一种利用电磁感应和接触传热实现镁合金快速加热装置

1.本发明涉及镁合金加热技术领域，具体涉及一种采用利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置。


背景技术：

2.为了实现节能减排，许多轻量化材料被应用于各行各业中。镁和镁合金凭借着高强度比，低密度，储量丰富是21世纪最有潜力的绿色结构材料。
3.镁和镁合金被加工成各式各样，广泛用于航空航天、军事兵器、交通运输、电子信息等多个领域。但是由于镁和镁合金是密排六方晶格，常温下仅能开启基基面滑移，而基面滑移仅能提供2个独立滑移系，无法提供均匀塑性变形所要求5个独立滑移系，不满足von mises准则。所以在加工镁合金时，一般加热镁合金已激活镁合金的非基面滑移。根据sellars和anelli分别提出的镁合金晶粒尺寸变化随加热时间关系模型：dn＝d
on
+atexp(-q/rt)，镁合金在加热时间长时，将导致镁合金晶粒尺寸快速成大，根据hall-petch公式可知这将导致镁和镁合金性能大大下降。适当缩短加热时间，减少镁合金晶粒尺寸变化，合理使用加工时间，提高加工频率，满足工业化应用，快速加热具有极大的发展潜力和应用空间。
4.传导、对流、辐射是热传递的三种基本方式。目前对金属加热一般使用箱式电阻炉，马弗炉，油浴加热，高能激光，感应加热等。发明专利cn 217715940 u公开了一种快速加热模具炉。炉中夹持固定的铝合金型材进行转动，使得型材可以均匀受热，提升加热的效率。并且炉中安装有循环扇，其能抽取炉体内部腔体底部的热气，并从其外壳上的出气口排出，使得炉体内部的热量随着空气流动循环起来，进而使得炉体中热量均匀分布，使得型材快速升温。发明专利cn 109792805 b公布了用于冲压的片状金属坯料的快速加热装置。转动磁性转子在金属坯料中产生磁场，利用电磁感应原理使得金属坯料迅速升温，该装置能实现大量不同形状的金属坯料快速升温。但是这些加热设备依然存在一系列问题：如发明专利cn 217715940u要达到快速加热的效果，需要使加热炉温度和坯料温度达到一个极大的温度梯度，这就极大的浪费能量。同时又没有和加工设备结合在一起，导致加工程序复杂化。又如发明专利cn 109792805 b加热量和材料的本身阻值有关，还有设备要达到快速加热就需要快速转动磁性转子才能在材料内部产生高强度的涡流电流，设备复杂，适应性差，耗能高。由于现有快速加热装置存在诸多问题，设计出一套高效的快速加热装置十分重要。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术上的不足，本文明采用感应加热和接触传热结合的方式，设计一种利用电磁感应和接触传热实现快速加热的装置，以达到镁合金快速加热的效果。解决现有快速加热耗能高，加工效率低，加热不均匀，设备复杂等问题。
6.本发明为实现其发明目的采用如下技术方案：
7.本发明中一种利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，主要包括：保温箱体
7、炉门9、热电偶传感器8、承料板4和快速加热装置6。
8.保温箱体7由不锈钢外壳和外壳内壁上填充的石棉构成，保温箱体7开口处设有炉门，炉门9与承料板4相连，炉门9内侧设有石棉网3；快速加热装置6安装在保温箱体7内的空腔中，快速加热装置6由长方形模具601和通电加热线圈602组成，长方形模具601内部为加热型腔603，通电加热线圈602嵌在长方体模具601内，长方体模具601厚度略大于通电加热线圈602直径，使通电加热线圈602能够靠近加热型腔603中的金属坯料，并使通电加热线圈602所产生的焦耳热在长方体模具601内表面均匀分布；
9.长方形模具601在在炉门处开口，并在开口处设有导轨10，承料板4安装在导轨10上，并在导轨10上前后滑动；所述承料板4在炉门关闭时位于加热型腔603底部的正上方，并且与加热型腔603底部贴合；所述长方形模具601由绝缘耐高温高导热系数材料制成，通电加热线圈602采用高阻值材料制成，优选白口铸铁，通电加热线圈和中频交流电源相连，电源的电流频率为600～1200hz，功率为4～8kw，承料板4由绝缘耐高温高导热系数材料制成。
10.热电偶传感器8用于采集被加热坯料的瞬时温度，优选地，热电偶传感器8设置在承料板4正上方中心轴上。
11.优选地，承料板4的端部设有矩形挡板，以防止炉门9从保温箱体7内被整体抽出。
12.承料板4和长方形模具601所采用的绝缘耐高温高导热系数材料优选为aln。
13.优选地，在炉门9内侧设有卡扣2，卡扣2通过联动装置和炉门9上的旋钮1相连，通过转动旋钮1驱动卡扣2伸出或收回，使卡扣2插入保温箱体7上的卡槽5中以锁紧炉门9或从卡槽5中收回以解锁炉门9。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
15.1、本发明中一种利用电磁感应和接触传热实现镁合金快速加热装置，将交流电流连接通电加热线圈，由于交流电流在通电加热线圈内部产生感应电流导致产生集肤效应，导致通电加热线圈表面电流密度最高，而通电加热线圈由阻值大的材料制成，表面温度快速上升，与被加热坯料之间存在极大的温度梯度，而包围通电加热线圈的是由导热系数高的绝缘材料制成的，其可以让热量分布的更均匀，使热源和被加热镁合金坯料接触面积增大。当开启电源时，在极短的时间内模具与被加热镁合金坯料产生极大的温度梯度，温度梯度越大传热量越大于是被加热镁合金快速升温。温度升高速率和被加热材料本身阻值无关，保证了加热时温度上升的可控性。
16.2、本发明主要以接触传热为主，但是不受限于单一的加热方式，由于模具中存在通电线圈，接入的是交流电流，使得被加热镁合金坯料内部产生涡流，由于焦耳热镁合金坯料内部快速升温。从而使得不同尺寸镁合金坯料在加热时，内部和边缘都能得到加热，温度快速上升，能在极短的时间内达到预期温度，而由于镁合金晶粒尺寸与温度存在滞后性，组织不会在加热时间内发生大规模再结晶，很好的保留了镁合金在加工前优秀的性能，致使得到力学性能更优秀的镁合金。
17.3、本发明利用电磁感应加热和接触传热进行加热，这是以往许多快速加热模具仅利用感应加热，电加热和接触传热进行加热所不具备的，很好的继承以往加热装置的优点，如电塑性，范围大等优点；摒弃了存在大量缺点，如：温度升高和材料本身阻值，电流频率，接触面积有关。
附图说明
18.图1为本发明一种利用电磁感应和接触传热实现镁合金快速加热装置的结构示意图。
19.图2为发明一种利用电磁感应和接触传热实现镁合金快速加热装置的炉门结构示意图。
20.图3为发明一种利用电磁感应和接触传热实现镁合金快速加热装置的快速加热装置剖视图。
21.图4为实施例1、2、3成型后的金相组织图。
22.图5为对比例1、2、3成型后的金相组织图。
23.附图标记为：1、旋钮，2、卡扣，3、石棉网，4、承料板，5、卡槽，6、快速加热装置，7、保温箱体，8、热电偶传感器，9、炉门，601、长方形模具，602、通电加热线圈，603、加热型腔。
具体实施方式
24.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.请参阅图1-3，本实施例的目的在于提供了一种利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，主要包括：保温箱体7、炉门9、热电偶传感器8、承料板4和快速加热装置6。
27.保温箱体7由不锈钢外壳和外壳内壁上填充的石棉构成，保温箱体7开口处设有炉门，炉门9与承料板4相连，炉门9内侧设有石棉网3；快速加热装置6安装在保温箱体7内的空腔中，快速加热装置6由长方形模具601和通电加热线圈602组成，长方形模具601内部为加热型腔603，通电加热线圈602嵌在长方体模具601内，长方体模具601厚度略大于通电加热线圈602直径，使通电加热线圈602能够靠近加热型腔603中的金属坯料；
28.长方形模具601在在炉门处开口，并在开口处设有导轨10，承料板4安装在导轨10上，并在导轨10上前后滑动；所述承料板4在炉门关闭时位于加热型腔603底部的正上方，并且与加热型腔603底部贴合；所述长方形模具601由绝缘耐高温高导热系数材料制成，通电加热线圈602采用铁磁性高阻值材料白口铸铁制成，通电加热线圈和中频交流电源相连，电源的电流频率为600～1200hz，功率为4～8kw，承料板4由绝缘耐高温高导热系数材料制成。
29.热电偶传感器8设置在承料板4正上方中心轴上，用于采集被加热坯料的瞬时温度，优选地，承料板4的端部设有矩形挡板，以防止炉门9从保温箱体7内被整体抽出。
30.承料板4和长方形模具601所采用的绝缘耐高温高导热系数材料为aln。
31.另外，在炉门9内侧设有卡扣2，卡扣2通过联动装置和炉门9上的旋钮1相连，通过
转动旋钮1驱动卡扣2伸出或收回，使卡扣2插入保温箱体7上的卡槽5中以锁紧炉门9或从卡槽5中收回以解锁炉门9。
32.实施例1
33.将mg-2al-0.8sn-0.5ca(atx2105)镁合金坯料预先加工65mm*45mm*10mm的板材，将镁合金板材放在承料板上，扭动旋钮将炉门关闭，同时镁合金板材被送入加热型腔中，将快速加热装置连接电源，电源为中频交流电流，电流频率为600hz，功率为4kw,时刻记录热电偶采集器所采集的温度，当热电偶采集器的显示温度达到400℃，所用加热时间为30s，扭动旋钮联动装置使炉门卡扣脱离卡槽，打开炉门将镁合金板材从承料板上拿出，镁合金表面无明显氧化层，将镁合金板材放入加工装置中，成型后的镁合金表面光滑，无边裂，相较于使用传统马弗炉加热镁合金板材再加工成型，晶粒组织更加细小，力学性能更加优秀。
34.实施例2
35.将mg-2al-0.8sn-0.5ca-0.2zn(atx2105-0.2zn)镁合金坯料预先加工65mm*45mm*20mm的板材，将镁合金板材放在承料板上，扭动旋钮将炉门关闭，同时镁合金板材被送入加热型腔中，将快速加热装置连接电源，电源为中频交流电流，电流频率为600hz，功率为4kw,时刻记录热电偶采集器所采集的温度，当热电偶采集器的显示温度达到400℃，所用加热时间为39s，扭动旋钮联动装置使炉门卡扣脱离卡槽，打开炉门将镁合金板材从承料板上拿出，镁合金表面无明显氧化层，将镁合金板材放入加工装置中，成型后的镁合金表面光滑，无边裂，相较于使用传统马弗炉加热镁合金板材再加工成型，晶粒组织更加细小，力学性能更加优秀。
36.实施例3
37.将mg-2al-0.8sn-0.5ca-0.4zn(atx2105-0.4zn)镁合金坯料预先加工65mm*45mm*30mm的板材，将镁合金板材放在承料板上，扭动旋钮将炉门关闭，同时镁合金板材被送入加热型腔中，将快速加热装置连接电源，电源为中频交流电流，电流频率为600hz，功率为4kw,时刻记录热电偶采集器所采集的温度，当热电偶采集器的显示温度达到400℃，所用加热时间为42s，扭动旋钮联动装置使炉门卡扣脱离卡槽，打开炉门将镁合金板材从承料板上拿出，镁合金表面无明显氧化层，将镁合金板材放入加工装置中，成型后的镁合金表面光滑，无边裂，相较于使用传统马弗炉加热镁合金板材再加工成型，晶粒组织更加细小，力学性能更加优秀。
38.对比例1
39.将mg-2al-0.8sn-0.5ca(atx2105)镁合金坯料预先加工65mm*45mm*10mm的板材，将镁合金板材传统马弗炉中，将炉门关闭，将预设温度调至400℃，当传统马弗炉显示屏显示温度达到400℃，打开炉门将镁合金板材从拿出，镁合金表面出现明显氧化层，将镁合金板材放入加工装置中，成型后的镁合金表面黯淡无光，无边裂，相较于使用本发明装置加热镁合金板材再加工成型，晶粒组织粗大，力学性能相较来说并不良好。
40.对比例2
41.将mg-2al-0.8sn-0.5ca-0.2zn(atx2105-0.2zn)镁合金坯料预先加工65mm*45mm*20mm的板材，将镁合金板材传统马弗炉中，将炉门关闭，将预设温度调至400℃，当传统马弗炉显示屏显示温度达到400℃，打开炉门将镁合金板材从拿出，镁合金表面出现明显氧化层，将镁合金板材放入加工装置中，成型后的镁合金表面黯淡无光，无边裂，相较于使用本
发明装置加热镁合金板材再加工成型，晶粒组织粗大，力学性能相较来说并不良好。
42.对比例3
43.将mg-2al-0.8sn-0.5ca-0.4zn(atx2105-0.4zn)镁合金坯料预先加工65mm*45mm*30mm的板材，将镁合金板材传统马弗炉中，将炉门关闭，将预设温度调至400℃，当传统马弗炉显示屏显示温度达到400℃，打开炉门将镁合金板材从拿出，镁合金表面出现明显氧化层，将镁合金板材放入加工装置中，成型后的镁合金表面黯淡无光，无边裂，相较于使用本发明装置加热镁合金板材再加工成型，晶粒组织粗大，力学性能相较来说并不良好。
44.效果验证
45.针对实施例1、2、3，单轴拉伸性能测试是ags-x-100kn拉伸试验机(shimadzu，日本)上进行，拉伸试验均是在室温下进行且拉伸速率为1.0
×
10-3
m s-1
。分别在成型后的镁合金中心和边缘处切割出个拉伸试样，逐一进行拉伸测试，测试结果取平均值并以表1列出。
46.表1
[0047][0048]
针对对比例1、2、3，单轴拉伸性能测试是ags-x-100kn拉伸试验机(shimadzu，日本)上进行，拉伸试验均是在室温下进行且拉伸速率为1.0
×
10-3
m s-1
。分别在成型后的镁合金中心和边缘处切割出个拉伸试样，逐一进行拉伸测试，测试结果取平均值并以表2列出。
[0049]
表2
[0050][0051]
从以上对比可以知晓，本发明实施例在抗拉强度和延伸率相比对比例均有明显提升，相比现有方法能得到力学性能更优秀的镁合金，并且相较于使用传统马弗炉加热镁合金板材，所用加热时间大幅减小，提高了热加工效率。
[0052]
本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，其特征在于，该装置主要包括：保温箱体(7)、炉门(9)、热电偶传感器(8)、承料板(4)和快速加热装置(6)；保温箱体(7)由不锈钢外壳和外壳内壁上填充的石棉构成，保温箱体(7)开口处设有炉门，炉门(9)与承料板(4)相连，炉门(9)内侧设有石棉网(3)；快速加热装置(6)安装在保温箱体(7)内的空腔中，快速加热装置(6)由长方形模具(601)和通电加热线圈(602)组成，长方形模具(601)内部为加热型腔(603)，通电加热线圈(602)嵌在长方体模具(601)内，长方体模具(601)厚度略大于通电加热线圈(602)直径，使通电加热线圈(602)能够靠近加热型腔(603)中的金属坯料，并使通电加热线圈(602)所产生的焦耳热在长方体模具(601)内表面均匀分布；长方形模具(601)在在炉门处开口，并在开口处设有导轨(10)，承料板(4)安装在导轨(10)上，并在导轨(10)上前后滑动；所述承料板(4)在炉门关闭时位于加热型腔(603)底部的正上方，并且与加热型腔(603)底部贴合；所述长方形模具(601)由绝缘耐高温高导热系数材料制成，通电加热线圈(602)采用铁磁性高阻值材料制成，通电加热线圈(602)和中频交流电源相连，电源的电流频率为600～1200hz，功率为4～8kw，承料板(4)由绝缘耐高温高导热系数材料制成；所述的热电偶传感器(8)用于采集被加热坯料的瞬时温度。2.根据权利要求1所述的利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，其特征在于，热电偶传感器(8)设置在承料板(4)正上方中心轴上。3.根据权利要求1所述的利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，其特征在于，承料板(4)的端部设有矩形挡板，以防止炉门(9)从保温箱体(7)内被整体抽出。4.根据权利要求1所述的利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，其特征在于，承料板(4)和长方形模具(601)所采用的绝缘耐高温高导热系数材料优选为aln。5.根据权利要求1所述的利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，其特征在于，通电加热线圈(602)采用白口铸铁制成。6.根据权利要求1所述的利用电磁感应和接触传热实现快速加热装置，其特征在于，在炉门(9)内侧设有卡扣(2)，卡扣(2)通过联动装置和炉门(9)上的旋钮(1)相连，通过转动旋钮(1)驱动卡扣(2)伸出或收回，使卡扣(2)插入保温箱体(7)上的卡槽(5)中以锁紧炉门(9)或从卡槽(5)中收回以解锁炉门(9)。

技术总结
本发明提供了一种利用电磁感应和接触传热实现镁合金快速加热装置，属于镁合金加热技术领域，该装置包括保温箱体、炉门、热电偶采集器、承料板和快速加热装置组成，快速加热装置安装在保温箱体内的空腔中，快速加热装置由长方形模具和通电加热线圈组成，在通电一瞬间模具壁与被加热坯料产生极大的温度梯度，又由于模具为绝缘且高导热系数高的材料构成，于是被加热材料表面快速升温，又由于通入的是交流电流，使得被加热坯料内部产生涡流，产生的焦耳热使坯料中心快速升温。从而使得不同尺寸镁合金坯料在加热时，内部和边缘都能得到加热，能在极短的时间内达到预期温度。而由于镁合金晶粒尺寸与温度存在滞后性，可保留镁合金在加工前优秀的性能。前优秀的性能。前优秀的性能。


技术研发人员：李志刚 李文琪 席娜 王桂英 韩洪江 王明辉
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/20