УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ И МАГНИТНОЙ ЦЕПЬЮ ИЗМЕНЯЕМОЙ ШИРИНЫ Российский патент 2004 года по МПК H05B6/10 H05B6/40 

Настоящее изобретение касается устройства для нагрева при перемещении магнитных или немагнитных полос небольшой и средней толщины (порядка от 0,05 до 50 миллиметров) с помощью электромагнитной индукции. А более конкретно, относится к устройству индукционного нагрева с поперечным потоком.

Известен способ нагрева при перемещении металлической полосы посредством электромагнитной индукции, осуществляемый с помощью катушек, которые расположены таким образом, чтобы они окружали нагреваемую полосу, создавая при этом магнитное поле, параллельное наружной поверхности этой полосы в направлении перемещения (продольный поток, см. фиг.1а). При такой конфигурации получается кольцевое распределение индукционных токов, которые пересекают непрерывно движущуюся полосу вблизи ее периферийной поверхности, это вызывает нагрев полосы, при этом однородность поперечной температуры обычно считается удовлетворительной.

Когда дело касается нагрева магнитных полос небольшой толщины, то эффективность такого типа нагрева, с продольным потоком, является высокой. Однако она круто падает для этих материалов, как только температура превысит точку Кюри (около 750°С). Это обусловлено, в частности, тем фактом, что относительная проницаемость нагреваемого материала резко уменьшается в процессе нагрева, достигая величины, равной 1, при этой самой температуре. Эффективность также ограничена для немагнитных материалов (нержавеющая сталь, алюминий и т.д.) независимо от температуры изделия.

Согласно другому известному решению, для индукционного нагрева при перемещении плоских металлических изделий по обе стороны нагреваемого изделия размещаются две катушки, напротив каждой большой лицевой поверхности изделия, так чтобы создавать магнитное поле, перпендикулярное большим наружным поверхностям изделия, в соответствии с так называемой техникой поперечного потока (см. фиг.1b).

Основной недостаток такого типа установки заключается в том, что петлеобразное распределение токов, индуцированных поперечным магнитным потоком, обычно не позволяет достигнуть удовлетворительную однородность по температуре, а конкретно, концы полосы края в направлении ее ширины нагреваются чрезмерно или недостаточно в зависимости от относительных размеров катушек и магнитной цепи, которые используются, по сравнению с шириной полосы.

Для решения этой проблемы был предложен нагрев с помощью электромагнитной индукции при поперечном потоке, в котором индукторы содержат магнитные цепи. Последние предназначены для направления магнитного потока, генерируемого катушками, так, чтобы воздействовать на распределение индукционных токов.

Однако такие устройства имеют недостаток, заключающийся в том, что они не могут быть легко модифицированы так, чтобы они были адаптированы к ширине полосы, которая должна нагреваться. Для преодоления такого недостатка известно, например, устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции, описанное в патенте США №4678883, в котором индукторы состоят из множества взаимно связанных магнитных стержней (понятие "связанный" следует понимать так, что стержни взаимодействуют друг с другом так, что магнитный поток, создаваемый индукторами, может проходить от одного стержня к другому стержню), которые расположены параллельно направлению движения нагреваемой полосы и могут индивидуально перемещаться перпендикулярно поверхности полосы таким образом, чтобы адаптировать распределение потока к ширине полосы, в соответствии с размерами последней.

Однако даже такой тип нагрева с помощью электромагнитной индукции не позволяет осуществлять правильное регулирование температурных флуктуаций вблизи краев нагреваемой полосы. А конкретно, магнитные стержни, расположенные сзади по отношению к полосе, продолжают оказывать влияние, хотя и более слабое, на распределение магнитного потока и, следовательно, на температуру, а в результате этого кривая распределения температуры показывает концентрацию токов, индуцированных на краях.

Также известен ЕР-А-0667731, в котором описано устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции при поперечном потоке, в котором длина катушек изменяется так, чтобы адаптировать распределение потока к ширине полосы. Для этого в документе предлагается, чтобы эти катушки выполнялись путем объединения двух противоположных J-образных индукторов, которые могут свободно параллельно перемещаться в направлении, параллельном ширине полосы. Как и в вышеупомянутом патенте США, это устройство не позволяет получить однородность поперечной температуры, которая была бы вполне удовлетворительной.

Принимая во внимание недостатки вышеупомянутых известных из уровня техники решений, настоящее изобретение предлагает оригинальное решение с помощью выполнения устройства нагрева с помощью электромагнитной индукции при поперечном потоке, в котором магнитная цепь выполнена с множеством независимых магнитных стержней, и она адаптируется к ширине нагреваемой полосы. Следовательно, это устройство делает возможным улучшение тепловой однородности в направлении ширины нагреваемой полосы.

Согласно изобретению предлагается устройство для нагрева с помощью электромагнитной индукции металлической полосы, перемещающейся в определенном направлении, содержащее, по меньшей мере, одну электрическую катушку, расположенную напротив, по меньшей мере, одной из больших наружных поверхностей полосы так, чтобы нагревать последнюю с помощью индуктирования поперечного магнитного потока, причем каждая катушка связана, по меньшей мере, с одной магнитной цепью, каждая цепь разделена на множество взаимно не связанных магнитных стержней, расположенных параллельно направлению перемещения полосы, при этом устройство отличается тем, что магнитная цепь, состоящая из множества взаимно независимых стержней, адаптируется к ширине нагреваемой полосы путем перемещения стержней в направлении друг от друга или друг к другу таким образом, чтобы постоянно адаптировать распределение магнитного потока к характерным размерам упомянутой полосы.

Таким образом, на основании настоящего изобретения, независимо от ширины нагреваемой полосы объем и, следовательно, вес магнитной цепи остаются неизменными.

Согласно предпочтительной характеристике изобретения, устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции также содержит экраны, выполненные из материалов с хорошей электропроводностью, размещенные в зазоре с обеих сторон полосы и вблизи ее краев таким образом, чтобы оптимизировать однородность поперечной температуры.

Согласно другой предпочтительной характеристике изобретения, поверхность магнитной цепи, которая находится напротив одной из больших наружных поверхностей нагреваемой полосы, задается с подходящим "полярным" профилем (бисинусоидальный, например) путем выполнения магнитных листов, составляющих эту цепь, так, чтобы получить более хорошее распределение магнитного потока и особенно вблизи краев полосы. Понятие "полярный" профиль означает поверхность магнитной цепи, которая является изогнутой в трех направлениях в пространстве.

Другие характеристики и достоинства настоящего изобретения будут понятны из нижеприведенного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют примерные варианты его осуществления и применения и не имеют никакого ограничивающего характера.

На чертежах:

- фиг.1а и 1b иллюстрируют устройства нагрева с помощью электромагнитной индукции, известные из уровня техники, с продольным потоком и поперечным потоком соответственно;

- фиг.2а и 2b - частичные перспективные изображения устройства индукционного нагрева согласно изобретению в двух положениях;

- фиг.3а и 3b - частичные перспективные изображения устройства, показанного на фиг.1, снабженного экранами, выполненными из материалов с хорошей электропроводностью, связанными с магнитными накладками;

- фиг.4 - частичное схематичное изображение примерного полярного профиля (поверхность магнитной цепи напротив нагреваемой полосы);

- фиг.5 - частичное схематичное изображение обычной установки для светлого отжига нержавеющей стали.

Обратимся к чертежам, а более конкретно к фиг.2а и 2b, на которых можно увидеть, что устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции при поперечном потоке согласно изобретению содержит, в частности, два магнитных якоря 1 и 1’ соответственно, которые снабжены, по меньшей мере, одной электрической катушкой 2 и расположены друг напротив друга по обе стороны нагреваемой полосы 4. Последняя может направляться в зазор, образованный между магнитными цепями, например, с помощью роликов (не показаны) и, таким образом, переноситься в зону нагрева. Согласно изобретению ее перемещение обычно является непрерывным в течение процесса нагрева.

В качестве варианта осуществления изобретения и в соответствии с требующимся применением этого устройства нагрева возможно размещение, по меньшей мере, одного магнитного якоря 1, снабженного, по меньшей мере, одной электрической катушкой 2, напротив только одной большой наружной поверхности нагреваемой полосы 4.

Согласно известному, так называемому методу с поперечным потоком, магнитный поток, создаваемый электрическими катушками 2, пересекает нагреваемую полосу 4 и индуцирует в последней ток, который протекает в плоскости полосы и который замыкается в петлю вблизи краев. Для этого катушка или катушки 2 запитываются переменным током средней частоты (например, порядка приблизительно от 50 до 20000 Гц).

Для того, чтобы обеспечить направленность магнитного потока, создаваемого катушками 2, в частности, вблизи краев полосы, по всей длине катушек или по части длины катушек размещается магнитная цепь 6. Эта цепь состоит из множества магнитных стержней 8, расположенных параллельно направлению перемещения нагреваемой полосы 4.

Согласно изобретению стержни 8, образующие магнитную цепь 6, не связаны между собой и расположены взаимно параллельно друг другу. Таким образом, эти стержни взаимно независимы, и они также независимы от электрических катушек. Кроме того, они могут перемещаться путем скольжения с помощью средства 10 вблизи электрических катушек 2 таким образом, что они перемещаются в направлении друг к другу или друг от друга, причем электрические катушки при этом остаются неподвижными. Следовательно, расстояние между двумя соседними стержнями может увеличиваться или сужаться непрерывно при воздействии средства 10. В результате этого распределение магнитного потока может быть адаптировано к размерам полосы 4 и, в частности, к ее ширине (см. фиг.2b).

Эта существенная характеристика настоящего изобретения позволяет получить не только устройство индукционного нагрева, которое может быть адаптировано к различной ширине нагреваемой полосы, но, прежде всего, при этой характеристике тепловая однородность, полученная в направлении ширины полосы, остается оптимальной независимо от ширины последней.

А конкретно, пространственное позиционирование магнитных стержней, которое связано с подходящим полярным профилем, делает возможным воздействие на протекание индукционных токов и, следовательно, делает возможным регулирование распределения поперечной температуры.

Средство 10, делающее возможным непрерывное скольжение магнитных стержней 8 вблизи электрических катушек 2, но без перемещения последних, состоит, в частности, по меньшей мере, из двух параллельных рельсов 11 и 11’, расположенных на каждой стороне поверхности полосы 4 и перпендикулярно направлению перемещения последней. Эти рельсы являются опорой для множества якорей 12, причем каждый из этих якорей неподвижно прикреплен, по меньшей мере, к одному стержню 8. Предпочтительно якори двух соседних стержней опираются на два рельса 11 и 11’ поочередно таким образом, чтобы уменьшить полный размер, когда ширина магнитной цепи 6 является минимальной (случай, когда расстояние между стержнями минимальное). Якори будут скользить по рельсам с помощью роликов 13 или других подобных средств независимо друг от друга, что позволяет выполнить очень точную, оптимальную и непрерывную подстройку ширины магнитной цепи и, следовательно, распределения потока. Таким образом, может быть получена магнитная цепь, ширина которой изменяется, например, от 800 до 1500 миллиметров.

В соответствии с предпочтительной характеристикой изобретения расстояние между двумя соседними магнитными стержнями 8 может подстраиваться вручную или автоматически так, чтобы получить требующееся распределение магнитных силовых линий.

Согласно другой предпочтительной характеристике изобретения (см. фиг.3а и 3b), для оптимизации однородности поперечной температуры нагреваемой полосы в зазоре с обеих сторон полосы и вблизи краев последней размещаются экраны 14. Такие экраны выполняются из материала, обладающего хорошей электропроводностью, такого как, например, медь, алюминий или серебро. Их функция заключается в подстройке магнитного потока вблизи краев полосы так, чтобы регулировать температуру краев полосы.

Кроме того, эти экраны также неподвижно прикреплены к якорям 15, опирающимся на рельсы с помощью роликов или других подобных средств, таким образом, что они могут совершать продольное перемещение вдоль ширины используемой полосы. Как вариант осуществления изобретения, эти экраны также могут быть неподвижно прикреплены непосредственно к торцевым магнитным стержням, которые находятся напротив краев нагреваемой полосы.

Согласно еще одной предпочтительной характеристике изобретения, на якорях 15, поддерживающих экраны 14, также могут быть размещены магнитные накладки 16 таким образом, чтобы выравнивать распределение магнитного потока по ширине полосы, в частности, такие накладки делают возможным корректировку любых температурных неоднородностей. Эти магнитные накладки 16 могут быть связаны с экранами 14 из материала с хорошей электропроводностью и/или с магнитными стержнями 8 или могут быть размещены вообще без экранов.

Согласно еще одной предпочтительной характеристике изобретения (см. фиг.4), поверхность магнитной цепи 6 каждого якоря (1, 1’), которая находится напротив больших наружных поверхностей полосы 4, имеет "полярный" профиль, адаптированный так, чтобы получить регулируемое распределение магнитного потока, создаваемого электрическими катушками 2, в частности, вблизи краев полосы.

Согласно еще одной предпочтительной характеристике изобретения, на любой стороне устройства нагрева добавляется короткозамкнутый виток (не показан), расположенный перпендикулярно стержням магнитной цепи и охватывающий перемещающуюся полосу так, чтобы уменьшить утечку магнитных полей с торцов индуктора.

Теперь будет описано предпочтительное примерное применение устройства нагрева с помощью электромагнитной индукции, выполненного согласно изобретению.

На фиг.5 показано частичное схематичное изображение установки для светлого отжига, например, нержавеющей стали. Такая линия отжига выполняется в виде одиночного вертикального отрезка, полная высота которого должна быть не свыше приблизительно 50 метров. На этой длине нагреваемая полоса 18, которая направляется с помощью роликов 19, пересекает сначала зону 20 нагрева, а затем зону 21 охлаждения. В известном способе, когда обрабатывается немагнитная стальная полоса, последняя входит в зону нагрева при температуре окружающей среды (приблизительно 20°С), выходить из нее должна при температуре 1150°С и затем она охлаждается так, чтобы получить температуру 100°С на конце линии.

Известны устройства нагрева, использующие газ или электрические сопротивления, высота которых на такой линии приблизительно 30 метров, при этом для охлаждения полосы остается маленькое пространство. Следовательно, такие устройства работают со скоростью перемещения нагреваемой полосы обычно порядка 60 метров в минуту.

Устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции в соответствии с изобретением, примененное к такой установке, имеет преимущество в том, что оно позволяет уменьшить общий размер по высоте зоны нагрева приблизительно до 10 метров, благодаря чему остается значительно больше места для охлаждения, и, следовательно, это позволяет достичь линейной скорости 120 метров в минуту для нержавеющей стали, имеющей толщину приблизительно 0,5 миллиметров.

Таким образом, настоящее изобретение, как оно описано выше, предлагает ряд преимуществ. Оно позволяет на основе устройства нагрева с помощью электромагнитной индукции, использующего магнитные цепи переменной ширины, создать магнитный поток высокой интенсивности для средних частот. Такая плотность магнитного потока позволяет достичь плотности мощности, передаваемой в нагреваемую полосу, которая больше, чем в известных средствах нагрева. Более того, электрическая эффективность этого устройства является наилучшей по сравнению с эффективностью устройств, выполненных по известной технологии. Кроме того, такое устройство позволяет получить удовлетворительную тепловую однородность в направлении ширины полосы.

Устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции металлической полосы (4), перемещающейся в определенном направлении, содержит, по меньшей мере, одну электрическую катушку (2), расположенную напротив, по меньшей мере, одной из больших наружных поверхностей полосы так, чтобы нагревать последнюю с помощью индуктирования поперечного магнитного потока, при этом каждая катушка связана, по меньшей мере, с одной магнитной цепью (6), а каждая цепь разделена на множество взаимно не связанных магнитных стержней (8), расположенных параллельно направлению перемещения полосы, причем устройство отличается тем, что магнитные стержни могут перемещаться в направлении друг от друга или друг к другу таким образом, чтобы адаптировать распределение магнитного потока к характерным размерам полосы. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство нагрева с помощью электромагнитной индукции металлической полосы (4), перемещающейся в определенном направлении, содержащее по меньшей мере одну электрическую катушку (2), расположенную напротив по меньшей мере одной из больших наружных поверхностей полосы так, чтобы нагревать последнюю путем индуктирования поперечного магнитного потока, причем каждая катушка связана по меньшей мере с одной магнитной цепью (6), при этом каждая цепь разделена на множество взаимно не связанных магнитных стержней (8), расположенных параллельно направлению перемещения полосы, отличающееся тем, что магнитная цепь (6), состоящая из множества взаимно независимых стержней (8), адаптируется к ширине нагреваемой полосы (4) путем перемещения стержней в направлении друг от друга или друг к другу таким образом, чтобы непрерывно адаптировать распределение магнитного потока к характерным размерам полосы.2. Устройство нагрева по п.1, отличающееся тем, что содержит экраны (14) с хорошей электропроводностью, расположенные в зазоре, образованном магнитными цепями, с обеих сторон полосы и вблизи краев полосы так, чтобы регулировать магнитный поток на концах полосы в направлении ее ширины.3. Устройство нагрева по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит магнитные накладки (16), расположенные в зазоре, образованном магнитными цепями, с обеих сторон полосы и вблизи краев полосы таким образом, чтобы оптимизировать распределение магнитного потока.4. Устройство нагрева по любому одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один рельс (11, 11’) с каждой стороны полосы (4) и перпендикулярно направлению перемещения последней, причем рельс поддерживает с помощью роликов (13) или других подобных средств множество якорей (12), каждый из якорей неподвижно прикреплен по меньшей мере к одному магнитному стержню (8) таким образом, чтобы якори (12), поддерживающие стержни, могли перемещаться в направлении друг от друга или друг к другу путем скольжения по рельсам (11, 11’).5. Устройство нагрева по любому одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что поверхность магнитной цепи (6) каждого якоря (1, 1’), которая находится напротив одной из больших наружных поверхностей полосы, имеет "полярный" профиль, адаптированный так, чтобы получить регулируемое распределение магнитного потока.6. Устройство нагрева по любому одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один короткозамкнутый виток, расположенный на любой стороне якоря (1, 1’) таким образом, чтобы охватывать полосу (4) так, чтобы уменьшить рассеяние магнитных полей на концах индуктора.