CN113337704A - 一种通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,涉及材料加工技术领域,通过沿生产线巧妙布置多个静磁场设施,根据生产线输送产品所需要的原始交变或脉冲磁场波形及波形参数调节对应处静磁场设施的磁场强度和方向,配合连续生产线上产品自身的移动速度使静磁场无限接近于交变磁场或脉冲磁场的处理效果。解决了现有技术中不能有效地将交变或脉冲磁场应用于连续生产线中的材料应力及性能调控的问题。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域,特别是涉及一种应用于连续生产线上通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法。
背景技术
磁场能够调控材料的表面应力、加工和使用性能已逐渐成为材料加工、改性领域的共识,使得磁场在工业生产上的应用逐渐增多。在应用过程中,人们发现交变磁场或脉冲磁场拥有比静磁场更好的效果。然而,交变磁场或脉冲磁场的产生却比静磁场的难度高很多,对发生设备的要求更高,使生产成本升高,也不容易与传统生产线耦合。
以被广泛应用的普通轧钢生产线为例,如果将交变/脉冲磁场发生设备直接安装在轧钢线上,较高的轧制速度会让钢板瞬间通过交变/脉冲磁场发生设备所覆盖的区域,由于作用时间过于短暂,不能达到有效的磁场处理效果。而如果采用在生产线上连续布置交变/脉冲磁场发生设备的方式,则设备复杂、功耗过高、空间占用极大,并且仍然存在不能实现均匀有效处理轧钢的缺陷。
对于像拉拔生产线、连续挤压生产线、连铸生产线等工况类似、生产设备固定以及、被生产材料移动速度较快的连续生产线,在对其被生产的材料进行磁场处理时,均存在与普通轧钢生产线同样的问题,普通交变/脉冲磁场发生设备由于作用时间太短无法达到调控材料应力状态和性能的效果,以及交变/脉冲磁场无法与现有生产线良好耦合,且设备成本较高。
发明内容
针对现有技术中的上述问题,本发明提供了一种通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,解决了现有技术中不能有效地将交变或脉冲磁场应用于连续生产线中的材料应力及性能调控的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
提供一种通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其具体为:
S1,获取生产线上产品所需的且以时间为横轴的原始交变或脉冲磁场波形及波形参数;
S2,根据生产线的输送速度,将原始交变或脉冲磁场波形及波形参数转化为沿生产线长度方向分布的参考交变或脉冲磁场波形及波形参数;
S3,沿生产线长度方向排布若干静磁场设施,按照所述参考交变或脉冲磁场的波形参数调节静磁场设施的磁场参数,使静磁场设施沿生产线长度方向所产生的静磁场波形与所述参考交变或脉冲磁场波形完全一致或最大程度近似;
S4,控制产品按照预设的速度通过生产线。
进一步地,所述步骤S1中获取所述原始交变或脉冲磁场的波形参数的方法具体为:
若产品所需的是正弦波形的交变磁场,则对应的波形参数包括振幅、角速度和持续时间;
若产品所需的是单向脉冲磁场,则对应的磁场参数为脉宽、峰值强度、脉冲间隔和总脉冲个数。
进一步地,所述步骤S3中调节静磁场设施的磁场参数的方法具体为:
利用仿真软件仿真分析获得多个静磁场设施在空间点的静磁场矢量和,判断静磁场矢量和的大小和方向是否与参考交变或脉冲磁场波在该空间点的磁场大小和方向相同或最大程度接近,
若否,则调节静磁场设施自身宽度a、单个静磁场设施所产生静磁场宽度b和/或相邻静磁场设施的间距c。
进一步地,所述步骤S3中单个所述静磁场设施产生的静磁场强度等于参考交变或脉冲磁场波形的峰值强度。
进一步地,所述步骤S3中,若所述参考交变或脉冲磁场波形存在突变波形,则在静磁场的对应处使用磁屏蔽挡板来阻隔相邻静磁场设施的磁场影响。
进一步地,所述步骤S3中,
若所述参考交变或脉冲磁场波形为连续交变磁场且峰值磁场强度小于1T,则静磁场设施为永磁体;
若所述参考交变或脉冲磁场波形为非连续波形或峰值磁场强度不小于1T,则静磁场设施为电磁体,所述电磁体上连接有开关和时间控制器。
进一步地,所述步骤S3中,生产线上产品的几何中心位于静磁场的磁场稳定范围内。
本发明的有益效果为:通过沿生产线巧妙布置多个静磁场设施,调节每个静磁场设施产生的磁场强度和磁场方向,来达到将原本分布于时间长度上的交变或脉冲磁场波形分布于生产线长度方向,配合产品的移动达到对产品进行交变或脉冲磁场处理的同等效果,改善产品的材料性能。
在交变或脉冲磁场处理生产线上的产品时,产品的移动速度是导致处理效果差的主要因素,而通过本方案中的方法,产品的移动速度却是必要条件,只有产品移动,才能实现在静磁场中产生交变或脉冲磁场的处理效果,构思巧妙。同时,设备更加简单、功耗低、空间占有小,能够很好地与现有生产线耦合,大大节省了应用成本。
附图说明
图1为实施例1中静磁场设施沿生产线的排布示意图。
图2为实施例2中静磁场设施沿生产线的排布示意图。
图3为实施例3中静磁场设施沿生产线的排布示意图。
其中,1、铜带;2、轧辊;3、N极永磁铁;4、S极永磁铁;5、屏蔽板;6、上电磁线圈;7、下电磁线圈。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
该通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法具体为:
S1,获取生产线上产品所需的且以时间为横轴的原始交变或脉冲磁场波形及波形参数;
S2,根据生产线的输送速度,将原始交变或脉冲磁场波形及波形参数转化为沿生产线长度方向分布的参考交变或脉冲磁场波形及波形参数;
S3,沿生产线长度方向排布若干静磁场设施,按照所述参考交变或脉冲磁场的波形参数调节静磁场设施的磁场参数,使静磁场设施沿生产线长度方向所产生的静磁场波形与所述参考交变或脉冲磁场波形完全一致或最大程度近似;
S4,控制产品按照预设的速度通过生产线。
工作原理为:
原子是产品材料的基本构成单位,由于原子自转、核外电子磁矩抵消不够彻底,每个金属原子都有自身的磁矩,依据不同材料的磁学性能(铁磁性、顺磁性、抗磁性),材料内部原子会在磁场的作用下发生偏转,微观下原子的集体偏转势必会影响材料的晶格结构。
交变磁场或脉冲磁场等具有震荡性质的磁场,能够通过“磁致伸缩”、“磁致振动”等形式激活材料微观结构的运动,让材料中的应力通过不平衡晶格朝着低势能方向的微变形及结构整体的震荡而得到释放与均匀化,进而延长材料的疲劳寿命。同时,组织决定性能,上述微观结构的变化过程势必导致材料宏观性能的改变,故合适的交变或脉冲磁场处理工艺可有效调功材料使用性能。而配合材料自身的高速移动,通过若干沿生产线排布的静磁场设施按照交变或脉冲磁场的波形和波形参数产生的若干不同强度和方向的静磁场,同样能够让材料晶格发生改变并按一定频率震荡,因此,只要达到材料在相同时间内受到的磁场冲击相同,不管是本发明通过静磁场设施产生的交变/脉冲磁场作用,还是传统的交变/脉冲磁场,都能达到相同的效果。
下面通过具体实施例对本申请中的技术方案进一步描述:
实施例1
以铜带轧制生产线为例,已知铜带1连续轧制速度为100m/s,该速度不可调节;通过磁场处理的目的是使轧制铜带的应力消减、均匀化,降低板形调整的难度。
S1,获取生产线上产品所需的且以时间为横轴的原始交变或脉冲磁场波形及波形参数。具体为,根据理论推导并结合试验生产经验,所需的磁场波形为单向脉冲磁场波形,其中,波形参数为:峰值磁场强度为0.5T、脉宽约5μs、脉冲间隔约25μs,总脉冲个数为20个。
S2,根据生产线的输送速度,将原始交变或脉冲磁场波形及波形参数转化为沿生产线长度方向分布的参考交变或脉冲磁场波形及波形参数。具体为,铜带连续轧制速度为100m/s,即铜带任一位置1μs移动距离为0.1m,故想要获得脉宽约5μs的脉冲磁场处理效果,那么在生产线的长度方向上需要有0.5m的宽度范围的磁场强度均为0.5T,即原始脉冲磁场波形的脉宽约5μs、磁场强度为0.5T的一个脉冲对应到生产线上是0.5m宽度和0.5T磁场强度;原始脉冲磁场的磁脉冲间隔为25μs,对应到生产线上是2.5m的间距。所以得到的参考脉冲磁场波形及波形参数为:峰值磁场强度为0.5T、脉宽为0.5m、脉冲间隔为2.5m,总脉冲个数为20个。
S3,沿生产线长度方向排布若干静磁场设施,按照所述参考交变或脉冲磁场的波形参数调节静磁场设施的磁场参数,使静磁场设施沿生产线长度方向所产生的静磁场波形与所述参考交变或脉冲磁场波形完全一致或最大程度近似。
具体为:由于峰值磁场强度为0.5T<1T,永磁体和电磁体都能达到。若不考虑后期更改脉冲磁场处理工艺,则选用成本更低的永磁体构建静磁场。若后期可能更改脉冲磁场处理工艺,则选用参数可调性更高的电磁体构建静磁场。本实施例选用永磁铁构建静磁场。
参考脉冲磁场的脉宽为0.5m,则需要单组静磁场设施产生的磁场宽度b为0.5m;脉冲间隔为2.5m,则需要相邻静磁场设施所产生的静磁场边缘之间的距离c为2.5m;磁脉冲个数为20个,故需要20组静磁场设施,如图1所示。
排布静磁场设施具体方法为:分别使用一块N极永磁铁3和一块S极永磁铁4相对间隔一定距离设置,形成一组静磁场设施,N极永磁铁3与S极永磁铁4之间的间距h在保证不会对轧制铜带的顺畅通过造成干扰的前提下要尽可能地小,以降低设备负荷,本实施例采用h=0.3m。以相同方式布置其它19组静磁场设施。因所需的脉冲磁场为单向脉冲磁场,故按相同方向排布静磁场设施,让它们产生的静磁场方向相同。
由于脉冲间隔为2.5m,在相邻两个脉冲之间需要有2.5m宽的零磁场区域,故需要设置磁屏蔽挡板进行磁屏蔽,让本不应有磁场的区域的磁场强度尽可能减小。本实施例采用高磁导率的硅钢板作为屏蔽板5安装在每组静磁场设施的两侧,将每个静磁场设施所产生的静磁场集束在宽度0.5m的区域内。
确定静磁场设施安装位置:因脉冲磁场处理目的为降低、均匀化轧制应力,以提升后续的板形整理效率与效果。故将20个静磁场设施以及为这20个静磁场设施服务的相关设施安装在铜带1完成轧制减薄的部分,即沿轧辊2之后的生产线并排安装。安装时,确定铜带处于每组静磁场设施的磁场稳定区域,本实施例让铜带1处于每组静磁场设施的中部。
S4,控制产品按照预设的速度通过生产线。具体为,让铜带轧制生产线以100m/s的速度开始生产铜带,即可在生产的同时完成铜带的脉冲磁场处理工作。
实施例2
以硬质合金刀具生产线为例,该生产线输送产品的速度可以根据需要进行调节。通过磁场处理的目的是实现硬质合金刀具的批量脉冲磁场处理,进而改善硬质合金刀具的切削性能与服役寿命。(以下描述中均只描述了与实施例1的不同处,其它相同处本领域技术人员均可通过常规技术手段掌握)
根据理论推导并结合试验生产经验,所需的磁场波形为单向脉冲磁场波形,其中,波形参数为:峰值磁场强度为1.5T、脉宽约2μs、脉冲间隔约10μs,总脉冲个数为5个。
本实施例与实施例1的不同点在于峰值磁场强度为1.5T,较难通过永磁体达到,故选用电磁线圈作为静磁场设施。具体方法为使用上电磁线圈6和下电磁线圈7配对,组成一组静磁场设施,通过输入直流电在连续生产线上生成静磁场。上电磁线圈6和下电磁线圈7之间的距离h依据能让连续生产线顺畅通过而定,如果连续生产线周围安装静磁场设施的空间不足,可以仅安装上电磁线圈6或下电磁线圈7。
由于硬质合金刀具生产线的输送速度可以调节,可以根据当前静磁场设施的制造难度合理设置单组静磁场设施产生的磁场宽度b,本实施例选择b为0.2m。因原始脉冲磁场脉宽为2μs,故硬质合金刀具需在2μs内移动0.2m,即移动速度v为100m/s,而脉冲间隔为10μs,故需要将相邻静磁场设施所产生的静磁场边缘之间的距离c设置为1m,共需要5组静磁场设施。如图2所示。
让载有若干硬质合金刀具的传送带以100m/s的速度通过静磁场覆盖区域,即可批量完成硬质合金刀具的脉冲磁场处理工作。
其它内容与实施例1相同。
对于双向脉冲磁场,调节对应处静磁场设施的磁场方向即可。
实施例3
以钛合金叶片生产线为例,生产线输送速度可调节;通过磁场处理的目的是调节零件微观组织,优化加工应力状态,提高钛合金叶片的疲劳寿命。(以下描述中均只描述了与实施例1的不同处,其它相同处本领域技术人员均可通过常规技术手段掌握)
根据现行的磁场处理工艺,可用来改善钛合金叶片疲劳寿命的磁场之一是具有正弦波形的交变磁场,其中,波形参数为:峰值磁场强度(振幅)1.5T,频率50Hz,无占空比,持续时间1s。
峰值磁场强度为1.5T,选用电磁线圈作为静磁场设施,上电磁线圈和下电磁线圈组成一组静磁场设施,通过输入直流电在连续生产线上生成静磁场。
由于钛合金叶片生产线的输送速度可调,而具有正弦波波形的交变磁场需要在沿连续生产线方向具有强度的连续性变化,故需要综合考虑磁场强度和钛合金叶片接收到磁场辐射沿生产线方向的衰减性,可以借助计算机软件进行仿真分析,比如comsol或ANSYS等,本实施例中通过ANSYS软件仿真分析出单组静磁场设施产生的磁场宽度b为0.1m。
为保证正弦波形较好的作用在钛合金叶片上,静磁场设施整体安装好后需要让钛合金叶片放置于磁场中心,因此上电磁线圈和下电磁线圈之间的间距h的设置需保证为钛合金叶片接收到的磁场强度为1.5T,本实施例中h优选为0.4m。
因所需的脉冲磁场为交变磁场,故需要将相邻的各组静磁场设施按产生的磁场方向交叉排布,即让相邻的静磁场设施产生的磁场方向相反。
为保证通过静磁场设施模拟出来的磁场具有正弦波波形,需要综合磁场的强度在连续生产线方向的衰减或增大具备连续性,让相邻方向相反的静磁场衔接良好,同样可以借助计算机软件进行仿真模拟制定,本实施例确定相邻静磁场设施所产生的静磁场边缘之间的距离c为0.2m。
因所需交变磁场频率为50Hz,处理时间为1s,故单个叶片需持续接受50个周期的交变磁场的辐射,所以需要静磁场设施100组。
因所需交变磁场为连续性磁场,需要在沿连续生产线方向存在磁场强度衰减程度不一的连续性静磁场,故不再需要设置磁导体作为屏蔽板进行屏蔽。
本实施例通过非导磁材料、不影响静磁场分布的塑料制作传送带,利用传送带传送钛合金叶片。故静磁场设施的安装需将生产线包含在磁场中,并保证硬质合金刀具处于每组静磁场设施的中心位置。如图3所示。
让载有若干钛合金叶片的传送带以15m/s的速度通过静磁场覆盖区域,即可批量完成钛合金叶片的脉冲磁场处理工作。
对于其它交变磁场,比如锯齿波、尖脉冲等形式的波形,实施方式同正弦波形。
Claims (7)
1.一种通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,具体为:
S1,获取生产线上产品所需的且以时间为横轴的原始交变或脉冲磁场波形及波形参数;
S2,根据生产线的输送速度,将原始交变或脉冲磁场波形及波形参数转化为沿生产线长度方向分布的参考交变或脉冲磁场波形及波形参数;
S3,沿生产线长度方向排布若干静磁场设施,按照所述参考交变或脉冲磁场的波形参数调节静磁场设施的磁场参数,使静磁场设施沿生产线长度方向所产生的静磁场波形与所述参考交变或脉冲磁场波形完全一致或最大程度近似;
S4,控制产品按照预设的速度通过生产线。
2.根据权利要求1所述的通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,所述步骤S1中获取所述原始交变或脉冲磁场的波形参数的方法具体为:
若产品所需的是正弦波形的交变磁场,则对应的波形参数包括振幅、角速度和持续时间;
若产品所需的是脉冲磁场,则对应的磁场参数为脉宽、峰值强度、脉冲间隔和总脉冲个数。
3.根据权利要求1所述的通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,所述步骤S3中调节静磁场设施的磁场参数的方法具体为:
利用仿真软件仿真分析获得多个静磁场设施在空间点的静磁场矢量和,判断静磁场矢量和的大小和方向是否与参考交变或脉冲磁场波在该空间点的磁场大小和方向相同或最大程度接近,
若否,则调节静磁场设施自身宽度a、单个静磁场设施所产生静磁场宽度b和/或相邻静磁场设施的间距c。
4.根据权利要求1所述的通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,所述步骤S3中单个所述静磁场设施产生的静磁场强度等于参考交变或脉冲磁场波形的峰值强度。
5.根据权利要求1所述的通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,所述步骤S3中,若所述参考交变或脉冲磁场波形存在突变波形,则在静磁场的对应处使用磁屏蔽挡板来阻隔相邻静磁场设施的磁场影响。
6.根据权利要求1所述的通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,所述步骤S3中,
若所述参考交变或脉冲磁场波形为连续交变磁场且峰值磁场强度小于1T,则静磁场设施可以为永磁体;
若所述参考交变或脉冲磁场波形为非连续波形或峰值磁场强度不小于1T,则静磁场设施为电磁体,所述电磁体上连接有开关和时间控制器。
7.根据权利要求1所述的通过静磁场设施实现交变或脉冲磁场作用的方法,其特征在于,所述步骤S3中,生产线上产品的几何中心位于静磁场的磁场稳定范围内。
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