KR20060043465A - 트랜스버스형 유도 가열 장치 및 트랜스버스형 유도 가열시스템 - Google Patents

트랜스버스형 유도 가열 장치 및 트랜스버스형 유도 가열시스템 Download PDF

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KR20060043465A
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Abstract

본 발명은 피압연재 판 폭 중앙부의 판 표면과 판 두께 중앙을 대략 균일하게 가열하고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 방지할 수 있는 트랜스버스형 유도 가열 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 피압연재(1)를 교류 전원(4)으로부터 전력이 공급되는 인덕터(2, 3)에 의해 가열하는 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 인덕터(2, 3)의 피압연재(1)의 판 폭 방향의 철심 폭을 피압연재(1)의 판 폭보다 작게 하여 피압연재(1)의 판 폭 중심선상에 배치하고, 전류 침투 깊이를 δ(m), 피압연재(1)의 비저항을 ρ(Ω-m), 피압연재(1)의 투자율을 μ(H/m), 교류 전원(4)의 가열주파수를 f(Hz), 원주율을 π 및 피압연재(1)의 판 두께를 tw(m)로 했을 때에, 식(1)의 전류 침투 깊이(δ)가 식(2)를 만족시키도록, 교류 전원(4)의 가열주파수를 설정한다.
δ= {ρ/(μ·f·π)}1/2 ……(1)
1.0 < {cosh(tw/δ) + cos(tw/δ)}/2 < 1.03 ……(2)
유도 가열, 교류, 주파수, 전류 침투 깊이, 투자율, 트랜스버스, 반송롤, 피 압연재, 인덕터

Description

트랜스버스형 유도 가열 장치 및 트랜스버스형 유도 가열 시스템{TRANSVERCE TYPE INDUCTION HEATING APPARATUS AND TRANSVERCE TYPE INDUCTION HEATING SYSTEM}
도 1은 제1 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 구성과, 이 장치에 의해서 유도 가열되는 피압연재의 판 폭 방향 거리와 평균 온도 상승치의 관계를 도시한 도면이다
도 2는 제1 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치에서의 침투 깊이(δ)에 대한 판 두께(tw)의 비율(tw/δ)과 판 두께 중앙의 발열 밀도에 대한 판 표면의 발열 밀도의 비율(판 표면/판 중앙 발열 밀도)의 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 주요부를 확대한 도면이다.
도 4는 트랜스버스형 및 솔레노이드형의 유도 가열 장치의 판 두께 방향에 대한 발열 밀도 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제2 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 구성과 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제2 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치와 솔레노이드형의 유도 가열 장치에 의한 가열 전후의 판 온도 이력을 도시한 도면이다.
도 7은 제3 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 코일 결선을 도시 한 도면이다.
도 8은 제3 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 피압연재와 상측의 인덕터의 철심 및 하측의 인덕터의 철심의 갭에 대한 전기 손실을 도시한 도면이다.
도 9는 제4 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 구성을 도시한 도면이다
도 10은 제4 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 피압연재와 인덕터의 철심의 갭을 변화시킨 경우의 판 두께 방향의 온도 상승분포를 나타낸 도면이다.
도 11은 제4 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, (상측 갭)/(하측 갭)의 비율에 대한 (판 상측 표면 발열 밀도)/(판 하측 표면 발열 밀도)의 비율을 도시한 도면이다.
도 12는 제5 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 시스템의 구성과 동작을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면의 부호의 설명
1: 피압연재 2, 3: 인덕터
2a, 3a, 9a, 10a: 철심 2b, 3b, 9b, 9c, 10b, 10c: 코일
7a, 7b: 반송코일 8: 피압연재
17: 피압연재 18a, 18b, 18c: 반송롤
19: 제1유도 가열 장치 2O: 제2 유도 가열 장치
19a, 20a: 인덕터
본 발명은, 철강 열연 라인에 배치되는 트랜스버스형 유도 가열 장치 및 트랜스버스형 유도 가열 장치를 복수대 이용한 트랜스버스형 유도 가열 시스템에 관한 것이다.
종래에는, 피압연재의 판 폭 중앙부를 재가열하는 수단으로서, 판 전체 폭을 가열하는 솔레노이드형 유도 가열 장치가 있다[예를 들면, 일본 특개평 10-128424호 공보(제5 페이지, 도 1) 참조].
상기 솔레노이드형 유도 가열 장치에서는, 표피효과에 의해서 표면만이 고온으로 되어 있는 것을, 판 내부에 열에너지가 충분히 확산되어 표면의 온도가 판 두께 중앙보다 낮아지도록 소정 시간을 설정하여, 판 두께방향의 온도 분포가 적절하게 되도록 한다.
종래의 솔레노이드형 유도 가열 장치에서는, 가열주파수가 높아질수록 유도전류가 피압연재의 표면에 집중하여 흐르고, 표면의 과잉 온도 상승이 커진다.
또, 판 두께가 두꺼울수록, 내부에 대한 표면의 과잉 온도 상승이 커진다.
이로 인하여, 마무리 압연전에 판 두께 방향의 온도 분포를 적절하게 하r; 위해 충분한 시간이 필요하게 되고, 가열설비의 설치장소가 제약을 받는 문제점이 있었다.
또, 판 전체 폭이 가열되기 때문에, 판 폭 중앙부만을 가열하고자 하는 경우, 쓸데없는 전력이 소비된다고 하는 문제가 있었다.
또, 철강 열연 라인의 상류에서 하류로 복수대의 트랜스버스형 유도 가열 장치를 설치한 경우에, 피압연재의 판 선단이 상류측 유도 가열 장치를 통과한 후에 전원이 트립(trip)되는 경우가 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 피압연재 판 폭 중앙부의 판 표면과 판 두께 중앙을 대략 균일하게 가열하고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 없앤 트랜스버스형 유도 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
또, 철강 열연 라인의 상류에서 하류로 복수대의 트랜스버스형 유도 가열 장치를 설치한 트랜스버스형 유도 가열 시스템으로서, 피압연재의 판 선단이 상류측 유도 가열 장치를 통과한 후에 전원이 트립되는 것을 방지할 수 있는 트랜스버스형 유도 가열 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 트랜스버스형 유도 가열 장치는, 철심과, 상기 철심에 감긴 코일로 이루어지는 인덕터를 철강 열연 라인의 거친 압연기와 마무리 압연기 사이에 피압연재를 개재시켜 대향하도록 배치하여, 반송롤에 의해 반송되는 상기 피압연재를 교류 전원으로부터 전력이 공급되는 상기 인덕터에 의해 가열하는 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 상기 인덕터의 상기 피압연재의 판 폭 방향의 철심 폭을 상기 피압연재의 판 폭보다 작게 하여 상기 피압연재의 판 폭 중심선상에 배 치하고, 전류 침투 깊이를 δ(m), 상기 피압연재의 비저항을 ρ(Ω-m), 상기 피압연재의 투자율을 μ(H/m), 상기 교류 전원의 가열주파수를 f(Hz), 원주율을 π, 상기 피압연재의 판 두께를 tw(m)로 했을 때에,
하기 식(1)의 전류 침투 깊이(δ)가 하기 식(2)를 만족시키도록, 상기 교류 전원의 가열주파수가 설정되고, 상기 피압연재(1)의 판 폭 중앙부의 판 표면과 판 두께 중앙이 대략 균일하게 가열되는 것이다.
δ= {ρ/(μ·f·π)}1/2 ……(1)
1.0 < {cosh(tw/δ) + cos(tw/δ)}/2 < 1.03 ……(2)
또, 본 발명에 따른 트랜스버스형 유도 가열 시스템은, 상술한 트랜스버스형 유도 가열 장치를 상기 철강 열연 라인의 상류에서 하류로 복수대 설치한 트랜스버스형 유도 가열 시스템으로서, 복수대의 상기 트랜스버스형 유도 가열 장치의 인덕터에 각각 개별적으로 교류 전원을 접속하여, 상기 개별의 교류 전원의 가열주파수를 철강 열연 라인의 상류로부터 F1, F2,… Fn으로 하고, K= 1.05∼1.20으로 했을 때에, 상기 각 교류 전원의 가열주파수가, "F1 > F2×K > … > Fn×Kn-1"의 관계식을 만족하도록 설정되는 것이다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 구성과 이 트랜스버스형 유도 가열 장치에 의하여 유도 가열되는 피압연재의 판 폭 방향 거리와 평균 온도 상승치의 관계를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1(a)에 나타낸 본 실시예에 의한 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 침투 깊이(δ)에 대한 판 두께(tw)의 비율(tw/δ)과 판 두께 중앙의 발열 밀도에 대한 판 표면의 발열 밀도의 비율(판 표면/판 중앙 발열 밀도)의 관계를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 주요부를 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 3에서, 철강 열연 라인의 거친 압연기(도시하지 않음)와 마무리 압연(도시하지 않음)의 사이에서 반송롤(도시하지 않음)에 의해 피압연재(1)가 반송되고 있다.
그리고, 피압연재(1)를 개재시켜 대향하도록 한 쌍(1세트)의 인덕터(2, 3)가 상하로 배치되어 있다. 인덕터(2, 3)는, 각각 피압연재(1)의 판 폭 방향의 철심 폭이 피압연재(1)의 판 폭보다 작은 철심(2a, 3a)과, 상기 철심(2a, 3a)에 감긴 코일(2b, 3b)로 구성되어 있다.
각 코일(2b, 3b)에는 교류 전원(4)으로부터 고주파 전력이 공급되고, 철심(2a, 3a)에서 발생하는 자속으로 피압연재(1)가 유도 가열된다.
그런데, 인덕터(2, 3)의 철심 폭은, 가열패턴에 의해 결정되지만, 피압연재(1)의 판 폭으로부터 300mm을 줄인 값 이하로 하고, 또한, 피압연재(1)의 판 폭 단부로부터 철심(2a, 3a)까지의 거리를 적어도 150mm 이상 이격하여, 인덕터(2, 3)를 피압연재(1)의 판 폭 중심선상에 배치한다.
또, "피압연재(1)의 판 폭 단부로부터 철심(2a, 3a)까지의 거리"란, 피압연재(1)의 판면과 평행한 방향에서, 피압연재(1)의 판 폭 단부와 철심(2a) 또는 철심 (3a)의 외주면까지의 거리(즉, 도 1의 A 또는 A'로 나타낸 거리)를 말한다.
이에 따라, 판 폭 단부의 과잉 온도 상승이 대략 해소되는 동시에, 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 판 폭 중앙부를 포함하는 철심 폭 영역분을 가열하는 것이 실험에 의해서 확인할 수 있었다.
또, 인덕터(2, 3)를 피압연재(1)의 중심선상에 배치한다는 것은, 인덕터(2, 3)의 중심이 판 폭 중심선과 일치하도록 배치하는 것도 포함시켜, 철심(2a, 3a)의 일부가 판 폭 중심선상에 존재하도록 판 폭의 중앙부에 인덕터(2, 3)를 배치하는 것이다. 철강 열연 라인에서는 피압연재(1)의 판 폭이 6O0∼1900mm와 같이 범위가 크다.
따라서, 인덕터(2, 3)의 철심(2a, 3a)의 철심 폭은, 300∼700mm의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
하기 식(1)은, 본 제1 실시예에 의한 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 유도 가열에 의한 전류 침투 깊이δ(m)의 계산식을 나타낸다.
δ= {ρ/(μ·f·π)}1/2 ……(1)
여기에서, ρ는 피압연재(1)의 비저항(Ω-m), μ는 비압연재(1)의 투자율(H/m), f는 교류 전원(4)의 가열주파수(Hz), π는 원주율이다.
식(1)에 의한 전류 침투 깊이(δ)와 피압연재(1)의 판 두께(tw)의 비율과, 판 표면과 판 두께 중앙부의 발열 밀도비율의 관계가 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.
여기에서, 판 두께 중앙 발열 밀도에 대한 판 표면 발열 밀도의 비는, 피압연재(1)의 판 두께(tw)와 전류 침투 깊이(δ)를 이용하여, 하기의 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.
판 표면 발열 밀도/판 두께 중앙 발열 밀도
= {cosh(tw/δ)+ cos(tw/δ)}/2 ……(3)
가열 전에서의 판 두께 방향의 온도 분포는 방열의 영향에 의해 판 표면의 온도가 판 두께 중앙보다 낮아지고 있다.
따라서, 판 두께 중앙 발열 밀도에 대한 판 표면 발열 밀도의 비(즉, 판 표면 발열 밀도/판 두께 중앙 발열 밀도)를 1.03 이하로 함으로써, 판 두께 방향으로 대략 균일하게 가열할 수 있고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 방지할 수 있다.
이 관계를 만족하기 위해서는, 피압연재(1)의 판 두께(tw)와 전류 침투 깊이(δ)의 관계가 하기의 식(2)을 만족하도록 주파수를 선택하면 된다.
1.0 < {cosh(tw/δ) + cos(tw/δ)}/2 < 1.03 ……(2)
철강 열연 라인에 있어서, 소정의 가열 온도에서 처리되는 피압연재(1)의 비저항(ρ)은 대략 120μΩ-cm 전후로, 비투자율이 1이다.
따라서, 피압연재(1)의 판 두께(tw)에 대한 가열주파수는, tw= 25mm에서는 413Hz, tw= 30mm에서는 287Hz, tw= 40mm에서는 161Hz 보다 낮은 적절한 가열주파수를 선정하면, 판 두께 중앙 발열 밀도에 대한 판 표면 발열 밀도의 비는 1.03 이하로 되고, 판 두께 방향으로 대략 균일하게 가열할 수 있고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 방지할 수 있다.
도 4는 트랜스버스형의 유도 가열 장치와 솔레노이드형의 유도 가열 장치의 판 두께 방향에 대한 발열 밀도 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도면에서, 5는 솔레노이드형 유도 가열 장치의 특성을, 6은 트랜스버스형의 유도 가열 장치의 특성을 나타내고 있다.
솔레노이드형 유도 가열 장치는, 특성(5)에 나타낸 바와 같이 이론적으로 판 두께 중심에서 발열 밀도가 0으로 되고, 판 표면에 발열이 집중된다.
이것에 대하여, 트랜스버스형 유도 가열 장치는, 적절한 주파수를 선정함으로써, 특성(6)에 나타낸 바와 같이 판 두께 방향 거리에 대하여 발열 분포를 대략 균일하게 할 수 있다.
제1 실시예에 있어서, 인덕터(2, 3)를 피압연재(1)의 판 폭 중심선상에 한 쌍(1세트)을 배치한 것에 대하여 설명했지만, 피압연재(1)의 진행 방향으로 복수 세트(예를 들면, 2세트)의 인덕터(2, 3)를, 판 폭 방향으로 동일 위치 또는 좌우로 슬라이딩된 위치에 배치함으로써, 판 폭이 다른 피압연재(1)에 대응하더라도 최적의 가열패턴으로 가열될 수 있다.
또, 제1 실시예에 있어서, 인덕터(2, 3)는 자극이 각각 1극인 것에 관해서 설명했지만, 2극 이상의 복수에서도 동일한 효과를 기대할 수 있다.
또, 제1 실시예에 있어서, 교류 전원(4)이 고주파 전력을 발생하는 것에 대하여 설명했지만, 50Hz 또는 60Hz의 상용주파수 전원으로 하여도 식(2)를 만족할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 트랜스버스형 유도 가열 장치는, 철심(2a, 3a)과, 상기 철심(2a, 3a)에 각각 감긴 코일(2b, 3b)로 이루어지는 인덕터(2, 3)를 철강 열연 라인의 거친 압연기와 마무리 압연기의 사이에 피압연재(1)를 개재시켜 대향하도록 배치하여, 반송롤에 의해 반송되는 피압연재(1)를 교류 전원(4)으로부터 전력이 공급되는 인덕터(2, 3)에 의해 가열하는 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 인덕터(2, 3)의 피압연재(1)의 판 폭 방향의 철심 폭을 피압연재(1)의 판 폭보다 작게 하여 피압연재(1)의 판 폭 중심선상에 배치하고, 전류 침투 깊이를 δ(m), 피압연재(1)의 비저항을 ρ(Ω-m), 피압연재(1)의 투자율을 μ(H/m), 교류 전원(4)의 가열주파수를 f(Hz), 원주율을 π, 상기 피압연재의 판 두께를 tw(m)로 했을 때에,
하기 식(1)의 전류 침투 깊이(δ)가 하기 식(2)를 만족시키도록, 상기 교류 전원(4)의 가열주파수가 설정되어 있다.
δ= {ρ/(μ·f·π)}1/2 ……(1)
1.0 < {cosh(tw/δ) + cos(tw/δ)}/2 < 1.03 ……(2)
그 결과, 본 실시예에 따른 트랜스버스형 유도 가열 장치, 피압연재 판 폭 중앙부의 판 표면/판 두께 중앙을 대략 균일하게 가열할 수 있고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 방지할 수 있다.
(제2 실시예)
도 5는 본 발명의 제2 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 구성과 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5(a)에 도시한 바와 같이, 철강 열연 라인의 거친 압연기(도시하지 않음)와 마무리 압연(도시하지 않음)의 사이에서 반송롤(7a, 7b)에 의해 피압연재(8)가 반송되어 있다.
그리고, 피압연재(8)를 개재시켜 대향하도록 각각 2개(복수)의 자극을 구비한 한 쌍의 인덕터(9, 10)가 배치되어 있다.
인덕터(9, 10)는 각각 피압연재(8)의 판 폭 방향의 철심 폭이 피압연재(8)의 판 폭보다 작은 철심(9a, 10a)과, 각 자극에 감긴 코일(9b, 9c, 10b, 10c)로 구성되어 있다.
각 코일(9b, 9c, 10b, 10c)에는 교류 전원(도시하지 않음)으로부터 고주파 전력이 공급되고, 각 철심(9a, 10a)의 자극에서 발생하는 자속으로 피압연재(8)가 유도 가열된다.
인덕터(9, 10)의 철심 폭은 제1 실시예와 같이 피압연재(8)의 판 폭에서 300mm을 줄인 값 이하로서, 철심(9a, 10a)을 피압연재(8)의 판 폭 중심선상에 배치한다.
이러한 구성에 있어서, 교류 전원(도시하지 않음)의 주파수(즉, 가열주파수)를 150Hz, 피압연재(8)의 판 두께 40mm, 반송속도 60mpm, 평균 온도 상승량 20℃의 설정조건으로 가열했을 때, 도 5(c)에 나타낸 바와 같이 가열 중의 판 표면과 판 두께 중앙이 대략 균일하게 온도 상승된다.
여기에서, 솔레노이드형 유도 가열 장치에 있어서 솔레노이드 코일로 피압연재를 트랜스버스형과 동일조건으로 가열한 경우, 피압연재가 솔레노이드 코일을 통 과하는 중에는 판 두께 중앙에서는 대부분 온도 상승하지 않고 판 표면이 크게 온도 상승한다.
판 표면은 평균 온도 상승치 20℃의 설정에 대하여 일시에(급격히) 약 2.6배의 52℃의 과잉 온도 상승으로 된다.
피압연재(8)의 발열 분포는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 인덕터(9, 10)와 대향하는 부위로부터 넓어지고, 경우에 따라서는 인덕터(9, 10)의 전후에 배치된 반송롤(7a, 7b)에까지 도달한다.
이로 인하여, 피압연재(8)에 흐르는 전류가 반송롤(7a, 7b)과의 접촉점에서 스파크가 발생할 가능성이 있다.
이것을 방지하기 위하여, 반송롤(7a, 7b)의 표면을, 예를 들면, 세라믹 도료 등의 전기 절연부재로 코팅(coating)하여, 피압연재(8)에 흐르는 전류가 반송롤(7a, 7b)에 흘러 들어오는 것을 방지한다.
도 6은 트랜스버스형의 유도 가열 장치와 솔레노이드형의 유도 가열 장치에 의한 가열 전후의 판 온도 이력을 도시한 도면이다.
솔레노이드형 유도 가열 장치에서는 온도 상승 설정 온도 20℃에 판 표면 및 판 두께 중앙이 수렴하는데 반송속도 60mpm의 때에 20초 이상, 거리환산으로 20m를 요한다.
이것에 대하여, 트랜스버스형 유도 가열 장치에서는 수초 이내로 수렴한다.
(제3 실시예)
도 7은 본 발명의 제3 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 코일 결 선을 도시한 도면이다.
도 7에서는, 교류 전원(4)은 제1 실시예의 것과 동일한 것이며, 피압연재(8) 및 인덕터(9, 10)는 제2 실시예의 것과 동일한 것이다.
도 7(a)에서는, 각 인덕터(9, 10)의 코일(9b, 9c, 10b, 10c)은 직렬로 결선되고, 교류 전원(4) 및 정합(整合) 콘덴서(11)에 접속되어 있다.
또, 도 7(b)에서는 피압연재(8)의 상측에 배치된 인덕터(상측 인덕터)(9)의 코일(9b, 9c)이 직렬 접속되고, 하측에 배치된 인덕터(하측 인덕터)(10)의 코일(10b, 10c)이 직렬 접속되어 있다.
그리고, 피압연재(8)의 상측의 코일(9b, 9c)과 하측의 코일(10b, 10c)이 교류 전원(4)에 병렬 접속되어 있다.
도 7(a)에 도시한 바와 같이, 인덕터(9, 10)의 코일(9b, 9c, 10b, 10c)이 모두 직렬 접속되어 있는 경우에는, 인덕터(9, 10)가 피압연재(8)의 상하로 대칭 배치되어 있지 않더라도 모든 코일(9b, 9c, 10b, 10c)에 흐르는 전류가 동일하게 되고, 각 인덕터(9, 10)의 전기 손실이 동등하게 된다.
한편, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 인덕터(9)의 코일(9b, 9c)과 인덕터(10)의 코일(10b, 10c)이 병렬 접속되어 있는 경우에는, 피압연재(8)에 가까운 쪽 코일의 임피던스가 작아져 많은 전류가 흐르기 때문에, 피압연재(8)에 가까운 쪽 인덕터의 전기 손실이 커진다.
도 8은 피압연재(8)와 상측의 인덕터(9)의 철심 및 하측의 인덕터(10)의 철심의 갭(gap)에 대한 전기 손실을 도시한 도면이다.
도 8에서, (a)는 상하 인덕터(9, 10)의 철심과 피압연재(8)의 갭 90mm에서 동등한 경우이며, (b)는 상측 인덕터(9)의 철심과 피압연재(8)의 갭이 50mm, 하측 인덕터(10)의 철심과 피압연재(8)의 갭이 130mm에서 코일(9b, 9c, 10b, 10c)의 접속이 도 7(a)에 나타내는 것이며, (c)는 상하 인덕터(9, 10)와 피압연재(8)의 갭은 (b)와 동일하고, 코일(9b, 9c)과 코일(10b, 10c)을 병렬 접속한 도 7(b)에 나타내는 것이다.
도 8은 모두 피압연재(8)의 평균 온도 상승량이 동등하게 되는 조건으로 비교한 것이다.
상하의 각 인덕터(9, 10)의 철심(9a, 10a)과 피압연재(8)의 갭이 동등한 경우에는, 도 8(a)에 나타낸 바와 같이 각 인덕터(9, 10)의 전기 손실이 동등하다.
이것에 대하여, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 상측의 코일(9b, 9c)과 하측의 코일(10b, 10c)을 직렬 접속한 경우에는, 인덕터(9, 10)가 피압연재(8)에 대하여 대칭 배치되어 있지 않더라도, 모든 코일(9b, 9c, 10b, 10c)에 흐르는 전류가 동일하기 때문에, 각 인덕터(9, 10)의 전기 손실이 대략 동등하다.
또, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 상측 코일(9b, 9c)과 하측 코일(10b, 10c)을 병렬 접속한 경우에는, 도 8(c)에 나타낸 바와 같이 갭이 작은 상측 인덕터(9)측의 손실이 커지고, 도 7(a)와 같이 접속한 경우보다 손실이 커진다.
이상과 같이, 상측 코일(9b, 9c)과 하측 코일(10b, 10c)을 병렬 접속하면 피압연재(8)에 가까운 쪽 코일(9b, 9c)에 많은 전류가 흘러 가까운 쪽 인덕터(9)의 전기 손실이 커져 코일의 냉각능력이 부족하기 때문에, 코일에 흐를 수 있는 전류 가 제한되어 피압연재(8)의 온도 상승치가 제한될 가능성이 있다.
이것에 대하여, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 모든 코일(9b, 9c, 10b, 10c)을 직렬 접속함으로써 각 인덕터(9, 10)의 전기 손실을 대략 동등하게 할 수 있다.
(제4 실시예)
도 9는 본 발명의 제4 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도면에서, 피압연재(1), 인덕터(2, 3) 및 교류 전원(4)은, 제1 실시예의 것과 동일한 것이다.
도 9에서, 피압연재(1)의 판 폭 방향으로 이동 가능한 대차(臺車)(12)가 배치되어 있다. 각 인덕터(2, 3)는 피압연재(1)를 개재시켜 대향하도록 승강 수단(13, 14)을 통하여 대차(12)에 배치되고, 각각 개별적으로 승강 가능하다.
인덕터(2, 3)의 코일(2a, 3a)은 대차(12)상에 배치된 정합 콘덴서(15, 16)를 통하여 교류 전원(4)에 접속되어 있다. 또, 정합 콘덴서(15, 16)는 대차(12)로부터 분리하여 설치할 수도 있다.
이와 같이 구성된 트랜스버스형 유도 가열 장치에서는, 피압연재(1)의 상하에 배치된 인덕터(2, 3)를 승강 수단(13, 14)에 의해 승강함으로써, 각 인덕터(2, 3)와 피압연재(1)의 갭을 임의로 조정할 수 있다.
도 10은 제4 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, 피압연재(1)와 상하로 배치된 인덕터(2, 3)의 철심(2a, 3a)의 갭을 변화시킨 경우의 판 두께 방향의 온도 상승분포를 도시한 도면이다.
상하의 갭이 다르면 상하의 코일(2b, 3b)이 직렬 접속이나 병렬 접속인에 관계되지 않고, 갭이 작은 쪽 판면의 온도 상승이 커지는 경향이 있다.
도 11은 제4 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 장치에 있어서, (상측 갭)/(하측 갭)의 비율에 대한 (판 상측 표면 발열 밀도)/(판 하측 표면 발열 밀도)의 비율을 도시한 도면이다.
도 11에 있어서, 상하의 갭이 다르면 갭이 작은 쪽 판 표면의 온도 상승이 커진다.
이와 같이, 상하의 갭이 다른 경우에는 피압연재(1)의 두께 방향으로 온도 상승이 다르기 때문에, 피압연재(1)의 판 두께에 따라서 상하갭이 동일하게 되도록 승강 수단(13, 14)으로 각 인덕터(2, 3)의 위치를 조정함으로써, 판 상하면에서 온도 상승을 맞출 수 있다.
인덕터(2, 3)를 통과하기 전의 피압연재(1)의 판 두께 방향 온도 분포는, 가열로 내에서의 가스 가열에 의한 버닝(burnig) 상태나 피압연재(1)를 지지하는 스키드 레일(skid rail)(도시하지 않음)로의 발열, 또는 가열로 추출 후의 반송 도중에서의 반송롤(도시하지 않음)로의 발열 등에 기인하여, 피압연재(1)의 하면 측의 온도가 상면측보다 낮은 경향에 있다.
이러한 피압연재(1)의 상하면의 온도차는, 판의 품질의 편차나, 기계가공성에 영향을 미치게 할 가능성이 있다.
그러나, 상기 구성에 의하면 상하의 각 인덕터(2, 3)를 승강 수단(12, 13)으로 승강시켜 각 인덕터(2, 3)와 피압연재(1)의 갭을 조정하여, 하측의 갭을 상측의 갭보다 작게 함으로써, 판하면을 판상면보다 높은 온도로 상승시킬 수 있기 때문에, 판의 상하면을 균일한 온도로 할 수 있다.
(제5 실시예)
도 12는 본 발명의 제5 실시예에서의 트랜스버스형 유도 가열 시스템의 구성과 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 트랜스버스형 유도 가열 시스템은, 철강압연 라인의 상류로부터 하류를 향하여, 제1 실시예에 따른 구성을 가진 트랜스버스형 유도 가열 장치를 복수대 배치하고 있는 것을 특징으로 한다.
또, 도 12는 철강압연 라인의 상류측에 제1 유도 가열 장치(19)를, 하류측에 제2 유도 가열 장치(20)를 배치한 경우를 나타내고 있다.
또, 도 12(a)는 피압연재(17)의 선단부(판 선단)가 제1 유도 가열 장치(19)의 인덕터(19a) 사이를 통과하기 시작할 때를 나타내고 있고, 도 12(b)는 피압연재(17)의 가장 후미(판 말단)가 제1 유도 가열 장치(19)의 인덕터(19a) 사이를 통과하기 시작할 때를 나타내고 있다.
도 12에 있어서, 피압연재(17)가 반송롤(18a∼18c)에 의해 도면의 좌측으로부터 도면의 우측으로 반송되고 있다.
피압연재(17)의 진행 방향으로 라인 상류로부터 제1 유도 가열 장치(19), 제2 유도 가열 장치(20)가 배치되어 있다.
그리고, 유도 가열 장치(19, 20)는, 각각 개별의 교류 전원(도시하지 않음)을 가진다. 라인 상류측 유도 가열 장치(19)에 접속된 교류 전원(도시하지 않음) 의 주파수를 F1로 하고, 라인 하류측 유도 가열 장치(20)에 접속된 교류 전원(도시하지 않음)의 주파수를 F2로 한다.
또 상류측으로부터 n대째의 교류 전원(도시하지 않음)의 주파수를 Fn으로 하여, K= 1.05∼1.20으로 했을 때에, 상류측 교류 전원(도시하지 않음)과 하류측 교류 전원(도시하지 않음)의 주파수가 하기의 식(4)를 만족하도록 설정한다.
F1 > F2×K > … > Fn×Kn-1 ……(4)
트랜스버스형 유도 가열 장치는, 피압연재(17)가 상하 인덕터(19a, 20a) 사이에 존재하지 않는 무부하 상태에서는 임피던스가 커진다.
따라서, 부하(負荷)의 공진주파수에 추종하여 운전하는 인버터를 교류 전원으로서 사용하고 있는 경우에는, 도 12에 나타낸 바와 같이 부하 시보다도 주파수가 저하된다.
피압연재(17)가 상류로부터 반송되고 있던 선단부가 인덕터(19a, 20a)를 통과할 때에 상류측 유도 가열 장치(19)의 가열주파수를 하류측 유도 가열 장치(20)의 가열주파수보다 낮게 설정하면, 판 선단부 통과 후의 유도 가열 장치(19)와 판 선단부 통과 중의 하류의 유도 가열 장치(20)의 가열주파수가 일순간이기는 하지만 일치한다.
이로 인하여, 인접의 유도 가열 장치(19, 20) 사이에서 자기 간섭이 발생되어, 가열 온도가 안정되지 않거나, 전원이 트립될 가능성이 있다.
그러나, 라인 상류측 교류 전원(도시하지 않음)의 주파수를 하류측 교류 전 원(도시하지 않음)의 주파수보다 높게 함으로써, 상류측 유도 가열 장치(19)를 피압연재(17)의 판 선단이 통과된 후에 전원이 트립되는 것을 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 트랜스버스형 유도 가열 시스템은, 제1 실시예의 트랜스버스형 유도 가열 장치를 상기 철강 열연 라인의 상류로부터 하류에 복수대 설치한 트랜스버스형 유도 가열 시스템으로서, 복수대의 트랜스버스형 유도 가열 장치의 인덕터에 각각 개별적으로 교류 전원을 접속하여, 상기 개별의 교류 전원의 가열주파수를 철강 열연 라인의 상류로부터 F1, F2,… Fn으로 하고, 또한 K= 1.05∼1.20으로 했을 때에, 상기 각 교류 전원의 가열주파수가 "F1 > F2×K > … > Fn×Kn-1"의 관계식을 만족하도록 설정되어 있기 때문에, 철강 열연 라인 상류측 교류 전원의 주파수를 하류측 교류 전원의 주파수보다 높게 할 수 있고, 상류측 유도 가열 장치를 피압연재의 판 선단이 통과된 후에 전원이 트립되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 피압연재 판 폭 중앙부의 판 표면/판 두께 중앙을 대략 균일하게 가열할 수 있고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 없앤 트랜스버스형 유도 가열 장치 또는 트랜스버스형 유도 가열 시스템의 실현에 유용하다.
본 발명에 의한 트랜스버스형 유도 가열 장치에 따르면, 인덕터의 피압연재의 판 폭 방향의 철심 폭을 피압연재의 판 폭보다 작게 하여 피압연재의 판 폭 중심선상에 배치하고, 전술한 식(1)의 전류 침투 깊이(δ)가 전술한 식(2)를 만족시 키도록 가열주파수를 선택함으로써, 피압연재 판 폭 중앙부의 판 표면/판 두께 중앙을 대략 균일하게 가열할 수 있고, 판 표면의 과잉 온도 상승을 방지할 수 있다.
또, 본 발명에 의한 트랜스버스형 유도 가열 시스템에 따르면, 피압연재의 판 선단이 상류측 유도 가열 장치를 통과 후에 전원이 트립되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (10)

  1. 철심과, 상기 철심에 감긴 코일로 이루어지는 인덕터를 철강 열연 라인(line)의 거친 압연기와 마무리 압연기 사이에 피압연재를 개재시켜 대향하도록 배치하여, 반송롤에 의해 반송되는 상기 피압연재를 교류 전원으로부터 전력이 공급되는 상기 인덕터(inductor)에 의해 가열하는 트랜스버스(transverse)형 유도 가열 장치에 있어서,
    상기 인덕터의 상기 피압연재의 판 폭 방향의 철심 폭을 상기 피압연재의 판 폭보다 작게 하여 상기 피압연재의 판 폭 중심선상에 배치하고, 전류 침투 깊이를 δ(m), 상기 피압연재의 비저항을 ρ(Ω-m), 상기 피압연재의 투자율을 μ(H/m), 상기 교류 전원의 가열주파수를 f(Hz), 원주율을 π, 상기 피압연재의 판 두께를 tw(m)로 했을 때에,
    하기 식(1)의 전류 침투 깊이(δ)가 하기 식(2)를 만족시키도록, 상기 교류 전원의 가열주파수가 설정되고, 상기 피압연재(1)의 판 폭 중앙부의 판 표면과 판 두께 중앙이 대략 균일하게 가열되는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
    δ= {ρ/(μ·f·π)}1/2 ……(1)
    1.0 < {cosh(tw/δ) + cos(tw/δ)}/2 < 1.03 ……(2)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인덕터의 자극이 복수로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 코일이 직렬로 접속된 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 인덕터는, 승강 수단에 의해 상기 피압연재의 판 두께의 방향으로 각각 이동 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 각 인덕터는, 승강 수단에 의해 상기 피압연재의 판 두께의 방향으로 각각 이동 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 인덕터가 상기 피압연재의 진행 방향으로 적어도 2세트 배치되고, 상기 반송롤이 상기 인덕터 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각 인덕터의 철심은, 상기 피압연재의 판 폭 중심선상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반송롤의 표면은 전기절연 부재로 코팅(coating)되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 각 인덕터의 철심 폭을 상기 피압연재의 판 폭에서 300mm을 줄인 값 이하로 하고, 상기 피압연재의 판면과 평행한 방향에서, 상기 피압연재의 판 폭 단부와 상기 철심의 외주면 사이의 거리를 150mm 이상으로 한 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 장치.
  10. 제1항에 따른 트랜스버스형 유도 가열 장치를 상기 철강 열연 라인의 상류에서 하류로 복수대 설치한 트랜스버스형 유도 가열 시스템으로서,
    복수대의 상기 트랜스버스형 유도 가열 장치의 인덕터에 각각 개별적으로 교 류 전원을 접속하여, 상기 개별의 교류 전원의 가열주파수를 철강 열연 라인의 상류로부터 F1, F2,… Fn으로 하고, K= 1.05∼1.20으로 했을 때에, 상기 각 교류 전원의 가열주파수가,
    F1 > F2×K > … > Fn×Kn-1
    의 관계식을 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스버스형 유도 가열 시스템.
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