KR101940887B1 - 유도가열 장치 - Google Patents

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Abstract

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는, 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 승온시키는 유도가열 장치로서, 상기 피가열 판재의 상측에 이격되어 배치된 제1 상부 코일과, 상기 피가열 판재의 하측에 이격되어 배치되며 상기 제1 상부 코일과 연계하여 상기 피가열 판재의 두께 방향으로 자기장을 형성하는 제1 하부 코일을 갖는 제1 유도 가열부와, 상기 이동 경로에 따라 상기 제1 유도 가열부와 나란히 배열되며, 상기 피가열 판재의 상측에 이격되어 배치된 제2 상부 코일과, 상기 피가열 판재의 하측에 이격되어 배치되며 상기 제2 상부 코일과 연계하여 상기 피가열 판재의 이동 방향으로 자기장을 형성하는 제2 하부 코일을 갖는 제2 유도 가열부를 포함하는 유도가열 장치를 제공한다.

Description

유도가열 장치{INDUCTION-HEATING APPARATUS}
본 발명은 유도가열 장치에 관한 것이다.
철강 공정에서 이동 중인 금속 판재를 가열하는 방식은 다양하게 수행되고 있다. 그러나, 유도가열 방식은 열관성이 없어서 매우 신속한 가열 특성과 높은 전력밀도로 좁은 점유 공간 내에서 최고 승온량의 열원에 해당된다.
일반적으로, 강판 등의 도전성 판재를 가열하기 위한 유도가열 장치는 종축 방향 자계(longitudinal flux, LF)를 이용한 LF 가열 방식과 수직자계 방식(traverse flux, TF)을 이용한 TF 가열 방식, 2 가지로 나누어진다.
구체적으로, LF 가열 방식은 코일(15)이 피가열 판재(10) 자체를 권선하는 패쇄형 구조로서, 피가열 판재(10)의 위아래 면으로 흐르는 유도 전류(IC, Induced Current)가 피가열 판재(10)의 길이 방향으로 자속(MF, Magnetic flux)을 발생시키는 방식이다(도1a 및 도1b 참조). 냉연 공정에서는 공정온도가 비교적 낮고 폭 방향의 온도 손실이 적은 반면에, 열연 공정에서는 피가열 판재의 온도가 철이 자성력을 상실하는 온도(예, 800℃ 이상)이므로, LF 가열 방식으로 가열하기 위해서는 상하면 유도전류가 상쇄되지 않는 적절한 두께 이상일 경우가 유리하다. 특히, 압연 공정 라인에서 판재가 점점 얇아지는 경우는 LF 가열 방식만으로 가열효율과 소재 폭 방향 에지부 온도 저감에 대한 역보상 가열이 어렵다는 문제가 있다(특허문헌 참조).
이와 달리, TF 가열 방식은 코일(15a,15b)이 피가열 판재(10)의 상하면에서 각각 권선되도록 배치된 편측면 개방형 구조로서, 피가열 판재(10)의 위아래 면에 같은 방향의 유도 전류(IC)가 흐르고 피가열 판재(10)의 두께(즉, 수직) 방향으로 자속(MF)을 발생시키는 방식이다(도2a 및 도2b 참조). 이러한 TF 가열 방식은, LF 가열 방식과 달리, 유도 전류가 일정한 폭으로 회전하다가 에지부에 모서리 전류가 몰려서 에지부 온도가 높게 가열되므로 에지부 온도 저감이 보상되지만, 승온도가 높고 여러대의 유도가열 장치를 구성할 때에, 모든 가열 열원을 TF 가열 방식으로 구성하기에 과온도 상태가 될 여지가 있어서 무리가 따를 수 있다.
일본특허공개공보 2009-259588호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적 중 하나는 피가열 판재의 폭방향에 따른 균일한 승온을 보장할 수 있는 유도가열 장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는, 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 승온시키는 유도가열 장치로서, 상기 피가열 판재의 상측에 이격되어 배치된 제1 상부 코일과, 상기 피가열 판재의 하측에 이격되어 배치되며 상기 제1 상부 코일과 연계하여 상기 피가열 판재의 두께 방향으로 자기장을 형성하는 제1 하부 코일을 갖는 제1 유도 가열부와, 상기 이동 경로에 따라 상기 제1 유도 가열부와 나란히 배열되며, 상기 피가열 판재의 상측에 이격되어 배치된 제2 상부 코일과, 상기 피가열 판재의 하측에 이격되어 배치되며 상기 제2 상부 코일과 연계하여 상기 피가열 판재의 이동 방향으로 자기장을 형성하는 제2 하부 코일을 갖는 제2 유도 가열부를 포함하는 유도가열 장치를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일은 각각 서로 마주하면서 대응되는 트랙 형상(즉, 운동장 모양)을 가지며, 상기 제1 유도 가열부는 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일에 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 제1 인버터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일은 각각 서로 대응되는 트랙 형상을 가지며, 상기 제2 유도 가열부는 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일에 다른 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 제2 인버터를 더 포함할 수 있다.
이와 유사하게, 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일은, 각각 상기 피가열 판재의 폭방향으로 연장된 제1 유효 가열 코일 영역을 갖고, 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일은, 각각 상기 피가열 판재의 폭방향으로 연장된 제2 유효 가열 코일 영역을 가지며, 상기 제2 유효 가열 코일 영역의 폭은 상기 제1 유효 가열 코일 영역의 폭보다 클 수 있다
이 경우에, 상기 제1 및 제2 유효 가열 코일 영역의 폭은 상기 유도가열 장치에 적용될 수 있는 피가열 판재의 최대 폭보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제1 유도 가열부는, 상기 제1 상부 코일 및 상기 제1 하부 코일의 제1 유효 가열 코일 영역에 각각 장착되어 상기 제1 상부 코일 및 상기 제1 하부 코일로부터 발생한 자속의 밀도를 증가시키는 제1 자기집중용 코아들을 더 포함할 수 있다.
이와 유사하게, 상기 제2 유도 가열부는, 상기 제2 상부 코일 및 상기 제2 하부 코일의 제2 유효 가열 코일 영역에 각각 장착되어 상기 제2 상부 코일 및 상기 제2 하부 코일로부터 발생한 자속의 밀도를 증가시키는 제2 자기집중용 코아들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 유도 가열부는, 각각 상기 제1 및 제2 자기집중용 코아들의 최외곽에 장착되어 상기 폭방향으로 향하는 자기장을 억제하는 3축 무방향성 코아들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 코일과 상기 제1 및 제2 하부 코일 중 적어도 하나는 상기 피가열 판재의 폭방향으로 양 측부에 자기장 흐름을 그 중심(즉, 코아 적층 결방향)으로 향하도록 돌출된 부분을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 유도 가열부는 상기 피가열 판재의 이동 방향에 따라 배열된 복수의 제1 유도 가열부를 포함하며, 상기 복수의 제1 유도 가열부에 각각 연결되어 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일의 위치를 상기 피가열 판재의 폭방향으로 이동시키는 폭방향 이동부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 유도 가열부는, 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일의 간격을 조절하기 위해 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 제1 간격 조절부를 더 포함할 수 있다.
이와 유사하게, 상기 제2 유도 가열부는, 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일의 간격을 조절하기 위해 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 제2 간격 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이동중인 판재를 가열하는 공정에서 LF 가열방식을 개방형 구조로 구현하여 TF 가열 방식과 결합함으로써, 판재의 폭방향에 따른 균일한 승온을 보장할 수 있다. 나아가, 피가열 판재의 폭과 관계없이 다양한 판재(중폭 또는 협폭)에서도 균일한 승온을 보장할 수 있다. 또한, 최소 점유폭의 코일 형상으로 전기적 효율을 향상시키고 누설 자기장을 저감시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 유도가열 장치는 모두 개방형 인덕터 구조로 구현될 수 있으므로, 대차와 같은 가동부에 장착하면 조업 사고와 같은 유사시 빠른 진출입으로 효과적인 대응이 가능할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1a 및 도1b는 각각 종래의 LF 방식 유도가열 인덕터를 나타내는 개략 사시도 및 단면도이다.
도2a 및 도2b는 각각 종래의 TF 방식 유도가열 인덕터를 나타내는 개략 사시도 및 단면도이다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예(최대 광폭 피가열 판재 적용예)에 따른 TF-LF 결합형 유도가열 장치를 나타내는 개략 평면도 및 측방향 단면도이다.
도4a 및 도4b는 도3a에 도시된 제1 및 제2 유도 가열부에 채용된 코일들의 전류 흐름을 나타내는 개략 사시도이다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 일 실시예(중-협폭 피가열 판재 적용예)에 따른 TF-LF 결합형 유도가열 장치를 나타내는 개략 평면도 및 측방향 단면도이다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명의 일 실시예에 채용되는 제1 및 제2 유도 가열부에서의 발열 분포 패턴(즉, 유도전류 순환 패턴)을 나타낸다.
도7은 다양한 형태의 유도가열 인덕터 조합에 따르면 소재 폭방향의 온도 구배(위치별 승온도) 및 초기 진입소재 온도를 나타내는 그래프이다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 일 실시예에 채용되는 유도 가열부를 나타내는 상부 평면도 및 측방향 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 일 실시예(최대 광폭 피가열 판재 적용예)에 따른 TF-LF 결합형 유도가열 장치를 나타내는 개략 평면도 및 측방향 단면도이다.
도3a 및 도3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 유도가열 장치(50)는, 피가열 판재(10')의 이동경로를 따라 배열된 제1 유도 가열부(20) 및 제2 유도 가열부(40)를 포함한다.
본 실시예에 채용된 제1 및 제2 유도 가열부(20,40)는 도3b에 도시된 바와 같이, 모두 개방형 구조(즉, 상부 및 하부가 분리되어 측면이 개방된 구조)로 제공된다. 구체적으로, 상기 제1 유도 가열부(20)는 상기 피가열 판재(10')의 상측에 이격되어 배치된 제1 상부 코일(25A)과, 상기 피가열 판재(10')의 하측에 이격되어 배치된 제1 하부 코일(25B)을 포함한다. 이와 유사하게, 상기 제2 유도 가열부(40)는 상기 피가열 판재(10')의 상측에 이격되어 배치된 제1 상부 코일(45A)과, 상기 피가열 판재(10')의 하측에 이격되어 배치된 제1 하부 코일(45B)을 포함한다.
상기 제1 유도 가열부(20)는 상기 제1 상부 코일(25A)과 상기 제1 하부 코일(25B)에 연결되어 고주파 전류를 인가하기 위한 제1 인버터(22)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 유도 가열부(20)는 TF 가열 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 전류가 인가된 제1 상부 코일(25A)과 제1 하부 코일(25B)은 서로 연계하여 상기 피가열 판재(10')의 두께(즉, 수직) 방향으로 자기장을 형성할 수 있다.
도4a에 도시된 바와 같이, 제1 상부 코일(25A)과 제1 하부 코일(25B)은 각각 서로 대응되는 트랙 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 인버터(22)는 상기 제1 상부 코일(25A)에서 흐르는 전류(IA)와 상기 제1 하부 코일(25B)에서 흐르는 전류(IB)가 동일한 방향을 갖도록 구성될 수 있다. 이로써, 상기 제1 유도 가열부(20)는 상기 피가열 판재(10')의 두께 방향으로 자기장을 형성할 수 있다.
상기 제2 유도 가열부(40)는 상기 제1 유도 가열부(20)와 유사하게, 상기 제2 상부 코일(45A)과 상기 제2 하부 코일(45B)에 연결되어 고주파 전류를 인가하기 위한 제2 인버터(42)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제2 유도 가열부(40)는 상기 제1 유도 가열부(20)와 달리, LF 가열 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 전류가 인가된 제2 상부 코일(45A)과 제2 하부 코일(45B)은 상하부가 서로 다른 방향으로 전류를 연계하여 상기 피가열 판재(10')의 이동 방향으로 자기장을 형성할 수 있다. 피가열 소재 진입부와 진출부의 유도 전류가 다른 방향으로 두 개의 띠 형상으로 형성될 수 있다.
도4b에 도시된 바와 같이, 제2 상부 코일(45A)과 제2 하부 코일(45B)은 각각 서로 대응되는 트랙 형상을 가질 수 있다. 상기 제2 인버터(42)는 상기 제2 상부 코일(45A)에서 흐르는 전류(IA')와 상기 제2 하부 코일(45B)에서 흐르는 전류(IB')가 반대 방향을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 코일의 사이드에서 위아래면으로 유도전류(Is)가 흐를 수 있다. 이로써 상기 제2 유도 가열부(40)는 상기 피가열 판재(10')의 이동 방향에 따라 자기장을 형성할 수 있다.
통상적인 LF 유도 가열 방식은 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이 폐곡선 형태를 가지므로, 진행 중이거나 진행이 멈춘 경우에 피가열 판재(10')가 기하학적으로 구속되지만, 본 실시예에서 채용된 제2 유도 가열부(40)는 제1 상부 코일(45A)과 제1 하부 코일(45B)로 분리되어 개방형 구조를 가지므로, 공정 중에 상시 입-퇴식 대차 구조로 조업사고시에 신속하게 개별 대응이 가능하다는 장점이 있다.
본 실시예와 같이, TF 가열방식인 제1 유도 가열부(20)와 LF 가열방식인 제2 유도 가열부(40)를 적절히 혼용함으로써, 폭방향 온도 구배 제어가 효과적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 고온으로 이송되는 금속 판재와 같은 피가열 판재(10')가 빠른 속도로 식어가고 그 폭방향으로 보면 에지부의 온도 하강이 뚜렷하게 관측되어 역보상 가열이 필요할 수 있다. 특히, 압연기 구간 내에 존재하는 경우는 후단 공정에 위치한 압연기에서 온도 손실부분을 감안하면 추가 승온 형태로 역보상 해주어야 압연공정에서 압연 모터 토크가 적게 걸리고 얇은 박판류 압연까지 품질이 보장될 수 있다.
도3a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 상부 코일(25A)은, 상기 피가열 판재(10')의 폭방향으로 연장된 제1 유효 가열 코일 영역(L1)을 갖는다. 상기 제1 유효 가열 코일 영역(L1)은 실질적으로 가열에 가담하는 유효한 자기장을 발생시키는 영역으로 이해될 수 있다. 도시되지 않았으나, 상기 제1 하부 코일(25B)도 이에 대응되는 제1 유효 가열 코일 영역(L1)을 갖는다.
또한, 상기 제1 유도 가열부(20)는, 상기 제1 상부 코일(25A) 및 상기 제1 하부 코일(25B)의 제1 유효 가열 코일 영역(L1)에 각각 장착된 제1 자기집중용 코아들(28A,28B)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 자기집중용 코아들(28A,28B)는 각각 상기 제1 상부 코일(25A)과 상기 제1 하부 코일(25B)로부터 발생한 자속의 밀도를 증가시킬 수 있다.
이와 유사하게, 도3a에 도시된 바와 같이, 상기 제2 상부 코일(45A)은, 상기 피가열 판재(10')의 폭방향으로 연장된 제2 유효 가열 코일 영역(L2)을 갖는다. 상기 제2 유효 가열 코일 영역(L2)은 실질적으로 가열에 가담하는 유효한 자기장을 발생시키는 영역으로 이해될 수 있다. 도시되지 않았으나, 상기 제2 하부 코일(45B)도 이에 대응되는 제2 유효 가열 코일 영역(L2)을 갖는다.
또한, 상기 제2 유도 가열부(40)는, 상기 제2 상부 코일(45A) 및 상기 제2 하부 코일(45B)의 제2 유효 가열 코일 영역(L2)에 각각 장착된 제2 자기집중용 코아들(48A,48B)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 자기집중용 코아들(48A,48B)는 각각 상기 제2 상부 코일(45A)과 상기 제2 하부 코일(45B)로부터 발생한 자속의 밀도를 증가시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 자기집중용 코아들(28A,28B 및 48A,48B)은 자속 밀도를 증가시킬 수 있는 다양한 물질로 구현될 수 있으며, 적용 주파수에 따라 달리 선택될 수 있다. 예를 들어, 낮은 주파수에서 규소강판 계열 코아는 최대 투자율이 높아서 유리하므로, 상기 제1 및 제2 자기집중용 코아(28A,28B 및 48A,48B)의 적어도 일부로 사용하는데 바람직하다. 한편, 피가열 판재(10')가 얇은 경우에, 유도전류 침투 깊이에 맞추어 5∼10 ㎑ 대역을 초과하는 주파수 대역이 필요할 수 있다. 이런 경우에는 제1 및 제2 자기집중용 코아(28A,28B 및 48A,48B)를 전량 페라이트 계열 코아로 구성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 유도 가열부(20, 40)는, 각각 상기 제1 및 제2 자기집중용 코아들(28A,28B 및 48A,48B)의 최외곽 양단에 장착된 3축 무방향성 코아들(29a,29b 및 49a,49b)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 코아의 사이드 부분은 주변 라운드 형상 코일이 주는 자기장을 포괄적으로 받게 되므로 자기장 밀도가 매우 높다. 상기 3축 무방향성 코아들(29a,29b 및 49a,49b)는 상기 폭방향으로 향하는 자기장을 억제함으로써 자기장 인입 방향 왜곡에 따른 발열을 방지할 수 있다. 이와 같이, 포화 자기장을 넘어서도 발열이 추가되지 않는 3축 무방향성 코아들(29a,29b 및 49a,49b)로는 페라이트계 코아나 메탈 파우더계 코아를 사용할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 제2 유효 가열 코일 영역(L2)의 길이는 상기 제1 유효 가열 코일 영역(L1)의 폭보다 큰 폭을 갖는다. 상기 제1 및 제2 유효 가열 코일 영역(L1,L2)의 폭은 상기 유도가열 장치(100)에 적용될 수 있는 피가열 판재(10')의 최대 폭(Wmax)보다 작을 수 있다.
도3a에 도시된 피가열 판재(10')는 유도가열 장치(100)에 적용 가능한 피가열 판재 중 최대 광폭(Wmax)을 갖는 피가열 판재(10')를 예시한다. 상기 제1 유도 가열부(20)는 에지부의 과가열 특성이 있는 TF 유도가열 인덕터이므로, 제1 유효 가열 코일 영역(L1)의 폭은 최대 광폭의 피가열 판재(10')의 폭(Wmax)보다 작게 설계할 수 있다. 제1 상부 및 하부 코일(25A,25B)의 사이드 영역 중 일부 폭(이하, 제1 오버랩(first overlap width)이라고도 함, W1)은 피가열 판재(10')와 겹치게 설계될 수 있다.
한편, 상기 제2 유도 가열부(40)은 LF 유도가열 인덕터로서, 제2 상부 및 하부 코일(45A,45B)의 사이드 영역 중 일부 폭(이하, 제2 오버랩(second overlap width)이라고도 함, W2)이 피가열 판재(10')와 겹치지만, 상기 제1 유도 가열부(20)의 겹친 폭(W1)보다 작을 수 있다. 이를 적절히 설계함으로써 상기 제1 유도 가열부에서 행해진 피가열 판재(10')의 에지부에 대한 과가열을 상기 제2 유도 가열부(40)를 통해서 역보상할 수 있다. 즉, 중협폭 판재 이하에서 TF 코일이 에지부를 과 가열하는 기능을 최대 광폭 소재에서는 LF 방식이 TF 방식으로 된 유도전류 패턴을 보이면서 기능이 대체(즉, 가열기능 교환)되도록 하는 것이다. 최대 판재의 폭보다 좁은 크기의 TF 방식 가열 코일은 소재의 폭방향 승온도가 동등하거나 일부 낮게 된다.
이와 같이, 최대 광폭의 피가열 판재(10')를 적용할 때에도, 최대 전력이 나와야 하고 에지부의 온도 저감에 대해서 승온 보상이 일어나야 하므로, TF 방식인 제1 유도 가열부(20)에서의 에지부의 저감 열량을 LF 방식인 제2 유도 가열부(40)에서 보상되도록 제1 및 제2 오버랩 폭(W1, W2)을 적절히 설계할 필요가 있다. 이렇게 설계하는 또 다른 이유는 조업 상황에서 최대 광폭보다 중협폭에서 최대 전력을 필요로 하는 경우가 많으므로, 등가적인 저항 변화폭이 크지 않도록 저항 범위(즉, 임피던스)를 조절하는 기능을 한다.
또한, 전체 권선효율을 높이고 유도가열 무효전력량을 줄여서 판재의 폭 변화에 대응하는 매칭 범위를 넓힐 수 있다. 예를 들어, 중폭 및 협폭의 피가열 판재을 사용하는 경우에, 제1 유도 가열부를 복수로 구성하고 위치를 이동시키고, 제2 유도 가열부는 통상의 가열기능을 수행함으로써 폭방향의 균일한 승온을 보장할 수 있다. 이에 대해서는 도5a 및 도5b를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도5a 및 도5b는 본 발명의 일 실시예(중-협폭 피가열 판재 적용예)에 따른 TF-LF 결합형 유도가열 장치를 나타내는 개략 평면도 및 측방향 단면도이다.
도5a 및 도5b을 참조하면, 본 실시예에 따른 유도가열 장치(100A)은, 추가적인 제1 유도 가열부(30)와, 2개의 제1 유도 가열부(20,30)의 위치를 폭방향으로 이동시키는 폭방향 이동부(60)를 더 포함하는 점을 제외하고 앞선 실시예에 따른 판형 검출셀(20)과 유사한 것으로 이해할 수 있다. 즉, 본 실시예의 구성요소는 특별히 반대되는 설명이 없는 한, 도3a 및 도3b에 도시된 유도가열 장치(100)의 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.
본 실시예에 따른 유도가열 장치(100A)은, 피가열 판재(10")의 이동 방향에 따라 배열된, TF 방식인 2개의 제1 유도 가열부(20,30)와 개방형 LF 방식인 제2 유도 가열부(40)를 포함한다.
본 실시예에 추가된 제1 유도 가열부(30)는 기존 제1 유도 가열부(20)와 제2 유도 가열부 사이에 배치될 수 있으며, 기존 제1 유도 가열부(20)와 유사하게, 트랙 형상인 제1 상부 코일(35A)과 제1 하부 코일(35B)을 포함하며, 제1 인버터(32)에 의해 동일한 방향으로 전류가 인가되어 두께 방향으로 자기장을 형성할 수 있다. 상기 추가적인 제1 유도 가열부(30)는, 상기 제1 상부 코일(35A) 및 상기 제1 하부 코일(35B)의 제1 유효 가열 코일 영역(L1)에 각각 장착되어 자속의 밀도를 증가시키는 제1 자기집중용 코아들(38A,38B)과 상기 제1 자기집중용 코아들(38A,38B)의 최외곽에 장착되어 상기 폭방향으로 향하는 자기장을 억제하는 3축 무방향성 코아들(39a,39b)을 더 포함할 수 있다.
도5a에 도시된 피가열 판재(10")는 앞선 실시예와 달리, 최대 광폭의 피가열 판재(10')보다 작은 폭(Ws)을 갖는 피가열 판재(10"), 즉 중폭 또는 협폭의 피가열 판재일 수 있다.
본 실시예에 따른 유도 가열 장치(100A)는 2개의 제1 유도 가열부(20,30)에 각각 연결되어 상기 제1 상부 코일(25A,35A)과 상기 제1 하부 코일(25B,35B)의 위치를 상기 피가열 판재(10")의 폭방향으로 이동시키는 폭방향 이동부(60)를 더 포함할 수 있다.
도5a에 도시된 바와 같이, 중폭-협폭의 피가열 판재(10")의 경우에는, 개방형 LF 방식인 제2 유도 가열부(40)는 피가열 판재(10")의 중앙에 위치시키고, TF 방식인 2개의 제1 유도 가열부(20,30)는 DS(Drive Side, 공장 장치 배치 방향)측과 WS(Work Side, 작업자 배치 방향)측으로 에지 위치제어를 통하여 양측의 에지부의 온도를 관리한다. 이러한 위치제어는 상기 폭방향 이동부에 의해 수행될 수 있다. 필요한 승온량에 따라 TF 방식인 2개의 제1 유도 가열부(20,30)는 위치 제어량을 결정할 수 있다. 유도가열 장치의 가열 구역 후단의 폭방향 온도계를 기반으로 에지부 온도 제어가 수행될 수 있다.
일반적으로, 최대 광폭의 피가열 판재에서 최대 효율이 나오며, 피가열 판재의 폭이 줄어들면 부하 저항이 낮아져서 전기적인 가열효율이 저하될 수 있다. 중폭 및 협폭의 피가열 판재에서 부하저항이 낮아지는데 최대출력을 낼 수 있는 매칭 범위가 넓을수록 조업 조건상 유리하므로 유효 가열 코일 영역의 최대 폭을 줄이는 것은 매우 중요하다.
본 실시예에 채용되는 개방형 LF 방식과 TF 방식의 가열 코일에서는 양측면이 개방이 되어서 유효 가열 코일 영역의 크기를 최대 판폭에 맞추고, 대차 방식으로 입퇴식 센터라인 위치 조절을 겸하면 판폭의 변화에 대응하는 높은 가열 효율과 거의 광폭 수준으로 최대 전력을 인가할 수 있다.
도5b에 도시된 바와 같이, 개방형 LF 방식인 제2 유도 가열부(40)는 유효 가열 코일 영역(L2)의 크기를 판재의 폭(Ws)보다 작게 설정되고, 양측 사이드에서 제1 유도 가열부(20,30)의 오버랩 폭(Wa,Wb)을 적절하게 조절함으로써 폭방향으로의 균일한 승온을 보장하면서 전기적인 가열 효율을 개선할 수 있다. 두 오버랩 폭(Wa,Wb)은 동일한 값으로 설정될 수 있다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명의 일 실시예에 채용되는 제1 및 제2 유도 가열부에서의 발열 분포 패턴을 나타낸다.
도6a을 참조하면, TF 방식인 제1 유도 가열부에 의한 발열 패턴(HP1)이 도시되어 있다. 피가열 판재(10A)의 상하면에서 폭방향은 물론 에지부도 충분히 가열될 수 있다. TF 가열 코일의 종횡비를 조절하여 에지부의 승온도가 적절히 되도록 디자인한다. 반면에, LF 방식인 제2 유도 가열부에 의한 발열 패턴(HP2)은 코일의 유효 가열 코일 영역을 따라 폭방향으로만 발열 패턴(HP2)이 나타난다.
도7은 다양한 형태의 유도가열 인덕터에서 승온도에 따른 소재 폭방향의 온도 구배 및 패턴을 나타내는 그래프이다.
도7을 참조하면, PT0는 최초 판재의 온도 분포를 나타내며, PTT 및 PTL는 각각 제1 및 제2 유도 가열부에 의한 온도 분포를 나타낸다. 제1 유도 가열부에 의한 온도 분포(PTT)는 제2 유도 가열부에 의한 온도 분포(PTL)보다 대체로 높고, 특히 에지부에서 높은 승온량을 나타낸다. 반면에, 제2 유도 가열부에 의한 온도 분포(PTL)에서는 에지부에서 센터 영역보다 낮은 승온량을 나타낸다.
본 실시예에 따른 TF-LF 결합형 유도 가열장치에 따르면, 폭방향 온도 분포(PTT+PTL)는 TF 방식인 제1 유도가열부와 LF 방식인 제2 유도 가열부의 가열량을 달리 설정하거나 TF 방식인 제1 유도 가열부의 에지부 위치제어(도5a 참조)를 통하여 조절될 수 있다. 이러한 온도 분포는 제어기 PLC 로직으로 자동 구현할 수 있다. 특히, 에지부의 온도를 적절한 범위(도7의 "C"로 표시됨)로 조절할 수 있다.
일 예에서, 조업자가 판폭 중앙의 온도를 설정하면 메인 전력량으로 온도를 제어하고, 추가적으로 에지부의 승온도를 설정하면 TF(제1 유도 가열부)의 전력량을 우선으로 선택하는 방식으로 구현될 수 있다.
다른 예에서는, 도5a에서 설명된 바와 같이, 위치 제어만으로 에지부의 온도를 적절한 범위에서 조절할 수 있다.
이러한 에지부의 온도 제어는 열연 철강 판재의 대부분이 에지부가 100℃ 이하로 식어서 진입되는 경우나, 진출 후에도 지속적으로 식게 되는 환경에서, 매우 유익하게 활용될 수 있다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 일 실시예에 채용되는 유도 가열부를 나타내는 상부 평면도 및 측방향 단면도이다.
도8a 및 도8b를 참조하면, 본 실시예에 따른 유도 가열부(50)는 상하부 코일(55A,55B)에 인가되는 전류 방향에 따라 TF 방식(즉, 제1 유도 가열부) 또는 LF 방식(제2 유도 가열부)으로 모두 구현될 수 있다(도4a 및 도4b 참조)
본 실시예에 따른 유효 가열부(50)는 유효 가열 코일 영역(Le)에 각각 장착되어 자속의 밀도를 증가시키는 자기집중용 코아들(58A,58B)과 상기 자기집중용 코아들(58A,58B)의 최외곽에 장착되어 상기 폭방향으로 향하는 자기장을 억제하는 3축 무방향성 코아들(59a,59b)을 더 포함할 수 있다.
도8a에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 코일(55A,55B)은 각각 앞선 실시예와 유사하게 트랙 형상을 갖지만, 추가적으로 상기 피가열 판재(10)의 폭방향으로 양 측부에 자기장 흐름을 그 중심으로 향하도록(즉, 코아 적층 결방향으로) 돌출된 부분(S1,S2)을 포함한다.
본 실시예에서는, 트랙 형상인 상부 및 하부 코일(55A,55B)은 양측 측부에서 자기장이 판재(10)의 이동방향과 상이한 자기장 패턴을 갖게 되므로 최대한 피가열 판재(10) 이동방향으로 자기장 흐름을 편향시키기 위하여 상부 및 하부 코일(55A,55B)은 양측 측부에 돌출된 부분(S1,S2)을 제공한다. 인버터가 연결된 고정 전극 부스바(53)가 인접한 시작부와 코일 사이의 부분은 좁아지는 방식으로 돌출된 부분(S1)이 제공되며, 반대편 측부에 거의 대칭인 형태로 돌출된 부분(S2)이 제공될 수 있다.
이러한 돌출된 부분(S1,S2)은 자기장의 경로가 짧아지려고 하는 속성(최소 자로의 법칙, Reluctance)을 이용하여, 상하부의 전류방향이 상쇄되거나 넓은 전극판 부분(즉, 시작부)으로 흘러서 누설 자기장 총량이 줄어드는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 실시예에 따른 유도 가열부(50)는, 상부 코일(55A)과 하부 코일(55B)의 간격(G)을 조절하기 위해 상부 코일(55A)과 하부 코일(55B) 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 간격 조절부(70)를 더 포함할 수 있다. 이러한 간격 조절부(70)는 앞선 실시예에서 개방형 구조를 갖는 제1 및 제2 유도 가열부에 모두 적용될 수 있다.
예를 들어, 상하부 코일의 측면 전극부를 수평 형태의 고순도 수냉각 동판 부스바(bus bar)인 판형태로 설계하고, 500㎜ 이상 DS 측으로 연장 설계하면 동판 두께와 연장거리에 따라 20∼40mm 범위 도는 그 이상 간격의 가변성을 얻을 수 있다.
통전 저항이 다소 커지더라도 피가열 판재(10)의 두께 가변성과 폭 가변성에 대한 대응력이 향상되고, 유도 가열 공진 콘덴서 무효부분을 저감시켜서 전체적으로 매칭 특성이 개선될 수 있다. 최대-최소 피가열 판재(10) 폭의 차등 비율이 클수록 이러한 간격 조절부(70)의 도입시에 매우 효과적일 수 있다.
지금까지의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10,10',10",10A: 피가열 판재
20, 30: 제1 유도 가열부(TF 방식)
40: 제2 유도 가열부(개방형 LF 방식)
25A,35A: 제1 상부 코일
25B,35B: 제1 하부 코일
28A,28B,38A,38B: 제1 자기집중용 코아
29a,29b,39a,39b,49a,49b: 3축 무방향성 코아
45A: 제2 상부 코일
45B: 제2 하부 코일
48A,48B: 제2 자기집중용 코아

Claims (12)

  1. 이동 경로를 따라 이동하는 피가열 판재를 승온시키는 유도가열 장치에 있어서,
    상기 피가열 판재의 상측에 이격되어 배치된 제1 상부 코일과, 상기 피가열 판재의 하측에 이격되어 배치되며 상기 제1 상부 코일과 연계하여 상기 피가열 판재의 두께 방향으로 자기장을 형성하는 제1 하부 코일을 갖는 제1 유도 가열부; 및
    상기 이동 경로에 따라 상기 제1 유도 가열부의 다음 순서에 위치하도록 상기 제1 유도 가열부와 나란히 배열되며, 상기 피가열 판재의 상측에 이격되어 배치된 제2 상부 코일과, 상기 피가열 판재의 하측에 이격되어 배치되며 상기 제2 상부 코일과 연계하여 상기 제1 유도 가열부의 발열분포와 다른 발열 분포를 갖도록 상기 피가열 판재의 이동 방향으로 자기장을 형성하는 제2 하부 코일을 갖는 제2 유도 가열부;를 포함하며,
    상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일은 각각 상기 피가열 판재의 폭방향으로 연장된 제1 유효 가열 코일 영역을 가지고,
    상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일은 각각 상기 피가열 판재의 폭방향으로 연장된 제2 유효 가열 코일 영역을 가지며,
    상기 제2 유효 가열 코일 영역의 폭은 상기 제1 유효 가열 코일 영역의 폭보다 크고,
    상기 제1 및 제2 유효 가열 코일 영역의 폭은 상기 유도가열 장치에 적용될 수 있는 피가열 판재의 최대 폭보다 작으며,
    상기 제1 및 제2 상부 코일과 상기 제1 및 제2 하부 코일 중 적어도 하나는 상기 피가열 판재의 폭방향으로 양 측부에 자기장 흐름을 그 중심으로 향하도록 돌출된 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 유도가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일은 각각 서로 마주하면서 대응되는 트랙 형상을 가지며,
    상기 제1 유도 가열부는 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일에 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 제1 인버터를 더 포함하는 유도가열 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일은 각각 서로 마주하면서 대응되는 트랙 형상을 가지며,
    상기 제2 유도 가열부는 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일에 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 제2 인버터를 더 포함하는 유도가열 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유도 가열부는, 상기 제1 상부 코일 및 상기 제1 하부 코일의 제1 유효 가열 코일 영역에 각각 장착되어 상기 제1 상부 코일 및 상기 제1 하부 코일로부터 발생한 자속의 밀도를 증가시키는 제1 자기집중용 코아들을 더 포함하는 유도가열 장치.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제2 유도 가열부는, 상기 제2 상부 코일 및 상기 제2 하부 코일의 제2 유효 가열 코일 영역에 각각 장착되어 상기 제2 상부 코일 및 상기 제2 하부 코일로부터 발생한 자속의 밀도를 증가시키는 제2 자기집중용 코아들을 더 포함하는 유도가열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유도 가열부는, 각각 상기 제1 및 제2 자기집중용 코아들의 최외곽에 장착되어 상기 폭방향으로 향하는 자기장을 억제하는 3축 무방향성 코아들을 더 포함하는 유도가열 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유도 가열부는 상기 피가열 판재의 이동 방향에 따라 배열된 복수의 제1 유도 가열부를 포함하며,
    상기 복수의 제1 유도 가열부에 각각 연결되어 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일의 위치를 상기 피가열 판재의 폭방향으로 이동시키는 폭방향 이동부를 더 포함하는 유도가열 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유도 가열부는, 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일의 간격을 조절하기 위해 상기 제1 상부 코일과 상기 제1 하부 코일 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 제1 간격 조절부를 더 포함하는 유도가열 장치.
  12. 제1항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제2 유도 가열부는, 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일의 간격을 조절하기 위해 상기 제2 상부 코일과 상기 제2 하부 코일 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 제2 간격 조절부를 더 포함하는 유도가열 장치.
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