CN101809172A - 感应加热线圈的绝缘结构 - Google Patents

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Abstract

在一边使钢板通板一边对其进行连续加热时所用的感应加热线圈中，以往的感应加热线圈的绝缘结构是着眼于绝缘体本身的耐热性和绝缘性而选择的，判明了不能防止气氛中的金属微粒(例如锌烟尘)的进入造成的绝缘性下降。因而，本发明提供一种能够防止锌烟尘等金属微粒侵入的、即使在高温环境下强度也不降低的、能够延长感应线圈的使用寿命的感应加热线圈的绝缘结构。具体是，在感应加热线圈的表面被覆由氧化铝-氧化硅质的且不含硼的陶瓷长纤维形成的陶瓷布，并在其表面形成由陶瓷质表面硬化材料构成的耐热绝缘层，且该陶瓷质表面硬化材料含有氧化铝或氧化铝-氧化硅质的微粒、和氧化铝-氧化硅质的陶瓷短纤维。

Description

感应加热线圈的绝缘结构
技术领域
本发明涉及一边使钢板通板一边对其进行连续加热时所用的感应加热线圈的绝缘结构。
背景技术
在钢板的连续退火炉和钢板的镀覆设备的合金化炉等钢板制造设备中，为了对钢板进行快速加热，一直采用感应加热线圈。这样的感应加热线圈为了能够从表背两面对钢板均匀地进行加热，由内部具有钢板通路的筒状的线圈导体(螺线管型)、或上下夹持地设置的线圈导体(横向(traverse)型)等形态构成，其表面被具有耐热性的绝缘材料覆盖。
作为此用途的绝缘材料，以往一直使用隔热可铸耐火材料、或以氧化铝布等高温耐热纤维为代表的氧化铝系陶瓷等。
在日本特开2005-156124号公报(JP2005-156124A)中公开了一种与本申请发明不同的绝缘结构，该绝缘结构是与热锻材料的感应加热用线圈相关的绝缘材料，是用配合有多孔质耐火性骨架材料的不定形耐火材料覆盖感应加热线圈的内表面而成的。
在日本特开2006-169603号公报(JP2005-169603A)中公开了一种感应加热线圈，其是用途与本申请发明相同的感应加热线圈，其通过氧化铝系陶瓷进行绝缘。但是没有记载有关氧化铝系陶瓷的详细情况。
这样的以往的感应加热线圈的绝缘结构是专门着眼于耐热性和绝缘性而选择的，判明其不能防止因气氛中的金属微粒(例如锌烟尘)的侵入而导致的绝缘性下降。
在钢板的镀锌生产线中，在炉内的气氛中浮游着微细的锌烟尘，因此如果长时间持续运转，则因电磁力而使锌烟尘吸引附着在感应加热线圈的绝缘表面。而且，判明：其一部分附着、堆积在绝缘材料的粒子间隙或裂缝等中，有时沿着裂缝贯通绝缘材料，使线圈表面和与线圈接触的屏蔽板之间、或线圈间短路。
再有，在线圈线材的表面预先涂布清漆或瓷漆等绝缘涂料。可是，如果炉内温度超过450℃，这些绝缘涂料则烧损，露出铜线的表面。因此，如果锌烟尘侵入，则无法防止感应加热线圈的绝缘性下降。
如果发生如此的感应加热线圈的绝缘性下降，则招致生产线停运，造成大的损失。因此，强烈要求解决此问题的对策。此外为了避免这样的故障，需要通过定期检查把握绝缘劣化状况，并进行修理。
发明内容
本发明的目的在于，解决上述以往的问题，提供一种感应加热线圈的绝缘结构，该感应加热线圈是一边使钢板通板一边对其进行连续加热的感应加热线圈，该感应加热线圈的绝缘结构即使在几百℃的高温下的连续使用条件下，也能保持与初期同等以上的绝缘特性，而且能够防止因锌烟尘等金属微粒侵入而造成的绝缘性下降，从而能够延长感应加热线圈的使用寿命。
为了解决上述课题而作出的本申请专利的第1发明涉及一种感应加热线圈的绝缘结构，其是对钢板进行感应加热的感应加热线圈，其特征在于：在面向钢板的一侧的表面上被覆陶瓷布，在陶瓷布的感应线圈侧和/或钢板侧形成利用含有陶瓷短纤维的陶瓷质表面硬化材料而得到的耐热绝缘层。
再有，专利的第2发明是，能够将上述感应加热线圈形成为螺线管型。
专利的第3发明是，优选上述陶瓷布由氧化硅质或氧化铝-氧化硅质的且不含硼的陶瓷长纤维形成。
专利的第4发明是，优选上述陶瓷质表面硬化材料含有氧化铝或氧化铝-氧化硅质的微粒、氧化铝-氧化硅质的陶瓷短纤维、胶体氧化硅和有机粘接剂。
专利的第5发明是，优选上述陶瓷短纤维是将陶瓷纤维的膨体材料(bulk)分丝而得到的。
专利的第6发明是，优选向上述陶瓷布的表面喷涂上述陶瓷质表面硬化材料来形成耐热绝缘层。
此外，专利的第7发明是，上述感应加热线圈可以设置在钢板的连续退火炉中或镀覆设备的合金化炉中。
以下，对本发明的效果进行说明。
根据本发明的感应加热线圈的绝缘结构，在感应加热线圈的面向钢板的一侧的表面被覆陶瓷布，在陶瓷布的感应线圈侧和/或钢板侧形成利用含有陶瓷短纤维的陶瓷质表面硬化材料而得到的耐热陶瓷层。
在只用陶瓷布使线圈表面绝缘的情况下，有金属微粒贯通其网眼部分而侵入内部的可能性。可是，如果采用本发明的结构，则陶瓷质表面硬化材料中所含的陶瓷短纤维缠绕在网眼中，而且陶瓷粒子附着在该陶瓷短纤维上，从而完全封锁金属微粒。因此即使锌烟尘等金属微粒附着在表面上，也不能贯通绝缘材层，不会到达线圈表面。因此不会像以往那样产生感应加热线圈的绝缘性下降。
本发明的耐热绝缘层由耐热性及绝缘性优良的陶瓷布、含有陶瓷短纤维的陶瓷质表面硬化材料构成，因此即使在500～1200℃的高温条件下，也能长期发挥稳定的耐热性及绝缘性。
其结果是，能够消除起因于感应加热线圈的绝缘性下降的生产线停运。
根据第2发明，在对钢板进行感应加热的感应加热线圈为螺线管型时，可以至少只将面向钢板的内周面形成此结构。因为锌烟尘等金属微粒存在于钢板被通板的炉内。当然也可以用该耐热绝缘层覆盖感应加热线圈的内外两面。
根据第3发明，如果将陶瓷布规定为氧化硅质或氧化铝-氧化硅质的、且不含硼的陶瓷长纤维，则不会因加热时硼熔出而向周围的陶瓷布内部扩散渗透而劣化，能够发挥稳定的耐热性及绝缘性。这些陶瓷布的实用耐热温度在氧化硅质时在800℃以上、在氧化铝-氧化硅质时在1000℃以上，能够在可加热到800℃以上的高温用感应加热装置使用。
根据第4发明，只要陶瓷质表面硬化材料含有氧化铝或氧化铝-氧化硅质的微粒、氧化铝-氧化硅质的陶瓷短纤维、胶体氧化硅，就能够发挥稳定的耐热性及绝缘性。此外，由于陶瓷粒子和陶瓷短纤维为相同材质，因此相互间的附着性良好，能够提高防止金属微粒贯通的效果。
根据第5发明，如果陶瓷短纤维是将陶瓷纤维的膨体材料分丝而得到的，就能够降低制造成本。
根据第6发明，如果向陶瓷布的表面喷涂陶瓷质表面硬化材料，则涂敷作业性高，能够在大的面积上均匀地涂布。
根据第7发明，如果将对钢板进行感应加热的感应加热线圈设置在钢板的连续退火炉或镀覆设备的合金化炉中，则能够提高连续退火生产线或合金镀覆生产线的稳定性。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)是本实施方式中的感应加热线圈的中央剖视图。
图2是表示陶瓷短纤维和陶瓷粒子封锁陶瓷布的网眼的情况的说明图。
图3是耐电压实验中使用的器具的说明图。
图4是400℃时的本发明与以往品的线圈-框架间的绝缘状况的比较图。
具体实施方式
以下示出本发明的优选的实施方式。
图1(a)、(b)、(c)是本实施方式的一例中的感应加热线圈1的中央剖视图。图1(a)为在陶瓷布4的钢板侧形成有利用含有陶瓷短纤维的陶瓷质表面硬化材料7得到的耐热绝缘层的情况。图1(b)为在陶瓷布4的线圈侧形成有利用陶瓷质表面硬化材料7得到的耐热绝缘层的情况。图1(c)为在陶瓷布4的钢板侧及线圈侧的双方形成有利用陶瓷质表面硬化材料7得到的耐热绝缘层的情况。
感应加热线圈1包含线圈导体1a和线圈框架1b，由基体2支承。在这些实施方式中，感应加热线圈1是在中央具备使钢板S垂直通过的钢板通路3的螺线管型。可是，为了能够进行水平通板，也可以水平设置。
用图1(a)来说明本发明。该感应加热线圈1的面向钢板S的一侧的表面、即面临钢板通路3的表面被由陶瓷布4和陶瓷质表面硬化材料7形成的耐热绝缘层覆盖。也就是说，陶瓷布4被固定件5、6固定在感应加热线圈1的面临钢板通路3的表面上。优选采用密封胶将该陶瓷布4的中央部粘接在线圈框架1b上。然后通过在该陶瓷布4的表面上喷涂陶瓷质表面硬化材料7，从而以均匀厚度进行涂布。
以往，陶瓷布4一直被用于感应加热线圈的绝缘，其包括氧化硅质的陶瓷布及氧化铝-氧化硅质的陶瓷布。关于氧化硅质的陶瓷布，例如有日本玻璃纤维株式会社制的エヌシリカフアイバ一(最高耐热温度为1000℃)。关于氧化铝-氧化硅质的陶瓷布，例如有Nichias公司制的TOMBO No.8350ルビロン。
再有，作为陶瓷布，优选采用耐热性和绝缘性优良的氧化铝-氧化硅质的陶瓷长纤维的织布。在耐热性方面最优选的是氧化铝为70～80％、氧化硅为30～20％的组成。另外，优选在该组成中不含硼。因为担心硼在高温下熔出，使陶瓷纤维劣化。
这里，所谓长纤维，是将以氧化铝及氧化硅等为主成分的直径为几μm～10μm左右的非常细的陶瓷纤维捻合而以丝线状形成的纤维。例如，是指下述的陶瓷纤维：在氧化铝的情况下长度为5～10cm，在氧化硅的情况下长度为50cm或50cm以上，通过对其进行编织可形成布状的陶瓷布。
关于陶瓷布4的编织方法，有平纹编织、斜纹编织、缎纹编织等多种方法，但在本发明中未发现由编织方法的差异带来的作用效果的差异，因此可以是任意的编织方法。此外，陶瓷布的厚度优选为0.3～1.2mm左右。作为这样的氧化铝-氧化硅质的陶瓷布，例如能够使用日本玻璃纤维株式会社产的以超高温耐热纤维“アルミナセブン”(最高耐热温度为1200℃)的商品名销售的陶瓷布。
可是，如前所述，由于光用该陶瓷布4不能可靠地防止金属微粒的贯通，因此在本发明中在其表面涂布含有陶瓷短纤维的陶瓷质表面硬化材料7。该陶瓷质表面硬化材料7例如含有氧化铝或氧化铝-氧化硅质的微粒、氧化铝-氧化硅质的陶瓷短纤维、胶体氧化硅和有机粘接剂。
作为氧化铝-氧化硅质的组成，指的是以质量％计氧化铝为40～95％、氧化硅为60～5％，作为微粒的尺寸，按当量圆直径计为0.1～50μm左右。作为陶瓷短纤维，是直径为几μm～10μm左右、长度为几μm～500μm左右的陶瓷短纤维，优选采用将膨体材料分丝而得到的陶瓷短纤维。
另外，所谓膨体材料，是指在将氧化铝或氧化硅等原料熔融加工而进行纤维化的过程中，除去未纤维化的球状粒子(一般称为丸粒)而形成原棉状的制品。此外，作为有机粘接剂能够使用纤维素系的膏糊。
作为这样的陶瓷质表面硬化材料7，例如可以使用新日化サ一マルセラミツクス株式会社以“サ一モプレグ”的商品名销售的材料。该陶瓷质表面硬化材料7是以通过使陶瓷纤维的表面硬化来防止纤维飞散为目的的商品，具备最高使用温度达到1400℃的耐热性。
如果在陶瓷布4的表面上涂布这样的陶瓷质表面硬化材料7，则如图2所示，在陶瓷布4的网眼中缠绕陶瓷短纤维8。而且，附着陶瓷粒子9，可靠地堵塞陶瓷布4的网眼。由于它们都是相同的材质，因而粘接性也良好。因此在进行养护而使其硬化后，能够彻底防止锌烟尘等金属微粒的侵入。再有，其涂敷能够通过利用喷枪的喷涂来进行，因此即使在感应加热线圈1是筒状体时，也能够容易地涂敷到内部。
如图1(a)、(b)、(c)所示，无论将陶瓷质表面硬化材料7涂布在陶瓷布4的钢板侧，还是涂布在陶瓷布4的感应线圈侧，效果都相同。可以根据施工情况等选择任何一种。当然更优选涂布在感应线圈侧和钢板侧双方。
但是，在将陶瓷质表面硬化材料7涂布在陶瓷布4的钢板侧时，为了防止陶瓷质表面硬化材料7因某些故障造成的与钢板的接触而脱落，优选被覆陶瓷等耐热板或耐热片。
同样在水平设置感应加热线圈时，为了防止在钢板上侧的陶瓷布4的钢板侧涂布的陶瓷质表面硬化材料7的脱落，也优选采取相同的措施。
另外，除了这些绝缘结构，也可以将以往使用的高温耐热涂料(例如オオタケセラム株式会社制“Pyrocoat”等)、或陶瓷粘接剂(例如新日化サ一マルセラミツクス株式会社制“サ一モダイン”等)涂布在线圈导体1b与陶瓷质表面硬化材料7之间、或最表层的陶瓷质表面硬化材料7上表面、或最表层的陶瓷布上表面。
如以上说明，根据本发明的感应加热线圈的绝缘结构，通过用陶瓷布4和陶瓷质表面硬化材料7完全覆盖感应加热线圈1的面向钢板通路3的表面，能够在几百～400℃的使用温度条件下对感应加热线圈1进行绝缘保护。而且，还能够完全防止在钢板通路3中浮游的锌烟尘等金属微粒的侵入，防止绝缘性的下降。因此能够可靠地防止起因于感应加热线圈1的绝缘性下降的生产线停运。
在实际生产线中采用本发明时，如图4所示，确认：即使本发明的感应加热线圈在设置后经过3个月，绝缘电阻也维持在7MΩ。
另一方面，只用以往的陶瓷布覆盖的感应加热线圈在设置后经过2个月左右，绝缘电阻低于2MΩ，绝缘性劣化显著。
为了确认上述的本发明的绝缘结构的效果，进行了以下的实验。
实验1：涂布性试验
采用本发明中使用的陶瓷质表面硬化材料即“サ一モプレグ”、和化学成分与其相同但不含有短纤维的陶瓷粘接剂“サ一モダイン”，对在冷却铜板及氧化铝布(上述的“アルミナセブン”)上的涂布性能进行了比较。再有，“サ一モダイン”是与“サ一モプレグ”相同的新日化サ一マルセラミツクス株式会社的制品，化学组成都是氧化铝+氧化硅为95％以上、最高使用温度为1400℃。
在100mm×100mm的水冷式铜板的表面，用毛刷分别涂布“サ一モプレグ”和“サ一モダイン”，达到大约1.5mm的厚度，并养护制作2种试验片。通过通入3L/分钟的冷却水对这些试验片进行冷却，同时装入温度保持在650℃的电炉内，加热20分钟，然后在室内强制空冷20分钟，将此操作作为一组，重复5次，目视确认试验片表面的裂纹及脱落的发生状况。
其结果是，在水冷式铜板的表面涂布了“サ一モダイン”的试验片在养护结束阶段已经发生许多微细的裂纹，通过第1次的加热、冷却而发生部分的膨胀及剥离。
相对于此，在水冷式铜板的表面涂布了“サ一モプレグ”的试验片在养护结束阶段完全没有发生裂纹及剥离，即使在5次重复加热、冷却后，也完全没有发现裂纹及剥离。
接着，在氧化铝布的表面用毛刷分别涂布“サ一モプレグ”和“サ一モダイン”，达到大约1.5mm的厚度，并养护制作2种试验片。将这些试验片装入温度保持在650℃的电炉内，加热20分钟，然后在室内强制空冷20分钟，将此操作重复5次，目视确认裂纹及脱落的发生状况。
其结果是，在氧化铝布的表面涂布了“サ一モダイン”的试验片在养护结束阶段已经发生许多微细的裂纹，通过第1次的加热、冷却而发生部分的膨胀。相对于此，涂布了“サ一モプレグ”的试验片，不用说在养护结束阶段，在5次重复加热、冷却后，也完全没有发现裂纹及剥离。
根据该涂布性试验的结果，含有短纤维的“サ一モプレグ”无论对于铜板还是对于氧化铝布，粘接性都良好，而且即使重复加热及冷却，也没有发生裂纹及剥离，因此认为能够有效地防止锌烟尘等金属微粒的侵入。
实验2：耐电压试验
作为耐电压试验的试验片准备4种，即：在铜板表面只涂布了“サ一モプレグ”的试验片、在铜板表面涂布了氧化铝布和“サ一モプレグ”的试验片、在铜板表面只涂布了“サ一モダイン”的试验片、在铜板表面涂布了氧化铝布和“サ一モダイン”的试验片。
从4种试验片中选择1个，如图3所示，将试验片11安装在电压极10的顶端，使铜板制的接地极12与其表面接触，逐渐提高外加给电压极10的交流电压，同时检测在接地极12中流动的电流，试验了4种试验片11的耐电压性能。电源是商用电源，将其升压到2000V后使用。再有试验条件是温度为24℃、湿度为52％。
其结果是，在铜板表面只涂布了“サ一モプレグ”的试验片在1000V附近充电电流急剧增加，绝缘被破坏。可是，在铜板表面涂布了氧化铝布和“サ一モプレグ”的本发明品，即使升压到2000V，充电电流也为7mA左右，试验中的电流值也稳定，显示出良好的耐电压特性。相对于此，在铜板表面只涂布了“サ一モダイン”的试验片在1300V下绝缘被破坏。
此外，在铜板表面涂布了氧化铝布和“サ一モダイン”的试验片，升压到2000V时的充电电流为20mA左右，而且试验中的电流值在4～17mA的范围内变动，稍微不稳定。
再有，1000V时的电阻值按上述顺序为10MΩ、13MΩ、27MΩ、40MΩ。该结果表明，从综合的观点出发，显示最优的耐电压特性的是氧化铝布和“サ一モプレグ”的组合。
实验3：锌烟尘存在下的耐电压试验
为了接近于实际修补过的感应加热线圈的绝缘结构，将在陶瓷布上涂布了“サ一モダイン”的试验片、和在陶瓷布上涂布了“サ一モプレグ”的试验片层叠成2层，用与上述相同的方法进行耐电压试验，结果即使在2700V下充电电流也在8.3mA，显示出优良的耐电压特性。再有，试验条件是温度为26℃、湿度为46％。
因而，在以将锌烟尘散布在试验片上表面的状态下，同样地升压到2700V时，确认虽然充电电流上升到12mA，但试验中没有不稳定点，即使存在锌烟尘，也具有优良的耐电压特性。
将应用了本发明的氧化硅质、含硼的氧化铝-氧化硅质、无硼的氧化铝-氧化硅质的陶瓷布粘贴在与感应加热线圈相同的材质的水冷铜板上，然后在其上涂布“サ一モプレグ”，在温度500～1200℃下进行72小时(hr)的加热，评价了其绝缘性和强度，结果见表1。
另外，采用与上述实验2同样的装置进行了绝缘评价，在将商用电源升压到2000V，外加高电压时，表1中以○表示充电电压为7mA左右并具有良好的耐电压特性的情况、以×表示耐电压特性不良且发生绝缘被破坏的情况。此外，通过观察粘贴在水冷铜板上的各陶瓷布在高温处理中是否发生下垂等来进行强度评价，表1中以○表示能够保持其形态的情况，以×表示不能保持其形态的情况。
表1
由表1可知：所有的材料到600℃都显示出良好的绝缘性及强度。可是，氧化硅质在800℃时出现强度下降，在1000℃时还发生绝缘破坏。含硼的氧化铝-氧化硅质在1000℃时观察到强度下降。另一方面，可以确认：无硼的氧化铝-氧化硅质即使在1200℃时强度也不降低，并且保持良好的绝缘性。
通过在感应加热线圈中采用本发明的绝缘结构，即使在几百℃的高温下的连续使用条件下，也能保持与初期同等以上的绝缘性，而且能够防止因锌烟尘等金属微粒侵入而造成的绝缘性下降。其结果是，能够延长感应加热线圈的使用寿命。
由此，能够实现设备的稳定运转，能够避免因故障及设备检修导致的设备停运，因而非常有助于提高生产性。
此外，本发明当然并不局限于此，在其它金属材料的感应加热线圈中应用本发明，也能期待同样的效果，本发明是不仅在钢铁业界、而且在产业界也能广泛应用的技术，其贡献很大。

Claims (7)

1.一种感应加热线圈的绝缘结构，其是对钢板进行感应加热的感应加热线圈，其特征在于：在面向钢板的一侧的表面上被覆陶瓷布，在陶瓷布的感应线圈侧和/或钢板侧形成利用含有陶瓷短纤维的陶瓷质表面硬化材料而得到的耐热绝缘层。
2.根据权利要求1所述的感应加热线圈的绝缘结构，其特征在于：所述感应加热线圈为螺线管型。
3.根据权利要求1所述的感应加热线圈的绝缘结构，其特征在于：所述陶瓷布由氧化硅质或氧化铝-氧化硅质的且不含硼的陶瓷长纤维形成。
4.根据权利要求1所述的感应加热线圈的绝缘结构，其特征在于：所述陶瓷质表面硬化材料含有氧化铝或氧化铝-氧化硅质的微粒、氧化铝-氧化硅质的陶瓷短纤维、胶体氧化硅和有机粘接剂。
5.根据权利要求1所述的感应加热线圈的绝缘结构，其特征在于：所述陶瓷短纤维是将陶瓷纤维的膨体材料分丝而得到的。
6.根据权利要求1所述的感应加热线圈的绝缘结构，其特征在于：向所述陶瓷布的表面喷涂所述陶瓷质表面硬化材料来形成耐热绝缘层。
7.根据权利要求1所述的感应加热线圈的绝缘结构，其特征在于：所述感应加热线圈被设置在钢板的连续退火炉中或镀覆设备的合金化炉中。
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