10a y una barra central 10c. En la FIG. 13(a) el extremo de la barra central 20c (que comprende dos elementos 20c' de cuna) esta situado alrededor del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95p una distancia x1 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria; mientras que en la FIG. 13(b) la barra central 20c del concentrador 20 esta situada a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95q una distancia x2 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria. Dependiendo de los requisitos espedficos de una aplicacion, la distancia x2 podna ser negativa; es decir, el extremo 20cend de la barra central 20c puede estar situado a cierta distancia fuera del tubo en la region de voladizo de la bobina.
La FIG. 14(a) y la FIG. 14(b) muestran ejemplos de un concentrador 21 en el que las barras perifericas 21b y los elementos 21d de pata opcionales son fijos, mientras que el elemento 21a de base (que comprende dos elementos 21a' de pata de base) y la barra central 21c (que comprende dos elementos 21c' de cuna) pueden moverse en las direcciones +X y -X. La disposicion y la configuracion son similares a las de la FIG. 5(a) y la FIG. 5(b), respectivamente, excepto por el hecho de que en la FIG. 5(a) y en la FIG. 5(b) se usan una base cilmdrica 11a y una barra central 11c, y solamente la barra central es movil. Tal como se muestra en la FIG. 14(a), el extremo de la barra central 21c esta situado a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95r una distancia x3 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria; mientras que en la FIG. 14(b) la barra central 21c del concentrador 21 esta situada a lo largo del eje X en la abertura interior del elemento tubular 95s una distancia x4 para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria.
La FIG. 15(a) y la FIG. 15(b) muestran ejemplos de un concentrador 25 en el que las barras perifericas 25b son fijas, mientras que los elementos 25d de pata son moviles en una direccion generalmente paralela con respecto a la longitud de su barra periferica adyacente. La disposicion y la configuracion son similares a lo mostrado en la FIG.
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6(a) y en la FIG. 6(b), respectivamente, excepto por el hecho de que en la FIG. 6(a) y en la FIG. 6(b) se usan una base 11a y una barra central 11c. Tal como se muestra en la FIG. 15(a), el elemento 25d de pata esta situado a lo largo del elemento 25b de barra periferica a una distancia x'5 del extremo extendido del elemento de barra periferica para obtener la longitud calentada 92 del extremo necesaria; mientras que en la FIG. 15(b) el elemento 25d de pata esta situado en x'o, que se define como la posicion del extremo extendido del elemento de barra periferica. En otros ejemplos de la invencion, es posible usar una combinacion de movimiento de los elementos 25d de pata y del elemento 25a de base (que comprende dos elementos 25a' de base) y de la barra central 25c (que comprende dos elementos 25c' de cuna), que se han descrito anteriormente.
En otros ejemplos de la invencion, puede llevarse a cabo el movimiento radial de componentes seleccionados del concentrador de flujo magnetico alrededor del eje central del material tubular, con o sin el movimiento de uno o mas de los componentes del concentrador a lo largo del eje X. Es posible usar elementos mecanicos adecuados para obtener el movimiento radial. A tttulo de ejemplo, y de forma no limitativa, la FIG. 17(a), la FIG. 17(b) y la FIG. 17(c) muestran un ejemplo de la presente invencion en el que componentes seleccionados del concentrador de flujo magnetico se mueven radialmente alrededor del eje central (longitudinal) del material tubular. Dicho movimiento puede resultar util para su adaptacion a un material tubular con diametros diferentes, tal como se describe de forma mas detallada mas adelante. Haciendo referencia a estas figuras, el concentrador 22 de flujo magnetico ilustrativo es similar al concentrador 20 mostrado en la FIG. 13(a) y en la FIG. 13(b), excepto por los siguientes cambios. Hay seis barras perifericas 22b situadas alrededor de la bobina 30 de induccion, ademas de elementos 22d de pata opcionales. Cada elemento 22a' de pata de base y elemento 22c' de cuna son moviles radialmente alrededor del eje central A-A' del material tubular. Los seis elementos de pata de base estan unidos a un elemento 44 de soporte estructural mediante unos ejes 46 de leva a traves de unas ranuras en un seguidor 40 de leva y una placa 42 de leva (47 y 45, respectivamente). La placa 42 de leva puede girar libremente entre el elemento 44 de soporte estructural y el seguidor 4o de leva, de modo que los ejes 46 de leva deslizan cada elemento 22a' de pata de base y cada elemento 22c' de cuna en acercamiento o en alejamiento con respecto al eje central. La FIG. 18(a), la FIG. 18(b) y la FIG. 18(c) muestran el efecto de giro del arbol 42 de leva mediante un brazo 48 de accionamiento en direccion anti horaria, de la FIG. 18(a) a la FIG. 18(c). A medida que el material tubular disminuye su diametro del tubo 95x en la FIG. 18(a) al tubo 95z en la FIG. 18(c), los elementos 22c' de cuna y los elementos 22a' de pata de base se mueven radialmente hacia el eje central, de modo que los elementos de cuna pueden seguir introduciendose en el interior del material tubular con un intersticio radial mmimo a medida que el diametro interior del material tubular disminuye.
Cualquiera de los concentradores de flujo de la presente invencion puede combinarse con una bobina de induccion de espiras variables, teniendo la bobina de induccion una relacion de espiras mas densa (numero de espiras por unidad de longitud, L) alrededor de la zona 94 de transicion termica que en la longitud calentada 92 del extremo, tal como se muestra en la FIG. 19.
Las caractensticas del concentrador de flujo magnetico de la presente invencion mostradas en ejemplos separados de la invencion pueden combinarse en otros ejemplos de la invencion. En todos los ejemplos de la invencion, el concentrador de flujo magnetico puede estar conformado en cualquier material adecuado magneticamente conductor (alta permeabilidad) y que tiene una resistividad electrica relativamente alta (baja perdida de energfa). El concentrador de flujo magnetico puede tener forma de un apilamiento laminado de material magnetico, ferrita, materiales en polvo basados en hierro y basados en ferrita, y puede ser moldeado o montado en partes.
En todos los ejemplos de la invencion, el termino “material tubular” incluye tubenas y tubos, aunque tambien incluye cualquier material que tiene un eje longitudinal (central) y una abertura interior. Por ejemplo, el material tubular puede tener una seccion rectangular y puede tener una abertura interior rectangular correspondiente; en este ejemplo de la invencion, la barra central puede tener una forma rectangular para su introduccion en la abertura rectangular en el material tubular.
En todos los ejemplos de la invencion, el movimiento del concentrador de flujo magnetico puede obtenerse mediante cualquier metodo, incluyendo, aunque no de forma limitativa, el movimiento de un operario humano o unos medios de accionamiento lineales, tales como una transmision electrica o hidraulica. En algunos ejemplos de la invencion, es posible obtener un movimiento adicional manualmente o automaticamente. Por ejemplo, unos detectores pueden detectar las dimensiones del material tubular a tratar termicamente y enviar una senal a un procesador que ejecuta un programa para mover de forma adecuada la posicion del concentrador. Los detectores pueden ser detectores de proximidad que, por ejemplo, detectan la posicion del exterior y/o del interior del material tubular a tratar termicamente. En otros ejemplos de la invencion, un operario humano puede introducir datos en un procesador a traves de un dispositivo de entrada adecuado, tal como un teclado, para identificar el material tubular a tratar termicamente, y el concentrador de flujo se movera segun un valor de posicion almacenado. En otros ejemplos de la invencion es posible usar detectores para detectar en tiempo real temperaturas de calentamiento del extremo puntuales, por ejemplo, mediante pirometros, detectores de infrarrojos u otros detectores por imagen termicos, para detectar el calentamiento del extremo puntual en tiempo real, a efectos de ajustar de manera adaptable la posicion radial y axial del concentrador. Esta alternativa permitina una adaptacion a anomalfas metalurgicas en un material tubular con un tamano espedfico y ajustar la posicion del concentrador de forma correspondiente.
En los anteriores ejemplos de la invencion se muestra una bobina de una unica capa de multiples espiras. No obstante, la invencion no se limita a un tipo espedfico de diseno de bobina. Por ejemplo, es posible usar una bobina
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de una unica espira, multiples capas de bobinas o multiples bobinas conectadas a una pluralidad de fuentes de energfa con el aparato de la presente invencion.
Dependiendo de la aplicacion y de los requisitos del proceso, es posible usar diferentes disenos de concentradores de flujo. Por ejemplo, los apilamientos de laminacion pueden ser un elemento circular continuo, o pueden estar fabricados a partir de multiples apilamientos. Dependiendo de la aplicacion y de los factores espedficos de los requisitos del proceso: es posible usar formas de “C” (elemento de base y dos barras perifericas sin ninguna barra central); de doble “C” (elemento de base y cuatro barras perifericas sin ninguna barra central); de “T” (elemento de base y barra central sin barras perifericas); o un concentrador de flujo en forma de “I” laminado o conformado a partir de polvo, o cualquier combinacion de las anteriores formas, en vez de un concentrador en forma de “E”.
Aunque los anteriores ejemplos de la invencion describen mantener la posicion de la bobina de solenoide constante, en otros ejemplos de la invencion es posible usar una combinacion del movimiento de la bobina de solenoide y del concentrador de flujo magnetico de extremo descritos en cualquiera de los anteriores ejemplos de la invencion sin desviarse del alcance de la invencion. En otros ejemplos de la invencion, cualquiera de los concentradores y/o material tubular de los anteriores ejemplos de la invencion pueden girar durante el proceso de tratamiento termico por induccion.
El termino “bobina de induccion de solenoide” usado en la invencion se entendera en su significado mas amplio como cualquier combinacion de una o mas bobinas de induccion en las que se genera un campo magnetico cuando una corriente alterna pasa a traves de la bobina o bobinas de induccion, y el campo magnetico se asocia al extremo de un material tubular introducido en la bobina o bobinas de induccion. La invencion no se limita a una configuracion geometrica espedfica de una bobina de induccion.
En todos los ejemplos de la invencion, ambos extremos de un material tubular pueden calentarse por induccion al mismo tiempo introduciendo toda la longitud del material tubular en una bobina de induccion de solenoide, de modo que se establece una distancia de voladizo en ambos extremos del material tubular.
Los anteriores ejemplos de la invencion se han mostrado simplemente a efectos ilustrativos y no se consideraran en ningun modo como limitativos de la presente invencion. Aunque la invencion se ha descrito haciendo referencia a diversas realizaciones, las palabras usadas en la presente memoria son palabras descriptivas e ilustrativas, en vez de palabras limitativas. Aunque la invencion se ha descrito en la presente memoria haciendo referencia a medios, materiales y realizaciones espedficos, no se pretende que la invencion se limite a los factores espedficos descritos en la presente memoria; de hecho, la invencion se extiende a todas las estructuras, metodos y usos equivalentes funcionalmente. Gracias a lo descrito en esta memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, los expertos en la tecnica pueden llevar a cabo numerosas modificaciones y cambios sin apartarse del alcance de la invencion en sus aspectos.

Claims (8)

  1. 5
    10
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    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Metodo de tratamiento termico por induccion electrica de una region extrema de un material tubular (95), comprendiendo el metodo la etapa de
    introducir la region extrema del material tubular en una bobina (30) de induccion a una distancia de voladizo de un extremo de la bobina de induccion y aplicar energfa de corriente alterna en la bobina de induccion,
    y caracterizado por:
    disponer un concentrador (10, 11, 20, 21) de flujo en la proximidad de la region extrema del material tubular en la bobina de induccion de modo que una barra central (10c) del concentrador de flujo se extiende generalmente desde la region central de una superficie de una base (10a) del concentrador de flujo al menos parcialmente en la distancia de voladizo, y una pluralidad de barras perifericas (10b), distribuidas radialmente alrededor del penmetro de la base, se extienden generalmente alrededor del exterior del extremo de la bobina de induccion una distancia de barra igual a al menos una parte de la distancia de voladizo.
  2. 2. Metodo segun la reivindicacion 1, que incluye las etapas de mantener las posiciones de la base y la pluralidad de barras perifericas constantes y mover la barra central (11c) a lo largo del eje longitudinal del concentrador de flujo para ajustar la posicion de la barra central con respecto a las posiciones de la base (11a) y la pluralidad de barras perifericas (11b).
  3. 3. Metodo segun la reivindicacion 1, en el que la base comprende una pluralidad de patas (20a' o 21a') de base distribuidas radialmente alrededor del eje longitudinal del concentrador de flujo, comprendiendo la barra central una pluralidad de cunas (20c', 21c'), extendiendose cada una de la pluralidad de cunas de forma generalmente perpendicular con respecto al lado orientado hacia el tubo del extremo convergente de una de la pluralidad de patas de base y extendiendose cada una de la pluralidad de barras perifericas (20b, 21b) de forma generalmente perpendicular desde el lado orientado hacia el tubo del extremo divergente de cada una de la pluralidad de patas de base.
  4. 4. Metodo segun la reivindicacion 1 o 3, que incluye la etapa de mover el concentrador (10, 20) de flujo generalmente a lo largo del eje longitudinal del concentrador de flujo para ajustar la posicion del concentrador de flujo con respecto a las posiciones fijas de la region extrema del material tubular (95 o 95p, 95q) y la bobina (30) de induccion.
  5. 5. Metodo segun la reivindicacion 3, que incluye las etapas de mantener las posiciones de la pluralidad de barras perifericas (21b) constantes y mover la barra central (21c') y la base (21a') a lo largo del eje longitudinal del concentrador de flujo para ajustar las posiciones de la barra central y la base a las posiciones fijas de la region extrema del material tubular (95r, 95s) y la bobina (30) de induccion.
  6. 6. Metodo segun la reivindicacion 1 o 3, que incluye las etapas de disponer una pata (11d, 21d, 25d) de concentrador de flujo en un extremo de al menos una de las barras perifericas (11b, 21b, 25b) a la distancia de barra y orientar la pata de concentrador de flujo hacia el exterior del material tubular (95c, 95e, 95f, 95r, 95s, 95t, 95u).
  7. 7. Metodo segun la reivindicacion 6, que incluye la etapa de mover la pata (11d, 25d) de concentrador de flujo sustancialmente en paralelo con respecto a la longitud de la al menos una de las barras perifericas (11b, 25b).
  8. 8. Metodo segun la reivindicacion 3, que incluye la etapa de mover la pluralidad de patas (21a') de base y cunas (21c') en una direccion sustancialmente perpendicular con respecto al eje longitudinal del concentrador (21) de flujo.
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