CN102106185A - 导电厚板的电感应边缘加热 - Google Patents

Abstract

包括导电、非铁材料的厚板的边缘的电感应加热使用包括一对线圈部分的横向磁通感应线圈实现，其中厚板在线圈部分之间通过。线圈部分横向延伸超出厚板的两边缘。磁通集中器位于在厚板上方和下方的线圈部分区域附近。磁通补偿器在厚板边缘附近插入在线圈部分的两对向延伸端之间。作为备选，可以仅感应加热厚板的边缘之一。

Description

导电厚板的电感应边缘加热

相关申请交叉引用

本申请要求2008年7月25日申请的美国临时申请61/083,547的权益，其通过引用全部组合于此。

技术领域

本发明涉及由导电、非铁材料形成的厚板的电感应边缘加热。

背景技术

典型的传统横向磁通电感器包括具有两段的感应线圈。连续或不连续长度的导电片材材料可通过下述步骤沿其截面感应加热：将材料放在线圈的两段之间；向线圈提供交流电流；及移动材料穿过线圈的两段。例如，在图1中，感应线圈包括线圈部分101和线圈部分103，分别位于材料的上方和下方，材料例如可以是金属带90并按箭头所示方向连续移动穿过线圈。对于定向，三维正交空间由图1中所示的X、Y和Z轴定义。因此，前述带按X方向移动。为清晰起见，线圈部分之间的间隙g_c或开口在图中夸大，但跨带的截面的长度固定。线圈部分101的端子101a和101b及线圈部分103的端子103a和103b连接到一个或多个适当的交流电源(未在图中示出)，该电源具有图中所示的瞬时电流极性。电流流过线圈产生共用磁通，如典型的磁力线105(由虚线图示)所示，其垂直穿过带以在带平面中感生涡流。磁通集中器117(在图中部分在线圈部分101周围)，例如迭片或其它高磁导率、低磁阻材料可用于将磁场导向金属带。为有效感应加热，交流电流频率(f，Hz)的选择由下面的等式给出：

$f=2\×{10}^6\frac{\mathrm{\ρ}\·g_c}{{\mathrm{\τ}}^2\·d_s}$

其中ρ为按Ω·m测量的金属带的电阻率；g_c为按米测量的线圈部分之间的间隙(开口)；τ为按米测量的线圈的磁极距；及d_s为按米测量的金属带的厚度。

图2示出了当线圈的磁极距相对小及从上述等式计算的频率相应低时，使用图1的结构获得的典型截面带加热曲线。在图2中，X轴表示带的归一化截面坐标，带的中心为坐标0.0，及带的两边缘为坐标+1.0和-1.0。Y轴表示从带的感应加热获得的归一化温度，归一化温度1.0表示跨带的中间区域111大致均匀加热的温度。在较靠近带的边缘处，即区域113(称为肩区域)，带的截面感应温度从归一化温度值1.0降低，然后在带的边缘区域115处增加到高于1.0的归一化温度值。

在一些多步骤工艺过程中，材料被初始加热然后传到第二处理步骤。在从初始加热到第二处理步骤的过渡中，材料边缘可能明显冷却。因此，在材料的初始加热和第二处理步骤之间必须对材料进行一些类型的边缘加热。

相对于电感应加热，带可定义为在处理中感应加热的片材材料，其中在材料中感生的涡流的标准穿透深度小于材料的厚度。相反，厚板可定义为在处理中感应加热的片材材料，其中在材料中感生的涡流的标准穿透深度大于材料的厚度。根据材料是带还是厚板，感应加热片材材料的边缘的技术方法可不同。

本发明的目标在于提供通过以非传统方式利用横向磁通感应线圈对导电厚板材料进行边缘加热的装置和方法，其中相比于跨厚板的横向宽度更均匀分布，感应加热集中在厚板的边缘处。

发明内容

一方面，本发明为用横向磁通线圈电感应加热导电厚板材料的边缘的装置和方法，其通过：将线圈的横向端延伸超出厚板的两边缘，及将磁通补偿器插入在线圈的邻近于每一边缘的延伸段之间的区域中。

另一方面，本发明是感应加热导电材料厚板的至少一横向边缘的厚板边缘感应加热装置和方法。提供一对横向磁通线圈部分。该对横向磁通线圈部分的每一线圈部分具有一对横向线圈段。所述一对横向磁通线圈部分之一的一对横向线圈段中的每一线圈段与所述一对横向磁通线圈部分中的另一线圈部分的一对横向线圈段分隔开以形成厚板感应加热区域，厚板可通过该区域，厚板的长度方向定向为实质上垂直于所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的一对横向线圈段。所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段彼此共面相隔线圈节距距离。所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段具有延伸的横向端，其横向延伸超出厚板感应加热区域中的厚板的至少一边缘。所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段的延伸的横向端通过定向成实质上与厚板感应加热区域中的厚板的长度方向平行的、单独的纵向线圈段连接在一起。每对横向线圈段的延伸的横向端与纵向线圈段形成所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的延伸的横向端和纵向线圈段之间的边缘补偿器区域。至少一磁通集中器实质上在面向远离厚板感应加热区域的方向的所有方向至少包围所述一对横向磁通线圈部分的横向线圈段。至少一交流电源连接到所述一对横向磁通线圈部分，使得瞬时电流按同一方向流过所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分。至少一交流电源中的每一个具有根据下式确定的输出频率f_slab：其中ρ_slab为厚板的电阻率，及d_slab为厚板的厚度。导电补偿器位于边缘补偿器区域内。

本发明的这些及其它方面在本说明书及所附权利要求中提出。

附图说明

为说明本发明的目的，图中示出了目前优选的形式。然而，应当理解，本发明不限于所示的精确安排和手段。

图1示出了现有技术横向磁通电感器结构。

图2示出了图1的横向磁通电感器结构的典型截面感应加热特性。

图3为本发明的厚板边缘感应加热装置的一例子的俯视平面图，其中只能看见横向磁通感应线圈的上部分。

图4(a)为图3中的厚板边缘感应加热装置通过图3的线A-A的正视图。

图4(b)为图3中的厚板边缘感应加热装置通过图3的线B-B的正视图，其中连接的一个例子为连接到电源。

图4(c)为图3中的厚板边缘感应加热装置中使用的磁通补偿器的一个例子的等距图。

图4(d)为图3中的厚板边缘感应加热装置通过图3的线C-C的正视图。

图5示出了图3、图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)的横向磁通电感器结构的典型截面感应加热特性。

图6(a)示出了使用具有延伸超出厚板边缘的横向端的横向磁通电感器相较于图6(b)中所示的横向端位于片材材料边缘附近的横向磁通线圈的优点。

图7(a)示出了本发明实现的典型磁通场相较于图7(b)中所示的现有技术实现的典型磁通场的有利之处。

具体实施方式

现在参考附图，其中同样的附图标记指同样的元件。在图3、图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)中示出了本发明的厚板边缘感应加热装置的一个例子。

厚板91在横向磁通线圈部分12a和12b的横向线圈段12a₁和12b₁之间沿X方向移动，横向磁通线圈部分分别位于厚板的两侧面的上方和下方并构成横向磁通电感器(感应线圈)12。两个线圈部分优选在Z方向彼此平行。由高度传导的材料如铜成分形成的导电补偿器20邻近于厚板的两边缘布置在边缘补偿器区域内，如下详细所述。线圈部分12a和12b优选连接到单一电源92，例如如图4(b)中所示，使得瞬时电流按箭头所示的方向流动。在电源在图4(b)中每一线圈的一端连接到两个线圈部分的同时，在本发明的其它例子中可使用其它适当的电源连接点。例如，电源连接可在横向线圈段中连接到每一线圈部分。优选单一电源而不是每一线圈部分使用单独的电源，使得容易在上和下线圈部分之间实现磁通对称。磁分路器94(在图3中仅为线圈部分12a的横向段12a₁示出)在构成一对线圈部分12a和12b的每一横向线圈段附近延伸。每一线圈部分具有相隔磁极距距离(x_c)的一对横向线圈段。每一横向线圈段横向延伸超出厚板的横向边缘，例如如图3中所示的横向线圈段12a₁。相邻横向线圈段的延伸端通过可定向成实质上与厚板的长度方向平行的纵向线圈段连在一起。例如，如图3中所示，横向线圈段12a₁的一对相邻端通过纵向线圈段12a₂连在一起。在图3中所示的本发明实施例中，横向线圈段12a₁的对向延伸端通过由线圈段12a′和12a″的组合形成的纵向线圈段连在一起，其进而将横向磁通线圈部分连接到交流电源。优选地，分路器在每一横向线圈段上方至少延伸在线圈部分之间移动的厚板的整个宽度以将因电流在线圈部分中流动产生的磁通导向厚板91的表面。

在本发明中，将横向磁通线圈用作由非铁磁成分形成的厚板的边缘加热器的基础在于应选择电源92的输出频率f_slab使得其大于由下面等式确定的值：

$f_{\mathrm{slab}}>0.5\·{10}^7\·\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{slab}}}{d_{\mathrm{slab}}^2}\right)$ [等式(1)]

其中ρ_slab为按Ω·m测量的厚板材料的电阻率，及d_slab为按米测量的厚板的厚度。

如果提供装置96(图3)以在Y方向(横向)移动补偿器从而适应厚板宽度的变化，则可通过本发明的一种方案调整横向厚板宽度的范围。例如，用于移动补偿器的装置可为结构上连接到补偿器并连到一个或多个线性执行机构(或手动操作)的输出的直轨或杆。

在本发明的一特定例子中，横向宽度(w_slab)在1000mm和2150mm之间及厚度在30mm和60mm之间的厚板可与下面的本发明厚板边缘感应加热装置适应。每一横向磁通线圈部分的一对横向线圈段的节距(x_c)约为900mm，及每一线圈部分的宽度(y_c)约为2400mm，构成每一横向线圈部分的线圈具有约240mm的宽度(w_coil)，当线圈部分形成为矩形导体时，如图4(d)中所示，具有可选的用于流过冷却介质如水的内部中空通道。随着线圈节距与厚板宽度的比增加，在厚板边缘中感生的功率与在厚板的其余横向截面中感生的功率的比也将增加。每一补偿器20由导电材料如铜成分形成，具有约1300mm的长度x_comp、约900mm的宽度y_comp、和仅稍小于防止补偿器和相邻线圈部分之间短路所必需的间隙z_gap的高度z_comp。上线圈部分12a和下线圈部分12b之间的距离(间隙)z_gap约为250mm。当厚板的宽度改变时，补偿器应沿Y方向移动以使厚板边缘和相邻补偿边缘之间的分隔y_gap最小。例如，y_gap为40mm的距离可能足以使厚板在补偿器之间沿Y方向迂回前进。当厚板的宽度从最大2150mm变为1000mm时，图3中的距离d₁将从约零变为575mm，及补偿器沿Y方向移动以适应各种宽度。选择在本发明的该例子中使用的磁通补偿器的尺寸使得每一磁通补偿器位于边缘补偿器区域中，该区域建立在对向线圈部分12a和12b的横向线圈段的延伸横向端及邻近的纵向段之间并与每一厚板边缘相邻。

厚板、线圈和补偿器的上述相对尺寸已发现为使用本发明的横向磁通线圈结构对如上所述的多种厚板进行厚板边缘加热的最有利尺寸。上述结构延伸到本发明的其它例子中的其它构造。图5示出了用本发明可实现的边缘加热的两个例子，其中具有2150mm或1000mm宽度的厚板的最远边缘可实现50℃的厚板边缘感应加热温度，而在厚板的中央截面区域将出现5℃的标称温度上升。如图5中所示，对于宽度1000mm的厚板，厚板的横向边缘使用本发明的厚板边缘感应加热装置可将厚板的内部横向宽度(w_s1)的约65％感应加热到前述温度(5℃)的10倍(50℃)。对于宽度2150mm的厚板，厚板的横向边缘使用本发明的厚板边缘感应加热装置可将厚板的内部横向宽度(w_s2)的约80％感应加热到前述温度(5℃)的10倍(50℃)。

延伸本发明中使用的横向磁通电感应线圈的横向端使在带的边缘区域中感生的电流的集中最大化。在图6(b)中，线圈的横向端位于厚板边缘附近，厚板的最远边缘中的瞬时感生涡流流动(由具有箭头的线93b表示)因而感应加热未最大化；然而，如图6(a)中所示，在具有延伸的横向线圈端及磁通集中器的本发明中，厚板的最远边缘中的感生涡流流动(由具有箭头的线93a表示)最大化。

基于厚板材料的电导率和厚板的厚度选择工作频率f_slab导致如图7(a)中所示的磁通分布99(虚线)，这对边缘加热最有利，与图7(b)中所示的现有技术磁通分布98(虚线)相反。通常，对于本发明中的有效边缘加热，厚板的厚度与标准涡流穿透深度的比优选约大于3。这与所述的现有技术带加热形成对比，其中标准涡流穿透深度小于带的厚度。

在横向磁通线圈的延伸端之间使用磁通补偿器(代替空气)大大降低线圈的阻抗并使能从电源提供足够的功率用于厚板的感应边缘加热。

移动穿过横向磁通线圈的横向磁通线圈部分的每一厚板可以是任何长度。

在本发明的上述例子使用具有单匝线圈部分的横向磁通电感器的同时，多匝线圈部分可用在本发明的其它例子中。在本发明的上述例子中的厚板边缘感应加热装置和方法的实施例用于加热厚板的两个横向边缘的同时，在其它例子中可仅感应加热厚板的横向边缘之一。

本发明已结合优选实施例进行描述。除明白陈述的之外，等效方案、备选方案及修改也是可能的且在本发明的范围之内。受益于本说明书的教示，本领域的技术人员可在不背离本发明的范围的前提下对其进行修改。

Claims (8)

1.用于感应加热导电材料厚板的至少一横向边缘的厚板边缘感应加热装置，该装置包括：

一对横向磁通线圈部分，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分具有一对横向线圈段，所述一对横向磁通线圈部分之一的一对横向线圈段与所述一对横向磁通线圈部分中的另一线圈部分的一对横向线圈段分隔开以形成厚板感应加热区域，厚板可通过该区域，厚板的长度方向定向为垂直于所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的一对横向线圈段，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段彼此共面相隔线圈节距距离，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段具有延伸的横向端，其横向延伸超出厚板感应加热区域中的厚板的至少一边缘，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段的延伸的横向端通过定向成与厚板感应加热区域中的厚板的长度方向平行的、单独的纵向线圈段连接在一起，所述延伸的横向端与纵向线圈段形成所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的延伸的横向端和纵向线圈段之间的边缘补偿器区域；

至少一磁通集中器，该磁通集中器在面向远离厚板感应加热区域的方向的所有方向至少包围所述一对横向磁通线圈部分的横向线圈段；

连接到所述一对横向磁通线圈部分的至少一交流电源，使得瞬时电流按同一方向流过所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分，至少一交流电源中的每一个具有根据下式确定的输出频率f_slab：

其中ρ_slab为厚板的电阻率，及d_slab为厚板的厚度；及导电补偿器位于边缘补偿器区域内。

2.根据权利要求1的厚板边缘感应加热装置，其中磁通补偿器为矩形，磁通补偿器的长度大于磁极距距离，所述补偿器的高度等于所述一对横向磁通线圈部分的延伸的横向端和纵向线圈段之间的距离同时保持所述一对横向磁通线圈部分之间的电绝缘，所述磁通补偿器的高度大于所述厚板的厚度。

3.根据权利要求1的厚板边缘感应加热装置，其中所述至少一横向边缘感应加热到至少为厚板的内部横向宽度的65％中的温度的十倍的温度。

4.根据权利要求1的厚板边缘感应加热装置，其中厚板的厚度与标准感生涡流穿透深度的比大于3。

5.根据权利要求1的厚板边缘感应加热装置，还包括响应于厚板在厚板感应加热区域中的横向宽度的变化移动导电补偿器的装置。

6.用于感应加热导电厚板的至少一横向边缘的方法，该方法包括步骤：

使导电厚板在一对横向磁通线圈部分之间通过，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分具有一对横向线圈段，所述一对横向磁通线圈部分之一的一对横向线圈段与所述一对横向磁通线圈部分中的另一线圈部分的一对横向线圈段分隔开以形成厚板感应加热区域，厚板可通过该区域，厚板的长度方向定向为垂直于所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的一对横向线圈段，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段彼此共面相隔线圈节距距离，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段具有延伸的横向端，其横向延伸超出厚板感应加热区域中的厚板的至少一边缘，所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的横向线圈段的延伸的横向端通过定向成与厚板感应加热区域中的厚板的长度方向平行的、单独的纵向线圈段连接在一起，所述延伸的横向端与纵向线圈段形成所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分的延伸的横向端和纵向线圈段之间的边缘补偿器区域；至少所述一对横向磁通线圈部分的横向线圈段在面向远离厚板感应加热区域的方向的所有方向由至少一磁通集中器包围；

向所述一对横向磁通线圈部分提供交流电流，使得瞬时电流按同一方向流过所述一对横向磁通线圈部分的每一线圈部分；

将交流电流频率设定为根据下式确定的厚板边缘加热频率f_slab：

其中ρ_slab为厚板的电阻率，及d_slab为厚板的厚度；及将导电补偿器插入在边缘加热补偿器区域内。

7.根据权利要求6的方法，还包括步骤：将导电厚板的至少一横向边缘感应加热到至少为厚板的内部横向宽度的65％中的温度的十倍的温度。

8.根据权利要求6的方法，还包括步骤：响应于厚板在厚板感应加热区域中的横向宽度的变化移动导电补偿器。

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