KR20070111520A - 금속판용 유도 가열장치 - Google Patents

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Abstract

이동하는 금속판을 가열하기 위한 유도 가열장치는 금속판을 에워싸기 위한 유도 코일을 포함한다. 유도 코일은 금속판 상부에 위치되는 상부 유도 코일 및 금속판 하부에 위치되는 하부 유도 코일을 포함한다. 상부 및 하부 유도 코일은 금속판의 횡방향을 가로질러 금속판의 종방향으로 일정 거리만큼 서로 이격되어 있다. 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 각각은 금속판의 횡방향에 대해 경사각을 형성하도록 금속판의 가장자리 영역에 경사지게 배열된다.
유도 가열장치, 금속판, 상부 유도 코일, 하부 유도 코일, 가장자리 영역

Description

금속판용 유도 가열장치{INDUCTION HEATING FOR A METAL PLATE}
본 정규 출원은 각각 2005년 2월 18일과 2005년 9월 5일 일본에서 출원된 특허 출원 제2005-41944호와 제2005-256334호에 대한 우선권을 35 U.S.C. §119(a)에 근거하여 주장한다. 이들 문서 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참조되어 포함된다.
본 발명은 강판 또는 알루미늄판과 같은 금속판을 위한 유도 가열장치에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 금속판을 에워싸는 유도 코일을 이용하여 그 내부에 유도 전류를 생성함으로써 금속판을 가열하는 유도 가열장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 금속판의 두께와 금속판이 자성체인지 비자성체인지 여부에 관계없이 고효율로 금속판을 가열할 수 있는 유도 가열장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 금속판의 가장자리 영역에서의 과열을 억제할 수 있다.
가스나 전기를 이용한 간접 가열장치나 유도 가열을 이용한 직접 가열장치는 열처리 과정에서 금속판을 가열하여 금속재의 품질을 제어하기 위해 사용되고 있다. 직접 가열장치는 간접 가열장치와 달리 열적 관성이 없기 때문에, 적정 노내 온도에 도달하기 위해 간접 가열장치에 의해 요구되는 시간을 절약할 수 있고 예컨대, 판재의 두께가 변경될 때 가열 속도를 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 직 접 가열장치는 금속판 이동 속도의 변화를 요하지 않음으로써 생산성의 저하를 방지한다.
금속판용 유도 가열장치로는 두 종류가 있다. 하나는 LF(종방향 플럭스, longitudinal flux)형으로서, 금속판을 감싸고 일반적으로 1 ㎑ 내지 500 ㎑ 범위의 주파수를 갖는 교류가 인가되는 유도 코일을 이용하여 그 단면에 원형 유도전류를 생성하여 금속판을 가열한다. 도1은 LF형 유도 가열장치의 개략도이다. 도2는 LF형 유도 가열장치를 이용하여 단면에 생성되는 원형 유도 전류를 예시한다. 도1에서 AC 전원(3)에 접속된 유도 코일은 금속판(1)을 에워싼다. 1차 전류(5)가 유도 코일(2)을 통과할 때, 플럭스(4)는 금속판(1)을 관통하여 플럭스(4)를 중심으로 하는 유도 전류를 생성한다. 도2에서, 금속판(1)의 단면에 생성된 유도 전류(6)는 각각 금속판(1)의 위와 아래에 위치된 유도 코일(2)을 통해 진행하는 1차 전류에 대향하는 방향으로 흐른다. 다른 종류는 TF(횡방향 플럭스:Transverse Flux)형으로서, 코어를 구비한 유도 코일이 금속판의 상하에 각각 위치된다. 코일에 대한 AC 전원이 켜지면, 플럭스가 코어 사이에 배치된 금속판을 판 두께 방향으로 관통하여 유도 전류를 생성함으로써 금속판을 가열하게 된다.
TF형 가열에 있서, 유도 전류는 금속판의 측면 단부 영역에 집중되며 이와 동시에 단부 영역 근처의 전류 밀도가 저하됨으로써, 가열 후 측방향으로 불균일한 온도 분포를 일으키기 쉽다. 특히, 유도 코일의 코어와 금속판 사이의 위치 관계가 금속판의 폭을 변동시키거나 금속판의 뒤틀림에 의해 변경될 때 균일 가열을 수행하기가 더욱 어려워진다. 배경 기술로서, 금속판의 폭이 변경될 때 마름모형 코 일을 경사지게 함으로써 플럭스가 금속판의 전체 폭을 항상 관통할 수 있도록 하는 마름모형 코일을 이용한 기술이 제안된다. 그러나, 이 기술은 유도 코일로부터의 누출 플럭스를 이용하며 이는 금속판과 유도 코일이 서로 가깝게 배치될 것을 필요로 한다. 또한, 대량의 전류가 공급되는 유도 가열장치 상에 회전 기구를 설치하는 것은 이 기술을 산업적 규모로 실행하는 것을 어렵게 만든다.
LF형 가열은 유도 코일에 의해 에워싸인 금속판을 가열하는 방법으로서 이런 구조는 금속판을 가열하기 위해 금속판에 원형 유도 전류가 생성될 수 있도록 한다. LF형에서 금속판의 단면에 생성된 유도 전류는 아래의 수학식으로 표현되는 깊이 "d"로 집중된다.
d[mm] = 5.03x10+5x(ρ/μrf)0.5
여기에서, d는 유도 전류 침투 깊이[mm]이고 ρ는 비저항[Ωm]이고 μr는 상대 투자율이고 f는 가열 주파수[㎐]이다.
금속의 온도가 상승하면 비저항이 증가하기 때문에 유도 전류 침투 깊이는 금속의 온도가 증가함에 따라 증가한다. 강자성재 또는 상자성재의 상대 투자율은 온도가 퀴리점에 가까워짐에 따라 감소하고 최종적으로 퀴리점 위에서 1이 된다. 이는 유도 전류 침투 깊이가 온도의 증가에 따라 증가함을 의미한다. 비자성재의 상대 투자율은 1이기 때문에, 그 유도 전류 침투 깊이는 자성재의 경우에 비해 크다.
LF형 유도 가열에 있어, 유도 전류 침투 깊이는 크지만 금속판의 두께가 얇은 경우, 금속판의 상부에 생성된 유도 전류와 금속판의 하부에 생성된 유도 전류는 서로 상쇄된다. 이는 가열 효율을 저하시킨다.
예컨대, 10 ㎑의 가열 주파수가 이용되는 경우, 실온에서 유도 전류 침투 깊이는 비자성재인 알루미늄에서는 약 1 ㎜이고, 스테인리스강 304(SUS304)에서는 약 약 1 ㎜이고 자성재인 강재에서는 약 0.2 ㎜이다. 퀴리점(약 750 ℃)보다 높은 온도에서 강재의 유도 전류 침투 깊이는 약 5 ㎜이다. 금속판을 이용하는 주요 상업 제품인 차량 및 가전에 사용되는 대부분의 강판은 2 ㎜ 이하의 두께를 갖는다. 따라서, 상술한 바와 같이 금속판의 상부 및 하부에서 유도 전류를 상쇄시키지 않고 높은 효율로 이런 금속판을 가열하기란 일반적으로 어렵다. 유도 전류 상쇄가 방지될 수 있도록 유도 전류 침투 깊이를 얕게 만들기 위해 LF형 유도 가열장치에 공급되는 AC 전류의 주파수를 수백 ㎑로 증가시키는 것을 생각할 수 있지만, 이런 고주파수를 갖는 대규모의 전원을 이용하는 것은 산업적 규모에 있어 아주 실용적이지 않다.
금속판이 고온이거나 얇은 금속판인 경우에도 금속판을 고효율로 가열할 수 있는 금속판을 에워싸는 유도 코일을 이용한 유도 가열장치를 이용할 것이 제안되고 있다. 이런 유도 가열장치에서는 금속판 상부에 위치된 유도 코일(상부 유도 코일)과 금속판 하부에 위치된 유도 코일(하부 유도 코일)이 금속판의 종방향으로 각각 서로 다른 위치에 설정되도록 서로 팽행하게 배열된다. 즉, 각각 두 개의 유도 코일을 금속판 상으로 수직하게 투사함으로써 형성되는 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일의 두 개의 투사 영상이 서로 평행하고 금속판의 종방향으로 서로 다른 위치에 있다.
도3은 금속판(1) 상부에 위치된 유도 코일(2a)(상부 유도 코일)과 금속판(1) 하부에 위치된 다른 유도 코일(2b)(하부 유도 코일)이 금속판의 종방향으로 서로 다른 위치에서 서로 팽행하게 배열된 상술한 유도 코일 장치의 개략도이다. 도면부호 7과 9은 각각 도전 부재와 AC 전원(8)을 나타낸다. 도4a와 도4b는 상부 유도 코일과 하부 유도 코일이 금속판의 종방향으로 서로 다른 위치에 배열될 때 금속판(1)에서의 유도 전류의 흐름을 보여준다. 도4a는 금속판 위에서 본 유도 전류의 상태를 예시한 개략도이다. 도4b는 도 4a의 4B-4B 선을 따라 취한 단면도이다. 도4a에서 도면부호 10은 유도 전류의 흐름을 나타낸다. 상부 유도 코일과 하부 유도 코일이 금속판의 종방향으로 서로 다른 위치에 설정되도록 배열되면, 금속판 내에 생성된 원형 유도 전류의 상부 경로와 하부 경로도 각각 금속판의 종방향으로 서로 다른 위치에 설정되도록 배열된다. 따라서, 이런 유도 가열장치는 금속판의 온도가 높거나 그리고/또는 금속판이 얇은 경우에도, 유도 전류 침투 깊이가 깊으면서도 금속판의 상부 및 하부에서 유도 전류의 상쇄를 일으키지 않고 금속판을 높은 효율로 가열하는 것을 가능하게 한다.
그러나, 상부 및 하부 유도 코일이 금속판의 종방향으로 서로 다른 위치에 설정되는 이런 유도 가열장치를 이용함에 있어, 폭방향으로 금속판의 가장자리 영역은 폭방향으로 금속판의 중심 영역에 비해 과열될 수 있다. 그 결과, 최종 온도의 온도 분포가 금속판의 횡방향으로 불균일하게 된다.
이런 현상은 전류가 금속판의 상부에서 하부로 흐르는 금속판의 가장자리 영역의 유도 전류 경로(도4a의 "d2"에 대응)가 갖는 폭이 금속판의 상부 및 하부에서의 유도 전류 경로(도4a의 "d1"에 대응)보다 좁기 때문에 나타난다. 따라서, 금속판의 가장자리 영역에서의 전류 밀도는 중심 영역의 전류 밀도보다 높다. 가장자리 영역의 전류 경로를 좁게 만드는 이유는 가장자리 영역에서 흐르는 전류가 가장자리로 이동됨으로써 금속판 두께 방향으로 가장자리 영역에서 흐르는 유도 전류와 금속판 두께 방향으로 금속판의 가장자리에 인접해서 배열된 유도 코일을 통해 흐르는 1차 전류 사이의 인덕턴스가 낮아질 수 있기 때문이다. 가장자리 영역에서 발생하는 과열 현상의 다른 이유는 금속판의 가장자리 영역에서의 가열 시간[d3가 도 4a에서와 같이 정의된 경우 d3/(금속판의 이동 속도)로서 정의됨]이 중심 영역에서의 가열 시간[d1이 도 4a에서와 같이 정의된 경우 d1/(금속판의 이동 속도)로서 정의됨]보다 길기 때문이다.
유도 가열장치에 의한 열 발산은 전류 밀도의 제곱과 가열 시간에 비례하기 때문에, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일이 각각 금속판의 종방향으로 서로 이격되도록 서로 다른 위치에 설정된 유도 가열장치의 이용시, 횡방향으로 금속판의 가장자리 영역은 금속판의 중심 영역에 비해 과열된다.
본 발명의 목적은 상술한 종래의 유도 가열장치가 갖는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 금속판의 온도가 퀴리점보다 높고 금속판이 얇고 그리고/또는 금속판이 알루미늄이나 구리와 같이 비저항이 낮은 비자성 비철 금속으로 제조되는 경우에도 금속판을 높은 효율로 가열할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 금속판의 횡방향으로 보다 균일한 온도를 금속판에 제공함으로써 특히 금속판의 가장자리 영역에서의 과열을 방지할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 금속판의 폭 변화에 대응하기 위해 복수의 유도 코일을 제작하지 않고도 가열 대상인 금속판의 폭이 변할 경우에도 원하는 온도 분포를 용이하게 구현할 수 있도록 한다. 본 발명의 일 실시예는 금속판의 뒤틀림으로 인한 불균일 온도 분포를 개선할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예는 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리, 유도 코일의 폭 및 열 발산량에 있어 융통성이 큰 기술을 제공한다.
본 발명의 상술한 목적은, 금속판 상부에 위치되는 상부 유도 코일 및 금속판 하부에 위치되는 하부 유도 코일을 포함하되 상기 상부 및 하부 유도 코일은 금속판의 횡방향을 가로질러 금속판의 종방향으로 일정 거리만큼 서로 이격되어 있는 금속판을 에워싸기 위한 유도 코일을 포함하며, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 각각은 금속판의 횡방향에 대해 경사각을 형성하도록 금속판의 가장자리 영역에 경사지게 배열되는 것을 특징으로 하는 유도 가열장치에 의해 달성될 수 있다.
또한 본 발명의 상술한 목적은, 이동하는 금속판을 가열하기 위한 유도 가열장치에 있어서, AC 전원과, 금속판 상부에 위치되어 그 일단부가 AC 전원에 연결되는 상부 유도 코일과, 금속판의 하부 위치되어 그 일단부가 AC 전원에 연결되고 금속판의 횡방향을 가로질러 금속판의 종방향으로 상기 상부 유도 코일로부터 일정 거리만큼 이격된 하부 유도 코일을 포함하며, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 각각은 금속판의 가장자리 영역에 적어도 하나의 경사부를 포함하고 상기 적어도 하나의 경사부는 금속판의 횡방향에 대해 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도 가열장치에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에서, 이동하는 금속판은 일 방향으로 이동하는 금속판으로 제한되지 않으며 금속판의 왕복 운동을 포함한다. 또한, 본 발명에서, 유도 코일은 일회 이상 회전되어 금속판을 에워싸는 전기 도전성 재료로 된 튜브, 와이어, 판 등으로 형성된 코일을 포함하는 집합적 용어이다. 또한, 금속판을 에워싸는 것은 원형이나 사각형과 같은 특정 형태로 제한되지 않는다. 전기 도전체용 재료로는, 구리, 구리 합금 또는 알루미늄과 같은 저저항 재료가 바람직하다.
본 발명의 금속판으로는 강재와 같은 자성재, 알루미늄 또는 구리와 같은 비자성재 및 퀴리점보다 높은 온도의 비자성 상태에 있는 강재가 포함된다.
본 발명에서, 금속판의 횡방향이란 금속판의 진행 방향에 수직한 방향을 의미한다. 금속판의 종방향이란 금속판의 진행 방향에 평행한 방향을 의미한다.
본 발명에서, 금속판의 가장자리는 횡방향으로 금속판의 단부이고 금속판의 가장자리 영역은 금속판의 가장자리에 인접한 또는 그 근처에 속하는 금속판의 상부(상)면/하부(저)면를 의미한다.
본 발명에서, 금속판 상부에 위치되는 상부 유도 코일 및 금속판 하부에 위치되는 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리는 각각 금속판 상으로 각각의 유도 코일을 수직하게 투사함으로써 형성되는 상부에 위치된 유도 코일 및 하부에 위치된 유도 코일의 두 개의 투사 영상 사이의 거리로서 정의된다. 도 5는 가열 대상인 금속판의 종방향으로 도시한 본 발명의 유도 가열장치의 개략 단면도이다. 도면부호 1은 종방향으로 연장되는 금속판의 단면도를 나타내고 도면부호 2a는 금속판의 상부에 위치된 유도 코일의 단면도를 나타내고 도면부호 2b는 금속판의 하부에 위치된 유도 코일의 단면도를 나타내고 도면부호 30a는 금속판의 상부에 위치된 유도 코일의 수직 투사 영상을 나타내고 도면부호 30b는 금속판의 하부에 위치된 유도 코일의 수직 투사 영상을 나타낸다. 이하, "금속판의 상부에 위치된 유도 코일"을 "유도 코일의 상부" 즉 간단히 "상부 유도 코일"이라 하고 "금속판의 하부에 위치된 유도 코일"을 "유도 코일의 하부" 즉 간단히 "하부 유도 코일"이라 할 수 있다. 상부 및 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리는 도5에서 "L"로서 정의된다. 상부 유도 코일의 폭과 하부 유도 코일의 폭이 서로 다른 경우, 거리를 결정하는 시작점은 넓은 유도 코일의 수직 투사 영상의 가장자리(단부)이다.
이하, 발명의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명의 다른 적용 범위가 보다 자명하게 될 것이다. 그러나 기술분야의 당업자에게는 발명의 상세한 설명으로부터 본 발명의 정신과 범위에 속하는 다양한 변경과 개량이 자명하게 될 수 있기 때문에 발명의 상세한 설명과 특정예들은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내면서도 단지 예시를 위한 것임을 주의해야 한다.
본 발명은 단지 예시를 위해 주어진 것으로 따라서 본 발명을 제한하지 않는 발명의 상세한 설명과 첨부도면을 참조하여 보다 완전히 이해될 수 있다.
도1은 종래기술에 따른 LF형 유도 가열장치의 개략도이다.
도2는 도1에서 금속판의 단면에 생성되는 원형 유도 전류를 예시한다.
도3은 종래기술에 따른 유도 가열장치의 개략도이다.
도4a는 금속판 상부에서 관찰한 금속판 내의 유도 전류 흐름 상태를 예시한 개략도이다.
도4b는 도4a의 선 4B-4B를 따라 취한 단면도이다.
도5는 본 발명에서 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리를 정의하는 설명도이다.
도6은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도7은 본 발명의 유도 가열장치에 의해 발생된 금속판 가장자리 영역에서의 유도 전류 흐름 상태를 예시한 개략도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도9는 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도10 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도11은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도12는 도11의 개략 단면도이다.
도13은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 모든 도면은 금속판을 에워싸는 1회전 유도 코일을 예시한다. 그러나, 본 발명에서 유도 코일의 회전수는 특정한 수로 제한되지 않는다.
도6은 본 발명의 유도 가열장치의 일 예의 개략 평면도이다. 본 발명에서, 금속판의 상부에 위치된 유도 코일(2a)과 금속판의 하부에 위치된 다른 유도 코일(2b)은 금속판의 종방향으로 서로 이격된 상태로 서로 평행하도록 위치된다. 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리는 금속판 상으로 각각의 유도 코일을 수직하게 투사함으로써 각각 형성되는 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일의 두 개의 투사 영상 간의 거리로서 정의된다. 위에서 정의된 거리인, 상부 및 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리 L은 횡방향으로 일정하게 유지된다. 또한, 상부 유도 코일(2a)과 하부 유도 코일(2b)은 횡방향에 대해 금속판의 가장자리 영역에서 금속판을 가로질러 경사지게 펼쳐진다. 즉, 상부 유도 코일(2a)과 하부 유도 코일(2b) 각각은 각각의 유도 코일과 금속판의 횡방향 사이에 경사각을 갖도록 가장자리 영역에서 경사지게 배열된다. 도면부호 7은 도전부재를 나타내고 8은 AC 전원을 나타내고 9는 금속판의 가장자리 영역(단부)에 인접 위치된 유도 코일을 나타낸다. 기호 θ는 가장자리 영역의 유도 코일과 금속판의 횡방향 사이의 각도로서 정의된 경사각을 나타낸다. 기호 x는 금속판의 종방향으로 유도 코일의 폭을 나타낸다.
상부 유도 코일과 하부 유도 코일이 금속판의 종방향으로 서로 이격되도록 위치될 때, 금속판에 생성되는 원형 유도 전류의 상부 경로와 하부 경로도 금속판의 종방향으로 서로 이격되도록 배열된다. 따라서, 이런 구조는 금속판의 온도가 높고 그리고/또는 금속판이 얇은 경우에도, 유도 전류 침투 깊이가 크면서도 금속판 상부 및 하부간 유도 전류의 상쇄를 겪지 않으면서 고효율로 금속판을 가열할 수 있도록 한다.
상부와 하부 유도 코일 사이의 거리는 금속판의 소재, 금속판의 온도 및 유 도 코일과 가열 대상 금속판 사이의 간극에 기초하여 결정될 수 있다. 퀴리점보다 높은 온도에 있는 비자성 영역에서 강판을 효율적으로 가열하기 위해서는, 금속판의 폭, 유도 코일의 폭 및 금속판의 이동 속도를 감안하여 바람직하게는 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리를 유도 코일의 광폭측의 폭의 0.2 내지 6배가 되도록 설정하고, 보다 바람직하게는 유도 코일의 폭의 0.6 내지 4배가 되도록 설정한다. 거리가 유도 코일의 폭의 0.2배보다 작은 경우, 금속판 상부 및 하부간 유도 전류 상쇄가 발생하여 효율적인 가열을 수행할 수 없게 된다. 거리가 유도 코일의 폭의 6배보다 큰 경우, 금속판 가장자리 영역의 전류 밀도를 감소시키는 것이 어려워지고 가열 시간이 증가함으로써 가장자리에서의 온도 상승을 가져온다. 또한, 저항이 증가함으로써 산업적 규모로 수행하기가 어려운 높은 전력 공급을 필요로 하게 된다. 이하, 상부 유도 코일의 폭과 하부 유도 코일의 폭이 서로 다를 때, 달리 정하지 않는다면 (금속판의 종방향으로) 폭은 광폭측 유도 코일의 폭을 나타낸다.
상부 및 하부 유도 코일이 각각 가장자리에서 횡방향으로 경사져 있을 때, 가장자리 영역에서의 과열은 경사지지 않은 유도 코일에 비해 효과적으로 억제될 수 있다. 이하, 도7을 참조하여 이를 설명한다. 도7은 금속판의 위에서 보았을 때 도6의 금속판의 좌측 가장자리 영역 내의 유도 전류 흐름 상태를 예시한 개략도이다. 금속판의 상측 및 하측 상의 유도 전류(10)는 유도 전류의 폭이 대응하는 유도 코일(30a, 30b)의 투사 영상의 폭과 거의 동일한 유도 코일을 통과하는 1차 전류에 대향하는 방향으로 흐른다. 금속판의 가장자리 근처를 통해 흐르는 유도 전류는 금속판의 중심 영역에 가깝게 유동 경로를 옮기는 경향을 보임으로써, 금속 판의 유도 코일을 통해 흐르는 유도 전류와 1차 전류 사이의 인덕턴스가 감소될 수 있다. 즉, 비록 일부 전류가 가장자리에서 흐르지만, 상부 유도 코일에 의해 유도된 상부 유도 전류와 하부 유도 코일에 의해 유도된 하부 유도 전류는 최단 경로를 따라 서로 연결되고자 한다. 이는 금속판의 가장자리 근처에 비교적 넓은 유도 전류 흐름 통로를 제공함으로써 가장자리 근처에서의 전류 밀도 증가를 억제한다. 따라서, 상부 및 하부 유도 코일이 가장자리 영역에서 횡방향에 대한 경사부를 가질 때, 이 영역에서의 과열은 이런 경사부를 갖지 않는 유도 코일에 비해 효과적으로 억제될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 적절한 경사각(도6의 θ)를 추가로 연구했다. 도6에 도시된 유도 가열장치를 이용하여 가장자리 영역에서의 과열 정도, 즉 (가장자리 영역의 온도) - (중심 영역의 온도)와 경사각(θ) 사이의 관계를 실험적으로 연구했다. 금속판으로서 비자성 SUS304 스테인리스 강판(두께:0.2 ㎜, 폭: 600 ㎜)을 사용했다. 금속판의 이동 속도는 2 m/분이었다. AC 전원(도시 생략)으로서 25 ㎑를 사용했으며 100 ㎑의 정전용량을 갖는 캐패시터를 사용된 유도 코일과 일치하도록 조절했다.
유도 코일로는 구리판(두께:5 ㎜, 폭: 100 ㎜)으로 구성된 (가열 대상인 금속판을 에워싸도록) 1회전된 수냉 구리판과 납땜에 의해 금속판에 대향된 측면 상에서 구리판에 부착된 수냉 구리관(외경: 10 ㎜, 내경: 8 ㎜)을 사용했다. 본 예에서, "유도 코일"은 구리판 및 수냉 구리관 모두를 포함하는데, 이는 전류가 구리관을 통해서도 진행하기 때문이다. 금속판(SUS304 판)의 표면과 유도 코일(동판) 사이의 간극은 50 ㎜였다. 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리 L은 200 ㎜였다.
금속판의 중심 영역과 가장자리 영역 모두의 온도는 평면형 적외선 온도계를 이용하여 유도 가열장치의 출구에서 측정했다. 유도 코일과 금속판의 횡방향 사이의 경사각(θ)을 변경하기 위해, 유도 코일들은 가동식 목재 기부에 배치되는데, 상부 및 하부 유도 코일은 수냉 구리판에 형성된 복수의 구멍으로부터 적절한 볼트 구멍을 선택함으로써 금속판의 가장자리에 가깝게 배열된 유도 코일(9)에 연결된다. 표 1은 가장자리 영역에서의 과열 정도, 즉 (가장자리 영역의 온도) - (중심 영역의 온도)와 경사각(θ) 사이의 관계의 결과를 나타낸다.
경사각(θ) 가장자리 영역에서의 과열 정도: (가장자리 영역 온도) - (중심 영역 온도)
0도 90 ℃
5도 76 ℃
10도 25 ℃
30도 6 ℃
50도 32 ℃
60도 40 ℃
70도 80 ℃
이런 결과로부터, 실제 온도 분포 공차를 고려할 때 10 내지 60도 범위의 경사각이 바람직하다는 결론을 얻었다. 경사각(θ)이 5도 이하인 경우 금속판의 가장자리 영역에서의 과열 방지는 충분하지 않으며, 60도를 넘을 경우에는 전류 밀도가 낮아지더라도 가열 시간이 증가되기 때문에 가장자리 영역의 온도도 증가된다. 가열 대상인 금속판의 가장자리 영역과 중심 영역에서의 온도 사이의 기존 초기 온도차에 기초해서 10도와 60도 사이의 바람직한 특정 온도가 미리 결정되어야 할 것이다. 임의의 기존 초기 온도 분포와 관련하여, 세 가지 대표적인 패턴이 있을 수 있다. 즉, 편평 온도 분포(중심 영역과 가장자리 영역에서 동일 온도)를 갖는 금속판, 중심 영역의 온도에 비해 가장자리 영역에서 약간 낮은 온도 분포를 갖는 금속판 또는 중심 영역의 온도에 비해 가장자리 영역에서 약간 높은 온도 분포를 갖는 금속판이 있다.
상술한 바와 같이, 금속판의 횡방향에 대해 경사지게 유도 코일을 설정함으로써 가장자리 영역에서의 과열을 방지할 수 있는 것으로 확인되었다. 또한 본 발명의 발명자들은 과열 방지에 효과적이도록 유도 코일이 가장자리 영역에서 가져야 될 경사부의 길이를 연구했다. 구체적으로, 도8에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예의 유도 가열장치에 있어서, 과열 때문에 온도 편차가 현저해지기 쉬운 금속판(1)의 가장자리로부터 100 ㎜에 속하는 영역 내에서 금속판(1)의 가장자리로부터 내측(중심 영역쪽)으로 경사부가 어느 밀리미터(도8에서 "y"로 표현됨)만큼 연장되어야 하는가이다.
도8은 본 발명의 유도 가열장치의 일 예를 도시한 개략 평면도이다. 도8에서, 금속판 상부에 위치된 유도 코일(2a)과 금속판 하부에 위치된 다른 유도 코일(2b)은 금속판의 종방향으로 서로 이격되도록 위치된다. 또한, 유도 코일(2a, 2b)은 서로 평행하다. 투사 영상에서 볼 때 상부 및 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리 L은 횡방향으로 일정하게 유지된다. 도8의 상부 유도 코일(2a)과 하부 유도 코일(2b)은 중심 영역에서만 횡방향에 평행하며, 각각의 유도 코일이 금속판을 가로질러 횡방향에 대해 경사지게 펼쳐진 가장자리 영역에서 각각의 경사(절곡)부를 갖는다. 도면부호 7은 도전부재를 나타내고 8은 AC 전원을 나타내고 9는 금속판의 가장자리(단부)에 인접 위치된 유도 코일을 나타낸다.
도8의 유도 가열장치에 대한 연구 결과에 따르면, 유도 코일의 경사부가 금속판의 가장자리로부터 내측으로 50 ㎜ 이상 연장되는 경우 가장자리 영역에서의 과열이 효과적으로 억제될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, 10 내지 60도 범위의 경사각을 갖는 유도 코일의 경사부가 금속판의 가장자리로부터 50 ㎜ 내에 속하는 영역을 덮도록 위치되는 경우, 가장자리에서의 과열이 효과적으로 억제될 수 있다.
본 발명에서, 상부 및 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리는 횡방향으로 일정하게 유지된다. 또한, 상부 유도 코일(2a)과 하부 유도 코일(2b)은 각각 금속판의 가장자리 영역에서 횡방향으로 경사진 부분을 갖는다. 그러나, 주목해야 할 점은 본 발명의 유도 코일의 형상이 도6과 도8에 도시된 형상으로 제한되지 않는다는 점이다. 본 발명의 유도 코일은 도9에 도시된 바와 같은 앵글 형상(개다리 형상)과 도10에 도시된 바와 같은 원호 형상일 수도 있다. 도9와 도10에서, 도면부호 2a는 금속판 상부에 위치된 유도 코일을 나타내고 도면부호 2b는 금속판 하부에 위치된 유도 코일을 나타내고 도면부호 7은 도전부재를 나타내고 도면부호 8은 AC 전원을 나타내고 도면부호 9는 금속판의 가장자리(단부)에 인접 위치된 유도 코일을 나타낸다. 상부 및 하부 유도 코일은 서로 평행하지만 이들 유도 코일은 금속판의 중심선을 기준으로 좌우 양측으로 대칭일 필요는 없다.
실제 작업에서, 금속판의 폭은 변하고 그리고/또는 금속판은 뒤틀린다. 본 발명은 가열 대상인 금속판이 이동하는 동안 그 폭이 변하고 그리고/또는 뒤틀림되는 경우에도 금속판의 횡방향으로 불균일 온도 분포를 개선할 수 있도록 한다. 도6에 도시된 바와 같이, 가장자리 영역에서의 경사각은 금속판의 폭이 "Ⅰ-Ⅰ"에서 "Ⅱ-Ⅱ"로 변하거나 뒤틀림될 때, 즉 금속판의 가장자리 위치 Ⅰ가 횡방향으로 변동할 때 변하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리 및/또는 유도 코일의 폭은 변할 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 본 실시예를 설명한다.
유도 가열장치에 의한 열 발산은 전류 밀도의 제곱과 가열 시간에 비례하기 때문에, 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리 및/또는 유도 코일의 폭을 조절함으로써 열 발산량을 제어할 수 있다. 실제 작업에서 필요한 열 발산을 얻기 위해, 전자기장 분석을 통해 거리 및/또는 유도 코일의 폭을 사전에 결정할 수 있다. 그러나, 선행 공정에서의 변동으로 인해, 본 발명의 유도 가열장치 내로 공급될 금속판은 초기 온도 편차를 가질 수 있다. 따라서, 유도 코일의 거리 및/또는 폭이 소정값으로 채택되더라도 필요한 열 발산은 얻어질 수 없다. 본 발명의 유도 가열장치는 내부로 공급될 금속판의 온도 편차에 대해 거리를 조절함으로써 선행 공정에 의해 주어진 기존 온도에 무관하게 원하는 온도를 얻는 것을 수 있도록 한다.
도11은 금속판(1)의 종방향으로 연장되는 한 쌍의 기부(12)에 고정된 한 쌍의 가이드 레일(11) 상에 각각 활주 가능하게 장착되는 상부 유도 코일(2a)과 하부 유도 코일(2b)을 도시한다. 도12는 도11의 단면도이다. 공기 실린더, 유압 실린더 또는 모터 구동식 실린더와 같이 유도 코일을 이동시키기 위한 공지 수단(도11에 도시 생략이 이용될 수 있다. 비록 도11은 장착된 상부 및 하부 유도 코일 모두가 이동 가능한 것으로 도시하지만, 상부 코일이나 하부 코일 중 어느 하나가 이동 가능할 수도 있다. 세라믹 및/또는 수지와 같은 절연재는 유도 코일에 근접한 강한 자기장 내에 위치될 수 있기 때문에 기부(12) 및/또는 레일(11)을 위한 재료로 바람직하다. 일부 용도에서 금속이 사용될 때, 스테인리스강, 황동 또는 알루미늄과 같은 비자성 금속이 이용되어야 한다. 또한, 기부와 레일은 유도 전류에 의해 가열되는 것을 방지하기 위해 유도 코일에서 가능한 멀리 떨어져서 위치되고 수냉되어야 한다. 이런 점에서, 상부 및 하부 유도 코일(2a, 2b)은 수냉 케이블과 같은 가동 도전부재(13)를 거쳐 수냉 커넥터(9)에 연결된다. 도면부호 18은 구리판의 연결 단자를 나타낸다.
도11에서, 금속판 상부에 위치된 상부 유도 코일(2a)과 금속판 하부에 위치된 하부 유도 코일(2b)은 금속판의 종방향으로 서로 이격되고 서로 평행하도록 위치된다. 상부 및 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리 L은 횡방향으로 일정하게 유지된다.
상부 유도 코일(2a)과 하부 유도 코일(2b)은 단지 중심 영역에서만 횡방향에 대해 평행하고 가장자리 영역에서 경사(절곡)부를 갖는데, 경사부에서 각각의 유도 코일은 금속판을 가로질러 횡방향에 대해 경사지게 펼쳐진다. 거리가 커짐에 따라 열 발산이 커지기 때문에 유도 코일로부터의 필요한 열 발산량은 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리를 조절함으로써 얻어질 수 있다. 거리는 유도 가열장치의 상류에 위치된 온도계에 의해 측정된 금속판의 온도에 따라 변경될 수 있다.
도13은 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리를 변경 가능하게 만들기 위한 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도13에서, 상부 유도 코일은 각각 절연되고 서로 독립적인 복수의 가장자리 영역 도전체(a-a', b-b')를 포함한다. 각각의 가장자리 영역 도전체(a-a', b-b')는 중심 영역 연결 도전체(9b)에 선택 가능하게 연결된다. 선택 가능한 연결은 전자기 접촉자, 공기 실린더 또는 모터 구동식 실린더와 같은 임의의 공지 제어장치(도13에 도시 생략)를 이용하여 수행될 수 있다.
하부 유도 코일은 각각 절연되고 서로 독립적인 복수의 가장자리 영역 도전체(A-A', B-B')를 포함한다. 각각의 가장자리 영역 도전체(A-A', B-B')는 중심 영역 연결 도전체(9c)에 선택 가능하게 연결된다. 접촉 제어장치는 도13에 도시되어 있지 않다.
도13에서, 금속판(1) 상부에 위치된 상부 유도 코일과 금속판(1) 하부에 위치된 하부 유도 코일은 금속판의 종방향으로 서로 이격되도록 위치되고 서로에 대해 평행하다. 상부 및 하부 유도 코일 사이의 종방향 거리 L은 횡방향으로 일정하게 유지된다. 상부 유도 코일과 하부 유도 코일은 가장자리 영역에서 경사(절곡)부를 갖는데, 경사부에서 각각의 유도 코일은 금속판을 가로질러 횡방향에 대해 경사각(θ)으로 경사지게 펼쳐진다.
도13의 실시예에서, 유도 코일은 일반적으로 도전체(9c, B-B', 9a, b-b', 9b)들을 서로 연결함으로써 구성된다. 대량의 열 발산이 필요한 경우, 유도 코일은 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리를 증가시키도록 도전체(9c, B-B', 9a, a-a', 9b)들을 서로 연결함으로써 재구성된다.
도13의 실시예에서, 열 발산량을 제어하기 위해서는 상부 및 하부 유도 코일 사이의 거리량을 변경시키는 것과 함께 도전체의 단면적이 증감될 수 있으며 그리고/또는 상부 유도 코일이나 하부 유도 코일 중 어느 하나의 폭이 변경될 수 있다. 예컨대, 도전체(a-a', b-b') 모두는 통전 대상 도전체로서 함께 선택될 수 있다.
거리는 유도 가열장치의 상류에 위치된 온도계에 의해 측정된 금속판의 온도에 따라 변경될 수 있다. 금속판에서의 온도 편차{(가장자리 영역 온도)-(중심 영역 온도)}는 도8에 도시된 바와 같이 구성된 유도 코일을 이용하여 측정되었다. 실험 금속판으로 비자성 SUS304 스테인리스 강판(두께:0.2 ㎜, 폭: 600 ㎜, 800 ㎜)을 사용했다. 금속판을 2 m/분의 속도로 이동시켰다. 25 ㎑의 AC 전원(도시 생략)과 100 ㎑의 정전용량을 갖는 캐패시터를 사용했다. 캐패시터의 정전용량은 사용 대상인 유도 코일과 일치하도록 조절되었다. 유도 코일로서 구리판(두께:5 ㎜, 폭: 100 ㎜)으로 구성된 (가열 대상인 금속판을 에워싸도록) 1회전된 수냉 구리판과 납땜에 의해 금속판에 대향된 측면(외측) 상에서 구리판에 부착된 수냉 구리관(외경: 10 ㎜, 내경: 8 ㎜)을 사용했다. 본 예에서, "유도 코일"은 구리판 및 수냉 구리관 모두를 포함하는데, 이는 전류가 구리관을 통해서도 진행하기 때문이다. 가열 대상인 금속판과 유도 코일 사이의 간극은 50 ㎜였다. 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 사이의 거리 L은 200 ㎜였다. 유도 코일과 금속판의 횡방향 사이의 경사각은 30도였다. 유도 코일의 중심 영역은 길이가 200 ㎜였고 금속판의 횡방향에 평행했다. 가장자리 영역에서 금속판 온도는 적외선 온도계를 이용하여 금속판의 가장자리에서 50 ㎜ 떨어진 위치에서 측정되었다. 표 2는 폭이 600 ㎜인 금속판과 폭이 800 ㎜인 금속판 모두에 대한 온도 편차를 보여준다.
800 ㎜ 폭 금속판의 온도 편차 600 ㎜ 폭 금속판의 온도 편차
6 ℃ 6 ℃
결과는 금속판의 가장자리 영역에서의 과열이 충분히 억제되고 금속판의 폭이 변할 때 온도 편차가 변하지 않고 남아 있음을 보여준다.
본 발명은 금속판의 온도가 퀴리점보다 높고 금속판이 얇고 그리고/또는 금속판이 알루미늄이나 구리와 같이 비저항이 낮은 비자성 비철 금속으로 제조되는 경우에도 금속판을 높은 효율로 가열할 수 있다. 또한, 본 발명은 금속판의 횡방향으로 불균일 온도 분포를 개선함으로써 특히 금속판의 가장자리 영역에서의 과열을 방지할 수 있다. 본 발명은 금속판의 폭 변화에 대응하기 위해 복수의 유도 코일을 제작하지 않고도 가열 대상인 금속판의 폭이 변할 경우에도 원하는 온도 분포를 용이하게 구현할 수 있도록 한다. 또한 본 발명은 금속판의 뒤틀림으로 인한 불균일 온도 분포를 개선할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 많은 방식으로 개조될 수 있다. 이런 개조가 본 발명의 정신과 범위에서 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되며 기술분양의 당업자에게 자명한 이런 모든 변경은 다음의 청구범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 이동하는 금속판을 가열하기 위한 유도 가열장치이며,
    금속판 상부에 위치되는 상부 유도 코일 및 금속판 하부에 위치되는 하부 유도 코일을 포함하되 상기 상부 및 하부 유도 코일은 금속판의 횡방향을 가로질러 금속판의 종방향으로 일정 거리만큼 서로 이격되어 있는 금속판을 에워싸기 위한 유도 코일을 포함하며,
    상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 각각은 금속판의 횡방향에 대해 경사각을 형성하도록 금속판의 가장자리 영역에 경사지게 배열되는 유도 가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리는 상부 및 하부 유도 코일의 광폭측의 폭의 0.2 내지 6배인 유도 가열장치.
  3. 제2항에 있어서, 경사각은 10도 내지 60도 범위인 유도 가열장치.
  4. 제3항에 있어서, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리는 조절 가능한 유도 가열장치.
  5. 제4항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은 금속판의 종방향으로 이동 가능한 유도 가열장치.
  6. 제4항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리가 교류에 의해 통전될 도전체로서 복수의 도전체 중에서 특정 도전체를 선택함으로써 조절될 수 있도록 복수의 도전체로 구성되는 유도 가열장치.
  7. 제5항에 있어서, 종방향으로 금속판을 따라 연장되는 가이드 레일을 추가로 포함하며 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은 가이드 레일 상에서 이동 가능하게 장착되는 유도 가열장치.
  8. 제3항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상의 폭은 변경 가능한 유도 가열장치.
  9. 제8항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은 복수의 도전체로 구성되며 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상의 폭은 교류에 의해 통전될 도전체로서 복수의 도전체 중에서 하나 이상의 특정 도전체를 선택함으로써 변경될 수 있는 유도 가열장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유도 코일은 상기 상부 및 하부 유도 코일 사이를 연결하는 가장자리 유도 코일을 추가로 포함하며 상기 가장자리 유도 코일은 금속판 의 가장자리에 위치되는 유도 가열장치.
  11. 이동하는 금속판을 가열하기 위한 유도 가열장치이며,
    AC 전원과,
    금속판 상부에 위치되어 그 일단부가 AC 전원에 연결되는 상부 유도 코일과,
    금속판 하부에 위치되어 그 일단부가 AC 전원에 연결되고 금속판의 횡방향을 가로질러 금속판의 종방향으로 상기 상부 유도 코일로부터 일정 거리만큼 이격된 하부 유도 코일을 포함하며,
    상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 각각은 금속판의 가장자리 영역에 하나 이상의 경사부를 포함하고 상기 하나 이상의 경사부는 금속판의 횡방향에 대해 경사각을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도 가열장치.
  12. 제11항에 있어서, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리는 상부 및 하부 유도 코일의 광폭측의 폭의 0.2 내지 6배인 유도 가열장치.
  13. 제12항에 있어서, 경사각은 10도 내지 60도 범위인 유도 가열장치.
  14. 제13항에 있어서, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리는 조절 가능한 유도 가열장치.
  15. 제14항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은 금속판의 종방향으로 이동 가능한 유도 가열장치.
  16. 제14항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은, 상부 유도 코일과 하부 유도 코일 사이의 거리가 AC 전원의 교류에 의해 통전될 도전체로서 복수의 도전체 중에서 특정 도전체를 선택함으로써 조절될 수 있도록 복수의 도전체로 구성되는 유도 가열장치.
  17. 제15항에 있어서, 종방향으로 금속판을 따라 연장되는 가이드 레일을 추가로 포함하며 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은 가이드 레일 상에서 이동 가능하게 장착되는 유도 가열장치.
  18. 제13항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상의 폭은 변경 가능한 유도 가열장치.
  19. 제18항에 있어서, 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상은 복수의 도전체로 구성되며 상부 유도 코일 및 하부 유도 코일 중 하나 이상의 폭은 AC 전원의 교류에 의해 통전될 도전체로서 복수의 도전체 중에서 하나 이상의 특정 도전체를 선택함으로써 변경될 수 있는 유도 가열장치.
  20. 제11항에 있어서, 상기 유도 코일은 AC 전원에 대향하는 유도 코일의 상부 및 하부의 단부에서 유도 코일의 상기 상부와 하부 사이를 연결하는 가장자리부를 추가로 포함하며 상기 가장자리부는 금속판의 가장자리에 위치되는 유도 가열장치.
KR1020077020943A 2005-02-18 2006-02-09 금속판용 유도 가열장치 KR100899252B1 (ko)

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