一种适用于高温环境的气冷感应线圈的制作方法

本发明属于感应加热领域，涉及一种适用于高温环境的气冷感应线圈。

背景技术：

电磁感应加热是利用法拉第电磁感应现象，即交变的电流在导体中产生感应电流，从而使导体发热。由于具有加热速度快、效率高、无接触无污染、便于自动化控制等特点，感应加热已经被广泛应用于冶金、锻造、热处理技术等领域。感应加热过程中，主要涉及到的核心部件是电磁感应线圈。由于特殊的条件限制，感应线圈在工作过程中有时需承受恶劣的高温环境，例如在电磁出钢技术中，感应线圈置于钢包底部，由于钢液的热传导及热辐射，所承受温度可能达到900～1000℃，强度明显降低，不能完成继续作业。并且感应线圈工作时还需克服自身产热，因此，做好其冷却工作至关重要。

现有的感应线圈长期在高温环境下工作时，线圈耐高温性能较差会发生氧化而且强度明显降低，不能满足感应加热的实际需求，如紫铜的软化温度为400～600℃，超过此温度范围时，线圈软化变形，使用寿命大幅降低。目前主要采用水冷的方式进行冷却，虽然水冷效果较好，但在某些特殊的高温环境下存在着安全隐患，不能够采用水冷结构。而采用在空心线圈内部通压缩气体冷却进行强制冷却时，冷却效果较差，不能满足实际使用需求。

技术实现要素：

针对高温环境中感应线圈存在的问题，本发明提出了一种新型的适用于高温环境的气冷感应线圈，并介绍了它的一种安装方法，该感应线圈能够在高温环境(600～1300℃)下长期稳定工作，冷却气体可以是氮气、氩气，但不局限于氮气和氩气。

本发明采用的技术方案如下：

一种适用于高温环境的气冷感应线圈，包括：交替堆叠的导电圆环与绝缘圆环，导电圆环为铜质但不仅限于铜质。导电圆环有若干断开处，在每个断开处有导流柱；导流柱通过绝缘圆环的断开处连接下一个导电圆环，从而使电流形成螺旋的闭合回路。导电圆环上分布若干小孔，为使其与冷却气体的接触面积最大，小孔形状与圆环同步，为扇形环。另外，由于集肤效应和圆环效应，导电电流主要分布于圆环内侧，并且随着电流频率的变化，集肤层厚度会发生一定的变化，因此也可依据电流频率调整小孔的尺寸大小。

该气冷感应线圈固定在一个筒状容器内，筒状容器具有高强度且具有磁屏蔽作用，在容器下端和上端设置冷却气体入口和出口及电流引线的入口和出口。线圈在工作过程中，冷却气体从感应线圈底部孔洞通入，流经感应线圈圆环上分布的小孔，从感应线圈顶部孔洞流出。通过气体不断带走线圈高温环境给予的热量和自身产生的热量，起到冷却的效果。该线圈结构及安装能够使感应线圈在高温条件(600～1300℃)长期工作不变形，提高了其使用寿命，彻底杜绝了使用水冷结构以及水冷结构带来的安全隐患。

该气冷感应线圈整体高度范围是100-400mm，线圈内径的变化范围是100mm-300mm，由导电圆环与绝缘圆环交替堆叠而成，单匝导电圆环高度为2-30mm，宽度为15-25mm，单匝绝缘圆环的高度为2-10mm，宽度为15-25mm，并根据加热要求不同，增加线圈匝数。

所述筒状容器由高强度的磁屏蔽材料制成，筒状容器具有较高强度，能够承担外部压力，使感应线圈结构强度不发生改变，可封装于其他材料内部，用于恶劣的工作环境；另一方面，对线圈产生的磁场起到磁屏蔽的作用，提高线圈的加热效果，提高工作效率。

与现有感应线圈及相关技术相比，本发明的有益效果：

1、采用该线圈结构时，冷却气体从底部流入顶部流出，冷却效果是传统气冷感应线圈效果的8～10倍，使感应线圈能在高温环境(600℃～1300℃)下长期稳定工作，明显改善了感应线圈的实际使用性能，增加感应线圈的使用寿命。

2、在感应线圈外部的圆筒结构承担了线圈工作状态下外部压力，使感应线圈强度不因外部工作环境改变，提高了感应线圈的承压能力和抗变形能力。同时，可封装于其他材料内部，用于恶劣的工作环境。

3、解决了特殊情况下不能采用水冷结构时感应线圈的冷却问题，杜绝了水冷结构带来的安全隐患。

附图说明

图1为电磁感应加热出钢技术示意图。

图2为适用于高温环境(600℃～1300℃)下的气冷感应线圈的结构示意图。

图3为本发明所涉及的感应线圈外筒状容器侧壁结构示意图。

图4为本发明所涉及的气冷感应线圈及其筒状容器结构整体效果示意图。

图中：1钢包；2上水口；3fe-c合金；4下水口；5滑板；6感应线圈；7座砖；8钢液；9导电圆环；10绝缘圆环；11导流柱；12小孔；13封盖；14、15线圈引线出入口；16待加热区；17、18冷却气体出入口。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施案例对本发明做进一步的详细说明。

以电磁感应加热出钢技术用感应线圈为例，具体如下：

电磁感应加热出钢技术的基本原理如图1所示。将感应线圈6置于钢包1底部座砖7内部，使用fe-c合金3代替引流砂，通过感应加热的方式使上水口2内填充的fe-c合金全部或部分熔化，滑板5打开后在钢液8作用下完成出钢过程。

如图2所示，一种适用于高温环境的气冷感应线圈的结构示意图，导电圆环9与绝缘圆环10交替分布，圆环上均匀分布诸多小孔12，小孔形状与圆环同步，为扇形环，小孔尺寸可根据电流频率进行调整。单个圆环不构成回路，当电流流经断开处时，通过穿过绝缘层的导流柱11直接将电流传递至下一个圆环。在电磁出钢系统中，该感应线圈导电圆环材质为某种铜合金，绝缘层采用氧化铝。

电磁出钢系统中，线圈安装于筒状容器内部，筒状容器需要封装在钢包底部座砖内部，这就要求筒状容器必须具备高强度，能够承受高温钢液向下传递的压力。如图3所示，线圈外筒状容器的结构示意图。筒状容器采用某种高强度的磁屏蔽材料制成，其上端和下端与封盖13通过法兰进行连接。在容器外侧分布有线圈引线出入口14、15和冷却气体出入口17、18，冷却气体由下至上沿孔道流动，对线圈起到冷却的效果。待加热区16放置被加热物料。

如图4所示，为气冷感应线圈及其筒状容器结构整体效果示意图。感应线圈整体封装在筒状容器内，感应线圈上下引线出入口分别在筒状容器左侧，右侧上下两个出入口为冷却气体入口和出口。筒体上下端分别设置一个圆环，作为与封盖相连的法兰。在电磁出钢系统中，筒状容器(含线圈)封装于座砖内部，线圈引线及冷却气体出入口由钢包底部引出，以连接感应加热电源和冷却气体。

电磁出钢系统中，被加热fe-c合金被填充于中心筒状加热区。在感应线圈工作过程中，线圈不但要承受高温钢液传递的热量，还要克服自身发热，因此线圈长时间处于高温环境，这对于线圈长期使用极其不利。另外，在钢包底部，采用水冷的方式是非常危险的，存在很大的安全隐患。因此采用新型气冷感应线圈结构不仅能够提高冷却气体的冷却效率，还能够杜绝水冷带来的安全隐患。

技术特征：

技术总结
一种适用于高温环境的气冷感应线圈，包括：交替堆叠的导电圆环与绝缘圆环；导电圆环有若干断开处，断开处有导流柱，导流柱通过绝缘圆环的断开处连接下一个导电圆环，从而使电流形成螺旋的闭合回路；导电圆环上分布若干小孔，小孔形状与圆环同步，为扇形环；导电电流主要分布于圆环内侧，并且随着电流频率的变化，集肤层厚度会发生一定的变化，依据电流频率调整小孔的尺寸大小；线圈固定安装于筒状容器内，筒状容器具有高强度且具有磁屏蔽作用；工作时，冷却气体从感应线圈底部孔洞通入，在感应线圈顶部孔洞流出。该线圈具有良好的感应加热性能及结构强度，使感应线圈在高温条件长期工作不变形，避免使用水冷结构以及水冷结构带来的安全隐患。

技术研发人员：王强;何明;李显亮;刘铁;董书琳
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2017.06.28
技术公布日：2017.10.27