CN109971928B - 一种板坯感应加热装置 - Google Patents

Abstract

一种板坯感应加热装置及方法，属于加热设备领域。加热装置包括多组电磁感应加热器和支撑平台，电磁感应加热器包括通钢孔、电磁感应线圈、磁通集中器、保温层、绝缘层的封装箱。电磁感应线圈采用空心矩形铜管按U形和倒U形连续绕制而成，同时上下面布置的电磁感应线圈纵向电流方向相同，可对板坯同时实现横向磁通感应加热和纵向磁通感应加热。支撑平台用于固定电磁感应加热器，并根据板坯厚度的不同，通过外接升降装置上下移动支撑平台使通钢孔的中心与板坯的中心处于同一水平线，保证板坯对中。本发明装置可对板坯同时实现横向磁通感应加热和纵向磁通感应加热，加热均匀且效率高，节约能源，减少了采用煤气等加热造成的废气排放，方便安装和操作，占地少，投资少。

Description

一种板坯感应加热装置

技术领域

本发明属于加热设备领域，特别涉及一种板坯感应加热装置。

背景技术

感应加热是通过把电能转化为磁能，使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式。其原理是感应加热电源产生的交变电流通过感应器(即感应线圈)产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的电流(即涡流)，涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。电磁感应加热具有高效节能、快速加热、运行可靠、降低成本等优势，被广泛应用于冶金、机械加工、轻化工等领域。

目前市场上主要有两种感应加热方式，一种是纵向磁通感应加热，另一种是横向磁通感应加热。纵向磁通感应加热是电磁感应线圈环绕导磁性物体，形成沿着物体横截面外壁流动的涡流，环流上每一点的电流密度是相等的,实现均匀加热。为了保证加热效率和避免集肤效应的影响，要求板坯厚度与渗透深度的比值≥3，这样会导致供电频率非常高，电磁损耗大和增加辐射危险性。由于板坯(包括连铸坯、中间坯和板带钢)在加热过程中，板坯的宽厚比大，四个棱角及其临近区域温度较低，造成加热后带钢中心与边部温差大，可达50℃以上，表面温度分布均匀性差；同时由于目前纵向磁通感应加热不具备调节上下位置功能，导致不同厚度板坯上下部分出现温度差，可达40℃以上，最终横截面呈“三明治”式组织，影响成形性能，故纵向磁通感应加热更适用于固定尺寸的小方坯、圆坯、圆管、棒材等。而横向磁通感应加热的感应线圈不环绕板坯，磁线垂直穿过板坯的上下表面，涡流在板坯表面流动，可以使用一个较低的频率，受边缘效应的影响，角部及其边缘部位加热不均匀。对此，有研究者对横向感应线圈的形状进行了优化，开发了改进型和新型感应线圈，但受邻近效应的影响，仍不能完全消除板面温度不均匀，且热效率低；同时侧面不能加热，受集肤效应的影响，导致厚度方向温度不均，可达30℃以上，需要采用边角感应加热器等进行补热。板坯温度的不均匀性，导致在后续的轧制或成形过程变形抗力的差异、组织的差异以及宽展的差异，严重影响板坯的内部质量、成形性能和形状尺寸精度。

以上两种感应加热方式各有自身的特点，但也存在不足，特别是温度分布不均匀性问题和加热效率偏低等问题，同时为了更好利用或解决电磁感应加热的集肤效应、边缘效应、圆环效应和邻近效应，导致设备和控制更加复杂，移植性差。对此，各国学者、研究人员以及工业界一直不断努力和探索，试图找到更合理的感应加热装置，达到加热均匀、降低成本、提高效率、简化工艺和设备、易于移植等目的，从而推动感应加热装置在各行业的应用，替代传统的隧道式加热炉或常规电热炉等，起到节能减排作用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有感应加热装置和方法上存在的工件加热不均匀、供电成本昂贵、热能散失大、加热效率低、移植性差等问题。

一种板坯感应加热装置，其特征在于：包括多组电磁感应加热器和支撑平台；支撑平台用于固定电磁感应加热器，并通过外接升降装置实现板坯感应加热装置的上下位置移动，使电磁感应加热器通钢孔的中心与板坯中心处于同一水平线。

进一步地，所述板坯包括连铸坯、中间坯和板带钢。

进一步地，电磁感应加热器包括通钢孔、电磁感应线圈、磁通集中器、保温层、绝缘层的封装箱；电磁感应加热器功率为0.5-5MW。通钢孔被电磁感应线圈环绕，利用电磁感应实现对板坯均匀加热；磁通集中器布置在远离板坯的电磁感应线圈***，起到防止磁力线外溢作用；保温层包裹在磁通集中器***，起到防止热量散失作用；绝缘层处于最外层，起到绝热、绝辐射、绝缘和保护作用。这种整体多层封装模式，便于电磁感应加热器的制造、吊运和安装等。

进一步地，电磁感应线圈采用空心矩形铜管按U形和倒U形连续绕制而成，同时上下面布置的电磁感应线圈纵向电流方向相同，可对板坯同时实现横向磁通感应加热和纵向磁通感应加热；外接变频交流电源和水冷分配器。

进一步地，通钢孔为矩形孔，容纳板坯通过，与板坯运动方向平行，孔高比最厚板坯高5mm以上，孔宽比最宽板坯宽10mm以上。

电磁感应线圈采用空心矩形铜管按U形和倒U形连续绕制而成，利用圆环效应，提高了加热效率；外接变频交流电源和水冷分配器，空心矩形铜管内进行水冷，带走电磁感应线圈产生的热量，可防止铜管受热膨胀和温升导致的电导率上升，提高电磁感应器的寿命和热利用效率；电磁感应线圈在宽度方向按U形和倒U形连续平行布线，相邻线圈的电流方向始终相反，利用邻近效应在板面上进行横向磁通感应加热，提高了加热效率，其U形长边与板坯运动方向一致，避免了传统垂直布线因U形底部的边缘效应导致的边角加热不均匀，保证了板面温度的均匀性；同时电磁感应线圈环绕通钢孔布线，保证了板坯四面受热。此外，上下面布置的电磁感应线圈电流方向相同，在板坯厚度方向进行纵向磁通感应加热，提高了加热效率和板坯横截面温度的均匀性。磁通集中器的目的是降低磁阻，增加涡流功率，降低电磁感应线圈的边缘效应和邻近效应，通过缝隙效应改善磁力线密度，提高热效率，可以选择硅钢片，铁钴镍软磁合金，非金属铁氧体软磁材料等，一般在较低频率下可采用硅钢片，在频率较高时可采用铁钴镍软磁合金等高频导磁体材料。保温层起到保温作用，防止热量散失，提高热利用效率，根据加热温度可选择低温的轻质浇注料、中温的磷酸盐浇注料、较高温的钒土水泥浇注料或高温的低水泥浇注料。绝缘层起到绝热、绝辐射和绝缘作用，可采用合成橡胶等绝热材料、钢铁等防辐射材料、陶瓷等绝缘材料。电磁感应加热器功率为0.5-5MW，可提高单位面积板坯温度≤60℃，保证板面温差≤2℃，厚度温差≤1℃，热利用效率≥90％。采用多组电磁感应加热器时可采用自由组合模式，如均匀加热模式、前段加热+后段保温模式、间断式加热模式等，且可在电磁感应加热器前后安放热电偶测温仪，实现温度的在线监控和实时调整加热功率保证加热温度。

本发明提供的板坯感应加热装置的电磁感应线圈布线方式采用空心矩形铜管按U形和倒U形连续绕制而成，不同于传统的单向纵向磁通感应加热和单向横向磁通感应加热，它可以同时实现横向磁通感应加热和纵向磁通感应加热，一方面在板坯上下面进行横向磁通感应加热，另一方面在厚度方向进行纵向磁通感应加热，同时电磁感应线圈呈螺旋状环绕板坯，实现四周均匀加热，使板坯加热更均匀，快速且效率高，避免了邻近效应、边缘效应等造成的温度差异，保证了板坯内部质量、成形性能和形状尺寸精度。

本发明中主要工艺的作用及机理：

采用电磁感应线圈采用空心矩形铜管按U形和倒U形连续平行布线，利用邻近效应在板面上进行横向磁通感应加热，提高了加热效率，避免了传统垂直布线边缘效应导致的边角加热不均匀，保证了板面温度的均匀性；利用环绕布线方式，保证了板坯四面受热，且上下面布置的电磁感应线圈纵向电流方向相同，在板坯厚度方向进行纵向磁通感应加热，提高了加热效率和板坯厚度方向温度的均匀性；电磁感应加热器的多层封装模式提高了热效率和安全性；多组电磁感应加热器间的自由组合和支撑平台与升降装置外接提高了可移植性。

本发明与现有技术对比，具有以下优点：

1)感应加热装置采用横向磁通感应加热和纵向磁通感应加热相结合的复合加热方式，大大的提高了加热效率和加热均匀性；

2)电磁感应加热器的多层封装模式和多组自由组合模式，减少热能散失，增加了加热的灵活性和可移植性；

3)感应加热装置采用外接式升降装置，根据板坯的厚度调节装置，保证板坯处于装置中心位置，使板坯上下表面加热均匀，避免了板坯上下表面出现温度分布不均的问题。

4)电磁感应线圈采用空心矩形铜管和新型布线方式，充分利用了圆环效应、集肤效应和邻近效应，避免了边缘效应，提高了加热稳定性。

附图说明

图1为一种板坯感应加热装置(优选10组电磁感应加热器)，

附图标号为电磁感应加热器1，支撑平台2。

图2为电磁感应线圈布线及工作原理示意图。

图3为电磁感应加热器Y-Z截面半剖视图，

图4为电磁感应加热器X-Z截面全剖视图，

图3和图4的附图标号为：通钢孔101、电磁感应线圈102、磁通集中器103、保温层104、绝缘层105。

具体实施方式

实施例1：

通过外接升降装置调节感应加热装置，使电磁感应加热器通钢孔的中心与中间坯的中心处于同一水平面，从而保证中间坯上下表面加热均匀。随后通过外接变频交流电源给电磁感应加热装置通入交变电流，外接水冷分配器对线圈内部通水实现水冷，保证线圈温度稳定。感应加热装置选择十组电磁感应加热器等距排列，采用均匀加热模式，每组功率设为3MW。中间坯厚度为20mm，加热前中间坯表面温度为950℃，加热时间为20s,加热后中间坯表面温度为1150℃，每组升温20℃，累计升温200℃，表面温差≤10℃，厚度温差≤5℃。

实施例2：

通过外接升降装置调节感应加热装置，使电磁感应加热器的中心与板坯的中心处于同一水平面，从而保证板坯上下表面加热均匀。随后通过外接变频交流电源给电磁感应加热装置通入交变电流，外接水冷分配器对线圈内部通水实现水冷，保证线圈温度稳定。感应加热装置选择十组电磁感应加热器等距排列，采用前段加热模式，前七组每组功率设为5MW，主要起加热作用，后三组每组功率设为0.5MW，主要起均温作用。加热前板坯厚度为70mm，板坯表面温度为25℃，加热时间为120s,加热后中间坯表面温度为425℃，累计升温400℃，表面温差≤8℃，厚度温差≤6℃。

实施例3：

通过外接升降装置调节感应加热装置，使电磁感应加热器的中心与板带钢的中心处于同一水平面，从而保证板带钢上下表面加热均匀。随后通过外接变频交流电源给电磁感应加热装置通入交变电流，外接水冷分配器对线圈内部通水实现水冷，保证线圈温度稳定。感应加热装置选择八组电磁感应加热器等距排列，采用间断式加热模式，奇数组每组功率设为2MW，偶数组不开，增加板坯内部热传导时间，利于温度的均匀分布。加热前板带钢厚度为4mm，板带钢表面温度为500℃，加热时间为15s,加热后板带钢表面温度为750℃，累计升温250℃，表面温差≤6℃，厚度温差≤3℃。

Claims (4)

1.一种板坯感应加热装置，其特征在于：包括多组电磁感应加热器和支撑平台；支撑平台用于固定电磁感应加热器，并通过外接升降装置实现板坯感应加热装置的上下位置移动，使电磁感应加热器通钢孔的中心与板坯中心处于同一水平线；所述电磁感应加热器中电磁感应线圈采用空心矩形铜管按U形和倒U形连续绕制而成，同时上下面布置的电磁感应线圈纵向电流方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种板坯感应加热装置，其特征在于：所述板坯包括连铸坯、中间坯和板带钢。

3.根据权利要求1所述的一种板坯感应加热装置，其特征在于：所述电磁感应加热器包括通钢孔、电磁感应线圈、磁通集中器、保温层、绝缘层的封装箱；电磁感应加热器功率为0.5-5MW；通钢孔被电磁感应线圈环绕，利用电磁感应实现对板坯均匀加热；磁通集中器布置在远离板坯的电磁感应线圈***；保温层包裹在磁通集中器***；绝缘层处于最外层，起到绝热、绝辐射、绝缘和保护作用。

4.根据权利要求1或3所述的一种板坯感应加热装置，其特征在于：所述通钢孔为矩形孔，容纳板坯通过，与板坯运动方向平行，孔高比最厚板坯高5mm以上，孔宽比最宽板坯宽10mm以上。