CN101617562A - 感应加热设备 - Google Patents

Abstract

一种感应加热设备，用来控制加热金属板时的温度分布，不管所述金属板是否厚度很小、是磁性还是非磁性的，并且能够应对所述金属板的宽度变化或所述金属板的曲折移动。所述设备通过感应加热来对金属板1进行加热，所述金属板穿过感应线圈2的内部，其中，在所述导体在所述金属板1上的垂直投影图像中，作为所述感应线圈一部分的所述导体2a和2b被安置在所述金属板1的前表面一侧和后表面一侧，在所述前表面一侧和在所述后表面一侧的所述导体2a和2b设置为使其在所述金属板1的长度方向上彼此偏移，在所述金属板1的前表面一侧的所述导体2a和在所述金属板1的后表面一侧的所述导体2b中的至少一个导体的边缘部分是倾斜的或者弯曲的，并且磁芯10被安置在所述感应线圈2的外侧。

Description

感应加热设备

技术领域

本发明涉及到一种用于钢板以及有色金属(non-ferrous metals)板(诸如铝)的感应加热设备。具体说，本发明涉及到一种感应加热设备，该设备用来对金属板进行高效的加热，不管所述金属板是薄板还是厚板，甚至可以处在非磁性状态中，同时抑制过热发生，并精确地控制所述金属板边缘部分的温度。

背景技术

使用高频电流对金属进行感应加热已经被广泛地运用于热处理(诸如硬化等)中。感应加热用来在生产薄金属板和有色金属板(诸如钢板和铝板)时控制金属的质量、以及用来通过提高加热速度(rate of heating)来提高产率和用来自由地调节产量。感应加热已经用来替代常规的利用气体或电能进行的间接加热。

金属板的感应加热可以大致分成两种系统。一种系统是被称作LF(longitudinal flux heating，纵向磁通加热)系统的感应加热系统，其中，在环绕所述金属板的感应线圈中有高频电流流动，所产生的磁通沿所述金属板的纵长方向穿过所述金属板，从而在所述金属板的截面内感应出电流，以加热所述金属板。另一种系统是TF(transverse flux heating，横向磁通加热)系统，其中，金属板被置于缠有初级线圈被称作感应体(inductors)的磁性材料之间，通过所述初级线圈中的电流的流动而产生的磁通可以穿过所述感应体，使得在所述感应体之间的磁通横向穿过所述金属板，从而在所述金属板平面内感应出电流，由此对所述金属板进行感应加热。

由LF系统进行的感应加热在温度分布上具有很好的均匀性。然而，感应电流在所述金属板的截面内循环流动，当所述金属板厚度较小时，由于电流穿透深度的缘故，除非提高电源的频率，否则不会感应出电流。另外，厚度较小的非磁性材料以及磁性材料在温度超过其居里点时不能被加热，因为电流的穿透深度增加了。

另一方面，由TF系统进行的感应加热有这样一个特征，即，不管金属板是磁性板还是非磁性板，都能对其进行加热，因为磁通穿过所述金属板平面。另外，使用具有低磁阻的感应体可以降低磁通泄漏并将所述磁通集中在与所述金属板的前表面和后表面相面对的感应体之间，使加热的效率提高。

然而，存在的一个问题是，温度分布趋向于不太均匀。另外，如果所述金属板没有位于相对的感应体之间的中心处，那么，如果是磁性板就会被某个感应体吸引，于是温度趋向于进一步发生偏差。

此外，由TF系统进行感应加热所产生的缺点是，比如，很难改变金属板的宽度，并且倘若金属板在连续的加工流水线上曲折前进的话，操控所述金属板会变得很难。

为了解决这些问题，JP-A-2002-43042提出了单匝线圈，这些线圈沿移动方向以偏移的方式位于一条带的前表面和后表面上。

此外，JP-A-2002-151245提出一种具有菱形形状的感应线圈，其中，与要被加热的材料相面对的感应加热线圈具有弯曲的长轴。

在JP-A-2005-209608中，本发明人提出了一种感应线圈，该线圈环绕金属板并沿移动方向发生偏移。

发明内容

图1是一个示意图，显示了由常规LF系统进行的感应加热。要被加热的金属板1由感应线圈2环绕，而感应线圈2与高频电源3相连。当初级电流5流动时，磁通4穿过金属板1的内部，并且环绕着磁通4感应出电流。金属板1由所述感应电流进行加热。图2是一个示意截面图，显示了在金属板1的截面中感应出电流的状态。

穿过金属板1的磁通4在金属板1的截面内沿着与在感应线圈2中流动的初级电流5相反的方向感应出电流6。感应电流6集中在从金属板1的表面算起深度为公式(1)所表示的电流穿透深度δ的范围内，

δ[mm]＝5.03×10⁺⁵(ρ/μrf)^0.5(1)

其中，ρ：电阻率[Ωm]，

μr：相对磁导率[-]，

f：加热频率[Hz]。

感应电流6在所述金属板的前表面和后表面沿相反的方向流动，如图2所示。如果电流穿透深度δ增加，那么，所述金属板的前表面和后表面中的感应电流会彼此抵消，于是，在所述金属板的截面内没有电流流动。

所述金属的电阻率ρ随着温度的增加而增加，所以δ就随着温度的增加而增加。此外，在铁磁材料和顺磁材料中，当温度升高并接近居里点时，μr会下降，而当温度超过居里点时，μr变为1。

非磁性材料也有μr，其值为1。如果μr变小，那么，对于非磁性材料以及对于在快至居里点到超过居里点这个温度区内的磁性材料，根据公式(1)，电流穿透深度δ会增加。于是，就不能对要加热的厚度较小的材料进行加热。

当加热频率为10[KHz]时，正常温度下各种金属的电流穿透深度δ为，例如，非磁性材料铝约1[mm]，SUS304约4.4[mm]，磁钢约0.2[mm]。另一方面，作为磁性材料的钢，在750℃(该温度超过了其居里点)时，其电流穿透深度δ约为5[mm]。

所以，为了使所述金属板中所产生的前表面电流和后表面电流不会相互抵消，所述金属板的厚度不能小于10[mm]。此外，需要约15[mm]的厚度以便能有效地由电流将功率引入金属板中。

通常，热处理被用于具有各种厚度的金属板，从厚度为十几微米的薄板(诸如箔)到厚度超过100mm的厚板。

例如，用于汽车和电器的钢板是典型的大量使用的金属板，在许多情形中，在进行了冷轧之后，其厚度不大于约3[mm]，具体说，不大于2[mm]。为了利用LF系统对这些材料进行加热，必须将加热频率增加到不低于几百[KHz]。然而，制造大容量和高频率电源的硬件受到了限制。在许多情形中，很难在工业范围内实现使用这样高频的系统。

JP-A-2002-43042中的方法被认为是一种TF系统，其中，感应线圈被置于所述金属板的上下方。在所述金属板移动的方向上交替产生磁通。由于上下线圈发生了偏移，所以会交替出现这样的区域，即，上下线圈所产生的磁通彼此抵消的区域和磁通斜着横向穿过所述带的区域，这样就可以防止磁通的集中。

因此，所述方法可以减小常规TF系统的内在问题，即磁通集中在边缘区域，导致边缘过热。然而，仍然存在一个问题，即存在磁通彼此抵消的区域，并且由于是单匝，线圈中的电流必须很大才能将功率引入所述带中并增加场的强度。此外，由于所述线圈中铜损的增加，效率会下降。

为了提高效率，如在JP-A-2002-43042的实施例中所提到的，必须使所述上下单匝线圈靠近所述带。然而，由于在所述单匝线圈之间移动的所述带其形状有变化，或者会发生振动，所以当所述带移动时很难在很大的宽度和很长的区域上对所述带进行加热。

根据JP-A-2002-151245中的方法，在金属的传送方向上，提供的感应加热线圈在宽度方向的中心处具有最大的扩张部分，以便与所述金属的表面相面对，并且在所述金属材料的传送方向上，各所述线圈的宽度之和基本上保持恒定。根据这种方法，所述金属材料由面对着所述金属材料的感应线圈所泄漏出来的磁通进行加热。如果到所述感应线圈的距离增加，那么，不能保证磁通会穿过所述金属。另外，除非使所述金属靠近所述感应线圈，否则不能对所述金属进行加热。如果所述金属的形状不好并且到所述感应线圈的距离有变化，那么，温度会出现很大的偏差。

此外，所述感应线圈具有菱形形状，使得其宽度在移动方向上基本上保持恒定。然而，所述菱形形状不能随所述金属板的宽度的变化而变化。尽管提供了转动机构，但当转动机构转动时在所述移动方向上加热时间是不同的，所以，温度不能保持均匀。在工业上，很难为有大电流流动的加热设备提供转动机构。

上述两个专利文献中，没有一个专利文献是用于在闭环(其中，金属由感应线圈环绕)中进行加热的。所以，不能保证磁通能够可靠地穿过所述金属。此外，加热很容易受距感应线圈的距离的影响，并且很难控制磁通密度，因为感应线圈的匝数不能改变。

为了克服上述加热设备的缺点，JP-A-2005-209608提出，环绕金属板的感应线圈沿金属板移动的方向发生偏移，使得在面对着所述金属板前后表面的感应线圈之下的所述金属板中所感应出来的独立的电流彼此间没有干扰，其中，所述电流由面对着所述金属板的前表面和后表面的感应线圈感应出来。此外，这个专利文献指出，即使是厚度小于电流穿透深度的金属板、非磁性金属板、以及温度高于居里点处于非磁性区的磁性部件(诸如铁)，也可以对其进行加热。此外，由于感应线圈环绕着金属板，将金属板限制在其中，所以，磁通穿过金属板，这带来很大的实际好处，即，能够很容易地对金属板进行加热，即使在所述金属板和感应线圈之间存在空隙也是如此。

然而，在金属板的中心所感应出的电流当其流过所述金属板的边缘部分时趋向于集中起来，即，有高密度电流流过，并且在延长的时间段内感应电流流过边缘部分，因为前后感应线圈是分开的。所以，所述金属板的边缘部分趋向于过热，并且要限制条件(前后感应线圈之间的偏移量、感应线圈的宽度等)以获得温度偏差小的分布。

上述三种系统能够控制非磁性材料的加热，但很难精确地控制温度分布以进行加热。如果将所述系统安装在现有炉子中，那么，金属板的变形会使金属板和感应线圈之间的间隙很难变小。此外，很难对金属板的宽度变化或金属板的曲折移动做出适当的应变。

为了对流过金属板边缘部分的电流进行控制，本发明人在WO2006/088067和WO 2006/088068中提出一种通过例如在金属板边缘部分处倾斜感应线圈从而对流过所述金属板边缘部分的电流密度以及加热时间进行控制的方法，以及一种处理金属板的曲折移动和宽度变化的方法。与上述三种系统相比，WO 2006/088067和WO 2006/088068中的方法能够很大程度地控制温度分布，但根据一些情况，仍然不能将金属板边缘部分和其中心部分之间的温度偏差消除到足够小的程度。

本发明要解决常规LF系统和TF系统内在的与金属板的感应加热相关的问题。所以，本发明的一个目标是，提供一种感应加热设备，通过使用与金属板之间维持足够大间隙的感应线圈，不仅可以用于磁性材料还可以用于非磁性材料和非磁性区，以及用于厚度不大于10mm的金属板，该感应加热设备与上述WO 2006/088067和WO 2006/088068中所公布的感应加热设备相比能提供更优异的温度可控制性，可以对(金属板的)宽度变化和曲折移动做出有效的应变，并由此给出很好的加热效率。

本发明的要点如下。(1)一种感应加热设备，用来对穿过环绕的感应线圈的内部的金属板进行加热，其中，在所述导体在所述金属板上的垂直投影图像中，作为所述感应线圈一部分的所述导体被安置在所述金属板的前表面一侧和后表面一侧，在所述前表面一侧和在所述后表面一侧的所述导体被设置为使其在所述金属板宽度方向上的所述金属板中心部分处沿所述金属板的长度方向彼此不重叠；

在所述前表面一侧和所述后表面一侧中的至少一侧的所述导体被设置为使其相对于所述金属板的宽度方向发生倾斜，或者，所述前表面一侧和所述后表面一侧的所述导体被设置为使其，在所述金属板宽度方向上的所述金属板的至少一个边缘部分处，沿所述金属板的长度方向在所述垂直投影图像中至少是部分重叠的；以及

安置磁芯，使其从所述所述金属板的前表面一侧跨过所述金属板的边缘部分到所述金属板的后表面一侧，处于倾斜安置的所述导体的外侧，或者处于连接所述导体的中心部分和所述导体的边缘部分的那部分导体的外侧，其中所述导体的安置使其在所述垂直投影图像中彼此至少是部分重叠的。

(2)根据上述(1)所述的感应加热设备，其特征在于，在所述前表面一侧和在所述后表面一侧的所述导体被设置为使其在所述金属板宽度方向上的所述金属板中心部分处沿所述金属板的长度方向彼此是不重叠的，在所述前表面一侧和所述后表面一侧中的至少一侧的所述导体设置为使其相对于所述金属板的宽度方向发生倾斜，或者，所述前表面一侧和所述后表面一侧的所述导体被设置为使其在所述金属板宽度方向上的所述金属板的至少一个边缘部分处沿所述金属板的长度方向彼此至少是部分重叠的；以及

其中，安置所述磁芯，使其从所述所述金属板的前表面一侧跨过所述金属板的边缘部分到所述金属板的后表面一侧，从而产生磁通流，以抵消与流过的对应着所述导体配置形状的感应电流一起形成的电流小环路，所述感应出来的小环路出现在倾斜安置的所述导体的外侧，或者出现在连接所述导体的中心部分和所述导体的边缘部分的那部分导体的外侧，其中所述导体被设置为使其在进行感应加热的所述金属板的平面中彼此至少是部分重叠的。

(3)根据上述(1)或(2)所述的感应加热设备，其中，所述导体的垂直投影图像的形状为六边形、梯形、平行四边形、矩形，其中所述垂直投影图像的中间部分是平行的、圆形、椭圆形或平行线。

(4)根据上述(1)到(3)之一所述的感应加热设备，其中，提供所述磁芯，使其覆盖所述金属板边缘部分的前表面一侧和后表面一侧。

(5)根据上述(1)到(4)之一所述的感应加热设备，其中，所述磁芯的截面形状为平板形或U形。

(6)根据上述(1)到(5)之一所述的感应加热设备，其中，所述磁芯的位置相对于所述金属板是可变的。

(7)根据上述(1)到(6)之一所述的感应加热设备，其中，在所述前表面一侧或后表面一侧中的至少一侧的所述导体能够沿着所述金属板的宽度方向移动，并且所述磁芯在移动时与所述导体互锁。

本发明中所提到的所述“金属板的长度方向”是指所述金属板移动的方向(与传送线方向相同)。

根据本发明所述的感应加热不仅可以对厚度较大的板材以及处于磁性区的薄板进行加热，而且可以对电阻率较小的有色金属板(诸如非磁性铝和铜)以及当温度高于居里点时处于非磁性区的磁性材料(诸如铁等)进行加热，这些材料是不能由常规的感应加热系统进行加热的。

此外，与所述感应线圈一起使用所述磁芯能够抑制或防止所述金属板边缘部分处的过热。

此外，通过调节所述磁芯的位置以及所述前后磁芯在所述金属板边缘部分处的重叠，能够容易而精确地控制所述加热温度分布。

此外，通过以一定速率进行加热同时维持与所要求的冶金特性相符合的温度分布，诸如进行加热，同时维持希望的温度分布以便在所述感应加热设备中消除由前面的步骤所带来的温度偏差，以及通过考虑随后步骤中的温度特性，从而消除由操作中的起伏所引起的对质量的影响，能够生产高质量产品，同时维持稳定性。

另外，由于没有热惯性(thermal inertia)的影响(这是用气体进行加热的炉子中的一个问题)，所以，可以自由地控制加热的速度，即使在因改变金属板厚度、改变金属板宽度以及改变材料种类而需要改变炉子中的温度时也是如此。因此，不需要改变传送所述金属板的速度。所以，不需要使用系带(tie)，而这是在用气体进行加热的炉子中当炉中温度变化时在炉子稳定之前通常所使用的。因此，不需要降低传送金属板的速度就可以继续进行生产，避免了产率的降低并有助于大大增加规划所述操作的自由度。

此外，根据本发明所述的感应加热设备不仅能够应对所述金属板的厚度和宽度的变化，而且能够灵活地应对起伏因素(诸如曲折移动)，并且具有的好处是，不仅可以获得希望的温度分布，而且不需要提供多套感应线圈以处理各种板宽，这就降低了设施的成本。

附图说明

图1是一个示意图，显示了常规的LF型感应加热；

图2是一个示意截面图，显示了根据常规LF型感应加热而在薄金属板的截面内流动的感应电流；

图3是一个示意平面图，显示了通过以偏移方式安置前后感应线圈而进行的感应加热；

图4是一个示意截面图，显示了所述电流如何在图3中的A-A截面中产生；

图5(a)和5(b)是示意图，显示了由图3中的感应加热在金属板中所感应出的电流；

图6是一个示意平面图，显示了一种感应加热系统，其中，前后感应线圈在中心处发生偏移，而所述感应线圈在所述金属板的边缘部分附近是倾斜的；

图7是一个示意平面图，显示了由图6中的线圈配置在所述金属板中所感应出的电流；

图8是一个示意平面图，显示了根据本发明所述的一种感应加热设备；

图9(a)和9(b)是示意截面图，显示了磁芯在图8所示的本发明所述的感应加热设备中的影响；

图10是一个示意平面图，显示了一个例子，其中所述磁芯覆盖所述金属板边缘部分的范围在本发明所述的感应加热设备中是变化的；

图11是一个示意平面图，显示了本发明中所述磁芯和所述金属板之间的关系；

图12是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中磁芯的安置不与倾斜的感应线圈相垂直；

图13是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，只有前感应线圈是倾斜的并面对所述金属板的边缘部分；

图14是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，前后感应线圈都是倾斜的，并面对所述金属板的边缘部分；

图15是一个示意平面图，显示了在图14所示的金属板1中所感应出的电流；

图16是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，所述前后感应线圈只沿着其一侧是倾斜的，并且面对所述金属板的边缘部分；

图17是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，所述前后感应线圈在所述金属板的两侧边缘部分呈弓形形状；

图18(a)是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，所述前后感应线圈在所述金属板的边缘部分附近沿移动方向安置，并且，所述前后感应线圈在两侧边缘部分彼此相互重叠；

图18(b)是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，所述前后感应线圈在所述金属板的边缘部分附近沿移动方向安置，并且，所述前后感应线圈在两侧边缘部分彼此不重叠；

图19是一个示意平面图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，磁芯被置于所述前后感应线圈的外侧以及所述金属板的边缘部分的外侧；

图20是一个示意平面图，显示了一种方法，即在本发明所述的感应加热设备中，通过在所述金属板的边缘部分附近安置磁芯来控制加热温度分布；

图21是一个侧视图，显示了一个例子，其中，在本发明所述的感应加热设备中，允许磁芯移动；

图22(a)和22(b)显示了在本发明所述的感应加热设备中，如何处理当所述金属板的宽度改变了时的曲折移动；

图23是一个示意图，显示了根据所述实施例所述的平板磁芯的形状；以及

图24是一个示意图，显示了根据所述实施例所述的U形磁芯的形状。

具体实施方式

下面参考附图所描述的是本发明的实施例，其中为了简单起见，只描述1T(匝)的情形。然而，本发明绝不限于只有1匝的情形，可以用多匝来实现。

图8是一个示意平面图，显示了根据本发明所述的感应加热设备，图9(a)和9(b)是在金属板的边缘部分附近沿A-A截面所截取的示意截面图。下面所描述的本发明中的感应线圈是由好的导电体制成的管、线或板等导体所形成的普通线圈，该感应线圈有一匝或多匝，环绕着要被加热的材料。环绕着要被加热的材料的环绕形状可以是矩形形状，也可以是圆形形状，没有特别的限制。所述导体材料希望是具有良好导电性的铜或铝。

在如图3所示的本发明中，所述导体这样来安排，即当位于穿过感应线圈内部而移动的金属板1的前表面一侧和后表面一侧上的作为感应线圈一部分的导体2a和2b被垂直投影到所述金属板上时，所述导体在所述前表面一侧和在所述后表面一侧的垂直投影图像在所述金属板的长度方向上是彼此偏离的。

如果线圈电流5从高频电源3流出，那么，磁通4就斜着穿过金属板1，并且由所述磁通感应出电流6a，如图4中的侧视截面图(图3的A-A截面)所示，其中为了简单起见，只画出了导体2a。所以，即使由电流路径的倾斜扩张所感应出的电流6a的穿透深度δ超过了所述板的厚度t，也会有感应电流流动。

由于作为所述感应线圈一部分的导体2a和2b设置为使其在金属板移动的方向上发生偏移，所以，导体2a在所述前表面一侧所感应出的电流6a和导体2b在所述后表面一侧所感应出的电流6b彼此互不干扰。在整个金属板1中，产生如图5(a)所示的环电流，并且，金属板1即使由非磁性材料制成也能被加热。图5(b)显示了图(5)的A-A截面。

然而，流过所述金属板边缘部分的电流6c会降低对流过将前导体2a与后导体2b连接起来的导体或者流过将所述前后导体2a和2b与电源连接起来的导体7的初级电流的电抗。电流6c被迫进入所述金属板的边缘部分，所以，其电流路径变窄了，由此，由流过导体7和8的初级电流所产生的磁通集中地穿过所述金属板的具有最短距离的边缘部分。所以，电流密度在所述金属板的边缘部分处增大，并且所述金属板的边缘部分被加热的时间比中心部分长一个等价于距离d3的量，这就解释了所述金属板的边缘部分处的过热。

根据如图6所示的本发明，所述前表面一侧的导体2a和所述后表面一侧的导体2b为感应线圈的一部分，面对着所述金属板的边缘部分，这两个导体中至少有一个导体的形状使其与所述边缘部分斜交，并且其配置为使其在所述金属板的边缘部分处相对于所述金属板的宽度方向是斜着的。图6中导体2a和2b上的箭头指示了线圈电流的方向。图6显示了这样一个例子，其中，所述前表面一侧的导体和所述后表面一侧的导体在所述金属板的两个边缘部分处都是倾斜的，并且当它们在所述金属板上进行垂直投影时具有六角形形状。通过使用具有这种形状的感应线圈，在金属板1的平面内所产生的环电流的形状与所述导体的配置形状相对应，即，几乎与所述导体的配置形状相同，并且形成如图7中的粗实线所表示的环电流路径。所述环状电流路径上的箭头指示了感应电流的方向。所以，与上述图5所示的情形相比，所述电流路径在所述金属板的边缘部分处不会变窄，并且电流密度不会变高。此外，在本例中，构成前后感应线圈的所述导体在所述金属板的边缘部分附近相互靠近，这样就可以缩短由流过所述金属板边缘部分的感应电流所进行的加热的时间，并且与如图3所示的所述前后感应线圈只是平行地发生偏移相比可以更有效地避免所述金属板的边缘部分处的过热。

然而，通过实验和分析可以清楚看到，尽管所述电流主要流过图7中的粗实线所环绕的部分，但一部分电流在所述金属板的边缘部分反转，形成如图7所示的感应电流的小环路9。当必须通过严格控制温度偏差来进行加热时，小团电流9通常变得不可忽略。所以，经常会产生与过热相关的问题，这是因为在所述金属板边缘部分存在涡动的电流，所以在所述金属板的边缘部分温度会升高，从而导致过热。

所以，根据本发明，在感应线圈的外侧安装磁芯10，这些磁芯是倾斜的，如图8所示。

图9(a)和9(b)是沿图8中的A-A截面所截取的示意截面图，显示了由流过作为感应线圈一部分的导体2a的初级电流所产生的磁通的通道。图9(a)和9(b)显示了随所述初级电流的方向变化而变化的磁通分布。磁芯10被配置在所述导体的外侧，如上所述沿对角放置，从所述金属板的前表面一侧到后表面一侧跨过所述金属板的边缘部分。尽管对形状没有特别的限制，但图9所示的例子使用了U形截面的磁芯。参看图9(a)，所述磁芯被安置在作为所述感应线圈一部分的导体2a的外侧，在所述金属板1的边缘部分处。在所述磁芯10的附近，由流过导体2a的初级电流所产生的磁通11被分成正常磁通11a和磁通11b，前者是磁通11的次要部分，穿过金属板1的边缘部分，后者是磁通11的主要部分，穿过磁阻很小的磁芯10。进入磁芯10的磁通11b朝着与面对导体2a的平面相反的平面出来，所以，可以在与由导体2a在所述金属板的边缘部分所感应出的电流的方向相反的方向上感应出电流来。因此，在由流过导体2a的初级电流在所述金属板中所感应出来的电流中，在所述金属板的边缘部分处形成小环路的感应电流和所述磁芯所感应出的电流彼此抵消。这导致与没有磁芯10时相比，在所述金属板的边缘部分流动的电流减少了，从而抑制了所述金属板边缘部分的过热。即使初级电流的方向发生改变，如图9(b)所示，所呈现的作用和效果也与图9(a)中情形相同。

所述磁芯可是磁导率相对较大以及电阻率很大的磁芯，并且产生较少的热量。例如，可以使用层叠的电磁钢板、层叠的非晶金属板、或者铁氧体磁芯。

从上述原理可以明白，通过增加或减少磁芯10覆盖所述金属板边缘部分的面积可以控制在所述金属板边缘部分中流动的感应电流的密度。如图10所示，如果将宽度w1变为宽度w2从而增加磁芯10覆盖所述金属板边缘部分的面积，那么，可以抑制所述金属板的过热。此外，可以实现这样的温度分布，即，温度在金属板的边缘部分比在金属板的中心部分要高，或者，温度在整个金属板的宽度方向上是均匀的。此外，相反地，可以实现这样的温度分布，即温度在金属板的边缘部分比在金属板的中心部分要低。此外，一旦改变所述磁芯10相对于所述感应线圈的位置，所述位置就改变所述电流在哪里与所述感应线圈所感应的电流相干扰，于是可以改变加热的温度分布。

此外，通过增加或减小金属板1与磁芯10之间的距离(所述金属板处于所述磁芯10之间)，可以改变加热的温度分布。就是说，如果使磁芯10靠近金属板1以减小到金属板1的距离H或减小所述磁芯从金属板1的边缘部分深入内部的距离G，如图11所示，那么，磁通就局部地穿过所述金属板，从而可以局部地加强温度的变化。相反，如果使磁芯10远离金属板1(H或G变大)，那么，所述磁通就会分布在较宽的范围内，从而适度地改变温度。

除了如图8所示与感应线圈成直角安置外，磁芯10也可以沿着与金属板边缘部分成直角的方向安置以获得所述效果，如图12所示。尽管对所述角度没有特别限制，但当所述感应线圈所产生的磁通垂直地进入所述磁芯的横截面(如图8所示)时，会获得更大的效果。

此外，当磁芯10是通过层叠电磁钢板或非晶金属板而制成的磁芯时，这些板设置为使得所述磁通沿着板的厚度方向穿过，以便不会在其中感应出电流，而当所述磁通穿过所述层叠材料的平面时会出现这样的电流，就是说，这些板沿着深度的方向(所述金属板的传送方向)层叠，使磁芯形状如图9(a)和9(b)的截面图中所示。这样的配置有这样的好处，即，所述磁芯不会过热或变得发烫。

根据本发明的另一个实施例，如例如图13所示，只在所述前表面一侧的导体2a倾斜地面对所述金属板的边缘部分，并且磁芯10被安置在所述倾斜的感应线圈的外侧。在本例中，所述前后导体在所述金属板上的垂直投影构成了梯形形状。图14显示了这样一个例子，其中，所述前后感应线圈相对于金属板1倾斜放置，并且磁芯10被安置在其外侧。在这种情形中，所述前后导体在所述金属板上的垂直投影形成平行线形状。图15是一个示意图，显示了没有图14中的磁芯10时的感应线圈在所述金属板的左边缘部分附近的配置，以及由所述感应线圈在所述金属板1内所感应出的电流的分布。在图15中，阴影表示电流密度的分布，箭头表示感应电流矢量。一旦使感应线圈2a和2b相对于金属板1倾斜放置，感应电流在流入所述金属板的边缘部分之前流过一个短通道，这就抑制了所述金属板边缘部分中的电流密度的增加。在这种情形中，一旦使所述前后导体倾斜，感应电流流入流出所述导体的外侧，形成小环路，这能够提高所述金属板的边缘部分的温度。然而，通过在所述感应线圈的外侧安置所述磁芯，形成小环路的感应电流被抵消了，这就抑制了所述金属板边缘部分处的过热。

图16显示了一个例子，其中，所述前后导体沿着它们的一边相对于所述金属板1的边缘部分倾斜，并且磁芯10被安置在所述倾斜感应线圈的外侧。在这个例子中，所述前后导体在所述金属板上的垂直投影为平行四边形形状。在这个例子中，可以抑制在所述倾斜部分的外侧流动的感应电流(小环路)。

图17显示了所述磁芯排列的一个例子。在图17中，在所述金属板的前表面一侧的导体和在所述金属板的后表面一侧的导体设置为使得在所述金属板的宽度方向上的至少一侧金属板边缘部分上，所述导体沿所述金属板的长度方向彼此至少有部分重叠。磁芯10被安置在将所述导体的中心部分与边缘部分连接起来的那部分导体的外侧。在图17中，特别地，所述前后导体在所述金属板上的垂直投影图像在所述金属板的两侧边缘部分处都重叠，并且在整体上形成圆形形状。就像前面的例子那样，本例也抑制在所述金属板的边缘部分处流动的形成小环路的感应电流。图18(a)显示了这样一个例子，其中，所述前后导体在所述金属板的中心部分处沿移动方向发生偏移，并且在所述金属板的边缘部分处发生重叠。就是说，图18(a)显示了一个例子，其中，所述前后导体在所述金属板上的垂直投影形成矩形形状，并且磁芯10被安置在将感应线圈的中心部分与其边缘部分连接起来的那部分导体的外侧。就像前面的例子那样，本例也抑制在所述金属板的边缘部分处流动的形成小环路的感应电流。

在任何配置中，所述前后导体线圈不一定要在所述金属板的边缘部分处发生重叠，如图18(b)所示。然而，当所述前后感应线圈重叠时，在其重叠的部分处，在非磁性材料中没有感应电流，所以，在所述金属板的边缘部分处温度趋向于降低。

根据如图19所示的本发明的另一个实施例，磁芯10以不覆盖金属板1的边缘部分的方式进行安置。所述感应线圈所产生的磁通穿过磁阻很小的磁芯10，并到达在与所述感应线圈相对的一侧的所述金属板的边缘部分，就像磁芯10覆盖金属板1时那样。所以，所述电流沿相反方向流动，从而与感应线圈所产生的并在所述金属板的边缘部分流动的电流相互干扰，由此抑制了所述金属板的边缘部分处的过热。然而，当磁芯10设置为覆盖了金属板1时，能够更有效地抑制所述过热。

下面将描述根据本发明所述的控制加热温度分布的方法。在上面参考图11所描述的本发明中，在所述金属板的边缘部分附近由所述感应线圈所产生的磁通由所述磁芯来收集，并被返回到在与所述感应线圈相对的一侧的所述金属板的表面，以便抑制在所述金属板的边缘部分附近流动的感应电流。通过在与所述金属板的边缘部分附近的感应线圈所产生的磁通所感应出的电流相反的方向上感应出电流，可以减小在所述金属板的边缘部分的一侧流动的形成小环路的感应电流。为了如愿控制加热温度分布，特别是在所述金属板的边缘部分处的温度分布，由磁芯10所收集的磁通量可以变化，或者，所收集的磁通的返回之处以及其密度可以变化，从而抑制在所述金属板的边缘部分处流动的电流。图20是一个示意的局部平面图，显示了当倾斜的感应线圈2a被安置在金属板1上时磁芯10是如何被安置的。上述图11是一个示意图，它对应着图20中的A-A截面。为了改变磁芯10所收集的磁通量，可以改变所述磁通进入磁芯10的截面的面积(所述磁芯的宽度和厚度)，可以改变磁芯10与感应线圈之间的距离(图20中的L)，或者改变磁芯10所覆盖的感应线圈外侧处的金属板的面积(正比于图20中的d和w之积)。这就可以改变进入磁芯10的磁通量。

至于通过使进入磁芯10的磁通返回所述金属板来控制加热温度分布，可以增加或减小在与所述感应线圈相对的一侧的磁芯10的面积(正比于图20中的d和w之积，在所述前表面和后表面上方的d和w不一定要彼此相等)、可以改变磁芯10的从所述金属板边缘部分算起的位置(图20中的P或图11中的G)、或者可以改变磁芯10与金属板1之间的距离(图11中的H)。通过控制在上述相反方向上由磁芯10所感应出的电流的大小，可以改变在所述金属板的边缘部分处所产生的热分布。

图21显示了一个连续控制磁芯10和金属板边缘部分之间的水平距离(图20中的L)的例子。磁芯10被置于台板12上，而台板12被安装在轨道13上，台板12由驱动装置14进行移动。磁芯10可以自由移动，从而可以自由控制磁芯10覆盖金属板1的面积。所以，如果在跟着感应加热设备的台子上提供温度测量装置，从而进行感应加热，那么可以获得希望的温度分布。就是说，如果加热后在所述金属板的边缘部分处温度分布较高，那么，将磁芯10推向所述金属板的内部，以便增加所述磁芯覆盖所述金属板边缘部分的面积。相反，如果在所述金属板的边缘部分处温度分布较低，那么，将磁芯10沿着与所述金属板边缘部分远离的方向拉出。

此外，可以使用图21中的机构在例如金属板1曲折前进的情形中将磁芯10安置在合适的位置处。此外，如果移动长度可以延长，那么当所述金属板的宽度变化时可以将磁芯10设置在合适的位置处。用来移动磁芯10的部件被放置在磁场很强的地方。所以，希望这些部件由强度尽可能大的不导电材料(诸如树脂或陶瓷)制成。当不得不使用金属来做上述部件时，应该使用非磁性金属材料(诸如SUS304)，并且当存在产生热量的可能性时必须使用冷却结构。此外，如果所述金属板曲折前进时，那么，其位置会经常偏离预设的感应线圈，并且在所述金属板的两侧边缘部分温度会变得太高或太低。然而，即使在这样一种情形中，使磁芯10移动以便与金属板1的曲折移动匹配，从而获得希望的加热温度分布。为了调节温度，在所述感应加热设备之前或之后安装曲折运动探测装置或监视装置，以便正确地获得所述金属板的移动位置以及加热温度分布。为了获得希望的温度分布，在所述设备的出口端(并且最好也在所述设备的入口端)提供温度分布测量装置，以便控制所述磁芯的位置，从而进行合适的加热。

如果能够将磁芯10自由地推进以及拉出所述金属板的边缘部分，那么，可以自由地控制所述金属板边缘部分的温度。当所述磁芯从所述金属板边缘部分被推进通常约50mm时就可以产生温度控制效应，尽管根据所提供的电功率、频率以及所述金属板的相对磁导率上述推进距离会有变化。如果覆盖所述金属板边缘部分的面积增加，那么，在金属板1中所感应出的电流不仅会抑制反转的电流环路9，而且会从所述感应线圈正下方所产生的主要电流中减少流入所述金属板边缘部分的电流。于是，与所述金属板中心部分处的温度升高量相比，可以降低所述金属板边缘部分处的温度升高量。当在用于对例如钢板或铝板进行热处理的气体加热炉中加热所述金属板时，在许多情形中，温度分布使得温度在所述金属板的边缘部分较高，这是由于金属板的边缘部分受到炉壁辐射的影响，或者热量通过传送辊从金属板的中心部分移走。当所述感应加热设备最终将所述金属板加热到预定温度时，如果所述金属板通过感应进行加热，维持一种能够抑制所述金属板边缘部分处的温度升高量从而使所述金属板的边缘部分不会过热的加热模式，那么就可以获得优质的金属板。

下面，图22(a)和图22(b)显示了这样一个例子，其中，所述感应线圈和磁芯移动时都伴随着金属板宽度在变化。图22(a)显示了在所述金属板的宽度为w1的状态中当所述感应线圈2a和2b设置为沿移动方向发生偏移、并且所述两个感应线圈只在它们面对金属板1的边缘部分的一端处发生倾斜时的形状。所述感应线圈在金属板1上的投影是平行四边形形状。磁芯10被安置在所述两个倾斜线圈的外侧。

图22(b)显示了所述金属板宽度从上述状态扩展为w2时的状态。感应线圈2a和2b在移动时沿金属板宽度方向展宽，同时保持着所述倾斜导体与所述金属板边缘部分相交的各个位置的相互关系。所述磁芯也随着线圈2a和2b移动，同时保持着与所述金属板边缘部分的相对位置关系。尽管维持了与所述金属板边缘部分的相对位置关系，但考虑到金属板1被加热前的状态会随着上述金属板的宽度或随后步骤中的温度滞后而发生变化，希望通过使用图21中的装置之类对磁芯10的位置在一定程度上进行调节。此外，如果基于用于探测金属板1的位置的装置和对加热温度分布进行测量的温度测量装置所提供的数据来控制所述感应线圈的位置和所述磁芯的位置，那么就能够获得高质量的感应加热，同时维持稳定性。

如上所述，所述加热设备和加热方法使得可以进行高精度加热，不管所述金属板的厚度如何，也不管所述金属板是磁性的还是非磁性的。至于加热电源的频率，如果所述频率太低，像一般的LF型感应加热，那么在所述金属板中感应出的电流趋向于分散，并且加热效率降低。然而，如果所述频率为几个KHz或更高，像正常情况那样，那么可以有效地进行加热。甚至对于薄板，所述频率也不必特别高而超过100kHz，并且，相对较低的频率可以由容易操作的便宜的电源来实现。如果用高频来进行加热，那么，阻抗会增加，并且线圈电压趋向于变高。这就会带来一个问题，即，电源和电缆必须是耐高压的。然而，本发明很容易就避免了这个问题，并大大减小了对硬件的限制。

根据本发明，只要一种感应加热设备就可以覆盖很宽的应用，不管所述板的大小和种类如何。本发明所述的感应加热设备不仅防止了常规的感应加热设备中存在的板边缘部分处的过热问题，而且在进行加热时只在所述板的边缘部分保持温度较低。因此，可以在整个板的宽度上自由地控制加热温度分布。就是说，本发明所述的金属板的加热设备具有常规加热设备所没有的优异特性，可以精确地控制温度分布。

例子

(例1)

为了确认本发明的有利效果，对厚度为0.5mm且宽度为800mm的SUS304非磁性钢板在其传送中进行加热实验。

所用电源为10kHz、最大功率为100kW的高频电源。使用匹配电容器来调节共振频率，通过增大或减小所述匹配电容器的电容来适合所述感应线圈的电感，可以实现匹配。所用感应线圈是单匝感应线圈，它由通过在与所述钢板相对的一侧(外侧)将外径10mm内径8mm的水冷铜管铜焊到宽度150mm板厚10mm的铜板上所形成的水冷铜板来制成。在本例中，所述导体包括所述铜板和所述铜管。在所述感应线圈和要加热的SUS304板之间为200mm的间隙，在所述金属板移动的方向上，在其中心部分处，所述前感应线圈和所述后感应线圈之间的间隙为350mm。

所述感应线圈的形状如图16所示，该感应线圈在所述金属板移动的方向上，在其中心部分处，在所述金属板的前后表面上偏移200mm。所述倾斜的感应线圈在两端以α＝20°面对所述边缘。

使用无取向电磁钢板作为所述磁芯。在实验中，将K热电偶熔接在要加热的材料上，以便在传送所述金属板的同时对其进行加热，并且估计所述金属板中心的温度和所述金属板边缘的温度之间的温度差(边缘处的温度-中心部分处的温度)。

在实验中，使用具有感应线圈(即，如图16所示以角度α＝20°倾斜的前后导体2a和2b)和被安置在所述倾斜导体的外侧的磁芯10的感应加热设备。

在例A中，宽度为10cm、厚度为2cm以及高度为40cm的平板形状(图23)的磁芯被安置在远离金属板1的边缘部分5cm的位置处。在例B中，宽度为5cm、厚度为2cm、高度为50cm以及深度20cm的U形形状(图24)的磁芯被安插在所述倾斜的感应线圈的中心部分的外侧，距离所述钢板的边缘部分10cm，从而进行加热。在例C中，除了所插入的磁芯距离所述钢板的边缘部分5cm外，其它条件与例B中的条件相同。在例D中，所述磁芯被类似地安置在所述钢板的边缘部分的位置处。

此外，在实验中，对照例E的条件与例A到C的条件相同，但不使用所述磁芯，对照例F将所述感应线圈平行放置，如图3所示，不倾斜，而对照例G进行LF型感应加热，使所述前后感应线圈一个在另一个上发生重叠，如图1所示，并且所述对照例与所述例子进行比较。

在所述例子和所述对照例中，所述钢板的传送速率为7m/min。

结果示于表1中。由于在加热之前和之后温度是不同的，所以，通过将所述钢板的最大温度升高量除以其最小的温度升高量来比较所述温度偏差(温度偏差率＝(最大温度升高量-最小温度升高量)÷最大温度升高量)。

表1

                    温度偏差率     注释

         例A        2.21

                                   边缘温度＜板中

本发明   例B        1.12           心的温度

         例C        1.03

         例D        1.82

         对照例E    4.5

对照例   对照例F    12.1

         对照例G    -              不能加热

加热频率被调节到10kHz±1kHz以上。

在使用常规LF型感应加热设备的对照例G中，根本不能进行加热。在对照例E和F中，能够进行非磁性加热。然而，当对比对照例E和F时，所述温度偏差在对照例E(其中，所述感应线圈相对于所述钢板的边缘部分是倾斜的)中比在对照例F(其中，所述感应线圈是平行安置的)中要小。然而，在所述钢板的边缘部分处温度升高量很大，这导致过热。此外，所述钢板的边缘部分发生变形，向边缘波一样。另一方面，在根据本发明所述的例A、B、C和D中，可以确认，所述温度偏差很小。即使如在例A中那样只是将所述磁芯放置在所述钢板的边缘部分的外侧，与对照例E相比，也显示出了抑制所述边缘部分处的温度的效果。当如在例B中那样所述磁芯覆盖了所述钢板的很大部分时，抑制所述钢板的边缘部分处的温度的效果就很大，并且所述钢板的边缘部分处的加热温度低于所述钢板的中心部分处的温度。在例C中(其中，所述金属板的边缘部分被覆盖的面积减小)，获得了最佳温度分布。在例D中(其中，所述磁芯被置于所述金属板的边缘部分处)，抑制所述边缘部分处的温度的效果不如例B和C的效果大，但可以确认，在所述边缘部分处，能够大大地抑制所述温度偏差。从上述实验中，可以确认，根据所述磁芯覆盖所述钢板的面积或所述距离，可以控制加热温度分布。此外，在上述实验中，尽管所述钢板和所述感应线圈之间的距离大到200mm，但仍然可以进行加热，没有问题。

例2

使用具有图8所示形状的感应线圈，并在使用磁芯和不使用磁芯的情况下测量加热温度分布的差异。所述感应线圈的宽度为150mm，像例1中那样，其在所述金属板的中心部分处所述前后导体相互平行的那部分的上方具有长度为50cm的长边(在所述金属板移动方向上的外侧的边)，其前后导体朝着两侧边缘部分倾斜45°。所述前后感应线圈的配置使得当其做垂直投影时，在所述SUS 304板移动的方向上，其内侧之间的距离为20cm。在本发明所述的例H中，将例1中所使用的宽度为5cm、厚度为2cm、高度为50cm以及深度为20cm的U形磁芯从所述金属板的边缘部分与所述导体线圈的倾斜中心部分成直角向内插入50mm(基于较长的边)，从而进行加热。此外，在对照例I中，进行加热的条件与例1中的加热条件相同，但不使用所述磁芯。

于是，在对照例I的情形中，温度偏差率为2.01，而在使用磁芯的例H的情形中，可以确认，温度偏差被大大地改善为1.28。

(例3)

宽度为150mm的前后感应线圈分开200mm并倾斜45°，如图14所示，比较在SUS304板的边缘部分处安置与不安置磁芯时的温度偏差。所用磁芯与例1和例2中的磁芯相同。在本发明的例J中，在与感应线圈横过所述SUS304板边缘部分的点相距100mm的位置处推进所述磁芯，而在对照例K中，不使用磁芯，比较两者的温度偏差。在不使用磁芯的对照例K的情形中，温度偏差率为3.2，而在使用磁芯的例J的情形中，可以确认，温度偏差率被改善到1.9。

(例4)

使用具有图18(a)所示形状的感应线圈，在使用磁芯和不使用磁芯的情况下测量加热温度分布的差异。所述感应线圈的宽度为150mm，如例1中那样，其在所述金属板的中心部分处所述前后导体相互平行的那部分的上方具有长度为50cm的长边(在所述金属板移动方向上的外侧的边)，并且在距离所述SUS304板的两侧边缘部分150mm的位置处与所述金属板的边缘部分相互平行。所述前后感应线圈设置为使得当其做垂直投影时，在所述SUS 304板移动的方向上，其内侧之间的距离为40cm。将例1中所使用的宽度为5cm、厚度为2cm、高度为50cm以及深度为20cm的U形磁芯安置在与所述前后感应线圈横过所述SUS304板的边缘部分的位置相距50mm的位置处，以便覆盖从所述金属板向内50mm的金属板边缘部分，然后进行加热。在本发明所述例L中使用磁芯，在对照例M中不使用磁芯，从而比较温度偏差。加热条件与例1相同。

于是，在对照例M的情形中，温度偏差率为2.7，而在使用磁芯的例L的情形中，可以确认，温度偏差被大大地改进到1.5。

Claims (7)

1.一种感应加热设备，用来对移动穿过环绕的感应线圈的内部的金属板进行加热，其中，在所述导体在所述金属板上的垂直投影图像中，作为所述感应线圈一部分的各所述导体被安置在所述金属板的前表面一侧和后表面一侧，在所述前表面一侧的所述导体和在所述后表面一侧的所述导体设置为在所述金属板宽度方向上的所述金属板中心部分处沿所述金属板的长度方向彼此不重叠；

在所述前表面一侧和所述后表面一侧中的至少一侧的所述导体设置为相对于所述金属板的宽度方向发生倾斜，或者，所述前表面一侧和所述后表面一侧的所述导体设置为在所述金属板宽度方向上的所述金属板的至少一个边缘部分处沿所述金属板的长度方向在垂直投影图像中至少是部分重叠的；以及

磁芯被设置为从所述所述金属板的前表面一侧跨过所述金属板的边缘部分到所述金属板的后表面一侧，处于被倾斜安置的所述导体的外侧，或者处于连接所述导体的中心部分和所述导体的边缘部分的那部分导体的外侧，其中所述导体设置为在所述垂直投影图像中彼此至少是部分重叠的。

2.根据权利要求1所述的感应加热设备，其特征在于，在所述前表面一侧和在所述后表面一侧的所述导体设置为在所述金属板宽度方向上的所述金属板中心部分处沿所述金属板的长度方向彼此是不重叠的，在所述前表面一侧和所述后表面一侧中的至少一侧的所述导体设置为相对于所述金属板的宽度方向发生倾斜，或者，所述前表面一侧和所述后表面一侧的所述导体设置为在所述金属板宽度方向上的所述金属板的至少一个边缘部分处沿所述金属板的长度方向彼此至少是部分重叠的；以及

其中，所述磁芯设置为从所述所述金属板的前表面一侧跨过所述金属板的边缘部分到所述金属板的后表面一侧，从而产生磁通流，以抵消与流过的对应着所述导体配置形状的感应电流一起形成的电流小环路，所述感应出来的小环路出现在倾斜设置的所述导体的外侧，或者出现在连接所述导体的中心部分和所述导体的边缘部分的那部分导体的外侧，其中所述导体设置为在进行感应加热的所述金属板的平面中彼此至少是部分重叠的。

3.根据权利要求1或2所述的感应加热设备，其中，所述导体的垂直投影图像的形状为六边形、梯形、平行四边形、矩形，其中所述图像的中间部分是平行的、圆形、椭圆形或平行线。

4.根据权利要求1到3之一所述的感应加热设备，其中，提供所述磁芯，使其覆盖所述金属板边缘部分的前表面一侧和后表面一侧。

5.根据权利要求1到4之一所述的感应加热设备，其中，所述磁芯的截面形状为平板形或U形。

6.根据权利要求1到5之一所述的感应加热设备，其中，所述磁芯的位置相对于所述金属板是可变的。

7.根据权利要求1到6之一所述的感应加热设备，其中，在所述前表面一侧和后表面一侧中的至少一侧的所述导体能够沿着所述金属板的宽度方向移动，并且所述磁芯在移动时与所述导体互锁。

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