CN102348299A - 用于加热扁平材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加热由导电的非磁性材料组成的扁平材料(1)的方法和装置，其中至少一个带传导直流电的绕组的线圈单元(2)可以以小的间距(d)绕一垂直于扁平材料(1)的大面的Z轴转动，并由此在扁平材料内感生出涡流。

Description

用于加热扁平材料的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过在由导电的非磁性材料组成的扁平材料例如扁锭、轧制带或板材中借助于至少一个带有传导直流电的绕组的线圈单元感生出涡流/涡电流来加热所述扁平材料的方法，该线圈单元绕一与扁平材料的大面垂直的Z轴(竖直轴线)被驱动转动，以便产生至少部分穿过扁平材料的磁场，该扁平材料被固定成不能绕Z轴转动。

另外，本发明还涉及一种适用于实施此方法的装置，亦即用于通过在由导电的非磁性材料组成的扁平材料例如扁锭、轧制带或板材中借助于至少一个带有传导直流电的、产生至少部分穿过扁平材料的磁场的绕组的线圈单元产生涡流来加热所述扁平材料的装置，其中所述线圈单元绕一与扁平材料的大面相垂直的Z轴被驱动转动，该扁平材料被固定成不能绕Z轴转动。

代替开头所说的扁平材料，下面主要使用术语“扁锭”。本发明的方法和装置特别适用于由铝或铝合金和铜或铜合金组成的扁锭，它们必须被加热到规定温度以便进一步加工、特别是轧制。

背景技术

由CH251179A已知这一类型的装置，该装置包括一线圈单元，该线圈单元包括一位于位置固定的芯部上的、传导直流电的绕组，该芯部被一由电机驱动的轴穿过。在该轴的端部上设有一带有两个作为南极的臂的毂体，所述臂离扁平材料的其中一个大面的距离很小。北极为一磁轭的端部，该磁轭包围所述绕组，并与毂体以不能相对转动的方式相连接。

由US-A-4315124已知，在一辊道输送装置上输送扁锭缓慢地穿过炉子，扁锭在安装在扁锭上方和下方的、被供给交流电的线圈单元之间穿过该炉子。

由US-A-4307276已知，在被供给交流电的线圈单元的磁场内感应加热一钢管，此线圈单元完全包围钢管。

由US-A4761527已知大量的用于通过半成品或工件在一静磁场或直流磁场中的运动来感应加热该半成品或工件的装置的实施形式。在一种实施形式中扁平材料在位于其上方和下方的线圈单元磁极件之间平移输送，或者倒过来线圈单元相对于静止的扁平材料平移运动。

由EP-B-1582091已知，使一由导电的非磁性材料组成的钢坯在一同心包围钢坯的、带超导绕组的线圈单元的内部转动，用这种方法在所产生的直流磁场中对钢坯感应加热。

借助被供给交流电的线圈单元的感应加热、亦即借助交变磁场产生短路电流的缺点是，在线圈单元的绕组中产生显著的欧姆损失以及在线圈单元的铁芯中产生反复磁化损耗和涡流损失。在常见的宽150cm、长500cm、厚例如20mm的扁锭的情况下，为了在可接受的时间——例如8分钟——内从室温加热到480℃，需要在扁锭内感生出约400kW的功率。

在通过例如一扁锭在一直流磁场中的可反向的平移输送来感应加热时，在线圈单元内的功率损失虽然基本上减小到绕组电阻与线圈电流平方的乘积，但尽管如此仍需要为线圈单元的绕组提供强烈冷却——通常通过使用由水流过的钢管。但这尤其是由于在“大型”工件(如扁锭)的情况中为实现工件的足够快的可反向的输送所需的极高的费用而被反对。

发明内容

本发明的目的是，更有效地设计开头所述类型的方法和提供适用于实现这种方法的装置。

按照本发明这个目的通过这样的方法实现，即借助于至少两个关于Z轴对称设置的线圈产生反方向的、穿过扁平材料的磁通，对于所述磁通，利用用于线圈的支承板作为磁回路部/磁轭(magnetischer Rückschluss)。

附加地可产生扁平材料和磁场之间的相对运动。

优选借助于线圈单元的超导绕组产生磁场。适用于此的超导导线和带材是现有技术。用这种方式，节省了在具有普导绕组的线圈单元中以废热形式形成的可观的功率损失。在一具有例如500kW的连接功率(由电产生的用于转动驱动装置的机械驱动功率和用于产生磁场的电功率的总和)的设备中，通过采用具有超导绕组的线圈单元所节省的电功率约为250kW。特别优选采用由高温超导材料组成的绕组，这是因为这样线圈单元可以不用液氦冷却而是用液氖或甚至液氮来冷却，因此对用于冷却的功率需求相应地减少了。

在具有超导绕组的线圈单元中，冷却优选通过空心轴借助于在固定不动的冷却机组和线圈单元之间的循环回路内流动的所述冷却流体之一来进行。

当仅冷却线圈单元的绕组时，能实现附加的节能。

为此绕组最好通过高导热能力的金属桥与安装在线圈单元中心的热交换器的低温侧相连接。

适用于实施此方法的开头所述类型的装置的突出之处在于，线圈单元包括一支承板，在该支承板上安装有关于Z轴对称的至少两个(优选三个或多个)线圈，其中每个线圈包括一个绕组和一个具有一朝向扁平材料的极面的铁磁芯。支承板做成磁回路部，该磁回路部用于线圈的背向扁平材料的磁极。

扁平材料和磁场可设计得可以彼此相对运动。

相邻线圈的磁极优选反方向地磁化，因为由此可提高扁平材料内的感应。这可以通过这样的方法达到，即相邻线圈的绕组用反方向的电流运行。这可以通过给绕组反方向供电、或者通过给绕组方向相反的绕组供以同方向电流来达到。

为了确保大部分磁通进入扁平材料，线圈极面之间的距离应为这些极面和扁平材料之间的气隙的至少三倍。

线圈安装于其上的支承板优选做成用于线圈的背向扁平材料的磁极的磁回路部。

为了进一步提高在扁平材料内的感应，可在扁平材料的背向线圈单元的(下部)大面上，离扁平材料一个气隙的距离处设置一磁回路板/磁轭板(magnetische Rückschlussplatte)。

如果在扁平材料的背向线圈单元的大面上，同样离该扁平材料一个气隙的距离处设置一基本上同类型的、转动的第二线圈单元，便能实现更高的感应。

由于上述原因，线圈单元的绕组是超导的，优选是高温超导的。

支承板的转动轴最好做成空心轴，该空心轴同心包围用于冷却流体的一输入管和一回流管、至少两条用于给线圈绕组供电的导线和一界定一隔冷的抽真空的环形腔的管子，其中在空心轴的背向支承板的端部上设置有一静止不动的制冷机，该制冷机提供循环过程中的冷却流体。

最好与驱动支承板的轴或者说空心轴同轴地、平行地与该轴或者说空心轴错开地设置一电机，该电机与所述轴或者说空心轴相驱动连接。为了电机、特别是三相交流电机或者异步感应电机的高的效率，传入扁平材料中的热功率差不多等于用来运行电机的电功率。这个电功率可以通过一确定电机转速的变频器非常方便地调节。

在线圈芯上作用有可观的离心力和磁力。因此为了机械安全性，这些线圈芯可以通过至少一个非磁性的加强板相连接。

如果线圈的绕组是超导，则由一共同的低温恒温器包围所述绕组，该低温恒温器对于每个线圈芯具有一不被冷却的通路。与冷却每个线圈相比和更甚与冷却整个线圈单元相比，由此节省了可观的冷却功率。

为了进行冷却，线圈单元包括一中央蒸发单元，该蒸发单元做成热交换器(所谓的冷头)，每个绕组均通过一高导热能力的金属桥与该热交换器连接。

线圈单元和扁平材料、例如扁锭可以在至少一个方向上相对彼此平移移动。通过沿扁锭纵向的平移运动，可以在扁锭的整个长度上将扁锭均匀地加热到希望的温度。如果扁锭的宽度大于转动的线圈单元的直径，那么可以通过在扁锭横向上的平移运动也达到在整个宽度上的均匀的加热。

扁平材料优选放在一直线输送机上，例如一辊道输送装置，其至少在转动的线圈单元的范围内由非磁性材料组成。

附图说明

在附图中示意简化地借助于一举例选择的实施形式示出本发明的装置，附图示出：

图1装置的一原理草图。

图2带仅仅一个线圈单元的透视图。

图3如图2中的具有更多细节的线圈单元的半剖视图。

图4图3中的线圈单元的局部放大图。

图5包括其一些辅助机组的本发明装置。

具体实施方式

图1仅阐明原理。扁锭1位于第一线圈单元2和第二线圈单元3之间。两个线圈单元2和3绕一垂直于扁锭1大面的轴线Z被驱动转动。线圈单元2包括一铁磁性的支承板20，在该支承板上关于Z轴对称地安装有两个线圈21和24，其中每个线圈各包括一个具有一朝向扁锭1的极面的铁磁芯22和25和一个超导绕组23或26。线圈单元3具有同样的结构。不管是同一块支承板20上的相邻线圈21和24的铁磁芯还是线圈单元2、3的关于扁锭1相对而置的线圈的铁磁芯都反方向地磁化，由此形成穿过扁锭1的、方向相反的磁通，所述磁通通过箭头B表示。线圈芯21、24的极面之间的距离L应该至少约为这些极面与扁锭1之间的气隙的三倍，以便使不穿过扁锭1、直接从极面到极面的磁场分量尽可能小。气隙d夸大地画出。扁锭1可以静止不动或沿其大面所在的平面——例如沿x方向——缓慢移动。扁锭通过在扁锭1(侧面)边缘上的未画出的固定装置来固定，防止由于与转动的线圈单元2、3的磁性相互作用而被带动、亦即绕Z轴转动。

虽然两个关于扁锭1对称的线圈单元如2、3导致非常高的穿过扁锭1的磁通B并因此在线圈单元绕Z轴转动时在扁锭1内感生出比在仅有一个以相同的转速被驱动的线圈单元的情况下高得多的涡流/涡电流，但是通常用于第二线圈单元如3的费用不能与扁锭1的由此缩短的加热时间相称。

因此按照图2的实施形式中的装置比较经济，也就是说，仅在扁锭1上方具有一个线圈单元2。换言之，第二线圈单元可以取消或更好地，通过一与扁锭1的下侧大面间隔开一小的气隙的铁磁性回路板/磁轭板(在这个视图中看不到)来代替。在图2中的支承板20上、在支承板20的外周附近设置有6个线圈如21，所述线圈带有其铁磁芯如22和其绕组如23。线圈的数量主要根据支承板20的直径来确定。支承板的直径可以与扁锭的宽度相匹配。在直径大时可以在支承板富余的面积上设置另一组线圈。为了适应于不同的扁锭厚度，线圈单元2除了绕Z轴转动外还可以沿此轴线移动或者说可以升降(双箭头P)。

为了使磁场进入扁锭1中的渗透深度不致由于集肤效应而变得过小，线圈单元2的转速不能明显高于500转/分至800转/分。对于转速上限起决定性作用的是扁锭1的材料种类及其厚度。绕组如23单独或共同通过输入线供电，该输入线穿过线圈单元2的做成空心轴30的驱动轴并终止于集电环(未画出)。

在线圈单元2的转速为每分钟几百转时，可接受的加热时间要求在扁锭内具有至少0.1T、尤其是高于0.5T的磁通密度。因为为达到这个磁通密度所需的高的安匝数由于有限的绕组空间只能通过大的电流来达到，所以在普导绕组的情况下在每个线圈内都会产生非常大的热损失，该热损失必须通过(水)冷却装置来排出。

因此绕组如23做成超导的。图3和图4的剖视图中示出相应的线圈单元。支承板20和空心轴30以不能相对转动的方式连接。线圈芯22固定在支承板20上，每个线圈芯均具有一由超导的、特别是高温超导的带状导体组成的绕组23。线圈被一共同的具有一用于线圈芯如22的凹口、即所谓的热孔的低温恒温器40包围，因此不必为线圈耗费冷却功率。每个绕组通过一例如由实心铜带组成的、与一中央蒸发单元50连接的所谓的热总线51来冷却。通过一同中心地被空心轴30包围的冷却介质管31从外部的位置固定的制冷机(未画出)通过已知的转动连接装置为蒸发单元50供给液态冷却介质、例如氖或氮。蒸发的冷却介质通过空心轴30和冷却介质管31之间的环形腔回输。通向绕组如23的电流输入线也分布在这个环形腔内。

支承板20上剩余的自由空间例如用浇铸树脂填充。在线圈芯的背向支承板20的端部上，亦即在其朝向扁锭1的极面如22.1的区域内，各线圈芯形状锁合地接纳在一共同的加强板60中。加强板60由非磁性、非导电的材料制成，并用于承受作用在线圈芯上的可观的离心力和磁力。

图5示出扁锭1连同设置在其上的线圈单元2，其空心轴30由于在运行时出现的巨大的反作用力而被支承在一实心机架70中。机架70可以例如桥形地在扁锭1的上方设置在未画出的基座和立柱上，扁锭1抗转动地固定安放在一同样未画出的常见的水平输送机或一固定的基础上。机架70还支承外部的冷却机组80和电机90，该电机必要时通过一传动装置驱动空心轴30并进而驱动线圈单元2。

Claims (20)

1.一种用于通过在由导电的非磁性材料组成的扁平材料例如扁锭、轧制带或板材中借助于至少一个带有传导直流电的绕组的线圈单元感生出涡流来加热该扁平材料的方法，该线圈单元绕一与扁平材料的大面相垂直的Z轴(竖直轴线)被驱动转动，以便产生至少部分穿过该扁平材料的磁场，该扁平材料被固定成不能绕Z轴转动，其特征为：借助于至少两个关于Z轴对称设置的线圈产生穿过该扁平材料的反方向的磁通，对于所述磁通利用用于线圈的支承板作为磁回路部。

2.按权利要求1所述的方法，其特征为：在所述扁平材料和所述磁场之间产生相对运动(箭头x)。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：借助于所述线圈单元的超导绕组产生所述磁场。

4.按权利要求3所述的方法，其特征为：所述线圈单元通过空心轴借助于冷却流体来冷却，该冷却流体在固定不动的冷却机组和线圈单元之间的循环回路内流动。

5.按权利要求3或4所述的方法，其特征为：仅冷却所述线圈单元的所述绕组。

6.按权利要求5所述的方法，其特征为：所述线圈单元的所述绕组通过高导热能力的金属桥与一热交换器的低温侧相连接以进行所述冷却，该热交换器安装在各个线圈单元的中心。

7.一种用于通过在由导电的非磁性材料组成的扁平材料例如扁锭、轧制带或板材内借助于至少一个带有传导直流电的绕组的线圈单元(2)感生出涡流来加热所述扁平材料的装置，该绕组产生至少部分穿过扁平材料的磁场，其中所述线圈单元(2)绕一与扁平材料(1)的大面垂直的Z轴被驱动转动，所述扁平材料被固定成不能绕Z轴转动，

其特征为：所述线圈单元包括一支承板(20)，在该支承板上关于Z轴对称地安装有至少两个线圈(21、24)，其中每个线圈均包括一个铁磁芯(22、25)和一个绕组(23、26)，所述铁磁芯各具有一朝向扁平材料(1)的极面，所述支承板(20)做成用于所述线圈(21、24)的背向扁平材料(1)的磁极的磁回路部。

8.按权利要求7所述的装置，其特征为：所述扁平材料(1)和所述磁场能相对彼此运动(箭头x)。

9.按权利要求7或8所述的装置，其特征为：相邻的线圈(21、24)的所述绕组(23、26)具有方向相反的电流方向。

10.按权利要求7至9之任一项所述的装置，其特征为：所述线圈(21、24)的极面之间的距离(L)至少为所述极面和扁平材料(1)之间的气隙(d)的三倍。

11.按权利要求7至10之任一项所述的装置，其特征为：在所述扁平材料(1)的背向线圈单元(2)的大面上，离该扁平材料一个气隙的距离处设置有一磁回路板。

12.按权利要求7至10之任一项所述的装置，其特征为：在所述扁平材料(1)的背向线圈单元(2)的大面上，离该扁平材料一个气隙(d)的距离处设置有一基本上同类型的、转动的第二线圈单元(3)。

13.按权利要求7至12之任一项所述的装置，其特征为：所述支承板(20)的所述Z轴做成空心轴(30)，该空心轴同轴地包围用于冷却流体的一输入管和一回流管、至少两条用于为线圈绕组(23)供电的导线和一界定一抽成真空的环形腔的管子；在所述空心轴的背向支承板(20)的端部上设置有一静止不动的制冷机(80)，该制冷机提供循环过程中的所述冷却流体。

14.按权利要求13所述的装置，其特征为：与所述空心轴(30)同轴地、平行地与该空心轴错开地设置有一电机(90)，该电机与所述空心轴(30)驱动连接。

15.按权利要求7至14之任一项所述的装置，其特征为：所述线圈(21、24)的芯部(22、25)通过至少一个非磁性的加强板(60)相连接。

16.按权利要求7至15之任一项所述的装置，其特征为：所述线圈单元(2、3)的所述绕组(23、26)是超导的。

17.按权利要求16所述的装置，其特征为：所述绕组(23、26)被一共同的低温恒温器(40)包围，该低温恒温器对于每个线圈芯(22、25)具有一不被冷却的通路。

18.按权利要求16或17所述的装置，其特征为：所述线圈单元(2)包括一中央蒸发单元(50)，该蒸发单元做成热交换器(冷头)，每个绕组(23)通过一高导热能力的金属桥(51)与该热交换器连接。

19.按权利要求7至17之任一项所述的装置，其特征为：所述线圈单元(2、3)和所述扁平材料(1)在至少一个方向上能相对彼此平移移动。

20.按权利要求7至18之任一项所述的装置，其特征为：具有一用于所述扁平材料(1)的直线输送机。

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