Электроиндукционная термическая обработка конца трубчатого материала
Изобретение относится к электротехнике, к электроиндукционной термической обработке концевых областей трубчатого материала. Технический результат состоит в повышении равномерности термической обработки трубчатых изделий с разными геометриями и из разных материалов. Концентратор магнитного потока используется для нагрева конца трубчатого материала в процессе электроиндукционной термической обработки. Концентратор магнитного потока может состоять из неподвижных элементов или комбинации неподвижных и подвижных элементов для согласования с нагревом концов трубчатых материалов, имеющих разные размеры или свойства материалов. 5 н. и 31 з.п. ф-лы, 19 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электроиндукционной термической обработке концевых областей трубчатого материала.
Известный уровень техники
Электроиндукционный нагрев можно использовать для термической обработки трубчатых материалов, таких как металлические трубы и трубопроводы. Как правило, трубчатый материал удерживается на месте внутри индукционной катушки-соленоида, как показано на фиг.1. Труба 90 находится внутри соленоида 30. Когда в катушку подается подходящая мощность переменного тока, труба индукционно нагревается за счет магнитной связи с продольным полем магнитного потока, устанавливающимся за счет протекания переменного тока через катушку. Термическая обработка может представлять собой, например, отжиг, нормализацию, снятие механических напряжений, нанесение покрытия, сушку, закалку или отпуск конца трубчатого материала. В других приложениях индукционный нагрев концов трубчатых изделий можно использовать для нагрева концов перед операциями формования металла. Некоторые приложения требуют однородного нагрева конкретной длины концевого участка трубчатого материала.
Как показано на фиг.1, когда желательна однородная термическая обработка конца, трубчатый материал располагают в катушке таким образом, что катушка «вылетала» за конец этого материала. В общем случае продольная ось Х катушки и трубчатого материала совпадают, а соленоид имеет форму, совпадающую с формой трубчатого материала. Расстояние вылета, хвыл, управляет формой силовых линий магнитного поля, устанавливающегося у осевого конца катушки за пределами конца трубчатого материала, таким образом, чтобы напряженность магнитного поля устанавливалась в пределах конца материала такой, чтобы однородно нагревать его на требуемую длину. На надлежащее расстояние вылета влияет ряд параметров, включая наружный диаметр трубчатого материала, толщину материала, физические и металлургические свойства и частоту мощности переменного тока, подаваемой в катушку. Следовательно, для трубчатых материалов разных типоразмеров или для термической обработки одного и того же трубчатого материала на разные длины концов необходимы разные катушки. Сравним, например, с фиг.2(а), фиг.2(b) и фиг.2(с), где одни и те же индукционная катушка 30 и расстояние вылета, Xoh, используются для индукционного нагрева: (1) трубчатого материала 90а, имеющего наружный диаметр (НД), равный НД1, и толщину t1; (2) трубчатого материала 90b, имеющего наружный диаметр НД2, который меньше, чем НД1, и толщину t1; и (3) трубчатого материала 90 с, имеющего наружный диаметр HД2, и толщину t2, которая больше, чем t1, соответственно. Как проиллюстрировано графиками на фиг.2(d), для трубчатого материала 90а, показанного на фиг.2(а), требуемый концевой нагретый отрезок 92, термическая переходная зона 94 и холодная зона 96 - все они изменяются. Термин «требуемый концевой нагретый отрезок» в типичном случае относится к одинаковому распределению температуры нагрева по требуемому концевому нагретому отрезку. Поскольку нагрев нельзя индуцировать на длине конца материала с резким переходом к «не нагретой» (или холодной) концевой зоне, существует концевой отрезок с термической переходной зоной 94, в которой нагрев постепенно уменьшается с приближением к холодной зоне 96 ввиду эффекта «размывания», вследствие которого тепло, индуцируемое на требуемом концевом нагретом отрезке, передается от требуемого концевого нагретого отрезка 92 к холодной зоне 96. Управление и требуемым концевым нагретым отрезком, и отрезком термической переходной зоны является важным фактором в некоторых процессах термической обработки. В случае трубчатых материалов 90b и 90с, показанных на фиг.2(b) и 2(с) соответственно, ввиду электромагнитного концевого эффекта, который существует на конце катушки, эти материалы недостаточно нагреваются по всей длине требуемого концевого нагретого отрезка 92' и 92''. На конце трубы имеется недогретая зона 91. Когда необходимо нагреть трубчатый материал с меньшим НД с помощью катушки, предназначенной для большего НД, конец трубы будет недогрет (зона 91) из-за снижения влияния источников тепла, обусловливаемых электромагнитным концевым эффектом. Если трубчатый материал имеет ту же форму, но при изготовлении использовался материал с другими физическими или металлургическими свойствами, например металл, который имеет большее электрическое удельное сопротивление, то конец трубы также окажется недогретым из-за снижения влияния источников тепла, обусловливаемых электромагнитным концевым эффектом.
В альтернативном варианте единственная катушка с многочисленными отводами соединений мощности переменного тока вдоль длины катушки могла бы обеспечить некоторую дополнительную гибкость для равномерного нагрева конца трубы в случае трубчатых материалов разных размеров или металлургического состава. За счет использования надлежащих отводов для подключения мощности переменного тока запитываемую длину катушки можно изменять с целью регулирования расстояния вылета.
К сожалению, существует ограничение, накладываемое на использование вылета катушки для получения равномерного нагрева конца. Это ограничение, в частности, заметно, когда нагревают магнитные металлы ниже температуры Кюри. После достижения определенных значений дополнительное увеличение вылета катушки не будет компенсировать потерю источников тепла, обусловливаемых электромагнитным концевым эффектом. Кроме того, большие вылеты катушки приводят к снижению эффективности катушки и коэффициента мощности катушки. Оба эти фактора негативно влияют на экономичность и гибкость индукционной системы из-за повышенных потерь энергии и необходимости использования специальных средств для коррекции коэффициента мощности.
Одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить равномерность термической обработки концов трубчатых материалов различных типов в процессе электроиндукционной термической обработки, при осуществлении которого, по меньшей мере, одну концевую область трубчатого материала вставляют в индукционную катушку-соленоид. Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы повысить гибкость индукционной нагревательной системы для получения требуемого (например, равномерного) нагрева трубчатых изделий с разными геометриями и из разных материалов с использованием одного и того же индукционного нагревателя.
Краткое изложение существа изобретения
В одном аспекте настоящего изобретения предложены устройство и способ электроиндукционного нагрева концевых областей трубчатого материала. По меньшей мере, одну концевую область трубчатого материала вставляют в индукционную катушку, которую запитывают мощностью переменного тока для установления переменного магнитного поля, которое связывается с трубчатым материалом для его индукционного нагрева. В некоторых примерах изобретения конец концентратора магнитного потока трубы содержит основание, множество периферийных полюсов, простирающихся вокруг периферийных областей стороны основания, обращенной к трубе, и, по меньшей мере, один центральный полюс, простирающийся в основном от центральной области стороны основания, обращенной к трубе. Продольная ось концентратора магнитного потока проходит сквозь обращенную к трубе сторону основания и в основном перпендикулярна этой стороне. Указанный, по меньшей мере, один центральный полюс выступает, по меньшей мере, частично в область вылета индукционной катушки, которая соседствует с концом трубы, а множество периферийных полюсов простираются, по меньшей мере, частично вокруг наружной поверхности конца индукционной катушки. В некоторых примерах изобретения концентратор магнитного потока выполнен с возможностью перемещения с целью избирательного управления: расстоянием выступания концентратора магнитного потока в индукционную катушку или в конец трубы индукционной катушки; расстоянием, на которое множество периферийных полюсов выступает вокруг наружной поверхности конца индукционной катушки; и/или расстоянием, на котором находится основание от конца индукционной катушки. В других примерах изобретения указанный, по меньшей мере, один центральный полюс выполнен с возможностью перемещения относительно основания и множества периферийных полюсов в направлении продольной оси концентратора магнитного потока. В других примерах изобретения концентратор магнитного потока может включать в себя ножку, размещенную рядом с выдвинутым концом, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов. Эта ножка - по выбору - выполнена с возможностью перемещения в направлении, в основном параллельном длине упомянутого, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов. В других примерах изобретения основание не выступает в конец индукционной катушки; в альтернативном варианте смещающий элемент основания, расположенный между обращенной к трубе поверхностью основания и концом трубчатого материала, может выступать в индукционную катушку; в любом из этих альтернативных вариантов конец трубы может находиться у поверхности основания или смещающего элемента основания соответственно или отстоять от соответствующей поверхности. В других примерах изобретения концентратор магнитного потока может представлять собой кольцо или регулируемую ирисовую диафрагму, которую можно избирательно выравнивать с продольной осью конца трубчатого материала в индукционной катушке.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предложены устройство и способ электроиндукционного нагрева концевых областей трубчатого материала. По меньшей мере, одну концевую область трубчатого материала вставляют в индукционную катушку, которую запитывают мощностью переменного тока для установления переменного магнитного поля, которое связывается с трубчатым материалом для его индуктивного нагрева. В некоторых примерах изобретения конец концентратора магнитного потока трубы содержит основание, центральный полюс и множество периферийных полюсов. Основание образовано из множества ножек основания, распределенных радиально вокруг продольной оси концентратора магнитного потока. Центральный полюс содержит множество клиновых элементов, каждый из которых в основном простирается перпендикулярно от обращенной к трубе стороны сходящегося конца каждой из множества ножек основания. Каждый из множества периферийных полюсов в основном простирается перпендикулярно от обращенной к трубе стороны расходящегося конца каждого из множества элементов ножек основания к выдвинутому концу. Продольная ось концентратора магнитного потока проходит через плоскость, установленную множеством ножек основания, и в основном перпендикулярна этой плоскости. В некоторых примерах изобретения центральный полюс выступает, по меньшей мере, в область вылета индукционной катушки, которая находится рядом с концом трубы, а множество периферийных полюсов простираются, по меньшей мере, частично вокруг наружной поверхности конца индукционной катушки. В некоторых примерах изобретения концентратор магнитного потока выполнен с возможностью избирательного управления: расстоянием выступания концентратора магнитного потока в индукционную катушку или в конец трубы в индукционной катушке; расстоянием, на которое множество периферийных полюсов выступают вокруг наружной поверхности индукционной катушки; и/или расстоянием, на котором находится основание от конца индукционной катушки. В других примерах изобретения комбинация из основания и центрального полюса выполнена с возможностью перемещения относительно периферийных полюсов в направлении продольной оси концентратора магнитного потока. В других примерах изобретения концентратор магнитного потока может включать в себя ножку, размещенную рядом с выдвинутым концом, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов. Эта ножка - по выбору - выполнена с возможностью перемещения в направлении, в основном параллельном продольной оси концентратора магнитного потока. В других примерах изобретения основание, которое содержит множество ножек основания, и центральный полюс, который содержит множество клиновых элементов, можно радиально регулировать относительно продольной оси концентратора магнитного потока.
Вышеуказанные и другие аспекты изобретения изложены далее в этом описании и прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, краткое описание которых приведено ниже, представлены для того, чтобы можно было понять изобретение на примерах, и не носят ограничительный характер применительно к содержанию этого описания и прилагаемой формулы изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует в сечении известное устройство для электроиндукционной термической обработки трубчатого материала.
Фиг.2(а), фиг.2(b) и фиг.2(с) иллюстрируют в сечениях известное устройство для электроиндукционной термической обработки трубчатых материалов, имеющих разные размеры.
На фиг.2(d) представлено графическое сравнение трубчатых материалов, показанных на фиг.2(а), фиг.2(b) и фиг.2(с).
Фиг.3 иллюстрирует в сечении один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.4(а) и фиг.4(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.5(а) и фиг.5(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.6(а) и фиг.6(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.7(а), фиг.7(b) и фиг.7(с) иллюстрируют на виде сбоку альтернативные примеры концентратора магнитного потока, изображенного на фиг.3, с изменяющимся количеством периферийных полюсов.
На фиг.8(а) представлено перспективное изображение концентратора магнитного потока, изображенного на фиг.7(а).
На фиг.8(b) представлено перспективное изображение концентратора магнитного потока с конической центральной секцией, используемого для электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.9(а) и фиг.9(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.10(а), фиг.10(b) и фиг.10(с) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.11(а) иллюстрирует в сечении еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
На фиг.11(b) представлен вид с торца одного примера регулируемой ирисовой диафрагмы, используемой совместно с некоторыми примерами электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
На фиг.12 представлено перспективное изображение еще одного концентратора магнитного потока, используемого для электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.13(а) и фиг.13(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.14(а) и фиг.14(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.15(а) и фиг.15(b) иллюстрируют в сечениях еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению.
Фиг.16(а), фиг.16(b) и фиг.16(с) иллюстрируют на виде сбоку альтернативные примеры концентратора магнитного потока, изображенного на фиг.12, с изменяющимся количеством периферийных полюсов.
Фиг.17(а), фиг, 17(b) и фиг.17(с) иллюстрируют еще один пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению, в котором концентратор магнитного потока имеет элементы, радиально регулируемые вдоль центральной оси трубчатого материала.
Фиг.18(а), фиг.18(b) и фиг.18(с) иллюстрируют изменение положения регулируемых элементов концентратора магнитного потока, изображенного на фиг.17(а), фиг.17(b) и фиг.17(с).
Фиг.19 иллюстрирует пример электроиндукционной термической обработки конца трубчатого материала согласно настоящему изобретению, в котором используется индукционная катушка с изменяемой плотностью намотки.
Подробное описание изобретения
Один неограничительный пример устройства для электроиндукционной термической обработки трубчатого материала согласно настоящему изобретению изображен на фиг.3. Концентратор 10 магнитного потока на конце трубы содержит основание 10а, имеющее множество периферийных полюсов 10b и центральный полюс 10с, простирающийся от поверхности основания в основном в осевом направлении трубчатого материала 95, который вставлен в индукционную катушку 30 для индукционной термической обработки при подаче в катушку мощности переменного тока. Центральный полюс размещен внутри, в пределах внутреннего диаметра трубчатого материала. Вокруг периферийных областей основания и снаружи от наружной поверхности трубчатого материала и индукционной катушки, как показано на фиг.3, размещены периферийные полюса. Концентратор 10 может перемещаться в одном из двух - положительном или отрицательном (+Х или -X) - направлений вдоль оси Х для согласования с трубчатыми материалами разных размеров или для оказания влияния на концевые отрезки, подлежащие термической обработке. Изменение положения концентратора 10 относительно фиксированного положения катушки 30 и трубчатого материала 95 приводит к управляемому нагреву концов трубчатых материалов разных размеров или металлургических свойств внутри одной и той же катушки.
Например, фиг.4(а) и 4(b) иллюстрируют использование одного и того же концентратора 10 магнитного потока для нагрева двух трубчатых материалов, имеющих разные внутренние диаметры и толщины стенок, а именно трубчатого материала 95а, показанного на фиг.4(а), который имеет меньший внутренний диаметр и большую толщину, чем трубчатый элемент 95b, показанный на фиг.4(b). На фиг.4(а) конец центрального полюса 10с концентратора 10 простирается вдоль оси Х во внутреннем отверстии трубчатого элемента 95а на расстояние x1 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92, тогда как на фиг.4(b) центральный полюс 10 с концентратора 10 выдвигается вдоль оси Х во внутреннее отверстие трубчатого элемента 95b на расстояние x2 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92. В зависимости от конкретных требований применения расстояние х2 может быть отрицательным (относительно положения вдоль оси Х конца трубчатого материала, устанавливающего х=0, как указано на фиг.4(b)), то есть конец 10скон центрального полюса 10с может быть размещен на определенном расстоянии снаружи от трубы в области вылета катушки.
Фиг.5(а) и 5(b) иллюстрируют еще один неограничительный пример настоящего изобретения. В этих примерах изобретения концентратор 11 содержит элемент 11а основания, множество периферийных полюсов 11b и центральный полюс 11с. Кроме того, основание и периферийные полюса зафиксированы в нужном положении, как и соленоид 30 и трубчатый материал 95с или 95d. Основание и периферийные полюса окружают, по меньшей мере, часть продольной длины катушки 10. По выбору, для одного или более периферийных полюсов можно предусмотреть элемент 11d в виде ножки. В этом примере элемент 11d в виде ножки находится на выступающем конце каждого периферийного полюса и обращен к наружной поверхности трубчатого материала. Центральный полюс 11с может перемещаться в положительном и отрицательном направлениях (+Х и -X) вдоль оси X. Как показано на фиг.5(а), конец центрального полюса 11с проходит вдоль оси Х во внутреннее отверстие трубчатого элемента 95с на расстояние х3 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92, тогда как на фиг.5(b) центральный полюс 11с концентратора 11 проходит вдоль оси Х во внутреннее отверстие трубчатого элемента 95d на расстояние x4 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92. В зависимости от конкретных требований применения расстояние x2 может быть отрицательным, то есть конец 11скон центрального полюса 11с может быть размещен на определенном расстоянии снаружи от трубы в области вылета катушки.
Фиг.6(а) и 6(b) иллюстрируют еще один неограничительный пример настоящего изобретения. Эти примеры аналогичны тем, которые показаны на фиг.5(а) и 5(b), за исключением того, что элемент 11d в виде ножки выполнен с возможностью перемещения в направлении, в основном параллельном длине соседнего элемента периферийного полюса. Этот пример настоящего изобретения полезен, в частности, при управлении отрезком 94 термической переходной зоны. Как показано на фиг.6(а), элемент 11d в виде ножки располагается вдоль элемента периферийного полюса на расстоянии х'5 от выступающего конца элемента периферийного полюса для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92, тогда как на фиг.6(b) элемент 11d в виде ножки располагается вдоль элемента периферийного полюса на расстоянии х'0, которое определяется как соответствующее концу периферийного полюса. В других примерах изобретения можно использовать комбинацию перемещения элемента в виде 11d ножки и центрального полюса 11с, как описано выше.
В других неограничительных примерах изобретения любой из концентраторов магнитного потока может быть концентратором «Е»-образной формы, содержащим пару периферийных полюсов, как показано на фиг.7(а) и фиг.8(а) или фиг.8(b). В других примерах изобретения количество периферийных полюсов может быть увеличено, например, до четырех или шести, как показано на фиг.7(b) и фиг.7(с) соответственно, или до любого другого количества полюсов. Хотя периферийные полюса иллюстрируются как изогнутые прямоугольные элементы на фиг.8(а) и фиг.8(b), они могут быть различной формы, для того чтобы они устанавливали магнитное поле вокруг конца трубчатого материала внутри индукционной катушки. В качестве ограничения количество полюсов может быть увеличено до такого количества, когда периферийные полюса создадут сплошную цилиндрическую структуру периферийных полюсов вокруг элемента основания концентратора. Хотя элементы основания вышеописанных концентраторов магнитного потока иллюстрируются как круглые диски на фиг.7(а) - фиг.7(с), фиг.8(а) и 8(b), они могут иметь другие формы в зависимости от конкретного трубчатого материала, подлежащего индуктивной термической обработке. Хотя центральный полюс иллюстрируется как одиночный цилиндрический элемент в некоторых из вышеуказанных примеров изобретения, центральный полюс может иметь и другие формы, которые способствуют установлению сложного магнитного поля вокруг конца трубчатого материала.
Фиг.9(а) и фиг.9(b) иллюстрируют примеры настоящего изобретения, особенно подходящие для использования с трубчатым материалом, имеющим низкое электрическое удельное сопротивление (например, с композициями меди, латуни или алюминия). В примере согласно фиг.9(а) элемент центрального полюса не используется. Концентратор 13 содержит элемент 13а основания и множество периферийных полюсов 13b, каждый из которых имеет устанавливаемый по выбору элемент 13d в виде ножки, размещенный рядом с его выдвинутым концом. Элемент 13а основания представляет собой кольцо в этом неограничительном примере изобретения. В качестве альтернативы элемент 13а основания может быть регулируемой ирисовой диафрагмой с регулируемым отверстием или регулируемой апертурой, как показано на фиг.11(b). Основание, периферийные полюса и ножки закреплены на своих местах, как и соленоид 30, и трубчатый материал 95g. Основание, периферийные полюса и ножки окружают, по меньшей мере, часть продольной длины катушки 30. Конец трубчатого материала 95g располагается заподлицо с торцевой поверхностью элемента 13а основания, и поэтому расстояние вылета отсутствует. Хотя на фиг.9(а) и фиг.9(b) конец трубчатого материала 95g и 95h соответственно показан располагающимся заподлицо с торцевой поверхностью элемента 13а и 13а' основания соответственно концентратора магнитного потока, в других примерах изобретения конец трубы может быть смещен от поверхности основания, а диаметр d1 кольцевого отверстия может быть меньше, чем внутренний диаметр трубчатого материала внутри индукционной катушки. Компоновка, показанная на фиг.9(b), аналогична компоновке, показанной на фиг.9(а), за исключением того, что элемент 13а' основания концентратора 13' представляет собой сплошной цилиндрический диск.
Фиг.10(а), фиг.10(b) и фиг.10(с) иллюстрируют примеры настоящего изобретения, особенно подходящие для использования с трубчатым материалом, имеющим высокое электрическое удельное сопротивление (например, с композициями графита или электропроводной керамики). В примере согласно фиг.10(а) центральный полюс не используется. Концентратор 14 содержит элемент 14а основания и множество периферийных полюсов 14b, каждый из которых имеет устанавливаемый по выбору элемент 14d в виде ножки, размещенный рядом с его выдвинутым концом. Элемент 14а основания представляет собой кольцо в этом неограничительном примере изобретения и имеет кольцевой смещающий элемент 14е, выступающий вокруг его отверстия на обращенной к трубе стороне элемента основания, для продолжения элемента основания в область вылета. В процессе нагрева все элементы концентратора 14 закреплены на своих местах, как и соленоид 30 и трубчатый материал 95j. Конец трубчатого материала 95j располагается заподлицо с торцом кольцевого смещающего элемента 14. Компоновка, показанная на фиг.10(b), аналогична компоновке, показанной на фиг.10(а), за исключением того, что элемент 14а' основания концентратора 14' представляет собой сплошной цилиндрический диск. Компоновка, показанная на фиг.10(с), аналогична компоновке, показанной на фиг.10(b), за исключением того, что смещающий элемент 14с'' концентратора 14'' представляет собой сплошной цилиндрический диск.
Фиг.11(а) и фиг.11(b) иллюстрируют примеры настоящего изобретения, особенно подходящие для использования с трубчатым материалом, имеющим низкое электрическое удельное сопротивление. В этих примерах конец концентратора магнитного потока трубы содержит фиксированное кольцо 15, как показано на фиг.11(а), или регулируемую ирисовую диафрагму 15', как показано на фиг.11(b), которая эффективно функционирует в качестве кольца с регулируемым отверстием для согласования индукционного нагрева трубчатых материалов с разными свойствами и физическими характеристиками. На фиг.11(b) показан типичный, но неограничительный пример регулируемой ирисовой диафрагмы, в котором лепестки 15' соединены с возможностью поворота с монтажной структурой 15'b таким образом, что поворот лепестков приводит к увеличению или уменьшению размера отверстия 15'. Центральные оси кольца 15 и диафрагмы 15' можно выровнять с центральной осью либо индукционной катушки, либо трубы внутри индукционной катушки. Расстояние вылета, как показано на фиг.11(а), может быть обеспечено, когда используется либо кольцо, либо диафрагма, или конец трубы может быть введен в контакт с поверхностью кольца либо диафрагмы. Фиксированный радиус кольца 15 или изменяемый радиус диафрагмы 15' может находиться в диапазоне от величины, меньшей чем внутренний диаметр трубчатого материала, до внутреннего размера (например, диаметра) индукционной катушки.
Когда элемент центрального полюса используется в других примерах изобретения, этот элемент центрального полюса может содержать множество структур, которые совместно образуют элемент центрального полюса для установления конкретного пути магнитного потока вокруг центральной оси трубчатого материала. Например, показанный на фиг.12 концентратор 20 магнитного потока содержит основание 20а, периферийные полюса 20b и центральный полюс 20 с, причем центральный полюс 20с содержит четыре клиновых элемента 20с', расположенных симметрично вокруг центральной оси. Каждый клиновой элемент 20с' имеет элемент 20а' в виде ножки основания, проходящей, по существу, перпендикулярно от одного конца (называемого сходящимся концом) клинового элемента и образующий совместно с другими такими элементами основание 20а. Периферийный полюс 20b проходит от противоположного конца (называемого расходящимся концом) каждого клинового элемента, как показано на фиг.12 и фиг.16(а). В других примерах изобретения количество периферийных полюсов может увеличиваться, например, до четырех или шести, как показано на фиг.16(b) и фиг.16(с) соответственно или до любого другого количества полюсов.
Фиг.13(а) и фиг.13(b) иллюстрируют примеры концентратора 20, в котором используются два периферийных полюса 20b. Компоновка и конфигурация в данном случае аналогичны показанным на фиг.4(а) и фиг.4(b) соответственно, за исключением того, что на фиг.4(а) и фиг.4(b) используются цилиндрическое основание 10а и центральный полюс 10с. Показанный на фиг.13(а) конец центрального полюса 20с (содержащего два клиновых элемента 20с') проходит вдоль оси Х во внутреннем отверстии трубчатого элемента 95р на расстояние x1 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92, тогда как на фиг.13(b) центральный полюс 20с концентратора 20 выступает вдоль оси Х во внутреннее отверстие трубчатого элемента 95q на расстояние х2 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92. В зависимости от конкретных требований применения, расстояние x2 может быть отрицательным, то есть конец 20скон центрального полюса 20с может находиться на определенном расстоянии снаружи от трубы в области вылета катушки.
Фиг.14(а) и фиг.14(b) иллюстрируют примеры концентратора 21, в котором используются периферийные полюса 21b и устанавливаемые по выбору элементы 21d в виде ножек неподвижны, а элемент 21а основания (содержащий два элемента 21а' в виде ножек основания) и центральный полюс 21с (содержащий два клиновых элемента 21с') могут перемещаться в положительном и отрицательном направлениях (+Х и -X) оси X. Компоновка и конфигурация в данном случае аналогичны показанным на фиг.5(а) и фиг.5(b) соответственно, за исключением того, что на фиг.5(а) и фиг.5(b) используются цилиндрическое основание 11а и центральный полюс 11с, а с возможностью перемещения выполнен только центральный полюс. Как показано на фиг.14(а), конец центрального полюса 21с выступает вдоль оси Х во внутреннее отверстие трубчатого элемента 95r трубы на расстояние х3 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92, тогда как на фиг.14(b) центральный полюс 21с концентратора 21 выступает вдоль оси Х во внутреннее отверстие трубчатого элемента 95s на расстояние x4 для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92.
Фиг.15(а) и фиг.15(b) иллюстрируют примеры концентратора 25, в котором периферийные полюса 25b неподвижны, а элементы 25d в виде ножек выполнены с возможностью перемещения в направлении, в основном параллельном длине примыкающего периферийного полюса. Компоновка и конфигурация в данном случае аналогичны показанным на фиг.6(а) и фиг.6(b) соответственно, за исключением того, что на фиг.6(а) и фиг.6(b) используются цилиндрическое основание 11а и центральный полюс 11с. Как показано на фиг.15(а), элемент 25d в виде ножки расположен вдоль элемента 25b периферийного полюса на расстоянии х'5 от выступающего конца элемента периферийного полюса, для получения требуемого концевого нагретого отрезка 92, тогда как на фиг.15(b) элемент 25d в виде ножки расположен вдоль элемента 25b периферийного полюса на расстоянии х'0, которое определяется как соответствующее местонахождению выступающего конца элемента периферийного полюса. В других примерах изобретения можно использовать комбинацию смещения элемента 25d в виде ножки и элемента 25а основания (содержащего два элемента 25а' в виде ножек основания) и центрального полюса 25 с (содержащего два клиновых элемента 25с'), как описано выше.
В других примерах изобретения можно осуществить радиальное перемещение выбранных компонентов концентратора магнитного потока вокруг центральной оси трубчатого материала при наличии или отсутствии перемещения одного или более компонентов концентратора вдоль оси X. Для обеспечения этого радиального перемещения можно использовать подходящие механические элементы. В качестве примера, не носящего ограничительный характер, фиг.17(а), фиг.17(b) и фиг.17(с) иллюстрируют один пример настоящего изобретения, в котором выбранные компоненты концентратора магнитного потока перемещаются радиально вокруг центральной (продольной) оси трубчатого материала. Такое перемещение может оказаться полезным при согласовании с трубчатым материалом разных диаметров, как дополнительно описывается ниже. Обращаясь к этим чертежам, отмечаем, что возможный концентратор 22 магнитного потока аналогичен концентратору 20, изображенному на фиг.13(а) и фиг.13(b), за исключением следующих изменений. Имеются шесть периферийных полюсов 22b, которые размещены вокруг индукционной катушки 30, как и устанавливаемые по выбору элементы 22d в виде ножек. Каждый элемент 22а' в виде ножки основания и клиновой элемент 22с' выполнен с возможностью радиального перемещения относительно центральной оси А-А' трубчатого материала. Шесть элементов в виде ножек основания соединены с конструктивным несущим элементом 44 посредством кулачковых пальцев 46, пропущенных сквозь прорези в кулачковом следящем элементе 40 и кулачковой пластине 42 (47 и 45 соответственно). Кулачковая пластина 42 может свободно вращаться между конструктивным опорным элементом 44 и кулачковым следящим элементом 40, вследствие чего кулачковые пальцы 46 обеспечивают скольжение каждого элемента 22а' в виде ножки основания и клинового элемента 22 с' по направлению либо к центральной оси, либо от нее. Фиг.18(а), фиг.18(b) и фиг.18(с) иллюстрируют эффект поворота кулачкового вала 42 исполнительным рычагом 48 в направлении против часовой стрелки в соответствии с тем, как это показано на фиг.18(а) - фиг.18(с). По мере уменьшения диаметра трубчатого материала от трубы 95х на фиг.18(а) до трубы 95z на фиг.18(с), клиновые элементы 22с' и элементы 22а' в виде ножек основания перемещаются радиально к центральной оси таким образом, что эти клиновые элементы по-прежнему могут быть вставлены внутри относительно внутренней поверхности трубчатого материала с минимальным радиальным зазором, по мере уменьшения внутреннего диаметра трубчатого материала.
Любые концентраторы магнитного потока согласно настоящему изобретению можно объединять с индукционной катушкой, имеющей регулируемые обмотки, при этом индукционная катушка имеет большую плотность намотки (число витков на единицу длины L) вокруг термической переходной зоны 94, чем на концевом нагретом отрезке 92, как показано на фиг.19.
Признаки концентратора магнитного потока согласно настоящему изобретению, проиллюстрированные в отдельном примере изобретения, могут быть объединены с другими примерами изобретения. Во всех примерах изобретения концентратор магнитного потока может быть сформирован из любого подходящего материала, который является магнитно-проводящим (обладает высокой магнитной проницаемостью) и имеет относительно высокое удельное электрическое сопротивление (характеризуется малой потерей мощности). В результате такого формирования концентратор магнитного потока может представлять собой слоистый пакет из магнитного материала, феррита, порошковых материалов на основе железа и на основе феррита, а также может быть литым или собранным из деталей.
Во всех примерах изобретения термин «трубчатый материал» включает в себя трубопроводы и трубы, а также включает в себя любой материал, имеющий продольную (центральную ось) и внутреннее отверстие. Например, трубчатый материал может быть прямоугольным в поперечном сечении и может иметь соответствующее прямоугольное внутреннее отверстие; в этом примере изобретения центральный полюс может быть прямоугольным по форме для вставки в прямоугольное отверстие в трубчатом материале.
Во всех примерах изобретения перемещение концентратора магнитного потока может осуществляться любым способом, включая - но не в ограничительном смысле - перемещение человеком-оператором или средством линейного привода, таким как электрический или гидравлический привод. Кроме того, в некоторых примерах изобретения перемещение может осуществляться вручную или автоматически. Например, датчики могут измерять размеры трубчатого материала, подвергаемого термической обработке в данный момент, и выдавать сигнал в процессор, который выполняет программу для надлежащего изменения положения концентратора. Датчики могут быть датчиками сближения, измеряющими, например, положение наружной и/или внутренней поверхности трубчатого материала, подвергаемого термической обработке. В других примерах изобретения человек-оператор может вводить данные в процессор через подходящее устройство ввода, такое как клавиатура, чтобы идентифицировать трубчатый материал, подвергаемый термической обработке, и иметь возможность перемещать концентратор магнитного потока в соответствии с запомненным значением положения. В других примерах изобретения можно использовать датчики для измерения в реальном масштабе времени температур нагрева концов в точках, например, посредством пирометров, датчиков инфракрасного излучения или других тепловизионных датчиков, чтобы точечно измерить в реальном масштабе времени нагрев конца с целью адаптивного регулирования осевого положения концентратора. Эта альтернатива могла бы способствовать учету металлургических аномалий при конкретном типоразмере трубчатого материала и соответственному регулированию положения концентратора.
В вышеописанных примерах изобретения показана однослойная многовитковая катушка. Однако изобретение не ограничивается конкретным типом конструкции катушки. Например, с устройством согласно настоящему изобретению можно использовать одновитковую катушку, многослойные катушки или многочисленные катушки, соединенные с множеством источников питания.
В зависимости от приложения и технологических требований, можно использовать разные конструкции концентраторов магнитного потока. Например, слоистые пакеты могут представлять собой сплошной круглый элемент или могут быть изготовлены из множества пакетов. В зависимости от приложения и конкретики технологических требований, вместо «Е»-образного концентратора можно использовать «С»-образный (содержащий элемент основания и два периферийных полюса при отсутствии центрального полюса), двойной «С»-образный (содержащий элемент основания и четыре периферийных полюса при отсутствии центрального полюса), «Т»-образный (содержащий элемент основания и центральный полюс при отсутствии периферийных полюсов), или «I» образный шихтованный или сформированный из порошка концентратор магнитного потока, или любую комбинацию вышеописанных форм.
Хотя в вышеописанных примерах изобретения описано сохранение положения катушки соленоида неизменным, в других примерах изобретения - в рамках объема притязаний изобретения - можно использовать комбинацию перемещения катушки соленоида и концевого концентратора магнитного потока, описанных в любом из вышеуказанных примеров изобретения.
В других примерах изобретения концентраторы и/или трубчатый материал, показанные в вышеописанных примерах, могут вращаться в процессе индукционной термообработки.
Употребляемый в описании изобретения термин «индукционная катушка-соленоид» следует понимать в самом широком его смысле как любую комбинацию одной или более индукционных катушек, в которой генерируется магнитное поле, когда переменный ток протекает через одну или более индукционных катушек, и это магнитное поле связывается с концом трубчатого материала, вставленного в одну или более индукционных катушек. Изобретение не ограничивается конкретной геометрической конфигурацией индукционной катушки.
Во всех примерах изобретения оба конца трубчатого материала можно подвергать индукционному нагреву одновременно, вставляя трубчатый материал на всю длину в индукционную катушку-соленоид таким образом, что на обоих концах трубчатого материала устанавливается расстояние вылета.
Вышеуказанные примеры изобретения представлены просто с целью пояснения и их ни в коем случае не следует понимать как ограничивающие настоящее изобретение. Хотя изобретение описано со ссылками на различные варианты осуществления, употребляемые здесь формулировки являются описательными и иллюстративными формулировками, а не ограничительными формулировками. Хотя изобретение описано здесь со ссылками на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, изобретение не ограничивается раскрытой здесь конкретикой, наоборот, изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и приложения. Специалисты в данной области техники, обладающие преимуществом знания положений этого описания и прилагаемой формулы изобретения, могут внести в его аспекты многочисленные модификации и изменения в рамках объема притязаний изобретения. Изобретение не следует считать ограничивающимся вышеизложенным, оно также включает в себя изобретение, изложенное в прилагаемой формуле изобретения.
1. Способ электроиндукционной термической обработки, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала, включающий в себя этапы, на которых вставляют упомянутую, по меньшей мере, одну концевую область трубчатого материала в индукционную катушку на расстояние вылета от конца индукционной катушки и подают мощность переменного тока в индукционную катушку,
отличающийся тем, что
размещают концентратор магнитного потока в окрестности упомянутой, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала в индукционной катушке таким образом, что, по меньшей мере, один центральный полюс концентратора магнитного потока выступает, по существу, от центральной области поверхности основания концентратора магнитного потока, по меньшей мере, частично в область расстояния вылета, а множество периферийных полюсов, радиально распределенных по периметру основания, выступают, по существу, вокруг наружной поверхности конца индукционной катушки на расстояние, равное, по меньше мере, части расстояния вылета, при этом каждый из множества периферийных полюсов оканчивается на выступающем конце.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап, на котором перемещают концентратор магнитного потока, по существу, вдоль продольной оси концентратора магнитного потока для регулирования положения концентратора магнитного потока относительно положений упомянутой, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала и индукционной катушки.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этапы, на которых поддерживают положения основания и множества периферийных полюсов неизменными и перемещают упомянутый, по меньшей мере, один центральный полюс вдоль продольной оси концентратора магнитного потока для регулирования положения упомянутого, по меньшей мере, одного центрального полюса относительно положений основания и множества периферийных полюсов.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этапы, на которых размещают ножку концентратора магнитного потока рядом с выступающим концом, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов и обращают ножку концентратора магнитного потока к наружной поверхности трубчатого материала.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап, на котором перемещают ножку концентратора магнитного потока, по существу, параллельно длине упомянутого, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что основание содержит множество ножек основания, радиально распределенных вокруг продольной оси концентратора магнитного потока, упомянутый, по меньшей мере, один центральный полюс содержит множество клиньев, причем каждый из множества клиньев проходит в основном перпендикулярно от обращенной к трубе стороны сходящегося конца одной из множества ножек основания, а каждый из множества периферийных полюсов проходит в основном перпендикулярно от обращенной к трубе стороны расходящегося конца каждой из множества ножек основания.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап, на котором перемещают концентратор магнитного потока в основном вдоль продольной оси концентратора магнитного потока для регулирования положения концентратора магнитного потока относительно фиксированных положений упомянутой, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала и индукционной катушки.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этапы, на которых поддерживают положения множества периферийных полюсов неизменными и перемещают упомянутый, по меньшей мере, один центральный полюс и основание вдоль продольной оси концентратора магнитного потока для регулирования положений упомянутого, по меньшей мере, одного центрального полюса и основания относительно фиксированных положений упомянутой, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала и индукционной катушки.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этапы, на которых размещают ножку концентратора магнитного потока рядом с выступающим концом, по меньшей мере, одного из периферийных полюсов и обращают ножку концентратора магнитного потока к наружной поверхности трубчатого материала.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап, на котором перемещают ножку концентратора магнитного потока, по существу, параллельно длине упомянутого, по меньшей мере, одного из элементов периферийных полюсов.
11. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя этап, на котором перемещают множество ножек основания и клиньев в направлении, по существу, перпендикулярном продольной оси концентратора магнитного потока.
12. Способ электроиндукционной термической обработки, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала, включающий в себя этапы, на которых
вставляют упомянутую, по меньшей мере, одну концевую область трубчатого материала в индукционную катушку,
размещают поверхность основания концентратора магнитного потока рядом с концом индукционной катушки,
располагают каждый из множества периферийных полюсов так, что они проходят от периферии основания вокруг наружной поверхности конца индукционной катушки к выступающему концу на расстояние, равное, по меньшей мере, расстоянию до конца трубчатого материала, вставленного в индукционную катушку, и
подают мощность переменного тока в индукционную катушку.
13. Способ по п.12, дополнительно включающий в себя этапы, на которых размещают ножку концентратора магнитного потока рядом с выступающим концом, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов и обращают ножку концентратора магнитного потока к наружной поверхности трубчатого материала.
14. Способ по п.13, дополнительно включающий в себя этап, на котором перемещают ножку концентратора магнитного потока, по существу, параллельно длине упомянутого, по меньшей мере, одного из элементов периферийных полюсов.
15. Способ по п.12, дополнительно включающий в себя этапы, на которых формируют основание в виде кольца или регулируемой ирисовой диафрагмы и выравнивают центр кольца или диафрагмы с продольной осью трубчатого материала.
16. Способ по п.12, дополнительно включающий в себя этап, на котором размещают конец трубчатого материала в индукционной катушке в контакте с обращенной к трубе поверхностью основания.
17. Способ по п.12, дополнительно включающий в себя этап, на котором размещают смещающий элемент основания, имеющий противоположные поверхности, в контакте с обращенной к трубе поверхностью основания и концом трубчатого материала.
18. Способ электроиндукционной термической обработки, по меньшей мере, одной концевой области трубчатого материала, включающий в себя этапы, на которых
вставляют упомянутую, по меньшей мере, одну концевую область трубчатого материала в индукционную катушку,
размещают выполненный в виде кольца концентратор магнитного потока рядом с концом индукционной катушки, причем центральная ось кольца совпадает с продольной осью трубчатого материала, а кольцо имеет диаметр отверстия в диапазоне от значения, меньшего, чем внутренний диаметр трубчатого материала, до внутреннего диаметра индукционной катушки, и
подают мощность переменного тока в индукционную катушку.
19. Способ по п.18, в котором кольцо образовано регулируемой ирисовой диафрагмой, имеющей изменяющийся диаметр отверстия в диапазоне от значения, меньшего, чем внутренний диаметр трубчатого материала, до внутреннего диаметра индукционной катушки.
20. Устройство для индукционного нагрева конца трубчатого материала, содержащее индукционную катушку для вставления конца трубчатого материала и выполненный в виде кольца концентратор магнитного потока, расположенный рядом с концом индукционной катушки и в окрестности конца трубчатого материала, вставленного в индукционную катушку, причем центральная ось кольца совпадает с продольной осью трубчатого материала, а кольцо имеет диаметр отверстия в диапазоне от значения, меньшего, чем внутренний диаметр трубчатого материала, до внутреннего диаметра индукционной катушки.
21. Устройство для индукционного нагрева конца трубчатого материала по п.20, в котором кольцо образовано регулируемой ирисовой диафрагмой, имеющей изменяющийся диаметр отверстия в диапазоне от значения, меньшего, чем внутренний диаметр трубчатого материала, до внутреннего диаметра индукционной катушки.
22. Устройство для индукционного нагрева конца трубчатого материала по п.20, в котором плотность намотки индукционной катушки вокруг термической переходной зоны трубчатого материала больше, чем плотность намотки индукционной катушки вокруг концевого нагретого участка трубчатого материала.
23. Концентратор магнитного потока на конце трубы, содержащий основание и множество периферийных полюсов, радиально распределенных по периметру основания, причем каждый из множества периферийных полюсов проходит в основном перпендикулярно от обращенной к трубе стороны основания до выступающего конца.
24. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.23, в котором основание является цилиндрическим, кольцевым или представляет собой регулируемую ирисовую диафрагму.
25. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.23, дополнительно содержащий смещающий элемент основания, выступающий из обращенной к трубе поверхности основания.
26. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.23, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один центральный полюс, выступающий в основном от центральной области обращенной к трубе поверхности основания.
27. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.26, в котором упомянутый, по меньшей мере, один центральный полюс имеет цилиндрическую или коническую форму.
28. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.26, в котором, по меньшей мере, один центральный полюс выполнен с возможностью перемещения вдоль его осевой длины относительно основания.
29. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.28, в котором упомянутый, по меньшей мере, один центральный полюс имеет цилиндрическую или коническую форму.
30. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.26, дополнительно содержащий ножку концентратора магнитного потока рядом с выступающим концом, по меньшей мере, одного из множества периферийных полюсов, причем ножка концентратора магнитного потока ориентирована по направлению к продольной оси концентратора магнитного потока на конце трубы.
31. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.30, в котором ножка концентратора магнитного потока выполнена с возможностью перемещения в направлении, по существу, параллельном упомянутому, по меньшей мере, одному из множества периферийных полюсов.
32. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.26, в котором основание сформировано из множества ножек основания, радиально распределенных вокруг продольной оси концентратора магнитного потока, упомянутый, по меньшей мере, один центральный полюс содержит множество клиньев, причем каждый из множества клиньев проходит в основном перпендикулярно от обращенной к трубе стороны сходящегося конца каждой из множества ножек основания, а каждый из множества периферийных полюсов представляет собой периферийный полюс, выступающий в основном перпендикулярно от обращенной к трубе стороны расходящегося конца каждой из множества ножек основания.
33. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.32, в котором комбинация основания и упомянутого, по меньшей мере, одного центрального полюса выполнена с возможностью перемещения вдоль продольной оси концентратора магнитного потока относительно периферийных полюсов.
34. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.32, дополнительно содержащий ножку концентратора магнитного потока рядом с выступающим концом, по меньшей мере, одного из периферийных полюсов, причем ножка концентратора магнитного потока ориентирована по направлению к продольной оси концентратора магнитного потока на конце трубы.
35. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.32, в котором ножка концентратора магнитного потока выполнена с возможностью перемещения в направлении, по существу, параллельном упомянутому, по меньшей мере, одному из множества периферийных полюсов.
36. Концентратор магнитного потока на конце трубы по п.32, в котором комбинация основания и упомянутого, по меньшей мере, одного центрального полюса выполнена с возможностью перемещения в направлении, по существу, перпендикулярном продольной оси концентратора магнитного потока.
