一种用于线材连续化轧制生产的加热装置及其加工方法与流程

本发明属于线材连续化轧制领域，涉及一种用于线材连续化轧制生产的加热装置及其冷却方法。

背景技术：

随着轧制技术的发展，目前线材轧制普遍采用热连轧技术，为保证最终产品质量，钢坯开轧温度要控制在950℃～980℃，加热设备在高温坏境连续化生产作业对其冷却系统提出了较高要求。实际使用表明，感应加热设备90％的故障是由冷却水的问题引起的。水垢和水的导电性是造成冷却水问题的主要原因。水中钙等金属离子会在受热的物体表面析出结垢，使得电气元件上产生的热量不能有效地传递到冷却水中而造成电气元件超温损坏；冷却水高的导电率导致严重的电解和腐蚀，致使管内污物聚集，使得水的流量减少，影响冷却，最终导致电气元件过热烧坏而停产。此外，感应加热系统对冷却回路中冷却水温度、压力等均有很高的要求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种用于线材连续化轧制生产的加热装置及其冷却方法。本发明主要利用风冷代替传统的水冷方法，采用基于机器视觉的闭环控制，利用红外热像仪对线圈温度进行采集，通过实时调整感应线圈转速和喷嘴角度对线圈进行冷却。此外，线圈采用实心结构，避免冷却水路设计，大大简化了线圈的设计加工成本。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种用于线材连续化轧制生产的加热装置，其包括机架本体以及在所述机架本体上两个对称设置的加热单元，所述两个加热单元的中间放置被加热工件，两个加热单元的结构完全一致，所述机架本体包括支撑底座，

每一个加热单元均包括相机支架、红外热像仪、支撑板、压力控制器、喷嘴、支撑轴以及感应线圈，

感应线圈借助于绝缘轴与所述支撑底座能转动连接，所述绝缘轴的下端固定连接有外部动力源；

所述支撑板包括结构相同的第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板和第二支撑板均与所述支撑底座的侧壁固定连接，所述第一支撑板与感应线圈的上表面的距离和所述第二支撑板与感应线圈的下表面的距离相等，所述第一支撑板和第二支撑板与感应线圈相邻的一侧的边部设置为弧形边，所述弧形边上均匀开设有多个凹槽，每一个凹槽内能转动的安装有一个支撑轴，所述喷嘴设置在所述支撑轴上，

所述红外热像仪借助于所述相机支架安装在支撑底座上，使用前借助于调整相机支架位置及红外热像仪拍摄角度，从而使感应线圈处于拍摄范围内。

优选地，所述感应线圈采用实心盘式结构，所述感应线圈的周向开设有半圆弧凹槽。

优选地，所述感应线圈设有正极接线端和负极接线端，所述正极接线端和负极接线端均固定连接所述绝缘轴。

优选地，每一个喷嘴连接有一个伺服电机和一个压力控制器，所述伺服电机和所述压力控制器固定在所述支撑板的表面上。

优选地，所述第一支撑板和第二支撑板的圆弧边的角度为90度。

优选地，所述弧形边上均匀开设有8个凹槽。

优选地，所述红外热像仪通讯连接有计算机。

优选地，本发明还提供一种利用所述装置对线材加工的方法，其包括以下步骤：

s1、将所述红外热像仪、伺服电机、压力控制器以及感应线圈与外部电源接通，所述压力控制器与外部空气压缩机线管相连接，由外部动力源驱动感应线圈以角速度ω转动，同时，红外热像仪以设定的频率采集感应线圈的红外热图像获得图像信息；

s2、所述红外热像仪对感应线圈进行第一次测温，红外热像仪将所采集的图像信息传递到计算机，计算机根据实际工况制定感应线圈的温度阈值t，将感应线圈风冷区域根据温度t等温线分为a区域和b区域，其中a区域为温度高于阈值温度的区域，需要进行冷却，b区域为温度低于阈值温度区域，不需要冷却，计算机控制改变每一个喷嘴的角度对a区域进行风冷；

s3、所述红外热像仪对感应线圈进行第二次测温，提取感应线圈测温区域温度并与阈值温度比较，所述感应线圈测温区域包括c区域和d区域，若感应线圈的c区域和d区域温度均低于阈值温度，则证明在该感应线圈转速以及采样频率下，冷却系统能够保证感应线圈的冷却，若c区域和/或d区域温度高于阈值温度，则需要对线圈转速以及采样频率进行反馈调节以使冷却系统能够保证感应线圈的冷却；

s4、加工完成后，被加工件离开加工区域，冷却系统继续工作至感应线圈风冷区域和感应线圈测温区域的温度全部位于阈值温度以下，关闭冷却系统，完成整个加工过程。

优选地，步骤s3中，当感应线圈半径小于500mm时，以半径1/2处同心圆弧段为界，靠近圆心处区域为c区域，靠近感应线圈边部区域为d区域，当感应线圈半径大于或等于500mm时,以半径2/3处同心圆弧段为界，靠近圆心处区域为c区域，靠近感应线圈边部区域为d区域，

若c区域温度高于温度阈值，d区域温度低于温度阈值，则提高红外热像仪的采样频率；若c区域温度低于阈值温度，d区域温度高于温度阈值，则降低感应线圈的转速，若c区域温度和d区域温度均高于温度阈值，则先提高红外热像仪的采样频率以首先使c区域温度降低，之后进一步降低感应线圈的转速以降低d区域温度。

优选地，步骤s2中，所述喷嘴角度调整方向在感应线圈转动方向上优先从线圈中心位置向边缘位置调节，喷嘴调节频率与红外热像仪第一次测温时的采样频率一致，当提高红外热像仪的采样频率时，喷嘴调节频率同时提高。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明由风冷取代传统的水冷，能够避免冷却水对感应线圈的影响，提高感应线圈寿命，且整个冷却系统更节能环保。

本发明由实心线圈取代空心线圈，大大降低了线圈的设计以及制造成本；并且本发明采用基于机器视觉的闭环控制，实现了对线圈的冷却过程。

附图说明

图1为本发明装置总体结构示意图；

图2为本发明装置加工流程图；

图3为本发明装置线圈分区示意图；

图4为本发明装置冷却系统局部结构示意图；

图5为本发明装置线圈结构示意图；以及

图6为本发明装置被加工件与线圈相对位置示意图。

图中部分附图标记如下：

1-相机支架、2-红外热像仪、3-伺服电机、4-喷嘴、41-喷嘴接口、5-支撑轴、6-感应线圈、61-绝缘轴、62-联轴器、63-接线端、7-被加工件、8-支撑板、81-第一支撑板、82-第二支撑板、9-压力控制器、91-压力控制器出口、10-支撑底座。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种用于线材连续化轧制生产的加热装置，如图1至图6所示，其包括机架本体以及在机架本体上两个对称设置的加热单元，两个加热单元的中间放置被加热工件7，两个加热单元的结构完全一致，机架本体包括支撑底座10，支撑底座10的底部设置有支腿100。

每一个加热单元均包括相机支架1、红外热像仪2、支撑板8、压力控制器9、伺服电机3、喷嘴4、支撑轴5以及感应线圈6。喷嘴4设置有喷嘴接口41，压力控制器9设置有压力控制器出口91。

感应线圈6借助于绝缘轴61与支撑底座10能转动连接，绝缘轴61的下端固定连接有外部动力源。绝缘轴61借助于支撑架固定在支撑底座10上，绝缘轴61与支撑架之间借助于联轴器62连接。

支撑板8包括结构相同的第一支撑板81和第二支撑板82，第一支撑板81和第二支撑板82均与支撑底座的侧壁固定连接，第一支撑板81与感应线圈6的上表面的距离和第二支撑板82与感应线圈6的下表面的距离相等，第一支撑板81和第二支撑板82与感应线圈6相邻的一侧的边部设置为弧形边，弧形边上均匀开设有多个凹槽，每一个凹槽内能转动的安装有一个支撑轴5，喷嘴4固定连接在支撑轴5上部。

红外热像仪2借助于相机支架1安装在支撑底座10上，使用前借助于调整相机支架位置及红外热像仪2的拍摄角度，从而使感应线圈6处于拍摄范围内。

优选地，感应线圈6采用实心盘式结构，感应线圈6的周向开设有半圆弧凹槽。

优选地，感应线圈6设有两个接线端63，两个接线端63分别为正极接线端和负极接线端，正极接线端和负极接线端均固定连接绝缘轴61，绝缘轴61的设置用于固定感应线圈6以及实现动力输入。

优选地，每一个喷嘴4连接有一个伺服电机3和一个压力控制器9，伺服电机3和压力控制器9固定在支撑板8的表面上。

本发明还提供一种利用装置对线材加工的方法，其包括以下步骤：

s1、将红外热像仪、伺服电机、压力控制器以及感应线圈与外部电源接通，压力控制器与外部空气压缩机线管相连接，由外部动力源驱动感应线圈以角速度ω转动。

将被加工线材由外部送料机构送入两感应线圈形成的仿形区域内。由于集肤效应以及临近效应的作用，电流会靠近工件位置，并完成对工件的加热过程。同时，红外热像仪以一定的频率f采集线圈的红外热图像，由于包含图像的二次采集测温过程，故实际采集频率为f/2。

s2、然后，红外热像仪2将图像信息传递到计算机，根据实际工况制定线圈温度阈值t，将线圈风冷区域根据温度t等温线分为a区域和b区域，其中a区域为温度高于阈值温度区域，需要进行冷却，b区域为温度低于阈值温度区域，不需要冷却。

s3、系统综合匹配每一喷嘴的角度对a区域进行风冷。红外热像仪对线圈进行二次红外热图像采集，提取感应线圈测温区域温度并与阈值温度比较，感应线圈测温区域包括c区域和d区域，若感应线圈的c区域和d区域温度均低于阈值温度，则证明在该感应线圈转速以及采样频率下，冷却系统能够保证感应线圈的冷却，若c区域和/或d区域温度高于阈值温度，则需要对线圈转速以及采样频率进行反馈调节以使冷却系统能够保证感应线圈的冷却；其反馈调节原理在于线圈冷却时，在其转动方向上，喷嘴角度优先从线圈中心位置向边缘位置调节，而喷嘴调节频率与红外热像仪实际采样频率相同，即红外热像仪每采样一次(不包含二次测温过程)，喷嘴角度调节一次。

实际应用中，当感应线圈半径小于500mm时，以半径1/2处同心圆弧段为界，靠近圆心处区域为c区域，靠近感应线圈边部区域为d区域，当感应线圈半径大于或等于500mm时,以半径2/3处同心圆弧段为界，靠近圆心处区域为c区域，靠近感应线圈边部区域为d区域，若c区域温度高于温度阈值，d区域温度低于温度阈值，则提高红外热像仪的采样频率；若c区域温度低于阈值温度，d区域温度高于温度阈值，则降低感应线圈的转速，若c区域温度和d区域温度均高于温度阈值，则先提高红外热像仪的采样频率以首先使c区域温度降低，之后进一步降低感应线圈的转速以降低d区域温度。

若高温区出现在c区，说明线圈中心位置还未冷却或冷却不充分，此种情况优先认定红外热像仪采样频率过低，喷嘴来不及调节，使得c区高温区域已转过冷却区，需要提高采样频率。根据实际工况，设定红外热像仪最高频率为360次/min，当频率调节到此上限，则认定为线圈转速过高，需降低线圈转速。反之，若高温区出现在d区，则线圈中心部分可以完全冷却，优先认定线圈转速过高，导致线圈边缘冷却不充分，需降低线圈转速。进一步要指出的是，为了避免线圈局部位置在高温状态时间过长，应在满足线圈冷却的前提下尽量提高线圈转速，故而当c区域温度高于阈值温度时，优先认为是由红外热像仪采集频率过低导致，而非线圈转速过高。

由于加工过程中温度持续产生，故上述过程需要循环进行，加工完成后，被加工件离开加工区域，对线圈继续冷却至全部位于阈值温度以下，关闭冷却系统，完成整个加工过程。

具体实施例

图1所示将红外摄像仪2调整至合适位置，并使线圈处于拍摄范围内。将红外热像仪、伺服电机、压力控制器以及感应线圈与外部电源接通，压力控制器与外部空气压缩机线管相连接，由外部动力源驱动感应线圈以角速度ω＝1rad/min转动。设定红外热像仪采样频率为120次/min，由于包含二次采集测温过程，故线圈实际采样频率为60次/min，则线圈上每一位置在图3所示风冷区可被采样频率为15次/rad，喷嘴调节频率为60次/min。

将工件通入感应加热区域，线圈与被加工件相对位置如图6所示。获取线圈红外热图像，设定温度阈值t＝60℃，计算机根据所设温度阈值将风冷区域分为图3所示a区域和b区域，其中，其中a区域为温度高于60℃区域，需要进行冷却，b区域为温度低于60℃区域，不需要冷却。

图4所示，所用喷嘴管径d＝10mm，根据风压控制每一喷嘴空气流速v范围为10-15m/s,则每一喷嘴每秒风量v为(0.78-1.18)×10^-3m³，线圈冷却区域在一个采样周期内，温度下降50-90℃。系统综合匹配每一喷嘴的角度，调整伺服电机5，对a区域进行风冷。然后，红外热像仪对线圈进行二次红外热图像采集，提取图3所示c、d区域温度并与阈值温度比较，若c区域和d区域温度低于60℃，则在该线圈转速以及采样频率下，冷却系统可以保证线圈的冷却。若c区域和d区域温度中有一个区域的温度高于60℃，则进一步判断若c区域温度是否高于60℃，若c区域高于60℃，则线圈中心位置未达到冷却要求，系统提高红外热像仪采样频率至144次/min，此时喷嘴角度调节频率为72次/min，若d区域高于60℃，则降低感应线圈转速10％。若c区域和d区域的温度均高于60℃，则先降低感应线圈的转速以首先使c区域温度降低，之后进一步降低感应线圈的转以降低d区域温度。本实施例中，线圈加工期间最高温度在100-150℃之间，每一位置均可在冷却区停留15s，因此可以实现对线圈的冷却。

加工完成后，工件退出加热区，冷却系统继续工作，至线圈整体温度全部位于温度阈值以下，关闭冷却系统，完成整个加工过程。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。