專(zhuān)利名稱(chēng)：管狀材料端部的電感應(yīng)加熱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管狀材料的端部區(qū)域的電感應(yīng)加熱處理。
背景技術(shù)：
電感應(yīng)加熱可用于加熱處理管狀材料如金屬管。通常，如圖1中 所示，管狀材料被保持在螺線管感應(yīng)線圈內(nèi)的適當(dāng)位置。管90放在 螺線管線圈30內(nèi)。當(dāng)向所述線圈施加適當(dāng)?shù)慕涣鞴β蕰r(shí)，所述管通 過(guò)與交流電流流過(guò)線圈所建立的縱向通量場(chǎng)的磁耦合而被感應(yīng)加熱。 熱處理例如可以是管狀材料端部的退火、正火、應(yīng)力消除、涂覆、干 燥、硬化或回火。在其它應(yīng)用中，管狀產(chǎn)品的感應(yīng)端部加熱可用于在 金屬成形操作之前加熱端部。 一些應(yīng)用需要均勻加熱管狀材料的特定 長(zhǎng)度的端部部分。
如圖1中所示，當(dāng)希望均勻端部加熱處理時(shí)，管狀材料被置于線 圈中，使得所述線圈"外伸"到所述材料的端部之外。通常，所述線 圈和管狀材料的縱軸X重合，螺線管線圈成形為與管狀材料的形狀一
致。外伸距離X。h控制在線圈的遠(yuǎn)離管狀材料端部的軸端處建立的通
量場(chǎng)的形狀，使得所述通量場(chǎng)強(qiáng)度建立在所述材料的端部?jī)?nèi)以將其均 勻加熱到所需長(zhǎng)度。適當(dāng)?shù)耐馍炀嚯x受多個(gè)參數(shù)影響，包括管狀材料 的外徑、所述材料的厚度、物理及冶金特性、及施加于線圈的交流功 率的頻率。因此，因此，對(duì)于不同大小的管狀材料或?yàn)榱藢⑼还軤?材料加熱處理到不同的端部長(zhǎng)度，需要不同的線圈。例如，比較圖 2a、圖2b和圖2c，其中同樣的感應(yīng)線圈30和外伸距離)u用于分別感應(yīng)加熱具有下述特性的端部(1)外徑(0D)等于0D,及厚度為
t,的管狀材料90a; (2)外徑為0D2及厚度為t,的管狀材料90b， 小于0D1; (3)外徑為等于0D2及厚度為t2的管狀材料90c， &大于 t1;如圖2d所示，對(duì)于圖2a中的管狀材料，所需端部加熱長(zhǎng)度92、 熱過(guò)渡區(qū)94和冷區(qū)96均不同。術(shù)語(yǔ)"所需端部加熱長(zhǎng)度"通常指在 所需端部加熱長(zhǎng)度上的均勻加熱溫度分布。由于在材料的突然過(guò)渡到 "無(wú)熱"(或冷)的端部區(qū)域的端部長(zhǎng)度中不能感應(yīng)熱量，因而有具 有熱過(guò)渡區(qū)94的端部長(zhǎng)度，其中由于"均熱"效應(yīng)所述熱量朝向冷 區(qū)96逐漸降低，從而在所需端部加熱長(zhǎng)度中感應(yīng)的熱量從所需端部 加熱長(zhǎng)度92向冷區(qū)96傳導(dǎo)。在一些熱處理過(guò)程中，控制所需端部加 熱長(zhǎng)度和熱過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度非常重要。對(duì)于圖2b和2c中的管狀材料 90b和90c，由于在線圈端部存在電磁端部效應(yīng)，所述材料沿所需端 部加熱長(zhǎng)度92'和92"的全部長(zhǎng)度未被足夠加熱。在管的端部有欠加 熱區(qū)91。當(dāng)必須使用設(shè)計(jì)用于較大0D的線圈加熱具有較小0D的管 狀材料時(shí)，管的端部將由于因電磁端部效應(yīng)引起的熱源減少而欠加熱 (區(qū)域91)。如果管狀材料屬于相同形狀但由具有不同物理或冶金 特性的材料制成，例如具有更高電阻率的金屬，則管的端部也將由于 因電磁端部效應(yīng)引起的熱源減少而欠加熱。
或者，沿線圈長(zhǎng)度具有多個(gè)交流功率連接抽頭的單一線圈對(duì)不同 尺寸或冶金組分的管狀材料的均勻管狀端部加熱也提供一些另外的 靈活性。通過(guò)使用適當(dāng)?shù)慕涣鞴β蔬B接抽頭，線圈的加電長(zhǎng)度可改變 以調(diào)節(jié)外伸距離。然而在使用線圈外伸實(shí)現(xiàn)均勻端部加熱時(shí)有限制。 當(dāng)在低于居里溫度加熱磁性金屬時(shí)該限制尤其明顯。在達(dá)到某些值 后，線圈外伸的進(jìn)一步增加將不能補(bǔ)償因電磁端部效應(yīng)引起的熱源缺 乏。此外，大的線圈外伸導(dǎo)致線圈效率和線圈功率因數(shù)的降低。由于 更高的能量損耗及必須使用特殊的線圈功率因數(shù)校正裝置，這兩個(gè)因 素均負(fù)面影響感應(yīng)系統(tǒng)的成本效率和靈活性。
本發(fā)明的目的之一是在電感應(yīng)加熱處理過(guò)程中提高不同類(lèi)型的 管狀材料的端部溫度加熱均勻性，其中管狀材料的至少一端部區(qū)域插入螺線管感應(yīng)線圈內(nèi)。本發(fā)明的另一 目的在于提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)的靈 活性以使能使用同一感應(yīng)加熱器對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)和材料的管狀產(chǎn)品 進(jìn)行所需(如均勻)加熱。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明是電感應(yīng)加熱管狀材料的端部區(qū)域的裝置和方 法。管狀材料的至少一端部區(qū)域插入感應(yīng)線圈內(nèi)，所述感應(yīng)線圈被施 加交流功率以建立與管狀材料耦合從而感應(yīng)加熱管狀材料的交流磁 場(chǎng)。在本發(fā)明的一些例子中，管通量集中器的端部包括基座、在所述 基座的朝向管側(cè)的外圍區(qū)域周?chē)由斓亩鄠€(gè)外圍磁極、及從所述基座 的朝向管側(cè)的中心區(qū)域延伸的至少一中央磁極。通量集中器的縱軸通 過(guò)并垂直于所述基座的朝向管的那一側(cè)。所述至少一中央磁極至少部 分伸入感應(yīng)線圈的與所述管的端部相鄰的外伸區(qū)域，及所述多個(gè)外圍 磁極至少部分延伸在感應(yīng)線圈端部的外部周?chē)?。在本發(fā)明的一些例子 中，所述通量集中器可移動(dòng)以有選擇地控制通量集中器伸入感應(yīng)線 圈或感應(yīng)線圈中的管的端部的伸出距離；所述多個(gè)外圍磁極在感應(yīng)線 圈端部的外部周?chē)由斓木嚯x；和/或所述基座距感應(yīng)線圈端部的距 離。在本發(fā)明的其它例子中，所述至少一中央磁極可相對(duì)于所述基座 和所述多個(gè)外圍磁極在所述通量集中器的縱軸方向移動(dòng)。在本發(fā)明的 其它例子中，.所述通量集中器可包括鄰近所述多個(gè)外圍磁極中的至少 一個(gè)的伸出端部定位的支柱。可選地，所述支柱可在平行于所述多個(gè) 外圍磁極中的至少一個(gè)的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。在本發(fā)明的其它例子中，所 述基座不伸入感應(yīng)線圈的端部?jī)?nèi)；作為選擇，位于所述基座的朝向管
的表面和所述管狀材料的端部之間的基座偏移元件可伸入感應(yīng)線圈
內(nèi)；在這些備選結(jié)構(gòu)的任一結(jié)構(gòu)中，所述管的端部可分別靠所述基座 或所述基座偏移元件的表面置放，或者與相應(yīng)的表面間隔開(kāi)置放。在 本發(fā)明的其它例子中，通量集中器可以是環(huán)形結(jié)構(gòu)或可調(diào)虹彩光圈， 其可有選擇地與感應(yīng)線圈中的管狀材料端部的縱軸對(duì)準(zhǔn)。另一方面，本發(fā)明是電感應(yīng)加熱管狀材料的端部區(qū)域的裝置和方 法。管狀材料的至少一端部區(qū)域插入感應(yīng)線圈內(nèi)，所述感應(yīng)線圈被施 加交流功率以建立與管狀材料耦合從而感應(yīng)加熱管狀材料的交流磁 場(chǎng)。在本發(fā)明的一些例子中，管通量集中器的端部包括基座、中央磁 極和多個(gè)外圍磁極。所述基座由關(guān)于所述通量集中器的縱軸徑向分布 的多個(gè)基座支柱形成。所述中央磁極包括多個(gè)楔元件，每一楔元件從 所述多個(gè)基座支柱的每一支柱的會(huì)聚端的朝向管的那一側(cè)垂直延伸。 所述多個(gè)外圍磁極中的某一個(gè)從所述多個(gè)基座支柱元件的每一個(gè)的 會(huì)聚端的朝向管的那一側(cè)垂直延伸到伸出端。通量集中器的縱軸通過(guò) 并垂直于由多個(gè)基座支柱確立的平面。在本發(fā)明的一些例子中，所述 中央磁極至少伸入感應(yīng)線圈的與所述管的端部相鄰的外伸區(qū)域，及所 述多個(gè)外圍磁極至少部分延伸在感應(yīng)線圈端部的外部周?chē)?。在本發(fā)明 的一些例子中，所述通量集中器可移動(dòng)以有選擇地控制通量集屮器 伸入感應(yīng)線圈或感應(yīng)線圈中的管的端部的伸出距離；所述多個(gè)外圍磁
極在感應(yīng)線圈端部的外部周?chē)由斓木嚯x；禾n/或所述基座距感應(yīng)線
圈端部的距離。在本發(fā)明的其它例子中，所述基座和中央磁極的組合 可相對(duì)于所述外圍磁極在所述通量集中器的縱軸方向移動(dòng)。在本發(fā)明 的其它例子中，所述通量集中器可包括鄰近所述多個(gè)外圍磁極中的至 少一個(gè)的伸出端部定位的支柱?？蛇x地，所述支柱可在平行于所述通 量集中器的縱軸方向移動(dòng)。在本發(fā)明的其它例子中，包括多個(gè)基座支 柱的所述基座及包括多個(gè)楔元件的所述中央磁極可相對(duì)于所述通量 集中器的縱軸徑向調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的上述及其它方面將在本說(shuō)明書(shū)及所附權(quán)利要求中進(jìn)一 步提出。


如下面簡(jiǎn)要概括地，附圖用于示例性地理解本發(fā)明而非限制本說(shuō) 明書(shū)及所附權(quán)利要求進(jìn)一步提出的發(fā)明
圖1為用于電感應(yīng)加熱管狀材料的現(xiàn)有技術(shù)裝置的截面圖。圖2a、 2b和2c為用于電感應(yīng)加熱具有不同尺寸的管狀材料的現(xiàn)
有技術(shù)裝置的截面圖。
圖2d以圖示方式比較圖2a、 2b和2c中所示管狀材料的感應(yīng)端 部加熱。
圖3為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的一個(gè)例子的截 面圖。
圖4a和4b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例子 的截面圖。
圖5a和5b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例子 的截面圖。
圖6a和6b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例子 的截面圖。
圖7a、 7b和8c為圖3中所示磁通量集中器的具有不同數(shù)量的外 圍磁極的備選例子的端視圖。
圖8a為圖7a所示的磁通量集中器的立體圖。
圖8b為本發(fā)明的具有錐形中央部分的磁通量集中器的立體圖， 其用于電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部。
圖9a和9b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另'例子 的截面圖。
圖10a、 10b和l.Oc為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的 另一例子的截面圖。
圖lla為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例子的 截面圖。
圖lib為與本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的一些例子 一起使用的、可調(diào)虹彩光圈的一個(gè)例子的端視圖。
圖12為本發(fā)明的用于電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一磁通 量集中器的立體圖。
圖13a和13b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例 子的截面圖。圖14a和14b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例 子的截面圖。
圖15a和15b為本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的另一例 子的截面圖。
圖16a、 16b和16c為圖12所示的磁通量集中器的具有不同數(shù)量 的外圍磁極的備選例子的端視圖。
圖17a、 17b和17c示出了本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端 部的另一例子，其中磁通量集中器沿管狀材料的中心軸具有徑向可調(diào) 的元件。
圖18a、 18b和18c示出了圖17a、 17b禾口 17c所示磁通量集中器 的可調(diào)元件的重新定位。
圖19示出了本發(fā)明的電感應(yīng)加熱處理管狀材料端部的-- 個(gè)例 子，其中使用了具有可變?cè)驯鹊母袘?yīng)線圈。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的用于管狀材料的端部加熱的電感應(yīng)加熱處理裝置的一 個(gè)非限制性例子在圖3中示出。管磁通集中器10的端部包括基座]0a， 所述基座具有從其表面沿管狀材料95的軸向延伸的多個(gè)外圍磁極 10b和中央磁極10c，其插入感應(yīng)線圈30內(nèi)以在向所述線圈施加交流 功率時(shí)進(jìn)行感應(yīng)加熱處理。所述中央磁極位于所述管狀材料的內(nèi)徑內(nèi) 部。所述外圍磁極位于所述基座的外圍區(qū)域周?chē)⒃谒龉軤畈牧虾?感應(yīng)線圈的外表面的外部，如圖3中所示。集中器10可在+X或-X方 向移動(dòng)以適應(yīng)不同尺寸的管狀材料或影響加熱處理的端部長(zhǎng)度。改變 集中器10相對(duì)于線圈30和管狀材料95的固定位置的位置使得可在 同一線圈內(nèi)對(duì)不同大小、長(zhǎng)度或冶金特性的管狀材料進(jìn)行受控端部加 熱。
例如，圖4a和圖4b示出了使用同一磁通集中器10加熱具有不 同內(nèi)徑和壁厚的兩個(gè)管狀材料，即圖4a中的管狀材料95a具有比圖 4b中的管狀元件95b更小的內(nèi)徑及更大的厚度。在圖4a中，集中器10的中央磁極10c的端部沿X軸置于管狀元件95a的內(nèi)開(kāi)口中大致 x,距離以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92;而在圖4b中，集中器10的中央 磁極10c沿X軸置于管狀元件95b的內(nèi)開(kāi)口內(nèi)大致x2距離以獲得所需 端部加熱長(zhǎng)度92。根據(jù)應(yīng)用的特定需要，距離&可以為負(fù)(如圖4b 中所示，確立x^O的管狀材料端部的X位置)；S卩，所述中央磁極 10c的端部10c^可位于線圈外伸區(qū)域中的管的一定距離之外。
圖5a和5b示出了本發(fā)明的另一非限制性例子。在本發(fā)明的這些 例子中，集中器11包括基座元件lla、多個(gè)外圍磁極lib和中央磁 極llc。另外，所述基座和外圍磁極連同螺線管線圈30和管狀材料 95c或95d固定在適當(dāng)位置。所述基座和外圍磁極至少包圍線圈30 的縱向長(zhǎng)度的一部分。可選地，對(duì)一個(gè)或多個(gè)外圍磁極可提供支柱元 件lld。在該例子中，支柱元件lld位于每一外圍磁極的伸出端并朝 向所述管狀材料的外部。中央磁極llc可沿X軸在+X和-X方向移動(dòng)。 如圖5a中所示，中央磁極llc的端部沿X軸置于管狀元件95c的內(nèi) 開(kāi)口中大致x:,距離以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92;而在圖5b中，集中 器11的中央磁極llc沿X軸置于管狀元件95d的內(nèi)開(kāi)口內(nèi)大致^距 離以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92。根據(jù)應(yīng)用的特定需要，距離)c,可以 為負(fù)；即，所述中央磁極llc的端部11c^可位于線圈外伸區(qū)域屮的 管的一定距離之外。
圖6a和圖6b示出了本發(fā)明的另一非限制性例子。這些例子與圖 5a和5b所示的例子類(lèi)似，但支柱元件lld可在平行于相鄰?fù)鈬艠O 元件的長(zhǎng)度的方向移動(dòng)。本發(fā)明的該例子在控制熱過(guò)渡長(zhǎng)度94時(shí)特 別有用。如圖6a中所示，支柱元件lld沿外圍磁極元件位于距所述 外圍磁極元件的伸出端x' 5距離處以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92;而在 圖6b中，支柱元件lld位于x'。處，其定義為外圍磁極元件的端部。 在本發(fā)明的其它例子中，如上所述，可使用支柱元件lld和中央磁極 llc的組合移動(dòng)。
在本發(fā)明的其它非限制性例子中，任何通量集中器均可以是包括 一對(duì)外圍磁極的"E"形集中器，如圖7a和圖8a或8b所示。在本發(fā)明的其它例子中，例如，外圍磁極的數(shù)量可增加到4或6個(gè)，分別如
圖7b和7c所示，或者為任何其它數(shù)量。盡管外圍磁極在圖8a和8b 中被圖示為彎曲的矩形元件，但它們可以為不同的形狀，只要它們?cè)?感應(yīng)線圈內(nèi)的管狀材料端部周?chē)⒋艌?chǎng)即可。作為限制，磁極數(shù)量 可增加到在集中器的基座元件周?chē)纬删o密圓柱形外圍磁極結(jié)構(gòu)的 數(shù)量。盡管上述通量集中器的基座元件在圖7a-7c、圖8a和8b中被 圖示為圓盤(pán)，但根據(jù)將要感應(yīng)加熱處理的特定管狀材料，它們也可以 是其它形狀。盡管在本發(fā)明的上述部分例子中所述中央磁極被圖示為 單一圓柱形元件，但中央磁極也可以是不同的形狀，例如圖8b中所 示的錐形，并可由在管狀材料端部周?chē)⒑铣纱艌?chǎng)的多個(gè)中央磁極 元件組成。
圖9a和9b示出了本發(fā)明的特別適于與低電阻率管狀材料(例如， 銅、黃銅或鋁成分) 一起使用的例子。在圖9a的例子中，未使用中 央磁極。集中器13包括基座元件13a和多個(gè)外圍磁極13b，毎-外 圍磁極具有鄰近其伸出端定位的可選支柱元件13d。在本發(fā)明的該非 限制性例子中，基座元件13a為環(huán)形結(jié)構(gòu)?；蛘?，基座元件13a可以 是具有可調(diào)開(kāi)口或孔徑的可調(diào)虹彩光圈，如圖llb中所示。基座、外 圍磁極和支柱連同螺線管線圈30和管狀材料95g固定在適當(dāng)位置。 基座、外圍磁極和支柱至少包圍線圈30的縱向長(zhǎng)度的一部分。管狀 材料95g的端部與基座元件13a的端面表面齊平，因而沒(méi)有外伸距離。 盡管圖9a和9b分別示出管狀材料95g和95h的端部分別與通量集中 器的基座元件13a和13a'齊平，但在本發(fā)明的其它例子中，所述管 的端部可偏離所述基座的表面，及所述環(huán)狀孔的直徑ch可小于感應(yīng)線 圈內(nèi)的管狀材料的內(nèi)徑。圖9b中的結(jié)構(gòu)與圖9a中的類(lèi)似，但集中器 13'的基座元件13a'是實(shí)心圓柱形盤(pán)。
圖10a、 10b和10c示出了本發(fā)明的特別適于與高電阻率管狀材 料(例如，石墨或?qū)щ娞沾沙煞? 一起使用的例子。在圖10a的例子 中，未使用中央磁極元件。集中器14包括基座元件14a和多個(gè)外圍 磁極14b，每一外圍磁極具有鄰近其伸出端定位的可選支柱元件14d。在本發(fā)明的該非限制性例子中，基座元件14a為環(huán)形結(jié)構(gòu)并具有在基 座元件的朝向管的那一側(cè)上的開(kāi)口周?chē)由煲詫⒒由斓酵?br> 伸區(qū)域內(nèi)的環(huán)形偏移元件14e。在加熱過(guò)程期間集中器14的所有元 件均連同螺線管線圈30和管狀材料95j —起固定在適當(dāng)位置。管狀 材料95j的端部與環(huán)形偏移元件14e的端面表面齊平。圖10b中所示 的結(jié)構(gòu)與圖10a中的類(lèi)似，但集中器14'的基座元件14a'是實(shí)心圓柱 形盤(pán)。圖10c中所示的結(jié)構(gòu)與圖10b中所示的類(lèi)似，但集中器14〃的 偏移元件14e"是實(shí)心圓柱形盤(pán)。
圖lla和llb示出了本發(fā)明的特別適于與低電阻率管狀材料一起 使用的例子。在這些例子中，管通量集中器的端部包括如圖lla中所 示的固定的環(huán)形結(jié)構(gòu)15或如圖lib中所示的可調(diào)虹彩光圈15'，所 述可調(diào)虹彩光圈可有效地用作具有可變開(kāi)口的環(huán)形結(jié)構(gòu)以適應(yīng)具有 不同特性和物理特征的管狀材料的感應(yīng)加熱。圖lib示出了典型的但 非限制性的可調(diào)虹彩光圈，其中葉片15' a旋轉(zhuǎn)連接到安裝結(jié)構(gòu)15' b， 使得所述葉片的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致開(kāi)口 15'c的大小的增加或減小。環(huán)形結(jié)構(gòu) 15和光圈15'的中心軸均可與感應(yīng)線圈或感應(yīng)線圈內(nèi)的管的屮心軸 對(duì)準(zhǔn)。如圖11a中所示，當(dāng)使用環(huán)形結(jié)構(gòu)或光圈時(shí)，可提供外伸距離， 或者所述管的端部可與環(huán)形結(jié)構(gòu)或光圈的表面接觸。環(huán)形結(jié)構(gòu)15的 固定半徑或光圈15'的可變半徑均可在從小于管狀材料內(nèi)徑到感應(yīng)線 圈的內(nèi)尺寸(如直徑)之間。
當(dāng)在本發(fā)明的其它例子中使用中央磁極元件時(shí)，中央磁極元件可 包括多個(gè)結(jié)構(gòu)，其共同形成中央磁極元件以在管狀材料的中心軸周?chē)?建立特定通量路徑。例如，在圖12中，磁通集中器20包括基座20a、 外圍磁極20b和中央磁極20c，其中中央磁極20c包括對(duì)稱(chēng)安放在中 心軸周?chē)乃膫€(gè)楔元件20c'。每一楔元件20c'具有從所述楔元件的 一端(稱(chēng)為會(huì)聚端)垂直延伸的基座支柱元件20a'以共同形成基座 20a。如圖12和圖16a中所示，外圍磁極20b從每一楔元件的另一端 (稱(chēng)為分叉端)延伸。在本發(fā)明的其它例子中，外圍磁極的數(shù)量可增 加到4個(gè)或6個(gè)，分別如圖16b和16c所示，或者任何其它磁極數(shù)量。圖13a和13b示出了集中器的例子20，其中使用兩個(gè)外圍磁極 20b。其布置和結(jié)構(gòu)分別與圖4a和4b中所示的類(lèi)似，但在圖4a和 4b中使用的是圓柱形基座lOa和中央磁極10c。在圖13a中，中央磁 極20c (包括兩個(gè)楔元件20c')的端部關(guān)于X軸置于管狀元件95p的 內(nèi)開(kāi)口中約x,距離以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92;而在圖13b中，集 中器20的中央磁極20c沿X軸置于管狀元件95q的內(nèi)開(kāi)口中約&距 離以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92。根據(jù)應(yīng)用的特定要求，距離xr可以 為負(fù)，即中央磁極20c的端部20c^可位于線圈外伸區(qū)域中的管之外 的一定距離處。
圖14a和14b示出了集中器的例子21，其中外圍磁極21b和可 選的支柱元件21d固定，而基座元件21a (包括兩個(gè)基座支柱元件 21a')和中央磁極21c (包括兩個(gè)楔元件21c')可在+X和-X方向移 動(dòng)。其布置和結(jié)構(gòu)分別與圖5a和5b中所示的類(lèi)似，但在圖5a和5b 中使用的是圓柱形基座lla和中央磁極llc且只有中央磁極可移動(dòng)。 如圖14a中所示，中央磁極21c的端部沿X軸置于管狀元件95r的內(nèi) 開(kāi)口內(nèi)X3距離以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92;而在圖1.4b中，集中器 21的中央磁極21c沿X軸置于管狀元件95s的內(nèi)開(kāi)口內(nèi)^距離以獲 得所需端部加熱長(zhǎng)度92。
圖15a禾n 15b示出了集中器的例子25，其中外圍磁極25b固定 而支柱元件25d可在平行于其相鄰?fù)鈬艠O的長(zhǎng)度的方向移動(dòng)。例子 25的布置和結(jié)構(gòu)分別與圖6a和6b中所示的類(lèi)似，但在圖6a和6b 中使用的是圓柱形基座lla和中央磁極llc。如圖15a中所示，支柱 元件25d沿外圍磁極元件25b置于距所述外圍磁極元件的伸出端x';-, 距離處以獲得所需端部加熱長(zhǎng)度92;而在圖15b中，支柱元件25d 置于x'(,處，其定義為外圍磁極元件的伸出端的位置。在本發(fā)明的其 它例子中，如上所述，可使用支柱元件25d、基座元件25a(包括兩 個(gè)基座支柱元件25a')及中央磁極25c (包括兩個(gè)楔元件25c')的 組合移動(dòng)。在本發(fā)明的其它例子中，可完成磁通集中器的所選組件關(guān)于管狀 材料的中心軸的徑向移動(dòng)，所述集中器的一個(gè)或多個(gè)組件可以也可不 沿X軸移動(dòng)。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械元件可用于提供所述徑向移動(dòng)。作為例子而
非限制，圖17a、 17b和17c示出了本發(fā)明的一個(gè)例子，其中磁通集
中器的所選組件關(guān)于管狀材料的中心(縱)軸徑向移動(dòng)。這樣的移動(dòng) 可用于適應(yīng)不同直徑的管狀材料，如下進(jìn)一步所述。參考這些附圖，
示例性的磁通集中器22與圖13a和13b中所示的集中器20類(lèi)似，但 具有下述變化有6個(gè)外圍磁極22b位于感應(yīng)線圈30周?chē)B同可 選的支柱元件22d。每一基座支柱元件22a'和楔元件22c'可關(guān)于管 狀材料的中心軸A-A'徑向移動(dòng)。所述6個(gè)基座支柱元件經(jīng)穿過(guò)凸輪 從動(dòng)件40和凸輪盤(pán)42中的槽(分別為47和45)的凸輪銷(xiāo)46連接 到結(jié)構(gòu)支撐件44。凸輪盤(pán)42可在結(jié)構(gòu)支撐件44和凸輪從動(dòng)件40之 間任意旋轉(zhuǎn)，其中凸輪銷(xiāo)46使每一基座支柱元件22a'和楔元件22c' 或滑向中心軸或遠(yuǎn)離中心軸。圖18a、 18b和18c示出了通過(guò)致動(dòng)臂 48逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)凸輪軸42的效果，即從圖18a到圖18c的過(guò)程。 由于從圖18a中的管95x到圖18c中的管95z所述管狀材料的直徑減 小，楔元件22c'和基座支柱元件22a'朝向中心軸徑向移動(dòng)，使得楔 元件仍然能以最小徑向間隙(因?yàn)楣軤畈牧系膬?nèi)徑減小)插入在管狀 材料的內(nèi)部?jī)?nèi)。
本發(fā)明的任何通量集中器均可與可變繞組感應(yīng)線圈結(jié)合，其中所 述感應(yīng)線圈在熱過(guò)渡區(qū)94附近具有比端部加熱長(zhǎng)度92內(nèi)更密的匝比 (每單位長(zhǎng)度L的匝數(shù))，如圖19中所示。
在本發(fā)明的幾個(gè)分開(kāi)的例子中說(shuō)明的本發(fā)明的磁通集中器的特 征可在本發(fā)明的其它例子中進(jìn)行組合。在本發(fā)明的所有例子中，所述
磁通集中器可由任何適當(dāng)?shù)拇艑?dǎo)(高磁導(dǎo)率)及具有相當(dāng)高電阻率(低 功耗)的材料制成。在形式上，磁通集中器可以是磁性材料、鐵氧休、 含鐵及含鐵氧體的粉末材料的層疊堆，或者可以是鑄造件或多個(gè)部分 的組裝件。在本發(fā)明的所有例子中，術(shù)語(yǔ)"管狀材料"包括管，但也包括具 有縱(中心)軸和內(nèi)開(kāi)口的任何材料。例如，管狀材料截面可以為矩 形并具有相應(yīng)的矩形內(nèi)開(kāi)口；在本發(fā)明的該例子中，中央磁極形狀可 以為矩形以插入管狀材料的矩形開(kāi)口內(nèi)。
在本發(fā)明的所有例子中，磁通集中器的移動(dòng)可通過(guò)任何方法完 成，包括但不限于由操作員人工移動(dòng)或由線性驅(qū)動(dòng)裝置如電力或液壓 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)。在本發(fā)明的一些例子中，進(jìn)一步的移動(dòng)可人工或自動(dòng) 完成。例如，傳感器可檢測(cè)當(dāng)前將要加熱處理的管狀材料的尺寸并向 處理器輸出信號(hào)，所述處理器運(yùn)行適當(dāng)移動(dòng)集中器的位置的程序。傳 感器可以是近程傳感器，例如檢測(cè)將要加熱處理的管狀材料的外部和 /或內(nèi)部的位置。在本發(fā)明的其它例子中，操作員可經(jīng)適當(dāng)?shù)妮斎朐O(shè) 備如鍵盤(pán)向處理器輸入數(shù)據(jù)以確定將要加熱處理的管狀材料"通量集 中器將根據(jù)所保存的位置值進(jìn)行移動(dòng)。在本發(fā)明的其它例子中，例如 傳感器可用于通過(guò)高溫計(jì)、紅外傳感器或其它熱成像傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè) 端部加熱溫度以實(shí)時(shí)檢測(cè)端部加熱從而自適應(yīng)地調(diào)整集中器的徑向 和軸向位置。該備選方案應(yīng)考慮特定大小的管狀材料中的冶金反常并 相應(yīng)調(diào)整集中器的位置。
在本發(fā)明的上述例子中示出了單層多匝線圈。然而，本發(fā)明不限 于特定類(lèi)型的線圈設(shè)計(jì)。例如，單匝線圈、多層線圈或連接到多個(gè)電 源的多個(gè)線圈均可與本發(fā)明的裝置一起使用。
根據(jù)應(yīng)用和過(guò)程要求，可采用不同設(shè)計(jì)的磁通集中器。例如，層 疊堆可以是連續(xù)圓形元件，或者可以由多個(gè)堆制成。根據(jù)應(yīng)用和過(guò)程 要求的具體情況，"C"形(基座元件和兩個(gè)外圍磁極，沒(méi)有中央磁 極)、雙"C"形(基座元件和四個(gè)外圍磁極，沒(méi)有中央磁極)、"T"
形(基座元件和中央磁極，沒(méi)有外圍磁極)、或"F"形疊層或粉末 形成的磁通集中器或上述形狀的任何結(jié)合均可用于替代"E"形集中
器°
在本發(fā)明的上述例子描述螺線管線圈的位置保持不變的同時(shí)，在 本發(fā)明的其它例子中，螺線管線圈和本發(fā)明上面任一例子中描述的端部磁通集中器的組合移動(dòng)均可使用，而不背離本發(fā)明的范圍。在本發(fā) 明的其它例子中，本發(fā)明上面例子中的任何集中器和/或管狀材料在 感應(yīng)加熱處理過(guò)程期間均可旋轉(zhuǎn)。
如在本發(fā)明中使用的，術(shù)語(yǔ)"螺線管線圈"應(yīng)當(dāng)按其最寬含義理 解為一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)線圈的任何組合，當(dāng)交流電流流過(guò)所述一個(gè)或多 個(gè)感應(yīng)線圈時(shí)在其中產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)與插入一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)線圈 內(nèi)的管狀材料的端部耦合。本發(fā)明不限于特定幾何結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈。
在本發(fā)明的所有例子中，通過(guò)將管狀材料的整個(gè)長(zhǎng)度插入螺線管 感應(yīng)線圈內(nèi)，管狀材料的兩端可被同時(shí)感應(yīng)加熱，從而在管狀材料的 兩端建立外伸距離。
為了說(shuō)明的目的提供的以上本發(fā)明實(shí)施例絕不應(yīng)視為限制本發(fā) 明。在參考不同實(shí)施例描述本發(fā)明的同時(shí)，在此使用的詞句是描述和 說(shuō)明性的詞句，而不是限制性的詞句。雖然已經(jīng)結(jié)合具體裝置、材料 和實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不受在此公開(kāi)的具體細(xì)節(jié)的限制， 本發(fā)明延伸到權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有功能等效的結(jié)構(gòu)、方法和用途。 受益于本說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求的教示的本領(lǐng)域技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)本發(fā)明的多種修改，這些變化不脫離本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)。本發(fā)明 不限于上面所描述的內(nèi)容，而是包括如所附權(quán)利要求詳述的發(fā)明。
權(quán)利要求
1、電感應(yīng)加熱處理管狀材料的至少一端部區(qū)域的方法，該方法包括將管狀材料的所述至少一端部區(qū)域插入感應(yīng)線圈直到距離所述感應(yīng)線圈的端部為外伸距離為止并向所述感應(yīng)線圈施加交流功率的步驟，其特征在于使通量集中器位于感應(yīng)線圈中的管狀材料的所述至少一端部區(qū)域附近，使得所述通量集中器的至少一中央磁極從所述通量集中器的基座表面的中央?yún)^(qū)域至少部分伸入所述外伸距離，及徑向分布在所述基座周邊周?chē)亩鄠€(gè)外圍磁極在所述感應(yīng)線圈的端部的外部周?chē)由欤鐾鈬艠O的延伸距離至少等于所述外伸距離的一部分，多個(gè)外圍磁極中的每一個(gè)均在伸出端終止。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括步驟沿所述通量集中器的 縱軸移動(dòng)所述通量集中器以相對(duì)于所述管狀材料的至少一端部區(qū)域 和所述感應(yīng)線圈的位置調(diào)整所述通量集中器的位置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括步驟保持所述基座及所述 多個(gè)外圍磁極的位置不變并沿所述通量集中器的縱軸移動(dòng)所述至少 一中央磁極以相對(duì)于所述基座和所述多個(gè)外圍磁極的位置調(diào)整所述 至少一中央磁極的位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括步驟鄰近于所述多個(gè)外圍 磁極中的至少一個(gè)的伸出端定位通量集中器并使通量集中器支柱朝 向所述管狀材料的外部。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括歩驟平行于所述多個(gè)外圍 磁極中的至少一個(gè)的長(zhǎng)度方向移動(dòng)所述通量集中器支柱。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述基座包括徑向分布在所述 通量集中器的縱軸周?chē)亩鄠€(gè)基座支柱，所述至少一中央磁極包括多 個(gè)楔，所述多個(gè)楔中的每一個(gè)從所述多個(gè)基座支柱之-一的會(huì)聚端的朝 向管的那一側(cè)垂直延伸，及所述多個(gè)外圍磁極中的每一個(gè)從所述多個(gè) 基座支柱之一的分叉端的朝向管的那一側(cè)垂直延伸。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，還包括步驟沿所述通量集中器的 縱軸移動(dòng)所述通量集中器以相對(duì)于所述管狀材料的至少一端部區(qū)域 及所述感應(yīng)線圈的固定位置調(diào)整所述通量集中器的位置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，還包括步驟保持所述多個(gè)外圍磁極的位置不變并沿所述通量集中器的縱軸移動(dòng)所述至少一中央磁極 和基座以相對(duì)于所述管狀材料的至少一端部區(qū)域及所述感應(yīng)線圈的固定位置調(diào)整所述至少一中央磁極和基座的位置。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，還包括步驟鄰近于至少一所述外 圍磁極的伸出端定位通量集中器支柱并使通量集中器支柱朝向所述 管狀材料的外部。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，還包括歩驟平行于所述至少 -外 圍磁極元件的長(zhǎng)度方向移動(dòng)所述通量集中器支柱。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6的方法，還包括步驟在垂直于所述通量集 中器的縱軸的方向移動(dòng)所述多個(gè)基座支柱和楔。
12、 電感應(yīng)加熱處理管狀材料的至少一端部區(qū)域的方法，包括步驟將管狀材料的至少一端部區(qū)域插入感應(yīng)線圈內(nèi)；鄰近于所述感應(yīng)線圈的端部定位通量集中器的基座的表面；使多個(gè)外圍磁極在所述感應(yīng)線圈端部的外部周?chē)鷱幕吔缪由斓缴斐龆?，所述外圍磁極的延伸距離至少等于插入所述感應(yīng)線圈內(nèi)的管狀材料的端部；及向所述感應(yīng)線圈施加交流功率。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括歩驟鄰近于所述多個(gè)外 圍磁極中的至少一個(gè)的伸出端定位通量集中器支柱并使通量集中器 支柱朝向所述管狀材料的外部。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括步驟平行于所述至少一外圍磁極元件的長(zhǎng)度方向移動(dòng)所述通量集中器支柱。
15、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟將所述基座形成為 環(huán)形結(jié)構(gòu)或可調(diào)虹彩光圈，及使所述環(huán)形結(jié)構(gòu)或光圈的中心與所述管 狀材料的縱軸對(duì)準(zhǔn)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟使所述感應(yīng)線圈中 的管狀材料的端部按與所述基座的朝向管的表面接觸進(jìn)行定位。
17、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟使基座偏移元件按 其相對(duì)的表面與所述基座的朝向管的表面及所述管狀材料的端部接 觸進(jìn)行定位。
18、 電感應(yīng)加熱處理管狀材料的至少一端部區(qū)域的方法，包括歩驟將管狀材料的至少一端部區(qū)域插入感應(yīng)線圈內(nèi)；鄰近于感應(yīng)線圈的端部定位環(huán)形結(jié)構(gòu)通量集中器，所述環(huán)形結(jié)構(gòu) 的中心軸與所述管狀材料的縱軸重合并具有從小于所述管狀材料的 內(nèi)徑到所述感應(yīng)線圈的內(nèi)徑的開(kāi)口直徑范圍；及向所述感應(yīng)線圈施加交流功率。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述環(huán)形結(jié)構(gòu)由可調(diào)虹彩光 圈形成，其具有從小于所述管狀材料的內(nèi)徑到所述感應(yīng)線圈的內(nèi)徑的 可變開(kāi)口直徑范圍。
20、 管狀材料端部感應(yīng)加熱裝置，包括用于管狀材料端部插入的 感應(yīng)線圈及鄰近感應(yīng)線圈端部置放并在插入所述感應(yīng)線圈內(nèi)端管狀 材料端部附近的環(huán)形結(jié)構(gòu)通量集中器，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)的中心軸與所述 管狀材料的縱軸重合并具有從小于所述管狀材料的內(nèi)徑到所述感應(yīng) 線圈的內(nèi)徑的開(kāi)口直徑范圍。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20的管狀材料端部感應(yīng)加熱裝置，其中所述環(huán)形結(jié)構(gòu)由可調(diào)虹彩光圈形成，其具有從小于所述管狀材料的內(nèi)徑到 所述感應(yīng)線圈的內(nèi)徑的可變開(kāi)口直徑范圍。
22、 根據(jù)權(quán)利要求20的管狀材料端部感應(yīng)加熱裝置，其中所述 感應(yīng)線圈在所述管狀材料的熱過(guò)渡區(qū)附近的繞組匝比大于在所述管 狀材料的端部加熱長(zhǎng)度附近的繞組匪比。
23、 管端部通量集中器，包括基座和徑向分布在基座周邊周?chē)?多個(gè)外圍磁極，所述多個(gè)外圍磁極中的每一個(gè)從所述基座的朝向管的 那一側(cè)向伸出端垂直延伸。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23的管端部通量集中器，其中所述基座為圓 柱形、環(huán)形或可調(diào)虹彩光圈。
25、 根據(jù)權(quán)利要求23的管端部通量集中器，還包括從所述基座 的朝向管的表面延伸的基座偏移元件。
26、 根據(jù)權(quán)利要求23的管端部通量集中器，還包括從所述基座 的朝向管的那一側(cè)的中央?yún)^(qū)域延伸的至少一中央磁極。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26的管端部通量集中器，其中所述至少一中 央磁極為圓柱形或錐形形狀。
28、 根據(jù)權(quán)利要求26的管端部通量集中器，其中所述至少一中 央磁極可沿其軸向長(zhǎng)度相對(duì)于所述基座移動(dòng)。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28的管端部通量集中器，其中所述至少一中 央磁極為圓柱形或錐形形狀。
30、 根據(jù)權(quán)利要求26的管端部通量集中器，還包括鄰近于所述 多個(gè)外圍磁極中的至少一個(gè)的伸出端的通量集中器支柱，所述通量集 中器支柱朝向所述管端部通量集中器的縱軸。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30的管端部通量集中器，其中所述通量集中 器支柱可在平行于所述多個(gè)外圍磁極中的至少一個(gè)的方向移動(dòng)。
32、 根據(jù)權(quán)利要求26的管端部通量集中器，其中所述基座由關(guān) 于所述通量集中器的縱軸徑向分布的多個(gè)基座支柱形成；所述至少一 中央磁極包括多個(gè)楔，所述多個(gè)楔中的每一個(gè)從所述多個(gè)基座支柱中 的每一個(gè)的會(huì)聚端的朝向管的那一側(cè)垂直延伸；及所述多個(gè)外圍磁極 包括從所述多個(gè)基座支柱中的每一個(gè)的分叉端的朝向管端部的那一 側(cè)垂直延伸的外圍磁極。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32的管端部通量集中器，其中所述基座和所 述至少一中央磁極的組合可沿所述通量集中器的縱軸相對(duì)于所述外 圍磁極移動(dòng)。
34、 根據(jù)權(quán)利要求32的管端部通量集中器，還包括鄰近于所述多個(gè)外圍磁極中的至少一個(gè)的伸出端的通量集中器支柱，所述通量集 中器支柱朝向所述管端部通量集中器的縱軸。
35、 根據(jù)權(quán)利要求32的管端部通量集中器，其中所述通量集中 器支柱可在平行于所述多個(gè)外圍磁極中的至少一個(gè)的方向移動(dòng)。
36、 根據(jù)權(quán)利要求32的管端部通量集中器，其中所述基座和所 述至少一中央磁極的組合可在垂直于所述通量集中器的縱軸的方向 移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了用于在電感應(yīng)加熱處理過(guò)程中控制管狀材料的端部加熱的磁通集中器。所述磁通集中器可由固定的元件或固定及可移動(dòng)元件的組合組成以適應(yīng)具有不同尺寸或材料特性的管狀材料的端部加熱。
文檔編號(hào)H05B6/02GK101438620SQ200780014828
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者D·L·洛夫萊斯, J·P·朗, P·A·羅斯, V·I·魯?shù)履?申請(qǐng)人:感應(yīng)加熱有限公司