HU216981B - Indukciós kemence - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya indűkciós kemence a belső terén keresztülfőlyamatősan tővábbítőtt lapős termékek (1), főként legfeljebb 30 mmvastagságú lemezbűgák vagy acélszalagők hőmőgén hőmérsékleti viszőnyőkmelletti felhevítésére, amely kemence egymás űtán elrendezettindűkciós tekercsek (2) sőrőzatával rendelkezik, ahől ezek mindegyikeegy-egy tűzálló anyagból (3) létrehőzőtt indűkciós egységbe vanbeágyazva, és külön frek- venciaátalakítókra mint tápfőrrásőkra vancsatlakőztatva, emellett minden indűkciós tekercs (2) és a szőmszédjaközött a lapős terméket (1) alátámasztó és tővábbító görgőpárők vannakelrendezve, ahől az egyes indűkciós tekercsek (2) a lapős termék (1)tővábbításának irányában legfeljebb 350 mm méretűek. A találmánylényege az, hőgy az egyes indűkciós tekercsek (2) egy-egy lineárisflűxűskőncentráló egység (5) által vannak körbefőgva, amely a lapőstermék (1) tővábbítási irányára keresztirányban, az indűkciós tekercs(2) teljes szélességét lefedően van kiképezve, és két részből,nevezetesen egy felső részből (5a) és egy alsó részből (5b) áll,amelyek a végeiknél egymáshőz vannak csatlakőztatva, míg középsőtartőmányűkban egy, a lapős termék (1), átengedésére alkalmas rést (6)képeznek. ŕ

Description

A találmány tárgya indukciós kemence a belső terén keresztül folyamatosan továbbított lapos acélipari termékek homogén hőmérsékleti viszonyok melletti felhevítésére vagy újrahevítésére, főként vékony lemezbugák vagy acélszalagok hengerléséhez.

A WO 90/14742 szám alatt közzétett és a 20534 A/89 a. sz. olasz szabadalmi bejelentésre alapozott nemzetközi bejelentés olyan indukciós kemencét mutat be, amely egy vagy több ffekvenciaátalakítóról egyedileg táplált indukciós tekercsek sorozatával rendelkezik, amelyeken keresztül a lapos tennék egymás után áthalad. A lapos terméket az egymást követő indukciós tekercsek között görgőpárok támasztják alá és továbbítják, emellett fluxuskoncentráló egységek vannak beépítve, amelyek páronként vannak felszerelve az egyes indukciós egységek végeire, legalább az egyik felső vagy alsó oldalon a lapos tennék által meghatározott síkhoz képest.

Bár az ezen ismertté vált megoldás szerint kialakított indukciós kemence jó eredményeket ad, mivel általa az indukciós hevítés elvét először lehetett kielégítően hasznosítani hosszirányban mozgatott lapos termékeknél, ami jelentős előrelépésnek számít a korábbiakhoz képest, amikor is a mágneses fluxust általában úgy állították be, hogy az a lapos terméket a vastagságára merőlegesen hassa át, ami gyenge eredményeket hozott, de csak a szélek hőkezelésére alkalmazták, ugyanakkor az ismertté vált megoldás mégis bizonyos hátrányokat mutat, mindenekelőtt a mágneses fluxus jelentős vesztesége miatt, mivel az a lapos terméken kívül záródva áthalad a kemence alkatrészeit képező fémrészeken keresztül és ez utóbbiakat nemkívánatos módon melegíti, még akkor is, ha olyan oldalsó fluxuskoncentráló egységeket használnak, amelyek adott esetben mozgatható kialakításúak.

A korábbi megoldásoknál, ahol a hevítendő lapos termék mentén annak hosszirányában viszonylag hosszú kiterjedésű indukciós tekercseket helyeztek el, miként az vastagabb termékek esetén lehetséges is volt, a fluxuskoncentráló egységek alkalmazása felesleges lett volna, mivel a hatékonyságban és a veszteségek csökkentésében mutatott csekély javulással a jelentős költségnövekedés nem lett volna arányban.

Az EP-A-0243 340 számú szabadalmi leírás olyan indukciós kemencét ismertet, amelynél a szokásos vastagságú acél lemezbugák hőmérsékletének kiegyenlítésére szolgáló indukciós tekercs a teljes szélességére kiterjedő fluxuskoncentráló egységekkel van ellátva, hogy megoldják az úgynevezett „smárnyékkal” kapcsolatos problémákat, amelyek az újrahevítő kemence sínjein előzőleg áthaladt acélbuga következtében lépnek fel, ahol a sínekkel és az ezt követő alacsonyabb hőmérséklettel való érintkezés különbözően elszíneződött csíkok kialakulását idézi elő. Az indukciós hevítést stabil nyugalmi állapotban és adott helyzetben lévő lemezbugán végzik el. Ezen előbbi szabadalmi leírásnak megfelelően csak egy külső rögzítőjáromra lenne szükség, amely az indukciós tekercs alsó oldalához van hozzárendelve.

Másrészt viszont rövid indukciós tekercs esetén, amint az kisméretű lapos termékek, mint például vékony lemezbugák esetében szükségszerű, a fentiekben hivatkozott szabadalom szerinti oldalsó fluxuskoncentráló egységek sem képesek a fluxusveszteségek lényeges csökkentésére, ami alacsony, például mindössze 0,6 vagy még kisebb értékű hatásfokokhoz vezet, ha a felhevítendő lapos termékbe bevitt energia, beszámítva a különböző, például a sugárzásból származó veszteségeket is, és a felhasznált aktív energia arányát tekintjük.

Az indukciós tekercsek hosszirányú mérete nem választható túl nagyra, mivel egy csekély térköz a két egymás utáni indukciós tekercs között, ahol a vékony termék nem továbbítható megfelelő módon, a görgők lecsökkent átmérőjét eredményezné, ami viszont elkerülendő annak érdekében, hogy ne legyen túl kicsi a hajlítási sugár, ami a lapos termék egyenetlen továbbításához és a hőátadással kapcsolatos problémákhoz vezetne. Volt olyan próbálkozás, ahol a mechanikus részek módosításával igyekeztek kiküszöbölni a fluxusveszteségek által okozott problémákat. Az ilyen típusú megoldás tűzálló anyaggal bevont görgőket igényel, hogy megakadályozzák a lapos termék szikrázását és ennek hatására bekövetkező „pettyeződését”, és/vagy nem tömör görgőket használnak fel, hanem szigetelt görgőszektorokat, hogy megakadályozzák az örvényáramok kialakulását, vagy a görgőket különálló támaszokra, például betontámaszokra szerelik fel. Ily módon azonban nem csupán egy bonyolultabb és drágább szerkezeti kialakítás jön létre, hanem olyan, amely kevésbé szilárd és kompakt, és technológiája nem felel meg az acélipar ezen a területen jelentkező követelményeinek.

A találmány által megoldandó feladat ezért olyan indukciós kemence létrehozása, amely egyszerűsített felépítés és jó hatásfok mellett biztosítja a lapos acéltermékek egyenletes hőmérsékletű hőkezelését.

A találmány alapja az a meglepő felismerés, hogy ha a vastagabb lemezbugák hevítésére szolgáló, EP-A-0 243 340 számú szabadalom szerinti kemencéhez hasonlóan az indukciós tekercs teljes szélességére kiterjedő fluxuskoncentráló egységet alkalmazunk, amely lényegében C alakú keresztmetszettel rendelkező lamellák sorozatából áll, és az indukciós tekercset mind felülről, mind pedig alulról körbeveszi, akkor a fluxusveszteség mintegy 90%-kal csökkenthető, és a hatásfok legalább 0,7-es értéket érhet el.

Ezen felismerés alapján a kitűzött feladatot egy olyan indukciós kemencéből kiindulva, amely kemence egymás után elrendezett indukciós tekercsek sorozatával rendelkezik, ahol ezek mindegyike egy-egy tűzálló anyagból létrehozott indukciós egységbe van beágyazva, és külön frekvenciaátalakítókra mint tápforrásokra van csatlakoztatva, emellett minden indukciós tekercs és a szomszédja között a lapos terméket alátámasztó és továbbító görgőpárok vannak elrendezve, ahol az egyes indukciós tekercsek a lapos termék továbbításának irányában legfeljebb 350 mm méretűek, a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy az egyes indukciós tekercsek egy-egy lineáris fluxuskoncentráló egység által vannak körbefogva, amely a lapos termék továbbítási irányára keresztirányban, az indukciós tekercs teljes szélességét lefedően van kiképezve, és két részből, ne2

HU 216 981 Β vezetesen egy felső részből és egy alsó részből áll, amelyek a végeiknél egymáshoz vannak csatlakoztatva, míg középső tartományukban egy, a lapos termék átengedésére alkalmas rést képeznek.

A találmánynak egy, a hatásfok további javítását szolgáló kiviteli alakjára az jellemző, hogy a lineáris fluxuskoncentráló egység mindegyik részét C alakú mágneses vaslamellák sorozata képezi, amely vaslamellák oldalaikkal egymás mellett vannak oly módon elrendezve, hogy merőlegesek mind az indukciós tekercs síkjára, mind pedig a felhevitendő lapos tennék által meghatározott síkra, emellett a vaslamellák a lapos terméket körülvevő indukciós tekercs közöttük levő résben való befogadására alkalmas módon, száraikkal egymás felé fordítva vannak elrendezve.

A találmány szerinti megoldással az energiamegtakarítás mellett egy alapvetően hagyományos szerkezeti felépítésű mechanikai rendszerhez jutunk, amely jól adaptálható az acélgyártó berendezésekhez, ahol eddig az indukciós kemencéket egyfajta különálló dolognak tekintették, amit általában nem lehetett az ezen a szakterületen alkalmazott stabil rendszerekbe integrálni.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajz alapján ismertetjük részletesebben.

A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti indukciós kemence egy indukciós tekercsének vagy hevítőelemének perspektivikus nézete, részleges kitöréssel, a 2. ábra négy 1. ábra szerinti indukciós tekercsből kialakított indukciós kemence vázlatos oldalnézete, a 3a. ábra a mágneses fluxus térbeli eloszlását mutatja egy hagyományos felépítésű indukciós egységnél, a 3b. ábra a hevítés során indukált áram pályáját szemlélteti a lapos termékben, a mágneses fluxus 3a. ábra szerinti térbeli eloszlása mellett, míg a 4. ábra az 1. ábra IV-TV vonala szerinti keresztmetszet, a mágneses fluxus pályájának bemutatásával a találmány szerinti indukciós kemence újszerű fluxuskoncentráló egységének vaslamelláiban.

A találmány szerint olyan indukciós kemencét hoztunk létre, amely több 10 hevítőelemből tevődik össze. A 10 hevítőelemek egyikét az 1. ábra mutatja be vázlatosan. A 10 hevítőelem belső terében egy 6 átmenőrés van kiképezve, amelyen át az 1 lapos termék folyamatosan továbbítható. Amint az a 2. ábrán látható, az 1 lapos termék 9 támaszokra felszerelt 8 görgőpárokon megvezetve mozog. A 10 hevítőelem alapját egy lényegében téglalap keresztmetszetű 2 indukciós tekercs jelenti, amely a 3 tűzálló anyagból álló tömbbe van beágyazva. Az 1. ábrán jól látható a 2 indukciós tekercs egyik 4 végtartománya, amely a villamos összeköttetést biztosítja az energiaforrással megfelelő, a rajzon fel nem tüntetett vezetőkön vagy „buszokon” keresztül, ugyanakkor egy hűtőcsőrendszerhez is csatlakozik. Az 1. ábrán jól láthatók a 2 indukciós tekercsen belül elrendezett és azzal koaxiális 4a, 4b nyílások, amelyek a hűtővíz beömlőnyílását, illetve kiömlőnyílását képezik.

Az indukciós kemencék megvalósításával foglalkozó szakemberek számára jól ismert részleteket a következőkben nem mutatjuk be, azokra nem hivatkozunk.

A találmány értelmében, amint az az 1. ábrán látszik, olyan lineáris kiképzésű 5 fluxuskoncentráló egységet alkalmazunk, amely a 2 indukciós tekercset a 6 rés tartományának kivételével teljes mértékben lefedi. A 6 rést a 2 indukciós tekercs két szára hurokszerűen fogja körbe oly módon, hogy a hurok belső tere az lapos termék átengedésére alkalmas méretű legyen. Az 5 fluxuskoncentráló egység mágneses vaslamellák két sorozatából tevődik össze, amelyek egyik fele egy 5a felső részt, a másik fele pedig egy 5b alsó részt alkot, ahol ezek a végeiknél egymáshoz kapcsolódnak, így a 2 indukciós tekercs a szabadon maradó 6 rés kivételével teljesen körbe van fogva. Amint az a rajzon részben kitöréssel ábrázolt 5a felső résznél jól látható, az 5 fluxuskoncentráló egységet C alakú 7 vaslamellák alkotják, amelyek egymással párhuzamosan helyezkednek el és az 1 lapos termék felületére, valamint a indukciós tekercs felső és alsó hurkára merőlegesen vannak beépítve. Párhuzamos elrendezésük következtében, amit nagy mágneses permeabilitás kísér, az 5 fluxuskoncentráló egységen belül a fluxus hatékony koncentrálása érhető el. Az 1 lapos termék, például acélszalag vagy lemezbuga egy szakaszának hosszirányú keresztezésekor, amint az a 4. ábrán látható, a fluxus hajlamos a pályáját a külső térben zárni, összekapcsolódva magának a kemencének a fémanyagú részein keresztül. Ez esetben a fluxusveszteség körben áramlik az egyes vaslamellákon belül, zárva ily módon a mágneses kört, de ugyanakkor ez megakadályozza vagy a minimumra csökkenti az indukált áramok gerjesztését keresztirányban a vaslamella-sorozat által létrehozott nagy ellenállás miatt, amikor indukált vagy örvényáramok haladnak át az egyik vaslamellából a másikba.

A fentiek pontosabb magyarázata érdekében a 3a. és 3b. ábrákra hivatkozunk, amelyek az ismert elrendezéseknél kialakuló mágneses fluxust mutatják. Az ismert megoldásoknál a hevítésnek alávetett 1 lapos terméknek a C nyíl irányában történő továbbítása során a keresztmetszetben feltüntetett 2 indukciós tekercs által geijesztett mágneses fluxus a levegőben záródik, és az 1 lapos termékben a C nyíl irányában indukált áramot hoz létre. Egy, a fluxuspályákra vonatkozó korábbi analitikai tanulmány szerint, amint azt a 3a. ábra szemlélteti, a mágneses tér elhanyagolható értékeit mérték az indukciós egységtől 200 mm távolságra. Ha viszont a jelenlegi rendszert vizsgáljuk, ahol a tartószerkezet μ_τ értéke (relatív permeabilitása) nagyobb, mint 1, mivel elemei acélból vannak kialakítva, vagy mindenesetre zárt gyűrűket képeznek, megállapítható, hogy ezek a fémrészek jelentősen eltérítik a fluxust, ami akár 20%-os energiaveszteségeket is okozhat.

A 4. ábrán vázlatosan, keresztmetszetben látható az 5 fluxuskoncentráló egység, amely vaslamellák párjai

HU 216 981 Β által alkotott 7a felső részből és 7b alsó részből áll. Az ábrán jól látható, hogy az F mágneses fluxus az 5 fluxuskoncentráló egységen belül záródik, ezért a 2 indukciós tekercs magjában jelentkező örvényáramok miatti veszteségek a minimumra csökkennek. Nyilvánvaló, hogy az 5 fluxuskoncentráló egységet megfelelően méretezett vaslamellákból kell kialakítani, ahol a méret megválasztásakor annál nagyobb gondossággal kell eljárni, minél nagyobb a mágneses tér frekvenciája.

A következőkben egy ténylegesen megvalósított kísérleti indukciós kemence felépítését ismertetjük a nagyobb hatásfokmérési eredmények alapján történő bemutatásával.

Példa

Egy vékony lemezbugák kezelésére szolgáló indukciós kemencét alakítottunk ki oly módon, hogy a fentiekben ismertetett és az ábrákon bemutatott, indukciós tekercset tartalmazó indukciós egységek közül négyet helyeztünk el sorban egymás után. Az indukciós tekercsek mindegyikét 925 kW teljesítménnyel tápláltuk, míg az üzemi frekvencia 6 kHZ volt. Az Fe 37 jelű acélból álló, hevítendő vékony lemezbuga szélessége 1330, vastagsága pedig 25 mm volt. A hőmérsékletet két hőelem segítségével érzékeltük, amelyek közül az egyiket a lemezbuga középső tartományában, míg a másikat annak felületétől 2 mm távolságra helyeztük el. A vékony lemezbugát 9 m/perc sebességgel továbbítottuk, ekkor 83 °C mértékű hőmérsékletgradienst észleltünk. Az előzőekben végzett mérések is azt bizonyították, hogy a sugárzás miatt bekövetkező hőveszteségek ennél a hőmérsékletnél 17 °C-nak felelnek meg. A teljes hőmérséklet-különbség tehát 100 °C volt, ami az anyag 0,2 Wh/kg K fajhőjét figyelembe véve 2819 kWh energiának felelt meg, amely érték a 25x1330x7,85x 10 ⁶ χ 9000 χ 60 χ 0,2 χ 100 szorzattal egyenlő. A magban a teljesítmény veszteség 12 W volt, ami a teljes energia 1%-ánál is kevesebb.

Az indukciós tekercset tartalmazó indukciós egység hatásfoka úgy számítható, mint a bevitt és a lemezbugának ténylegesen átadott teljesítmény hányadosa, vagyis η=2819/(925χ4)=0,762. Az ismert elrendezésű, kétoldalt felszerelt fluxuskoncentráló egység felhasználásával a már említett WO 90/14742 számú közzétételi iratban bemutatott elveknek megfelelő berendezésnél ez az érték mintegy 0,6 volt, vagyis az egyes indukciós tekercseket a találmány szerinti körbevevő fluxuskoncentráló egység felhasználásával a hatásfok jelentős mértékű növelése érhető el.

A találmány szerinti indukciós kemencét az előzőekben egy példakénti kiviteli alak és a megvalósítást elősegítő alapelv bemutatásával írtuk le részletesebben. Nyilvánvaló azonban, hogy szakember ezt a kitanítást hasznosítva számos egyéb megvalósítási módot is találhat. Az is nyilvánvaló, hogy a találmány szerinti elrendezésben az indukciós kemence a végrehajtandó feladatnak megfelelő számú indukciós tekerccsel, illetve hasonló hevítőelemmel készíthető el, amelyek egymás után sorosan vannak a lapos termék továbbításának útjában elrendezve.

Claims (2)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Indukciós kemence a belső terén keresztül folyamatosan továbbított lapos termékek (1), főként legfeljebb 30 mm vastagságú lemezbugák vagy acélszalagok homogén hőmérsékleti viszonyok melletti felhevítésére, amely kemence egymás után elrendezett indukciós tekercsek (2) sorozatával rendelkezik, ahol ezek mindegyike egy-egy tűzálló anyagból (3) létrehozott indukciós egységbe van beágyazva, és külön frekvenciaátalakítókra mint tápforrásokra van csatlakoztatva, emellett minden indukciós tekercs (2) és a szomszédja között a lapos terméket (1) alátámasztó és továbbító görgőpárok (8) vannak elrendezve, ahol az egyes indukciós tekercsek (2) a lapos termék (1) továbbításának irányában legfeljebb 350 mm méretűek, azzal jellemezve, hogy az egyes indukciós tekercsek (2) egy-egy lineáris fluxuskoncentráló egység (5) által vannak körbefogva, amely a lapos termék (1) továbbítási irányára keresztirányban, az indukciós tekercs (2) teljes szélességét lefedően van kiképezve, és két részből, nevezetesen felső részből (5a) és alsó részből (5b) áll, amelyek a végeiknél egymáshoz vannak csatlakoztatva, míg középső tartományukban a lapos termék (1) áthaladására alkalmas rést (6) képeznek.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti indukciós kemence, azzal jellemezve, hogy a lineáris fluxuskoncentráló egység (5) alsó és felső részét C alakú mágneses vaslamellák (7) sorozata képezi, amely vaslamellák (7) oldalaikkal egymás mellett vannak oly módon elrendezve, hogy merőlegesek mind az indukciós tekercsre (2), mind pedig a felhevítendő lapos termék (1) által meghatározott síkra, emellett a vaslamellák (7) a lapos terméket (1) körülvevő indukciós tekercs (2) közöttük levő résben (6) való befogadására alkalmas módon, száraikkal egymás felé fordítva vannak elrendezve.