EP0129160A2 - Continuous-induction-heating arrangement for metallic products - Google Patents
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- EP0129160A2 EP0129160A2 EP84106525A EP84106525A EP0129160A2 EP 0129160 A2 EP0129160 A2 EP 0129160A2 EP 84106525 A EP84106525 A EP 84106525A EP 84106525 A EP84106525 A EP 84106525A EP 0129160 A2 EP0129160 A2 EP 0129160A2
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- H05B6/104—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces multiple metal pieces successively being moved close to the inductor metal pieces being elongated like wires or bands
Definitions
- the invention relates to a device for heating metal products by induction scrolling.
- a first known device comprises these elements and is described in American patent US-A-3008 026 (Kennedy).
- said magnetic stack of each transport roller is constituted by thick removable disks which can have various values of their magnetic permeabilities to allow obtaining a suitable distribution of the magenetic heating flux according to the width of the product to be heated.
- the transport rollers are arranged in pairs above and below the product to be heated and the magnetic discs are contact with this product.
- the inductor coils surround the transport rollers above and below the product to be heated to ensure a symmetrical distribution of the flow. These rollers are in contact with the latter to prevent any vertical displacement of this product, this latter under the action of magnetic forces created by the heating flow.
- this first known device is intended exclusively for heating a thin strip at a low temperature, probably always less than 500 ° C., even when this patent mentions heat treatment and forming among the possible applications of this. device.
- the heating power indeed appears low due to the arrangement of the coils and the fact that a high flux would raise the temperature of the magnetic discs above their Curie point, which would make them lose their magnetic permeability.
- Such a flow would also directly heat the shafts constituting the stiffening elements of these rollers, since such shafts are normally made of a steel having a substantial magnetic permeability and would therefore be traversed by this flow. The heating of these trees would make them lose part of their mechanical qualities.
- the present invention applies to the case where thick metallic products have to be heated or reheated to a high temperature, suitable for example to facilitate their subsequent deformation. It applies more particularly to the case where these products are long steel products, for example flat steel products which are still hot during rolling and which must be reheated to a temperature of the order of 1000 to 1200 ° C. to allow continue the rolling process under good conditions.
- the thickness of such a product can for example be between 25 and 250 mm approximately, and the power which must be dissipated to heat it between 10 and 200 W / cm 2 approximately and most often between 50 and 200 W / em 2 .
- the heating of such a product can be obtained by a flow passing through the smallest dimension or thickness of the flat product.
- this flux can be obtained by a periodic variation - for example sinusoidal - of an inductive current in fixed coils. It can also be obtained by the longitudinal or transverse displacement of the waves of a sliding field generated by a fixed polyphase inductor. It can also result from the periodic variation of reluctance of a magnetic circuit excited in direct current, or of the mechanical displacement of poles excited in direct current.
- the present invention aims to allow high temperature heating of metal products at the parade with increased power, using a simple device, easy maintenance, without increasing size and consuming no energy electric power only at a moderate frequency, for example at the frequency of the general supply network, that is to say 50 or 60 Hz.
- the sheets used to constitute the magnetic stack of the rollers are of the type which are conventionally used for laminated magnetic circuits and the thickness of which is usually 0.5 mm.
- the device also comprises stationary intermediate support slabs arranged in the intervals between the successive transport rollers to limit the downward bending of a product to be heated which is long and not very rigid, and these intermediate slabs comprise ferromagnetic blocks constituted by stacking, in the transverse direction, of magnetic sheets perpendicular to this direction to complete with the transport rollers said magnetic circuit looped under the product to be heated.
- each intermediate paving comprises separators of non-magnetic refractory steel distributed in said transverse direction and protruding above said ferromagnetic blocks to separate the product to be heated in order to thermally isolate it from these blocks.
- the invention allows the nesting of the transport means and the heating means without the one in any way hindering the implementation of the other, which eliminates the above drawbacks.
- recourse is had to rollers and possibly to intermediate slabs, the constitution of which is new, in particular with the use of laminating of magnetic sheets, and can be easily adapted to the particular operating conditions of a mechanical, magnetic and thermal.
- This makes it possible to apply to the products to be heated induction flows which do not have any discontinuity in the direction of transfer of these products.
- the invention thus allows the greatest possible linear powers and therefore provides great compactness to the heating members. It therefore facilitates economic insertion of heating devices in existing or future rolling installations in which the required heating powers can reach several tens of megawatts.
- FIG. 1 A first preferred embodiment of the invention is illustrated in FIG. 1.
- the product to be heated 1 is conveyed by rollers 2 and moves over intermediate slabs 3.
- Laminated magnetic circuits 4 form a longitudinal succession. They carry, housed in notches, inductor windings 5 generating the heating flows. These are stationary pulsed, that is to say fixed in space and variable in time at any point of the product.
- their winding is of the single-phase type distributed with nested heads and is supplied by terminals A and B in alternating current at industrial frequency (50 or 60 Hz).
- the inductors are protected from the thermal radiation of the heated product by a screen E, made of ceramic fiber about 5 cm thick for example.
- a screen E made of ceramic fiber about 5 cm thick for example.
- the rollers 2 and the intermediate slabs 3 are designed to have a high magnetic permeability while being the seat of losses by eddy currents and limited magnetic hysteresis and while retaining the mechanical aptitudes necessary for transporting the products to be heated.
- the rollers are produced by stacking on a rigid shaft 21, between two clamping flanges 22 and 23, of a series of separators made of refractory non-magnetic steel 24 and of laminated magnetic blocks 25.
- These blocks each consist of a stack of circular flat sheets. The insulation between sheets is obtained by oxidation of their surface.
- the stack of these blocks and these separators is clamped between the flanges 22 and 23 with tension of the shaft 21, which makes this stack participate in the overall rigidity of the roller.
- Each separator 24 has a circular support edge 24A coaxial with the roller and located radially beyond these blocks to maintain a radial gap of thermal insulation 24B between these blocks and the product to be heated supported by this support edge.
- the design of the rollers can be adapted to each operating case.
- the separators 24 can be made of more ordinary steels, or even be eliminated, and the magnetic circuits isolated by varnishing.
- This cooling can be obtained by watering booms. As shown in FIG.
- the intermediate slabs are produced by stacking non-magnetic refractory steel separators 31 and laminated magnetic blocks 32, the whole assembled and stiffened by the mechanically welded elements 33, 34 and 35.
- the series of rollers and intermediate slabs constitutes an almost continuous magnetic circuit.
- the air gaps separating the rollers and slabs can indeed have a thickness of the order of a centimeter, which does not significantly increase the reluctance of the total magnetic circuit, while practically avoiding any risk of blockage of the rollers by disturbing elements such as only pieces of scale.
- the purpose of this arrangement is that the main air gap (of the order of one or more decimeters) encountered by the flux of the inductor is that which is formed by the vertical thickness of the product, the air above it and the thermal protection of the inductor. It allows an easy channeling of the flows intended for heating and avoids, during the design of the inductors, having to be concerned with the presence of the rollers and slabs and their positions.
- the pitch of the inductors is greater than that of the rollers, but it could obviously be less than or equal to it.
- FIG. 1 represents an embodiment of inductors in modules of a pitch, or a pole, without this being a necessity but rather a convenience. It is always possible to make multipolar modules or all of the inductors in one block.
- the magnetic circuit 4 has a longitudinal succession of polar teeth 4X extending vertically, ending downward facing the product to be heated, and connected by their vertices, the inductor coils 5 inducing in these teeth a flux vertical variable magnetic.
- FIG. 8 shows, in a top view of the pavements, a graded embodiment of sheets 36 in the magnetic blocks of the pavements to provide between these blocks and the separators 31, a space through which the scale which forms on the heated product can evacuate or be evacuated by an external means. Other arrangements can of course allow this evacuation of scale.
- the product to be heated is for example constituted by a steel plate emerging from rolling mill cylinders.
- This dish is for example 40 mm thick, 1.6 m wide, and travels at a speed of 1 m / s. It reaches a temperature of 925 C and must be reheated to 1050 C, which requires dissipating within it a short distance a power of about 25 MW.
- the rollers are liquid cooled. They have a diameter of 400 mm, and their pitch of longitudinal succession is 950 mm
- the inductor comprises 10 elements which each induce a power of 2.5 MW, at 50 Hz. They each extend over a length of 1.25 m.
- the sheets of all the magnetic elements have a thickness of 0.5 mm and are isolated by oxidation according to the usual methods.
- the inductor leaves a free gap of 150 mm above the product to be heated. The bending of this product between rollers is not shown. It is limited to 20 mm by intermediate paving.
- the heated product goes to other rolling mill rolls to be brought to a thickness of 10 mm.
- pole coils 5B on cores supplied with alternating current. These coils are integrated with their magnetic circuits 4B in place of the corresponding elements of FIG. 1.
- the magnetic inductor circuit 4C can carry a polyphase winding 5C, for example three-phase as shown partially in FIG. 12.
- This winding creates a sliding field whose direction of movement A or B depends on the succession phases, this direction agreeing or being opposite with that C of the transport of the product to be heated.
- This magnetic circuit and its winding are integrated in place of the corresponding elements of FIG. 1.
- the winding can be performed with concentric heads instead of nested heads as shown in FIG. 12.
- the excitation coils 5D are carried by a magnetic cylinder 6 not necessarily laminated driven in rotation, the rest of the magnetic circuit of the inductor being shown in 4D.
- the excitation coils 5E are carried by poles 7 not necessarily laminated driven in rotation, the rest of the magnetic circuit of the inductor being shown in 4E.
- the coils are supplied with direct current. This avoids the reactive energy call existing in the previous modes.
- the variation of the heating flows with an appropriate frequency is obtained by the rotation in a cylindrical space formed in the magnetic circuit 4D or 4E with a very small air gap vis-à-vis the parts 6 or 7.
- the moving parts 6 or 7 are shown bipolar, but may include several pairs of poles.
- the pole coils 5F are supplied with direct current.
- the variation in flux is obtained by a cyclic variation in the reluctance of the entire magnetic circuit. This variation is caused by the rotation of a magnetic piece 8, laminated in the same direction as the rest of the circuit, and whose shape causes a notable variation in the air gap in which it moves and which is formed in the magnetic circuit. 4F.
- rollers, intermediate slabs and support for the roller bearings can be produced in different shapes or materials without departing from the scope of the invention.
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Abstract
Les rouleaux (2) transportant un plat d'acier (1) à réchauffer entre deux passages au laminoir sont essentiellement constitués par un feuilletage de tôles magnétiques pour canaliser le flux magnétique variable crée par des inducteurs comportant des circuits magnétiques (4) et des bobines d'excitation (5), et pour que ces rouleaux ne soient pas chauffés par ce flux. L'invention s'applique notamment aux trains de laminoirs.The rollers (2) transporting a steel plate (1) to be heated between two passages with the rolling mill are essentially constituted by a lamination of magnetic sheets to channel the variable magnetic flux created by inductors comprising magnetic circuits (4) and coils excitation (5), and so that these rollers are not heated by this flow. The invention applies in particular to rolling mill trains.
Description
L'invention concerne un dispositif de chauffage de produits métalliques au défilé par induction.The invention relates to a device for heating metal products by induction scrolling.
Un tel dispositif peut comporter les éléments connus suivants :
- - des rouleaux de transport pour supporter et faire défiler le produit à chauffer selon une direction longitudinale sensiblement horizontale, ces rouleaux se succédant selon cette direction longitudinale et tournant autour d'axes parallèles à une direction transversale sensiblement horizontale et perpendiculaire à cette direction longitudinale, en s'appuyant sur des paliers d'extrémités,
- - des bobines d'inducteur alimentées en courant électrique pour produire un flux magnétique périodiquement variable,
- - et un circuit magnétique bouclé constitué d'éléments à grande perméabilité magnétique au-dessus et au-dessous du produit à chauffer pour canaliser ce flux en formant des boucles de flux traversant chacune deux fois le produit à chauffer vers le bas et vers le haut et se refermant longitudinalement au-dessus et au-dessous de ce produit,
- - les rouleaux de transport étant composites et comportant chacun un empilement magnétique et un élément de rigidification, l'empilement magnétique occupant au moins la moitié du volume du rouleau et étant formé d'éléments à grande perméabilité magnétique empilés selon l'axe du rouleau pour que ce rouleau constitue une partie dudit circuit magnétique bouclé, l'élément de rigidification étant métallique, résistant au moins aux efforts de tension et s'étendant selon ladite direction transversale sur toute la longueur du rouleau à l'intérieur de l'empilement magnétique pour que le rouleau résiste aux efforts de flexion crées par le poids du produit à chauffer.
- transport rollers for supporting and scrolling the product to be heated in a substantially horizontal longitudinal direction, these rollers succeeding each other in this longitudinal direction and rotating about axes parallel to a substantially horizontal transverse direction and perpendicular to this longitudinal direction, based on end bearings,
- - inductor coils supplied with electric current to produce a periodically variable magnetic flux,
- - and a looped magnetic circuit made up of elements with high magnetic permeability above and below the product to be heated to channel this flow by forming flow loops each passing twice through the product to be heated down and up and closing longitudinally above and below this product,
- the transport rollers being composite and each comprising a magnetic stack and a stiffening element, the magnetic stack occupying at least half of the volume of the roller and being formed of elements with high magnetic permeability stacked along the axis of the roller for that this roller constitutes a part of said looped magnetic circuit, the stiffening element being metallic, resistant at least to tension forces and extending in said transverse direction over the entire length of the roller inside the magnetic stack for that the roller resists the bending forces created by the weight of the product to be heated.
Un premier dispositif connu comporte ces éléments et est décrit dans le brevet américain US-A- 3008 026 (Kennedy). Selon ce brevet ledit empilement magnétique de chaque rouleau de transport est constitué par des disques amovibles épais pouvant présenter diverses valeurs de leurs perméabilités magnétiques pour permettre d'obtenir une répartition convenable du flux magéntique de chauffage selon la largeur du produit à chauffer. Les rouleaux de transport sont disposés par paires au-dessus et au-dessous du produit à chauffer et les disques magnétiques sont en contact avec ce produit. Les bobines d'inducteur entourent les rouleaux de transport au-dessus et au-dessous du produit à chauffer pour assurer une répartition symétrique du flux. Ces rouleaux sont au contact de celui-ci pour empêcher tout déplacement vertical de ce produit celui-ci sous l'action des forces magnétiques créées par le flux de chauffage.A first known device comprises these elements and is described in American patent US-A-3008 026 (Kennedy). According to this patent, said magnetic stack of each transport roller is constituted by thick removable disks which can have various values of their magnetic permeabilities to allow obtaining a suitable distribution of the magenetic heating flux according to the width of the product to be heated. The transport rollers are arranged in pairs above and below the product to be heated and the magnetic discs are contact with this product. The inductor coils surround the transport rollers above and below the product to be heated to ensure a symmetrical distribution of the flow. These rollers are in contact with the latter to prevent any vertical displacement of this product, this latter under the action of magnetic forces created by the heating flow.
Il apparaît clairement au spécialiste que ce premier dispositif connu est destiné exclusivement au chauffage d'une bande mince à une température basse vraisemblablement toujours inférieure à 500°C, même alors que ce brevet mentionne un traitement thermique et un formage parmi les applications possibles de ce dispositif. La puissance de chauffage apparaît en effet faible en raison de la disposition des bobines et du fait qu'un flux élevé éléverait la température des disques magnétiques au-dessus de leur point de Curie, ce qui leur ferait perdre leur perméabilité magnétique. Un tel flux chaufferait aussi de manière directe les arbres constituant les éléments de rigidification de ces rouleaux, car de tels arbres sont normalement constitués d'un acier présente une perméabilité magnétique sensible et seraient donc traversés par ce flux. L'échauffement de ces arbres leur ferait perdre une partie de leurs qualités mécaniques. L'échauffement de ces arbres et de ces disques serait d'autant plus important qu'aucune isolation thermique n'est prévue entre le produit à chauffer et les rouleaux de transport. Enfin la maintenance d'un tel dispositif deviendrait onéreuse en raison de la présence de bobines au-dessous d'un produit très chaud susceptible de laisser tomber des débris chauds tels que des écailles d'oxydation.It is clear to the specialist that this first known device is intended exclusively for heating a thin strip at a low temperature, probably always less than 500 ° C., even when this patent mentions heat treatment and forming among the possible applications of this. device. The heating power indeed appears low due to the arrangement of the coils and the fact that a high flux would raise the temperature of the magnetic discs above their Curie point, which would make them lose their magnetic permeability. Such a flow would also directly heat the shafts constituting the stiffening elements of these rollers, since such shafts are normally made of a steel having a substantial magnetic permeability and would therefore be traversed by this flow. The heating of these trees would make them lose part of their mechanical qualities. The heating of these shafts and of these discs would be all the more important since no thermal insulation is provided between the product to be heated and the transport rollers. Finally, the maintenance of such a device would become expensive due to the presence of coils below a very hot product capable of dropping hot debris such as oxidation flakes.
Il résulte de ce qui précède que ce brevet Kennedy n'apparaît pas à un spécialiste comme pouvant donner une indication utile dans le cas où un produit épais et lourd doit être chauffé à une température élevée.It follows from the above that this Kennedy patent does not appear to a specialist as being able to give a useful indication in the case where a thick and heavy product must be heated to a high temperature.
Au contraire la présente invention s'applique au cas où des produits métalliques épais doivent être chauffés ou réchauffés à une température élevée, propre par exemple à faciliter leur déformation ultérieure. Elle s'applique plus particulièrement au cas où ces produits sont des produits sidérurgiques longs, par exemple des produits plats en acier encore chauds en cours de laminage et qui doivent être réchauffés à une température de l'ordre de 1000 à 12000C pour permettre de poursuivre le processus de laminage dans de bonnes conditions. L'épaisseur d'un tel produit peut être par exemple comprise entre 25 et 250 mm environ, et la puissance qui doit être dissipée pour le chauffer entre 10 et 200 W/cm2 environ et le plus souvent entre 50 et 200 W/em2. Cette dissipation résulte du fait que le produit est traversé par le flux magnétique variable créé par un inducteur, et que ce produit est électriquement conducteur. Sa température l'empêche d'être ferromagnétique, car elle est située au-dessus du point de Curie, qui varie selon les alliages tout en restant inférieur à 770°C. Il pourrait cependant parfois aussi s'agir de plateaux d'aluminium ou autres métaux amagnétiques à maintenir à la bonne température de laminage.On the contrary, the present invention applies to the case where thick metallic products have to be heated or reheated to a high temperature, suitable for example to facilitate their subsequent deformation. It applies more particularly to the case where these products are long steel products, for example flat steel products which are still hot during rolling and which must be reheated to a temperature of the order of 1000 to 1200 ° C. to allow continue the rolling process under good conditions. The thickness of such a product can for example be between 25 and 250 mm approximately, and the power which must be dissipated to heat it between 10 and 200 W / cm 2 approximately and most often between 50 and 200 W / em 2 . This dissipation results from the fact that the product is crossed by the variable magnetic flux created by an inductor, and that this product is electrically conductive. Its temperature prevents it from being ferromagnetic, because it is located above the Curie point, which varies according to the alloys while remaining below 770 ° C. However, it could sometimes also be aluminum trays or other non-magnetic metals to be maintained at the correct rolling temperature.
Plus précisément le chauffage d'un tel produit peut être obtenu par un flux traversant la plus petite dimension ou épaisseur du produit plat. Quant à la nécessaire variation de ce flux, elle peut être obtenue par une variation périodique - par exemple sinusoïdale - d'un courant inducteur dans des bobines fixes. Elle peut aussi être obtenue par le déplacement longitudinal ou transversal des ondes d'un champ glissant généré par un inducteur polyphasé fixe. Elle peut aussi résulter de la variation périodique de réluctance d'un circuit magnétique excité en courant continu, ou encore du déplacement mécanique de pôles excités en courant continu.More precisely, the heating of such a product can be obtained by a flow passing through the smallest dimension or thickness of the flat product. As for the necessary variation of this flux, it can be obtained by a periodic variation - for example sinusoidal - of an inductive current in fixed coils. It can also be obtained by the longitudinal or transverse displacement of the waves of a sliding field generated by a fixed polyphase inductor. It can also result from the periodic variation of reluctance of a magnetic circuit excited in direct current, or of the mechanical displacement of poles excited in direct current.
Dans les dispositifs industriels connus où un transport à rouleaux est associé à des organes de chauffage à haute température et forte puissance par induction, ces organes sont installés entre les rouleaux de façon que ces derniers soient situés le plus loin possibles des flux variables et ne soient pas eux-mêmes chauffés, et il n'y a pas de dallages intermédiaires entre les rouleaux pour supporter le produit à chauffer. Il en est ainsi par exemple dans le dispositif suivant le brevet anglais GB-A-1 453 489 déposé le 7 mars 1974 (The Electricity Council, inventeur Ralph Waggott) ou dans le dispositif suivant le brevet américain US-A-3 471 673 au nom de Harold Grote Frostick.In known industrial devices where a roller transport is associated with high temperature and high power induction heating elements, these elements are installed between the rollers so that the latter are located as far as possible from the variable flows and are not not themselves heated, and there are no intermediate slabs between the rollers to support the product to be heated. This is for example in the device according to the English patent GB-A-1 453 489 filed on March 7, 1974 (The Electricity Council, inventor Ralph Waggott) or in the device according to the American patent US-A-3 471 673 at name of Harold Grote Frostick.
Ces deuxième et troisième dispositifs connus présentent l'inconvénient que la puissance de chauffage fournie par les inducteurs est limitée par la petitesse de l'espace disponible entre les rouleaux de transport ou à côté de ceux-ci pour le passage du flux magnétique variable. Si ce flux est vertical cette puissance est souvent particulièrement petite en raison de l'absence de dallages de support intermédiaire, car cette absence oblige à ne laisser que de petits intervalles entre rouleaux si la température du produit à chauffer diminue sa résistance à la flexion entre rouleaux.These second and third known devices have the drawback that the heating power supplied by the inductors is limited by the small space available between or next to the transport rollers for the passage of magnetic flux. variable. If this flow is vertical, this power is often particularly small due to the absence of intermediate support slabs, because this absence means that only small intervals between rollers have to be left if the temperature of the product to be heated decreases its resistance to bending between rollers.
Il a été proposé d'augmenter la puissance de chauffage de ces deuxième et troisième dispositifs connus en augmentant leur longueur selon la direction de transport. Mais cela augmente non seulement leur coût, mais aussi celui des bâtiments qui les abritent. De plus les pertes thermiques sont augmentées et il est plus coûteux d'atteindre les températures souhaitées pour le produit à chauffer.It has been proposed to increase the heating power of these second and third known devices by increasing their length according to the direction of transport. But this not only increases their cost, but also the cost of the buildings that house them. In addition, the heat losses are increased and it is more expensive to reach the desired temperatures for the product to be heated.
Pour augmenter la puissance de chauffage sans augmenter. la longueur du dispositif de chauffage, il a été proposé d'augmenter la fréquence de la variation du flux magnétique. On sait en effet que les forces électromotrices induites au sein du matériau à chauffer sont proportionnelles à cette fréquence, et que, pour une amplitude de variation du flux inchangée en tous points, la puissance dissipée dans ce matériau croit comme le carré de la fréquence. Mais on est limité, dans la recherche d'une fréquence accrue, par le fait que le flux variable ne pénétre que sur une épaisseur limitée du matériau à chauffer, et que cette épaisseur décroît lorsque la fréquence croît. De plus, et surtout, l'utilisation d'une fréquence élevée crée des pertes importantes dans le circuit magnétique de l'inducteur, et oblige à employer un générateur de courant électrique à rendement médiocre. Le prix de l'énergie fournie au matériau à chauffer s'élève donc de façon gênante.To increase the heating power without increasing. the length of the heating device, it has been proposed to increase the frequency of the variation of the magnetic flux. It is known in fact that the electromotive forces induced within the material to be heated are proportional to this frequency, and that, for an amplitude of variation of the flux unchanged at all points, the power dissipated in this material increases as the square of the frequency. However, in the search for an increased frequency, it is limited by the fact that the variable flux only penetrates over a limited thickness of the material to be heated, and that this thickness decreases when the frequency increases. In addition, and above all, the use of a high frequency creates significant losses in the magnetic circuit of the inductor, and obliges to use an electric current generator with poor efficiency. The price of the energy supplied to the material to be heated therefore increases inconveniently.
Par ailleurs, le coût de construction des dispositifs connus est accru par le fait que le circuit magnétique doit canaliser strictement le flux dans des intervalles prédéterminés.Furthermore, the cost of construction of the known devices is increased by the fact that the magnetic circuit must strictly channel the flux in predetermined intervals.
La présente invention a pour but de permettre le chauffage à haute température de produits métalliques au défilé avec une puissance accrue, à l'aide d'un dispositif simple, de maintenance facile, sans augmentation d'encombrement et en ne consommant de l'énergie électrique qu'à une fréquence modérée, par exemple à la fréquence du réseau général d'alimentation, c'est-à-dire 50 ou 60 Hz.The present invention aims to allow high temperature heating of metal products at the parade with increased power, using a simple device, easy maintenance, without increasing size and consuming no energy electric power only at a moderate frequency, for example at the frequency of the general supply network, that is to say 50 or 60 Hz.
Elle a plus particulièrement pour but de permettre d'insérer de manière économique un dispositif de chauffage dans une chaîne de laminage.It is more particularly intended to allow the insertion of economically a heating device in a rolling line.
Elle a pour objet un dispositif de chauffage de produits métalliques au défilé par induction comportant les éléments connus précédemment mentionnés,
- - ce dispositif étant caractérisé en ce que ledit empilement magnétique est un empilement feuilleté constitué par des couches de tôles magnétiques, d'épaisseur non sensiblement supérieure à 0,6 mm, électriquement résistives, et isolées les unes des autres, pour que le flux magnétique qui traverse cet empilement ne puisse l'échauffer au-dessus du point de Curie de ces tôles magnétiques même lorsqu'il chauffe le produit à chauffer au-dessus de 800°C,
- - ledit élément de rigidification étant constitué d'un métal non magnétique pour que le flux magnétique traversant le rouleau soit canalisé par l'empilement magnétique de part et d'autre de cet élément de rigidification et ne puisse échauffer ce dernier jusqu'à une température risquant de dégrader ses qualités mécaniques,
- - chaque rouleau de transport comportant en outre des séparateurs répartis sur la longueur du rouleau, constitués d'acier amagnétique réfractaire et présentant un bord d'appui circulaire coaxial au rouleau et situé radialement au delà de l'empilement magnétique pour maintenir un intervalle radial d'isolation thermique entre cet empilement et le produit à chauffer supporté par ce bord d'appui,
- - un intervalle vide d'isolation thermique étant ménagé entre la face supérieure du produit à chauffer et un circuit . magnétique d'inducteur qui constitue la partie dudit circuit magnétique bouclé au-dessus de ce produit, et qui est seul muni desdites bobines d'inducteur.
- - This device being characterized in that said magnetic stack is a laminated stack constituted by layers of magnetic sheets, of thickness not substantially greater than 0.6 mm, electrically resistive, and isolated from each other, so that the magnetic flux which crosses this stack cannot heat it above the Curie point of these magnetic sheets even when it heats the product to be heated above 800 ° C,
- - Said stiffening element being made of a non-magnetic metal so that the magnetic flux passing through the roller is channeled by the magnetic stack on either side of this stiffening element and cannot heat it up to a temperature risking degrading its mechanical qualities,
- each transport roller further comprising dividers distributed over the length of the roller, made of refractory non-magnetic steel and having a circular bearing edge coaxial with the roller and located radially beyond the magnetic stack to maintain a radial interval d thermal insulation between this stack and the product to be heated supported by this bearing edge,
- - an empty thermal insulation gap is provided between the upper face of the product to be heated and a circuit. magnetic field which constitutes the part of said magnetic circuit looped above this product, and which is only provided with said inductor coils.
Les tôles utilisées pour constituer l'empilement magnétique des rouleaux sont du type de celles qui sont classiquement utilisées pour les circuits magnétiques feuilletés et dont l'épaisseur est habituellement de 0,5 mm.The sheets used to constitute the magnetic stack of the rollers are of the type which are conventionally used for laminated magnetic circuits and the thickness of which is usually 0.5 mm.
De préférence le dispositif comporte en outre des dallages d'appui intermédiaires immobiles disposés dans les intervalles entre les rouleaux de transport successifs pour limiter la flexion vers le bas d'un produit à chauffer long et peu rigide, et ces dallages intermédiaires comportent des blocs ferromagnétiques constitués par empilage, selon la direction transversale, de tôles magnétiques perpendiculaires à cette direction pour compléter avec les rouleaux de transport ledit circuit magnétique bouclé sous le produit à chauffer.Preferably, the device also comprises stationary intermediate support slabs arranged in the intervals between the successive transport rollers to limit the downward bending of a product to be heated which is long and not very rigid, and these intermediate slabs comprise ferromagnetic blocks constituted by stacking, in the transverse direction, of magnetic sheets perpendicular to this direction to complete with the transport rollers said magnetic circuit looped under the product to be heated.
De préférence encore chaque dallage intermédiaire comporte des séparateurs d'acier amagnétique réfractaire répartis selon ladite direction transversale et dépassant au-dessus desdits blocs ferromagnétiques pour écarter le produit à chauffer afin de l'isoler thermiquement de ces blocs.More preferably, each intermediate paving comprises separators of non-magnetic refractory steel distributed in said transverse direction and protruding above said ferromagnetic blocks to separate the product to be heated in order to thermally isolate it from these blocks.
Il apparaît que l'invention permet l'imbrication du moyen de transport et du moyen de chauffage sans que l'un gêne en aucune façon la mise en oeuvre de l'autre, ce qui élimine les inconvénients précédents. On a selon son enseignement recours à des rouleaux et éventuellement à des dallages intermédiaires dont la constitution est nouvelle, notamment avec utilisation d'un feuilletage de tôles magnétiques, et peut être aisément adaptée aux conditions d'exploitation particulières d'ordre mécanique, magnétique et thermique. Ceci permet d'appliquer aux produits à chauffer des flux d'induction ne présentant pas de discontinuité dans le sens du transfert de ces produits. L'invention autorise ainsi les plus grandes puissances linéiques possibles et apporte donc une grande compacité aux organes de chauffage. Elle facilite donc une insertion économique de dispositifs de chauffage dans des installations de laminage existantes ou futures dans lesquelles les puissances de chauffage requises peuvent atteindre plusieurs dizaines de mégawatts.It appears that the invention allows the nesting of the transport means and the heating means without the one in any way hindering the implementation of the other, which eliminates the above drawbacks. According to his teaching, recourse is had to rollers and possibly to intermediate slabs, the constitution of which is new, in particular with the use of laminating of magnetic sheets, and can be easily adapted to the particular operating conditions of a mechanical, magnetic and thermal. This makes it possible to apply to the products to be heated induction flows which do not have any discontinuity in the direction of transfer of these products. The invention thus allows the greatest possible linear powers and therefore provides great compactness to the heating members. It therefore facilitates economic insertion of heating devices in existing or future rolling installations in which the required heating powers can reach several tens of megawatts.
Ces avantages et les particularités de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, donnée sur des exemples non limitatifs et illustrée par les figures annexées. Sur ces figures les éléments métalliques feuilletés comportent des hachures partielles dirigées selon les plans des tôles constituant ces éléments, et ne comportent pas de hachures lorsque ces plans sont parallèles à celui de la feuille.
- - la figure 1 représente une vue schématique de côté avec coupe verticale partielle d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention avec bobinage inducteur monophasé réparti à têtes imbriquées alimenté en courant alternatif.
- - la figure 2 représente un inducteur de la figure 1 vu de dessus.
- - la figure 3 représente un inducteur de la figure 3 vu de côté.
- - la figure 4 représente une vue de face d'un rouleau de transport de la figure 1, pour montrer que ce rouleau est feuilleté transversalement à son axe.
- - la figure 5 représente une vue en coupe axiale d'une extrémité d'un rouleau de transport refroidi par circulation d'un fluide et utilisable à la place du rouleau de la figure 4.
- - la figure 6 représente une vue de côté plus détaillée d'un dallage intermédiaire feuilleté du dispositif de la figure 1.
- - la figure 7 représente le même dallage intermédiaire vu en bout.
- - la figure 8 représente une vue en bout d'un dallage intermédiaire propre à évacuer la calamine et utilisable à la place du dallage des figures 6 et 7.
- - la figure 9 représente schématiquement une vue de dessus, l'inducteur d'un deuxième mode de réalisation avec bobinage inducteur monophasé réparti à têtes concentriques alimenté en courant alternatif.
- - la figure 10 représente en vue frontale l'inducteur d'un troisième mode de réalisation avec bobines pôlaires alimentées en courant alternatif.
- - la figure 11 représente une vue de dessus de l'inducteur de la figure 10.
- - la figure 12 représente schématiquement en vue de dessus l'inducteur d'un quatrième mode de réalisation avec bobinages inducteurs triphasés alimentés en courants alternatifs déterminant un champ glissant parallèle au sens du transfert.
- - la figure 13 représente schématiquement en vue de côté un cinquième mode de réalisation dans l'inducteur duquel un rotor bipolaire porteur d'un bobinage réparti excité en courant continu génère les variations de flux par sa rotation.
- - la figure 14 représente schématiquement une vue de côté un sixième mode de réalisation dans lequel un rotor bipolaire à pôles saillants excités par bobines pôlaires génère les variations de flux par sa rotation.
- - la figure 15 représente schématiquement une vue de côté d'un septième mode de réalisation dans lequel un flux de base fixe généré par des bobines alimentées en courant continu est pulsé par la rotation d'un organe présentant une anisotropie magnétique suivant deux axes perpendiculaires.
- - Figure 1 shows a schematic side view with partial vertical section of a device according to a first embodiment of the invention with single-phase inductive winding distributed with nested heads supplied with alternating current.
- - Figure 2 shows an inductor of Figure 1 seen from above.
- - Figure 3 shows an inductor of Figure 3 seen from the side.
- - Figure 4 shows a front view of a transport roller of Figure 1, to show that this roller is laminated transversely to its axis.
- FIG. 5 represents a view in axial section of one end of a transport roller cooled by circulation of a fluid and usable in place of the roller of FIG. 4.
- - Figure 6 shows a more detailed side view of a laminated intermediate paving of the device of Figure 1.
- - Figure 7 shows the same intermediate paving seen at the end.
- FIG. 8 represents an end view of an intermediate paving suitable for removing the scale and usable in place of the paving in FIGS. 6 and 7.
- - Figure 9 shows schematically a top view, the inductor of a second embodiment with single-phase inductor winding distributed with concentric heads supplied with alternating current.
- - Figure 10 shows in front view the inductor of a third embodiment with pole coils supplied with alternating current.
- FIG. 11 represents a top view of the inductor of FIG. 10.
- - Figure 12 shows schematically a top view of the inductor of a fourth embodiment with three-phase inductor windings supplied with alternating currents determining a sliding field parallel to the direction of transfer.
- - Figure 13 shows schematically in side view a fifth embodiment in the inductor of which a bipolar rotor carrying a distributed winding excited in direct current generates the flux variations by its rotation.
- - Figure 14 schematically shows a side view of a sixth embodiment in which a bipolar rotor with salient poles excited by pole coils generates the flux variations by its rotation.
- - Figure 15 shows schematically a side view of a seventh embodiment in which a fixed base flux generated by coils supplied with direct current is pulsed by the rotation of a member having a magnetic anisotropy along two perpendicular axes.
Un premier mode de réalisation préférentiel de l'invention est illustré par la figure 1. Le produit à chauffer 1 est véhiculé par des rouleaux 2 et se déplace au-dessus de dallages intermédiaires 3. Des circuits magnétiques feuilletés 4 forment une succession longitudinale. Ils portent, logés dans des encoches, des bobinages inducteurs 5 générant les flux de chauffe. Ceux-ci sont stationnaires pulsés c'est-à-dire fixes dans l'espace et variables dans le temps en un point quelconque du produit. Comme le montrent la vue de dessus de la figure 2 et la vue en bout de la figure 3, se rapportant à ces mêmes inducteurs et précisant la direction du feuilletage, leur bobinage est du type monophasé réparti à têtes imbriquées et est alimenté par des bornes A et B en courant alternatif à fréquence industrielle (50 ou 60 Hz). Les inducteurs sont protégés du rayonnement thermique du produit chauffé par un écran E, en fibre céramique épais d'environ 5cm par exemple. Dans cette disposition, les rouleaux 2 et les dallages intermédiaires 3 sont conçus pour présenter une grande perméabilité magnétique tout en étant le siège de pertes par courants de Foucault et hystérésis magnétique limitées et tout en conservant les aptitudes mécaniques nécessaires au transport des produits à chauffer.A first preferred embodiment of the invention is illustrated in FIG. 1. The product to be heated 1 is conveyed by
Suivant la figure 4 et à titre d'exemple non limitatif, les rouleaux sont réalisés par empilage sur un arbre rigide 21, entre deux flasques de serrage 22 et 23, d'une suite de séparateurs en acier amagnétique réfractaire 24 et de blocs magnétiques feuilletés 25. Ces blocs sont constitués chacun par un empilement de tôles plates circulaires. L'isolation entre tôles est obtenue par oxydation de leur surface. L'empilement de ces blocs et de ces séparateurs est serré entre les flasques 22 et 23 avec tension de l'arbre 21, ce qui fait participer cet empilement à la rigidité d'ensemble du rouleau.According to FIG. 4 and by way of nonlimiting example, the rollers are produced by stacking on a
Chaque séparateur 24 présente un bord d'appui circulaire 24A coaxial au rouleau et situé radialement au delà de ces blocs pour maintenir un intervalle radial d'isolation thermique 24B entre ces blocs et le produit à chauffer supporté par ce bord d'appui.Each
La conception des rouleaux peut être adaptée à chaque cas de fonctionnement. Par exemple, pour des conditions thermiques moins sévères déterminées par des produits plus froids ou circulant à faible cadence, les séparateurs 24 peuvent être réalisés en aciers plus ordinaires, voire être supprimés, et les circuits magnétiques isolés par vernissage. Au contraire, pour des conditions thermiques sévères, risquant d'abaisser la limite élastique des pièces constitutives, ou risquant de porter les circuits magnétiques à une température supérieure au point de Curie pour laquelle ils perdraient leur perméabilité magnétique, il peut être nécessaire de refroidir les rouleaux. Ce refroidissement peut être obtenu par des rampes d'arrosage à l'eau. Comme le représente la figure 5, on peut aussi isoler les blocs magnétiques 25 par des anneaux cylindriques isolants 26 constitués de silice fondue et entourant ces blocs, et assurer le refroidissement par une circulation d'un fluide réfrigérant -air, eau ou autres - dans des canaux 27 parallèles à l'axe. Selon cette figure, des obturateurs 28 sont nécessaires aux extrémités de canaux radiaux 27a obtenus par perçage et alimentant les canaux 27 à partir de canaux axiaux 27b.The design of the rollers can be adapted to each operating case. For example, for less severe thermal conditions determined by cooler products or circulating at low speed, the
Suivant les figures 6 et 7 et à titre d'exemple non limitatif, les dallages intermédiaires sont réalisés par empilage de séparateurs en acier amagnétique réfractaire 31 et de blocs magnétiques feuilletés 32, le tout assemblé et rigidifié par les éléments mécano-soudés 33, 34 et 35.According to FIGS. 6 and 7 and by way of nonlimiting example, the intermediate slabs are produced by stacking non-magnetic
Des changements de formes, dimensions ou matériau peuvent bien entendu être adoptés pour conserver ou améliorer la tenue mécanique et la perméabilité magnétique des rouleaux et des dallages intermédiaires en fonction des conditions thermiques. En particulier les systèmes de refroidissement décrits précédemment pour les rouleaux sont directement adaptables à ces dallages.Changes in shape, dimensions or material can of course be adopted to maintain or improve the mechanical strength and the magnetic permeability of the rollers and of the intermediate slabs as a function of the thermal conditions. In particular, the cooling systems described above for the rollers are directly adaptable to these pavements.
En revenant à la figure 1, la suite des rouleaux et des dallages intermédiaires constitue un circuit magnétique quasi continu. Les entrefers séparant les rouleaux et dallages peuvent en effet avoir une épaisseur de l'ordre du centimètre, qui n'augmente pas sensiblement la reluc- tance du circuit magnétique total, tout en évitant pratiquement tout risque de blocage des rouleaux par des éléments perturbateurs tels que des morceaux de calamine. Cette disposition a pour but que le principal entrefer (de l'ordre de un ou plusieurs décimètres) rencontré par le flux de l'inducteur soit celui qui est formé par l'épaisseur verticale du produit, l'air au-dessus de celui-ci et la protection thermique de l'inducteur. Elle permet une canalisation facile des flux destinés au chauffage et évite, lors de la conception des inducteurs, d'avoir à se préoccuper de la présence des rouleaux et dallages et de leurs positions. Sur la figure 1 le pas de succession des inducteurs est supérieur à celui des rouleaux, mais il pourrait évidemment lui être inférieur ou égal.Returning to FIG. 1, the series of rollers and intermediate slabs constitutes an almost continuous magnetic circuit. The air gaps separating the rollers and slabs can indeed have a thickness of the order of a centimeter, which does not significantly increase the reluctance of the total magnetic circuit, while practically avoiding any risk of blockage of the rollers by disturbing elements such as only pieces of scale. The purpose of this arrangement is that the main air gap (of the order of one or more decimeters) encountered by the flux of the inductor is that which is formed by the vertical thickness of the product, the air above it and the thermal protection of the inductor. It allows an easy channeling of the flows intended for heating and avoids, during the design of the inductors, having to be concerned with the presence of the rollers and slabs and their positions. In Figure 1 the pitch of the inductors is greater than that of the rollers, but it could obviously be less than or equal to it.
La figure 1 représente une réalisation d'inducteurs en modules de un pas, ou un pôle, sans que ce soit une nécessité mais plutôt une commodité. Il est toujours possible de réaliser des modules multipô- laires ou l'ensemble des inducteurs en un seul bloc. Selon cette figure le circuit magnétique 4 présente une succession longitudinale de dents polaires 4X s'étendant verticalement, se terminant vers le bas en regard du produit à chauffer, et reliées par leurs sommets, les bobines d'inducteur 5 induisant dans ces dents un flux magnétique variable vertical.FIG. 1 represents an embodiment of inductors in modules of a pitch, or a pole, without this being a necessity but rather a convenience. It is always possible to make multipolar modules or all of the inductors in one block. According to this figure the magnetic circuit 4 has a longitudinal succession of
La figure 8 montre, dans une vue de dessus des dallages, une réalisation en dégradé de tôles 36 dans les blocs magnétiques des dallages pour ménager entre ces blocs et les séparateurs 31, un espace par où la calamine qui se forme sur le produit chauffé peut s'évacuer ou être évacuée par un moyen extérieur. D'autres dispositions peuvent bien entendu permettre cette évacuation de calamine.FIG. 8 shows, in a top view of the pavements, a graded embodiment of
Dans ce premier mode de réalisation le produit à chauffer est par exemple constitué par un plat d'acier sortant de cylindres de laminoir. Ce plat est par exemple épais de 40 mm, large de 1,6 m, et défile à une vitesse de 1 m/s. Il arrive à une température de 925 C et doit être réchauffé jusqu'à 1050 C, ce qui nécessite de dissiper en son sein sur une courte distance une puissance de 25 MW environ.In this first embodiment, the product to be heated is for example constituted by a steel plate emerging from rolling mill cylinders. This dish is for example 40 mm thick, 1.6 m wide, and travels at a speed of 1 m / s. It reaches a temperature of 925 C and must be reheated to 1050 C, which requires dissipating within it a short distance a power of about 25 MW.
Les rouleaux sont refroidis par liquide. Ils ont un diamètre de 400 mm, et leur pas de succession longitudinale est de 950 mmThe rollers are liquid cooled. They have a diameter of 400 mm, and their pitch of longitudinal succession is 950 mm
L'inducteur comporte 10 éléments qui induisent chacun une puissance de 2,5 MW, à 50 Hz. Ils s'étendent chacun sur une longueur de 1,25 m.The inductor comprises 10 elements which each induce a power of 2.5 MW, at 50 Hz. They each extend over a length of 1.25 m.
Les tôles de tous les éléments magnétiques ont une épaisseur de 0,5 mm et sont isolés par oxydation selon les procédés habituels. L'inducteur laisse un intervalle libre de 150 mm au dessus du produit à chauffer. La flexion de ce produit entre rouleaux n'est pas représentée. Elle est limitée à 20 mm par les dallages intermédiaires.The sheets of all the magnetic elements have a thickness of 0.5 mm and are isolated by oxidation according to the usual methods. The inductor leaves a free gap of 150 mm above the product to be heated. The bending of this product between rollers is not shown. It is limited to 20 mm by intermediate paving.
Le produit chauffé se dirige vers d'autres cylindres de laminoir pour être amené à une épaisseur de 10 mm.The heated product goes to other rolling mill rolls to be brought to a thickness of 10 mm.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, il est possible d'utiliser, comme le montre en vue de dessus la figure 9, une succession d'inducteurs monophasés à bobines concentriques 5A alimentées en courant alternatif. Ces inducteurs s'intégrent avec leurs circuits magnétiques 4A en lieu et place des inducteurs de la figure 1.According to a second embodiment of the invention, it is possible to use, as shown in top view of FIG. 9, a succession of single-phase inductors with
Selon un troisième mode de réalisation, il est possible d'utiliser, comme le montrent la vue en bout de la figure 10 et la vue de dessus de la figure 11, des bobines pôlaires 5B sur noyaux alimentées en courant alternatif. Ces bobines s'intégrent avec leurs circuits magnétiques 4B en lieu et place des éléments correspondants de la figure 1.According to a third embodiment, it is possible to use, as shown in the end view of FIG. 10 and the top view of FIG. 11, pole coils 5B on cores supplied with alternating current. These coils are integrated with their
Selon un quatrième mode de réalisation, le circuit magnétique d'inducteur 4C peut porter un bobinage polyphasé 5C, par exemple triphasé comme représenté partiellement sur la figure 12. Ce bobinage crée un champ glissant dont la direction de déplacement A ou B dépend de la succession des phases, cette direction concordant ou étant opposée avec celle C du transport du produit à chauffer. Ce circuit magnétique et son bobinage s'intègrent en lieu et place des éléments correspondants de la figure 1. Le bobinage peut être exécuté à têtes concentriques au lieu de têtes imbriquées comme représentées figure 12.According to a fourth embodiment, the
Selon un cinquième mode de réalisation, et comme le montre la figure 13, les bobines d'excitation 5D sont portées par un cylindre magnétique 6 non nécessairement feuilleté entraîné en rotation, le reste du circuit magnétique de l'inducteur étant représenté en 4D.According to a fifth embodiment, and as shown in FIG. 13, the excitation coils 5D are carried by a magnetic cylinder 6 not necessarily laminated driven in rotation, the rest of the magnetic circuit of the inductor being shown in 4D.
Selon un sixième mode de réalisation et comme le montre la figure 14, les bobines d'excitation 5E sont portées par des pôles 7 non nécessairement feuilletés entraînés en rotation, le reste du circuit magnétique de l'inducteur étant représenté en 4E.According to a sixth embodiment and as shown in Figure 14, the excitation coils 5E are carried by poles 7 not necessarily laminated driven in rotation, the rest of the magnetic circuit of the inductor being shown in 4E.
Dans les deux cas des figures 13 et 14 les bobines sont alimentées en courant continu. On évite ainsi l'appel d'énergie réactive existant dans les modes précédents. Dans ces deux cas la variation des flux de chauffe avec une fréquence appropriée est obtenue par la rotation dans un espace cylindrique ménagé dans le circuit magnétique 4D ou 4E avec un très faible entrefer vis-à-vis des pièces 6 ou 7. Dans ces deux cas les pièces mobiles 6 ou 7 sont représentés bipôlaires, mais peuvent comporter plusieurs paires de pôles.In the two cases of FIGS. 13 and 14 the coils are supplied with direct current. This avoids the reactive energy call existing in the previous modes. In these two cases the variation of the heating flows with an appropriate frequency is obtained by the rotation in a cylindrical space formed in the
Selon un septième mode de réalisation et conformément à la figure 15 les bobines pôlaires 5F sont alimentées en courant continu. La variation de flux est obtenue par une variation cyclique de la réluctance de l'ensemble du circuit magnétique. Cette variation est provoquée par la rotation d'une pièce magnétique 8, feuilletée dans le même sens que le reste du circuit, et dont la forme provoque une variation notable de l'entrefer dans lequel elle se meut et qui est formé dans le circuit magnétique 4F.According to a seventh embodiment and in accordance with FIG. 15, the
La forme représentée figure 15 et l'emplacement choisi pour la pièce magnétique 8 pourraient bien entendu être modifiés.The shape shown in FIG. 15 and the location chosen for the magnetic piece 8 could of course be modified.
Les rouleaux, dallages intermédiaires et support des paliers de rouleaux, peuvent être réalisés dans des formes ou matériaux différentes sans sortir du cadre de l'invention.The rollers, intermediate slabs and support for the roller bearings, can be produced in different shapes or materials without departing from the scope of the invention.
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