DE10013061C2 - Cross-field heating system - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Querfeld-Erwärmungsanlage zur induktiven Erwärmung von Flachgut mit mindestens einer Induktorspule oberhalb und/oder unterhalb des Flachgutes und mit feldführenden Blechpaketen und/oder Ferriten.The invention relates to a cross-field heating system for the inductive heating of Flat goods with at least one inductor coil above and / or below the flat goods and with field-guiding laminated cores and / or ferrites.
Anstelle von konventionellen gasbeheizten Öfen wird Flachgut, wie z. B. Bleche, Bänder und Dünnbrammen, auch induktiv erwärmt. Hierbei wird in dem Blech ein Strom induziert, wodurch das Material erwärmt wird. Hierdurch werden vorteilhafterweise Wärme- und Abbrandverluste vermindert. Zudem ermöglichen die erreichbaren Leistungsdichten einen erheblich geringeren Platzbedarf sowie kürzere Aufheizzeiten.Instead of conventional gas-fired ovens, flat goods such as B. sheets, strips and thin slabs, also heated inductively. Here a current is induced in the sheet, which heats the material. This advantageously heat and Burning losses reduced. In addition, the achievable power densities allow one considerably less space and shorter heating-up times.
Induktive Erwärmungsanlagen für Flachgut werden der Längsfeld- oder der Querfelderwärmung zugeordnet. Bei der Längsfelderwärmung wird das zu erwärmende Blech von der Induktorspule vollständig umschlossen, so dass der magnetische Hauptfluss in Vorschubrichtung des Bleches gerichtet ist. Die Induktionsströme schließen sich über dem Werkstückquerschnitt, wobei die sich einstellende Temperaturverteilung bei einer geeigneten Frequenz des Induktionsstroms über der gesamten Bandbreite des Flachgutes nahezu homogen ist. Nachteilig ist die hohe benötigte Frequenz und ein begrenzter Wirkungsgrad.Inductive heating systems for flat goods are the longitudinal field or the Cross-field heating assigned. With longitudinal field heating, this is what needs to be heated Sheet completely enclosed by the inductor coil, so that the magnetic Main flow is directed in the feed direction of the sheet. The induction currents close above the workpiece cross-section, with the resulting Temperature distribution at a suitable frequency of the induction current over the entire range of flat goods is almost homogeneous. The high is a disadvantage required frequency and limited efficiency.
Es wurden daher Querfeld-Erwärmungsanlagen entwickelt, bei denen die Induktorspulen das Flachgut nicht umschließen, sondern an den Oberflächen des zu erwärmenden Flachgutes angeordnet sind. Auf diese Weise ist der magnetische Hauptfluss der Induktorspulen senkrecht zur Oberfläche des Flachgutes gerichtet. Nachteilig ist bei Querfeld-Erwärmungsanlagen jedoch, dass die Temperaturverteilung im Flachgut normalerweise inhomogen ist.Cross-field heating systems were therefore developed in which the inductor coils do not enclose the flat goods, but on the surfaces of the goods to be heated Flat goods are arranged. In this way the main magnetic flux is the Inductor coils directed perpendicular to the surface of the flat goods. The disadvantage is Cross-country heating systems, however, that the temperature distribution in the flat goods is usually inhomogeneous.
In A. Ruhnke, A. Mühlbauer, A. Nikaronow, V. Demidovitch, "Wege zur Optimierung von Querfeld-Erwärmungsanlagen", elektrowärme international, Heft B 4, Dezember 1997, Seiten 130-137 ist beschrieben, dass die nachteilige inhomogene Temperaturverteilung durch eine gezielte Gestaltung der Induktorspulen beeinflusst werden kann. Bei der Auslegung von Querfeld-Erwärmungsanlagen muss die komplexe dreidimensionale Verteilung der elektromagnetischen Feldgrößen berücksichtigt werden, die analytisch nicht mehr erfassbar sind. Zudem müssen zahlreiche Betriebs- und Anlageparameter vorhergesagt und berücksichtigt werden. Als wesentlicher Einflussfaktor hat sich der Bandüberstand herausgestellt. Dies ist der Abstand zwischen der Außenkante des Spulenkopfes der Induktorspule und der Bandkante des Flachgutes. Weiterhin wird beschrieben, dass die Anlagen mit Hilfe von mehrwindigen Spulen flexibler an die Umgebungsbedingungen angepasst werden können, indem die Geometrie der Spulenköpfe durch eine gespreizte Verteilung der Einzelleiter variiert wird.In A. Ruhnke, A. Mühlbauer, A. Nikaronow, V. Demidovitch, "Ways to optimize Querfeld heating systems ", elektrowärme international, issue B 4, December 1997, Pages 130-137 describe the disadvantageous inhomogeneous temperature distribution can be influenced by a specific design of the inductor coils. In the Design of cross-country heating systems must be complex three-dimensional Distribution of the electromagnetic field sizes are taken into account, which are not analytical are more detectable. In addition, numerous operating and system parameters be predicted and taken into account. The has been a major influencing factor Band protrusion exposed. This is the distance between the outside edge of the Coil head of the inductor coil and the strip edge of the flat goods. Will continue described that the systems with the help of multi-wind coils more flexible to the Ambient conditions can be adjusted by the geometry of the Bobbin heads is varied by a spread distribution of the individual conductors.
Die Wärmequellen- bzw. Temperaturverteilung im Flachgut kann durch Verwendung von Blechpaketen und/oder Ferriten zur Feldführung angepasst werden. Durch vertikale und horizontale Verstellung der Blechpakete kann die Querfeld-Banderwärmungsanlage leicht variiert werden.The heat source or temperature distribution in the flat goods can be achieved by using Sheet packets and / or ferrites can be adapted for field guidance. Through vertical and The transverse field strip heating system can easily adjust the sheet metal packages horizontally can be varied.
Die Verwendung von Blechpaketen ist auch aus R. C. Gibson, R. C. Ireson, "Transverse flux induction heating of steel strip" in STEEL TIMES, November 1992, Seiten 512 und 514 bekannt. The use of laminated cores is also from R.C. Gibson, R.C. Ireson, "Transverse flux induction heating of steel strip "in STEEL TIMES, November 1992, pages 512 and 514 known.
Neben ellipsenförmigen Induktorspulen haben sich auch parallelogrammförmige Induktorspulen als vorteilhaft herausgestellt. Eine diesbezügliche Untersuchung findet sich in T. Tudorache, V. Fireteanu, "3D Numerical modelling of new structures for transverse flux heating of metallic sheets" in IHS - 98 - International Induction Heating Seminar, OB - 3, Seiten 117-123.In addition to elliptical inductor coils, there are also parallelogram ones Inductor coils turned out to be advantageous. A relevant investigation can be found in T. Tudorache, V. Fireteanu, "3D Numerical modeling of new structures for transverse flux heating of metallic sheets "in IHS - 98 - International Induction Heating Seminar, OB - 3, pages 117-123.
In der DE-OS 42 34 406 A1 wird eine Querfeld-Banderwärmungsanlage vorgeschlagen, bei dem die Induktorspulen in Vorschubrichtung des Flachgutes so angeordnet sind, dass jede Kante des Flachgutes von den Spulenköpfen bzw. Seitenschenkels lediglich einer Induktionsschleife überragt wird. Die Spulenköpfe enden somit abwechselnd im Bereich der rechten und linken Seitenkante des Flachgutes und überragen die Seitenkante nicht.DE-OS 42 34 406 A1 proposes a cross-country belt heating system, in which the inductor coils are arranged in the feed direction of the flat goods so that each edge of the flat material from the coil heads or side legs only one Induction loop is towered over. The coil ends alternately end in the area the right and left side edge of the flat goods and do not protrude beyond the side edge.
Zur flexiblen Einstellung der Temperaturverteilung im Flachgut ist in der japanischen Patentanmeldung 63195397 eine Induktorschleife bestehend aus zwei Induktorspulen quer zum Flachgut und zwei Induktorspulen längs zum Flachgut beschrieben. Die beiden sich in Längsrichtung des Flachgutes erstreckenden Spulen können in Querrichtung des Flachgutes verschoben werden, so dass die Temperaturverteilung an den Seitenkanten des Flachgutes einstellbar ist.For flexible adjustment of the temperature distribution in flat goods is in Japanese Patent application 63195397 an inductor loop consisting of two inductor coils described transversely to the flat goods and two inductor coils along the flat goods. The two coils extending in the longitudinal direction of the flat material can in the transverse direction of the Flat goods are moved so that the temperature distribution on the side edges of the flat goods is adjustable.
Aus der DE-OS 39 28 629 A1 ist ferner die Verwendung einer Induktorspule für Induktionsöfen bekannt, die in Nuten eines aus Transformatorblechen gebildeten Eisenkernes eingelassen sind.From DE-OS 39 28 629 A1 is also the use of an inductor for Induction furnaces are known, which are formed in grooves of transformer sheets Iron core are embedded.
Die Eisenkerne sind zick-zack oder wellenförmig ausgebildet und die Stromleiter sind schaltbar, so dass die Anlage flexibel an die jeweilige Breite des Flachgutes eingestellt werden kann.The iron cores are zigzag or wavy and the current conductors are switchable, so that the system can be flexibly adjusted to the respective width of the flat goods can be.
Zur Vergleichmäßigung des Temperaturprofils werden in A. Ruhnke, G. Nauvertat und A. Mühlbauer, "Anwendung der induktiven Querfelderwärmung von Flachgut" in Stahl und Eisen 119 (1999) Nr. 8, 16. August 1999, Seiten 73-77 und in A. Ruhnke, "Systematische Untersuchung der induktiven Querfeldbanderwärmung, Forschungsbericht VDI-Reihe 19, Nr. 119, VDI-Verlag Düsseldorf 1999, Seiten 79-147 aktuelle Forschungsergebnisse an Querfeld-Banderwärmungsanlagen beschrieben. Dabei hat sich herausgestellt, dass das Leiterpaket im Spulenkopf durch eine gespreizte Verteilung der Einzelleiter so aufgeweitet werden muss, dass das Spulenkopfverhältnis als Verhältnis k zwischen der Breite der Leiterpakete im Spulenkopfbereich bk zur Breite der Leiterpakete im regulären Bereich der Induktorspulen bl größer eins ist, um ein relativ homogenes Temperaturprofil im Flachgut zu erzielen. Das Ergebnis kann durch den Einsatz von Blechpaketen noch weiter verbessert werden.To even out the temperature profile, A. Ruhnke, G. Nauvertat and A. Mühlbauer, "Application of Inductive Cross-Field Heating of Flat Goods" in Steel and Iron 119 (1999) No. 8, August 16, 1999, pages 73-77 and in A Ruhnke, "Systematic investigation of inductive cross-field band heating, research report VDI series 19, No. 119, VDI-Verlag Düsseldorf 1999, pages 79-147 describes current research results on cross-field band heating systems. It has been found that the conductor package in the coil head by a spread distribution of the individual conductors must be widened so that the coil head ratio as the ratio k between the width of the conductor packs in the coil head area b k to the width of the conductor packs in the regular area of the inductor coils b l is greater than one in order to achieve a relatively homogeneous temperature profile in the flat material The result can be further improved by using laminated cores.
In P. Scherg: "Über die Anwendbarkeit von elektromagnetischen Querfeldanordnungen zur induktiven Durchlauferwärmung von Blechen und Bändern", in elektrowärme international 41 (1983) B1, Seite B55-B62 ist eine Querfeld-Erwärmungsanlage beschrieben, bei der drei Heizspulen in einen Heizinduktor eingebaut sind. Quer zur Transportrichtung des Flachguts sind jeweils zwei Leiterstapel aus vier übereinander liegenden Leitern dicht nebeneinander in eine Nut eingelegt. Im Bereich der Spulenköpfe sind die beiden Leiterstapel aufgeweitet, sodass sich ein Luftspalt zwischen den Leiterstapeln von 27 cm ergibt. Die Wicklungsbreite der Induktorspule in Transportrichtung des Flachgutes gesehen beträgt 47 cm und die Wicklungsbreite der Induktorspule quer zur Transportrichtung des Flachguts gesehen 22 cm. Damit ist das Spulenkopfverhältnis < 1. Dabei ist das Temperaturprofil im Flachgut an den Kanten nachteilig leicht erhöht, wie in den Temperaturverläufen der Druckschrift gezeigt ist.In P. Scherg: "On the applicability of electromagnetic cross-field arrangements for inductive continuous heating of sheets and strips ", in electrical heat international 41 (1983) B1, page B55-B62 is a cross-field heating system described in which three heating coils are installed in a heating inductor. Across The direction of transport of the flat goods is two stack of conductors from four on top of each other lying conductors placed close to each other in a groove. In the field of The two conductor stacks are widened so that there is an air gap between the stacks of 27 cm. The winding width of the inductor coil seen in the transport direction of the flat goods is 47 cm and the winding width the inductor coil seen transversely to the transport direction of the flat goods 22 cm. So that is the bobbin head ratio <1. The temperature profile in the flat goods is at the Edges disadvantageously slightly increased, as in the temperature profiles of the publication is shown.
Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik war es Aufgabe der Erfindung, eine Querfeld-Erwärmungsanlage noch weiter zu optimieren, so dass sich eine noch homogenere Temperaturverteilung über den Querschnitt und die Breite des Flachgutes ergibt.Based on this known prior art, it was an object of the invention to optimize a cross-country heating system even further, so that there is still one more homogeneous temperature distribution over the cross-section and the width of the flat goods results.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Spulenkopfverhältnis k als Verhältnis der Breite bk der im Bereich der Spulenköpfe 4 vorhandenen Leiter quer zur Längsrichtung gesehen zur Breite bl der im regulären Bereich 3 der Induktorspule 1 vorhandenen Leiter in Längsrichtung gesehen kleiner eins ist (k = bk/bl < 1).The object is achieved according to the invention in that the coil head ratio k as the ratio of the width b k of the conductors present in the area of the coil heads 4 seen transversely to the longitudinal direction to the width b l of the conductors present in the regular area 3 of the inductor coil 1 is less than one seen in the longitudinal direction ( k = b k / b l <1).
Hierbei liegt der Erfindung eine Induktorspule zugrunde, die in ihrer Geometrie eine geschlossene Bahn durchläuft, die in einer Längsrichtung gestreckt ist, also kürzere Endabschnitte und sich in Längsrichtung erstreckende längere Abschnitte aufweist. Die sich quer zur Längsrichtung erstreckenden kürzeren Endabschnitte der Induktor spule werden als Spulenköpfe bezeichnet. Die sich zwischen den Spulenköpfen in Längsrichtung der Induktorspule erstreckenden längeren Abschnitte der Induktorspule werden als reguläre Bereiche bezeichnet.The invention is based on an inductor coil which has a geometry passes through a closed path which is stretched in a longitudinal direction, that is to say shorter End portions and longer portions extending in the longitudinal direction. The shorter end sections of the inductor which extend transversely to the longitudinal direction Coils are referred to as coil heads. Which is in between the coil ends Longer sections of the inductor coil extending in the longitudinal direction of the inductor coil are called regular areas.
Überraschend hat sich herausgestellt, dass bei einer Querfeld-Banderwärmungsanlage unter Verwendung von Blechpaketen ein nahezu homogenes Temperaturprofil über die gesamte Breite des Flachgutes erzielt werden kann, wenn die Leiterdichte im Bereich der Spulenköpfe größer als im regulären Bereich der Spule ist.It has surprisingly turned out that in a cross-country belt heating system an almost homogeneous temperature profile using sheet metal packages the entire width of the flat material can be achieved if the conductor density in The area of the coil heads is larger than in the regular area of the coil.
Üblicherweise würde man jedoch davon ausgehen, dass die Stromdichte bei einer höheren Leitungsdichte im Bereich der Spulenköpfe zu einem erhöhten magnetischen Fluss und damit zu einer Temperaturüberhöhung im Bereich der Seitenkanten des Flachgutes führt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung in Verbindung mit Blechpaketen konnte dieser nachteilige Effekt jedoch behoben werden und führte im Gegenteil überraschend zu einer extrem gleichmäßigen Temperaturverteilung über der Flachgutbreite.Usually, however, one would assume that the current density at a higher line density in the area of the coil heads to an increased magnetic Flow and thus to a temperature increase in the area of the side edges of the Flat goods leads. In the arrangement according to the invention in connection with However, this adverse effect could be remedied and led to Quite the opposite, surprisingly, to an extremely even temperature distribution over the Flachgutbreite.
Die Form der Induktorspulen ist beliebig, z. B. ellipsenförmig, rechteckförmig oder parallelogrammförmig. Vorzugsweise sind die Induktorspulen in die Blechpakete eingebettet.The shape of the inductor coils is arbitrary, e.g. B. elliptical, rectangular or parallelogram. The inductor coils are preferably in the laminated cores embedded.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the accompanying drawings. It demonstrate:
Fig. 1 Skizze einer Querfeld-Erwärmungsanlage mit einer Induktorspule im Blechpaket oberhalb eines Flachgutes in perspektivischer Ansicht; Figure 1 Sketch of a cross-field heating system with an inductor coil in the laminated core above a flat product in a perspective view.
Fig. 2 Querfeld-Erwärmungsanlage mit einer Induktorspule oberhalb eines Flachgutes als Draufsicht und mit einem erfindungsgemäßen Spulenkopfverhältnis; Fig. 2 cross-field heating system with an inductor coil above a flat material as a top view and with a coil head ratio according to the invention;
Fig. 3 Diagramm der Temperaturverteilung über der Breite des Flachgutes in Abhängigkeit von der Vorschubrichtung; FIG. 3 is diagram of the temperature distribution across the width of the flat material, depending on the feed direction;
Fig. 4 Diagramm der Temperaturverteilung über der Breite des Flachgutes. Fig. 4 diagram of the temperature distribution over the width of the flat goods.
Die Fig. 1 lässt eine herkömmliche Querfeld-Erwärmungsanlage erkennen, bei der eine Induktorspule 1 oberhalb eines zu erwärmenden Flachgutes 2 so angeordnet ist, dass sich die regulären Bereiche 3 der Induktorspule 1 quer zur Vorschubrichtung V des Flachgutes 2 und die Spulenköpfe 4 sich längs zur Vorschubrichtung V des Flachgutes 2 erstrecken. Die Induktorspule 1 ist in ein Blechpaket 5 eingebettet, das in Verbindung mit dem Flachgut 2 einen geschlossenen magnetischen Fluss gewährleistet. Figs. 1 reveals a conventional cross-field heating device is arranged in an inductor 1 above a to be heated flat material 2 so as to be the regular areas 3 of the inductor 1 transversely to the feed direction V of the flat material 2 and the coil heads 4 along the Extend the feed direction V of the flat goods 2 . The inductor coil 1 is embedded in a laminated core 5 which, in conjunction with the flat material 2, ensures a closed magnetic flux.
Durch die flache Anordnung der Induktorspule 1 auf dem Flachgut 2 ist der magnetische Fluss senkrecht zur Oberfläche des Flachgutes 2 gerichtet.Due to the flat arrangement of the inductor coil 1 on the flat material 2 , the magnetic flux is directed perpendicular to the surface of the flat material 2 .
Die Vorschubrichtung V des Flachgutes 2 ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Das Flachgut 2 wird hierbei möglichst mit konstanter Geschwindigkeit unter der Induktorspule 1 hindurchgeführt.The direction of advance V of the flat goods 2 is indicated by the arrow. The flat goods 2 are guided under the inductor coil 1 at a constant speed, if possible.
Die Fig. 2 lässt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Querfeld-Erwärmungsanlage erkennen, die allerdings der Übersicht halber ohne Blechpaket 5 dargestellt ist. Bei der Konstruktion der Anlage ist wesentlich, dass die Breite bk der Leiterpakete im Spulenkopfbereich 4 kleiner als die Breite bl der Leiterpakete im regulären Bereich 3 der Induktorspule 1 ist. Der sogenannte Spulenkopffaktor k = bk/bl ist erfindungsgemäß als k < 1 definiert. FIG. 2 shows a plan view of a cross-field heating system according to the invention, which, however, is shown without a laminated core 5 for the sake of clarity. When designing the system, it is essential that the width b k of the conductor packs in the coil head area 4 is smaller than the width b l of the conductor packs in the regular area 3 of the inductor coil 1 . According to the invention, the so-called coil head factor k = b k / b l is defined as k <1.
In Verbindung mit einem Blechpaket ergibt sich die in der Fig. 3 dargestellte Temperaturverteilung von ca. 230°, die nahezu über die gesamte Blechbreite des Flachgutes 2 konstant ist.In conjunction with a laminated core, the temperature distribution shown in FIG. 3 is approximately 230 °, which is constant over almost the entire width of the flat material 2 .
Die nahezu konstante Temperatur über die gesamte Blechbreite des Flachgutes 2 in diesem repräsentativen Versuchsbeispiel ist auch aus der Fig. 4 zu erkennen.The almost constant temperature over the entire sheet width of the flat material 2 in this representative test example can also be seen from FIG. 4.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8304 | Grant after examination procedure | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R084 | Declaration of willingness to license | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20141001 |