ITMC990091A1 - CONTINUOUS HEATING PROCEDURE OF METAL SEMI-FINISHED PRODUCTS BY DIRECT TRANSFER OF ELECTRIC CURRENT WITHIN THE SEMI-FINISHED PRODUCT BY RISCAL - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
a corredo di una domanda di breveto per invenzione industriale avente per titolo: accompanying a patent application for an industrial invention entitled:
“PROCEDIMENTO DI RISCALDO CONTINUO DEI SEMILAVORATI METALLICI TRAMITE PASSAGGIO DIRETTO DI CORRENTE ELETTRICA ENTRO IL SEMILAVORATO DA RISCALDARE” . “CONTINUOUS HEATING PROCESS OF SEMI-FINISHED METALLIC PRODUCTS BY DIRECT PASSAGE OF ELECTRIC CURRENT WITHIN THE SEMI-FINISHED PRODUCT TO BE HEATED".
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
La presente domanda di breveto per invenzione industriale ha per oggeto un procedimento di riscaldo continuo dei semilavorati metallici tramite passaggio direto di corrente elettrica entro il semilavorato da riscaldare. The present patent application for industrial invention relates to a continuous heating process of the metal semi-finished products by direct passage of electric current within the semi-finished product to be heated.
I processi di riscaldo continuo di semilavorati metallici, quali ad esempio nastri piani o tondi o profili aperti o chiusi, sono richiesti da attuare su linee di fabbricazione di tipo continuo per conferire al materiale particolari carateristiche metallurgiche e, conseguentemente, determinate carateristiche fìsiche. The continuous heating processes of metal semi-finished products, such as for example flat or round strips or open or closed profiles, are required to be implemented on continuous production lines to give the material particular metallurgical characteristics and, consequently, certain physical characteristics.
II riscaldo dei semilavorati metallici (acciai, in particolare, ma anche altri metalli quali titanio e sue leghe, rame e sue leghe, allumìnio e sue leghe, può essere richiesto - a seconda delle proprietà possedute prima del trattamento e di quelle che si vogliono ottenere dopo il trattamento - m Mervalli di temperatura compresi tra la temperatura ambiente e centinaia o migliaia di gradi Celsius. The heating of metal semi-finished products (steels, in particular, but also other metals such as titanium and its alloys, copper and its alloys, aluminum and its alloys, may be required - depending on the properties possessed before the treatment and those to be obtained after treatment - m Temperature ranges between room temperature and hundreds or thousands of degrees Celsius.
Ad esempio, un tipico trattamento di ricottura per acciai inossidabili della serie AISI 3XX può richiedere un innalzamento della temperatura tra 0/25° C e 1100/1200° C. For example, a typical annealing treatment for stainless steels of the AISI 3XX series may require a temperature increase between 0/25 ° C and 1100/1200 ° C.
I trattamenti termici possono essere richiesti con gradienti di temperatura controllati e non, in atmosfera controllata e non e possono essere seguiti da mantenimenti in temperatura per prefissati intervalli di tempo o non e raffreddamenti del semilavorato metallico con gradiente di temperatura controllata o non: quanto sopra in dipendenza del processo metallurgico che si desidera attuare sul metallo in lavorazione. The heat treatments can be requested with controlled and non-controlled temperature gradients, in a controlled or non-controlled atmosphere and can be followed by temperature maintenance for predetermined time intervals or not and cooling of the metal semi-finished product with a controlled or non-controlled temperature gradient: the above in dependence of the metallurgical process to be carried out on the metal being worked.
In ognuno dei casi di interesse è, comunque, necessario fornire energia al semilavorato metallico in modo tale che venga immagazzinata nel materiale metallico sotto forma di energia termica, dando luogo all’incremento di temperatura desiderata. In each of the cases of interest, however, it is necessary to supply energy to the metal semi-finished product so that it is stored in the metal material in the form of thermal energy, giving rise to the desired temperature increase.
Procedimenti tipici in uso presso industrie metallurgiche utilizzano per il riscaldo continuo di semilavorati metallici apparecchiature di riscaldo fisse (denominate forni di riscaldo o di trattamento termico) nelle quali viene generato calore, ad esempio tramite combustione di gas o tramite passaggio di corrente elettrica attraverso elementi resistivi, che, a sua volta, viene trasferito al semilavorato metallico per irraggiamento o per convezione. Typical processes in use in metallurgical industries use fixed heating equipment for the continuous heating of metal semi-finished products (called heating or heat treatment furnaces) in which heat is generated, for example by gas combustion or by passing electric current through resistive elements , which, in turn, is transferred to the metal semi-finished product by radiation or convection.
In tali procedimenti il semilavorato metallico viene fatto fluire con continuità attraverso l’apparecchiatura fissa di riscaldo. In these processes, the metal semi-finished product is made to flow continuously through the fixed heating equipment.
Nei procedimenti sopra descritti ed attualmente in uso, il calore viene generato all’esterno del semilavorato o viene poi ceduto a quest’ultimo per alzare la sua temperatura: la quantità di calore generata nell’unità di tempo nell’apparecchiatura di riscaldo, confrontata con la quantità di calore immagazzinata nell’unità di tempo dal semilavorato metallico, determina l’efficienza (o rendimento) energetico del sistema di riscaldo. In the processes described above and currently in use, the heat is generated outside the semi-finished product or is then transferred to the latter to raise its temperature: the amount of heat generated in the unit of time in the heating apparatus, compared with the quantity of heat stored in the unit of time by the metal semi-finished product determines the energy efficiency (or yield) of the heating system.
Uno dei più diffiisi processi di riscaldo è quello che viene praticato in molti stabilimenti siderurgici per il riscaldo di nastri di acciaio inossidabile. One of the most difficult reheating processes is the one practiced in many steel factories for reheating stainless steel strips.
In questo tipo di procedimento è previsto che un nastro di acciaio inossidabile austenitico, largo da 1000 a 1500 mm., con spessore variabile da 0,4 a 6 mm., venga fatto passare attraverso una sezione termica costituita da un forno di riscaldo a ricottura e da una successiva apparecchiatura che provvede al suo raffreddamento. In this type of procedure, an austenitic stainless steel strip, from 1000 to 1500 mm wide, with a thickness ranging from 0.4 to 6 mm., Is made to pass through a thermal section consisting of an annealing furnace. and by a subsequent apparatus which provides for its cooling.
La velocità del nastro può essere resa variabile, in funzione dello spessore del nastro e della sua larghezza, al fine di rispettare la massima temperatura in uscita dal forno (tipicamente compresa tra 1100° C e 1200° C) ed un tempo di permanenza in temperatura predefinito (tipicamente da 0 a 3/4 secondi). The speed of the belt can be made variable, according to the thickness of the belt and its width, in order to respect the maximum temperature leaving the oven (typically between 1100 ° C and 1200 ° C) and a residence time in temperature default (typically 0 to 3/4 seconds).
Il forno, costituito da uno o più moduli, è sostanzialmente un tunnel con carcassa esterna metallica, rivestito di idoneo materiale refrattario ed equipaggiato con bruciatori a gas metano in numero e potenzialità idonea ad erogare potenza termica da trasferire al nastro da riscaldare. The furnace, consisting of one or more modules, is substantially a tunnel with an external metal casing, lined with suitable refractory material and equipped with methane gas burners in a number and potential suitable for delivering thermal power to be transferred to the belt to be heated.
Il dimensionamento del forno, per una data produttività K. (tonnellate/ora), dipende, ovviamente, da molti fattori, fra cui le caratteristiche dei bruciatori, il tipo di nastro, i materiali refrattari, la geometria del sistema e dai fattori di vista. The sizing of the furnace, for a given productivity K. (tons / hour), obviously depends on many factors, including the characteristics of the burners, the type of belt, the refractory materials, the geometry of the system and the factors of view .
In ogni caso anche le più moderne tecnologie di combustione e le più enti soluzioni tecnologiche, con densità di potenza fino ad oltre le 2 nnellate/metro, richiedono forni lunghi diverse decine di metri. In any case, even the most modern combustion technologies and the most extensive technological solutions, with power densities up to over 2 nn / meter, require ovens several tens of meters long.
Ad esempio un forno di produttività K circa pari a 40 t/h, dimensionato per densità di potenza di circa 1,5 t/m, potrebbe risultare lungo circa 30 metri ed esibire rendimenti (energia trasferita al nastro / energia contenuta nel combustibile bruciato) anche oltre il 50%. For example, a kiln with a productivity K of about 40 t / h, sized for a power density of about 1.5 t / m, could be about 30 meters long and exhibit efficiency (energy transferred to the belt / energy contained in the fuel burned) even over 50%.
Procedimenti analoghi a quello appena descritto prevedono la produzione di calore tramite resistenze elettriche ed il trasferimento dello stesso verso la superficie del semilavorato metallico che fluisce attraverso l apparecchiatura di riscaldo: è il caso, ad esempio, dei forni elettrici di riscaldo per nastri d’acciaio al silicio o dei forni di riscaldo per tubi saldati in acciaio inossidabile, al carbonio, in titano e sue leghe, ecc. Procedures similar to the one just described provide for the production of heat by means of electric resistances and the transfer of the same towards the surface of the metal semi-finished product which flows through the heating equipment: this is the case, for example, of the electric heating furnaces for steel strips. silicon or heating furnaces for welded tubes in stainless steel, carbon steel, titanium and its alloys, etc.
Occorre rilevare tuttavia che i processi di riscaldo utilizzati fino ad ora risultano innegabilmente penalizzati da alcuni evidenti limiti progettuali e funzionali che possono essere sintetizzati come segue. However, it should be noted that the heating processes used up to now are undeniably penalized by some evident design and functional limits which can be summarized as follows.
Gli attuali processi di riscaldo continuo di semilavorati metallici che prevedono un trasferimento di calore da una sorgente esterna (fiamma di un bruciatore, resistenza elettrica o fumi caldi) al semilavorato da trattare termicamente sono attuati, a livello industriale, da impianti (quali ad esempio i forni industriali) che presentano limiti tecnologici dovuti alla ben nota legge di scambio termico fra corpi a diverse temperature, secondo cui tale scambio risulta direttamente proporzionale alla differenza di temperatura fra i corpi, alla superficie di scambio termico, nonché al coefficiente di scambio termico In pratica è spesso necessario disporre di sistemi di riscaldo molto nello spazio, con tutte le conseguenze negative che ciò comporta, vale a dire: ingombri a volte proibitivi; impianti estremamente onerosi, potenze installate molto elevate; sistemi di controllo sofisticati per adeguare la potenza installata alle necessità del prodotto da trattare, non essendo lineare la correlazione tra potenza erogata e temperatura del prodotto; quantità di fumi da evacuare molto ingente, con conseguenze di natura ambientale, ecc. The current processes of continuous heating of metal semi-finished products that provide for a transfer of heat from an external source (flame of a burner, electrical resistance or hot fumes) to the semi-finished product to be heat treated are carried out, at an industrial level, by plants (such as for example industrial furnaces) which have technological limits due to the well-known law of heat exchange between bodies at different temperatures, according to which this exchange is directly proportional to the temperature difference between the bodies, to the heat exchange surface, as well as to the heat exchange coefficient In practice it is often necessary to have heating systems very far in space, with all the negative consequences that this entails, namely: dimensions that are sometimes prohibitive; extremely expensive systems, very high installed powers; sophisticated control systems to adapt the installed power to the needs of the product to be treated, since the correlation between the power supplied and the temperature of the product is not linear; very large quantity of fumes to be evacuated, with environmental consequences, etc.
Spesso, inoltre, nei processi di riscaldo di cui trattasi è opportuno operare in atmosfera controllata: tale condizione risulta impossibile o, quanto meno, particolarmente difficile da ottenere se si dispone di sistemi di riscaldo con bruciatori a gas, che sono peraltro i più diffusi. Moreover, in the heating processes in question it is often advisable to operate in a controlled atmosphere: this condition is impossible or, at least, particularly difficult to obtain if there are heating systems with gas burners, which are the most common.
Il ricorso a termoresistenze in questi casi è opportuno, ma spesso i costi dell’energia elettrica risultano proibitivi per l’economicità del prodotto. The use of resistance thermometers in these cases is appropriate, but often the costs of electricity are prohibitive for the cost-effectiveness of the product.
Anche le caratteristiche superficiali dei semilavorati metallici vengono spesso compromesse dai sistemi di riscaldo molto estesi nello spazio, poiché si rende necessario “sostenere” meccanicamente il prodotto ad alta temperatura o con rulli o con sistemi di supporto idonei ad operare ad elevate temperature, ma comunque interferenti con la superficie metallica. Even the surface characteristics of semi-finished metal products are often compromised by heating systems that are very extensive in space, since it is necessary to mechanically "support" the product at high temperatures or with rollers or with support systems suitable for operating at high temperatures, but in any case interfering. with the metal surface.
Il ricorso a sistemi a sviluppo verticale non sempre permette di risolvere tali problematiche e quelle conseguenti del “tiro” da applicare e controllare sul semilavorato. The use of vertical development systems does not always allow to solve these problems and the consequent ones of the "pull" to be applied and controlled on the semi-finished product.
Per superare molte problematiche connesse con questi anzidetti sistemi di riscaldo continuo di semilavorati metallici, già da tempo alcuni progettisti hanno pensato di utilizzare la generazione di calore direttamente interno del semilavorato, per il tramite delleffetto joule causato dalla olazione di correnti elettriche entro il metallo stesso. To overcome many problems connected with these aforementioned continuous heating systems of metal semi-finished products, some designers have already thought for some time to use the generation of heat directly inside the semi-finished product, through the joule effect caused by the oiling of electric currents within the metal itself.
I metalli, infatti, sia puri che sotto forma di leghe, sono usualmente foni conduttori e la possibilità di farli percorrere da correnti elettriche di opportuna forma ed intensità è una strada praticabile per ottenere un riscaldo “controllato”. Metals, in fact, both pure and in the form of alloys, are usually conductive phones and the possibility of making them pass through by electric currents of suitable shape and intensity is a viable way to obtain a "controlled" heating.
Per ottenere il riscaldamento tramite induzione di materiali elettricamente conduttori, il metodo più comune è realizzato tramite un flusso magnetico generato da un solenoide percorso da corrente elettrica. To obtain heating by induction of electrically conductive materials, the most common method is carried out by means of a magnetic flux generated by a solenoid carried by an electric current.
Ad esempio, per riscaldare un lamierino metallico piano si può circondare la lamiera con una bobina di conduttori elettrici che permettano di generare un flusso magnetico variabile alternativamente in direzione assiale attraverso lo spessore della lamiera. For example, to heat a flat metal sheet it is possible to surround the sheet with a coil of electrical conductors which allow to generate a magnetic flux which varies alternately in an axial direction through the thickness of the sheet.
II campo magnetico variabile alternativamente genera correnti alternate indotte nel lamierino da riscaldare, in base alla legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica. The alternately variable magnetic field generates alternating currents induced in the sheet to be heated, according to Faraday's law on electromagnetic induction.
Gli effetti della corrente elettrica indotta sul riscaldamento del lamierino metallico sono sostanzialmente riconducibili all’effetto joule e permettono di ottenere il riscaldo del semilavorato metallico. The effects of the induced electric current on the heating of the metal sheet are substantially attributable to the joule effect and allow to obtain the heating of the metal semi-finished product.
Va detto tuttavia che, nelle applicazioni pratiche, quest’ultimo tipo di processo ha mostrato un primo significativo inconveniente, dovuto al fatto che la corrente indotta non si distribuisce uniformemente attraverso lo spessore del lamierino (effetto noto come “effetto eddy-current”), ma la sua intensità varia in funzione dello spessore della lamiera lungo lo spessore stesso. However, it must be said that, in practical applications, the latter type of process has shown a first significant drawback, due to the fact that the induced current is not uniformly distributed through the thickness of the lamination (an effect known as the "eddy-current effect"), but its intensity varies according to the thickness of the sheet along the thickness itself.
Inoltre le caratteristiche elettriche, magnetiche e termiche dei materiali iano in funzione della temperatura e, in molte applicazioni pratiche, possono limitare l utilizzo dei processi di riscaldo ad induzione magnetica. Furthermore, the electrical, magnetic and thermal characteristics of the materials are a function of temperature and, in many practical applications, can limit the use of magnetic induction heating processes.
Ad esempio, negli acciai al carbonio, la densità di flusso magnetico si riduce drasticamente ad una temperatura compresa fra i 1350° F ed i 1400° F, rendendo diffìcile il riscaldo con induzione oltre tale temperatura; le relazioni sperimentali tra i fattori di saturazione magnetica, la lunghezza del solenoide induttore, la velocità con cui il lamierino viene fatto fluire attraverso la sezione fissa di riscaldo, lo spessore del lamierino e la frequenza mostrano che, al ridursi dello spessore e aU’aumentare della velocità, il solenoide deve avere lunghezze molto rilevanti, con conseguenti problemi di tolleranze geometriche. For example, in carbon steels, the magnetic flux density is drastically reduced at a temperature between 1350 ° F and 1400 ° F, making it difficult to heat with induction beyond this temperature; the experimental relationships between the magnetic saturation factors, the length of the inductor solenoid, the speed with which the lamination is made to flow through the fixed heating section, the thickness of the lamination and the frequency show that, as the thickness decreases and increases speed, the solenoid must have very significant lengths, with consequent problems of geometric tolerances.
I fenomeni indagati hanno condotto in alcuni casi, fra cui quelli del riscaldo di coils in acciaio, a studiare e proporre forme di induttori diversi dal solenoide ed in grado di generare flussi magnetici trasversali. The phenomena investigated have led in some cases, including those of the heating of steel coils, to study and propose forms of inductors other than the solenoid and capable of generating transverse magnetic fluxes.
In ogni caso a tutt’oggi appare ancora piuttosto complessa l’applicazione pratica del fenomeno dell’induzione magnetica al riscaldo controllato e continuo dei lamierini metallici ed ancor più complessa appare la pratica applicazione in altri casi di semilavorati metallici a geometria non assialsimmetrica; il principio trova invece applicazione frequente nel riscaldo continuo e controllato di prodotti lunghi a geometria cilindrica, come nel caso dei tubi. In any case, the practical application of the phenomenon of magnetic induction to the controlled and continuous heating of metal sheets still appears to be quite complex, and the practical application in other cases of semi-finished metal products with non-axisymmetric geometry is even more complex; the principle instead finds frequent application in the continuous and controlled heating of long products with cylindrical geometry, as in the case of pipes.
II riscaldamento ad induzione, qualora l’innovazione tecnologica permetta di superare i problemi connessi al processo e sopra riepilogati esemplificativamente, potrebbe trovare applicazione in molte aree del amento dei lamiermi metallici: dal preriscaldo, prima dei tradizionali forni di riscaldo, all’ essiccazione delle vernici; dal processo galvanico e di cottura galvanica al trattamento termico, ecc. Induction heating, if technological innovation allows to overcome the problems connected to the process and summarized above by way of example, could find application in many areas of the increase of metal sheets: from preheating, before traditional heating ovens, to drying of paints. ; from the galvanic process and galvanic firing to heat treatment, etc.
É indubbio infatti che la possibilità di generare correnti elettriche indotte nel semilavorato metallico permetta di generare calore (per effetto joule) direttamente nella massa metallica da riscaldare, superando, in linea di principio, molte delle problematiche connesse con il trasferimento di calore da un ambiente esterno (a temperatura maggiore) al semilavorato metallico (a temperatura minore). In fact, there is no doubt that the possibility of generating induced electric currents in the metal semi-finished product allows to generate heat (by joule effect) directly in the metal mass to be heated, overcoming, in principle, many of the problems associated with the transfer of heat from an external environment. (at a higher temperature) to the semi-finished metal product (at a lower temperature).
Ebbene, proprio sulla base dell’esame e della valutazione approfondita di tutti gli inconvenienti che limitano l’efficacia dei procedimenti di riscaldo conosciuti finora, si è pensato di mettere a punto il nuovo procedimento di riscaldo che risulta l’oggetto specifico della presente domanda di brevetto. Well, precisely on the basis of the examination and in-depth evaluation of all the drawbacks that limit the effectiveness of the reheating procedures known so far, it was decided to develop the new reheating procedure which is the specific object of this request for patent.
Sulla base di tale nuovo procedimento è previsto in particolare che il riscaldo continuo dei semilavorati metallici - quali ad esempio nastri piani o tondi oppure profili cavi a sezione aperta o chiusa - avvenga tramite un passaggio di corrente elettrica nel semilavorato conseguente all’applicazione di una differenza di potenziale elettrico fra punti o sezioni distinti dello stesso semilavorato. On the basis of this new procedure, it is envisaged in particular that the continuous heating of metal semi-finished products - such as for example flat or round strips or hollow profiles with an open or closed section - occurs through a passage of electric current in the semi-finished product following the application of a difference of electric potential between distinct points or sections of the same semi-finished product.
Per maggiore chiarezza esplicativa tale procedimento sarà successivamente descritto anche con l’ausilio di alcune figure, aventi solo valore illustrativo e non certo limitativo, in cui: For greater clarity, this procedure will subsequently be described also with the aid of some figures, having only illustrative and certainly not limiting value, in which:
- la figura 1 mostra, con un disegno schematico, una forma di attuazione del procedimento in questione; Figure 1 shows, with a schematic drawing, an embodiment of the process in question;
- la figura 2 mostra, con un disegno schematico, una seconda forma di attuazione del procedimento in questione; Figure 2 shows, with a schematic drawing, a second embodiment of the process in question;
la figura 3 mostra, con un disegno schematico, una terza forma di attuazione procedimento in questione; Figure 3 shows, with a schematic drawing, a third embodiment of the process in question;
la figura 4 è un disegno schematico che mostra la sezione fissa di riscaldo di un impianto in grado di applicare il procedimento in questione per il riscaldamento di nastri in acciaio; Figure 4 is a schematic drawing showing the fixed heating section of a plant capable of applying the process in question for heating steel strips;
- la figura 5 è un disegno schematico che mostra la sezione fìssa di riscaldo di un impianto in grado di applicare il procedimento in questione per il riscaldamento di tubi o barre metallici di sezione circolare. Figure 5 is a schematic drawing showing the fixed heating section of a plant capable of applying the process in question for heating metal pipes or bars of circular section.
Ebbene nelle preferite applicazioni del processo secondo il trovato illustrate nelle figure 1 e 2 è previsto che la sezione di riscaldo sia fissa nello spazio e che il semilavorato debba fluire attraverso di essa con velocità (V). Well, in the preferred applications of the process according to the invention illustrated in Figures 1 and 2 it is provided that the heating section is fixed in space and that the semi-finished product must flow through it with speed (V).
In tali applicazioni il passaggio della corrente elettrica entro il semilavorato metallico (S) avviene per contatto diretto (strisciante o rotante) del semilavorato medesimo con i poli a diverso potenziale elettrico. In these applications, the passage of the electric current within the metal semi-finished product (S) occurs by direct contact (sliding or rotating) of the semi-finished product itself with the poles at different electric potential.
In particolare nell’ipotesi di figura 1 è previsto che il semilavorato (S) venga a contatto con tre poli (1, 2, 3), tra loro collegati elettricamente, i quali sono disposti trasversalmente alla direzione di avanzamento del semilavorato medesimo (S) in modo da essere a contatto con la sua intera sezione. In particular, in the hypothesis of figure 1, the semi-finished product (S) is expected to come into contact with three poles (1, 2, 3), electrically connected to each other, which are arranged transversely to the direction of advancement of the semi-finished product itself (S) in order to be in contact with its entire section.
Fra i poli esterni (1, 3) ed il polo centrale (2) sono previsti generatori di differenza di potenziale (4), così da generare un flusso di corrente (i) che presenta direzione parallela alla direzione di avanzamento del semilavorato (S). Between the external poles (1, 3) and the central pole (2) there are potential difference generators (4), so as to generate a current flow (i) which has a direction parallel to the direction of advance of the semi-finished product (S) .
Gli stessi poh esterni (1, 3) risultano collegati alla terra, così che, a monte e a valle della stazione di riscaldo, non possa circolare corrente ’ interno al semilavorato (S). The same external pohs (1, 3) are connected to the ground, so that, upstream and downstream of the heating station, no current can circulate inside the semi-finished product (S).
Nell’ipotesi di figura 2 è invece previsto che la differenza di potenziale venga applicata, da parti opposte, sui bordi del semilavorato (S), così da un flusso di corrente (i) che presenta direzione perpendicolare alla direzione di avanzamento del semilavorato (S). In the hypothesis of figure 2 it is instead foreseen that the potential difference is applied, from opposite sides, on the edges of the semi-finished product (S), thus giving a current flow (i) which has a direction perpendicular to the direction of advancement of the semi-finished product (S ).
Tale differenza di potenziale viene applicata tramite contatti elettrici (50) - tra i quali è interposto un generatore di differenza di potenziale (4) -che aderiscono ai bordi, contrapposti di detto semilavorato (S) ed avanzano solidamente con esso per un breve tratto; in pratica ciascuno di tali contatti elettrici (50) consiste in un elemento conduttore che ruota a circuito chiuso lungo una traiettoria rettangolare ad una velocità lineare (V) sincronizzata con la velocità di avanzamento (V) del semilavorato metallico (S). This potential difference is applied by means of electrical contacts (50) - between which a potential difference generator (4) is interposed - which adhere to the opposite edges of said semi-finished product (S) and advance solidly with it for a short distance; in practice, each of these electrical contacts (50) consists of a conducting element which rotates in a closed circuit along a rectangular trajectory at a linear speed (V) synchronized with the advancement speed (V) of the metal semi-finished product (S).
In particolare il contatto tra Γ elemento conduttore (50) ed il rispettivo bordo longitudinale del semilavorato (S) avviene in corrispondenza di un ramo longitudinale (50a) deH’anzidetta traiettoria rettangolare a circuito chiuso; più precisamente di quel ramo longitudinale (50a) che presenta velocità equiversa a quella del semilavorato (S). In particular, the contact between Γ conducting element (50) and the respective longitudinal edge of the semi-finished product (S) occurs at a longitudinal branch (50a) of the aforementioned closed-circuit rectangular trajectory; more precisely of that longitudinal branch (50a) which has a speed equivalent to that of the semi-finished product (S).
Anche in questo caso sono previsti due poli (10, 30), collegati alla terra, i quali assicurano che, a monte e a valle della sezione di riscaldo, non possa circolare corrente alTintemo al semilavorato (S). Also in this case there are two poles (10, 30), connected to the earth, which ensure that, upstream and downstream of the heating section, no current can circulate inside the semi-finished product (S).
Nell’ipotesi illustrata in figura 3 è previsto invece che il semilavorato (S) venga a contatto, di volta in volta, con tre coppie di poli (100, 200, 300) disposte trasversalmente alla direzione di avanzamento del semilavorato medesima (S) in modo da essere a contatto con la sua intera sezione. In the hypothesis illustrated in Figure 3, instead, the semi-finished product (S) is expected to come into contact, from time to time, with three pairs of poles (100, 200, 300) arranged transversely to the direction of advancement of the semi-finished product (S) in so as to be in contact with its entire section.
A tale scopo sono previste due identiche catene (500) a circuito chiuso al di sopra, l’altra al di sotto del piano di avanzamento del emilavorato (S) - ciascuna delle quali supporta sei poli, tre per ciascuno dei rami longitudinali. For this purpose, two identical closed-circuit chains (500) are provided above, the other below the plane of advancement of the semi-finished product (S) - each of which supports six poles, three for each of the longitudinal branches.
Nel corso della rotazione delle due catene (500) i vari poli vengono a contatto con tre coppie di camme (600), collegate elettricamente e simmetricamente contrapposte rispetto al piano di avanzamento del semilavorato (S). During the rotation of the two chains (500) the various poles come into contact with three pairs of cams (600), electrically connected and symmetrically opposite with respect to the advancement plane of the semi-finished product (S).
Tra le due camme esterne e quella centrale di ciascuna tema sono montati generatori di differenza di potenziale (4); essendo previsto altresì che le camme che occupano le posizioni esterne siano collegate alla terra. Between the two external cams and the central one of each theme are mounted potential difference generators (4); it being also provided that the cams occupying the external positions are connected to the ground.
Nel corso della rotazione delle catene (500) i vari poli assumono il potenziale della camma con cui vengono a contatto, per cui la tema di poli (100, 200, 300) che risulta di volta in volta a contatto con la tema di camme (600) genera un flusso di corrente (i) che presenta direzione parallela alla direzione di avanzamento del semilavorato (S). During the rotation of the chains (500) the various poles assume the potential of the cam with which they come into contact, so that the theme of poles (100, 200, 300) which results from time to time in contact with the theme of cams ( 600) generates a flow of current (i) which has a direction parallel to the direction of advancement of the semi-finished product (S).
Si comprende pertanto come, di volta in volta, il semilavorato (S) si trovi serrato tra una tema di poli appartenente alla catena sovrastante e la corrispondente tema di poh appartenente alla catena sottostante; queste due teme di poli che serrano il semilavorato avanzano solidamente con esso per un tratto del suo scorrimento. It is therefore understood how, from time to time, the semi-finished product (S) is sandwiched between a theme of poles belonging to the overlying chain and the corresponding theme of poh belonging to the underlying chain; these two fears of poles that clamp the semi-finished product advance solidly with it for a portion of its sliding.
Ciò avviene per il fatto che le due catene (500) presentano una velocità lineare esattamente pari a quella dello stesso semilavorato (S). This occurs due to the fact that the two chains (500) have a linear speed exactly equal to that of the same semi-finished product (S).
Sulla sola base di quanto sopra esposto in merito al nuovo procedimento di riscaldo secondo il trovato risulta agevole apprezzarne le principali caratteristiche ed i significativi vantaggi. On the sole basis of the foregoing regarding the new heating method according to the invention, it is easy to appreciate its main characteristics and significant advantages.
In particolare: In particular:
rocedimento di riscaldo continuo in parola utilizza, di fatto, un tratto del teriale da riscaldare quale elemento conduttore resistivo di un circuito ettrico; si può dire pertanto che, in corrispondenza di questo stesso tratto di materiale, il calore viene generato per “effetto joule”; the continuous heating procedure in question uses, in fact, a portion of the material to be heated as the resistive conducting element of an electrical circuit; it can therefore be said that, in correspondence with this same stretch of material, heat is generated by the “joule effect”;
• l’incremento di temperatura nell’unità di tempo della massa metallica interessata dal passaggio di corrente elettrica è proporzionale alla potenza elettrica ivi dissipata per “effetto joule”; essendo la potenza elettrica direttamente convertita in calore entro la massa metallica da riscaldare, il processo secondo il trovato permette di raggiungere elevate efficienze del sistema di riscaldo (l’efficienza è pari al rapporto tra calore immagazzinato nell’unità di tempo dal semilavorato metallico e la potenza dissipata nell’intero sistema); in effetti nel medesimo procedimento in questione, la perdita di calore nell’unità di tempo, ossia la frazione di potenza non utilizzata, dipende esclusivamente dalle caratteristiche di isolamento termico della sezione termica entro la quale viene realizzato il processo di riscaldo e dalle dissipazioni di potenza negli altri elementi costituenti il circuito elettrico: tali aspetti sono gestibili ed ottimizzabili in sede di progettazione; • the temperature increase in the unit of time of the metal mass affected by the passage of electric current is proportional to the electrical power dissipated there by the "joule effect"; since the electrical power is directly converted into heat within the metal mass to be heated, the process according to the invention allows to reach high efficiencies of the heating system (the efficiency is equal to the ratio between the heat stored in the unit of time by the metal semi-finished product and the power dissipated in the whole system); in fact, in the same procedure in question, the heat loss in the unit of time, i.e. the unused power fraction, depends exclusively on the thermal insulation characteristics of the thermal section within which the heating process is carried out and on the power dissipations in the other elements making up the electrical circuit: these aspects can be managed and optimized during the design phase;
• nel procedimento secondo il trovato, una volta noto il flusso di materiale metallico da riscaldare nell’unità di tempo, definito l’intervallo di temperatura fra ingresso e uscita della sezione termica e note le caratteristiche geometriche del semilavorato (quindi la sua resistenza elettrica in funzione della temperatura), è possibile determinare i parametri elettrici che permettono di realizzare il procedimento di riscaldo; • in the method according to the invention, once the flow of metal material to be heated in the unit of time is known, the temperature interval between the inlet and outlet of the thermal section is defined and the geometric characteristics of the semi-finished product are known (therefore its electrical resistance in function of the temperature), it is possible to determine the electrical parameters that allow to carry out the heating process;
il procedimento secondo il trovato e le sue applicazioni preferenziali permettono di ottenere gradienti di temperatura nel semilavorato metallico ntrollati ed anche gradienti estremamente bruschi di temperatura, non sendo presenti fenomeni limitanti di scambio termico; the method according to the invention and its preferential applications allow to obtain controlled temperature gradients in the metal semi-finished product and also extremely abrupt temperature gradients, since there are no limiting thermal exchange phenomena;
procedimento secondo il trovato, a differenza di quelli che utilizzano processi di combustione di sostanze combustibili, permette di operare semplicemente con atmosfera controllata (ad esempio in presenza di gas inerte o di idrogeno gassoso); method according to the invention, unlike those which use combustion processes of combustible substances, allows to operate simply with a controlled atmosphere (for example in the presence of inert gas or gaseous hydrogen);
• il procedimento secondo il trovato permette applicazioni praticamente per qualunque tipo di materiale metallico e per qualunque tipo di profilo geometrico del semilavorato da riscaldare in modo continuo; • the method according to the invention allows applications for practically any type of metal material and for any type of geometric profile of the semi-finished product to be heated continuously;
• il procedimento secondo il trovato può essere realizzato, per un dato profilo termico da realizzare sul semilavorato metallico (curva di riscaldo), sia in forma singola sia in serie con altri processi di riscaldo; ad esempio è possibile ottenere un brusco aumento di temperatura sul semilavorato metallico utilizzando il procedimento in questione in una sezione di preriscaldo e utilizzare una successiva sezione con bruciatori a metano per il mantenimento in temperatura per prefissati intervalli di tempo; • the method according to the invention can be carried out, for a given thermal profile to be produced on the metal semi-finished product (heating curve), both in single form and in series with other heating processes; for example it is possible to obtain an abrupt temperature increase on the metal semi-finished product by using the process in question in a preheating section and to use a subsequent section with methane burners to maintain the temperature for predetermined time intervals;
• il procedimento secondo il trovato permette di superare molte delle limitazioni intrinseche ai processi di riscaldo con generazione di calore allestemo del semilavorato metallico; in particolare esso permette di ottenere rapidi innalzamenti di temperatura nella massa metallica da scaldare con forte riduzione degli ingombri delle sezioni termiche nei processi di riscaldo continuo senza limitazioni di gradienti termici; permette di limitare fortemente, fino ad annullare completamente, le issioni inquinanti delle sezioni termiche nei processi di riscaldo ntinuo associate alla generazione di fumi nei processi di combustione; rmette ancora, in virtù dell’elevata efficienza, di contenere i costi energetici di esercizio delle sezioni termiche di riscaldo continuo, anche in presenza di costi di energia elettrica usualmente più elevati di quelli di altri combustibili; permette infine, in virtù della minima inerzia termica del sistema, di variare velocità di trattamento del semilavorato dal valore zero al valore massimo di dimensionamento (e viceversa), anche con gradienti molto bruschi, senza pericoli di rotture del semilavorato. • the method according to the invention allows to overcome many of the intrinsic limitations to the heating processes with heat generation outside the metal semi-finished product; in particular it allows to obtain rapid temperature rises in the metal mass to be heated with a strong reduction of the dimensions of the thermal sections in continuous heating processes without limitations of thermal gradients; it allows to strongly limit, up to completely canceling, the polluting emissions of the thermal sections in the continuous heating processes associated with the generation of fumes in the combustion processes; still allows, by virtue of the high efficiency, to contain the operating energy costs of the thermal sections of continuous heating, even in the presence of electricity costs usually higher than those of other fuels; finally, it allows, by virtue of the minimum thermal inertia of the system, to vary the treatment speed of the semi-finished product from zero to the maximum dimensioning value (and vice versa), even with very abrupt gradients, without the risk of breakage of the semi-finished product.
Per un ulteriore chiarimento dell’idea inventiva alla base del presente ritrovato si ritiene opportuno illustrare di seguito due ipotesi pratiche di applicazione del procedimento secondo il trovato. For a further clarification of the inventive idea underlying the present invention, it is considered appropriate to illustrate below two practical hypotheses of application of the process according to the invention.
Nel primo caso - illustrato con riferimento alla figura 4 ed ispirato allo schema di figura 1 - si ipotizza di realizzare un riscaldo continuo di nastri piani di acciaio inossidabile (ad esempio della serie AISI 3XX) in atmosfera controllata e non; ebbene in tale ipotesi il procedimento in questione potrebbe essere applicato prevedendo il passaggio di corrente elettrica attraverso due trati di nastro simmetrici (NI, N2), ma non necessariamente speculari, rispeto ad un rullo centrale (RC) cui è applicata una differenza di potenziale rispeto a due rulli esterni di supporto (RS) connessi alla terra del circuito elettrico. In the first case - illustrated with reference to figure 4 and inspired by the scheme of figure 1 - it is assumed that a continuous heating of flat stainless steel strips (for example of the AISI 3XX series) in a controlled and non-controlled atmosphere is envisaged; well in this hypothesis the procedure in question could be applied by providing for the passage of electric current through two symmetrical sections of tape (NI, N2), but not necessarily specular, with respect to a central roller (RC) to which a potential difference is applied with respect to with two external support rollers (RS) connected to the earth of the electrical circuit.
I due rulli esterni (RS), opportunamente dimensionati con materiale metallico buon condutore di elettricità, realizzano contemporaneamente il supporto per il nastro, il contato elettrico e la connessione a terra del circuito, evitando correnti elettriche vaganti lungo il nastro al di fuori della sezione termica. The two external rollers (RS), suitably sized with metal material good conductor of electricity, simultaneously realize the support for the belt, the electrical contact and the ground connection of the circuit, avoiding electrical currents wandering along the belt outside the thermal section .
Il rullo centrale deflettore (RC), rivestito di materiale metallico ed tiratamente isolato elettricamente rispetto al resto della sezione termica, sente il contatto della superfìcie del nastro (N) lungo l’intera sezione asversale, assicurando una buona uniformità nella distribuzione della corrente elettrica attraverso l’intera sezione del nastro. The central deflector roller (RC), covered with metal material and electrically insulated tightly from the rest of the thermal section, feels the contact of the surface of the belt (N) along the entire cross section, ensuring a good uniformity in the distribution of the electric current through the entire section of the belt.
La soluzione a contatti rotanti, con differenza di potenziale decrescente fra il rullo centrale (RC) e quelli laterali di supporto (RS), evita microscariche elettriche che potrebbero rovinare la superficie del nastro (N). The solution with rotating contacts, with decreasing potential difference between the central roller (RC) and the lateral support rollers (RS), avoids electrical micro-discharges that could damage the surface of the belt (N).
La disposizione dei rulli sfalsati permette un buon contatto elettrico e la distribuzione della corrente elettrica attraverso l’intera sezione del nastro, riducendo i fenomeni di percorsi preferenziali in superficie (eddy current). The arrangement of the staggered rollers allows good electrical contact and the distribution of electric current through the entire section of the belt, reducing the phenomena of preferential paths on the surface (eddy current).
Uno strumento lettore di temperatura, ad esempio un pirometro ottico, in uscita dalla sezione di riscaldo, permette di regolare in tensione o in corrente il circuito elettrico in modo tale da mantenere costante, in intervalli di tolleranza molto ridotti, il valore di temperatura. A temperature reading instrument, for example an optical pyrometer, at the outlet of the heating section, allows the voltage or current to be adjusted in the electrical circuit in such a way as to keep the temperature value constant, within very small tolerance intervals.
Nella seconda ipotesi esemplificativa - illustrata in figura 5 ed ispirata ancora allo schema di figura 1 - si ipotizza, invece, di dover effettuare il riscaldo continuo di tubi metallici (T) a sezione circolare in atmosfera controllata o non; in tal caso il procedimento in questione può essere realizzato prevedendo il passaggio di corrente elettrica attraverso due tratti di tubo simmetrici (Tl, T2), ma non necessariamente speculari, rispetto ad una coppia di rulli centrali (RC), cui è applicata una differenza di potenziale rispetto a due rulli esterni di supporto (RS), connessi alla terra del circuito elettrico. In the second example hypothesis - illustrated in figure 5 and inspired again by the diagram in figure 1 - it is assumed, instead, that the continuous heating of circular section metal pipes (T) in a controlled atmosphere or not; in this case the process in question can be carried out by providing for the passage of electric current through two symmetrical pipe sections (Tl, T2), but not necessarily specular, with respect to a pair of central rollers (RC), to which a difference of potential with respect to two external support rollers (RS), connected to the earth of the electrical circuit.
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