专利名称:多线感应加热的制作方法
本发明涉及感应加热，特别涉及通过使细长金属制品(如钢铁线材)穿过感应线圈而对其进行的感应加热。
经常需要把钢铁线材加热至较低或中等的温度。热处理的例子有新扩散、应力释放、回火、部分或全部退火等。加热步骤可独立进行，也可以同其它步骤(如表面及理、涂覆工序、变形工序等)一致地进行。本发明特别涉及把直径小于5mm，最好在0.5至3mm范围内的钢铁线材加入至不超过居里(Curie)温度750-760℃的温度。然而本发明也可被用于其它工艺中。为生产目的，通常希望对多条在连续平行移动中的线材同时进行加热，而本发明正好特别适用于这种场合。用于同时加热多条钢线材的传统装置可包括燃料炉或电炉，溶铅或盐浴炉和采用直接接触线材加热的电阻加热生产线等。
就把线材高速准确地加热至750℃而言，由于在此低至中温区传热率很低，所以传统加热炉的性能受到了限制。其结果，为达到较高的线材通过造度，就需要很大的炉体长度，但不论从技术还是经济角度上看，这都是不合算的办法。与此相反，在溶盐或铅中的直接浸入加热既快又更有效，但其主要缺点是线材表面受到沾污，需要进行额外清洗，及较差的工作条件。
借助电触辊把加热电流通入线材的直接电阻装置已被工业界用于几种线材加热应用。然而，随着速度和功率密度的增加，打火和表面缺陷可能变得非常严重。对于高质量细线材的生产来说，这是极需避免的。
产生快速无接触加热的感应加热法提供了一个有希望的解决办法。当前，对大尺寸制品，(如坯块和杆材)和象表面硬化产生(如轴、活塞杆)在锻造或加工等之前的加热来说，感应加热是广泛采用的技术。它还在一定程度上与线材拉制机一致地用于对拉制铜线材进行退火。
然而，感应加热未被广泛地用于多线材设备，该设备目前可同时处理大量(5、10、20、30甚至40或更多条)线材。多条线材无接触感应加热概念长期以来被认为在技术上不现实和/或在能量和资金上太浪费，特别对小尺寸线材更是如此。据称由于据认为要为分立的线材导向器分别配置感应加热线圈，以及把所有感应器以支路形式连到具有适当频率的电源的复杂性，因而感应加热过于昂贵。类似地，人们通常看到并相信的是，与其它加热法相比，线材的感应加热在电和/或热效率上都是不合算的。就此方面说，人们确信，对小直径线材进行感应加热不仅很不令人满意，而且当线材直径小于某一限度，如1至1.5mm时，它将是不可能的。
对小至中尺寸(直径大约2-3mm)钢铁线材进行有效感应加热的具体问题包括以下几个方面感应电流有效肤深与线材直径的比值变得至关重要;由于更小的线圈填充度，即更小的线材与线圈直径比，而导致磁藕合损耗加大，等等。为对这些因素进行补偿，曾试验把多条线材通过一个筒形感应线圈以增加有效填充度。还进行了其它尝试，但没一种真正成功，或能满足实际要求和现代多条线材加工线的经济要求。
关于某些已知的感应加热理论和原理，下面举出了一些参数文献的例子
“Induction heating”(感应加热Simpson P.G，McGraw-Hill，N.Y.1960。
“Induction heating handfook”(感应加热手册)-J.Davies，P.Simpson.Mc.Graw-Hill，U.K.1979。
美国专利第4，118，617号Process and apparatus for Continuous heat treatment of metallic Wires and bands(金属线材和带材的连续热处理装置和方法)。
欧洲专利申请第90，488号Apparatus for Simultaneously heating a pluratity of elogated workpicces(多条细长制品的同时加热方法)。
当考虑到螺线管中的柱形加工制品时，确定有效感应加热的基本因素是励磁电流的频率和密度、加工件同线圈之间的气隙，即加工件直径与线圈内径比、线圈绕组的几何设置。
为确定在加工件本身中起作用的加热功率，首先要考虑感应电流的有效肤深，它由下式(1)给出
<math><mi>P = </mi><msqrt><mfrac><mrow><mi>ρ</mi></mrow><mrow><msub> <mi>π ·μ </mi><mi>o</mi></msub><msub> <mi>·μ </mi><mi>r</mi></msub><mi>· f</mi></mrow></mfrac></msqrt><mi>= 5033</mi><msqrt><mfrac><mrow><mi>ρ</mi></mrow><mrow><msub> <mi>μ </mi><mi>r </mi></msub><mi>·f</mi></mrow></mfrac></msqrt></math>(1)
其中p的单位为cm，
ρ是加工件的电阻率
f是频率、单位为周/秒
μr是相对有效磁导率。
由于例如全部热量的87%是由有效肤深以内的感应电流产生的，因而应把有效肤深维持在充分低于加工件半径的程度，以防止感应电流的过剩。有效肤深随频率而变，例如，对铁磁钢杆，在常用频率即f＝50Hz下，它可在1mm至10mm之间变化。在小直径材感应加热中，加工品中心的电流损耗变得特别严重。为有效地对中至小型线材(如从小于3mm开始的)进行感应加热，需要采用几千赫兹以上的电流频率。
感应加热圈的电效率由公式(2)表示
ηE＝[1+
· (D)/(d) · 1/(k) · (L)/(l) ]-1(2)
其中ρcv为线圈绕组(铜质)的电阻率
ρw为加工件(如钢铁线材)的电阻率
μr为加工件(如钢铁线材)的相对磁导率
D为线圈绕组的直径
d为线材直径
L为感应线圈的长度
l为感应线圈所包围的有效长度
k为电流效率系数(k＜1)它与d/p即线材直径与有效肤深的比值有关。对d》p，k～1。
在加工件中消散的加热功率Pw由公式(3)给出
PW＝H2(ρW)/(P) ·π·d·l·k (3)
其中H(＝NI/L)为感应磁场。
I为励磁电流
P为有效肤深
N为绕组数
从公式(3)可知，产生的热量与H或I成正比地增加，减少有效肤深也能增加热量输入。在块或坯的感应加热中，常用的做法是施加高电流密度(只要线圈绕组能够承受)直至磁场达到饱和程度H。在小线材直径情况下似乎合理的是通过采用高频以求尽可能小的有效肤深(p)，并采用高电流密度。
然而，我们发现这常常导致不稳定的结果和很小的加热效率，特别在加热线材直径在0.5-2mm范围内时，我们发现这些加热困难在很大程度上归感应加热小线材时电和热能之间的精确平衡。过高的频率和/或电流密度将导致表面过热甚至烧环，或导致实际热效率的大幅度波动。其结果，得到的温度常与要求的线材温度相差很大，而且总能量效率仍处在与有效而经济的加热不相称的水平。在0.5至1.5mm的较小直径范围，该问题会变得很严重，在该范围中，磁耦合、显著的趋肤效应和从线材表面到诸如水冷却线圈绕组的热损耗会对加热能力或效率产生有害的影响。
本发明的一个方面的一个目的就是要克服或缓和这些问题。因此要采用较低的能量密度(以避免表面过热并减少线材边缘至周围物体的不可控热损耗量)并转向提高线材磁导率。
这样的设置将改善电效率[见公式(2)]，并进一步注意到钢铁线材的相对磁导率随场强减小而增加。重写公式(3)，写成单位体积线材所耗散的热功率，得到
(4) PW＝4π·H2·μo·μr·f·k·p/d
这样，考虑到因子H μr，可看出因为μr的增加，场强的减小并不导致加热能量的相应减小。我们发现可以调节这些参数，以避免采用高场强的传统作法，同时仍能得到足够的加热功率。
因而从这方面看，本发明提供了在感应线圈中感应加热细长钢铁部件的方法，其特征在于对磁场强度进行了适当调节以使该部件的相对磁导率至少为40。
这远高于通常所用的水平，通常对近饱和场其典型值在10-20范围内。在实施本发明中相对磁导率最好为至少80，典型的可用范围为100-200。
对直径小于5mm的钢铁线材，本发明的这一方面特别适用，特别有用的范围是直径高至2或3mm。其低限可为大约0.5mm。
磁场通常在3，000至35，000安匝/米的范围内，并最好在5，000至20，000Am的范围内。所用频率一般可高至50，000H，最好在5，000至30，000H的范围内。
可以理解，热量输入可能会少于传统装置，虽然它由于本发明仍处于现实的水平。这意味加热所需时间将变长。本发明特别涉及到连续移动线材的加热，因而与传统加热装置中可能出现的情况相比，要使用更大长度的线圈。这又导致了另一个要解决的问题。
加热要求是随线材类型和直径而变的，而线圈长度也取决于线材速度，在10至100m/分的范围内。典型的线圈长度可是，例如，约2或3至5m。我们发现这会在线材段上产生出不能接受的高感应电势差。通常这在感应加热中不成为问题，但在这个特殊场合-采用长线圈和连续线材生产时-沿线材纵向的累积电压会达到一临界值(高到大于50V)，并由此在线材和该设备的接地部件，如导向部件、卷轴等，之间产生打火，这将产生不能允许的线材表面印记或缺陷。
据信在线材纵向上产生过高电压的主要原因是，由于线圈绕组相对于线材轴的间距，在线材中感应出了略向线材方向倾斜的空间电场。所述电场可分成很大的径向分量和很小的轴向分量，该轴向分量的矢量和产生了沿线方向逐渐升高的电势。
我们发现，可通过把感应线圈分成至少两部分并使两部分中的绕组方向和/或电流相位相反，而使此问题得到解决。
在其它需要较长感应线圈的情况下，这将是有用的，因而从另一方面看本发明提供了带其中放置有部件的线圈的感应加热装置。其特征在于设置了至少两段相邻的线圈，在相邻段线圈之间线圈绕组和/或励磁电流相位相反。
已发现相位相反比绕组方向相反有更大的效果。然而，通过同时采用两者能达到最佳效果，并能减小因相邻线圈端部相互作用而产生的盲区。
通过包含多个线圈，可以方便地得到这种设置，这些线圈可按具体应用所需的数目和组合彼此相对地设置并连接到励磁电源上。
应当理解，线圈绕组相反一般导致了绕组对线圈轴倾角的相反。
本发明的另一方面涉及到感应线圈本身的构造。如已注意到的，加工件同线圈之间的间隙应维持在最小值，即由公式(2)，D/d应当小，以得到最佳效率。当要处理许多线材时，这就会产生问题。为各线材配置单独线圈的方案是不经济的。另一方面，把若干线材放置在普通的线圈中将导致较大的D/d值和线材处理与其位置有关的不一致性。
因此，从另一方面看，本发明提供了包括其中放置有多条细长部件的线圈的感应加热装置，其特征在于该线圈具有大致扁的棋截面，部件在其中被放置成一排。该横截面因而可以具有长矩形的形式，其端部最好是圆的。
可以想到，两排甚至三排也能达到合理的结果，但最好的设置是只采用一排。平行的线材或其它部件将组成一平面阵列，基本上扁的线圈匝则紧密地包围着该阵列。线圈绕组本身最好也是扁的，如铜带。
虽然前面给出的理论公式适用于为筒形线圈包围的单厚度部件，但本发明各方面的优点对扁线圈及分立且大致相同的小部件，即线材，也是成立的。
最佳的而且最先进的设置包括采用导向器来使各线材(或类似物件)相互分开并引它们穿过线圈。这种导向器可以是开放通道的形式，并可是连续或断续的。然而，该导向器最好为平行连续管的形式。
导向器本身最好是电绝缘的，并可由陶瓷或其它耐高温材料制成。
下面将通过举例并借助附图，来对本发明的各方面的实施方案进行说明。在附图中
图1是包括连到中频发生器的多线感应线圈的加热装置的一般实施方案平面图;
图2是沿图1的A-A线取的感应器放大截面;
图3是沿图2B-B线取的放大剖视图，并显示了沿绕组长度方向的线圈绕组结构的一个最佳实施方案;
图4显示了线圈绕组结构的另一最佳实施方案;
图5a和5b更详细地显示了包括带有钎焊铜冷却管的铜带绕组的多线感应加热线圈装置的具体实施方案;
图6是具有标准组装部件设计并带有一系列并联接到电源的相同多线感应器的感应加热线原理图示;
图7a给出了根据本发明的方法同传统作法相比较的工作范围(磁场强度和磁导率)的曲线表示;图7b具有显示了测得的一般铁类线材与每米安培匝的关系特性曲线。
图8显示了为调节沿线材方向的纵向电压累积的各种可能的串联加热线圈装置;
图9显示了用于使沿感应加热线材轴向的电压累积最小的并联加热线圈设置的几种实施方案;
图10显示了多线感应加热部件设计的一种实施方案，它还包括改进的电源连接;
图11显示了能进行加热和均热及居里温度以上的加热的一些具体加热生产线配置。
参见图1，它给出了感应加热系统的一般情况，其中显示了由适当发生器2所提供的中(或高)频电流励磁的多线感应加热线圈1。发生器2的电路一般包括电源变压器(Tr)、三相可控硅整流电桥(Rf)、扼源圈(CH)、可控硅(Th1至Th4)控制频率电流发生部分和具有适当电容(以补偿与发生器电特性有关的负载阻抗)的电容矩阵(C)。
多条线材W连续地穿过扁感应器1，具体地说，各条线材都穿过不同的热和电绝缘管形导向器3。该导向器最好是具有适当横截面的陶瓷管，且在此处以同一平面内的一层排列方式设置，并为加热线圈绕组4所包围。对圆线材一般采用圆管，而对具有其它形状的线材，如扁平线材，可采用矩形横截面的管。线圈绕组可由实心高电导率铜线缆或带制作，但线圈外部结构要包括适当的冷却装置(如同线圈内部隔开但同绕组直接接触的水罩)也可采用内部水冷的空心铜绕组。
图2给出了与线材方向垂直的扁平多线加热线圈截面图，它清楚地显示了线圈绕组(4)、陶瓷管(3)和线材W的位置。
图3和图4通过显示加热线圈通过线材轴(沿图2中B-B线的)纵向截面，给出了进一步的细节。在图3中显示了一种实例方案，其中线圈绕组由借助钎焊在带形绕组外表面的连续铜管(6)进行水冷的实心铜带(5)组成。用这种铜绕组能够制作出非常扁的加热线圈，其感应器隧道内部高度甚至可低于20mm。
图4显示了由水冷铜管(7)组成的加热线圈，铜管(7)最好具有椭圆形、扁圆形或压扁的横截面，以便能卷绕成低高度(与内部的管形线材导向器排的外周边紧密配合的)感应器。在制作和使用该加热线圈时，重要的是使感应器高度尽可能接近内部的输送管，并在使用中使该高度在横向和纵向线圈方向上保持恒定。
在数种可能的多线线圈制作方法中，可选择下述方法。首先把铜导体绕在具有适当尺寸的型芯上，制成具有所希望的几何条件(高度、宽度、长度及每米匝数)的加热线圈。对该线圈进行消除应力处理以使其稳定，并覆以聚合或其它材料以使各感应器匝绝缘(例如，把该螺旋线圈象弹簧那样拉开，并将其浸入适当的漆中经硬化/干燥，再放开该螺旋线圈)。此后，为该螺线圈设置适当的机械固定装置，和必要的电路连接及冷却附属装置，也可借助刚性材料对该线圈绕组进行永久固定，例如可把它模制在适当塑料材料(环氧树脂等)或纤维粘结材料(如纤维粘合剂或纤维凝结物)中。
制出的感应器的内隧道空间中设有规定的多个适当引导通道，它可是多槽难熔板或多孔套筒，但在此场合它包括分别运送线材穿过感应器的陶瓷管3。
为进一步减小线材至绕组的热损耗，可在陶瓷管和铜绕组之间设置额外的绝热阻挡层，如云母片、难熔纤维毡等。在管形导向器发生意外断裂的情况下，该绝热层还可增加系统安全性，并消除线材同绕组直接接触的危险。
用适当紧固装置在线圈入口和出口处对插入该扁矩形感应器通道(具有比管径大几毫米的高度)的陶瓷管进行固定。当整个加热段由多个分离的相邻线圈组件构成时，陶瓷管可以在整个加热路径上连续，也可仅在一个线部件上延伸，随后通过适当的凸边得到与下一个组件相一致的连接。后一种设置的优点在于能迅速拆下破裂的管子和/或出故障的线圈部件，并由新部件替换。
图5更详细地显示了一种感应器，它包括两个具有相反绕组纵倾角(绕组方向在线圈中部8改变)的串联线圈部分。在此实施方案中，线圈绕组由带有钎焊上的冷却管6的铜带5制成，它在图5b的展开面图中得到了更详细的显示。该线圈长度约为2.4米，并包括37匝2mm×55mm的铜带。线圈内部高度为20-22mm，并在宽度小于60cm的感应通道中可装入36根外径15mm厚2mm的陶瓷管。这意味着在此情况下线材空隙约为15mm。当用更小的管子时，线材空隙可近一步降低，以增加感应器填充率。然而在生产线上，能达到的最小空隙还取决于某些实际考虑，例如把线材拉过很小的孔的困难-这会导致线断裂，小直径陶瓷管的合算性，线材纠缠的可能性等。当把感应加热工序包括在线材生产线中时，实际线材相互间距还会受到加热工序之前或之后的加工工序所能达到的最小间距的影响。
在图6中，图解显示了多线感应加热线，它包括一组分离线圈部件(1′)，它们每个都具有多线线圈的结构。如图6a所示，该线圈由椭圆形管状铜绕组7(大约10mm宽的36匝)组成。这里，借助几毫米厚的抗热绝缘层10把导体绕组同陶瓷管分隔开。在图6b中，线圈部件(1′)通过两条并行母线9并联接到上。由于与具有很长电源供应线的串联线圈部件相比，母线和加热线圈上的欧母和电感电压损耗可继持在低水平，所以这种设置对维持高水平(相对于配制的功率容量)的发生器有用负载量是非常有利的。
图7a显示了根据对几种铁类线村进行的磁性测量而得出的相对磁导率μr对所加磁场强度H的依赖关系(带A的是关于非合金低和高碳钢线材，曲线B是关于铁素高铬钢铬钢材)。所选的工作范围对应高于40-50，最好高于80并特别是在100至200之间的μr值。为达到这些条件，适当选择线圈设计(每米匝数)和励磁电流，以覆盖从3，000至35，000A/m，最好为5，000至20，000A/m，的广大工作范围。
应注意到，对于大于200的μr值，μr对H的某一改变的急剧变化会导致工作条件的不良波动。
这一结果同作为先有技术感应加热工艺的接近或超过饱和磁化Hs·的工作范围(μr远低于40并一般为10-20，如图7b所示)相差甚远。
采用该多线扁线圈并施加所限定的励磁条件，可以获得60%至90%(根据线材直径)的线圈效率，对于0.75-2mm的线材直径范围和8，000至25000Hz的发生器频率，一般为70%至85%。在所尝试的所有场合，总的实际能量效率(它还取决于实际发生器效率及其效率-负载曲线)都超过50%，而在大多数实际加工条件下，系统总能量效率在60至75%的范围中，这对于所考虑的线材直径是高得惊人的。
图8显示了用于减小电压累积的各种加热线圈设置，其中连续长线圈或者被分成至少两个按相反方向绕制的线圈部分(图8a)，或是整个加热段由不同数目的串联分立线圈部件组成(图8b-e)，这些线圈部件或是沿相反方向绕制并具有相同的瞬时电流流向(图8b)，或是以特定的方式同电源连接以致电流流向在某些线圈部件中相反(图8c-e)。线圈部件在绕制方向上也可是相反的。在图8中电流流向总是由箭头i表示。
图9表示了另一种设置，显示了被分成若干线圈部分或由多个分立线圈组件组成的感应加热器，它们并联连接到电源上，从而通过使电流方向或线圈方向或二者同时相反来减小沿线材的电压累积。
图9a和9b显示了分成两部分并带中心抽头的线圈。它可具有相同绕组(图9a)或相反的绕组(图9h)。箭头i给出了瞬时电源方向。在标准组装部件设计(图9c-d-e)中，可以在保持相同线圈部件绕组方向的情况下，一个部件一个部件(图9c)或一个部件组件一个部件组件(图9d)地改变电源方向，或象图9e所表示的那样同时改变绕组和电源方向，图9e显示了其中电源和绕组方向在两相邻线圈部件之间每次都同时相反的实施方案。
图8和9所示例子的最佳实施方案，是这些线圈绕组方向和电流同时相反的多线圈设置。以这种方式，可把线材和接地部件间的电势差有效压缩到可忽略的水平(最大1～5V)，并可大大减小加热段上的局部电势差。另外，由于反向设置还消除了在其它场合下会降低加热线有效加热能力的相邻线圈间相互作用，因此所有相继的线圈的安培匝都是起作用的。
在图10中，显示了多线圈组装部件(并联连接)的一个最佳实施方案一，其进一步的改进在于借助母线连接的新颖设计而使供电更有效，它包括两个具有适当形状(如U或L形剖面的)的并联异体汇流条，如三层复合汇流条，它们的间距很小(最大2mm)并由薄绝缘层隔开。该电源设置惊人的有益之处在于它不仅通过减小供电距离和有关的欧姆压降(通过至电源的并联抽头)而且特别通过压低或补偿沿供电汇流条和/或电源与线圈之间的感应场(和相联的压降)效应，而大大阻止了有效工作电压(发生器端电压与加热线圈连接上的有效电压的关系)的有害下降。
图10所示最佳实施方案是具有标准组装部件设计的感应加热线，它包括一系列并联连接到电源的多线线圈(1′)(线圈间电流反向)，它具有改进的母线设计，该母线设计包括带绝缘隔层12的两个U型并行导体11。该母线结构的另一优点是能够进行快速简便的标准线圈部件安装/替换。
图11中显示了两个另外的感应加热设置，用来进行特殊的热处理。图11a显示了用于加热和均热的加热线，包括具有阻抗Z1的第一组线圈和具有组抗Z2的第二组线圈，所有线圈最好都并联到同一发生器。阻抗Z2适于维持经线圈Z1的线性快速加热之后所达到的温度量值。当然其它的温度分布也是可行的。在图11b中，显示了把多条钢铁线材同时加热到居里点以上的最佳实施方案一。该感应线分别由中频加热段(连到发生器C1的线圈C1)和高频加热段(C2-G2)组成。如在所附的加热曲线图中原理地显示的，有效高温感应加热是可能的(只要能施加足够功率的高量值发生器频率)，并且整个加热段的大部分(直至大约760℃)仍处在最佳电效率。
另外显然的是，多线感应加热装置配备独立的陶瓷管形通道使得能采用保护气体环境。由于管径及所包含的气体体积小，因而气体消耗可保持在低水平。
下列例子将进一步显示出该最佳多线加热装置和方法的实际优点和通用性。
例1
用总长为4.6m的感应线圈同时加热36根直径1.2mm的钢铁线材。该感应器用100×2mm的铜带(由钎焊在带形绕组外表面上的10mm直径铜管进行水冷却)它包围具有22mm(高)×560mm(宽)扁矩形橫截面的感应器内通道。它包括36根用于分别引导各线材的陶瓷管(以平面平行方式)。该线圈分成分别为左旋和右旋的各有17圈的两部分。把200KW-10KH发生器连到线线圈上。可以把所有的线材均匀加热到高至700℃的温度，其速度可高至或超过50米/分。在一实际例子中，该多线感应加热器与韧化和镀锌加工设备配套使用，以便以大约40m/分的速度进行对铜的热扩散和钢铁线材的镀锌。
加热条件如下
感应场强度1.4～1.5×10A/m
相对磁导率μr＝95～100
线材净耗热70KW
发生器效率90.2%
线圈效率65～72%
总热效率60～64%
平均线材温度596℃
标准偏差14℃
(标准偏差与线材在加热线圈中的相对位置有关和由于电镀、清洗和干燥之后线材表面温度的轻微波动引起的线材间温度差别。)
沿线材纵向的最大电势差(线圈入口至出口)32V
线材至接地导向器卷筒的电压降26～29V
例2
用于把40根钢铁线材同时加热到高至700℃的温度的多线感应加热装置。该装置包括两个2.4m长0.62m宽的加热线圈。每个线圈都包含37圈55×2mm的实心铜带。它形成约20mm高的感应器通道，其中插入40根陶瓷管(外径14mm，内径10mm)。各个线圈分别连到80KW-25KH发生器上，37圈再分成右旋的18匝和左旋的18匝。该感应加热装置用来以35至65m/分的速度处理40根直径0.7至1.4mm的线材。在对已经过电镀和韧化的线材进行热扩散处理中，工作条件如下
1.04mm直径0.70% C的线材;
通过速度48m/分;
所加磁场强度8500～9000A/m
线材材料的相对磁导率μr140～160
工作频率20，600H
加热结果
消耗在线材中的加热功率66KW(发生器1+2)
加热线圈效率70～76%
总加热效率58～67%
平均线材温度585℃
平均偏差(40根线材)S＝12.3℃
加热线圈入口间线材上的最大电势差17V
线材相对接地卷筒装置的最大电压降15.2V
例3
在此例中，显示了多线感应加热系统在油淬火(马式体)钢线材(更具体地说是具有5×1mm橫截面的扁线材)回火方面的用途。为此设计出了2m长的感应组装部件，它由4个串联的0.5m线圈组成，每个都包括50圈铜管。
这些线圈同工作在25KH的40KW发生器连接。在加热隧道中，设置有10根具有16×10mm矩形橫截面(壁厚2mm)的管道，以使10根扁线材的每一根穿过各自的陶瓷通道。成型的线材在480℃下以10至25m/分的速度进行回火。线材温度的平均偏差小于10℃。
这种取代了传统铅浴回火的系统的优点特别在于它结果紧凑，并由于没有影响线材表面质量的铅污染而得到了清洁的加工环境，且总能耗大大降低-即向周围的热量流失可忽略;其优点还在于它是零热容量紧凑系统，无准备加热等。
为显示没有扁管陶瓷导向器的多线线圈的通用性，进行了同时加热多线带的试验，各带包括由粘结化合物粘在一起的10根0.5mm并行线材，该试验表明，完全可以在恒定温度(200至300℃)和高至300m/分的速度下对复合线材带进行干燥和处理。能量效率依照发生器类型和负载因素在55～70%之间(线圈效率高达80%)。
例4
在本例中，显示了多线加热线圈在不同加热应用中的通用性。不同线圈绕组材料被用来制作所需多线加热线圈。
在第一组试验中，10根线材的感应加热器设有整个加热长度为1至2mm的一或多个加热线圈。直径从0.5至2.0mm的钢铁线材被加热到750℃以下的不同温度。线材通过速度从20至100m/分。
采用了两种发生器，40KW-25KW装置和80KW-10KH装置。
线圈内高度为22mm，其间为一排直径为15mm的陶瓷管所填满。
在试验线圈绕组中有带外部冷却管的铜带，铜缆(7×4×0.3mm)，分层铜箔(20×0.2mm的10层)、实心铜带(20×2mm)，压扁铜管(10×6mm)。体功率密度Q(线材中的总热耗除以线材数目、线圈长度及线材橫截面积)在0.3至3KW/m·(mm)之间变化，并对由电源所提供的功率和(通过测定冷却水热容量而得到的)发生器损耗量及线圈损耗量计算出的实际加热效率进行比较。
试验的结论概述如下
＊借助多线感应加热线圈能以足够高的总加热效率对中小直径的线材进行快速加热。根据线材直径、速率(所加能量密度)和发生器类型，总效率为50～70%。
＊线圈效率高于65%，并在大多数情况下为70～80%(最低值对应最大能量密度3KW/m·(mm))。
对最大线材速度，改进的线圈设计(得到最佳能量密度状态的每米圈数和最佳长度)使线圈效率能增加5～15%。
＊与负载因数比较，发生器类型，特别是发生器效率曲线对获得改进的“总”能量效率是重要的。
＊150～250m/分的线材速度是完全可行的。
＊从原理上讲，在通过加上附加线圈组件并把所有线圈都并联连接到具有足够功率的电源，从而加大标准感应器组装部件的总加热长度的情况下，多线感应加热中的线材速度最大可提高到500m/分。
例5
在本例中，仍参见图8和9，对大量线圈放置进行研究，以便控制移动线材中的轴向感应电压累积。选择了4、5至5m的加热长度，并设置了连续线圈、或分离线圈、或标准线圈组件(与电源并联或串联连接)，从而改变绕组方向和/或电流相位。这些研究的出乎预料的结果是改变线圈部分或线圈组件中电流方向在控制和补偿纵向线材方向上的感应电压方面较采用相反绕组来改变磁能量方向有更大的效果和重要性。从理论上说，两种措施有类似的效果。然而我们发现，当给两个线圈部分或两个相邻线圈部件加上相反方向电流时，总加热容量得到了显著的降低。最佳的设置是同时使电流方向和绕组方向相反-我们发现，当采用一系列可替换线圈组件(并联连接到电源上)时，它在使用中会经惊人地有效。
下面给出了一些典型结果
线圈类型 电压
(总长度4.5-5m) A B
1)连续线圈 高至80V 50～70V
串 2)左旋和右旋绕制的分割线圈 33V 24～29V
联 3)两个如2)的分割线圈 20V 14～16V
连 4)4个线圈改变绕组方向 30～48V 5～15V
接 5)同4)但电流方向一次相反 16～20V 1.9～9V
6)同4)但电流方向三次相反 12～16V 1.8～2.5V
7)绕组方向相同的10个线圈， 20～30V 2～5V
并 第5和第6线圈之间电流
联 反向
连 8)所有线圈的电流和绕组方向 2～9V 0～1V
接 都相反
其中
A＝加热段的最大电势差。
B＝离开感应器的加入线材同接地卷筒装置之间的实际测得电压。
显然，可以进行许多修正，例如，对于给定的应用，在最适合的线圈结构、感应器隧道设计和工作通道结构等方面的选择。另外，前面描述的感应系统可设有适当的温度检测器和适当的电流调节装置，以使加工件经受自动控制的加热分布，例如，程序加热工艺过程。
虽然这些实施方案特别涉及到细线材，但该装置和方法可用于更厚的线材，如3至6mm直径更大的线材，亦可用于非铁类材料，如铜线、不锈钢线材或有非圆形横截面的形成材料。另外，能进行高温加热-比如高于居里点的温度(此时铁磁材料变成非磁性的)。该感应器结构和频率应适用各种具体目的。
现在，在不限制其更广阔方面的前提下，考虑本发明最佳实施方案的不同方面和优点，该装置能对若干部件进行加热，其中每个部件都经受沿其长度方向的相同加热分布，并沿不同绝缘通道被引过该装置，对独立通道进行适当的设置，以形成包含在普通感应器内空间中并为绕组所包的直平行通道的规则阵列。
本装置除了能量效率高和具有一致性，能够对小尺寸线材高速有效经济地进行加热之外，还能以适合的加热分布对各独立线材进行同等加热，并不必因一根线材的意外断开(即使是在很高的线材速度)而停止整个生产线，且防止了线材表面出现缺陷，如接触和/或打火印记。
最佳的感应加热装置包括用于以所需频率的可调电流对感应器进行供电和励磁的适当励磁装置，并进一步包括用于以相同可调速率把多个部件沿其各自的平行工作通道纵向输送到并穿过感应器加热线圈的运送装置，更具体地说，该装置设置由沿线材纵向相邻设置的多个线圈组成的扁形感应器，这些线圈形成具有适当长度并在其中包含所有工作通道的有扁矩形横截面的感应加热隧道。这些工作通道被设置成由紧挨的隔热通道组成的一或多个水平排，金属部件被分别引导并穿过这些隔热通道并沿其长度方向被加热到相同的规定温度。
从另一方面看，最佳装置包括用于感应加热金属线材的扁型感应加热装置，更具体地说，包括用于同时加热多条铁磁金属线材(例如到不超过其居里点即大约750℃的温度)的多线感应器，从而分别引导线材穿过最好以一层方式设置在感应器通道中的相同耐热通道，该通道延伸过感应器各加热线圈的全部区段。按多线线圈的一种可能的具体设计，通道可采用多孔陶瓷套筒的形式，并最好是以具有适当横截面的独立(可替换)陶瓷管的形式，这些陶瓷管按紧密排列的一层结构放置并由线圈绕组紧密地包围。
从进一步的方面看，最佳装置设有改进的感应器系统，用于以高能量效率(高于50%)和加大的线材容量(按线材类型和工艺，以10至高于100m/分的速度同时加热多至40根甚至更多的线材)来同时加热多根相同线材，该感应器生产线可由具有所需线圈长度的一个连续绕制线圈单元组成，或由若干具有较短长度的分离线圈组件(作为可替换部件)组成，这些分离线圈组件沿纵向设置在一起(按所谓组装组件设计)，并串联或并联连接以形成具有所需长度的多线加热通道，从而能够进行改进的功率输入并以所需的速率进行有效加热，并进一步能够通过线圈参数和励磁条件的最佳组合，使能量效率和线材通过速度大大高于先有技术的线材感应加热方法。线圈或线圈组件结构可以做成包含所有必要电气及冷却部件的整体预装组装部件的形式，在其中绝热线圈绕组被固定在电绝缘模制体中，或固定其它适当的机械装置中，以在使用中维持恒定的扁感应器隧道内高度，其中安装了多个可替换陶瓷管，以把各个线材沿平行的直通道从入口输送到出口，从而使陶瓷管能在整个加热段上连续延伸或只在每个线圈组件段落上连续而在一线圈部件至另一线圈部件之间间断，从而提供连续的线材通道。
根据一种最佳的特点，提供了线圈绕组及相继加热线圈同电源电连接的一种具体设置，以使沿感应加热线材长度方向的电压累积减至最小，并从而避免线材同导向或卷绕装置之间可能的打火。
另一最佳特点涉及发生器同工作线圈间的供电连接，对该连接进行了适当设计，从而大大减小了欧姆损耗，特别是感应电压损耗，以使实际有用功(线圈工作电压同发生器端电压的比值)保持在可能的最大值。相应地，提供了一种具有复合结构的母线连接，它包括两根相距很近的并行导体汇流条，并由薄绝缘层隔开所述汇流条，该复合母线与感应器纵向平行设置。这种母线，特别是同感应线圈相结合的这种母线，也可用于这里所公开的以外的场合。
根据最佳方法，提供了感应加热多条铁磁金属线材(如碳钢线材)的一种改进方法，该改进在于线圈几何结构和励磁条件的合宜选择，其中激励磁场被控制在3，000至35，000A/m的水平，且被加热线材的相对磁导率超过40～50，从而在不减小加热容量及线材通过速度的条件下使线圈损耗对给定线材直径达到最小。
在最佳实施方案中，提供了可靠而经济的方法和改进的多线感应装置，用于以高通过速度和高效率来均匀加热多条直径为0，3至3mm的碳钢材料，并在发生意外线材断裂时不用停止生产线，且不产生打火缺陷。
其特征在于特殊的感应器设计、灵活的线圈组件设计和改进的励磁装置的该最佳实施方案的一般优点是能以高速度进行无接触的，快速而经济的铁磁钢铁线材加热，该加热步骤可与前边或后边的线材处理工序独立或连续地进行(取决于线材工艺或多线加工设备的类型)，且该步骤可在速度上进行调节以同整个生产线的最佳加工速度相一致。
权利要求
1、在感应线圈(1)中感应加热细长钢铁部件(W)的方法，其特征在于适当调节磁场强度以使该部件的相对磁导率至少为40。
2、权利要求
1所要求的方法，其特征在于该相对磁导率至少为80。
3、权利要求
2所要求的方法，其特征在于该相对磁导率在100～200的范围内。
4、权利要求
1，2或3所要求的方法，其特征在于部件(W)是直径不大于5mm的线材。
5、权利要求
4所要求的方法，其特征在于线材直径在0.5至3mm的范围内。
6、前面任意一个权利要求
所要求的方法，其特征在于磁场强度在3000至35000A/m的范围内。
7、权利要求
6所要求的方法，其特征在于磁场强度在5000至20000A/m的范围内。
8、前面任意一个权利要求
所要求的方法，其特征在于励磁电流频率在5至30KH范围内。
9、前面任意一个权利要求
所要求的方法，其特征在于使多个细长钢铁部件(W)在连续加工过程中沿并行通道穿过感应线圈(1)。
10、权利要求
9所要求的方法，其特征在于线圈(1)具有大致扁的橫截面，在其中部件(W)排列成排。
11、权利要求
10所要求的方法，其特征在于以为线圈绕组(4)所紧密包围的平面阵列的方式设置了一排部件(W)。
12、权利要求
10或11所要求的方法，其特征在于部件(W)穿过绝热导向器(3)。
13、前述任意一个权利要求
的方法，其特征在于各个部件(W)都通过至少两个相连线圈段(1′)，在相连线圈段之间线圈绕组方向和/或励磁电流相位相反。
14、权利要求
13所要求的方法，其特征在于在相邻线圈段(1′)之间线圈绕组方向和励磁电流相位都相反。
15、带有其中放置有部件(W)的线圈(1)的感应加热装置，其特征在于设置了至少两个相邻线圈段(1′)，相邻线圈段间线圈绕组方向和/或励磁电源相位相反。
16、权利要求
15所要求的装置，其特征在于在相邻线圈段(1′)之间线圈绕组方向和励磁电源相位部相反。
17、权利要求
15或16所要求的装置，其特征在于线圈段(1′)通过包含两根并行导体的母线连接到励磁电源，这两根并行导体借助一绝缘层而被隔开很小的距离并与线圈段(1′)的轴线平行地延伸。
18、感应加热装置，它包括其中将要放置有多条细长部件的线圈(1)，其特征在于该线圈具有大致扁的横截面，细长部件在其中将成排设置。
19、权利要求
18所要求的装置，其特征在于设置了装置(3)，用于接收被线圈(1)的绕组(4)所紧密包围的平面阵列形式的单行部件(W)。
20、权利要求
19所要求的装置，其特征在于用于接收部件(W)的装置(3)包括多个平行导向器。
21、权利要求
20所要求的装置，其特征在于导向器(3)是管形的。
22、权利要求
20或21所要求的装置，其特征在于导向器(3)由绝缘材料制成。
23、权利要求
18至22中任一个所要求的装置，其特征在于线圈(1)的绕组(4)基本上是扁的。
24、权利要求
18至23中的任一个所要求的装置，其特征在于线圈(1)以权利要求
15、16或17中的任何一个所要求的线圈段(1′)的方式设置。
25、权利要求
15至24中的任何一个所要求的装置，其特征在于设置了励磁装置(2)，用于以5至30KH范围内的频率对线圈进行励磁以提供5至20KA/m范围内的场强。
26、用于在其长度上把多个细长加工件同时感应加热至大致相同的温度的装置，所述加工件在其各自的长度上具有基本均匀的横截面，所述装置包括运送装置，用于沿多个类似工作通道以相同的预定均匀速率沿纵向运送所述加工件;包括一个或多个细长相邻加热区的感应加热装置，各所述相继加热区包括入口端和出口端并沿纵向设置在所述多条工作通道周围以形成具有规定长度的线形加热通道;驱动装置，用于把所述感应装置驱动到规定的可调励磁量级;其特征在于所述感应器的加热区是由多通道感应器线圈提供的，其电绕组在各线圈段上整个地包围着该多条工作通道，其特征还在于包含在各线圈内的所述工作通道被设置成规则堆放的彼此相距很近的独立导向通道的形式，从而使各加工件被独立且电绝缘地沿其各自的通道运送。
27、权利要求
26所要求的方法，其特征在于所述工作通道是平行的并沿感应线圈的相同大致直线方向连续延伸且其中至少包含在各感应器线圈隧道中的工作通道段是电绝缘通道。
28、权利要求
27所要求的装置，其特征在于所述平行工作通道被设置于在由相继线圈组成的整个纵向加热段上延伸的水平面中，且其中包含一层所述绝缘导向通道，它从各独立感应线圈的入口至出口都是连续的，也可以连续地延伸过构成整个加热段的所有线圈。
29、权利要求
26、27或28所要求的装置，其特征在于包含在感应器隧道中的工作通道结构是由适当耐热电绝缘材料构成的整体结构，例如包括所需多个独立导向通道的整体耐热套筒或有槽陶瓷片。
30、权利要求
26、27或28所要求的装置，其特征在于导向通道包括插入感应器隧道的各别的相同陶瓷管。
31、权利要求
26所要求的装置，其特征在于感应加热装置包括一或多个具有扁矩形形状的加热线圈，它紧密包围着用于独立引导线材穿过该感应器隧道的多个紧密组合的相同陶瓷管，其中所述隧道沿感应器纵向有恒定的高度和橫截面。
32、权利要求
31所述的装置，其特征在于在线圈绕组和陶瓷管平面阵列之间设有适当厚度的附加隔热层。
33、权利要求
31或32所要求的方法，其特征在于电绝缘线圈绕组是由从包括线材、缆线、带、多层薄带、铜管等的一组导体材料中选出的高导电率铜制作的，所述导体具有适当橫截面以承载所需电流密度并能制成具有最小有效感应器高度的扁线圈。
34、权利要求
33所要求的方法，其特征在于绕组由实心铜制成并在包围该加热线圈外周边的水套中直接冷却，其内周边借助适当片材与感应器隧道密封。
35、权利要求
33所要求的装置，其特征在于线圈绕组由铜带导体制作，沿其连续卷绕段的外表面钎焊着水冷却铜管。
36、权利要求
33所要求的装置，其特征在于线圈绕组由具有适当几何结构的水冷却空心铜导体制成，如园管、压扁的园管、椭圆形管等，它能制成具有所要求低高度的扁绕组。
37、权利要求
26至36中任一个所要求的装置，其特征在于借助适当机械固定装置或为线圈设置由模制塑料、纤维粘结材料等固定模制出的外套，使线圈绕组及相关的感应器高度尺寸得到稳定。
38、权利要求
26至37中任一个所要求的装置，其特征在于全部加热段包括若干并联或串联连接到电源的独立线圈部件，或设置成由一个或多个线圈部件组成的一或多组，每组都带有独立的电源，从而使各组的线圈都并联或串联连接到其各自的电源。
39、权利要求
26至38中的任一个所要求的装置，其特征在于它包括用于防止沿感应加热加工件纵向的过度电压累积的适当装置。
40、用于加热多条铁类线材的感应器加热线圈装置，其特征在于总感应段被分成各别的线圈部分，或由独立线圈部件组成，某些线圈部件具有相反的绕组角度和/或绕组方向，或其特征在于总感应器段被分成以适当方式彼此相连并与电源相连的线圈部分，以致使某些线圈部分中的电流方向相反，从而减小或抑制沿线材方向的电压累积的发生。
41、权利要求
40所要求的方法，其特征在于在相邻线圈部分或部件之间，线圈绕组方向和电流方向同时相反，从而把纵向电势差减小到基本无害的水平并同时在整个加热段上把磁场维持在同一方向。
42、权利要求
40所要求的装置，其特征在于放置了一系列长度较短的相同加热线圈部件，它们组成了具有所需长度的整个加热区，且线圈部件并联连接到它们各自的电源上，从而使电流方向和线圈绕组方向在两个相邻线圈部件间每次都同时改变，其特征还进一步在于借助具有低感应电压降的母线连接而设置了公共电源，该母线连接包括由不超过2mm厚的薄绝缘层隔开的两根并行导体汇流条或板。
43、用于把在其长度上延伸的多根铁类线材同时感应加热至大致相同温度的方法，其特征在于下列步骤
(a)在公共感应器通道中设置沿同一直线方向延伸的，彼此间距紧密并电绝缘的多条平行纵向工作通道;
(b)设置一或多个匝感应器，它们以头尾相接的方式成一直线地设置，且其线圈绕组共轴设置在所述多条工作通道周围;
(c)以预定恒定速率把各个线材纵向地沿各工作通道送至并使之穿过所述感应器;
(d)在所述线材通过所述感应器的同时把所述感应器激励至预定的励磁水平，其中对0.5至3m直径的线材电流频率在几千至大于50000H的范围内，最好在5000至30000H。
44、权利要求
43所要求的方法，其特征在于所述线材沿处于水平面内的平行工作通道通过，这些工作通道由在一个平面内紧密排列的陶瓷管构成，形成由各加热线圈的线圈绕组所围绕的基本上为矩形的扁多线感应器隧道。
45、权利要求
43或44所要求的装置，其特征在于多个加热线圈同具有足够功率的一个频率发生器的电源相并联或串联连接，或是分成组并且各组都与独立的发生器相连接。
46、权利要求
45的方法，其特征在于各加热线圈都有适当的阻抗并以适当方式连到一或多个电源上以在其加热段上产生出包括基本线性上升至预定温度水平的第一阶段和受控维持在所述温度的第二阶段的加热分布。
47、权利要求
43至46中任一个所要求的方法，其特征在于对线圈设计及励磁条件的组合进行适当调节以使所述线材的相对磁导率处于不小于50、较好大于80且最好在80～100至150～200的范围内的水平。
48、权利要求
47所要求的方法，其特征在于所加激励磁场选在从3000至35000安匝/m，最好在从5000至20000A/m的范围内。
49、权利要求
43所要求的方法，其特征在于先用5000至50000H的中频电源将线材加热至略低于居里点的温度，并在于接用连接到至少50000H的高频发生器的第二多线感应器继续提高线材的温度。
专利摘要
细(如0.5至3mm直径)钢铁线材(W)在连续加热工序的感应加热中，采用了较低，如小于20,000A/m，的场强，但使相对磁导率μr达到40以上。线材穿过围着一排引导并隔离线材的陶瓷管而绕成的线圈部件(1)。以高至30KH的频率对线圈绕组进行励磁。在相连线圈部件或线圈绕组之间绕组方向或电流相位发生改变，以减小沿线材的电压累积。
文档编号C21D9/60GK86101419SQ86101419
公开日1986年9月24日 申请日期1986年3月6日
发明者格德弗里德·万尼斯特, 迈克尔·尼恩克 申请人:贝克特股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan