BRPI0807653A2 - aparelho de aquecimento por indução - Google Patents

Abstract

APARELHO DE AQUECIMENTO POR INDUçãO. A presente invenção refere-se a um aparelho de aquecimento por indução para controlar a distribuição de temperatura para aquecer uma chapa metálica independentemente se ela tem uma espessura fina, é magnética ou não-magnética, e capaz de superar uma mudança na largura da chapa, ou sinuosidade da chapa. O aparelho aquece uma chapa metálica 1 por aquecimento por indução, que passa através do interior de bobinas de indução 2, em que em uma imagem vertical projetada dos condutores na chapa metálica 1, os condutores 2a e 2b, partes da bobina de indução, colocada no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira da chapa metálica 1, os condutores 2a e 2b no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são arranjados de modo a serem desviados um do outro na direção do comprimento da chapa metálica 1, a porção de borda de pelo menos o condutor 2a no lado da superfície frontal da chapa metálica 1 ou o condutor 2b no lado da sua superfície traseira é arranjado inclinadamente ou arqueadamente, e núcleos magnéticos 10 são arranjados nos lados externos das bobinas de indução 2.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO DE AQUECIMENTO POR INDUÇÃO".

Campo Técnico:

A presente invenção refere-se a um aparelho de aquecimento por indução para chapas de aço e chapas de metais não-ferrosos tais como alumínio. Particularmente a invenção se refere a um aparelho de aquecimen- to por indução para aquecer eficientemente chapas metálicas independen- temente se as chapas metálicas são chapas finas ou chapas grossas e mesmo se em um estado não-magnético enquanto suprime o superaqueci- mento e controla com precisão a temperatura nas porções de borda das chapas metálicas.

Antecedentes da Técnica:

O aquecimento por indução de metais pela utilização de uma corrente de alta freqüência foi amplamente usado para tratamento térmico, tal como endurecimento e similares. O aquecimento por indução é emprega- do para controlar a qualidade dos metais quando se produzem chapas metá- licas finas e chapas metálicas não-ferrosas, tais como chapas de aço e cha- pas de alumínio, bem como para aumentar a produtividade pelo aumento da taxa de aquecimento e pelo livre ajuste da quantidade de produção. O aque- cimento por indução foi usado como substituto para o aquecimento indireto convencional, que usa gás ou eletricidade.

O aquecimento por indução de chapas metálicas pode ser, a grosso modo, dividido em dois sistemas. Um deles é um sistema de aqueci- mento por indução, que é o assim chamado sistema LF (aquecimento por fluxo longitudinal) no qual uma corrente de alta freqüência é passada em uma bobina de indução que envolve a chapa metálica, e o fluxo magnético gerado passa através da chapa metálica na direção do seu comprimento para induzir uma corrente na superfície da seção da chapa metálica para aquecer a chapa metálica. O outro é um sistema TF (aquecimento por fluxo transversal) no qual a chapa metálica é colocada entre materiais magnéticos chamados indutores nos quais as bobinas primárias são enroladas, e o fluxo magnético gerado ao passar-se uma corrente nas bobinas primárias é deixado passar através dos indutores de forma que o fluxo magnético que flui entre os indutores atravesse a chapa metálica de modo a induzir uma corrente no plano da chapa metálica para assim aquecer a chapa metálica por indução.

O aquecimento por indução pelo sistema LF tem uma boa uni- formidade na distribuição de temperatura. Entretanto, a corrente induzida circula na seção transversal da chapa e quando a chapa tem uma pequena espessura, a corrente não é induzida a menos que a freqüência da fonte de energia seja aumentada devido à profundidade de penetração da corrente. Em adição, materiais não-magnéticos tendo uma espessura pequena não podem ser aquecidos se a temperatura exceder seus pontos de Curie uma vez que a profundidade de penetração da corrente aumenta.

O aquecimento por indução pelo sistema TF, por outro lado, tem a característica de que a chapa metálica pode ser aquecida sem levar em consideração se é uma chapa magnética ou uma chapa não-magnética uma vez que o fluxo magnético passa através do plano da chapa metálica. Em adição, o uso de indutores tendo baixa resistência torna possível diminuir o vazamento de fluxo magnético e concentrar o fluxo magnético entre os indu- tores de frente para a superfície frontal e para a superfície traseira da chapa metálica permitindo que o aquecimento a ser mais eficiente seja aumentado.

Entretanto, permanece o problema de que a distribuição de tem- peratura tende a ser menos uniforme. Em adição, se a chapa metálica não estiver no centro entre indutores opostos, a chapa magnética é atraída por um ou outro indutor, e a temperatura também tende a se desviar.

Além disso, o aquecimento por indução pelo sistema TF resulta em defeitos tais como ser difícil variar a largura da chapa metálica e torna-se difícil manusear a chapa metálica caso ela apresente sinuosidade em uma linha de processamento contínuo.

Para resolver esses problemas, a JP-A-2002-43042 descreve bobinas de uma única volta que são arranjadas de forma desviada na super- fície frontal e na superfície traseira de uma tira na direção do movimento.

Além disso, a JP-A-2002-151245 propõe uma bobina de indução de forma rômbica na qual a bobina de aquecimento por indução de frente para o material a ser aquecido tem um longo eixo curvo.

Na JP-A-2005-209608, os presentes inventores propuseram uma bobina de indução que envolve uma chapa metálica e é transferida na direção do movimento.

Descrição da Invenção:

a figura 1 é uma vista esquemática mostrando o aquecimento por indução por um sistema LF convencional. Uma chapa metálica 1 a ser aquecida é rodeada por uma bobina de indução 2 conectada a uma fonte de energia de alta freqüência 3. Com o fluxo de uma corrente primária 5, o fluxo magnético 4 passa através do interior da chapa metálica 1, e a corrente elé- trica é induzida próxima ao fluxo magnético 4. A chapa metálica 1 é aqueci- da pela corrente induzida. A figura 2 é uma vista seccional esquemática mostrando um estado onde uma corrente é induzida na seção transversal da chapa metálica 1.

O fluxo magnético 4 que passa através da chapa metálica 1 in- duz uma corrente 6 na superfície seccional da chapa metálica 1 em uma di- reção oposta à corrente primária 5 que flui na bobina de indução 2. A corren- te induzida 6 flui estando concentrada em uma faixa de uma profundidade de penetração de corrente δ representada pela fórmula (1) a partir da superfície da chapa metálica 1,

δ [mm] = 5,.03 x 10^+5 (ρ/μrf)0.5 —(1)

onde p: resistividade [Ωm],

μr: permeabilidade relativa [-],

f: freqüência de aquecimento [Hz].

A corrente induzida 6 flui em direções opostas dependendo da superfície frontal e da superfície traseira da chapa conforme mostrado na figu- ra 2. Se a profundidade de penetração da corrente δ aumenta, as correntes induzidas na superfície frontal e na superfície traseira da chapa cancelam en- tre si, e portanto nenhuma corrente flui na superfície seccional da chapa.

A resistividade ρ do metal aumenta com um aumento na tempe- ratura, e, portanto, δ aumenta com um aumento na temperatura. Além disso, nos materiais ferromagnéticos e paramagnéticos, o μΓ diminui à medida que a temperatura aumenta e se aproxima dos pontos Curie1 e o μΓ torna-se 1 à medida que a temperatura excede os pontos Curie.

O material não-magnético também tem um μΓ que é 1. Se o μΓ se torna pequeno, a profundidade de penetração da corrente δ aumenta con- forme a fórmula (1) no caso de material não-magnético bem como no caso do material magnético em uma zona de temperatura logo antes do ponto Curie até o ponto Curie ser excedido. Como resultado, o material a ser a - quecido tendo uma pequena espessura não pode mais ser aquecido.

Quando a freqüência de aquecimento é 10 [KHz], as profundida- des de penetração da corrente δ de vários metais à temperatura normal são, por exemplo, cerca de 1 [mm] no caso de alumínio que é um material não- magnético, cerca de 4,4 [mm] no caso de SUS304, e cerca de 0,2 [mm] no caso de um aço magnético. Por outro lado, o aço, que é um material magné- tico, tem uma profundidade de penetração de corrente δ de cerca de 5 [mm] a 750°C que está acima de seu ponto de Curie.

Portanto, para a corrente da superfície frontal e a corrente da superfície traseira geradas na chapa não cancelarem entre si, a chapa deve ter uma espessura não menor que 10 [mm]. Além disso, uma espessura de cerca de 15 [mm] é necessária para introduzir eficientemente ali a energia pela corrente. Geralmente, o tratamento térmico é usado para chapas tendo uma variedade de espessuras desde uma chapa fina tal como uma lâmina tendo uma espessura de vários μιτι até uma chapa grossa tendo uma espes- sura acima de 100 mm.

Por exemplo, chapas de aço usadas para automóveis e ferra- mentas elétricas, que são chapas metálicas típicas usadas em grandes quantidades, em muitos casos, têm espessuras de não mais que cerca de 3 [mm] e, particularmente, não mais que 2 [mm] após terem sido laminadas a frio. Para aquecer esses materiais pelo sistema LF,a freqüência de aqueci- mento deve ser aumentada para não menos de várias centenas [KHz], É, entretanto, imposta uma limitação à dureza para fabricar uma fonte de ener- gia de uma grande capacidade e uma alta freqüência. Em muitos casos, é difícil concretizar um sistema usando tal alta freqüência em uma escala in- dustrial.

O método da JP-A-2002-43042 é considerado ser um tipo de sistema TF no qual as bobinas de indução são arranjadas sobre e sob a chapa. O fluxo magnético é gerado alternativamente em uma direção na qual a chapa metálica se desloca. Uma vez que as bobinas superior e inferior sejam trocadas, as regiões ocorrem alternadamente, isto é, as regiões onde os fluxos magnéticos cancelam entre si, uma vez que eles são gerados pe- las bobinas superior e inferior e as regiões onde o fluxo magnético atravessa a tira inclinadamente, tornando possível evitar que o fluxo magnético se con- centre.

Portanto, o método tem efeitos para reduzir o problema inerente no sistema TF convencional de que o fluxo magnético se concentra nas por- ções das bordas fazendo as bordas superaquecerem. Entretanto, ainda permanece o problema de que há regiões onde os fluxos magnéticos cance- lam entre si, e devido a uma única volta, uma grande corrente deve fluir na bobina para introduzir a energia na tira e aumentar a intensidade de campo. Além disso, a eficiência é reduzida por uma crescente perda de cobre na bobina.

Para aumentar a eficiência, as bobinas superior e inferior de uma única volta devem ser trazidas próximas à tira como descrito na confi- guração da JP-A-2002-43042. Entretanto, uma vez que a tira que passa en- tre a bobina de uma única volta varia sua forma ou vibra, é difícil aquecer a tira sobre uma grande largura e uma seção longa enquanto a tira está pas- sando.

De acordo com o método da JP-A-2002-151245, em uma dire- ção na qual um metal é transportado, uma bobina de aquecimento por indu- ção tendo a maior porção expandida no centro na direção da largura é for- necida de modo a ficar de frente para a superfície do metal, e a soma das larguras das bobinas ao longo da direção na qual o material metálico é transportado é mantida substancialmente constante. Consequentemente ao método, o material metálico é aquecido pelo fluxo magnético que vazada bobina de indução que está de frente para o material metálico. Se a distân- cia da bobina de indução aumentar, não há garantia de que o fluxo magnéti- co passe através do metal. Em adição, o metal não é aquecido a menos que seja trazido para próximo da bobina de indução. Se a forma do metal for ru- im e a distância da bobina de indução variar, ocorre um grande desvio da temperatura.

Além disso, a bobina de indução tem uma forma rômbica de forma que sua largura permaneça substancialmente a mesma na direção do movimento. A forma rômbica, entretanto, não pode responder a uma mudan- ça na largura da chapa. Embora seja fornecido um mecanismo giratório, o tempo de aquecimento não é o mesmo na direção do movimento quando o mecanismo giratório é girado e, portanto, a temperatura não pode ser manti- da uniforme. É muito difícil realizar, em escala industrial, um mecanismo gi- ratório para um aparelho de aquecimento onde flua uma corrente forte.

Nenhum dos dois documentos de patente acima são para aque- cimento em um circuito fechado no qual o metal é rodeado por uma bobina de indução. Portanto, não há garantia de que o fluxo magnético passe confi- avelmente através do metal. Além disso, o aquecimento é facilmente afetado pela distância da bobina de indução, e é difícil controlar a densidade de fluxo uma vez que o número de voltas da bobina de indução não pode ser muda- do.

Para superar os defeitos dos aparelhos de aquecimento acima, a JP-A-2005-209608 descreve que as bobinas de indução que envolvem uma chapa metálica são desviadas em uma direção na qual a chapa metálica se desloca de forma que não haverá interferência entre as correntes indepen- dentes induzidas na chapa metálica sob as bobinas de indução de frente para as superfícies frontal e traseira das chapas metálicas, as correntes sendo induzidas pela bobina de indução de frente para as superfícies frontal e traseira das chapas metálicas, as correntes sendo induzidas pelas bobinas de indução de frente para as superfícies frontal e traseira da chapa metálica. Esse documento, além disso, ensina que mesmo uma chapa metálica de uma espessura menor que a profundidade de penetração da corrente, uma chapa metálica não-magnética, e um membro magnético, tal como ferro em uma zona não-magnética a uma temperatura maior que seu ponto de Curie podem ser aquecidas. Além disso, uma vez que as bobinas de indução en- volvem a chapa metálica confinando-a ali, o fluxo magnético cruza a chapa metálica oferecendo uma grande vantagem prática de que a chapa metálica pode ser facilmente aquecida mesmo se houver um espaço entre a chapa e as bobinas de indução.

Entretanto, a corrente induzida no centro da chapa metálica ten- de a se concentrar quando ela flui através das porções de borda da chapa metálica, isto é, uma corrente de alta densidade de fluxo e a corrente induzi- da fluindo através das porções de borda por um período de tempo estendido uma vez que as bobinas de indução fronteira e traseira sejam separadas. Portanto, as porções de borda da chapa tendem a superaquecer, e as con- dições (quantidade de desvio entre as bobinas de indução frontal e traseira, largura das bobinas de indução, etc.) são limitadas para obtenção de uma distribuição com um pequeno desvio de temperatura.

Os três sistemas acima são capazes de controlar o aquecimento não-magnético, mas são difíceis de controlar com precisão a distribuição de temperatura para o aquecimento. Se os sistemas forem instalados para os fornos existentes, a deformação da chapa metálica torna difícil estreitar o vão entre a chapa metálica e as bobinas de indução. É, além disso, difícil responder adequadamente com uma mudança na largura da chapa metálica ou à sinuosidade da chapa metálica.

Para controlar uma corrente que flui através das porções de bor- da de uma chapa, os presentes inventores propuseram na WO 2006/088067 e na WO 2006/088068 um método de controlar a densidade da corrente que flui através das porções de borda da chapa e um tempo de aquecimento, por exemplo, por inclinação da bobina de indução nas porções de borda da cha- pa, e um método para lidar com a sinuosidade e a mudança na largura da chapa. Os métodos da WO 2006/088067 e da WO 2006/088068 podem con- trolar a distribuição de temperatura até uma grande extensão comparados com os três sistemas acima, mas ainda não eliminam o desvio de temperatu- ra entre as porções de borda da chapa metálica e a sua porção central até um grau suficiente dependendo de algumas condições.

A presente invenção é para resolver os problemas relacionados ao aquecimento por indução das chapas metálicas inerentes aos sistemas LF e aos sistemas TF convencionais. É, portanto, um objetivo da presente invenção fornecer um aparelho de aquecimento por indução não apenas pa- ra materiais magnéticos mas também para materiais não-magnéticos e a zona não-magnética e também chapas metálicas tendo uma espessura são maiores que 10 mm pelo uso de uma bobina de indução mantendo um vão suficientemente grande entre a chapa metálica e a bobina de indução, ofere- cendo uma capacidade de controle da temperatura mais excelente que a- quela dos aparelhos de aquecimento por indução descrito nas patentes WO 2006/088067 e WO 2006/088068, tornando possível responder efetivamente à mudança na largura e na sinuosidade, e portanto resulta em uma boa efi- ciência de aquecimento.

A essência da presente invenção é como segue: (1) Um aparelho de aquecimento por indução para aquecer uma chapa metálica que passa através do interior de uma bobina de indução envolvente, onde uma imagem projetada verticalmente dos condutores na chapa metálica, os condutores, peças da bobina de indução colocadas no lado da superfície frontal e da superfície traseira da chapa metálica, os con- dutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são ar- ranjados de modo a não se sobreporem na direção do comprimento da cha- pa metálica na porção central da chapa metálica na sua direção da largura;

o condutor pelo menos do lado da superfície frontal ou do lado da superfície traseira é arranjado de modo a ser inclinado em relação à dire- ção da largura da chapa metálica, ou os condutores do lado da superfície frontal e do lado da superfície traseira são arranjados de modo a serem pelo menos parcialmente sobrepostos nas imagens projetadas verticalmente na direção do comprimento da chapa metálica, pelo menos em cada porção de borda da chapa metálica na direção da sua largura; e

um núcleo magnético é arranjado a partir do lado da superfície frontal sobre o lado da superfície traseira da chapa metálica transpondo a porção de borda da chapa metálica, no lado externo do condutor que é ar- ranjado de forma a ser inclinado, ou no lado externo de uma porção do con- dutor que conecta a porção central do condutor com a porção de borda do condutor que é assim arranjada de forma a ser pelo menos parcialmente sobreposta entre si nas imagens projetadas verticalmente.

(2) O aparelho de aquecimento por indução conforme apre- sentado no item (1) acima, onde os condutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são arranjados de modo a não serem sobre- postos na direção do comprimento da chapa metálica na porção central da chapa metálica na direção da sua largura, e o condutor de pelo menos um entre o lado da superfície frontal e o lado da superfície traseira é arranjado de modo a ser inclinado em relação à direção da largura da chapa metálica ou os condutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície trasei- ra são arranjados de modo a serem pelo menos parcialmente sobrepostos na direção do comprimento da chapa metálica pelo menos em cada porção de borda da chapa metálica na direção da sua largura; e

onde o núcleo magnético é arranjado a partir do lado da superfí- cie frontal sobre o lado da superfície traseira da chapa metálica transpondo as porções de borda da chapa metálica de modo a produzir fluxos de fluxo magnético que cancelam laços menores de uma corrente formada juntamen- te com a passagem de uma corrente induzida correspondente à forma de arranjo do condutor, os laços menores induzidos no lado externo do condu- tor que é arranjado de modo a ser inclinado, ou no lado externo da porção do condutor que está conectando a parte central do condutor com a porção de borda do condutor que é arranjado assim de modo a ser inclinado, ou no lado externo do condutor que está conectando a parte central do condutor com a porção de borda do condutor que é assim arranjado de forma a ser pelo menos parcialmente sobreposto em um plano da chapa metálica que é aquecida por indução.

(3) O aparelho de aquecimento por indução conforme apre- sentado nos itens (1) ou (2) acima, onde a imagem dos condutores projetada verticalmente tem a forma de um hexágono, um trapezoide, um paralelogra- mo, um retângulo, no qual as porções centrais da imagem vertical projetada são paralelas, um círculo, uma elipse ou linhas paralelas

(4) O aparelho de aquecimento por indução conforme apre- sentado em qualquer um dos itens (1) a (3) acima, onde o núcleo magnético

é fornecido de modo a cobrir o lado da superfície frontal e o lado da superfí- cie traseira da porção de borda da chapa metálica.

(5) O aparelho de aquecimento por indução conforme apre- sentado em qualquer um dos itens (1) a (4) acima, onde a seção transversal do núcleo magnético tem a forma de uma chapa plana ou a forma de U.

(6) O aparelho de aquecimento por indução conforme apre- sentado em qualquer um dos itens (1) a (5) acima, onde as posições dos núcleos magnéticos são variáveis em relação à chapa metálica.

(7) O aparelho de aquecimento por indução conforme apre- sentado em qualquer um dos itens (1) a (6) acima, onde o condutor de pelo menos um entre o lado da superfície frontal ou o lado da superfície traseira pode ser movido na direção da largura da chapa metálica, e os núcleos magnéticos se movem sendo integrados aos condutores.

A "direção do comprimento da chapa metálica" referida na pre- sente invenção representa a direção na qual a chapa metálica passa (a mesma direção da linha de transporte).

O aquecimento por indução conforme a presente invenção torna possível não apenas aquecer o material da chapa tendo uma grande espes- sura e uma chapa fina na região magnética mas também para aquecer cha- pas de metais não-ferrosos, tais como alumínio não-magnético e cobre, que têm pequenas resistividades bem como materiais magnéticos tais como ferro e similares que ficam na região não-magnética a temperaturas maiores que seus pontos de Curie, que não podem ser aquecidos pelos sistemas con- vencionais de aquecimento por indução.

Além disso, o uso de núcleos magnéticos juntamente com a bo- bina de indução pode suprimir ou evitar o superaquecimento nas porções de borda da chapa metálica. No ajuste das posições dos núcleos magnéticos e da superposi- ção dos núcleos magnéticos frontal e traseiro nas porções de borda da cha- pa metálica, além disso, a distribuição de temperatura para o aquecimento pode ser facilmente e precisamente controlada.

Além disso, produtos de alta qualidade podem ser produzidos mantendo a estabilidade ao efetuar-se o aquecimento a uma taxa que man- tém uma distribuição de temperatura que atinja as propriedades metalúrgi- cas requeridas, tais como efetuar o aquecimento mantendo uma distribuição de temperatura desejada para eliminar o desvio de temperatura trazido da etapa precedente no aparelho de aquecimento por indução e por levar em consideração as características de temperatura nas etapas subsequentes, eliminando assim o efeito sobre a qualidade causada pela flutuação na ope- ração.

Em adição, uma vez que não há efeito de inércia térmica que é um problema em um forno aquecido a gás, é possível controlar livremente taxa de aquecimento mesmo quando é necessário variar a temperatura no forno devido à mudança na espessura da chapa, mudança na largura da chapa e mudança no tipo de material. Consequentemente, não há necessi- dade de variar a velocidade para a passagem da chapa. Portanto, não há necessidade de usar um laço que é, geralmente, usado no forno aquecido por gás até o forno ser estabilizado quando a temperatura no forno é varia- da. Consequentemente, a produção pode ser continuada sem diminuir a ve- locidade para passar a chapa evitando uma redução na produtividade e con- tribuindo para aumentar grandemente a liberdade para planejar a operação.

Além disso, o aparelho de aquecimento por indução conforme a invenção é capaz de não apenas superar com uma mudança na espessura e na largura da chapa mas também alcança flexivelmente fatores de flutuação tais como sinuosidade, e oferece tais vantagens de modo a não apenas ob- ter a distribuição de temperatura desejada mas também evitando a necessi- dade de fornecimento de uma pluralidade de conjuntos de bobinas de indu- ção para atingir as larguras da chapa, diminuendo o custo dos aparelhos. Breve descrição dos desenhos: A figura 1 é uma vista esquemática mostrando um aquecimento por indução do tipo LF convencional;

a figura 2 é uma vista seccional esquemática ilustrando uma cor- rente induzida que flui na seção transversal de uma chapa metálica fina con- forme o aquecimento por indução do tipo LF convencional;

a figura 3 é uma vista plana esquemática ilustrando o aqueci- mento por indução arranjando-se as bobinas de indução fronteira e traseira de maneira desviada;

a figura 4 é uma vista seccional esquemática ilustrando como se gera a corrente na seção transversal A-A da figura 3;

as figuras 5(a) e 5(b) são vistas esquemáticas ilustrando uma corrente induzida em uma chapa metálica pelo aquecimento por indução da figura 3;

a figura 6 é uma vista plana esquemática ilustrando um sistema de aquecimento por indução no qual as bobinas de indução frontal e traseira são desviadas no centro, e as bobinas de indução são inclinadas próximo às porções de borda da chapa metálica;

a figura 7 é uma vista plana esquemática ilustrando uma corren- te induzida na chapa metálica pelo arranjo de bobinas da figura 6;

a figura 8 é uma vista plana esquemática ilustrando um aparelho para aquecimento por indução conforme a presente invenção;

as figuras 9(a) e 9(b) são vistas seccionais esquemáticas ilus- trando o efeito dos núcleos magnéticos no aparelho para aquecimento por indução conforme a invenção da figura 8;

a figura 10 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde as faixas dos núcleos magnéticos que cobrem as porções das bordas da chapa metálica são variáveis no aparelho de aquecimento por indução da invenção;

a figura 11 é uma vista seccional esquemática ilustrando a rela- ção entre o núcleo magnético e a chapa metálica na invenção;

a figura 12 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde os núcleos magnéticos não são arranjados verticalmente às bobinas de in- dução inclinadas no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 13 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde a bobina de indução frontal apenas é inclinada e está diante das porções de borda da chapa no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 14 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde as bobinas de indução frontal e traseira são inclinadas e estão diante das porções de borda da chapa no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 15 é uma vista plana esquemática ilustrando uma cor- rente induzida na chapa metálica 1 da figura 14;

a figura 16 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde as bobinas de indução frontal e traseira são inclinadas ao longo de seu único lado apenas e estão diante das porções de borda da chapa no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 17 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde as bobinas de indução frontal e traseira são arranjadas de forma arqueada nos lados das porções de borda da chapa metálica no aparelho para aque- cimento por indução da invenção;

a figura 18(a) é uma vista plana esquemática de um exemplo onde as bobinas de indução frontal e traseira são arranjadas na direção do movimento próximas às porções de bordas da chapa metálica no aparelho para aquecimento por indução da invenção e onde as bobinas de indução frontal e traseira são sobrepostas uma sobre a outra nos lados das porções de bordas;

a figura 18(b) é uma vista plana esquemática de um exemplo onde as bobinas de indução frontal e traseira são arranjadas na direção do movimento próximas às porções de borda da chapa metálica no aparelho para aquecimento por indução da invenção e onde as bobinas de indução frontal e traseira não são sobrepostas uma sobre a outra nos lados das por- ções de bordas;

a figura 19 é uma vista plana esquemática de um exemplo onde os núcleos magnéticos são arranjados nos lados externos das bobinas de indução frontal e traseira e nos lados externos das porções de borda da chapa metálica no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 20 é uma vista plana esquemática ilustrando um método de controle da distribuição de temperatura para aquecimento pelo uso de núcleos magnéticos arranjados próximos às porções de borda da chapa me- tálica no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 21 é uma vista lateral de um exemplo onde o núcleo magnético é deixado mover-se no aparelho de aquecimento por indução da invenção;

as figuras 22(a) e 22(b) são vistas ilustrando como superar as sinuosidades de quando a largura da chapa metálica mudou no aparelho para aquecimento por indução da invenção;

a figura 23 é uma vista esquemática mostrando a forma do nú- cleo de uma chapa plana conforme a modalidade; e

a figura 24 é uma vista esquemática mostrando a forma de um núcleo em forma de U conforme a modalidade.

Melhor forma de execução da invenção:

Estão descritas abaixo,em relação aos desenhos, configurações da invenção no caso de 1 T (volta) para descrição simples. A invenção, en- tretanto, não é de forma alguma limitada a 1 T apenas, mas pode ser reali- zada em uma pluralidade de T (voltas).

a figura 8 é uma vista plana esquemática ilustrando um aparelho para aquecimento por indução conforme a presente invenção, e as figuras 9(a) e 9(b) são vistas seccionais esquemáticas ao longo da seção A-A pró- xima à porção da borda da chapa metálica. A bobina de indução da invenção descrita abaixo é um termo geral da bobina formada por um condutor tal co- mo um tubo, um fio ou uma chapa feita de um bom condutor elétrico, e está circundando um material a ser aquecido por uma ou mais voltas. A forma de circundar o material a ser aquecido pode ter uma forma retangular ou uma forma circular sem qualquer limitação particular. O material do condutor é, desejavelmente, cobre ou alumínio tendo boa condução elétrica.

Na presente invenção conforme mostrado na figura 3, os condu- tores são arranjados de forma que, quando os condutores 2a e 2b, que são partes das bobinas de indução, no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira da chapa metálica 1 que passa através do interior da bo- bina de indução são projetados verticalmente na chapa metálica, as imagens projetadas verticalmente dos condutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são desviadas entre si na direção do comprimento da chapa metálica.

Se uma corrente de bobina 5 flui a partir de uma fonte de ener- gia de alta freqüência 3, um fluxo magnético 4 passa através da chapa metá- lica 1 diagonalmente e uma corrente 6a é induzida pelo fluxo magnético con- forme mostrado em uma vista seccional lateral da figura 4 (seção A-A da figura 3)(apenas o condutor 2a é descrito para simplificar). Portanto, a cor- rente induzida flui mesmo se a espessura da chapa t for excedida por uma profundidade de penetração δ da corrente 6a induzida pela expansão incli- nada de um caminho da corrente.

Uma vez que os condutores 2a e 2b que são partes da bobina de indução são arranjados sendo desviados na direção na qual a chapa me- tálica se move, a corrente 6a induzida pelo condutor 2a no lado da superfície frontal e a corrente 6b induzida pelo condutor 2b no lado da superfície trasei- ra não interferem uma com a outra. Em toda a chapa metálica 1. uma cor- rente anular é gerada como mostrado na figura5(a), e a chapa metálica 1 pode ser aquecida mesmo quando ela for feita de um material não- magnético. A figura 5(b) ilustra uma seção transversal A-A da figura 5(a).

Entretanto, uma corrente 6c que flui através das porções de bor- da da chapa metálica trabalha para diminuir a reatância até uma corrente primária que flui através de um condutor que conecta o condutor frontal 2a ao condutor traseiro 2b ou flui através de um condutor 7 que conecta os condutores frontal e traseiro 2a e 2b à fonte de energia. A corrente 6c é for- çada até as porções de borda da chapa, e portanto o seu caminho de cor- rente torna-se estreito, enquanto que o fluxo magnético gerado pela corrente primária que flui através dos condutores 7 e 8 passa de maneira concentra- da através das porções de borda que têm a menor distância da chapa metá- lica. Portanto, a densidade de corrente aumenta nas porções de borda da chapa metálica, e as porções de borda da chapa metálica são aquecidas por um período de tempo mais longo que a porção central por uma quantidade equivalente a uma distância de d3 que é responsável pelo aquecimento das porções de borda da chapa metálica.

De acordo com a presente invenção conforme mostrado na figu- ra6, pelo menos ou o condutor 2a no lado da superfície frontal ou o condutor 2b no lado da superfície traseira que são partes da bobina de indução de frente para as porções de borda da chapa metálica é assim conformado de modo a atravessar diagonalmente na direção das porções de borda e é ar- ranjado de modo a estar diagonalmente em relação à direção da largura da chapa metálica nas suas porções de borda. As setas nos condutores 2a e 2b da figura 6 indicam direções das correntes da bobina. A figura 6 mostra um exemplo no qual os condutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são ambos inclinados em ambas as porções de borda da chapa metálica, e têm uma forma hexagonal quando eles são projetados verticalmente na chapa metálica. Usando-se as bobinas de indução de tal forma, uma corrente anular é gerada no plano da chapa metálica 1 de forma correspondente à forma de arranjo dos condutores, isto é, aproximadamente a mesma forma do arranjo dos condutores, e um caminho de corrente anular é formada como representado pelas linhas grossas sólidas na figura 7. As setas no caminho de corrente em forma de anel indicam a direção da corren- te induzida. Portanto, o caminho da corrente não se torna estreito nas por- ções de borda da chapa metálica em comparação com o caso da figura 5 mencionado acima, e a densidade de corrente não se torna alta. Nesse e- xemplo, também, os condutores que formam as bobinas de indução frontal e traseira são trazidos próximos um do outro próximo às porções de borda da chapa metálica, tornando possível encurtar o tempo de aquecimento pela corrente induzida que flui através das porções de borda da chapa metálica e para evitar mais eficazmente o superaquecimento nas porções de borda da chapa metálica do que quando as bobinas de indução frontal e traseira são simplesmente desviadas em paralelo conforme mostrado na figura 3. Através de experiências e análises, entretanto, fica claro que embora a corrente flua principalmente através da porção circundada pelas linhas sólidas grossas na figura 7, uma parte da corrente é invertida nas por- ções de borda da chapa metálica para formar laços menores 9 da corrente induzida conforme mostrado na figura 7. Quando o aquecimento for induzido controlando-se estritamente o desvio de temperatura, as correntes de grupos menores 9 freqüentemente não se tornam desprezíveis. Portanto, surge fre- qüentemente um problema relativo a superaquecimento originando-se de um aumento de temperatura nas porções de borda da chapa metálica devido às correntes girando nas porções de borda da chapa metálica.

De acordo com a presente invenção, portanto, os núcleos mag- néticos 10 são montados nos lados externos das bobinas de indução que são inclinadas conforme mostrado na figura8.

As figuras 9(a) e 9(b) são vistas seccionais esquemáticas ilus- trando passagens do fluxo magnético gerado por uma corrente primária que flui através do condutor 2a que é uma parte da bobina de indução ao longo da seção A-A da figura 8. As figuras 9(a) e 9(b) mostram distribuições de fluxo magnético dependendo das direções da corrente primária. Os núcleos magnéticos 10 são arranjados nos lados externos dos condutores que são colocados diagonalmente conforme descrito acima transpondo as porções de borda da chapa metálica a partir do lado da superfície frontal sobre o lado da superfície traseira da chapa metálica. Embora não haja limitação particu- lar na forma, a figura 9 mostra um exemplo do uso de núcleos magnéticos em forma de U na seção transversal. Em relação à figura 9(a), o núcleo magnético é arranjado no lado externo do condutor 2a que é parte da bobina de indução na porção de borda da chapa metálica 1. Próximo ao núcleo magnético 10, um fluxo magnético 11 gerado pela corrente primária que flui através do condutor 2a divide-se em um fluxo magnético normal 11a, uma subparte do fluxo 1, que passa através da porção de borda da chapa metáli- ca 1 e um fluxo 11b, uma parte principal do fluxo 11, que passa através do núcleo magnético 10 tendo uma pequena relutância. O fluxo magnético 11b que entra no núcleo magnético 10 sai na direção do plano oposto ao plano que fica de frente ao condutor 2a e, portanto, trabalha para induzir uma cor- rente na direção oposta à da corrente induzida na porção de borda da chapa metálica pelo condutor 2a. Consequentemente, da corrente induzida na cha- pa metálica pela corrente primária que flui através do condutor 2a, a corrente induzida que forma um laço menor na porção de borda da chapa metálica e a corrente induzida pelo núcleo magnético se anulam. Isto resulta em uma diminuição na corrente que flui na porção de borda da chapa metálica quan- do não há núcleo magnético 10, e suprime o superaquecimento nas porções de borda da chapa. Mesmo se a direção da corrente primária muda confor- me mostrado na figura 9(b), a ação e o efeito que são exibidos são os mes- mos que aqueles do caso da figura 9(a).

O núcleo magnético pode ser um núcleo que tenha uma perme- abilidade relativamente grande e uma grande resistividade, e gere pouco calor. Por exemplo, chapas de aço eletromagnético laminadas, chapas metá- licas amorfas laminadas, ou um núcleo de ferrita podem ser usados.

Conforme será entendido do princípio acima, a densidade de corrente induzida que flui na porção de borda da chapa metálica pode ser controlada aumentando-se ou diminuendo-se a área do núcleo magnético 10 cobre a porção de borda da chapa. Conforme mostrado na figura10, se a área onde o núcleo magnético 10 cobre a porção de bordas da chapa é au- mentada mudando-se de uma largura w1 para uma largura w2, o supera- quecimento da chapa metálica pode ser suprimido. Além disso, pode ser realizada uma distribuição de temperatura tal que a temperatura torna-se maior nas porções de borda da chapa que na porção central da chapa ou uma distribuição de temperatura tal que a temperatura é uniforme por toda a largura da chapa. Reciprocamente,também, pode ser realizada uma distribu- ição de temperatura tal que a temperatura se torne menor nas porções de borda da chapa metálica que na parte central da chapa metálica. Na mudan- ça da posição do núcleo magnético 10 para a bobina de indução, também, a posição muda onde a corrente interfere com a corrente induzida pela bobina de indução tornando possível variar a distribuição de temperatura para o a- quecimento. A distribuição de temperatura para o aquecimento pode ser, também, variada pelo aumento ou diminuição da distância entre a chapa metálica 1 e o núcleo magnético 10 com a chapa metálica mantida entre e- les. Isto é, se o núcleo magnético 10 for trazido próximo à chapa metálica 1 para diminuir a distância H até a chapa metálica 1 ou para diminuir a distân- cia G pela qual o núcleo magnético entra para o interior da porção de borda da chapa metálica 1 como mostrado na figura 11, o fluxo magnético passa localmente através da chapa metálica e, portanto, uma mudança na tempe- ratura pode ser intensificada localmente. Reciprocamente, se o núcleo mag- nético 10 for separado da chapa metálica 1 (H ou G é alargado), o fluxo magnético pode ser distribuído sobre uma faixa relativamente ampla para variar suavemente a temperatura.

Em adição ao arranjo em ângulos retos com as bobinas de indu- ção conforme mostrado na figura 8, os núcleos magnéticos 10 podem ser arranjados nas direções a ângulos retos com as porções de borda da chapa metálica conforme mostrado na figura 12 para obter o efeito. Embora não haja limitação particular para os ângulos, um efeito maior é obtido quando o fluxo magnético gerado pela bobina de indução entra verticalmente na seção transversal dos núcleos magnéticos conforme mostrado na figura 8.

Além disso, quando o núcleo magnético 10 é um núcleo obtido laminando-se chapas de aço eletromagnéticas ou chapas metálicas amorfas, as chapas são arranjadas de forma que o fluxo magnético passa na direção da espessura da chapa então não induzirá corrente ali, o que ocorre quando o fluxo magnético passa através do plano do material laminado, isto é, as chapas são laminadas na direção da profundidade(direção na qual a chapa é transportada) mantendo a forma do núcleo conforme mostrado nas seções transversais das figuras 9(a) e 9(b). Esse arranjo oferece a vantagem de que os núcleos magnéticos não superaquecem ou se tornam queimados.

De acordo com outra modalidade da invenção conforme mostra- do, por exemplo, na figura 13, o condutor 2a no lado frontal fica de frente apenas para as porções de borda da chapa metálica inclinada, e os núcleos magnéticos 10 são arranjados nos lados externos da bobina de indução in- clinada. Nesse exemplo, os condutores frontal e traseiro são projetados ver- ticalmente nas chapas metálicas em forma trapezoidal. A figura 14 mostra um exemplo no qual as bobinas de indução frontal e traseira são arranjadas inclinadamente à chapa metálica 1, e os núcleos magnéticos 10 são arranja- dos nos seus lados externos. Nesse caso, os condutores frontal e traseiro são projetados verticalmente sobre a chapa metálica na forma de linhas pa- ralelas. A figura 15 é um diagrama esquemático ilustrando o arranjo das bo- binas de indução próximo da porção de borda esquerda da chapa metálica quando não há núcleo magnético 10 na figura 14 e a distribuição de corren- tes induzidas na chapa metálica 1 pelas bobinas de indução. Na figura 15, a sombra representa a distribuição das densidades de corrente e as setas re- presentam os vetores das correntes induzidas. No arranjo das bobinas de indução 2a e 2b inclinadas à chapa metálica 1, a corrente induzida flui atra- vés de uma pequena passagem antes de fluir para a porção de borda da chapa metálica, suprimindo um aumento na densidade de corrente na por- ção de borda da chapa metálica. Nesse caso,também, na inclinação dos condutores frontal e traseiro, uma corrente induzida flui para dentro e para fora no exterior dos condutores para formarem laços menores que trabalham para elevar a temperatura nas porções de borda da chapa metálica. Arran- jando-se os núcleos magnéticos nos lados externos das bobinas de indução, entretanto, as correntes induzidas que formam laços menores são cancela- das suprimindo o superaquecimento nas porções de borda da chapa metáli- ca.

a figura 16 mostra um exemplo no qual os condutores frontal e traseiro são inclinados ao longo de seu lado até as porções de borda da chapa metálica 1, e os núcleos magnéticos 10 são arranjados nos lados ex- ternos das bobinas de indução inclinadas. Nesse exemplo, os condutores frontal e traseiro projetados verticalmente na chapa metálica são a forma de um paralelogramo. Nesse exemplo, também, correntes induzidas (laços me- nores) que passam nos lados externos das porções inclinadas podem ser suprimidas.

a figura 17 mostra um exemplo de arranjo dos núcleos magnéti- cos. Na figura 17, o condutor no lado da superfície frontal da chapa metálica e o condutor no lado da superfície traseira da chapa metálica são arranjados de forma a serem pelo menos parcialmente sobrepostos na direção do com- primento da chapa metálica em pelo menos uma porção de borda da chapa metálica na direção da sua largura. Os núcleos magnéticos 10 são arranjados no lado externo da porção do conector que conecta a porção central à porção de borda do condutor. Na figura 17, em particular, imagens dos condutores frontal e traseiro projetadas verticalmente na chapa metálica são sobrepostas em ambas as porções de borda da chapa metálica, e são conformadas em uma forma circular como um todo. Como no exemplo acima mencionado, es- se exemplo suprime as correntes induzidas que formam laços menores que fluem nas porções de borda da chapa metálica. A figura 18(a) mostra um e- xemplo no qual os condutores frontal e traseiro são desviados na direção do movimento na porção central da chapa metálica, e são sobrepostos nas por- ções de borda da chapa metálica. Isto é, a figura 18(a) mostra um exemplo no qual os condutores frontal e traseiro são projetados verticalmente na chapa metálica em uma forma retangular, e os núcleos magnéticos 10 são arranja- dos no lado externo do condutor que conecta a porção central da bobina de indução à sua porção de borda. Como nos exemplos acima mencionados, esse exemplo, também, suprime correntes induzidas que formam laços que fluem nas porções de borda da chapa metálica.

Em qualquer arranjo, as bobinas condutoras frontal e traseira não têm que ser sobrepostas nas porções de borda da chapa, conforme mostrado na figura 18(b). Quando as bobinas de indução frontal e traseira são sobrepostas, entretanto, nenhuma corrente é induzida no material não- magnético nas porções onde elas são sobrepostas, e portanto a temperatura tende a diminuir nas porções de borda da chapa metálica.

De acordo com outra representação da invenção conforme mos- trado na figura 19, os núcleos magnéticos 10 podem ser arranjados de uma maneira que não cubra as porções de borda da chapa metálica 1. O fluxo magnético gerado pelas bobinas de indução passa através dos núcleos magnéticos 10 tendo uma pequena relutância e flui até as porções de borda da chapa metálica no lado oposto às bobinas de indução como quando a chapa metálica 1 é coberta pelos núcleos magnéticos 10. Portanto, a corren- te flui na direção oposta de modo a interferir com a corrente gerada pelas bobinas de indução e fluindo nas porções de borda da chapa metálica para assim suprimir o superaquecimento nas porções de borda da chapa metáli- ca. Entretanto, o superaquecimento pode ser suprimido mais efetivamente quando os núcleos magnéticos 10 são arranjados de forma a cobrir a chapa metálica 1.

A seguir, é descrito abaixo um método de controle da distribui- ção de temperatura para aquecimento conforme a invenção. Na invenção conforme descrita acima em relação à figura 11, o fluxo magnético gerado pelas bobinas de indução próximo das porções de borda da chapa metálica é coletado pelos núcleos magnéticos e é retornado à superfície da chapa metálica no lado oposto às bobinas de indução para suprimir a corrente in- duzida que flui próximo às porções de borda da chapa metálica. A corrente induzida que forma um laço menor que flui no lado das porções de borda da chapa metálica é diminuída pela indução de uma corrente na direção oposta à corrente induzida pelo fluxo magnético que é gerado pelas bobinas de in- dução próximo às porções de borda da chapa metálica. Para controlar a dis- tribuição de temperatura para o aquecimento conforme desejado, e particu- larmente a distribuição de temperatura nas porções de borda da chapa me- tálica, a quantidade de fluxo magnético armazenada nos núcleos magnéticos 10 pode ser variada, ou um local onde o fluxo magnético armazenado é re- tornado e a sua densidade pode ser variada de modo a suprimir a corrente que flui nas porções de borda da chapa metálica. A figura 20 é uma vista plana esquemática parcial ilustrando como os núcleos magnéticos 10 são arranjados quando a bobina de indução inclinada 2a é arranjada na chapa metálica 1. A figura 11 descrita acima é um diagrama esquemático que cor- responde a uma seção transversal A-A da figura 20. Para variar a quantida- de de fluxo magnético armazenada pelos núcleos magnéticos 10, as áreas de seção transversal dos núcleos magnéticos 10, no qual o fluxo magnético entra (largura e espessura dos núcleos magnéticos) pode ser variada, a dis- tância (L na figura 20) entre os núcleos magnéticos 10 e a bobina de indução pode ser variada, ou as áreas da chapa metálica no lado externo das bobi- nas de indução cobertas pelos núcleos magnéticos 10 (proporcionais ao produto de d e w na figura 20) podem ser variadas. Isto torna possível variar a quantidade de fluxo magnético que entra nos núcleos magnéticos 10.

Quanto ao controle da distribuição de temperatura para aqueci- mento pelo retorno do fluxo magnético que entrou nos núcleos magnéticos 10 de volta para a chapa metálica, as áreas (proporcionais ao produto de d e w na figura 20: d e w acima da superfície frontal e da superfície traseira não têm necessariamente que ser iguais entre si) de núcleos magnéticos 10 no lado oposto à bobina de indução podem ser aumentadas ou diminuídas, as posi- ções dos núcleos magnéticos 10 a partir das posições de borda da chapa me- tálica (P na figura 20 ou G na figura 11) podem ser variadas, ou a distância (H na figura 11) entre os núcleos magnéticos 10 e a chapa metálica 1 pode ser variada. Controlando-se a magnitude da corrente induzida pelos núcleos magnéticos 10 na direção oposta conforme descrito acima, a distribuição do calor que é gerado pode ser variada nas porções de borda da chapa metálica.

A figura 21 mostra um exemplo de controlar-se continuamente a distância horizontal (L na figura 20) entre os núcleos magnéticos 10 e as porções de borda da chapa metálica. Os núcleos magnéticos 10 são coloca- dos em chapas-base 12 instaladas em um trilho 13, e as chapas-base 12 são movidas por um dispositivo impulsor 14. Os núcleos magnéticos 10 são deixados mover livremente para controlar livremente as áreas onde os nú- cleos magnéticos 10 cobrem a chapa metálica 1. Portanto, se o aquecimento por indução for efetuado fornecendo-se um dispositivo de medição de tem- peratura em uma etapa após o aparelho para aquecimento por indução, uma distribuição de temperatura desejada pode ser obtida. Isto é, se a distribui- ção de temperatura for alta nas porções de borda da chapa metálica após o aquecimento, então os núcleos magnéticos 10 podem ser pressionados para dentro da chapa metálica de modo a aumentar as áreas em que os núcleos magnéticos cobrem as porções de borda da chapa metálica. Reciprocamen- te, se a distribuição de temperatura for baixa nas porções de borda da chapa metálica, então os núcleos magnéticos 10 podem ser puxados em uma dire- ção na qual ele se separa das porções de borda da chapa metálica.

Além disso, o mecanismo da figura 21 pode ser usado arranjan- do-se os núcleos magnéticos 10 nas posições adequadas ao caso, por e- xemplo, a chapa metálica 1 sofre sinuosidades. Se o comprimento do movi- mento puder ser alongado, os núcleos magnéticos 10 podem ser ajustados em posições adequadas quando a largura da chapa é variada. Membros pa- ra mover os núcleos magnéticos 10 são colocados em locais onde o campo magnético é altamente intenso. É,portanto, desejado que esses membros sejam feitos de materiais eletricamente não-condutores tais como resina ou cerâmicas tendo uma resistência tão grande quanto possível. Quando ele é forçado a usar um metal para os membros acima, um material metálico não- magnético tal como SUS304 deve ser usado e uma estrutura de resfriamen- to deve ser empregada quando houver uma probabilidade de gerar calor.

Caso a chapa metálica sofra sinuosidades, sua posição pode freqüentemen- te desviar da bobina de indução pré-fixada, e a temperatura pode tornar-se muito alta ou baixa em ambas as porções de borda da chapa metálica. Mes- mo nesse caso, entretanto, os núcleos magnéticos 10 são movidos para al- cançar as sinuosidades da chapa metálica 1 para assim atingir uma distribu- ição de temperatura desejada para aquecimento. Para ajustar a temperatura, um dispositivo de detecção ou um dispositivo de monitoramento de sinuosi- dades é instalado antes ou após o aparelho de aquecimento por indução para captar corretamente as posições de movimentação da chapa metálica e a distribuição de temperatura para aquecimento. Para obter a distribuição de temperatura desejada, é fornecido um dispositivo para medir a distribuição de temperatura no lado de saída do aparelho, e, preferivelmente, também no lado de dentro do aparelho para controlar as posições dos núcleos magnéti- cos de modo a efetuar um aquecimento adequado.

Se os núcleos magnéticos 10 forem empurrados livremente para dentro e puxados para fora das porções de borda da chapa metálica, a tem- peratura pode ser controlada livremente nas porções de borda da chapa me- tálica. O efeito do controle da temperatura é produzido quando os núcleos magnéticos são empurrados para dentro, geralmente, por cerca de 50 mm das porções de bordas da chapa embora possa variar dependendo da ener- gia elétrica que é fornecida, a freqüência e a permeabilidade relativa da cha- pa metálica. Se as áreas para cobrir as porções de borda da chapa metálica aumentarem, a corrente induzida na chapa metálica 1 não apenas suprime o laço de corrente invertida 9 mas também diminui a corrente que flui nas por- ções de borda da chapa metálica a partir da corrente principal gerada sob a bobina de indução. Como resultado, é possível diminuir a quantidade de aumento de temperatura nas porções de borda da chapa metálica do que a quantidade de aumento de temperatura na porção central da chapa metálica. No momento do aquecimento da chapa metálica em um forno de aqueci- mento a gás usado para tratamento térmico, por exemplo, uma chapa de aço ou uma chapa de alumínio, a distribuição de temperatura é, em muitos ca- sos, tal que a temperatura é alta nas porções de borda da chapa metálica que está sendo afetada pela irradiação das paredes do forno ou devido à remoção de calor da porção central da chapa pelos cilindros de transporte. Quando a chapa metálica é finalmente aquecida até uma temperatura prede- terminada pelo aparelho de aquecimento por indução, a chapa metálica de boa qualidade é obtida se a chapa metálica for aquecida por aquecimento por indução mantendo um padrão de calor que suprima a quantidade de aumentos de temperatura nas porções de borda da chapa metálica de forma que as porções de borda da chapa metálica não sejam superaquecidas.

A seguir, as figuras 22(a) e 22(b) mostram um exemplo no qual tanto as bobinas de indução quanto os núcleos magnéticos se movem a - companhando uma mudança na largura da chapa. A figura 22(a) mostra a forma de quando as bobinas de indução 2a e 2b são arranjadas sendo des- viadas na direção do movimento em um estado onde a chapa tem uma lar- gura w1, e as duas bobinas de indução são inclinadas em suas extremida- des ficando de frente apenas para as porções de borda da chapa metálica 1. As bobinas de indução são projetadas na forma de um paralelogramo na chapa metálica 1. Os núcleos magnéticos 10 são fornecidos nos lados ex- ternos das duas bobinas inclinadas. a figura 22(b) mostra um estado onde a largura da chapa é au- mentada para w2 a partir do estado acima. As bobinas de indução 2a e 2b se movem de modo a serem aumentadas na direção da largura da chapa enquanto mantém uma correlação das posições onde os condutores inclina- dos cruzam com as porções de borda da chapa metálica. Os núcleos mag- néticos também se movem com as bobinas 2a e 2b enquanto mantêm uma relação de posição relativa para as porções de borda da chapa metálica. Embora a relação de posição relativa para as porções de borda da chapa metálica seja mantida, é desejado que as posições dos núcleos magnéticos 10 sejam ajustadas até certo ponto pelo uso do aparelho da figura 21 ou si- milar levando em consideração uma ocorrência tal que o estado da chapa metálica 1 antes de ser aquecida possa variar dependendo da largura da chapa conforme descrito acima ou da histerese da temperatura nas etapas subsequentes. Além disso, o aquecimento por indução de alta qualidade po- de ser atingido mantendo-se a estabilidade se as posições das bobinas de indução e as posições dos núcleos magnéticos forem controladas com base nos dados de um dispositivo para detectar a posição da chapa metálica 1 e um dispositivo que mede a distribuição de temperatura para o aquecimento.

Conforme descrito acima, o aparelho para aquecimento e o mé- todo de aquecimento tornam possível conduzir o aquecimento mantendo uma boa precisão independentemente da espessura da chapa ou indepen- dentemente do fato da chapa ser magnética ou não-magnética. Quanto à freqüência da fonte de energia de aquecimento, a corrente induzida na cha- pa metálica tende a ser dispersada e a eficiência do aquecimento diminui se a freqüência for muito baixa como em geral no aquecimento por indução do tipo LF. Entretanto, se a freqüência for de vários KHz ou maior como é nor- mal, o aquecimento pode ser conduzido eficientemente. Mesmo para uma chapa fina, a freqüência não tem que ser particularmente tão alta que exce- da 100 KHz, e uma freqüência relativamente baixa pode ser usada com uma fonte de energia barata que seja fácil de manusear. Se o aquecimento for efetuado com uma alta freqüência, a impedância aumenta e a voltagem da bobina tende a tornar-se alta. Isto traz o problema de que a fonte de energia e os cabos devem ser feitos resistentes a altas voltagens. Esta invenção, entretanto, evita facilmente esse problema e reduz grandemente a limitação no hardware.

De acordo com a presente invenção, apenas um único tipo de aparelho para aquecimento por indução pode cobrir uma ampla faixa de uso independentemente dos tamanhos e dos tipos das chapas. O aparelho para aquecimento por indução da invenção não apenas evita o superaquecimento nas porções de borda da chapa que era um problema no aparelho conven- cional para aquecimento por indução mas também efetua o aquecimento enquanto mantém a temperatura baixa apenas nas porções de borda da chapa metálica. Consequentemente, a distribuição de temperatura para a- quecimento pode ser controlada livremente sobre toda a largura da chapa. Isto é, o aparelho da invenção para aquecimento da chapa metálica tem uma excelente característica que não pode ser encontrada nas contrapartes tor- nando possível controlar com precisão a distribuição de temperatura.

Exemplos

(Exemplo 1)

Para confirmar os efeitos vantajosos da presente invenção, foi realizada uma experiência para aquecer uma chapa de aço não-magnética da SUS304 tendo uma espessura de 0,5 mm e uma largura de 800 mm en- quanto era passada pelo aparelho.

A fonte de energia que foi usada foi uma fonte de energia de alta freqüência de 10 KHz e um máximo de 100 KW. Usando-se um capacitor de equilíbrio para ajustar a freqüência de ressonância, o equilíbrio foi atingido aumentando-se ou diminuindo-se a capacidade do capacitor de equilíbrio para atingir a indutância das bobinas de indução. As bobinas de indução que foram usadas foram bobinas de indução de uma volta feitas de uma chapa de cobre resfriada à água obtida pela soldagem de um tubo de cobre resfria- do à água de uma forma externa de 10 mm e um diâmetro interno de 8 mm em uma chapa de cobre com uma largura de 150 mm e uma espessura de chapa de 10 mm no lado (lado externo) oposto à chapa de aço. Nesse e- xemplo, o condutor inclui tanto a chapa de cobre quanto o tubo de cobre. O vão foi de 200 mm entre as bobinas de indução e a chapa SUS 304 que era o material a ser aquecido, e o vão foi de 350 mm entre a bobina de indução frontal e a bobina de indução traseira na sua porção central na direção em que a chapa se movimenta.

As bobinas de indução tiveram as formas conforme mostrado na figura 16, e foram desviadas de 200 mm nas superfícies frontal e traseira da chapa de aço nas suas porções centrais na direção na qual a chapa de aço se movimentava. As bobinas de indução inclinadas chegaram às bordas em ambas as extremidades a α = 20°.

Chapas de aço eletromagnéticas não-orientadas foram usadas como núcleos magnéticos. A experiência foi conduzida aderindo-se for fusão um par termelétrico K ao material a ser aquecido para aquecer a chapa en- quanto ela passa, e o diferencial de temperatura foi avaliado entre a tempe- ratura no centro da chapa e a temperatura nas bordas da chapa (temperatu- ra nas bordas - temperatura na porção central).

A experiência foi conduzida usando-se um aparelho para aque- cimento por indução tendo bobinas de indução, isto é, condutores frontal e traseiro 2a e b que eram inclinados a um ângulo de α = 20° conforme mos- trado na figura 16, e núcleos magnéticos 10 arranjados nos lados externos dos condutores inclinados.

No Exemplo A, núcleos magnéticos na forma de uma chapa pla- na (figura 23) com uma largura de 10 cm, uma espessura de 2 cm e uma altura de 40 cm foram dispostas em posições a 5 cm das porções de borda da chapa metálica 1. No Exemplo B, núcleos magnéticos com a forma de U (figura 24) com uma largura de 5 cm, uma espessura de 2 cm, uma altura de 50 cm e uma profundidade de 20 cm foram inseridos nos lados externos das porções centrais das bobinas de indução inclinadas a 10 cm das porções de borda da chapa de aço para efetuar o aquecimento. No Exemplo C, as con- dições foram as mesmas que aquelas do Exemplo B mas inserindo-se os núcleos magnéticos a 5 cm das porções de borda da chapa de aço. No E- xemplo D, os núcleos magnéticos foram arranjados similarmente nas posi- ções das porções de borda da chapa de aço. Foram também conduzidas experiências como o Exemplo Com- parativo E sob as mesmas condições dos Exemplos A e C mas sem usar-se o núcleo magnético, como o Exemplo Comparativo F arranjando-se as bobi- nas de indução em paralelo conforme mostrado na figura 3 sem inclinação,e como o Exemplo Comparativo G pelo aquecimento por indução do tipo LF pela superposição das bobinas de indução frontal e traseira conforme mos- trado na figura 1, e foram comparados com os Exemplos.

A taxa de passagem da chapa foi de 7 m/min nos Exemplos e nos Exemplos Comparativos.

Os resultados foram conforme mostrados na Tabela 1. Uma vez que a temperatura difere antes e após o aquecimento, os desvios de tempe- ratura foram comparados dividindo-se uma quantidade máxima de aumento de temperatura da chapa de aço por uma quantidade mínima de seu aumen- to de temperatura (razão de desvio da temperatura = quantidade máxima de aumento de temperatura - quantidade mínima de aumento de temperatura) ÷quantidade máxima de aumento de temperatura.

Tabela 1

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A freqüência para aquecimento foi ajustada ± 1 KHz acima de 10 KHz.

No Exemplo Comparativo G usando-se o aparelho tipo LF con- vencional para aquecimento por indução, o aquecimento não pode ser efe- tuado de modo algum. Nos Exemplos Comparativos E e F, o aquecimento não-magnético não pode ser efetuado. Quando os Exemplos Comparativos EeF foram comparados, entretanto, o desvio de temperatura foi menor no Exemplo Comparativo E, no qual as bobinas de indução eram inclinadas em relação às porções de borda da chapa de aço do que no Exemplo Compara- tivo F no qual as bobinas de indução foram arranjadas em paralelo. Entre- tanto, a quantidade de aumento de temperatura foi grande nas porções de borda da chapa provocando superaquecimento. Além disso, as porções de borda da chapa foram deformadas como uma ondulação de borda. Por outro lado, nos Exemplos A, B, C e D conforme a invenção foi confirmado que os desvios de temperatura foram pequenos. Mesmo colocando-se simplesmen- te os núcleos magnéticos nos lados externos das porções de borda da cha- pa de aço como no Exemplo A, foi apresentado o efeito de suprimir a tempe- ratura nas porções de borda em comparação com o Exemplo Comparativo E. Quando os núcleos magnéticos cobriram muitas das chapas de aço como no Exemplo Β, o efeito de supressão da temperatura nas porções de borda da chapa de aço foi grande, e as porções de borda da chapa de aço foram aquecidas até uma temperatura menor que a temperatura da porção central da chapa. No Exemplo C, onde as porções de borda da chapa metálica fo- ram cobertas sobre uma área reduzida, uma distribuição ótima de tempera- tura foi alcançada. No caso do Exemplo D onde os núcleos magnéticos fo- ram colocados nas porções de borda da chapa metálica, o efeito de suprimir a temperatura nas porções de borda da chapa metálica não foi tão grande quanto nos Exemplos B e C, mas foi confirmado que o desvio de temperatu- ra poderia ser grandemente suprimido nas porções de borda. Da experiência acima, foi confirmado que a distribuição de temperatura para aquecimento pode ser controlada confiando nas áreas dos núcleos magnéticos cobertas pela chapa de aço ou na distância. Também na experiência acima o aque- cimento pode ser efetuado sem problema embora a distância seja grande, da ordem de 200 mm, entre a chapa de aço e as bobinas de indução.

(Exemplo 2)

Foram usadas bobinas de indução da forma da figura 8, e a dife- rença na distribuição de temperatura para aquecimento foi medida usando- se e não se usando os núcleos magnéticos. As bobinas de indução tinham uma largura de 150 mm como no Exemplo 1, tinham lados compridos (lados externos na direção na qual a chapa metálica se movimentou) de um com- primento de 50 cm sobre as porções onde os condutores frontal e traseiro estavam em paralelo na porção central da chapa, e tinham condutores fron- tal e traseiro inclinados a 45° na direção de ambas as porções de borda. As bobinas de indução frontal e traseira foram arranjadas de forma que a dis- tância entre os seus lados internos foi de 20 cm na direção na qual a chapa SUS304 se movimentou quando elas foram projetadas verticalmente. Como Exemplo H da invenção, o aquecimento foi efetuado inserindo-se os núcleos magnéticos de forma em U tendo uma largura de 5 cm, uma espessura de 2 cm, uma altura de 50 cm e uma profundidade de 20 cm usada no Exemplo 1 interiormente a partir das porções de borda da chapa metálica por 50 mm (na base dos lados maiores) a ângulos retos com as porções centrais incli- nadas das bobinas condutoras. Como Exemplo Comparativo I, o aquecimen- to foi efetuado sob as mesmas condições de aquecimento do Exemplo 1 mas sem usar os núcleos magnéticos.

Como resultado, no caso do Exemplo Comparativo I, a razão de desvio de temperatura foi 2,01 enquanto no caso do Exemplo H usando-se os núcleos magnéticos, foi confirmado que o desvio de temperatura foi gran- demente melhorado para 1,28.

(Exemplo 3)

As bobinas de indução frontal e traseira com uma largura de 150 mm foram arranjadas sendo separadas por 200 mm e inclinadas de 45° con- forme mostrado na figura 14, e os desvios de temperatura foram compara- dos dependendo de quando os núcleos magnéticos foram arranjados nas porções de bordas da chapa SUS304 e quando eles não foram arranjados. Os núcleos magnéticos que foram usados foram os mesmos dos Exemplos 1 e 2. Os desvios de temperatura foram comparados empurrando-se os nú- cleos magnéticos a uma posição separada de 100 mm dos pontos onde as bobinas de indução atravessaram as porções de borda da chapa SUS304 como no Exemplo J da invenção e por não usar núcleos magnéticos como no Exemplo Comparativo K. No caso do Exemplo Comparativo K que não usa núcleo magnético, a razão de desvio de temperatura foi de 3,2 enquanto no caso do Exemplo J que usa os núcleos magnéticos, foi confirmado que a razão de desvio de temperatura foi melhorada até 1,9.

(Exemplo 4)

Bobinas de indução da forma da figura 18(a) foram usadas, e uma diferença na distribuição de temperatura para aquecimento foi medida usando-se e não se usando núcleos magnéticos. As bobinas de indução ti- nham uma largura de 150 mm como no Exemplo 1, tinham lados compridos (lados externos em cuja direção a chapa metálica se movimentou) de um comprimento de 50 cm sobre as porções onde os condutores frontal e trasei- ro estavam em paralelo na porção central e foram arranjados em paralelo com as porções de borda da chapa nas posições a 150 cm de ambas as porções de borda da chapa SUS304. As bobinas de indução frontal e trasei- ra foram arranjadas de modo que a distância entre os seus lados internos foi de 40 cm em cuja direção a chapa SUS304 se movimentou quando eles fo- ram projetados verticalmente. O aquecimento foi efetuado arranjando-se os núcleos magnéticos em forma de U tendo uma largura de 5 cm, uma espes- sura de 2 cm, uma altura de 50 cm e uma profundidade de 20 cm usada no Exemplo 1 na posição a 50 mm das posições onde as bobinas de indução frontal e traseira atravessaram as porções de borda da chapa SUS 304 de modo a cobrir as porções de borda da chapa metálica 50 mm para o interior da chapa metálica. Os desvios de temperatura foram comparados usando-se os núcleos magnéticos como Exemplo L da invenção e não se usando nú- cleos magnéticos como Exemplo Comparativo M. As condições de aqueci- mento foram as mesmas do Exemplo 1.

Como resultado, no caso do Exemplo Comparativo M, a razão de desvio de temperatura foi de 2,7 enquanto no caso do Exemplo L com uso de núcleos magnéticos, foi confirmado que o desvio de temperatura foi grandemente melhorado para 1,5.

Claims (7)

1. Aparelho de aquecimento por indução para aquecer uma cha- pa metálica que passa através do interior de uma bobina de indução envol- vente, onde uma imagem projetada verticalmente dos condutores na chapa metálica, os condutores, peças da bobina de indução, colocadas no lado da superfície frontal e da superfície traseira da chapa metálica, os condutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são arranjados de modo a não se sobreporem na direção do comprimento da chapa metáli- ca na porção central da chapa metálica na sua direção da largura; o condutor pelo menos do lado da superfície frontal ou do lado da superfície traseira é arranjado de modo a ser inclinado em relação à dire- ção da largura da chapa metálica, ou os condutores do lado da superfície frontal e do lado da superfície traseira são arranjados de modo a serem pelo menos parcialmente sobrepostos nas imagens projetadas verticalmente na direção do comprimento da chapa metálica, pelo menos em cada porção de borda da chapa metálica na direção da sua largura; e um núcleo magnético é arranjado a partir do lado da superfície frontal sobre o lado da superfície traseira da chapa metálica transpondo a porção de borda da chapa metálica, no lado externo do condutor que é ar- ranjado de forma a ser inclinado, ou no lado externo de uma porção do con- dutor que conecta a porção central do condutor com a porção de borda do condutor que é assim arranjada de forma a ser pelo menos parcialmente sobreposta entre si nas imagens projetadas verticalmente.

2. Aparelho de aquecimento por indução de acordo com a rei- vindicação 1, em que os condutores no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são arranjados de modo a não serem sobrepostos na direção do comprimento da chapa metálica na porção central da chapa me- tálica na direção da sua largura, e o condutor de pelo menos um entre o lado da superfície frontal e o lado da superfície traseira é arranjado de modo a ser inclinado em relação à direção da largura da chapa metálica ou os conduto- res no lado da superfície frontal e no lado da superfície traseira são arranja- dos de modo a serem pelo menos parcialmente sobrepostos na direção do comprimento da chapa metálica pelo menos em cada porção de borda da chapa metálica na direção da sua largura; e em que o núcleo magnético é arranjado a partir do lado da superfície frontal sobre o lado da superfície tra- seira da chapa metálica transpondo as porções de borda da chapa metálica de modo a produzir fluxos de fluxo magnético que cancelam laços menores de uma corrente formada juntamente com a passagem de uma corrente in- duzida correspondente à forma de arranjo do condutor, os laços menores induzidos no lado externo do condutor que é arranjado de modo a ser incli- nado, ou no lado externo da porção do condutor que está conectando a par- te central do condutor com a porção de borda do condutor que é arranjado de forma a ser pelo menos parcialmente sobreposto em um plano da chapa metálica que é aquecida por aquecimento por indução.

3. Aparelho de aquecimento por indução de acordo com a rei- vindicação 1 ou 2, em que a imagem dos condutores projetada verticalmente tem a forma de um hexágono, um trapezoide, um paralelogramo, um retân- gulo, no qual as porções centrais da imagem são paralelas, um círculo, uma elipse ou linhas paralelas

4. Aparelho de aquecimento por indução de acordo com qual- quer uma das reivindicações 1 a 3, em que o núcleo magnético é fornecido de modo a cobrir o lado da superfície frontal e o lado da superfície traseira da porção de borda da chapa metálica.

5. Aparelho de aquecimento por indução de acordo com qual- quer uma das reivindicações 1 a 4, em que o núcleo magnético tem a forma de uma chapa plana ou a forma de U em uma seção transversal.

6. Aparelho de aquecimento por indução de acordo com qual- quer uma das reivindicações 1 a 5, em que as posições dos núcleos magné- ticos são variáveis em relação à chapa metálica.

7. Aparelho de aquecimento por indução de acordo com qual- quer uma das reivindicações 1 a 6, em que o condutor de pelo menos um entre o lado da superfície frontal ou o lado da superfície traseira pode ser movido na direção da largura da chapa metálica, e os núcleos magnéticos se movem sendo integrados aos condutores.