在电感应加热线圈中的坯料的无轨支座的制作方法

本申请要求于2017年6月7日在印度专利局提交的印度专利申请第201711019983号以及2017年7月25日递交的美国临时专利申请第62/536,638号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本发明是关于在电感应线圈中的坯料的无轨支座，该电感应线圈用于感应加热坯料以用于在包含将坯料锻制成制造物件的各种工业处理程序中进一步处理。

背景技术：

可将由至少部分地电磁传导的材料组成的坯料以感应方式预加热至，例如900℃至1300℃及以上的范围中的高温，以用于包含锻制、平锻制、轧制、挤制及拉制的程序中的随后热加工。可藉由将坯料放置于用来自适合电源的交流电供应的感应线圈中来完成对坯料的感应预加热。将耐火材料放置于感应线圈与坯料之间以保持坯料中的所感应热且保护感应线圈免受高温辐射及来自感应线圈中的坯料之对流热损坏。

英国专利第gb892447a认识到允许坯料置于感应线圈中的耐火材料上的某些问题且揭示在线圈中使用轨道以用于使经加热坯料滑动穿过线圈的解决方案。如gb892447a中所指出，本领域技术的进一步改良导致具有内部强压流体冷却的轨道克服未经冷却轨道所具有的问题。gb892447a对本领域技术的贡献是部分地埋入耐火材料中的轨道，此保持坯料与耐火材料表面分离但轨道仍因在轨道上方滑动的热坯料而经受在轨道上累积的某种结垢影响。因此，耐火材料的目的是热控制且轨道的目的是提供坯料穿过感应线圈的高效移动。

美国专利第7,528,351b2号进一步提出具有可由诸如硅铝氮氧化物的陶瓷材料形成的可调整轨道的技术。

图1(a)至图1(d)是现有技术中所构建的典型坯料电感应加热系统的横向剖面图解说明。在图1(a)的现有技术坯料感应加热系统中，当圆柱形坯料90穿过坯料感应加热线圈94a时其安座于开端式部分圆柱形不锈钢条状坯料支座102上。坯料支座102将坯料与耐火材料106以及具有剖面间隙104a的不锈钢衬里104分隔开。藉由玻璃带绝缘层108将坯料感应加热线圈94a与耐火材料106分隔开。在图1(b)的现有技术坯料感应加热系统中，在圆柱形坯料90穿过坯料感应加热线圈94b时其安座于坯料支座轨道96a及96b上。支座轨道96a及96b部分地嵌入于由耐火材料毡204及玻璃带206环绕的耐火材料衬里202中。在图1(c)的现有技术坯料感应加热系统中，在矩形坯料92穿过坯料感应加热线圈94c时其安座于坯料支座轨道98a及98b上。支座轨道98a及98b藉助于可调整支座98a′及98b′围绕坯料的外圆周分别具有可调整性范围。支座轨道位于由耐火材料毡404环绕的耐火材料衬里402的内部圆周上。玻璃带406将耐火材料毡与线圈94c分隔开。在图1(d)的现有技术坯料感应加热系统中，在圆柱形坯料90穿过坯料感应加热线圈94d时其安座部分地嵌入于耐火材料302中之轨道96a及96b上。图1(d)中的配置类似于gb892447a中所揭示的一项实施例。在此等四个现有技术实施例中，在坯料穿过坯料感应加热线圈时其由纵向轨道或半圆形不锈钢支座支撑，如“conductionandinductionheating”(作者e.j.戴维斯；第236页至第241页；由英国伦敦peterperegrinus有限公司(1990)公布)中进一步阐述的。

现有技术未构建的是无轨坯料支座坯料电感应加热系统，该无轨坯料支座坯料电感应加热系统提供增加生产率的坯料加热速率以及坯料滑件材料，该坯料滑件材料就电感应加热系统中在由于坯料磨耗而替换之前可在经加热的坯料的数目而言具有足够长寿命。

本发明的一目标是提供增加生产率的坯料加热速率以及坯料滑件材料，该坯料滑件材料在由于坯料磨耗而替换之前就可经加热的坯料的数目而言具有足够长寿命。

技术实现要素：

在一方面中，本发明是一种黏土石墨坯料滑件，该黏土石墨坯料滑件用于使坯料移动穿过由交流电供应的感应线圈，其中该坯料安座于该黏土石墨坯料滑件上。

在另一方面中，本发明是一种无轨坯料电感应加热系统，该无轨坯料电感应加热系统具有由交流电源供电的感应线圈及安置于该感应线圈中的黏土石墨坯料滑件。该黏土石墨坯料滑件与该感应线圈电隔离且该黏土石墨坯料滑件的内部表面区域形成坯料滑件表面以用于使安座于该黏土石墨坯料滑件的该内部表面区域上的坯料移动穿过该感应线圈以静态或连续地将该坯料加热至目标温度。

在另一方面中，本发明是一种热加工处理系统，该热加工处理系统具有由交流电源供电的感应线圈及安置于该感应线圈中的黏土石墨坯料滑件。该黏土石墨坯料滑件与该感应线圈电隔离且该黏土石墨坯料滑件的内部表面区域形成坯料滑件表面以用于使安座于该黏土石墨坯料滑件的该内部表面区域上的坯料移动穿过该感应线圈以静态或连续地将该坯料加热至目标温度。提供热加工设备以用于接纳该经加热坯料以形成经热加工制造物件。

在另一方面中，本发明是一种藉由以下操作形成坯料电感应加热系统的方法：提供连接至交流电源的感应线圈；将黏土石墨坯料滑件插入该感应线圈中，其中该黏土石墨坯料滑件具有具内部滑件表面的内部坯料贯通开口以用于使安座于内部贯通表面上的坯料滑动穿过该感应线圈；及使插入于该感应线圈中的该黏土石墨滑件与该感应线圈电隔离。

在另一方面中，本发明是一种对坯料进行热加工将其加热至热加工目标温度的方法，该方法系藉由以下操作：透过安置于连接至交流电的感应线圈中的黏土石墨坯料滑件、藉由使该坯料在该黏土石墨坯料滑件的内部表面上自该黏土石墨坯料滑件的入口滑动来移动该坯料，同时将穿过该感应线圈的该坯料静态或连续地感应加热至该热加工目标温度以在该感应线圈的出口处形成经加热坯料；将该经加热坯料自该感应线圈的该出口转递至热加工设备；及在该热加工设备中热加工该经加热坯料以形成制造物件。

在另一方面中，本发明是一种无轨坯料电感应加热系统，其具有由交流电供电的感应线圈及该感应线圈中的耐火材料。提供黏土石墨坯料载具以用于使安置于该黏土石墨坯料载具中的坯料以与该耐火材料滑动接触的方式移动穿过该感应线圈。

本说明书及随附权利要求中将陈述本发明的上述及其他方面。

附图说明

出于图解说明本发明的目的，图示中展示目前较佳的形式；然而，应理解本发明并不限于所展示的精确配置及工具。

图1(a)至图1(d)是典型现有技术坯料电感应加热系统的横向剖面图解说明。

图2(a)是透过图2(b)中的线a-a截取的本发明的坯料电感应加热系统的一项实例的横向剖面截面图，本发明的坯料电感应加热系统具有该项实例具有黏土石墨坯料滑件及滑件中的实例性坯料以及感应线圈。

图2(b)是透过图2(a)中的线b-b截取的图2(a)中的坯料电感应加热系统的纵向剖面截面图。

图3(a)及图3(b)是具有黏土石墨坯料滑件的本发明的坯料电感应加热系统的另一实例的替代横向剖面截面图，其中该坯料滑件可围绕滑件的纵向轴旋转。

图4是具有黏土石墨坯料滑件的本发明的坯料电感应加热系统的另一实例的横向剖面截面图，其中该黏土石墨坯料滑件呈开端式部分圆柱形外壳形状。

图5(a)是透过图5(b)中的线c-c截取的本发明的坯料电感应加热系统的另一实例的横向剖面截面图，其中每一坯料的黏土石墨坯料滑件移动穿过感应线圈。

图5(b)是透过图5(a)中的线d-d截取的图5(a)中的坯料电感应加热系统的纵向剖面截面图，图5(a)中的该坯料电感应加热系统具有安置于插入至感应线圈中的黏土石墨坯料滑件中的一个坯料；离开感应线圈之后的一个经加热坯料；及经分段以在于感应线圈中完成坯料之加热之后进入至感应线圈中的一个坯料。

具体实施方式

图2(a)及图2(b)中展示利用黏土石墨坯料滑件的本发明的坯料电感应加热系统10的一项实例。在各图中，坯料滑件12安置于感应加热线圈14与坯料滑件的内部通道之间，坯料90穿过该内部通道来以感应方式加热至目标温度。感应线圈以适合方式连接至交流电源16，交流电源16以感应方式加热穿过感应线圈内部通道的坯料。

图2(a)及图2(b)中所展示的本发明的实施例中的黏土石墨坯料滑件可呈开端式中空直圆柱体形状以符合具有类似开口体积内部形状的感应线圈。

在本发明的替代实施例中，感应线圈可以是可被供应以来自一或多个电源供应器的交流电力的任何类型之一或多个单独线圈，包含螺线管感应线圈或通道感应线圈。视情况，感应线圈可(举例而言)藉由使液体或气体流动穿过，如现有技术中已知的内部通路而被流体冷却。

坯料加热处理可以是：连续模式加热处理，其中坯料以连续稳态(或可变)速度移动穿过线圈同时与黏土石墨坯料滑件的内部表面滑动接触；或渐进模式加热处理，其中坯料以连续稳态(或可变)速度循序地移动穿过多个线圈同时与多个线圈中的每一者中的黏土石墨坯料滑件的表面滑动接触。另一选择是，坯料加热处理可以是静态模式加热处理，其中坯料移动至与黏土石墨坯料滑件的内部表面滑动接触的感应线圈的内部中达到线圈中的静态坯料加热位置以用于感应加热至目标温度，且在到达目标加热温度之后将经加热坯料移动出与黏土石墨滑件的内部表面滑动接触的感应线圈的内部。

现有技术中已知的适合坯料移动设备可用于沿着穿过感应加热线圈移动坯料同时与本发明之黏土石墨坯料滑件的内部表面滑动接触，诸如用于将坯料馈送至黏土石墨坯料滑件的内部表面上的牵引机或运输机。在本发明的某些实施例中，感应线圈及黏土石墨坯料滑件的轴向长度可足够长使得多个坯料可在感应线圈中与外部牵引机或运输机呈背对背配置地在黏土石墨坯料滑件上滑动，该外部牵引机或运输机推动多个背对背坯料在黏土石墨坯料滑件上滑动穿过感应线圈。

较佳地沿着感应线圈及黏土石墨坯料滑件的轴向长度xl提供间隔件环形体积18以将感应线圈的面向内部表面与黏土石墨坯料滑件的面向外部表面分隔开以防止线圈的电弧放电或对线圈的其他损坏。在提供的情况下，间隔件环形体积可以是未经填充空气体积或填充有电绝缘材料、热绝缘材料或电及热绝缘材料(举例而言，经层压云母纸)。在本发明之其他实施例中，可不存在用以将线圈与滑件分隔开的间隔件环形体积；然而电感应坯料加热系统的较短使用寿命可导致此一配置。

本发明的某些实施例中可提供滑件材料安装设备以在不拆卸坯料电感应加热系统的情况下提供磨损黏土石墨坯料滑件的替换。

尽管图2(a)及图2(b)中的黏土石墨坯料滑件系呈开端式中空直圆柱体的形状以符合感应线圈的开口体积内部形状，但在本发明的其他实例中，黏土石墨坯料滑件的内部表面、外部表面或内部表面与外部表面两者的形状可以是其他形状以适应将与黏土石墨坯料滑件的中空内部表面滑动接触的坯料的形状或感应线圈的开口内部体积的形状或者坯料及线圈的形状及特性的组合。举例而言，在一应用中可提供黏土石墨中空矩形管，其中坯料具有矩形横向剖面形状。

较佳地，用于本发明中的坯料滑件的黏土石墨滑件材料的热传导应不超过15w/(m·c)，依赖于被以感应方式加热之典型坯料的重量、自电源至感应线圈的所施加输出频率及坯料的目标加热温度，这举例而言将较佳地但非排他性地需要具有10mm至30mm的范围中的壁厚度之黏土石墨坯料滑件。若用于坯料滑件的黏土石墨滑件材料并不超过15w/(m·c)，则黏土石墨坯料滑件亦将在不具有用于坯料电感应加热系统的额外耐火材料的情况下提供有效热控制。

表1图解说明本发明的坯料电感应加热系统的实例1、2及3相对于现有技术轨道坯料电感应加热系统的选定改良的一项实例，本发明的坯料电感应加热系统利用类似于图2(a)及图2(b)中的本发明的实施例中的黏土石墨坯料滑件的黏土石墨坯料滑件。

表1

表1加热系统及程序参数如下。

直径、长度及重量是实例性坯料的特性。

线电压、电流及功率是至(反相器)电源的输入的电参数，该(反相器)电源将交流电力供应至感应线圈。

输出电压、反相器电流及输出频率是来自(反相器)电源的输出的电参数，该(反相器)电源将交流电力供应至感应线圈。

所有实例中所使用的感应线圈(inductothermcorp.，零件编号hfac000577)是相同的，并且在将实例性坯料加热至1250℃的目标温度的情况下，匹配变压器(具有20∶04之比率)及电容器(71.92微法拉)的反相器负载感应线圈是相同的。经加热坯料的目标温度是针对特定应用而定义且可以是举例而言经加热坯料的表面温度或剖面平均温度。

在所有实例中，时间/pc是每块(坯料)所花费的时间，且mm/sec是每一实例性坯料行进穿过感应线圈以达成1250℃的目标温度所处的速度。

利用具有围绕耐火材料的内圆周彼此间隔开的轨道的双坯料轨道滑件的现有技术轨道感应加热系统类似于图1(d)中所展示的轨道感应加热系统，除了轨道定位于耐火材料的内圆周上而非如图1(d)中部分地嵌入。轨道经由循环水系统内部冷却。

依据表1中的实例，将了解，本发明的具有黏土石墨坯料滑件的坯料电感应加热系统将带来经改良的坯料加热输入能量，其测量为坯料kg/输入能量kw-小时(kg/kw-hr)，该经改良坯料加热输入能量如下计算。在本发明之实例1及现有技术轨道加热系统中，50mm直径的坯料重量为4.8kg。在本发明之实例1中，输入线圈功率为68.667kw，其在80秒内达成1250℃的坯料目标温度，此导致以下所计算能量消耗。

在现有技术轨道加热系统中，输入线圈功率为63.198kw，其在95秒内达成1250℃的坯料目标温度，此导致以下所计算能量消耗。

因此，比较表1中的本发明实例1与表1中的现有技术实例的能量效率(其中实例性坯料具有相同特性)，与2.88的现有技术实例生产率相比本发明实例1中达成3.15(四舍五入)之显著生产率，此转化为本发明的电感应坯料加热系统相对于现有技术轨道加热系统的数值为1.094(3.15/2.88)的经增加生产率及大约10％的经增加能量效率。

使用本发明的坯料电感应加热系统，用于加热坯料的1kw-hr的能量(平均而言)可产生大约3.15kg的经加热坯料材料(诸如钢坯料)，相比之下使用现有技术轨道坯料加热系统产生大约2.88kg的经加热钢，此表示使用相同能量消耗经加热钢的产量增加大约10％。另外，使用相同感应线圈，与现有技术轨道坯料加热系统的每kg钢需要大约0.347kw-hr(1/2.88＝0.347kw-hr/kg)相比，本发明的坯料电感应加热系统需要大约0.317kw-hr来加热1kg的钢(1/3.15kw-hr/kg)，此表示大量能量节省及坯料的感应加热的能量效率的改良。

另外，相对于用于使坯料移动穿过坯料电感应加热系统的已知现有技术设备，本发明的黏土石墨坯料滑件材料展现经改良磨损特性，此降低坯料感应加热系统之替换或维修需求。

图3(a)及图3(b)中展示本发明是利用黏土石墨坯料滑件的坯料电感应加热系统20的另一实施例。在此实施例中，可在因移动与黏土石墨坯料滑件的内部表面区域22滑动接触的坯料而在该内部表面区域上造成规定量的坯料磨耗之后，完成黏土石墨坯料滑件12e的纵向轴向(xl)旋转。坯料滑件的轴向旋转将经磨损滑件表面区域22移动出位于黏土石墨坯料滑件的内部表面上的坯料的正常滑动表面路径，使得坯料滑件的未经磨损内部表面区域23替换经磨损内部表面区域。在图3(a)中，处于径向位置p1中的经磨损内部表面区域22藉由黏土石墨坯料滑件12e的90°顺时针旋转而移动至图3(b)中的径向位置p2以在穿过本发明的坯料电感应加热设备中的感应线圈的坯料的正常滑动表面路径中提供未经磨损内部表面区域。

为最小化在不破坏感应线圈的情况下达成黏土石墨坯料滑件的旋转所需的所施加力及扭力，在本发明的某些实施例中，感应线圈14的内部导电表面14′与面向线圈的黏土石墨坯料滑件12的外表面12′之间的环形间隔件体积18可填充有云母纸或展现低摩擦表面粗糙度及滑动面性质的其他电绝缘材料，以给导电线圈绕组及可在不破坏感应线圈之情况下促进黏土石墨坯料滑件的轴向旋转的旋转滑动面提供高温度介电保护。

在本发明的其他实例中，其中可在不拆卸坯料电感应加热系统的情况下替换黏土石墨坯料滑件，感应线圈14的内部导电表面14′与面向线圈的黏土石墨坯料滑件12的外表面12′之间的环形间隔件体积空间18可填充有云母纸或展现低摩擦表面粗糙度及滑动面性质的其他电绝缘材料，以给导电线圈绕组及可促进黏土石墨坯料滑件沿着坯料滑件的轴向长度及感应线圈移动的旋转滑动面提供高温介电保护使得可替换黏土石墨坯料滑件可插入至感应线圈中或自感应线圈中移除。

在某些实施例中，其中以除一般中空内部圆柱体之外的形状使用黏土石墨坯料滑件的本发明，举例而言，在用于移动长方体工件(坯料)或中空管以及具有非圆柱形一般形状的工件(坯料)时，可完成如适合于坯料滑件的形状的现有黏土石墨坯料滑件的纵向、轴向或以其他方式的旋转使得选择坯料滑件的未经磨损区域作为表面，在表面上当坯料移动穿过感应线圈时该坯料与该表面滑动接触。

图4图解说明本发明的另一实施例，其中黏土石墨坯料滑件12a形成为开端式半圆柱形黏土石墨坯料滑件。在本发明的其他实例中，可使用在形状上大于或小于半(一半)圆柱体的开端式部分圆柱形黏土石墨坯料滑件，如特定应用可能所需要。

图5(a)及图5(b)图解说明本发明的另一实施例，其中黏土石墨坯料滑件是呈用于每一个别坯料90a(待加热之下一坯料)、90b(处于加热之程序中之坯料)及90c(先前经加热的坯料)的部分(或完全)曝露黏土石墨材料坯料载具的形式，该部分(或完全)曝露黏土石墨材料坯料载具将个别坯料递送至感应线圈14的内部且在加热之后将其自感应线圈的内部移除。在此非限制性实例中，每一坯料载具由黏土石墨材料12b之u形纵向长度形成且每一坯料容器的前端及后端由附接至黏土石墨材料的u形纵向长度的相对纵向端的半圆形圆盘12c形成，其中黏土石墨坯料载具更一般而言称作闭端式部分中空圆柱体。在本发明此实施例中，黏土石墨坯料载具可藉由安置于本发明的坯料电感应加热系统的感应线圈中的耐火材料上的黏土石墨坯料载具的滑动而移动穿过感应线圈。

在本发明某些实施例中，使用具有黏土石墨坯料滑件的直列式(或以其他方式配置的)多线圈电感应加热系统来在线列的出口端产生加热至目标温度的坯料。在多线圈系统的线圈中位于线列的出口端处或靠近于线列的出口端的黏土石墨坯料滑件将经历比在线圈中位于线列的入口端处或靠近线列的入口端的黏土石墨坯料滑件更快的坯料磨耗，此乃因随着坯料自线列的入口端至出口端移动穿过线圈，坯料被渐进地加热至较高温度，且坯料之表面温度愈热，随着坯料滑动对本发明的黏土石墨坯料滑件的磨耗量愈大。

除至少在感应线圈中在线列的出口端处或靠近线列的出口端处设置如图3(a)及图3(b)中所图解说明的轴向旋转黏土石墨坯料滑件之外，亦可在感应线圈中的至少某些感应线圈中设置可替换黏土石墨坯料滑件，使得在线圈中位于线列的出口端处或靠近线列的出口端具有比在线圈中位于线列的入口端或靠近线列的入口端的黏土图形坯料滑件大的磨损的黏土石墨坯料滑件可周期性地互换以平衡本发明的多线圈电感应加热系统中的所有坯料滑件的寿命磨损周期。

可选的，在本发明的某些实施例中，黏土石墨坯料滑件可在坯料滑件的内部表面区域上形成有一或多个突出部或异形可变隆起部，坯料在该内部表面区域上滑动接触以符合坯料形状或增强在特定应用中的坯料加热特性。

在本发明的某些实施例中，具有黏土石墨坯料滑件的坯料电感应加热系统可与热加工设备组合，该热加工设备用于热加工在坯料电感应加热系统中经加热的坯料以形成制造物件或经进一步处理以形成制造物件的中间产品。热加工设备包含但不限于本领域技术中已知的用于热加工在本发明的坯料电感应加热系统中经加热之坯料的锻制、轧制、挤制及拉制设备。

如本文中所使用的术语“黏土石墨”滑件材料较佳地是指坯料滑件材料组成物，其包括：介于30重量％至40重量％之间的碳(c)；介于8重量％至12重量％之间的碳化硅(sic)；介于15重量％至25重量％之间的二氧化硅(sio2)；及介于10重量％至20重量％之间的氧化铝(al2o3)。已发现所陈述范围中的碳提供优越坯料磨耗。

另外，坯料滑件材料组成物亦可含有：痕量氧化物，其较佳地总计不超过6重量％、通常由铁、硼、钠及钾的氧化物形成；镁、钴与铬化合物，其总计不大于2重量％；及元素(自由)硅，其不大于1重量％(重量百分比)。

具有适合于特定电感应坯料加热系统应用的形状的黏土石墨坯料滑件材料可(举例而言)在挤制或射出成型程序中由坯料滑件材料组成物生产。

在上文的说明中，出于阐释目的，已陈述众多具体要求及数个具体细节以便提供对实例及实施例的透彻理解。然而，熟习本领域技术者将了解，可在不具有此等具体细节中的某些细节的情况下实践一或多项其他实例或实施例。提供所阐述的特定实施例并非限制本发明而是图解说明本发明。

在本说明书通篇中对“一项实例或实施例”、“实例或实施例”、“一或多项实例或实施例”或“不同实例或实施例”的提及，举例而言，意指可包含于本发明的实践中的特定特征。在说明中，出于简化揭示内容及辅助理解各种发明性方面的目的有时将各种特征一起分组于单个实例、实施例、图或其说明中。

已就较佳实例及实施例而言阐述本发明。除了明确指出的那些较佳实例及实施例之外，等效形式、替代形式及修改形式是可能的且归属于本发明的范围内。