CN102234712B - 细线材感应加热热处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细线材感应加热热处理系统，它包括依次相连接的放线设备、恒张力控制装置、感应加热装置、水槽和收线设备；所述的感应加热装置还分别与感应加热电源和测温探头相连接。本发明在线材热处理中加热效率高，能耗低，感应器的漏磁通大幅度减少。试验测试数据证明，原耗电量为1000-1200度电/吨材，采用本套设备，耗电量仅为280-320度电/吨材，并且加热速度快，可以达到100米/分，非常适合于￠2.5-￠6直径的线材加热。

Description

细线材感应加热热处理系统

技术领域

本发明属于细线材加热热处理领域，具体地说是涉及一种细线材感应加热热处理系统。

背景技术

目前国内线材热处理所用的加热炉还是以50年代仿苏的“老三样炉”一一马弗炉、井式炉、箱式炉、台车炉为主，这些加热炉以烧煤或电阻加热作为加热手段，存在着密封条件差、蓄热量大、升温速度慢等缺点，致使炉体热量散失较大，造成大量的能量浪费。试验测试数据证明，采用传统电阻炉热处理方式，耗电量为1000-1200度电/吨材。采用燃煤作为加热手段，污染较大，并且加热温度曲线控制不好，影响线材热处理的质量。

现代感应加热技术(设备)在金属热处理，透热成型和熔炼等方面有着广泛的应用。但在细线材(￠6以下)感应加热应用方面却不能达到理想加热效果，原因是采用感应线圈以单一感应方式加热线材，如下图，线材穿在截面积为Φ_m的感应线圈内，在线圈中通入电流，由于法拉第效应在线圈内部产生了垂直于线圈方向的磁通，磁通方向与线材方向一致，而线材在磁通的作用下内部生产赶上电流i，在电流作用下线材被加热。

在感应加热过程中设备输出功率：

而作用到线材上的功率为由于感应线圈的制作工艺和线圈内通过的电流很大，对于线径小于6mm的线材，线圈的直径比细线材的直径要大很多，因此线圈产生的磁通Φ_m比线材截面积D大3倍以上，使得作用到线材上的功率不到设备输出功率的1/3，传统上采用单一感应线圈加热线材方式效率很低，线材加热速度慢，加热不到理想温度，设备达不到额定功率(设备输出功率调不出来)，加热效率低(耗电量大)。目前国内外众多专业厂家和科研单位正致力于此技术方面的研究，但至今均未见到理想方案出台。

发明内容

本发明的目的是提供一种加热效率高、能耗低的细线材感应加热热处理系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括依次相连接的放线设备、恒张力控制装置、感应加热装置、水槽和收线设备；所述的感应加热装置还分别与感应加热电源和测温探头相连接。

所述的恒张力控制装置包括依次相连接的进线端弹性压板、张力前轮、张力主轮、张力后轮和出线端弹性压板；在所述的张力主轮上设有张力链条，在张力链条上设有摩擦块，摩擦块与张力主轮相接触；所述张力链条的一端连接阻尼弹簧。

所述的进线端弹性压板和出线端弹性压板均包括上压板和下压板，在上压板的下方和下压板的上方均设有羊毛毡；所述的上压板和下压板均为环氧板；在所述的上压板的上方设置压力调节装置。

所述张力链条上的摩擦块为二氧化钼模块；且张力链条的另一端连接固定板，固定板上设有调节螺母。

所述的感应加热装置由匹配变压器构成，所述匹配变压器的原级线圈连接感应加热电源，匹配变压器的次级线圈I依次缠绕在导向轮和金属轮上。

所述的匹配变压器还包括次级线圈II，所述的次级线圈II连接感应线圈；位于导向轮和金属轮之间的次级线圈I贯穿在感应线圈中。

在感应加热装置的放线端设置放线导向轮和放线金属轮，在感应加热装置的收线端设置收线导向轮和收线金属轮，在放线金属轮和收线金属轮之间设置感应器，感应器通过谐振电路连接感应加热电源；所述的感应器由石英管以及缠绕在石英管上的线圈组成。

在所述的放线金属轮和收线金属轮均设有石墨碳刷，石墨碳刷与感应器相连接。

所述的金属轮、放线金属轮和收线金属轮均为水冷却金属轮，它包括通水轴，在通水轴的两端分别开有进水孔和出水孔；在通水轴的轴身处设置线槽轮，线槽轮的两端分别连接法兰，法兰固定通水轴的轴承，所述的通水轴、线槽轮和法兰之间形成通水腔，通水腔与进水孔和出水孔相通；且在所述通水腔的两端设置机械密封，机械密封通过轴挡环固定在法兰上。

所述的感应加热电源包括依次相连接的整流电路、斩波电路、滤波电路和逆变电路；且所述的斩波电路还通过控制保护电路与逆变电路相连接。

采用上述技术方案的本发明，具有以下优点：

(1)、在线材内部产生纵向和横向两种磁场共同作用的复合磁场感应加热装置。它通过高频电流加热和感应器在线材内部产生高频感生电流，然后利用该高频感生电流进行加热，从而使得高频电流加热细线材时加热均匀，并且可提高加热温度，从而提高了加热效率。

(2)、本发明中的恒张力控制装置能够有效避免线材在高速运动情况下在导向轮和金属轮上的抖动、跳动和松动，使线材在导向轮和金属轮上平稳运行不脱槽，保持线材在运行中内部张力基本上保持恒定不变均匀一致，在高温运行下不容易被收线系统拉断。

(3)、本发明中的水冷却金属轮结构简单，一般的加工条件即可完成，成本较低。采用球轴承连接可以保证线材的高速运转。由于连接采用轴承和机械密封连接所以运转时噪音和机械振动都很小。在随着线材高速运转中，冷却性能良好，不会被线材烤热而损坏。

(4)、实时温度监控系统可以使线材加热后的温度均匀一致，保证了线材热处理的质量，而且能够达到线材在设定速度下的要求加热温度。

本发明在线材热处理中加热效率高，能耗低，感应器的漏磁通大幅度减少。试验测试数据证明，原耗电量为1000-1200度电/吨材，采用本套设备，耗电量仅为280-320度电/吨材，并且加热速度快，可以达到100米/分，非常适合于￠2.5-￠6直径的线材加热。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中恒张力控制装置的结构示意图；

图3为恒张力控制装置中张力主轮的结构示意图；

图4为恒张力控制装置中张力链条的结构示意图；

图5为恒张力控制装置中弹性压板的结构示意图；

图6为本发明实施例1中感应加热装置的结构示意图；

图7为本发明实施例2中感应加热装置的结构示意图；

图8为本发明实施例3中感应加热装置的结构示意图；

图9为本发明中水冷却金属轮的结构示意图；

图10为本发明中感应加热电源的原理框图；

图11为本发明中感应加热电源的电路图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明包括依次相连接的放线设备2、恒张力控制装置3、感应加热装置5、水槽6和收线设备7。另外，上述的感应加热电源还分别与感应加热装置5和测温探头4相连接。其中，感应加热电源通过采用IGBT逆变技术将三相工频电源逆变为30KHZ-300KHZ的高频电源。放线设备2和收线设备7负责线材的收线和放线。感应加热装置5将线材加热到适合的温度。恒张力控制装置3在线材加热运动时保证线材的内部张力恒定不变，防止线材被拉断，并且能够防止线材高速运动中在导向轮上跳动。水槽6里面盛放冷却介质，用于冷却加热后的线材，完成细线材的热处理工艺，冷却介质可以采用水或者其它液体。测温探头4实时采集温度信号，它与温度监控系统相连接，温度监控系统在线监测线材加热后的温度，在温度出现变化时及时调节线材加热功率，确保线材加热后的温度控制在±15℃。需要说明的是，上述的感应加热装置5和感应加热电源均位于热处理机柜中，热处理机柜旁安装有测温探头，线材从热处理机柜中出来后进入水槽，然后经过两个导向轮，被收线装置盘成圆盘。

具体地说，如图2所示，恒张力控制装置3包括依次相连接的进线端弹性压板8、张力前轮9、张力主轮10、张力后轮11和出线端弹性压板12。细线材从右侧进入进线端弹性压板8，经张力前轮9辅助作用后进入张力主轮10，细线材受到张力主轮10施加的一组可调的摩擦阻力，再经由左侧张力后轮11，最后进入出线端弹性压板12。

如图3所示，在张力主轮10上设有张力链条13，在张力链条13上设有摩擦块14，摩擦块14与张力主轮10相接触；上述的摩擦块14以二氧化钼模块为最佳实施方式。上述张力链条13的一端通过连接板18连接阻尼弹簧15，张力链条13的另一端连接固定板16，固定板16上设有调节螺母27。其中，二氧化钼模块固定在张力链条13上通过阻尼弹簧15对张力主轮10施加可调的压力，使张力主轮10和二氧化钼模块之间产生连续可调的摩擦阻力，对运行的细线材产生稳定的恒张力。且可以通过张力链条13和固定板16上的调节螺母27调节张力链条13的松紧度得到所需要的恒张力，使得细线材1在高速运动中速度均匀、不抖动，保证了转动系统可靠运行，有利于线材加热的连续均匀一致达到理想效果。

如图4所示，张力链条13由螺纹杆19、摩擦块14、链节17、和连接板18组成。螺纹杆19有固定调节作用，可以通过扭转螺纹杆19上的调节螺母27调节张力链条13的松紧度，调节张力链条13和张力主轮10的摩擦阻力达到需要的恒张力。摩擦块14采用二氧化钼模块，是通过多次选材实验选出的最合适的材料制造出来的，保证了转动系统可靠运行，有利于线材运行加热的连续均匀一致性，在高温运行下不容易被收线系统拉断，使线材热处理达到理想最佳效果。

如图5所示，进线端弹性压板8和出线端弹性压板12为同样的结构。它们均包括上压板20和下压板21，上压板20和下压板21均为环氧板，下压板21固定在支架板23上。在上压板20的下方和下压板21的上方均设有羊毛毡22，这样，使得细线材1在高速运动中速度更加均匀一致，保证了细线材在本系统中运行更加可靠，在热处理加热中更加连续均匀，达到更理想的效果。

另外，还可以在上压板11的上方设置压力调节装置。上述的压力调节装置包括螺栓24和蝶形螺母25，在螺栓24上设置压缩弹簧26，压缩弹簧26位于蝶形螺母25的下方。通过调节碟形螺母25，可以调节上下压板之间的压力，使羊毛毡22压紧细线材1形成稳定的恒张力，使得细线材1在高速运动中速度更加均匀一致，保证了细线材在系统中运行更加可靠，在热处理加热中更加连续均匀，达到理想最佳效果。

在本实施例中，感应加热装置5由匹配变压器构成，如图6所示，上述匹配变压器的原级线圈连接高频电源，该高频电源即为感应加热电源。本实施例中的感应加热电源为逆变电源。匹配变压器的次级线圈I 28依次缠绕在导向轮29和金属轮30上。在本实施例中，次级线圈I 28即为细线材1，在绕线时，细线材先穿过金属轮30，然后再穿过匹配变压器内部，再绕过导向轮29，最后从金属轮30绕出。

本实施例中感应加热装置5的工作原理是：原级高频电流在变压器磁芯内部产生磁通方向垂直于原级的高频交变磁场，即横向磁通。在高频交变磁场作用下，细线材内产生方向与线材绕线方向平行的交变电流，利用该交变电流进行加热。在本实施例中，线材的加热是靠变压器原级产生的横向磁通加热线材，磁通利用只有一个方向，且横向磁通的利用率非常高，加热效率好。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是，本实施例中，感应加热装置5还增加了纵向磁通加热，即本实施例在纵向磁通和横向磁通共同复合的作用下进行线材加热。

具体地说，如图7所示，匹配变压器还包括次级线圈II 31，次级线圈II 31连接感应线圈32，且位于导向轮29和金属轮30之间的次级线圈I 28贯穿在感应线圈32中。

本实施例中感应加热装置5的工作原理是：匹配变压器原级接高频电源，该高频电源也为逆变电源。匹配变压器的次级线圈II31与感应线圈32连接，细线材首先穿过金属轮30，再穿过匹配变压器内部，然后从导向轮29上绕过转向，再通过感应线圈32，从金属轮30上绕出。当在变压器原级通过高频交流电流时，由于电磁感应在细线材周围产生磁通方向与线材运行方向平行的磁场，即纵向磁通，在感应线圈32内的线材内部产生涡流电流，将线材加热。另一方面，原级高频电流在变压器磁芯内部产生磁通方向垂直于原级的高频交变磁场，即横向磁通，在高频交变磁场作用下，线材内过产生方向与线材绕线方向平行的交变电流。这样，在纵向磁通和横向磁通复合的作用下，线材加热速度快，电利用效率高。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1、实施例2不同的是，如图8所述，本实施例中，在感应加热装置5的放线端设置放线导向轮33和金属轮34，由放线导向轮33连接放线机构37。在感应加热装置的收线端设置收线导向轮35和金属轮36，由收线导向轮35连接收线机构38。在实施时，待加热的细线材1盘成圆盘放在放线机构37上，线材加热过程中从放线机构37中陆续放出。收线机构38在线材加热时将加热过的线材盘成圆盘，供后续使用。需要说明的是，放线导向轮33和收线导向轮35可以在线材运动时将线材紧密压在各自的金属轮上，使线材与金属轮接触良好，避免线材与金属轮之间由于接触不好而产生放电现象，造成线材表明伤痕。

在放线金属轮34和收线金属轮36之间设置感应器40，感应器40通过匹配变压器和谐振电容连接感应加热电源。其中，谐振电容和匹配变压器组成谐振电路，感应器40接在匹配变压器输出端。

为实现高效率加热，本发明中，感应器40由石英管41以及缠绕在石英管41上的线圈42组成。在放线金属轮34和收线金属轮36上均设有石墨碳刷43，石墨碳刷43通过导线44与感应器40相连接。在细线材加热时，线材要经过放线金属轮34后穿在感应器40内的石英管41中，高频电流通过感应器40在线材周围产生高频磁场，在高频磁场的作用下线材内部产生感生电流，感生电流加热线材。另外，由于放线金属轮34、收线金属轮36和线材直接接触，从变压器端流出的高频电流可经过导线44、石墨碳刷43、放线金属轮34和收线金属轮36直接通过线材，达到加热线材目的。由于线材在加热过程中连续运动，放线金属轮34和收线金属轮36被线材带动转动，为使导线44和金属轮在电气上可靠连接，使用石墨碳刷43紧紧压在两个金属轮上，在两个金属轮转动时，导线中的电流可以通过石墨碳刷43传到金属轮上并在线材中形成连续电流。在发明中，使用石英管41可以避免线材在运动中误碰感应器造成感应器匝间短路或线材与感应器间放电。

另外，在细线材1的运行线路中，还可以设置多个导向套39。该导向套39能保证细线材1平稳运行。其中，位于放线机构37与放线导向轮33之间的导向套使线材能够可靠进入放线导向轮33的槽中，避免线材从放线导向轮33上脱落；位于放线金属轮34与感应器40之间的导向套，是避免线材在运动中误摆或从放线金属轮34上脱落而将石英管41碰裂或碰碎；位于收线导向轮35与收线机构38之间的导向套避免了线材从收线机构上脱落。

为配合本实施例中的感应加热装置5，本实施例中的感应加热电源通过采用IGBT逆变技术将三相工频电源逆变为30KHZ-300KHZ的高频电源。具体地说，如图10所示，它包括依次相连接的整流电路、斩波电路、滤波电路和逆变电路。上述的斩波电路还通过控制保护电路与逆变电路相连接。

本实施例中感应加热电源的工作原理是：

如图11所示，三相整流电路D1-D6将工频电源整流成直流电，斩波电路和滤波电路按照负载和输出功率的要求将直流电调制成合适电压输送给逆变电路，逆变电路生产高频电流供给感应加热装置。上述的逆变电路由四个晶闸管G1-G4组成。本电源采用三相工频供电，有完善的控制保护电路。控制保护电路包括电源缺相保护，电源过电压，欠电压保护，电源过电流保护，冷却水缺水和欠压保护，及逆变频率不适保护等，设备输出功率调节采用前级斩波器调功，有恒功率、恒流两种控制模式。另外设备输出功率和逆变中心频率可以根据细线材的加热速度和品种不同，灵活选用。设备输出功率可以在40KW-120KW内选择，逆变中心频率可以在30KHZ-300KHZ内选择。另外，感应加热电源还与采样电路相连接，该采样电路包括输出电压采样和输出电流采样，每个采样电路均与监控系统相连接。这样，就能自动控制加热温度。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例4

本实施例与上述实施例不同的是，本实施例在上述实施例的基础上，增加了水冷却金属轮。由于在实施的过程中，各个金属轮都会受到加热的影响，所以要对各个金属轮进行冷却。上述的金属轮30、金属轮34和金属轮36均为水冷却金属轮。水冷却金属轮包括通水轴45，在通水轴45的两端分别开有进水孔46、出水孔47、进水内孔56、出水内孔57，进水孔46与进水内孔56相连，出水孔47与出水内孔57相连，通水轴45中间不贯通。在通水轴45两侧安装机械密封51和轴挡环52，通水轴45、机械密封51和轴挡环52的外面安装线槽轮48，线槽轮48上开有线槽58，线材28在通过水冷却金属轮时安置在线槽58中。线槽轮48和机械密封51的外侧连接法兰49，在法兰49与线槽轮48之间设有O型密封圈53。线槽轮48与法兰49之间通过螺栓59连接，法兰49固定通水轴外面的轴承54，轴承54与通水轴45之间通过轴用卡簧55连接。并且，上述的轴承54以耐高温轴承为最佳实施方式。

上述的通水轴45、线槽轮48和法兰49之间形成通水腔50，通水腔50与进水内孔56和出水内孔57相通。

水冷却金属轮的工作原理是：如图9所示。水从进水孔46进入，然后通过进水内孔56进入到通水腔50中。水在通水腔50中与线槽轮48进行热交换，从而实现冷却线槽轮48。冷却后，热水经过出水内孔57从出水孔47中流出。

由于机械密封51的存在，就可以保证线槽轮48和通水轴45之间的相互转动，并保证通水腔50里面的冷却水不会溢出，冷却水在通水腔50内与线槽轮48充分换热后从水孔。此时带有热量的水由通水轴45的出水孔47流出进入冷却系统，循环利用。

需要说明的是，当细线材进入线槽轮后，由收线系统和张紧系统产生的拉力，使线材和线槽轮48中的V型槽产生较大的摩擦力，从而带动线槽轮48转动，线槽轮48和法兰49之间采用的螺栓连接，属于静连接。而线槽轮48、法兰49和通水轴45之采用轴承54和机械密封51连接，属于动连接。这样就是只有线槽轮48和法兰49转动，而通水轴45由于和系统中的支架采用螺母坚固连接就不会随线槽轮转动。

Claims (7)

1.一种细线材感应加热热处理系统，其特征在于：它包括依次相连接的放线设备(2)、恒张力控制装置(3)、感应加热装置(5)、水槽(6)和收线设备(7)；所述的感应加热装置(5)还分别与感应加热电源和测温探头(4)相连接；所述的恒张力控制装置(3)包括依次相连接的进线端弹性压板(8)、张力前轮(9)、张力主轮(10)、张力后轮(11)和出线端弹性压板(12)；在所述的张力主轮(10)上设有张力链条(13)，在张力链条(13)上设有摩擦块(14)，摩擦块(14)与张力主轮(10)相接触；所述张力链条(13)的一端连接阻尼弹簧(15)；所述的感应加热装置(5)由匹配变压器构成，所述匹配变压器的原级线圈连接感应加热电源，匹配变压器的次级线圈I(28)依次缠绕在导向轮(29)和金属轮(30)上；在感应加热装置(5)的放线端设置放线导向轮(33)和放线金属轮(34)，在感应加热装置(5)的收线端设置收线导向轮(35)和收线金属轮(36)，在放线金属轮(34)和收线金属轮(36)之间设置感应器(40)，感应器(40)通过谐振电路连接感应加热电源；所述的感应器(40)由石英管(41)以及缠绕在石英管(41)上的线圈(42)组成。

2.根据权利要求1所述的细线材感应加热热处理系统，其特征在于：所述的进线端弹性压板(8)和出线端弹性压板(12)均包括上压板(20)和下压板(21)，在上压板(20)的下方和下压板(21)的上方均设有羊毛毡(22)；所述的上压板(20)和下压板(21)均为环氧板；在所述的上压板(20)的上方设置压力调节装置。

3.根据权利要求1所述的细线材感应加热热处理系统，其特征在于：所述张力链条(13)上的摩擦块(14)为二氧化钼模块；且张力链条(13)的另一端连接固定板(16)，固定板(16)上设有调节螺母(27)。

4.根据权利要求1所述的细线材感应加热热处理系统，其特征在于：所述的匹配变压器还包括次级线圈II(31)，所述的次级线圈II(31)连接感应线圈(32)；位于导向轮(29)和金属轮(30)之间的次级线圈I(28)贯穿在感应线圈(32)中。

5.根据权利要求1所述的细线材感应加热热处理系统，其特征在于：在所述的放线金属轮(34)和收线金属轮(36)均设有石墨碳刷(43)，石墨碳刷(43)与感应器(40)相连接。

6.根据权利要求1或5所述的细线材感应加热热处理系统，其特征在于：所述的金属轮(30)、放线金属轮(34)和收线金属轮(36)均为水冷却金属轮，它包括通水轴(45)，在通水轴(45)的两端分别开有进水孔(46)和出水孔(47)；在通水轴(45)的轴身处设置线槽轮(48)，线槽轮(48)的两端分别连接法兰(49)，法兰(49)固定通水轴的轴承(54)，所述的通水轴(45)、线槽轮(48)和法兰(49)之间形成通水腔(50)，通水腔(50)与进水孔(46)和出水孔(47)相通；且在所述通水腔(50)的两端设置机械密封(51)，机械密封(51)通过轴挡环(52)固定在法兰(49)上。

7.根据权利要求1所述的细线材感应加热热处理系统，其特征在于：所述的感应加热电源包括依次相连接的整流电路、斩波电路、滤波电路和逆变电路；且所述的斩波电路还通过控制保护电路与逆变电路相连接。

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