[发明专利]导电工件在具有通量补偿器的螺线管线圈中的受控电感应加热

说明书

技术领域

本发明涉及位于螺线管感应线圈内的导电工件的电感应加热。

背景技术

电感应加热可用于加热导电材料。例如，在锻造、挤压、滚压及其它金属热成形操作之前可使用感应加热。在其它应用中，导电工件的感应加热可用于热处理过程如硬化、退火、正火、应力消除和回火。一些应用要求整个工件的均匀加热，而其它应用要求加热工件的特定区域，或者在挤压过程之前要求将工件如铝坯从头到尾加热到梯度温度。

如图1(a)中所示，圆柱形形状的工件90保持在螺线管感应线圈30内的适当位置。用于将工件保持在线圈内的支撑结构未在图1(a)中示出。当适当的交流功率施加到线圈时，导电工件由与交流电流流过线圈建立的大致纵向的通量场的磁耦合感应加热。当希望沿工件长度方向均匀加热时，工件定位在线圈中使得线圈的两端悬在线圈中的工件的两端之上。如图中所示，线圈和工件的纵向中心轴(图1(a)中指示为X′)可重合，及线圈大致成形为与工件的纵向表面相符或者实现沿工件长度方向变化程度的感应加热。在线圈每一端处的线圈外伸距离x_oh控制在线圈内部外伸区域中建立的通量场的形状，如该例子中所要求的，使得在工件两端内建立的通量场强度实现沿工件长度方向的均匀加热，包括工件的两端。例如，可在图1(c)中的相邻理想化等温虚线之间形成的等温截面区域R_iso中沿工件的整个长度L₁实现均匀的纵向温度T₁(在图1(b)中图示)。实现该工件加热轮廓所需要的外伸距离受多个参数影响，包括工件的外径(OD)、工件的总长度、工件的物理和冶金性质、线圈几何结构、及施加到线圈的交流功率的频率。术语“工件特性”用于总称工件的物理尺寸和冶金性质。因此，其中每一线圈具有独特特性及可能还具有不同电源的不同线圈理想地用于均匀加热不同尺寸或不同物理性质的工件。然而，在工业环境中改变线圈以适应具有不同特性的工件的时间和成本效率均低。因此，通常进行调节以在连接到一个交流电源的同一感应线圈中加热各种大小的工件，但具有变化的成功程度。

单一感应线圈中加热的工件的长度变化直接影响线圈每一端处的线圈外伸距离，因而影响沿感应加热的工件的总长度的温度分布。例如，当在为均匀纵向加热较长总长度的圆柱形工件设计的感应线圈中感应加热相对较短总长度的圆柱形工件时，相较较长工件的外伸区域，暴露给更大线圈外伸区域的较短工件的端部区域将具有过多的热源，因而相对于较短工件的中心区域将过热。例如，图2(a)、图2(b)和图2(c)中的每一个示出了同一感应线圈30用于感应加热具有不同尺寸的三个工件。图2(a)中的工件90a具有等于OD₁的OD和等于L₁的总长度；图2(a)中的工件90a具有等于OD₁的OD和等于L₁的总长度；图2(b)中的工件90b具有等于OD₁的OD和等于L₂的长度，L₂小于长度L₁；图2(c)中的工件90c具有等于OD₂的OD和等于L₁的总长度，OD₂小于外径OD₁。如图2(a)′、图2(b)′和图2(c)′中分别对应于图2(a)、图2(b)和图2(c)的加热工件温度分布曲线所示，线圈外伸距离X_oh1沿图2(a)中所示特定几何结构的工件的总长度提供所希望的均匀温度分布，但同一线圈沿图2(b)和图2(c)中不同几何结构的工件的长度不能提供温度均匀性。之后，将较短工件非对称地定位在线圈中(图2(b))使得一端的线圈外伸距离为最佳距离(X_oh1)将在工件的该端提供所希望的温度均匀性，代价是在工件的另一端出现增强的过热。加热其OD小于感应线圈设计成对之均匀加热的工件OD的工件导致较小OD工件的端部欠热，这由对应于图2(c)方案的图2(c)′中所示的电磁端部效应的热源减少引起。

如果两个工件具有相同形状但由具有不同物理或冶金性质的材料制成，例如具有不同电阻率(ρ)的金属合金，使用设计来将两个工件中具有电阻率ρ₁的第一工件感应加热到均匀纵向温度分布的感应线圈和电源将导致具有电阻率ρ₂的第二工件的端部过热，这由电磁端部效应引起，其中ρ₂小于ρ₁。相反，如果第二工件具有大于ρ₁的电阻率ρ₃，则将导致第二工件的端部欠热。