BRPI0821702B1

BRPI0821702B1 - Método para controle de um perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido em peça de trabalho eletricamente condutora sem concentradores de fluxo ou anéis de faraday, e, aparelho de aquecimento por indução elétrica para aquecer peça de trabalho eletricamente condutora sem concentradores de fluxo ou anéis de faraday

Info

Publication number: BRPI0821702B1
Application number: BRPI0821702-5A
Authority: BR
Inventors: Valery L. Rudnev; Don L. Loveless
Original assignee: Inductoheat, Inc.
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2019-02-19
Also published as: CA2708509A1; CA2708509C; US10034331B2; BRPI0821702A2; WO2009086488A3; EP2236005B1; KR101532630B1; KR20100098410A; EP2236005A4; EP2236005A2; US20090166353A1; CN101919306A; WO2009086488A2

Abstract

método para controlar um perfil de aquecimento em seção transversal orientado de maneira longitudinal induzido e uma peça de trabalho eletricamente condutora sem concentradores de fluxo, e, aparelho de aquecimento por indução elétrica para aquecer uma peça de trabalho eletricamente condutora indutiva peças em elaboração com características variáveis na mesma bobina de indução ao mesmo tempo em que controla seletivamente o perfil de distribuição de temperatura de aquecimento induzido de cada peça de trabalho com um ou mais compensadores de fluxo inseridos na bobina de indução juntamente com a peça de trabalho a ser aquecida de maneira indutiva.

Description

“MÉTODO PARA CONTROLE DE UM PERFIL DE AQUECIMENTO EM SEÇÃO TRANSVERSAL, ORIENTADO DE MANEIRA LONGITUDINAL, INDUZIDO EM PEÇA DE TRABALHO ELETRICAMENTE CONDUTORA SEM CONCENTRADORES DE FLUXO OU ANÉIS DE FARADAY, E, APARELHO DE AQUECIMENTO POR INDUÇÃO ELÉTRICA PARA AQUECER PEÇA DE TRABALHO ELETRICAMENTE CONDUTORA SEM CONCENTRADORES DE FLUXO OU ANÉIS DE FARADAY” Campo da Invenção [001] A presente invenção é relativa a aquecimento elétrico por indução de uma peça de trabalho eletricamente condutora posicionada dentro de uma bobina de indução de solenóide.

Fundamentos da Invenção [002] Aquecimento elétrico por indução pode ser utilizado para aquecer materiais eletricamente condutores. Aquecimento por indução pode ser utilizado, por exemplo, antes de forjamento, extrusão, laminação, e outras operações de conformação a quente de metal aquecido. Em outras aplicações aquecimento por indução de peças em elaboração eletricamente condutoras pode ser utilizado para processos de tratamento térmico tais como endurecimento, recozimento, normalização alívio de tensões e têmpera. Algumas aplicações requerem aquecimento uniforme de toda a peça de trabalho, enquanto outras aplicações requerem aquecimento de regiões específicas da peça de trabalho ou requerem aquecimento de gradientes de temperatura através da peça de trabalho, tal como um lingote de alumínio antes de um processo de extrusão.

[003] Como ilustrado na figura 1(a), a peça de trabalho 90, que pode ser cilíndrica em forma, é mantida no lugar dentro da bobina de indução de solenóide 30. A estrutura suporte para manter a peça de trabalho dentro da bobina não está mostrada na figura 1a. Quando energia adequada é fornecida à bobina, a peça de trabalho eletricamente condutora é aquecida de maneira

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 6/74 / 18 indutiva por meio de acoplamento magnético com o campo de fluxo genericamente longitudinal estabelecido pelo escoamento de corrente CA através da bobina. Quando é desejado aquecimento uniforme ao longo do comprimento da peça de trabalho, a peça de trabalho é posicionada na bobina de modo que as extremidades opostas da bobina excedem as extremidades opostas da peça de trabalho na bobina. O eixo central longitudinal (indicado X' na figura 1a) da bobina e a peça de trabalho podem ser coincidentes como mostrado na figura, e a bobina é genericamente conformada para coincidir com as superfícies longitudinais da peça de trabalho, ou para alcançar graus variáveis de aquecimento induzido ao longo do comprimento da peça de trabalho. A distância excedente da bobina xoh em cada extremidade da bobina controla a forma do campo de fluxo estabelecido nas regiões excedentes interiores da bobina de modo que a intensidade do campo de fluxo estabelecido dentro das extremidades opostas da peça de trabalho proporciona aquecimento uniforme ao longo do comprimento da peça de trabalho, inclusive as extremidades opostas da peça de trabalho, como requerido neste exemplo. Por exemplo, uma temperatura longitudinal uniforme Ti (ilustrada de maneira gráfica na figura 1b) pode ser alcançada ao longo de todo o comprimento Li da peça de trabalho na região de seção transversal isotérmica Riso definida entre linhas tracejadas isotérmicas idealizadas adjacentes na figura 1c. A distância suspensa requerida para alcançar este perfil de aquecimento da peça de trabalho é afetado por inúmeros parâmetros, inclusive o diâmetro exterior (OD) da peça de trabalho; o comprimento global da peça de trabalho; as propriedades físicas e metalúrgicas da peça de trabalho; geometria da bobina e a frequência da energia CA aplicada à bobina. O termo “características da peça de trabalho” é utilizado para descrever de maneira coletiva as dimensões físicas e propriedades metalúrgicas da peça de trabalho. Portanto, bobinas diferentes, cada uma com características exclusivas e possivelmente também fornecimentos de energia diferentes são utilizadas de

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 7/74 / 18 maneira ideal para aquecer de maneira uniforme peças em elaboração de diferentes dimensões ou diferentes propriedades físicas. Trocar bobinas em um ambiente industrial para acomodar peças em elaboração com diferentes características é ineficiente em tempo e custo. Portanto, acomodações são muitas vezes feitas para aquecer diversas dimensões de peças em elaboração na mesma bobina de indução conectada a uma fonte de energia CA com graus variáveis de sucesso.

[004] Variação no comprimento de uma peça de trabalho aquecida em uma única bobina de indução tem impacto direto nas distâncias suspensas da bobina em cada extremidade da bobina e, consequentemente, na distribuição de temperatura ao longo do comprimento global da peça de trabalho aquecida de maneira indutiva. Por exemplo, ao aquecer de maneira indutiva uma peça de trabalho cilíndrica com um comprimento global relativamente curto em uma bobina de indução projetada para aquecimento longitudinal uniforme de peças em elaboração cilíndricas com comprimentos globais mais longos, as regiões extremas da peça de trabalho mais curta que são expostas a regiões suspensas da bobina maiores do que as regiões suspensas para as peças em elaboração mais longas terão fontes de calor excessivas e, consequentemente, serão superaquecidas em relação à região central da peça de trabalho mais curta. Por exemplo, a figura 2a, a figura 2b, a figura 2c ilustram, cada uma, a mesma bobina de indução 30 utilizada para aquecer de maneira indutiva três peças em elaboração que têm diferentes dimensões. A peça de trabalho 90a na figura 2a tem um OD igual a OD1 e um comprimento global igual a L1; a peça de trabalho 90b na figura 2b tem um OD igual a OD1 e um comprimento igual a L2 que é menor do que o comprimento L1; a peça de trabalho 90c na figura 2c tem um OD igual a OD2 que é menor do que o diâmetro exterior OD1 e um comprimento global igual a L1. Como ilustrado pelos perfis de distribuição de temperatura da peça de trabalho aquecida na figura 2a', figura 2b', figura 2c', respectivamente para

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 8/74 / 18 os arranjos na figura 2a, figura 2b e figura 2c, a distância suspensa da bobina Xohi fornece a distribuição de temperatura uniforme desejada ao longo do comprimento global da peça de trabalho da geometria específica mostrada na figura 2a, porém a mesma bobina falha em fornecer uniformidade de temperatura ao longo do comprimento das peças em elaboração de geometrias diferentes nas figuras 2b e 2c. Posicionar a peça de trabalho mais curta na bobina de maneira não simétrica (figura 2b) de modo que a distância suspensa da bobina em uma extremidade seria a ótima (Xoh1) poderia então fornecer a uniformidade de temperatura desejada naquela extremidade da peça de trabalho, a custo de intensificar superaquecimento na extremidade oposta da peça de trabalho. Aquecer uma peça de trabalho com um OD menor do que o OD de uma peça de trabalho para a qual a bobina de indução foi projetada para aquecer de maneira uniforme, resulta em subaquecimento das extremidades da peça de trabalho de OD menor devido à redução de fontes de calor a partir do efeito extremo eletromagnético como mostrado na figura 2c' para o arranjo na figura 2c.

[005] Se duas peças em elaboração têm a mesma forma, porém são fabricadas de materiais com propriedades físicas ou metalúrgicas diferentes, por exemplo, ligas metálicas com diferentes resistividades elétricas (p), utilizar uma bobina de indução e suprimento de energia projetados para aquecer de maneira indutiva a primeira das duas peças em elaboração com uma resistividade elétrica ρ1 até um perfil de distribuição de temperatura longitudinal uniforme, irá resultar em superaquecimento das extremidades da segunda peça de trabalho que tem uma resistividade elétrica ρ2 que é menor do que pi, devido ao efeito extremo eletromagnético. Inversamente, se a segunda peça de trabalho tem uma resistividade elétrica p3 que é maior do que ρ1, superaquecimento das extremidades da segunda peça de trabalho irá resultar.

[006] Uma abordagem alternativa para uma única bobina de

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 9/74 / 18 solenóide com conexões de suprimento de energia em extremidades opostas da bobina é uma bobina com diversas conexões de tomadas de suprimento de energia 80 ao longo do comprimento de uma extremidade da bobina, como ilustrado de maneira diagramática na figura 3 a e figura 3b. Selecionando uma tomada extrema de suprimento de energia 80 com base nas características da peça de trabalho a ser aquecida na bobina, o comprimento energizado da bobina e, portanto, as distâncias suspensas podem ser mudadas para fornecer aquecimento uniforme de peças em elaboração com características diferentes, tal como a peça de trabalho 90a' (que utiliza a tomada extrema 80b) na figura 3b, que é mais curta em comprimento global do que a peça de trabalho 90a (que utiliza a tomada extrema 80^a) na figura 3a. Existem diversas desvantagens para esta configuração de diversas tomadas. Por exemplo, o tempo de produção de aquecimento da peça de trabalho é perdido quando as tomadas são mudadas manualmente. Estes e outros fatores tornam um arranjo de bobina com diversas tomadas vantajoso para aquecer de maneira indutiva uma grande variedade de peças em elaboração com características diferentes. [007] Um objetivo da presente invenção é controlar de maneira seletiva o perfil de distribuição de temperatura de aquecimento induzido de peças em elaboração eletricamente condutoras com diferentes características na mesma bobina de indução ou combinação de bobinas de indução.

[008] Outro objetivo da presente invenção é alcançar um perfil uniforme de distribuição de temperatura ao longo do comprimento global de peças em elaboração eletricamente condutoras com diferentes características em uma única bobina de indução ou combinação de bobinas de indução.

[009] Outro objetivo da presente invenção é melhorar a versatilidade de um sistema de aquecimento por indução que compreende uma única bobina de indução e suprimento de energia para controlar de maneira seletiva o perfil de temperatura induzida de peças em elaboração eletricamente condutoras com diferentes características na única bobina de indução.

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Breve Sumário da Invenção [010] Em um aspecto a presente invenção é um aparelho para, e método de, aquecimento por indução elétrica de uma peça de trabalho eletricamente condutora em no mínimo uma bobina de solenóide que recebe energia a partir de uma fonte de energia CA enquanto no mínimo um compensador de fluxo é trazido próximo a no mínimo uma extremidade da peça de trabalho na bobina para afetar o perfil de temperatura de aquecimento induzido para a peça de trabalho. O compensador de fluxo é selecionado com base nas características da peça de trabalho a ser aquecida de maneira indutiva e o perfil de temperatura de aquecimento induzido requerido.

[011] Em outro aspecto a presente invenção é um aparelho para, e método de, controlar o perfil de aquecimento de seção transversal orientado longitudinalmente induzido na peça de trabalho eletricamente condutora sem concentradores de fluxo. A peça de trabalho é posicionada em uma bobina de indução de tipo de solenóide de modo que uma região suspensa da bobina existe adjacente a uma extremidade da peça de trabalho. Um compensador de fluxo é posicionado na região suspensa da bobina com uma extremidade do compensador de fluxo próximo à extremidade da peça de trabalho para alterar o perfil de aquecimento em seção transversal orientado longitudinalmente induzido na extremidade da peça de trabalho. Em outros exemplos da invenção um espaço eletromagnético é fornecido entre as extremidades opostas do compensador de fluxo e a peça de trabalho. Uma corrente alternada é fornecida para a bobina de indução para criar o perfil de aquecimento em seção transversal orientado longitudinalmente induzido na peça de trabalho eletricamente condutora.

[012] Os acima, e outros aspectos da invenção estão descritos nesta especificação e nas reivindicações anexas.

Breve Descrição dos Desenhos [013] Os desenhos anexos, como resumido brevemente abaixo, são

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 11/74 / 18 fornecidos para entendimento tomado como exemplo da invenção, e não limitam a invenção como ainda descrito nesta especificação e nas reivindicações anexas:

[014] A figura 1a ilustra em um diagrama de seção transversal uma bobina de solenóide com uma peça de trabalho eletricamente condutora posicionada na bobina, de modo que a distância suspensa da bobina é a mesma em ambas as extremidades da bobina; a figura 1b ilustra de maneira gráfica o perfil de temperatura uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da peça de trabalho com o arranjo de bobina e peça de trabalho mostrado na figura 1a em região isotérmica de seção transversal idealizada Riso mostrada na figura 1c.

[015] A figura 2a', figura 2b', figura 2c' ilustram a mudança nos perfis de distribuição de temperatura ao longo do comprimento global de peças em elaboração com diferentes características quando aquecidas de maneira indutiva na mesma bobina de indução como ilustrado nos arranjos mostrados na figura 2a, figura 2b e figura 2c, respectivamente.

[016] A figura 3a e figura 3b ilustram em diagramas de seção transversal uma bobina de diversas tomadas que pode ser utilizada para compensar aquecimento por indução de diversas peças em elaboração com diferentes características para minimizar os efeitos de aquecimento extremo irregular das diversas peças em elaboração.

[017] A figura 4a, figura 4b, e figura 4c ilustram em diagramas de seção transversal um exemplo do aparelho de aquecimento por indução elétrica da presente invenção.

[018] A figura 5a ilustra em diagrama de seção transversal uma peça de trabalho eletricamente condutora inserida em uma bobina de indução de modo que as distâncias suspensas da bobina são as mesmas em ambas as extremidades da bobina, e a figura 5b ilustra, de maneira gráfica, um perfil de temperatura uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 12/74 / 18 peça de trabalho com o arranjo de bobina e a peça de trabalho mostrado na figura 5 a.

[019] A figura 6a ilustra em diagrama de seção transversal outro exemplo do aparelho de aquecimento por indução elétrica da presente invenção, com a figura 6b ilustrando de maneira gráfica um perfil de temperatura uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da peça de trabalho com a bobina, e arranjo de peça de trabalho e compensador de fluxo mostrados na figura 6a.

[020] A figura 7a ilustra em diagrama de seção transversal outro exemplo do aparelho de aquecimento por indução elétrica da presente invenção, com a figura 7b ilustrando de maneira gráfica um perfil de temperatura uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da peça de trabalho com a bobina, e arranjo de peça de trabalho e compensador de fluxo mostrados na figura 7a.

[021] A figura 8a ilustra em diagrama de seção transversal outro exemplo do aparelho de aquecimento por indução elétrica da presente invenção, com a figura 8b ilustrando de maneira gráfica o perfil de temperatura não uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da peça de trabalho com a bobina e arranjo de peça de trabalho e compensador de fluxo mostrados na figura 8a.

[022] A figura 9a ilustra em diagrama de seção transversal outro exemplo do aparelho de aquecimento por indução elétrico da presente invenção com a figura 9b ilustrando de maneira gráfica um perfil de temperatura não uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da peça de trabalho com a bobina e arranjo de peça de trabalho e compensador de fluxo mostrados na figura 8a.

[023] A figura 10a ilustra em um diagrama de seção transversal outro exemplo do aparelho de aquecimento por indução elétrica de uma peça de trabalho eletricamente condutora da presente invenção, com a figura 10b

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 13/74 / 18 ilustrando de maneira gráfica um perfil de temperatura não uniforme que pode ser alcançado ao longo do comprimento da peça de trabalho com a bobina, e arranjo de peça de trabalho e compensador de fluxo mostrados na figura 10a.

Descrição Detalhada da Invenção [024] Um exemplo não limitativo do aparelho de aquecimento por indução elétrica da presente invenção para aquecimento de uma peça de trabalho eletricamente condutora está ilustrado de maneira diagramática na figura 4a, figura 4b e figura 4c. O aparelho compreende uma única bobina de indução de solenóide de diversas expiras 30, que tem um suprimento de energia CA (não mostrado nas figuras) conectado às extremidades opostas da bobina para fornecer uma corrente CA para a bobina, a qual gera um campo de fluxo ao redor da bobina que acopla com a peça de trabalho na bobina para aquecer a bobina de maneira indutiva. Um compensador de fluxo é utilizado de maneira seletiva durante aquecimento por indução de peças em elaboração com características variáveis, como mais descrito abaixo. O compensador de fluxo pode ser o um disco substancialmente sólido ou oco. O compensador pode ser resfriado com água, fornecendo passagens adequadas no compensador e conectando as passagens a um suprimento e retorno de um meio de resfriamento tal como água. Aparelho adequado de transporte de peça de trabalho pode ser fornecido para inserir uma peça de trabalho na bobina e removê-la de dentro da bobina depois de aquecimento. Aparelho adequado de transporte de compensador pode ser fornecido para inserir o compensador na bobina e removê-lo de dentro da bobina depois de aquecimento. Alternativamente, uma combinação de um aparelho de transporte de peça de trabalho e de compensador pode ser fornecida.

[025] A peça de trabalho 90d na figura 4a tem um comprimento global de L1; a peça de trabalho 90e na figura 4b tem um comprimento global de L3 que é menor do que o comprimento L1; e a peça de trabalho 90f na figura 4c tem um comprimento global de L4 que é menor do que o

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 14/74 / 18 comprimento L3. A peça de trabalho 90d na figura 4a é de comprimento ótimo para aquecimento por indução com distribuição de temperatura uniforme ao longo de seu comprimento global quando a distância suspensa da bobina Xoh1 é a mesma em ambas as extremidades da bobina, como mostrado na figura 4a. Na figura 4b a superfície extrema 40a' do compensador 40a é trazida em proximidade junto a uma superfície extrema 90e” (indicada “segunda extremidade”) da peça de trabalho 90e para compensar o comprimento global mais curto da peça de trabalho, de modo que superaquecimento da segunda extremidade da peça de trabalho é mitigado. Se, por exemplo, a peça de trabalho 90e é um lingote de aço inoxidável não magnético, uma distância de aproximadamente 0,03 polegadas até aproximadamente 1,8 polegadas (0,76 a

45,7 mm) entre as superfícies extremas opostas da peça de trabalho e compensador pode ser considerada um espaço suficientemente pequeno e, portanto, junto em proximidade. Se o compensador de fluxo é formado de uma composição de material que tem aproximadamente a mesma, por exemplo, aproximadamente não maior do que 10 a 15% de variação em propriedades eletromagnéticas (primariamente resistividade elétrica e permeabilidade magnética) que a peça de trabalho, e a diferença em diâmetros do compensador 40a e a peça de trabalho 90e é aproximadamente não maior do que um quarto da profundidade da penetração de corrente parasita na peça de trabalho, e o espaço eletromagnético entre o compensador 40a e a peça de trabalho 90e é suficientemente pequeno ao utilizar frequência média (isto é, desde cerca de 1 kHz até cerca de 10 kHz) da fonte de energia, então não haverá perturbação apreciável do campo eletromagnético na segunda extremidade da peça de trabalho 90e como mostrado na figura 4b e figura 6a admitindo um compensador de fluxo suficientemente longo. Distribuição de temperatura por aquecimento induzido (linha Twp na figura 6b) ao longo do comprimento global da peça de trabalho 90e na figura 6a será uniforme, como deveria ser no caso de excesso ótimo de bobina xoh1 como mostrado na figura

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4a e figura 5a a despeito do fato que a distância real suspensa de bobina a partir da segunda extremidade da peça de trabalho foi aumentada de xoh1 (na figura 4a e figura 5a) para Xoh3 (na figura 4b e figura 6a). Perturbação de campo magnético na segunda região extrema da bobina é compensada pela utilização de compensador de fluxo 40a, e é localizada dentro do compensador, o que resulta em deslocar excesso de temperatura Tfc da segunda extremidade da peça de trabalho para o compensador 40a como ilustrado de maneira gráfica na figura 6b.

[026] A figura 4c e a figura 7a ilustram um arranjo da presente invenção no qual o comprimento global L4 da peça de trabalho 90f é menor do que o comprimento global da peça de trabalho 90e mostrada na figura 4b e figura 6a, o que resulta em um outro aumento da distância suspensa da bobina para xoh4 na segunda extremidade da peça de trabalho 90f, que é compensado pela utilização de compensador de fluxo 40b para alcançar o perfil de distribuição de temperatura de aquecimento induzido uniforme (linha Twp) mostrada na figura 7b. O comprimento global do compensador de fluxo utilizado depende do perfil de distribuição de temperatura de aquecimento induzido desejado para o comprimento global da peça de trabalho. Por exemplo, se uma distribuição de temperatura uniforme é requerida o compensador de fluxo utilizado deveria ser de comprimento suficiente para assegurar que a zona de efeito extremo (onde têm lugar perturbações do campo magnético) será localizada dentro do comprimento do compensador de fluxo adjacente, como mostrado representado pelo perfil de distribuição de temperatura não uniforme (curva Tfc) para o compensador 40b na figura 7b. Se uma distribuição de temperatura não uniforme é requerida, por exemplo, um gradiente de temperatura ao longo do comprimento da segunda extremidade da peça de trabalho, esta extremidade da peça de trabalho deveria ser aquecida de maneira indutiva até uma temperatura que é maior do que o restante do comprimento global da peça de trabalho. Para este arranjo o

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 16/74 / 18 comprimento do compensador de fluxo será mais curto do que aquele requerido para uma distribuição de temperatura uniforme, para assegurar que a zona de efeito extremo não estará localizada dentro do compensador de fluxo, porém irá ocorrer na extremidade da peça de trabalho que requer a temperatura mais elevada.

[027] O compensador de fluxo utilizado no aparelho e método de aquecimento por indução da presente invenção não é um concentrador de fluxo, o qual é também conhecido como um desviador de fluxo, controlador de fluxo, derivação magnética ou núcleo magnético, e não deveria ser feito de materiais utilizados tipicamente para fabricar concentradores de fluxo. Propriedades físicas de concentradores de fluxo são significativamente diferentes das propriedades de peças em elaboração com as quais são utilizados os concentradores em aplicações de aquecimento por indução. A despeito de propriedades físicas da peça de trabalho, os materiais utilizados como concentradores de fluxo magnético são magnéticos macios por natureza, o que significa que eles se tornam magnéticos desde que um campo magnético externo seja aplicado. Os tipos de materiais os mais comumente utilizados em aquecimento por indução para concentradores de fluxo são laminações (laminados), materiais do tipo pó baseados em ferro eletrolítico, materiais de tipo pó baseados em ferro carbonil, ferritas puras e materiais baseados em ferrita. Concentradores de fluxo magnético são fabricados de tal maneira que eles deveriam ter resistividade elétrica muito elevada (de forma ideal resistividade elétrica infinita) e perdas desprezíveis por corrente parasita. Em contraste, como descrito acima, compensadores de fluxo são formados de materiais que têm propriedades eletromagnéticas similares à peça de trabalho que está sendo aquecida de maneira indutiva. Portanto, se a peça de trabalho não magnética é formada de um material relativamente altamente resistivo eletricamente, por exemplo, um aço inoxidável austenítico ou composição de liga de titânio, então o compensador de fluxo deveria também ser formado de

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 17/74 / 18 um material relativamente altamente resistivo eletricamente. Se a peça de trabalho é formada de um material que tem um valor relativamente baixo de resistividade elétrica, por exemplo, uma composição de liga de ouro, alumínio, prata ou cobre, então o compensador de fluxo deveria também ser formado de um material de baixa resistividade elétrica.

[028] O compensador de fluxo utilizado no aparelho e método de aquecimento por indução da presente invenção não é um anel de indução de Faraday, o qual também é conhecido como o uma armadura condutora, anel de cobre, tampa de cobre, ou do anel “robber”. Anéis de Faraday são armaduras passivas que representam basicamente indutores encurtados de espira única que anulam ou reduzem de maneira dramática o campo magnético da bobina de indução fonte para melhorar desempenhos de proteção (armadura). A bobina de indução fonte induz corrente parasita dentro de um anel de Faraday, cuja corrente parasita gera seu próprio campo magnético que se opõe e anula o campo de fonte. A efetividade de anéis de Faraday e suas características de armadura são notavelmente diminuídas se materiais de resistividade elétrica elevada são utilizados para sua fabricação. Esta é a razão porque anéis de Faraday são tipicamente feitos de materiais com baixa resistividade elétrica tal como, por exemplo, uma composição de cobre, alumínio ou prata.

[029] Em algumas aplicações do aparelho e método de aquecimento por indução da presente invenção é desejável alcançar um perfil de temperatura de gradiente térmico induzido ao longo do comprimento global da peça de trabalho. Um método de alcançar este tipo de perfil de temperatura em gradiente é utilizando compensadores de fluxo que têm diâmetros diferentes daquele da peça de trabalho. A figura 8a e a figura 9a ilustram de maneira diagramática arranjos não limitativos tomados como exemplo da presente invenção, onde o diâmetro do compensador 40c é menor do que o diâmetro da peça de trabalho 90f, e onde o diâmetro do compensador 40d é maior do que o diâmetro da peça de trabalho 90f, respectivamente. A figura

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8b e a figura 9b ilustram de maneira gráfica as correspondentes distribuições de temperatura não uniforme que resultam dentro da peça de trabalho 90f. Se o diâmetro do compensador de fluxo é menor do que o diâmetro da peça de trabalho que está sendo aquecida de maneira indutiva, como mostrado na figura 8a, então a extremidade da peça de trabalho terá um excesso de fontes de calor, e a temperatura da segunda extremidade da peça de trabalho (curva Twp) será mais elevada do que a temperatura (linha Twp) através de outras regiões da peça de trabalho, como ilustrado de maneira gráfica na figura 8b. Se o diâmetro do compensador de fluxo é maior do que o diâmetro da peça de trabalho que está sendo aquecida de maneira indutiva, como mostrado na figura 9a, então, a extremidade da peça de trabalho terá uma falta de fontes de calor e a temperatura da segunda extremidade da peça de trabalho (curva T”wp) será mais baixa do que a temperatura (linha Twp) através de todas as outras regiões da peça de trabalho, como ilustrado de maneira gráfica na figura 9b.

[030] Embora seja preferido nos exemplos acima da invenção trazer as extremidades opostas do compensador de fluxo e peça de trabalho em proximidade juntas uma da outra, é possível em outros exemplos da invenção ter as extremidades opostas do compensador de fluxo e peça de trabalho em contato uma com a outra. Se isto é feito, então a energia induzida (fontes de calor) na área extrema da peça de trabalho enquanto estando em contato com o compensador de fluxo, pode provocar escoamento de calor desde a área extrema da peça de trabalho no sentido do compensador de fluxo resultando ou em um perfil uniforme ou não uniforme de distribuição de temperatura em seção transversal na peça de trabalho.

[031] Outro método de alcançar um perfil de temperatura em gradiente é estabelecendo um espaço eletromagnético entre as extremidades que faceiam do compensador e da peça de trabalho que deve ser tratada termicamente de maneira indutiva. A figura 10a ilustra de maneira diagramática um arranjo não limitativo tomado como exemplo da presente

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 19/74 / 18 invenção, onde a distribuição de temperatura longitudinal (curva T'_up) junto à segunda extremidade da peça de trabalho 90f é não uniforme devido a um espaço eletromagnético Lespaço entre o compensador 40e e a peça de trabalho 90f. Um espaço eletromagnético é definido aqui como uma região ocupada por um material substancialmente não eletricamente condutor e não magnético. Por exemplo, o compensador de fluxo pode ter uma placa de isolamento térmico (de refratário) posicionada no espaço eletromagnético Lespaço. A placa de isolamento térmico pode ser ligada fisicamente à extremidade que faceia do compensador 40e e fazer contato físico com a segunda extremidade da peça de trabalho. Se a placa de isolamento térmico é feita de um material não eletricamente condutor e não magnético, a placa será efetivamente transparente a um campo eletromagnético e de maneira eletromagnética se comporta como espaço livre (atuando como ar ou vácuo). Portanto, mesmo embora não exista espaço de ar real livre entre extremidades que faceiam do compensador de fluxo e da peça de trabalho, existe um espaço eletromagnético que resulta da presença da placa isolante de térmica. Espaçadores não eletricamente condutores ou espaçadores fabricados de materiais eletricamente condutores que incorporam aspectos de redução de corrente parasita tais como fendas radiais e/ou longitudinais, também podem ser utilizados para estabelecer um espaço eletromagnético.

[032] Em geral, o aparelho e método de aquecimento por indução da presente invenção utilizam um ou mais compensadores de fluxo com posicionamento, dimensões, composição, e espaço eletromagnético opcional como aqui divulgado, para alterar o perfil de distribuição de temperatura de aquecimento induzido de peças em elaboração com diferentes características, que são inseridas na mesma bobina de solenóide para aquecimento por indução. Um compensador de fluxo pode compreender dois ou mais compensadores de fluxo unidos juntos em extremidades que faceiam. Um conjunto de compensador de fluxo pode ser fornecido, no qual o conjunto

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 20/74 / 18 compreende um compensador de fluxo (elemento principal) montado em um suporte de compensador que pode ser fixado a um aparelho de transferência de compensador para mover o elemento principal para dentro e para fora da bobina. Uma série de elementos principais de compensador intercambiáveis pode ser utilizada no conjunto para acomodar aquecimento por indução de diversas peças em elaboração com diferentes características na mesma bobina de indução, e pode ser estendido para utilizar bobinas ovais, indutores de canal e bobinas/indutores similares que podem ser descritos genericamente como bobinas do tipo de solenóide.

[033] O termo “bobina de indução de solenóide” como utilizado na invenção é entendido em seu sentido mais amplo como qualquer combinação de uma ou mais bobinas de indução, na qual um campo magnético é gerado quando uma corrente escoa através de uma ou mais bobinas de indução e o campo magnético acopla com o material condutor inserido de maneira eletromagnética na uma ou mais bobinas de indução. A invenção não está limitada a uma configuração geométrica específica de uma bobina de indução de solenóide.

[034] Embora a peça de trabalho tomada como exemplo nos exemplos acima da invenção seja genericamente cilíndrica em forma, o aparelho de aquecimento por indução da presente invenção pode ser utilizado com peças em elaboração eletricamente condutoras de outras formas, por exemplo, seja substancialmente sólida, quaisquer peças em elaboração conformadas substancialmente sólidas ou ocas de maneira cilíndrica, tais como lingotes, barras, tubos e tubulações; quaisquer peças em elaboração conformadas sólidas ou ocas retangulares ou trapezoidais, tais como placas, lâminas e lingotes; ou qualquer outra forma que possa ser inserida em uma bobina de indução para aquecimento induzido como descrito acima. Configuração e posicionamento dos compensadores de fluxo utilizados podem ser alterados para se adequarem à forma específica da peça de trabalho que está sendo aquecida de maneira indutiva. Embora diâmetro e

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 21/74 / 18 comprimento axial sejam parâmetros de interesse para uma a peça de trabalho cilíndrica na utilização da presente invenção, outros parâmetros podem ser utilizados para peças em elaboração conformadas de maneira diferente.

[035] Embora os compensadores de fluxo tomados como exemplo nos exemplos acima da invenção estejam genericamente na forma de um disco, compensadores conformados de maneira diferente podem ser utilizados para acomodar peças em elaboração de diversas formas de acordo com o aparelho e método da presente invenção.

[036] Uma vez que os compensadores de fluxo utilizados na presente invenção podem ser resfriados por um meio fluido e/ou isolados termicamente da peça de trabalho aquecida de maneira indutiva, eles podem ser utilizados de maneira repetitiva na presente invenção, enquanto aquecendo de maneira indutiva peças em elaboração sucessivas sem fadiga térmica apreciável.

[037] Em todos os exemplos da invenção dois compensadores de fluxo separados, cada um dos quais tem uma extremidade que faceia cada uma das extremidades opostas da peça de trabalho uma bobina de indução pode ser utilizada com o aparelho e método da presente invenção.

[038] Os exemplos acima da invenção foram fornecidos meramente para a finalidade de explicação e não são construídos de maneira alguma como limitativos da presente invenção. Embora a invenção tenha sido descrita com referência a diversas modalidades, as palavras utilizadas nela são palavras de descrição e ilustração ao invés de palavras de limitações. Embora a invenção tenha sido descrita nela com referência a dispositivos, materiais e modalidades particulares, a invenção não tem a intenção de ser ilimitada aos seus particulares divulgados; ao invés disto, a invenção se estende para todas as estruturas funcionalmente equivalentes, métodos e utilizações. Aqueles versados na técnica tendo o benefício dos ensinamentos desta especificação podem efetuar inúmeras modificações a ela, e mudanças podem ser feitas sem se afastarem do escopo da invenção em seus aspectos. A invenção não está

Petição 870180143012, de 22/10/2018, pág. 22/74 / 18 limitada ao que está descrito acima, porém também inclui a invenção como descrita nas reivindicações anexas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para controle de um perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido em peça de trabalho eletricamente condutora (90e ou 90f) sem concentradores de fluxo ou anéis de Faraday, método este compreendendo a etapa de:

posicionar a peça de trabalho eletricamente condutora em uma bobina de indução do tipo de solenóide (30) de modo que uma região suspensa da bobina (xoh3, ou xoh4) exista adjacente a no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora;

caracterizado pelo fato de que compreende ainda as etapas de:

posicionar no mínimo um compensador de fluxo (40a, 40b, 40c ou 40d) formado de um disco sólido ou oco na região suspensa da bobina com uma extremidade daquele no mínimo um compensador de fluxo próximo àquela no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora para alterar o dito perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido em tal no mínimo uma extremidade da peça de trabalho; e fornecer corrente alternada para a bobina de indução do tipo de solenóide para localizar na peça de trabalho eletricamente condutora ou em tal no mínimo um compensador de fluxo (40a, 40b, 40c ou 40d) uma zona de efeito extremo eletromagnético e criar o perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido na peça de trabalho eletricamente condutora.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir a etapa de formar o no mínimo um compensador de fluxo (40b) com dimensões longitudinais e seção transversal de tal maneira que o perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido (Twp) naquela no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora seja substancialmente uniforme.

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3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir a etapa de formar o no mínimo um compensador de fluxo (40d) com uma área de seção transversal maior do que a área de seção transversal da referida peça de trabalho eletricamente condutora (90f) em tal no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora de tal maneira que o perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido (T”wp) naquela no mínimo uma extremidade da dita peça de trabalho eletricamente condutora seja menor do que o perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido (Twp) em outras regiões da peça de trabalho eletricamente condutora.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir a etapa de formar o no mínimo um compensador de fluxo (40c) com área de seção transversal menor do que a área de seção transversal da peça de trabalho eletricamente condutora (90f) em tal no mínimo uma extremidade da dita peça de trabalho eletricamente condutora de tal maneira que o perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido (T'wp) naquela no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora seja maior do que o dito perfil de aquecimento em seção transversal, orientado de maneira longitudinal, induzido (Twp) em outras regiões da peça de trabalho eletricamente condutora.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a etapa de posicionar aquele no mínimo um compensador de fluxo na região suspensa da bobina com uma extremidade do referido no mínimo um compensador de fluxo coloca aquela uma extremidade do mencionado no mínimo um compensador de fluxo em contato com aquela no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora.
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a

4, caracterizado pelo fato de a etapa de posicionar no mínimo um compensador de fluxo (40e) na região suspensa da bobina (xoh4) com uma extremidade de tal

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3 / 4 no mínimo um compensador de fluxo próxima a tal no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora (90f) compreender a formação de um espaço eletromagnético (Lespaço) entre a extremidade daquela no mínimo uma extremidade da peça de trabalho eletricamente condutora.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de formar o espaço eletromagnético a partir de um material substancialmente não magnético e não eletricamente condutor.
8. Aparelho de aquecimento por indução elétrica para aquecer peça de trabalho eletricamente condutora (90e ou 90f) sem concentradores de fluxo ou anéis de Faraday, o aparelho compreendendo uma bobina de indução do tipo de solenóide (30) na qual a peça de trabalho eletricamente condutora é inserida, e uma fonte de corrente alternada conectada à bobina de indução do tipo de solenóide, caracterizado pelo fato de haver no mínimo um compensador de fluxo (40a, 40b, 40c ou 40d) formado de um disco sólido ou oco inserido em uma região suspensa interior (xoh3, ou xoh4) daquela bobina de indução do tipo de solenóide de modo que uma extremidade inserida na bobina da peça de trabalho eletricamente condutora fique próxima a uma extremidade daquele no mínimo um compensador de fluxo para localizar na dita peça de trabalho eletricamente condutora ou no dito no mínimo um compensador de fluxo uma zona de efeito extremo eletromagnético quando a fonte de corrente alternada estiver conectada à bobina de indução do tipo de solenóide.
9. Aparelho de aquecimento por indução elétrica de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a extremidade inserida na bobina da peça de trabalho eletricamente condutora estar localizada dentro de cerca de 0,76 a 45,7 mm para a extremidade daquele no mínimo um compensador de fluxo.
10. Aparelho de aquecimento por indução elétrica de acordo com a reivindicação 8 ou reivindicação 9, caracterizado pelo fato de aquele no mínimo um compensador de fluxo ser formado do mesmo material que a peça de trabalho eletricamente condutora.

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11. Aparelho de aquecimento por indução elétrica de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de aquele no mínimo um compensador de fluxo ser formado de um material que tem uma resistividade elétrica e uma permeabilidade magnética não maior do que cerca de mais ou menos 15% da resistividade elétrica e da permeabilidade magnética daquela peça de trabalho eletricamente condutora.
12. Aparelho de aquecimento por indução elétrica de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de aquele no mínimo um compensador de fluxo ser formado de um material que tem uma resistividade elétrica e uma permeabilidade magnética não maior do que cerca de mais ou menos 15% da resistividade elétrica e da permeabilidade magnética daquela peça de trabalho eletricamente condutora, e a diferença entre os diâmetros daquela extremidade inserida na bobina da peça de trabalho eletricamente condutora e da extremidade daquele no mínimo um compensador de fluxo não ser maior do que um quarto da profundidade de penetração de corrente parasita na peça de trabalho eletricamente condutora quando a fonte de corrente alternada estiver conectada à bobina de indução do tipo de solenóide.
13. Aparelho de aquecimento por indução elétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado pelo fato de que aquele no mínimo um compensador de fluxo possui no mínimo uma passagem interna que forma um trajeto de escoamento para um meio de resfriamento.
14. Aparelho de aquecimento por indução elétrica de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado pelo fato de que inclui um material de espaço eletromagnético (Lespaço) disposto na extremidade daquele no mínimo um compensador de fluxo próxima à extremidade inserida na bobina da peça de trabalho eletricamente condutora.