CN117305573B - 一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉 - Google Patents
一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力‑磁场耦合退火炉，属于热处理设备技术领域，解决现有张力退火炉以及磁场退火炉不能根据非晶合金带材多阶段加热机制进行精确控制的技术问题，本装置包括放卷装置、加热炉单元、收卷装置和冷却装置，加热炉单元呈“一”字形依次排列，放卷装置将开卷后的非晶合金薄带送入位于首端的加热炉单元中，依次经过若干加热炉单元后送入冷却装置中，非晶合金薄带由冷却装置送出后通过收卷装置卷取成卷。本发明能够根据非晶合金带材多阶段加热机制进行精确控制，并且同时解决了非晶合金带材退火和冷却的问题，制得品质优良的纳米晶软磁合金带材，具有广泛的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于热处理设备技术领域，具体涉及的是一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉。
背景技术
纳米晶软磁合金是指在非晶合金的基础上通过热处理获得的纳米晶结构的软磁合金，具有更加优异的软磁性能。由于高效的制备工艺和优异的材料性能，非晶合金正在逐步取代硅钢、玻莫合金和铁氧体等传统软磁材料，在电力、电子、通讯等领域获得越来越多的应用。近年来，传统软磁材料已经难以满足电子和通讯技术向高频化、小型轻量化方向发展的要求，而高质量非晶和纳米晶合金薄带与其相比具有突出的优势，因此，其成为了重要的基础功能材料，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，是二十一世纪信息、生物、能源、环保、空间与高技术领域的关键材料。
热处理工艺对纳米晶软磁合金的制备尤为重要，传统的热处理方式所得到的软磁合金的相对磁导率和矫顽力较高，所以还须用磁场炉处理。在此基础上，专家学者通过研究发现，如果将现有磁场退火和张力退火两种方式进行结合，使带材在磁场条件下退火的过程中张紧力始终保持一定值，进而提高带材连续热处理过程中张力的稳定性，制得品质优良的纳米晶软磁合金带材。
然而现有技术中非晶合金带材在磁场条件下进行张力退火的过程中，张力通常建立在连续非晶合金带材退火段的首尾两端，对退火段的中间部分并不能精准检测并实时调整张力，而且不能根据非晶合金带材多阶段加热机制进行精确控制，所以亟待研发一种能够精确控制各阶段退火工艺的张力-磁场耦合退火炉。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，解决现有张力退火炉以及磁场退火炉不能根据非晶合金带材多阶段加热机制进行精确控制的技术问题，本发明提供一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，包括放卷装置、加热炉单元、第一亥姆霍兹线圈组、第二亥姆霍兹线圈组、收卷装置和冷却装置，其中：
所述加热炉单元设置为空心球状罩体结构，在罩体任一直径的两端分别设置进料口和出料口，并且前一加热炉单元的出料口与后一加热炉单元的进料口连通，放卷装置将开卷后的非晶合金薄带送入位于首端的加热炉单元中，依次经过若干加热炉单元后送入冷却装置中，非晶合金薄带由冷却装置送出后通过收卷装置卷取成卷；
在所述的加热炉单元中，位于进料口一侧设置送进辊，位于出料口一侧设置张力微调辊，非晶合金薄带通过送进辊送入加热炉单元中，然后通过张力微调辊送出加热炉单元；所述第一亥姆霍兹线圈组和第二亥姆霍兹线圈组分别由两对沿竖直方向平行设置的亥姆霍兹线圈组成，其中第一亥姆霍兹线圈组中相对设置的亥姆霍兹线圈分别设置于加热炉单元内非晶合金薄带的首、尾两端，第一亥姆霍兹线圈组形成的磁场方向平行于带材的长度方向；第二亥姆霍兹线圈组中相对设置的亥姆霍兹线圈分别设置于加热炉单元内非晶合金薄带的前、后两侧，第二亥姆霍兹线圈组形成的磁场方向平行于带材的宽度方向；
所述冷却装置的下部设置为水冷区，冷却装置的上部设置为风冷区，水冷区与风冷区交界的界面位置处设置隔热板，隔热板上设置若干用于非晶合金薄带穿过的通槽，风冷区部分冷却装置的侧壁上设置吹风口阵列；在水冷区中设置第三导向辊和第四导向辊，在风冷区中设置第一导向辊、第二导向辊和传送辊，在第一导向辊和第二导向辊之间设置张力调节辊，所述张力调节辊的首、尾两端安装在升降装置上，升降装置驱动张力调节辊上下往复运动，通过张力调节辊调节冷却装置内非晶合金薄带冷却阶段的张力；非晶合金薄带在冷却装置中贯穿隔热板上的通槽并依次经过第一导向辊、第三导向辊、张力调节辊、第四导向辊和第二导向辊，冷却后的非晶合金薄带通过传送辊输送至冷却装置的外部。
进一步地，所述张力-磁场耦合退火炉中包含至少两个加热炉单元，若干加热炉单元呈“一”字形或者“S”字形依次排列。
进一步地，所述加热炉单元的内侧壁上铺设石棉保温层，在加热炉单元的内侧壁与石棉保温层之间设置加热电阻丝。
进一步地，所述加热炉单元的进料口和出料口位置处均设置保温罩。
进一步地，所述第一亥姆霍兹线圈组和第二亥姆霍兹线圈组通过支架分别固定安装在加热炉单元的内侧壁上，并且第一亥姆霍兹线圈组和第二亥姆霍兹线圈组相互垂直但不相交。
进一步地，所述冷却装置的顶面上设置排风口，冷却装置侧壁的底部设置冷却水排水口。
进一步地，根据非晶合金薄带冷却工艺参数调整水冷区中冷却水的温度、流量以及风冷区中吹风口阵列的出风风速、温度，并且水冷区与风冷区的冷却速率不超过10℃/s。非晶合金薄带反复在水冷区与风冷区之间穿插进行冷却，当冷却水的温度与吹风口阵列的出风温度相同时，因冷却介质的传热效率不同，所以冷却装置可以实现非晶合金薄带阶段式（变速率）连续冷却，但是为了避免应力集中，所以水冷区与风冷区的冷却速率不超过10℃/s；本装置还可以调整冷却水的温度与出风温度不相同，使水冷区与风冷区的冷却速率相同，实现非晶合金薄带以恒定速率连续冷却。
进一步地，所述放卷装置与收卷装置位置处分别设置第一速度传感器，放卷装置、收卷装置、第一速度传感器分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第一速度传感器的反馈信号控制放卷装置与收卷装置的转速不同；
若干所述加热炉单元内分别设置温度传感器，温度传感器和加热炉单元的温度控制按钮分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据非晶合金薄带的退火工艺参数以及温度传感器的反馈信号实时独立调节各加热炉单元的加热温度；
在同一加热炉单元中，所述送进辊位置处设置第二速度传感器，张力微调辊位置处设置第一张力传感器，送进辊、张力微调辊以及第二速度传感器、第一张力传感器分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第二速度传感器和第一张力传感器的反馈信号实时调节送进辊和张力微调辊的转速；
在冷却装置中，所述张力调节辊位置处设置第二张力传感器，第二张力传感器和升降装置分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第二张力传感器的反馈信号通过升降装置实时调节张力调节辊的位置。
进一步地，所述升降装置包括沿竖直方向分别设置于冷却装置前、后内侧壁上的立柱，前、后两侧立柱相对的平面上分别设置滑槽，丝杠分别安装于对应的滑槽中，丝杠的下端设置升降电机，丝杠上设置滑块，张力调节辊的首、尾两端分别固定安装在对应的滑块上；所述升降电机与PLC控制器电连接，PLC控制器控制升降电机驱动丝杠正转或者反转，丝杠带动滑块沿滑槽往复运动，滑块带动张力调节辊沿立柱往复运动。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，各加热炉单元中独立对加热温度、磁场条件和张力进行调节，为非晶合金带材精确地多阶段退火机制提供设备基础；在此基础上带材退火后直接送入冷却装置进行风冷+空冷的复合冷却，并且在复合冷却的过程中进一步调整纳米晶软磁合金带材的张力。
综上所述，本发明能够根据非晶合金带材多阶段加热机制进行精确控制，并且同时解决了非晶合金带材退火和冷却的问题，制得品质优良的纳米晶软磁合金带材，具有广泛的推广价值。
附图说明
图1为本发明主视剖视结构示意图；
图2为非晶合金薄带张力调节状态示意图。
图中，1为放卷装置，2为加热炉单元，2-1为进料口，2-2为出料口，3为送进辊，4为第一亥姆霍兹线圈组，5为第二亥姆霍兹线圈组，6为非晶合金薄带，7为张力微调辊，8为第一导向辊，9为吹风口阵列，10为张力调节辊，11为第二导向辊，12为第三导向辊，13为第四导向辊，14为传送辊，15为收卷装置，16为升降装置，17为隔热板；Ⅰ为水冷区，Ⅱ为风冷区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，包括放卷装置1、加热炉单元2、第一亥姆霍兹线圈组4、第二亥姆霍兹线圈组5、收卷装置15和冷却装置，其中：
所述加热炉单元2设置为空心球状罩体结构，在罩体任一直径的两端分别设置进料口2-1和出料口2-2，并且前一加热炉单元2的出料口2-2与后一加热炉单元2的进料口2-1连通，放卷装置1将开卷后的非晶合金薄带6送入位于首端的加热炉单元2中，依次经过若干加热炉单元2后送入冷却装置中，非晶合金薄带6由冷却装置送出后通过收卷装置15卷取成卷；
在所述的加热炉单元2中，位于进料口2-1一侧设置送进辊3，位于出料口2-2一侧设置张力微调辊7，非晶合金薄带6通过送进辊3送入加热炉单元2中，然后通过张力微调辊7送出加热炉单元2；所述第一亥姆霍兹线圈组4和第二亥姆霍兹线圈组5分别由两对沿竖直方向平行设置的亥姆霍兹线圈组成，其中第一亥姆霍兹线圈组4中相对设置的亥姆霍兹线圈分别设置于加热炉单元2内非晶合金薄带6的首、尾两端，第一亥姆霍兹线圈组4形成的磁场方向平行于带材的长度方向；第二亥姆霍兹线圈组5中相对设置的亥姆霍兹线圈分别设置于加热炉单元2内非晶合金薄带6的前、后两侧，第二亥姆霍兹线圈组5形成的磁场方向平行于带材的宽度方向；
所述冷却装置的下部设置为水冷区Ⅰ，冷却装置的上部设置为风冷区Ⅱ，水冷区Ⅰ与风冷区Ⅱ交界的界面位置处设置隔热板17，隔热板17上设置若干用于非晶合金薄带6穿过的通槽，风冷区Ⅱ部分冷却装置的侧壁上设置吹风口阵列9；在水冷区Ⅰ中设置第三导向辊12和第四导向辊13，在风冷区Ⅱ中设置第一导向辊8、第二导向辊11和传送辊14，在第一导向辊8和第二导向辊11之间设置张力调节辊10，所述张力调节辊10的首、尾两端安装在升降装置16上，升降装置16驱动张力调节辊10上下往复运动，通过张力调节辊10调节冷却装置内非晶合金薄带6冷却阶段的张力；非晶合金薄带6在冷却装置中贯穿隔热板17上的通槽并依次经过第一导向辊8、第三导向辊12、张力调节辊10、第四导向辊13和第二导向辊11，冷却后的非晶合金薄带6通过传送辊14输送至冷却装置的外部。
进一步地，所述张力-磁场耦合退火炉中包含至少两个加热炉单元2，若干加热炉单元2呈“一”字形或者“S”字形依次排列。
进一步地，所述加热炉单元2的内侧壁上铺设石棉保温层，在加热炉单元2的内侧壁与石棉保温层之间设置加热电阻丝。
进一步地，所述加热炉单元2的进料口2-1和出料口2-2位置处均设置保温罩。
进一步地，所述第一亥姆霍兹线圈组4和第二亥姆霍兹线圈组5通过支架分别固定安装在加热炉单元2的内侧壁上，并且第一亥姆霍兹线圈组4和第二亥姆霍兹线圈组5相互垂直但不相交。
进一步地，所述冷却装置的顶面上设置排风口，冷却装置侧壁的底部设置冷却水排水口。
进一步地，根据非晶合金薄带6冷却工艺参数调整水冷区Ⅰ中冷却水的温度、流量以及风冷区Ⅱ中吹风口阵列9的出风风速、温度，并且水冷区Ⅰ与风冷区Ⅱ的冷却速率不超过10℃/s。
进一步地，所述放卷装置1与收卷装置15位置处分别设置第一速度传感器，放卷装置1、收卷装置15、第一速度传感器分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第一速度传感器的反馈信号控制放卷装置1与收卷装置15的转速不同；
若干所述加热炉单元2内分别设置温度传感器，温度传感器和加热炉单元2的温度控制按钮分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据非晶合金薄带6的退火工艺参数以及温度传感器的反馈信号实时独立调节各加热炉单元2的加热温度；
在同一加热炉单元2中，所述送进辊3位置处设置第二速度传感器，张力微调辊7位置处设置第一张力传感器，送进辊3、张力微调辊7以及第二速度传感器、第一张力传感器分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第二速度传感器和第一张力传感器的反馈信号实时调节送进辊3和张力微调辊7的转速；
在冷却装置中，所述张力调节辊10位置处设置第二张力传感器，第二张力传感器和升降装置16分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第二张力传感器的反馈信号通过升降装置16实时调节张力调节辊10的位置。
进一步地，所述升降装置16包括沿竖直方向分别设置于冷却装置前、后内侧壁上的立柱，前、后两侧立柱相对的平面上分别设置滑槽，丝杠分别安装于对应的滑槽中，丝杠的下端设置升降电机，丝杠上设置滑块，张力调节辊10的首、尾两端分别固定安装在对应的滑块上；所述升降电机与PLC控制器电连接，PLC控制器控制升降电机驱动丝杠正转或者反转，丝杠带动滑块沿滑槽往复运动，滑块带动张力调节辊10沿立柱往复运动。
本发明的使用过程如下：
S1、磁场-张力退火：PLC控制器根据非晶合金薄带6的退火工艺参数以及温度传感器的反馈信号实时独立调节各加热炉单元2的加热温度，待各加热炉单元2内的温度达到预定温度后，通过PLC控制器控制放卷装置1的转速，与此同时PLC控制器控制第一亥姆霍兹线圈组4和第二亥姆霍兹线圈组5启动，对加热炉单元2内施加均匀磁场；放卷装置1将非晶合金薄带6开卷，然后将非晶合金薄带6送入位于首端的加热炉单元2中，PLC控制器根据第二速度传感器和第一张力传感器的反馈信号实时调节送进辊3和张力微调辊7的转速，送进辊3将非晶合金薄带6在加热炉单元2内连续输送，完成非晶合金薄带6磁场-张力退火；
S2、复合冷却：非晶合金薄带6连续经过若干加热炉单元2磁场-张力退火后连续送入冷却装置中，贯穿隔热板17上的通槽并依次经过第一导向辊8、第三导向辊12、张力调节辊10、第四导向辊13和第二导向辊11，进行风冷-水冷复合冷却，冷却过程中PLC控制器根据第二张力传感器的反馈信号通过升降装置16实时调节张力调节辊10的位置，进而调整冷却段非晶合金薄带6的张力，冷却后的非晶合金薄带6通过传送辊14输送至冷却装置的外部；
S3、非晶合金薄带6由冷却装置送出后通过收卷装置15卷取成卷。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，包括放卷装置（1）、加热炉单元（2）、第一亥姆霍兹线圈组（4）、第二亥姆霍兹线圈组（5）、收卷装置（15）和冷却装置，其特征在于：
所述加热炉单元（2）设置为空心球状罩体结构，在罩体任一直径的两端分别设置进料口（2-1）和出料口（2-2），并且前一加热炉单元（2）的出料口（2-2）与后一加热炉单元（2）的进料口（2-1）连通，放卷装置（1）将开卷后的非晶合金薄带（6）送入位于首端的加热炉单元（2）中，依次经过若干加热炉单元（2）后送入冷却装置中，非晶合金薄带（6）由冷却装置送出后通过收卷装置（15）卷取成卷；
在所述的加热炉单元（2）中，位于进料口（2-1）一侧设置送进辊（3），位于出料口（2-2）一侧设置张力微调辊（7），非晶合金薄带（6）通过送进辊（3）送入加热炉单元（2）中，然后通过张力微调辊（7）送出加热炉单元（2）；所述第一亥姆霍兹线圈组（4）和第二亥姆霍兹线圈组（5）分别由两对沿竖直方向平行设置的亥姆霍兹线圈组成，其中第一亥姆霍兹线圈组（4）中相对设置的亥姆霍兹线圈分别设置于加热炉单元（2）内非晶合金薄带（6）的首、尾两端，第一亥姆霍兹线圈组（4）形成的磁场方向平行于带材的长度方向；第二亥姆霍兹线圈组（5）中相对设置的亥姆霍兹线圈分别设置于加热炉单元（2）内非晶合金薄带（6）的前、后两侧，第二亥姆霍兹线圈组（5）形成的磁场方向平行于带材的宽度方向；
所述冷却装置的下部设置为水冷区（Ⅰ），冷却装置的上部设置为风冷区（Ⅱ），水冷区（Ⅰ）与风冷区（Ⅱ）交界的界面位置处设置隔热板（17），隔热板（17）上设置若干用于非晶合金薄带（6）穿过的通槽，风冷区（Ⅱ）部分冷却装置的侧壁上设置吹风口阵列（9）；在水冷区（Ⅰ）中设置第三导向辊（12）和第四导向辊（13），在风冷区（Ⅱ）中设置第一导向辊（8）、第二导向辊（11）和传送辊（14），在第一导向辊（8）和第二导向辊（11）之间设置张力调节辊（10），所述张力调节辊（10）的首、尾两端安装在升降装置（16）上，升降装置（16）驱动张力调节辊（10）上下往复运动，通过张力调节辊（10）调节冷却装置内非晶合金薄带（6）冷却阶段的张力；非晶合金薄带（6）在冷却装置中贯穿隔热板（17）上的通槽并依次经过第一导向辊（8）、第三导向辊（12）、张力调节辊（10）、第四导向辊（13）和第二导向辊（11），冷却后的非晶合金薄带（6）通过传送辊（14）输送至冷却装置的外部；
所述放卷装置（1）与收卷装置（15）位置处分别设置第一速度传感器，放卷装置（1）、收卷装置（15）、第一速度传感器分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第一速度传感器的反馈信号控制放卷装置（1）与收卷装置（15）的转速不同；
若干所述加热炉单元（2）内分别设置温度传感器，温度传感器和加热炉单元（2）的温度控制按钮分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据非晶合金薄带（6）的退火工艺参数以及温度传感器的反馈信号实时独立调节各加热炉单元（2）的加热温度；
在同一加热炉单元（2）中，所述送进辊（3）位置处设置第二速度传感器，张力微调辊（7）位置处设置第一张力传感器，送进辊（3）、张力微调辊（7）以及第二速度传感器、第一张力传感器分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第二速度传感器和第一张力传感器的反馈信号实时调节送进辊（3）和张力微调辊（7）的转速；
在冷却装置中，所述张力调节辊（10）位置处设置第二张力传感器，第二张力传感器和升降装置（16）分别与PLC控制器电连接，PLC控制器根据第二张力传感器的反馈信号通过升降装置（16）实时调节张力调节辊（10）的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：所述张力-磁场耦合退火炉中包含至少两个加热炉单元（2），若干加热炉单元（2）呈“一”字形或者“S”字形依次排列。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：所述加热炉单元（2）的内侧壁上铺设石棉保温层，在加热炉单元（2）的内侧壁与石棉保温层之间设置加热电阻丝。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：所述加热炉单元（2）的进料口（2-1）和出料口（2-2）位置处均设置保温罩。
5.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：所述第一亥姆霍兹线圈组（4）和第二亥姆霍兹线圈组（5）通过支架分别固定安装在加热炉单元（2）的内侧壁上，并且第一亥姆霍兹线圈组（4）和第二亥姆霍兹线圈组（5）相互垂直但不相交。
6.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：所述冷却装置的顶面上设置排风口，冷却装置侧壁的底部设置冷却水排水口。
7.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：根据非晶合金薄带（6）冷却工艺参数调整水冷区（Ⅰ）中冷却水的温度、流量以及风冷区（Ⅱ）中吹风口阵列（9）的出风风速、温度，并且水冷区（Ⅰ）与风冷区（Ⅱ）的冷却速率不超过10℃/s。
8.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的胶囊式张力-磁场耦合退火炉，其特征在于：所述升降装置（16）包括沿竖直方向分别设置于冷却装置前、后内侧壁上的立柱，前、后两侧立柱相对的平面上分别设置滑槽，丝杠分别安装于对应的滑槽中，丝杠的下端设置升降电机，丝杠上设置滑块，张力调节辊（10）的首、尾两端分别固定安装在对应的滑块上；所述升降电机与PLC控制器电连接，PLC控制器控制升降电机驱动丝杠正转或者反转，丝杠带动滑块沿滑槽往复运动，滑块带动张力调节辊（10）沿立柱往复运动。
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