DD119820B1 - Vorrichtung sum Eriiitzen von Metallbändern - Google Patents

Description

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Vorrichtung zum Erhitzen von Metallbändern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen von Metallbändern im Durchlaufverfahrene

Metallbänder müssen während ihres industriellen Be- und Verarbeitungsprozesses häufig einer definierten Wärmebehandlung unterzogen werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Zwischen- oder Fertigglühung, um eine HaIbhartglühung, um eine Oberflächenblankglühung, um eine definierte Erwärmung zum Auftrag von Oberflächenschichten oder um ähnliche Prozesse handeln_e

Nach dem Stand der Technik ist bekannt, zur Erwärmung von Metallbändern Querfeldinduktoren zu verwenden, bei denen die Metallbänder während ihres Durchlaufs durch den Arbeitsluftspalt des Induktors senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung von einem magnetischen Wechselfluß durchsetzt werderio Infolge des magnetischen Wechselflusses entstehen im Band Wirbelströme, die die erforderliche Wärmemenge im Band selbst erzeugen und damit eine extrem schnelle Aufheizung des Wärmegutes auf die erforderliche Temperatur gewährleisten.

Die bekannten Querfeldinduktoren zur Erwärmung von Metallbändern bestehen bei geringem Leistungsbedarf aus zwei Einzelinduktorhälften, die durch einen Arbeitsluftspalt voneinander getrennt sind, in dem das zu glühende Band von den magnetischen Feldlinien durchsetzt wird.

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Oede Induktorhälfte ist aus genuteten Dynamoblechen zusammengeschichtet, so daß ein Eisenpaket entsteht, in dessen Nuten das Spulensystem zur Erzeugung des erforde'rlichen Luftspaltmagnetfeldes untergebracht ist. In den üblichen technischen Anvvendungsfallen sind jedoch stets höhere Energieeinträge in das Wärmegut erwünscht, so daß mehrere Spulensysteme angewendet werden. Dabei wird vom Einzelinduktor zum Kompaktinduktor übergegangen. Der Kompaktinduktor besitzt ebenfalls wie der Einzelinduktor nur zwei Induktorhälften, die wiederum aus genuteten Dynamoblechen zu einem einzigen Block zusammengeschichtet sind« Oede Induktorhälfte verfügt somit über mehrere Nuten, in denen die erforderlichen Spulensysteme untergebracht werden, so daß die einzelnen Spulen einer In- duktorhälfte miteinander magnetisch gekoppelt sind. Auf diese Weise entstehen in beiden Induktorhälften auf der dem Arbeitsluftspalt zugekehrten Seite mehrere Magnetpole, die in Bandlaufrichtung hintereinanderliegend eine alternierende Polarität besitzen. Die Anzahl der erforderlichen Spulen ist dabei von der im Band zu erzeugenden Wärmemenge, von den Bandabmessungen und von der verwendeten Frequenz abhängig. Infolge der magnetischen Verbindung zwischen allen Polen einer Induktorhälfte und der damit verbundenen magnetischen Koppelung aller Spulen einer Induktorhälfte teilt sich der Magnetfluß, der einen Pol durchsetzt, innerhalb der Induktorhälfte nicht gleichmäßig auf die beiden zu den benachbarten Polen führenden magnetischen Wege , das heißt auf die beiden angrenzenden Rückengebiete, auf. Aus diesem Nachteil resultiert wegen der quadratischen Abhängigkeit der Eisenverlustwärme von der magnetischen Flußdichte eine stärkere Erwärmung des kompakten Querfeldinduktors.

Ein weiterer Nachteil des kompakten Querfeldinduktors besteht darin, daß nur die Oberfläche der dem Band abgewendeten Seite maßgeblich zur Kühlung einer Induktorhälfte beiträgt .

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Auch hinsichtlich der Wirbelstromauf teilung im Band weist der kompakte Querfeldinduktor Nachteile auf_o Bei ihm teilen sich die Wirbelströme, die besonders stark in dem Bandgebiet fließen, das einer Nut gegenüberliegt, an der Bandkante nach rechts und nach links auf₀ Dadurch entsteht an der Bandkante eine geringere Wirbelstromdichte als fur den Fall, daß die 'Wirbelströme an ihr entweder nur nach rechts oder nur nach links fließen. Als Folge ergibt sich wegen der quadratischen Abhängigkeit der erzeugten Stromwärme von der Wirbelstromdichte eine geringere Wärmeentwicklung an den Bandkanten, so daß bei einem kompakten Querfeldinduktor, mit dem unterschiedliche Bandbreiten zu glühen sind, beim Oberschreiten einer bestimmten Bandbreite die Bandkanten im Vergleich zur Bandmitte zu schwach erwärmt werden» Es ist bekannt, daß zur Verhinderung einer Bandkantenüberhitzung zwei wassergekühlte u-förmige Kupferschutzschienen verwendet worden, die an je einer Induktorhälfte so befestigt sind, daß sie das Band an der jeweiligen Bandkante beidseitig überlappen· Die Schutzschienen schwächen dabei infolge der in ihnen erzeugten Wirbelströme das magnetische Luftspaltfeld an den Bandkanten und verhindern dadurch eine mögliche Überhitzung, Durch eine Parallelverschiebung der beiden Induktorhälften zueinander, bei der der Arbeitsluftspalt konstant bleibt, können unterschiedliche Überlappungen der Schutzschienen eingestellt werden, so daß unterschiedliche Bandbreiten innerhalb eines begrenzten Abmessungsbereiches mit dem gleichen Querfoldinduktor gleichmäßig erwärmt werden können. Zu diesem Zweck dimensioniert man den Querfeldinduktor so, daß sich die Bandkanten bei der größten zu glühenden Bandbreite nicht überhitzen. Die mit abnehmender Bandbreite zwangsläufig zunehmende Bandkantenüberhitzung kann dann durch eine zunehmende Überlappung der Schutzschienen über die Bandkanten verhindert werden»

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Die Befestigung der Schutzschienen an den Induktorhälften bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß die Einstellung der Schutzschienenabstande mit einer Veränderung der gegenseitigen Lage der beiden Induktorhälften gekoppelt ist. Da diese Veränderung der gegenseitigen Lage technisch nicht erforderlich ist, bedeutet sie einen unnötigen Aufwand für die Lagerung der beiden Induktorhälften. Außerdem wirkt sich der gegenseitige Querversatz der beiden Induktorhälften, der mit größerer Bandbreite zwangsläufig zunehmen muß, negativ auf eine ausreichende Erwärmung der Bandmitte aus.

Es ist ferner bekannt; daß die Blechpaketkühlung des kompakten Querfeldinduktors nach dem derzeitigen Kenntnisstand mit Kühlkanälen erfolgt, die die jeweilige Induktorhälfte sowohl in den Polen als auch im Rücken quer zur Bandbewegungsrichtung durchsetzen, wobei sie von einem Kühlmedium durchströmt werden_o Da die Breite des Querfeldinduktors entsprechend den Erfahrungswerten etwa 4mal größer als die Polteilung gewählt werden muß, bringt die Anwendung der Kühlkanäle eine merkliche Verringerung des zur Verfügung stehenden Eisonquerochnitts mit sich.

Diese Verringerung des Eisenquerschnitts ist besonders beim Glühen von schmalen Bändern kritisch, weil die Polteilung in Abhängigkeit von der Bandbreite ein bestimmtes Haß nicht überschreiten darf. Durch die Benutzung der Kühlkanäle entstehen infolge des verminderten Eisenquerschnitts größere Verluste im Eisenpaket des Querfeldinduktors.

Außerdem ist die beschriebene Einrichtung zur Anwendung einer effektiven Wasserkühlung nicht geeignet, da das Wasser in direkten Kontakt mit den zu kühlenden Dynamoblechen gelangt, wodurch eine Korrosion im Dauerbetrieb begünstigt wird und zudem Abdichtungsprobleme entstehen.

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Der Zweck der Erfindung besteht unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik darin, di3 elektrischen und magnetischen Eigenschaften für höhere Energieeinträge in das Wärmegut verwendeten Querfeldinduktors zu verbessern·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ungleichmäßige Aufteilung des Magnetflusses in den einzelnen Abschnitten des Magnetkreises eines kompakten Querfeldinduktors zu beseitigen, die Verlustwärme im Eisenpaket zu vermindern, den elektrischen. Wirkungsgrad des Querfeldinduktors zu vergrößern sowie in Verbindung mit einem effektiven Induktorkühlsystem die elektrische Belastbarkeit des Querfeldinduktors und ebenso den Energiebetrag zu erhöhen, der mit einem gegebenen Induktor in das Metallband eingebracht werden kann. Weiterhin soll durch die Verbesserung der Wirbelstromauf teilung im Metallband und durch die veränderte Anordnung der Schutzschienen garantiert werden, daß mit dem gleichen Quorfeldinduktor Metallbänder mit größeren Breitenunterschieden gleichmäßig über den gesamten Bandquerschnitt erwärmt werden·

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, daß die magnetische Kopplung der Spulensysteme einer Induktorhälfte des kompakten Querfeldinduktors durch Unterteilung des Kompaktinduktors in mehrere bekannte Einzelinduktoren beseitigt wird. Zur magnetischen Entkopplung der Spulensysteme werden die Einzelinduktorhälften in Bandlaufrichtung hintereinanderliegend so zu beiden Seiten des Metallbandes angeordnet, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einzelinduktoren ein bestimmter Abstand besteht, und daß sich jeweils zwei Einzelinduktorhälften nur durch den Arbeitsluftspalt getrennt gegenüberstehen „ Oede Einzelinduktorhälfte weist dabei in bekannter Weise zwei symmetrisch angeordnete Nuten auf, die sich quer zur Bandbewegungsrichtung erstrecken und deren öffnungen auf der Seite des Arbeitsluftspaltcs liegen· In die beiden Nuten ist eine an Wechselspannung gelegte Spu-

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le zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes eingebracht, so daß in dem von der Spule umschlossenen Gebiet ein zusammenhängender Mittelpol einer bestimmten Polarität und in den beiden nicht von der Spule umschlossenen Gebieten zwei nicht zusammenhängende gleichnamige Seitenpole mit einer zum Mittelpol entgegengesetzten Polarität entstehen.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal weist die aus einem Querfeldinduktor mit magnetisch entkoppelten Spulensystemon in Form mehrerer Einzelinduktoren bestehende erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Schutzschienen auf, die jedoch in keinem mechanischen Kontakt zu den Einzelinduktoren stehen, so daß ihre gewünschte Stellung unabhängig von den Einzelinduktoren variiert werden kann.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß die Kühlung der Einzelinduktorhälften mit mehreren Kühlblechen erfolgt, welche nahezu die gleiche Kontur aufweisen wie die Dynamobleche, jedoch in der Höhe über den Rücken des Eisenpaketes einer Induktorhälfto hinausragen. Die Kühlbleche werden mit den Dynamoblechon zu einem gemeinsamen Körper zusammengeschichtet. Wegen der Flußverdrängung im Eisenpaket einer Induktorhälfte sind die Abstände zwischen zwei benachbarten Kühlblechen nach einem System gewählt, das der unterschiedlichen Wärmeentwicklung in den einzelnen Abschnitten des Eisenpakets Rechnung trägt. Auf beiden Seiten einer Induktorhälfte bildet je ein Kühlblech den Abschluß des geschichteten Induktorkörpers. Die über den Rücken des Eisenpakets hinausragenden Kühlbleche werden mit Kühlrohren verlötet.

Die erfindungsgemäße Lösung besitzt den Vorteil, daß durch die magnetische Entkopplung der Spulensysteme einer Induktorhälfte infolge der Unterteilung des Kompaktinduktors in mehrere Einzelinduktorcn erreicht wird, daß sich dor magnetische Fluß eines Mittelpols infolge der symmetrischen Nut-

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anordnung gleichmäßig auf die beiden Seitenpola aufteilt. Die Abschnitte des magnetischen Kreises zwischen dem Mittelpol und den beiden Seitenpolen, das heißt die beiden Rückengebiete, werden im Gegensatz zu den Rückengebieten des mehrpolpaarigen kompakten Querfeldinduktors von gleichen magnetischen Flüssen durchsetzt. Dadurch entsteht in den beiden Rückengebieten die gleiche magnetische Flußdichte, die betragsgemäß kleiner ist als die größere der beiden Flußdichten bei einer ungleichmäßigen Flußauf teilung · Da die Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste in den Dynamoblechen eines Induktors vom Quadrat der magnetischen Flußdichte abhängen, ergeben sich damit bei dem unterteilten Querfeldinduktor mit magnetisch entkoppelten Spulensystemen geringere Verluste als beim Kompaktinduktor, das heißt, der unterteilte Querfeldinduktor erwärmt sich weniger stark als der Kompaktinduktor, er kann elektrisch stärker belastet werden, und die in das Metallband eingebrachte Energie kann vergrößert werden«

Ein weiterer Vorteil des unterteilten Querfeldinduktors gegenüber dem bekannten Kompaktinduktor besteht in erwärmungstechnischer Hinsicht in seiner wesentlich größeren wärmeabgebenden Oberfläche, da auch die seitlichen Oberflächen der beiden Seitenpole zur Wärmeabgabe beitragen.

Durch die erfindungsgemäße magnetische Entkopplung der Spulensysteme eines Kompaktinduktors wird weiterhin eine bessere WirbeIstromverteilung im Band erreicht, die zum Glühen von Metallbändern mit größeren Breitenunterschieden unbedingt erforderlich ist. DieWirbeIstrombahnen verlaufen beim unterteilten Querfeldinduktor in Form eines einzigen Ringes, dessen Zone der größten Wirbelstromdichte annähernd die Kontur der Induktorspulen annimmt. Die Wirbelströme teilen sich beim Erreichen der Bandkante nicht wie beim Kompaktinduktor zu gleichen Teilen nach rechts und links auf, sondern sie fließen in voller Stärke im Bandkantengebiet nur in einer

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Richtung. Da die Banderwärmung dem Quadrat der Wirbelstromdichte proportional ist, ergibt sich eine stärkere Erwärmung der Bandkanten аіз bei einer gleichmäßigen Aufteilung der Wirbelströme. Daraus folgt, daß die Bandkanten auch bei einem größeren seitlichen Oberstand des Bandes über den Querfeldinduktor ausreichend erwärmt werden können. Dies bedeutet, daß die Unterschiede der Bandbreiten der zu erwärmenden Metallbänder größer sein können als beim Kompaktinduktor.

Durch die getrennte Verstellmöglichkeit der Schutzschienen wird eine unzureichende Erwärmung der Bandmitte bei breiten Bändern verhindert, da die paarweise beiderseits des Bandes angeordneten Einzelinduktorhälften in ihrer deckungsgleichen Lage belassen werden können.

Die Vorteile einer Eisenpaketkühlung mit Hilfe von Kühlblechen gegenüber einer Eisenpaketkühlung mit Hilfe von Kühlkanälen bestehen in einer nur unbedeutenden Verminderung des effektiven Eisenquerschnitts und in der Ausschaltung von Problemen hinsichtlich der Dichtheit des Kühlsystems sowie hinsichtlich der Korrosion der Dynamobleche«

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: die Entkopplung der Spulensysteme einer Kompaktinduktorhälfte durch Unterteilung des Kompaktinduktors in mehrere Einzelinduktoren

Fig. 2: die Flußaufteilung im Rücken der Einzelinduktoren Fig. 3: d.ie qualitative Wirbelstromverteilung im Metallband Fig. 4: die Anordnung der Schutzschienen und Fig. 5: die Anordnung der Kühlbleche

In Fig. 1 ist der in mehrere Einzolinduktoren unterteilte Querfeldinduktor mit magnetisch entkoppelten Spulensystemen dargestellt. Die Einzelinduktorhälften 1 sind paarweise zu beiden Seiten eines Metallbandes 9 angeordnet und aus Dynamoblechen und Kühlblechen 13 zusammengeschichtet. Oede Einzelinduktorhälfte 1 besitzt zwei Nuten 2, die sich quer zur Bandbewegungsrichtung erstrecken« In diese Nuten 2 ist eine Induktorspule 3 zur Erzeugung des erforderlichen magnetischen Luftspaltfeldes eingebaut. Entsprechend den geometrischen Verhältnissen besitzt eine Einzelinduktorhälfte 1 einen zusammenhängenden Mittelpol 4, zwei Rückengebiete 5 und zwei Seitenpole 6. Die beiden Seitenpole 6 besitzen die zum Mittelpol 4 entgegengesetzte Polarität.

Die von einer Induktorspule 3 erzeugten magnetischen Feldlinien 7 treten entsprechend Fig. 2 aus dem Mittelpol 4 der Einzelinduktorhälfte 1 aus, überqueren einen Arbeitsluftspalt 8, durchsetzen dabei das Metallband 9 und erzeugen darin Wirbelströme zur Aufheizung, treten in den Mittelpol der gegenüberliegenden Einzelinduktorhälfte 1 ein, teilen sich infolge der symmetrischen Abmessungen gleichmäßig auf

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die beiden Rückengebiete 5 auf, treten aus den Seitenpolen 6 aus, überqueren wieder den Arbeitsluftspalt 8, treten in die Seitenpole 6 der Einzelinduktorhälfte 1 ein, vereinigen sich über die beiden Rückengebiete 5 und schließen sich wieder im Mittelpol 4.

In Fig. 3 ist die qualitative Verteilung der Wirbelstrombahnen 10 im Metallband 9 dargestellt, die sich bei der Unterteilung des Kompaktinduktors in Einzelinduktoren ergibt. Die Wirbelstrombahnen 10 nehmen dabei die geschlossene Kontur der Induktorspule 3 an, wobei die Gebiete mit der höchsten WirbeIstromdichte im Bereich der beiden Nuten 2 und an den beiden Bandkanten 11 auftreten. Eine Auftei~ lung der Wirbölstrombahnen 10 an den Bandkanten 11 erfolgt nicht; sämtliche Wirbelstrombahnen 10 werden stets in die gleiche Richtung umgelenkt, so daß sie nur ein einziges ' System von ineinanderliegenden geschlossenen Umläufen bilden«

Die erfindungsgemäße Anordnung der Schutzschienen 12 zur Vermeidung der Bandkantenüberhitzung ist der Fig. 4 zu entnehmen. Die beiden Schutzschienen 12 an den Induktorseiten und die Eisenkörper der Einzelinduktorhälfton 1 sind mechanisch vollkommen getrennt, so daß eine beliebige Lageeinstellung der Schutzschienen 12 ohne eine gleichzeitige Lageveränderung der Einzelinduktorhälften 1 möglich ist. Damit die Abstände der beiden Schutzschienen 12 von der gedachten Mittellinie des Metallbandos 9 stets symmetrisch bleiben, wird durch die Funktionsweise des Verstellmechanismus eine gleichzeitige und gleichmäßige Verstellung der beiden Schutzschienen 12 erzwungen.

Die Kühlung der Einzelinduktorhälften 1 erfolgt mit Kühlblechen 13 aus einem gut wärme leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer. Die Kühlblechs 13 haben im Nutgebiet die gleichen Abmessungen wie die Dynamobleche der Einzelinduktorhälfte 1, so daß sie mit den Dynamoblechen zu einem

gemeinsamen Block zusammengeschichtet werden können· Wie Fig. 5 zeigt, ragen die Kühlbleche 13 über den Rücken des Eisenpakets einer Induktorhälfte hinaus· Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, an die Kühlbleche 13 Kühlrohre 14 anzubringen, um die Bleche direkt mit dem Kühlmedium zu kühlen· Wegen der Magnetflußverdrängung im Eisenkreis der Einzelinduktorhälfte 1, die speziell bei der Verwendung einer mittelfrequenten Induktorspeisespannung stark in Erscheinung tritt, sind die Kühlblechabstände an den Rändern geringer als in der Mitte.

Ein weiteres Ausführungsboispiel besteht darin, daß nicht jede Einzelinduktorhälfte 1 separate Kühlbleche 13 besitzt, sondern daß jedes Kühlblech 13 alle Einzelinduktorhälften einer Bandsoite durchsetzt. Die Einzelinduktorhälften I werden mit Messingbolzen 15 seitlich verspannt.

Claims (3)

Erfindungsansprüche

1· Vorrichtung zum Erhitzen von Metalibändern im Durchlaufverfahren mittels Querfeldinduktion unter Anwendung von mehreren Spulensystemen, dadurch gekennzeichnet, daß in Bandlaufrichtung hintereinanderliegende, magnetisch nicht gekoppelte, in bekannten, räumlich getrennt angeordneten Einzelinduktoren, angeordnete Spulensysteme vorgesehen sind*

2· Vorrichtung nach Punkt 1., dadurch gekennzeichnet, daß u-förmige Schutzschienen (12) angeordnet sind, die das Metallband (9) im Bereich des Arbeitsluftspaltes (8) des Juerfeldinduktors an jeder Bandseite beidseitig überlappen, wobei keine mechanische Kopplung zwischen den Schutzschienen (12) und den Eisenpaketen der Einzelinduktorhälften (1) besteht,

3· Vorrichtung nach Punkt 1», dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenpakete der Einzelinduktorhälften (1) mit Kühlblechen (13) ausgerüstet sind, die über den Rücken des Eise-npaketes hinausragen und mit Kühlrohren (14) verbunden sind und die, in der Flußdichte in Schichtrichtung Rechnung tragenden Abständen, einzeln in das Eisenpaket eingeschichtet sind.

- Hierzu 2 Seiten Zeichnungen -