一种L形线圈绕组及感应器的制作方法

本发明属于连铸冶金技术领域，具体涉及到一种用于对铸坯棱角部加热的l形线圈绕组及感应器。

背景技术：

随着技术的发展，连铸冶金技术有了很大的提升。但随着工业技术的进步和市场的需要，对钢材质量提出了更高的要求。由于铸坯棱角部的二维冷却传热效应，铸坯棱角部温度下降速度明显高于铸坯中间温度下降速度，一般情况下，铸坯棱角部和中部温差会达到150℃以上，导致铸坯进入拉矫机的实际温度可能低于800℃。铸坯棱角部相对过冷状态之下发生金属学相位脱离，结合铸坯中线上部辊列轻压下作用，引发压缩反应，内部应力增加。当出现因铸坯棱角部冷却强度过大导致棱角部温度过低，容易使nb、cr，以及al等微合金元素形成的氮化物在晶体上析出，铸坯降至高温低塑性区，进而在晶界处和铸坯棱角部形成细微裂痕。

当铸坯棱角部温度降至脆化温度（一般为700-900℃）范围时，严重影响铸坯的塑性。在铸坯拉矫过程中，会因为铸坯棱角部温度过低，细微裂痕处产生应力集中，棱角部裂痕得到进一步发展，最终导致铸坯棱角部产生横裂纹，降低钢材质量和成材率，提高生产成本。

针对铸坯边、角裂纹产生机理，有效控制方法是在铸坯进入水平段前对棱角部进行加热，使铸坯在进入矫直段时，其棱角部和中间部位的温度均避开脆性温度区，上升至不引发脱碳、淬性增加的温度1100-1150℃，以改善或避免铸坯边角裂纹。

目前常用的对铸坯棱角部加热的主要有燃气加热和电磁感应加热两种，一部分技术仅适用于对铸坯边部进行加热，如中国专利cn203791353u，还有一些技术并不能直接对棱角部进行加热，其主要加热部位为边部中心区域和靠近棱角部区域，靠这些部位将热量传递到棱角部，造成能源浪费，甚至导致铸坯其它部位过烧。如中国专利cn111001770a。

技术实现要素：

针对现有技术中仅能对铸坯边部中心区域和靠近棱角部区域进行加热再靠这些部位将热量传递到棱角部而造成能源浪费的问题，提供一种l形线圈绕组及感应器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种l形线圈绕组，所述l形线圈绕组包括r层第一线圈子结构、r层第二线圈子结构，第r层第一线圈子结构、第r层第二线圈子结构分别为由对折线隔开的对折后的第r个多匝螺旋线圈的两部分，对折后的第r个多匝螺旋线圈的整体形状为l形；l形的第r+1个多匝螺旋线圈设置在l形的第r个多匝螺旋线圈的远离开口一侧，各个多匝螺旋线圈依次叠放形成所述l形线圈绕组，相邻两个多匝螺旋线圈串联连接，各个多匝螺旋线圈的绕设方向相同，r=1,2,……,r-1；所述l形线圈绕组中，各层第一线圈子结构的线圈平面相互平行且平行于该l形线圈绕组的第一平面，各层第二线圈子结构的线圈平面相互平行且平行于该l形线圈绕组的第二平面；存在l形线圈绕组的第三平面，使得该l形线圈绕组的第一平面、第二平面均垂直于该l形线圈绕组的第三平面；l形线圈绕组的第一平面、第二平面的夹角范围为[45°，135°]。

本发明中，通过第一线圈子结构、第二线圈子结构的布置，从而形成所需磁场，从而可以对铸坯棱角部直接进行加热的磁场，避免能源浪费。转折部与铸坯棱角部接触或具有一定间距。本申请中，对折而成的第一线圈子结构、第r层第二线圈子结构可以保证较好的相对位置，如果希望将第一平面、第二平面的夹角调整到某个值，则仅需调整对折的角度，而无需单独调整两个线圈子结构的位置。而且，如果希望设置多层，则将l形的第r+1个线圈单元设置在l形的第r个线圈单元的远离开口一侧，从而将各个线圈单元依次叠放即可形成l形线圈绕组，加工方便，且可实现较好的角度精度。

进一步地，定义第一方向为垂直于第三平面的方向；r层第一线圈子结构、r层第二线圈子结构在第一方向上的投影不小于50cm。通过设置r层第一线圈子结构、r层第二线圈子结构在第一方向上的投影长度不小于50cm，使得l形线圈绕组可以对铸坯长度方向上较长尺寸的铸坯棱角部进行加热，从而提高加热效率。

进一步地，所述第一平面、第二平面的夹角范围为90°。

本发明还提供一种感应器，所述感应器具有非磁性外壳，所述非磁性外壳具有n个转折部，定义形成转折部开口的非磁性外壳的两个壁面分别为该转折部的第一壁面、第二壁面，所述非磁性外壳内腔对应每个转折部的位置均设置有如上述任一项所述的l形线圈绕组，所述l形线圈绕组沿对应转折部的转折方向设置，所述l形线圈绕组开口的朝向与对应转折部开口的朝向相同，所述l形线圈绕组的第一平面、第二平面分别平行于对应转折部的第一壁面、第二壁面。

进一步地，所述非磁性外壳为具有1个转折部的l形结构，或为具有2个转折部的u形结构，或为具有4个转折部的回字形结构。

进一步地，所述非磁性外壳内腔中还容纳有铁芯；所述铁芯与非磁性外壳的壁面围成与该非磁性外壳的转折部数量相同的l形腔体，所述l形腔体与对应转折部的夹角相同；所述l形腔体靠近对应转折部开口设置且容纳有对应l形线圈绕组。

本申请中，通过设置铁芯，可以实现较好的磁场效果。由于铁芯与转折部的第一壁面、第二壁面围成与该转折部对应的l形腔体，使得对铸坯加热时，由于铁芯的包裹，从而避免了l形线圈绕组产生的磁场的漏磁现象。

进一步地，所述铁芯与每个转折部的第一壁面、第二壁面围成与该转折部对应的l形腔体。

进一步地，所述l形线圈绕组与对应转折部的第一壁面、第二壁面之间均设置有非磁性隔热板。

进一步地，所述非磁性外壳内还设置有散热装置。

进一步地，所述非磁性外壳内壁面上设置有冷却管道，所述冷却管道包括沿与第一方向平行的方向设置的q个延伸部和q-1个用于将相邻的延伸部连通的连接部，q≥3，所述线圈为通有冷却液体的铜管，所述冷却管道、铜管构成所述散热装置。

本发明中，通过冷却管道中冷却水的流动，带走铸坯对第一线圈子结构、第二线圈子结构和非磁性外壳产生的辐射热，以及第一线圈子结构、第二线圈子结构自身发热产生的热量，使得第一线圈子结构、第二线圈子结构的温度得到有效控制，减少了第一线圈子结构、第二线圈子结构温度升高带来的能源浪费，避免了较高温升造成第一线圈子结构、第二线圈子结构烧毁，提高了设备在高温工况下的可靠性和稳定性。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1）采用电磁感应加热技术，和传统采用燃气加热技术相比，具有加热速度快、能耗低、成材率高、氧化皮少、环境污染小、易于控制等优点；

2）加热目标明确、适用性强：由于本发明采用l型感应器的结构特点，l型线圈绕组沿铸坯棱角部分布，将被加热铸坯棱角部边角包囊在感应器内部，使l型线圈绕组形成的主磁路位于铸坯棱角部，不仅能满足边部加热，还能实现真正意义上的棱角部加热，改变了以中部带动棱角部温升的思路，不仅避免能源浪费，且从根本上解决棱角部开裂问题；

3）可靠性高：在非磁性外壳内表面布置有沿感应器长度方向呈“s”型排布的空心铜管，且l型线圈绕组采用铜管绕制，在两者内部通有一定压力的低电导率冷却水，降低感应器温度，使感应器能在高温工况下可靠运行；

4）模块化设计、针对性强：根据工艺要求，针对具体棱角部和边部裂痕出现位置和情况，可在对应棱角部安装l型感应器，灵活组合感应器，有针对性地解决边角裂痕，减少能源损耗；同时，可根据连铸线具体流数，灵活组装添加感应器，模块化设计，结构紧凑，安装灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是l形感应器第1种实施方式的结构示意图；

图2是图1中l形线圈绕组的折叠方式示意图；

图3是u形结构的感应器的非磁性外壳及l形线圈绕组的结构示意图；

图4是本发明实施例中采用如图1所示l形传感器的铸坯加热装置的磁路分布示意图；

图5是本发明实施例中采用如图1所示l形传感器的涡流在铸坯表面的分布示意图；

图6是铸坯经过采用如图1所示l形传感器的本发明的铸坯加热装置加热前后温度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种l形线圈绕组，l形线圈绕组用于对铸坯棱角部加热。所述l形线圈绕组4912包括r层第一线圈子结构4912a、r层第二线圈子结构4912b，第r层第一线圈子结构4912a、第r层第二线圈子结构4912b分别为由对折线隔开的对折后的第r个多匝螺旋线圈的两部分，对折后的第r个多匝螺旋线圈的整体形状为l形；l形的第r+1个多匝螺旋线圈设置在l形的第r个多匝螺旋线圈的远离开口一侧，各个多匝螺旋线圈依次叠放形成所述l形线圈绕组4912，相邻两个多匝螺旋线圈串联连接，各个多匝螺旋线圈的绕设方向相同，r=1,2,……,r-1；所述l形线圈绕组4912中，各层第一线圈子结构4912a的线圈平面相互平行且平行于该l形线圈绕组4912的第一平面，各层第二线圈子结构4912b的线圈平面相互平行且平行于该l形线圈绕组4912的第二平面；存在l形线圈绕组4912的第三平面，使得该l形线圈绕组4912的第一平面、第二平面均垂直于该l形线圈绕组4912的第三平面；l形线圈绕组4912的第一平面、第二平面的夹角范围为[45°，135°]。

在一种优选实施方式中，定义第一方向为垂直于第三平面的方向；r层第一线圈子结构4912a、r层第二线圈子结构4912b在第一方向上的投影不小于50cm。

在一种优选实施方式中，所述第一平面、第二平面的夹角范围为90°。

本发明还提供一种感应器，所述感应器具有非磁性外壳4911，所述非磁性外壳4911具有n个转折部，定义形成转折部开口的非磁性外壳4911的两个壁面分别为该转折部的第一壁面4911a、第二壁面4911b，所述非磁性外壳4911内腔对应每个转折部的位置均设置有如上述任一项所述的l形线圈绕组4912，所述l形线圈绕组4912沿对应转折部的转折方向设置（即l形线圈绕组4912围绕对应转折部设置），所述l形线圈绕组4912开口的朝向与对应转折部开口的朝向相同，所述l形线圈绕组4912的第一平面、第二平面分别平行于对应转折部的第一壁面4911a、第二壁面4911b。

本发明的感应器优选安装在连铸线二冷之后、拉矫之前的区域。

在一种优选实施方式中，所述非磁性外壳4911为具有1个转折部的l形结构，或为具有2个转折部的u形结构，或为具有4个转折部的回字形结构。

在一种优选实施方式中，所述非磁性外壳4911内腔中还容纳有铁芯4914；所述铁芯4914与非磁性外壳4911的壁面围成与该非磁性外壳4911的转折部数量相同的l形腔体，所述l形腔体与对应转折部的夹角相同；所述l形腔体靠近对应转折部开口设置且容纳有对应l形线圈绕组4912。

在一种优选实施方式中，所述铁芯4914与每个转折部的第一壁面4911a、第二壁面4911b围成与该转折部对应的l形腔体。l形腔体优选为l形封闭腔体。

在一种优选实施方式中，所述l形线圈绕组4912与对应转折部的第一壁面4911a、第二壁面4911b之间均设置有非磁性隔热板4915。

在一种优选实施方式中，所述非磁性外壳4911内还设置有散热装置。

在一种优选实施方式中，所述非磁性外壳4911内壁面上设置有冷却管道4913，所述冷却管道4913包括沿与第一方向平行的方向设置的q个延伸部121和q-1个用于将相邻的延伸部121连通的连接部122，q≥3，所述线圈为通有冷却液体的铜管，所述冷却管道4913、铜管构成所述散热装置。

当第i流连铸线上的铸坯50被加热时，铸坯50通道穿过各个感应器之间的区域，感应器的各个转折部均从铸坯50通道侧面包裹铸坯50的转角区域，转折部与铸坯表面接触或有一定间距。

感应器由非磁性外壳4911、第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b、空心铜管4813、铁芯4914、l型绝缘非磁性隔热板4915组成。

所述铁芯4914采用硅钢片叠压拼接而成，可有效减小交流激励下铁芯内部的涡流损耗和磁滞损耗，提高能源利用率。铁芯4914可由两个l形结构组成，其中，一个l形结构一个壁面、另一个l形结构一个壁面分别平行于第一壁面、第二壁面，一个l形结构另一个壁面位于所述一个l形结构一个壁面与第一壁面之间，另一个l形结构另一个壁面位于所述另一个l形结构一个壁面、第二壁面之间。

所述第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b由空心紫铜铜管绕制成l型，固定在铁芯4914拼合而成的凹腔内，凹腔开口朝向被加热铸坯。由于凹腔开口朝向被加热铸坯50，极大减小了l型铁芯4914和铸坯50之间的间隙，有利于凹腔内第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b所产生的磁场磁力线495穿过铸坯50内部，在铸坯50内部形成主磁路，有效减少空气漏磁和磁能在气隙中的损耗。

如图4所示，通过采用l型的非磁性外壳4911、铁芯4914，以及l线圈绕组4912，将被加热铸坯50边角包囊在l型的非磁性外壳4911内部，使第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b产生的第一磁力线495a位于铸坯棱角部，实现真正意义上对铸坯棱角部加热的目的。同时，对于长宽比较大的铸坯50，窄边散热也会比较快，通过在铸坯窄边两边角布置l型的感应器即可满足对棱角部加热的同时，对边部也可进行加热，扩展了设备的适用范围。图4所示铸坯50即为铸坯截面。

所述l型绝缘非磁性隔热板4915采用绝缘、具有一定结构强度，高温性能好、耐高温、不导磁但磁力线可穿透的特种陶瓷材料加工而成。l型绝缘非磁性隔热板4915布置在第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b内表面，良好的隔热性可有效隔断热铸坯对第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b的强烈热辐射。另外，所述非磁性外壳4911内表面布置有沿感应器长度方向呈“s”型排布的冷却管道4913。在第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b铜管和非磁性外壳内表面冷却管道4913里面通有冷却系统提供的压力为0.3mpa-0.4mpa的低电导率冷却水。通过冷却水的流动，带走铸坯对第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b和非磁性外壳4911产生的辐射热，以及第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b自身发热产生的热量。

在l型绝缘非磁性隔热板4915和铜管冷却水的共同作用下，第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b的温度得到有效控制，减少了第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b温度升高带来的能源浪费，避免了较高温升造成第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b烧毁，提高了设备在高温工况下的可靠性和稳定性。

所述铁芯4914与转折部的第一壁面4911a、第二壁面4911b围成与该转折部对应的l形腔体。由于第一壁面4911a、第二壁面4911b与铸坯相邻的两个面接触，且铁芯与第一壁面4911a、第二壁面4911b围成容纳l形线圈绕组的l形腔体，从而可以防止漏磁。

如图1所示为l形线圈绕组的一种形式：第r层第一线圈子结构4912a、第r层第二线圈子结构4912b是由在平面上绕设的第r个多匝螺旋线圈对折形成，第r层第一线圈子结构4912a、第r层第二线圈子结构4912b分别为由对折线分成的第r个多匝螺旋线圈的两部分，第r层第一线圈子结构4912a、第r层第二线圈子结构4912b组成整体形状为l形的第r个线圈单元，l形的第r+1个线圈单元设置在l形的第r个线圈单元的远离开口一侧，各个线圈单元依次叠放形成所述l形线圈绕组4912，相邻两个线圈单元串联连接，各个线圈单元的绕设方向相同，r=1,……,r-1。第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b是绕制好之后，嵌入铁芯4914内腔。线圈类似于同心螺旋结构，在绕制好之后沿直径方向折成90°。线圈是嵌在铁芯一侧的凹槽里面。线圈绕制时的结构如图2所示，在绕制完成之后再沿中心线（折叠线）对折成90°。

加热单元的各个感应器的非磁性外壳4911可为具有1个转折部的l形结构，如图1所示实施方式，其中转折部个数ni=1；加热单元的各个感应器的非磁性外壳4911也可为具有2个转折部的u形结构，所述u形结构开口朝向方向与ox方向或第二方向平行，所述u形结构开口形成容纳区域，如图3所示为u形结构开口朝向方向与第二方向平行的情况，其中转折部个数ni=2；加热单元的各个感应器的非磁性外壳4911也可均为具有4个转折部的回字形结构，所述回字形结构开口形成容纳区域。

l型感应器和铸坯50之间上、下、左、右的距离以30mm为标准：间隙过大则气隙磁阻较大，能量利用率低，造成能源浪费；过小则铸坯无法顺利穿过感应器，导致铸坯会撞击感应器，对感应器造成损坏。电源系统在第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b上施加一定频率的电流，通电后的第一线圈子结构4912a、第二线圈子结构4912b产生按相同频率变化的交变磁场，交变磁场穿过铸坯50棱角部以及两平面，在铸坯50棱角部产生感应涡流501，如图5所示。涡流501损耗转化为热能，实现对铸坯50棱角部的加热。铸坯50穿过感应器之后完成对其棱角部的加热。

本发明利用电磁感应加热技术，进行在线边部和真正意义上的棱角部快速、高效加热。

本系统主要的加热对象是棱角部，以此解决棱角部温度和中心温度差所带来的问题；但对于断面尺寸规格较小的铸坯，本系统也可在加热棱角部的同时，直接加热中心区域，或通过棱角部热传导的形式加热中心区域。

如图6所示，在铸坯长度方向上选取一段位置放置本申请的铸坯加热装置，即放置在y坐标为500-1000mm的位置，并对铸坯棱角部位置的温度进行测量，其中y坐标为铸坯长度方向。针对某一规格铸坯50，未采用本申请的铸坯加热装置时，铸坯棱角部温度约为800°c，而经过本申请的具有l形线圈绕组的感应器加热之后，将铸坯棱角部温度从800℃时，提升至接近1150℃，其效果十分显著，完全可满足连铸工艺要求，有效避免了棱角部裂痕的产生。同时，采用具有l形线圈绕组的感应器的连铸线相比未采用具有l形线圈绕组的感应器的连铸线，后续工艺生产成本大约可节省70~80%。根据图4、图5所示，铸坯50有4个棱角部，在试验中可以发现，仅在上方两个棱角部设置两个l形感应器时，上方两个棱角部温度较高，而下方两个棱角部因未设置l形感应器，因此温度较低。

以上显示和描述本发明的基本原理、主要特征和优点。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。