低含氧气氛中的感应加热 本发明涉及一感应加热装置及通过注入惰性气体在低含氧气氛(atmosphere)中进行的感应加热的方法。
感应加热通过使金属经过一由感应线圈加热的通道而被用来热处理金属工件，例如钢杆、钢块、钢坯、钢杆端部、钢管、钢板及其它金属。普通的感应加热装置有一个包含在一单个罩壳内的线圈、或线性对齐包含在分隔的罩壳中的多个线圈。金属工件经过通道由对齐的感应线圈加热。
普通的感应加热过程是在含氧环境如空气中进行。然而，氧的存在使在加热的金属工件上形成氧化皮。氧化皮是一大促进锻模磨损的磨料，降低其使用寿命。氧化皮在罩壳内形成，从而还降低了感应线圈的使用寿命。
已有人在尝试把惰性气体传送进感应加热装置通道，以除去或至少基本上降低其中的氧。在此操作方法中，其中数个感应线圈包含在分隔的罩壳内，一罩壳盖设置在罩壳之间的间隙，以提供一气密的包围件。罩壳盖设置有多个入口以把惰性气体从气源输送进罩壳盖内的通道。随后，惰性气体扩散到罩壳内，为进行感应加热提供一个较有利的气体环境，最后进行锻压。
然而，这些方法有许多缺点。首先，罩壳盖是整体结构并永久固定在罩壳上。在检查感应件时，必须破坏罩壳盖为罩壳内的通道提供入口。只有在罩壳盖被去掉后，才可查看罩壳以便维修。一旦维修操作完成，就必须在罩壳之间的间隙放置新的罩壳盖。很显然，破坏原有的罩壳盖、再替换上新的罩壳盖很费时间，并且大大增加了感应加热的费用。
在惰性气氛中感应加热的已有技术的另一个缺点包括对注入惰性气体缺乏控制、并无法提供一挡板以阻止由于通风而使不希望有地气体如空气的渗入。更明确地讲，感应加热装置无法为阻止空气的渗漏提供完整的保护。例如，众所周知，空气从常温金属工件进入装置的入口和加热工件离开装置的出口进入感应加热装置。此外，联接于感应加热装置罩壳的罩壳盖也有空气渗漏现象。空气渗入到加热部位，就会使金属工件产生氧化皮。
最大程度减少氧化皮并省去替换罩壳盖的需求，而为维修感应线圈装置提供入口，对感应加热的工艺将有很大益处。对惰性气体传送进感应加热装置提供较好的控制，对此工艺更有益处。
本发明主要涉及一感应加热装置和方法，该方法将惰性气体或与氧能反应的气体(即氧气反应气体)混合的惰性气体在控制条件下传送进感应加热装置、以提供一能最大程度减少氧化层形成并为维修装置设置预留入口的热处理环境。
更精确地讲，本发明涉及一感应加热装置，它不仅可以具有单个含有感应线圈加热器的罩壳，而且还可以具有多个分隔开来各含一单独的感应线圈加热器的罩壳，在罩壳之间的间隙由一罩壳盖装置封闭。
惰性气体或与氧能反应的气体(例如碳氢化合气体)混合的惰性气体通过气体组件输送到感应加热装置。当感应加热装置由单个或多个罩壳组成时，气体组件包括：一连接于气源的软管，一至少从罩壳的一端或最后的罩壳一端纵向延伸到装置的加热区域的硬管。硬管通常由陶瓷制成，并在其中包括一个或更多的通孔，使惰性气体或与氧气反应气体混合的惰性气体流进加热区域。气体组件原则上根据罩壳的长度可插进罩壳的各端部。
由于感应加热器采用多个间隔感应线圈，气体可通过在感应加热装置端部的气体组件或在一个或数个罩壳盖内的入口供应到装置内。
在本发明的较佳形式中，气体组件的硬管横向固定于罩壳盖内的感应件或罩壳。在此实施例中，硬管通孔的设置使得气体形成一个避免空气进入罩壳入口和出口的气体屏帘。
下列附图中的相同参考号码表示相同零件，附图仅用来举例说明本发明实施例，本发明不受此限制。本发明仅受申请书中权利要求部分的限制。
图1是本发明感应加热装置一实施例的侧视示意图，它有一个进入含有多个感应线圈的单个罩壳一端的气体组件；
图2是本发明另一实施例的侧视示意图，此实施例的感应线圈包含在分开的罩壳内，并在加热装置的各端设置有一气体组件；
图3是使用于本发明的可移动罩壳盖一实施例的侧视剖面图；
图4是气体组件一实施例的部分侧视剖面图，此气体组件的软管连接于一气源，一陶瓷硬管放在邻近于加热装置的加热区域处；
图5是本发明另一实施例，它示出了由罩壳盖连接起来的多个罩壳，其中示意性表示的罩壳盖中的一个连接于气体装置；
图6是图5所示的罩壳盖侧视剖面图；
图7A是罩壳盖另一实施例的侧视剖面图，其中气体组件在工作状态连接于该罩壳盖、又横向通往通道；
图7B是类似于图7A的侧视剖面图，它示出了一有连接罩壳盖构件的铰链的罩壳盖；
图8A是罩壳盖一实施例的立体图，它有一个在感应加热装置内均匀分配气体的半圆环分配插入件；
图8B是图8A所示的罩壳盖沿其A—A线的剖面图；
图9A是罩壳盖一实施例的剖面图，它尤其适合把一惰性气体和一氧气反应气体传送到延伸于通道附近处的硬管；
图9B是类似于图9A所示的、包括一半圆环分配插入件的罩壳盖一实施例剖面图。
本发明主要涉及一感应加热装置和方法，其中一惰性气体或与一氧气反应气体混合的惰性气体被传送以在感应加热范围提供一含氧量低的气氛。由于用在此的含氧量低的气氛将意味着在感应加热范围内的含氧量低于按体积的百分之一左右。氧气反应气体意味着一种在遍布感应线圈情况下与氧反应而产生一种或多种不会对感应加热操作产生不利反应的气体。
低含氧量气氛通过传送惰性气体或与氧气反应气体混合的惰性气体而获得。合适的惰性气体包括氮、氩、它们的混合体及其类似气体。氮是一种较佳的惰性气体，它可由低温源和非低温源例如压力摆动吸附和薄膜分离装置(pressure swing adsorption and membraneseparation units)提供。合适的碳氢化合气体包括甲烷、乙烷、天然气、甲醇、它们的混合气体及其它类似气体。
参阅附图，图1是本发明第一实施例，图中的单个罩壳内包含多个感应加热线圈。编号为2的感应加热装置包括一把编号为6的感应线圈封闭在其中的罩壳4，图中所示仅起定位作用。感应线圈的工作过程是常规已有技术，不构成本发明的内容。因此，省略了与在本发明中使用的感应线圈相同的结构和电流的详细描述。
罩壳4通常由耐热材料制成，它有一通过其长度的通孔，为待加热物件的通过形成一通道。如图1所示，通道8包括一传送待加热金属件12(例如钢坯)的输送装置10。常温工件通过入口14进入罩壳4。金属件加热后经出口16离开罩壳4，在那里金属件被传送到已有技术的输送装置18，待冷却和进一步加工(例如锻压)。
根据本发明，一惰性气体或与一氧气反应气体混合的惰性气体供应给通道8，以在工件12被感应线圈6加热的地方产生低含氧量气氛。气体由如图1所示实施例的气体装置20提供，该气体装置20包括一连接于硬管、最好是陶瓷管24的软管22，该硬管24有使气体离开装置20进入通道8的通孔26。在图1中所示实施例的硬管24沿通道8纵向延伸，且可转动。
如图4所示，软管22和硬管24通过联接装置28连接在一起，使气体从软管22到硬管24畅通无阻。联接装置由于采用已有技术的可转动联接件29使硬管24可转动。
软管22由一种软的耐热材料如不锈钢软管、橡皮等等制成。硬管24必须耐通常感应加热器高达摄氏2500度或更高的温度，这是由于硬管24邻近装置2的加热范围。因此，硬管24最好是由陶瓷或其它合适的耐热和耐热冲击材料制成。
硬管24通过罩壳4的入口14和出口16中的任一个或两个延伸进入装置2，如图1具体所示，气体组件20系插进出口16。将在下文说明的图2示出了一气体注入的双联系统，其中的气体组件20插入入口14及出口16。经通孔26离开硬管24的气体通过入口在整个通道8扩散。供应到通道8的气体密度可通过增加气体的流速和/或放大通孔26的尺寸来调节。
在本发明第二个实施例中，各包含一单个感应线圈6(图示仅起定位作用)的多个罩壳体30如图2所示。本发明第二实施例通过存在于相邻罩壳体30之间的间隙32能够有通往感应线圈的入口。根据本发明的一个方面，间隙32由可移动罩壳盖34封闭起来。如图3所示，罩壳盖34包括一对其相应端38a和38b可脱离地连接在一起的益件36a和36b。在图3中具体示出的实施例中，各端部38a和38b用螺栓40a和40b可脱离地连接在一起，该螺栓40a和40b可去掉以使盖件36a和36b相互分开。盖件36a和36b的分开暴露了间隙32，从而有了通往感应线圈6和通道8的入口。当罩壳盖在工作状态封闭隙32时，端部38a和38b可被一密封装置41如垫片隔开，以提高封闭的气密性。
如上所述，当感应加热在低含氧量的环境中完成时，就会减少氧化皮。氧化皮的减少会增加模具和感应线圈的工作期限。氧化皮减少的程度部分取决于传送到感应加热装置内所有加热范围的气体的一致性(或均匀性)。因此，理想的是把气体传送到装置出入端的中间处。
参阅图5到7B，示出了本发明的一个实施例，其中气体通过罩壳盖传送到通道的出入端中间处。罩壳盖34中的一个连接于如图4所示的气体组件20。需要了解的是，虽然仅一个罩壳盖设置有气体组件20，但所有的罩壳盖34都可配备气体组件20。
气体组件20通过如图6所示的通孔48伸进罩壳盖34。编号为43的硬管最好横向地安装到感应件以输送气体，并形成一个避免空气进入加热区域的气体屏帘。如下文所说明的那样，硬管43的长度和它接近含有待加热物件的通道位置取决于氧气反应气体是否加到加热区域。
如图7A具体所示，气体组件20、尤其是横向设置的硬管43通过罩壳盖34的外侧表面44延伸，把气体传送进通道。硬管43有相间隔的通孔26，使惰性气体能从气体组件20输送入通道。
硬管43最好在罩壳34内可转动，如输送气体提供更多的灵活性。硬管43的转动可通过前后转动联接装置28的联接件29、直到通孔26在所希望的位置来实现。在本发明一较佳实施例中，通孔26的设置如图7A所示，从而使气体屏帘向下和横向地朝向通道。由此位置的气体屏帘避免空气从入口进入感应线圈附近处的通道。
在如图7A所示的本发明实施例中，盖件36a和36b通过单个螺栓40相互连接起来。如图7b所示，罩壳盖34的一个端部38a有相互铰接相联的盖件36a和36b。更明确地讲，一铰链50连接于各盖件36a和36b的相应端部。当需要进入罩壳体30之间的间隙32时，脱开连接端部38a和38b的螺栓40，盖件36a和36b绕铰链50相互分开，从而有了通往通道和感应线圈6的入口。当维修工作完成时，盖件36a和36b绕铰链50在相反方向移动，并用螺栓40重新联接。一旦罩壳盖34在间隙32周围固定，感应加热工序就可重新开始。
罩壳盖34可设置有在整个通道8均匀分配惰性气体的装置。如图8A和8B所示，气体组件20连接于一气体分配器，例如一有在通道8内分配气体的相间隔通孔56的半圆环54。在环54的上表面58有一个使流体与联接于气源的管子62联结起来的一通孔60。在工作时，气体从气源(未图示)流进管子62，在那里气体又进入环54的通孔60。气体不断流进环54，然后流出通孔56到通道8，以在加热区域内提供一均匀分布的气体。
如上所述，硬管长度及它接近含有待加热物件的通道的地方系根据注入感应加热装置的气体成份来选择。更明确地讲，图6中所示的短硬管43可用来把惰性气体注入感应加热装置。惰性气体不与任何在通道中的氧反应。因此，不需把硬管延伸到紧靠近通道处，那里感应温度最高会促进与氧气反应。
然而，其中的氧气反应气体如碳氢化合气体与惰性气体混合，上升的温度是确保氧与氧气反应气体反应所期望的。参阅图9A，它示出了可移动罩壳盖34的一个实施例，该罩壳盖34有一个延伸到紧靠近含有待加热工件12(例如钢坯)的通道8处的硬管70。孔72可沿管子70和/或管子端部的单孔74设置。在通道附近处，大于摄氏2300度左右的温度足够使一氧气反应气体例如甲烷和氧气反应形成其它的气体(例如一氧化碳气体和氢气)，这些气体将保护待加热的物件。如果待加热的物件是钢坯或钢杆，碳氢化合体将作为催化剂加热物件的表面。
通过增加气体在反应温度下的滞留时间也会加强氧气反应气体与氧气的反应。参阅图9B，图9A所示实施例的延伸管70可设置有在邻近通道8的地方增加气体传送道路的装置。如图9B具体所示，通过一个有与延伸管70连在一起的一通孔78的半圆环76增加气体传送道路。比如氮和甲烷混合的气体通过相间隔孔80从环76释放出来。根据本发明，采用不同于半圆环76的装置可增加气体滞留时间，例如，环可延伸至整圆或装置可呈多面体(例如六面体)形状或是它的一部分。