KR20130076157A - 가열 장치, 압연 라인 및 가열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코일 형태가 간단하면서도 금속판의 에지부의 과열과 폭방향 균일 가열이 가능한 가열 장치를 제공하도록, 금속판을 가열하는 자기장을 발생시키도록 금속판의 일면에 이격하여 설치되며, 상기 금속판에 평행하게 제공되며, 금속판의 폭방향으로 연장되는 한 쌍의 가로부 및 금속판의 진행 방향으로 연장되는 한 쌍의 세로부를 구비하는 권선 코일을 포함하는 제 1 가열부 및 금속판의 타면에 이격하며, 상기 금속판에 평행하게 제공되며, 금속판의 폭방향으로 연장되는 한 쌍의 가로부 및 금속판의 진행 방향으로 연장되는 한 쌍의 세로부를 구비하는 권선 코일을 포함하는 제 2 가열부를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 가열부는 상기 권선 코일의 한 쌍의 가로부를 따라 연장되는 자기 철심을 포함하며, 상기 자기 철심은 상기 가로부의 내측면을 따라서 연장되는 제 1 부재를 구비하며, 상기 권선 코일에서 가로부의 외측면은 개방되는 가열 장치를 제공한다.

Description

가열 장치 및 가열 방법{Heater, Transverse Flux Induction Heater and Heating Method}

본 발명은 가열 장치와 가열 방법에 대한 것으로, 연속적으로 공급되는 금속판을 가열하는 가열 장치로서 에지부의 과열이 가능하면서도 에지부를 제외한 부분에서는 균일한 가열이 가능한 가열 장치와 가열 방법에 관한 것이다.

횡방향 플럭스 유도 코일(Transverse Flux Induction Coil, 'TFIC' 라 함)는 솔레노이드 가열 코일(Longitudinal Flux Induction Coil, 'LFIC'라 함)로부터 개발된 유도 가열 기술 중의 하나이다.

도 1에서는 LFIC와 TFIC에 의해 금속판이 가열되는 원리를 도시하고 있다.

즉, 도 1(a)에서 도시한 바와 같이, LFIC에 의해 발생하는 자기장은 금속판에 횡방향으로 작용하므로 금속판의 수직 단면에 와전류(Eddy current)를 발생시킨다. 상기의 와전류에 의한 금속판의 효율적인 가열을 위해서는 금속판의 두께가 자기장 침투 깊이(δ = √(1/πfμσ))의 3배 이상이어야 하는데, 이는 도 1(b)에서 보이듯이 금속판의 상부와 하부에 반대로 흐르는 와전류가 서로 충돌하여 상쇄(A)되는 것을 방지하기 위한 것이다.

따라서, LFIC에 의한 효율적인 유도 가열을 위해서는 금속판의 두께가 얇아질수록 침투 깊이도 낮아져야 하며, 이를 위해 재료의 높은 투자율(μ)과 장치의 높은 운전주파수(f)가 필요하다.

하지만, 투자율은 금속의 고유 물성치로서 제어가 불가능하고 높은 운전주파수는 대용량 전력 설비의 구현에 있어 제한이 있기 때문에 LFIC에 의한 비자성 금속 박판의 유도 가열에는 한계가 있다.

도 2 에서는 TFIC의 기술이 도시되어 있다. TFIC는 횡방향으로 이동하는 금속판에 수직으로 자기장을 발생시켜 넓은 횡방향 단면에 와전류를 유도시키기 때문에 와전류의 상쇄를 방지할 수 있고, 또한 금속판의 두께가 얇을수록 도 2(b)에 도시한 바와 같이 금속판 상부 및 하부를 흐르는 같은 방향의 와전류가 서로 중첩(B)되어 전류 밀도를 상승시키므로 가열 효과(P=I^2*R)를 더욱 높일 수 있다.

이에 따라서, 비자성 금속 박판의 유도 가열에서는 TFIC에 의해 가열 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.

초기의 TFIC는 도 3 에서 도시한 바와 같이, 단순한 직사각형 권선 형태를 취하였으나, 강판에 전달되는 에너지가 폭 방향으로 불균일 특히, 에지부(20) 안쪽은 중심대비 약 20% 감소한 에너지가 전달되어 불충분 가열 구간이 발생되었다(도 3b 의 C 참고). 이를 극복하기 위해 TFIC의 양쪽 끝부분을 원형으로 헤드부를 가지게 하고, 특히 헤드부(10)의 단면 크기를 감소시키거나, 또는 바깥쪽으로 크게 원형을 만들어 불충분 가열 부분의 전류 밀도 상승, 또는 전류 패스를 연장시켜 에지부 안쪽의 불충분 가열을 보상, 폭방향 균일 가열을 가능하게 하였다.

하지만, 상기의 TFIC의 경우 코일의 위치, 특히 TFIC 헤드부(10)의 끝과 금속판의 에지와의 거리에 따라 가열 패턴이 크게 변하였기 때문에 TFIC 헤드부(10)의 위치를 정확하게 제어해야만 하였다. 다시 말해, 금속판의 폭 변화나 사행에 따른 폭방향 균일 가열을 위해서는 금속판에 대한 TFIC의 최적 위치가 존재하였으며, 이를 위해 TFIC의 이동이 불가피하다는 것이다.

결국, 상기 코일의 위치 제어를 위해서, 도 4와 같이 상하 한 쌍의 가열 코일을 두 쌍으로 나눈 U자형 TFIC가 개발되었다.

두 쌍의 TFIC를 이용하는 유도 가열 시스템은 두 개의 전원장치와 매칭 구성(콘덴서, 트랜스포머등)이 필요하고, 금속판의 폭 변화와 사행에 따라 코일 위치 제어가 필수이기 때문에 기구부가 반드시 필요하다. 또한, 가열 코일의 단면이나 형태가 헤드부에서 변하기 때문에 용접에 의한 코일 제작이 불가피하며, 이는 용접부에서의 과열에 의한 천공이나, 이에 따른 코일 냉각수의 누수가 발생할 수 있다. 즉, 코일의 제작이 난해하고, 시스템이 복잡하며, 초기 투자비가 높다는 단점이 있다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 코일 형태가 간단하면서도 금속판의 에지부의 과열과 폭방향 균일 가열이 가능한 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 구성이 간단하며, 코일 위치 제어 기구가 필요 없으면서도 에지부의 과열과 폭방향 균일 가열이 가능한 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 사행이 발생하더라도 에지부의 과열과 폭방향 균일 가열이 가능한 가열 장치 및 가열 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 가열 장치 및 가열 방법을 제공한다.

본 발명은 금속판을 가열하는 자기장을 발생시키도록 금속판의 일면에 이격하여 설치되며, 상기 금속판에 평행하게 제공되며, 금속판의 폭방향으로 연장되는 한 쌍의 가로부 및 금속판의 진행 방향으로 연장되는 한 쌍의 세로부를 구비하는 권선 코일을 포함하는 제 1 가열부 및 금속판의 타면에 이격하며, 상기 금속판에 평행하게 제공되며, 금속판의 폭방향으로 연장되는 한 쌍의 가로부 및 금속판의 진행 방향으로 연장되는 한 쌍의 세로부를 구비하는 권선 코일을 포함하는 제 2 가열부를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 가열부는 상기 권선 코일의 한 쌍의 가로부를 따라 연장되는 자기 철심을 포함하며, 상기 자기 철심은 상기 가로부의 내측면을 따라서 연장되는 제 1 부재를 구비하며, 상기 권선 코일에서 가로부의 외측면은 개방되는 가열 장치를 제공한다.

본 발명에서 상기 권선 코일은 금속판의 폭방향으로 긴 길이를 가지는 장방형 형상으로 권취되며, 상기 자기 철심은 금속판 진행방향 전방의 전방 자기 철심과, 금속판 진행 방향 후방의 후방 자기 철심을 포함할 수 있다.

이때, 상기 자기 철심은 상기 권선 코일의 금속판 반대면에 위치하는 제 2 부재를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 자기 철심의 제 2 부재는 상기 제 1 부재보다 금속판 폭방향으로 길이가 길도록 연장부를 포함할 수 있으며, 상기 연장부는 상기 권선 코일의 금속판 폭방향 단부까지 연장될 수 있다.

또, 상기 권선 코일 및 상기 자기 철심을 내부에 포함하며, 상기 권선 코일에 의한 자기장의 누출을 막도록 제공된 자기장 차폐 박스를 더 포함할 수 있다.

한편, 철손을 최소화하도록 상기 자기 철심은 상대 투자율이 1000 이상인 파우더형 고투자율 재료를 압축 소결한 것 혹은 상대 투자율이 1000 이상인 전기 강판을 길이 방향으로 적층한 것일 수 있다.

또한, 상기 자기 철심과 상기 권선 코일 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 자기 철심 외측에는 방열판이 배치될 수 있으며, 상기 방열판은 상기 자기 철심에 대응되는 형상을 가지며 외측에 수냉식 코일이 배치되는 수냉식 방열판일 수 있다.

또, 상기 권선 코일 및 상기 자기 철심을 내부에 포함하며, 상기 권선 코일에 의한 자기장의 누출을 막도록 제공된 자기장 차폐 박스를 더 포함하며, 상기 권선 코일, 절연판, 자기 철심, 및 방열판은 상기 자기장 차폐 박스 내부의 베이스 판에 결합수단을 통하여 고정될 수 있다.

이때, 상기 자기 철심은 상대 투자율이 1000 이상인 파우더형 고투자율 재료를 압축 소결한 것으로, 상기 고투자율 재료의 직경은 자기장 침투 깊이 이하인 것일 수 있다.

다르게, 상기 자기 철심은 상대 투자율이 1000 이상인 전기 강판을 길이 방향으로 적층한 것이며, 상기 전기 강판의 두께는 자기장 침투 깊이 이하일 수 있다.

이때, 상기 자기 철심은 상기 전기 강판을 접착층으로 적층시키며, 상기 금속판의 폭방향 균일 가열 패턴을 구현하도록 상기 자기 철심에서 전체 부피 대비 상기 전기 강판의 부피 비율이 95% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 권취 코일 내측 장변의 길이는 금속판의 폭방향 길이의 80% 초과 120% 미만일 수 있다.

또한, 상기 자기장 차폐 박스는 자기장 침투 깊이를 초과하여 구성되며, 상기 자기장 차폐 박스의 유도 전류 손실을 줄이기 위하여 상기 권취 코일과 상기 금속판과의 거리보다 상기 권취 코일과 상기 자기장 차폐 박스의 내면의 거리가 더 먼 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상술한 가열 장치; 상기 가열 장치의 후단에 배치되는 압연기;를 포함하는 압연 라인을 제공한다.

본 발명은 금속판의 양면으로 배치되는 가열 장치로 연속적으로 공급되는 금속판을 가열하는 가열 방법으로, 상기 가열 장치로 금속판을 공급하는 공급단계; 및 상기 가열 장치의 권선 코일로 금속판에 수직인 자기장을 발생시켜 공급되는 금속판을 가열하는 가열단계;를 포함하며, 상기 가열단계는 상기 권선 코일에서 발생하는 자기장의 세기를 자기 철심을 통하여 조절하여 상기 금속판의 에지부를 중앙부보다 과열시키며, 금속판의 중앙부는 폭방향 온도 분포가 균일하도록 가열시키는 가열 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 가열 단계에서 가열된 금속판이 압연 공정으로 공급되도록 상기 가열 단계는 압연 공전 이전에 수행될 수 있으며, 이는 압연 공정에서 에지부는 냉각이 많이 발생하기 때문에 압연 공정 이전에 에지부를 과열하는 것이 바람직하며, 에지부를 제외한 중앙부의 경우에는 균일한 온도를 가지는 것이 압연 후 제품 특성이 균일하기 때문이다.

본 발명은 위와 같은 구성을 통하여 코일 형태가 간단하면서도 금속판의 에지부의 과열과 폭방향 균일 가열이 가능한 가열 장치를 제공할 수 있다

또한, 본 발명은 구성이 간단하며, 코일 위치 제어 기구가 필요 없으면서도 에지부의 과열과 폭방향 균일 가열이 가능하며, 사행이 발생하더라도 동일한 성능을 제공하는 것이 가능한 가열 장치 및 가열 방법을 제공할 수 있다.

도 1 은 종래의 LFIC를 도시한 도면이다.
도 2 는 종래의 TFIC를 도시한 도면이다.
도 3 은 종래의 TFIC의 일예를 도시한 도면으로, 도 3a 는 코일과 금속판의 평면도이며, 도 3b 는 도 3a 의 TFIC로 가열한 금속판의 전력분포 그래프이다.
도 4 는 종래의 TFIC의 다른 예를 도시한 도면으로, 도 4a 는 코일과 금속판의 평면도이며, 도 4b 는 도 4a의 TFIC로 가열한 금속판의 전력분포 그래프이다.
도 5a 는 도 3 의 TFIC로 가열하였을 때, 와전류 밀도 분포도를 보이는 도면이며, 도 5b는 도 5a 의 금속판에 유도되는 와전류 패스(Eddy current path)을 보이는 도면이다.
도 6 는 본 발명에 따른 횡방향 플럭스 유도 가열기의 사시도이다.
도 7 은 본 발명에 따른 횡방향 플럭스 유도 가열기의 가열부에서 권선 코일의 사시도 및 평면도이다.
도 8 은 본 발명에 따른 횡방향 플럭스 유도 가열기의 가열부에서 자기 철심의 사시도(도 8 a), 측면도(도 8b), 정면도(도 8c) 및 평면도(도 8d)이다.
도 9 은 본 발명에 따른 가열부의 도면으로 도 9a 는 가열부의 조립도이며, 도 9b 는 가열부의 조립 단면도이다.
도 10 은 비교예와 제 1 실시예의 자기 철심의 위치를 보이는 도면이다.
도 11 은 도 10 의 자기 철심 위치에 따른 전력분포의 그래프이다.
도 12 는 제 1 내지 제 3 실시예의 자기 철심의 위치를 보이는 도면이다.
도 13 는 도 12 의 자기 철심 위치에 따른 전력분포의 그래프이다.
도 14 은 도 12 의 제 3 실시예와 종래기술의 전력분포를 대비한 그래프이다.
도 15a 는 본 발명의 가열 장치의 평면도이다.
도 15b 는 본 발명의 가열 장치의 자기 철심의 길이 변화에 따른 전력분포 그래프이다.
도 16 은 본 발명의 가열 장치의 단면도이다.
도 17 는 금속판의 사행에 따른 전력분포의 그래프이다.
도 18 은 본 발명의 횡방향 플럭스 유도 가열기에 의한 금속판의 전력분포 그래프이다.
도 19 는 본 발명의 가열장치가 압연 라인에 배치된 개략도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

도 5a 에는 도 3 의 TFIC로 가열하였을 때, 와전류 밀도 분포도를 보이는 도면이 도시되어 있으며, 도 5b 에는 도 5a 의 금속판에 유도되는 와전류 패스(Eddy current path)을 보이는 도면이 도시되어 있다. 도 5 에서 보이듯이, 도 3 의 TFIC를 사용할 경우, 에지부(E)에 와전류가 집중되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 에지부(E)에서의 자기장 왜곡 및 집중으로 인해 와전류 밀도가 높아지는 단부 효과(End effect) 때문이다.

상기 단부 효과는 가열 코일 내 에지부(E)뿐만 아니라, 가열 코일 밖 에지부(E')에서도 발생하기 때문에, 와전류 루프(Loop)는 도 5b와 같이 중간의 주된 전류 패스 외에도 바깥쪽으로 회전하는 루프를 형성하게 된다. 결국, 에지부 안쪽에서 전류가 두 갈래로 분할되는 지점이 생기게 되며, 이 지점에서의 전류 밀도가 낮아지기 때문에 불충분 가열 구간이 발생하게 된다.

상기 근본 원인으로부터 발생하는 불충분 가열 구간을 제거하기 위해 바깥쪽 에지부(E')와의 전자기적 결합을 차단하고 가열 코일 내 에지부(E)로 전류를 집중시켜야 하며, 이를 통해 전류 패스가 바깥쪽으로 분할되는 것을 막아야 한다.

이에 본 발명의 발명자는 가열 코일 내 에지부(E)로 전류를 집중시키기 위하여 자기 철심을 도입하여 분할되는 전류 패스를 가열 코일 안쪽으로 집중시켰다.

도 6 에는 본 발명에 따른 횡방향 플럭스 유도 가열기(1)의 사시도가 도시되어 있다. 도 6 에서 보이듯이, 본 발명의 횡방향 플럭스 유도 가열기(1; Transverse Flux Induction Heater)는 금속판(P)의 상면에 배치되는 상부 가열부(100)와 금속판(P)의 하면에 배치되는 하부 가열부(200)를 포함한다.

상부 가열부(100)는 권선 코일에 의해여 발생하는 자기장의 외부 누출을 방지하는 자기장 차폐박스(101), 그 내부에 배치되며 금속판의 수평면에 수직인 자기장을 발생시키는 권선 코일(110) 및 상기 권선 코일(110)의 내면 및 상면의 일부를 커버하며 상기 권선 코일(110)에서 발생하는 자기장의 위치별 자속 밀도를 제어하는 자기 철심(120, 130)을 포함하여 구성된다.

즉, 금속판(P)의 폭방향의 권선 코일(110)을 한 쌍의 가로부로, 금속(P)판의 진행방향의 권선 코일(110)을 한 쌍의 세로부로 볼 때, 자기 철심(120, 130)은 가로부의 상면 및 내면에 위치한다.

마찬가지로, 하부 가열부(200)는 자기장 차폐박스(201), 그 내부에 배치되는 권선 코일(210) 및 상기 권선 코일(210)의 내면 및 하면의 일부를 커버하는 자기 철심(220, 230)을 포함하여 구성된다.

도 7 에는 본 발명에 따른 횡방향 플럭스 유도 가열기(1)의 상부 가열부(100)에서 권선 코일(110)의 사시도 및 평면도가 도시되어 있다.

권선 코일(110)은 열전도율과 도전율이 우수한 구리를 사용한 것으로, 횡방향으로 이동하는 금속판의 두께 방향으로 소정거리 이격되어 배치된다. 권선 코일(110)은 설계에 따라서 달라질 수 있지만 본 실시예에서는 직사각형 단면을 가지는 코일이 금속판의 폭방향으로 긴 길이를 가지는 직사각형 형상으로 외측 권선부(111), 중앙 권선부(112), 내측 권선부(113) 3번 감기는 형태를 가진다.

즉, 권선 코일(110)의 긴 길이(a)가 금속판의 폭방향, 즉 가로부이며, 짧은 길이(b)는 금속판의 진행방향, 즉 세로부이다 권선 코일(110)의 외측 권선부(111)와 내측 권선부(113)에는 전력 공급부와 연결되는 연결부(114, 115)가 구비된다.

금속판(P)과 권선 코일(110) 사이의 간격은 금속판(P)의 수직 변형에도 권선 코일(110)가 충돌을 피할 수 있을 정도이지만, 권선 코일(110)과 금속판(P)의 전자기적 결합(Electromagnetic coupling)이 강하도록 가능한 좁은 것이 바람직하다. 예를 들어 두께 20㎜의 금속판을 가열하는 경우에 상측 권선 코일(110)과 하측 권선 코일(210)의 간격은 대략 80㎜정도로 하여 충돌 및 전자기적 결합효과를 확보하는 것이 바람직하나, 이는 설계에 따라서 변경될 수 있다.

도 8a 에는 본 발명에 따른 횡방향 플럭스 유도 가열기(1)의 상부 가열부(100)에서 자기 철심(120, 130)의 사시도가 도시되어 있으며, 도 8b 에는 자기 철심(120)의 측면도가, 도 8c 에는 자기 철심(120)의 정면도가, 도 8d 에는 자기 철심(120)의 평면도가 도시되어 있다.

도 8a 에 도시되어 있듯이, 본 발명에서 자기 철심(120, 130)은 금속판(P)의 진행 방향을 따라서 전방 자기 철심(130)과 후방 자기 철심(120)으로 구성되며, 전방 및 후방 자기 철심(120, 130)은 동일한 형상을 가지되, 연결부(115)에 의해서 수직부(121)의 길이가 일부 달라질 수는 있다. 전방 자기 철심(130)과 후방 자기 철심(120)은 권선 코일(110)의 내면에서 수직부(121)를 맞대고 이격되어 배치되나, 자기 철심(120, 130)의 두께와 권선 코일(110)의 짧은 길이(b; 도 7 참고)가 변화함에 따라서 단일의 자기 철심(120, 130)으로 구성될 수도 있다.

도 8b 에 도시되어 있듯이, 후방 자기 철심(120)은 권선 코일(110)의 내면을 커버하는 수직부(제 1 부재; 121)와 상면을 커버하는 수평부(제 2 부재; 122)를 포함하여 측면도에서와 같이 대략 'ㄱ' 자 형상을 가진다. 상기 수평부(122)는 상기 수직부(121)에 대응되는 중앙부(122b)와 그 양측으로 권선 코일(110)의 단부까지 연장되는 연장부(122a, 122c)를 포함한다. 수직부(121)의 경우 권선 코일(110)의 내측면을 커버하기 때문에 연장부(122a, 122c)에 대응되는 위치에는 구비될 수 없으며, 본 발명에서는 권선 코일(110)의 가로부의 외측면은 자기 철심(120, 130)이 배치되지 않아서, 권선 코일(110)은 가로부의 외측면이 개방된다.

한편, 도 8d 의 자기 철심(120)의 단면 확대도에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에서 자기 철심(120)은 상대 투자율이 1000 이상인 고투자율의 전기 강판(123)이 길이 방향, 즉 금속판의 폭방향으로 적층되어 구성될 수 있다. 이때 전기 강판(123) 사이에는 접착층(124)이 배치될 수 있다. 이때 전기 강판(123)의 두께는 권선 코일(110)에 의해서 유도되는 자기장의 침투 깊이 이하인 것이 자기 철손을 감소시킬 수 있으므로 바람직하다. 예를 들어 운전 주파수 1000Hz 에서 자기 철심(120, 130)의 침투 깊이는 대략 0.37㎜이므로, 전기 강판(123)의 두께는 이보다 작은 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 자기 철심은 상대 투자율 1000 이상 혹은 고투자율 재료를 압축 소결하여 구현될 수 있으며, 이와 같은 고투자율 재료를 압축 소결하는 경우에, 재료의 직경은 자기장 침투 깊이 이하인 것이 자기 철손을 감소시킬 수 있으므로 바람직하다. 예를 들어 운전 주파수 1000Hz 에서 침투 깊이는 대략 0.37㎜이므로, 고투자율 재료의 직경은 이보다 작은 것이 바람직하다.

특히, 전기 강판(123)을 접착층(124)을 통하여 적층하는 경우에, 자기 철심(120)에서 전기 강판(123)이 차지하는 부피가 95% 이상이 되도록 적층할 수 있다. 이는 접착층(124)이 5%를 초과하는 경우에 자기 철심(120)의 성능이 떨어져, 금속판(P)의 폭방향 패턴이 변경될 수 있기 때문이다.

도 9 에는 자기장 차폐박스(101)의 내부에서 자기 철심(120, 130) 및 권선 코일(110)이 고정되는 모습이 도시되어 있으며, 도 9a 에는 사시도가, 도 9b 에는 단면도가 도시되어 있다.

도 9 에 보이듯이, 자기장 차폐박스(101)에 연결되는 베이스(190)에 자기 철심(120, 130) 및 권선 코일(110)이 장착된다. 구체적으로, 권선 코일(110)과 자기 철심(120, 130) 사이에는 절연판(140)이 구비되어 권선 코일(110) 및 자기 철심(120, 130)을 절연시키면서 동시에 자기 철심(120, 130)을 냉각시킨다. 자기 철심(120, 130)의 위에는 방열판(150)이 자기 철심(120, 130)을 감싸며 배치된다. 절연판(140)과 방열판(150)은 열전도율이 높은 재료로 제공된다.

상기 방열판(150)에는 수냉식 코일(180)이 배치되어, 권선 코일(110)에 의해 발생되는 자기장으로 인한 자기 철심(120, 130)의 열을 외부로 빼내게 된다.

방열판(150)과 베이스(190) 사이에는 수냉식 코일(180)을 배치하는 공간을 확보하며, 베이스(190)와 방열판(150)이 소정 거리 이격되도록 소정 두께를 가지는 부쉬(160)가 삽입된다. 이 부쉬(160)는 자기 철심(120, 130), 절연판(140), 방열판(150)을 관통하며, 권선 코일(110)에 연결된다.

이 부쉬(160)와 베이스(190)가 접촉되며, 상기 베이스(190)를 관통하는 결합 수단으로서의 볼트(170)가 상기 부쉬(160)에 체결되어, 권선 코일(110), 절연판(140), 방열판(150), 자기 철심(120, 130)이 베이스(190)에 고정된다.

이렇게 베이스(190)에 고정된 권선 코일(110), 절연판(140), 방열판(150), 자기 철심(120, 130)은 베이스(190)가 자기장 차폐박스(101)에 연결됨으로써, 자기장 차폐박스(101) 내부에서 위치 고정될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예 중 하나의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이후로는 본 발명에서는 다른 자기 철심 형상에 대하여 설명하도록 한다.

도 10 에는 본 발명의 제 1 실시예와 비교예가 도시되어 있으며, 도 11 에는 수치해석을 통하여 얻어진 제 1 실시예와 비교예의 금속판 중심으로부터의 거리에 따른 전력분포의 그래프가 도시되어 있다.

도 10 에서 보이듯이 본 발명의 제 1 실시예(Ⅲ)는 자기 철심(120)이 권선 코일(110)의 내면에 위치하는 수직부(121)만으로 구현되는 반면에, 비교예(Ⅰ)의 경우에는 자기 철심(120)이 권선 코일(110)의 외측면에 위치하여 권선 코일(110)의 외측면을 커버하는 수직부(125)만으로 구현되며, 다른 비교예(Ⅱ)의 경우 자기 철심(120)이 권선 코일(110)의 상면을 커버하는 수평부(122)만으로 구현된다.

그외에, 권선 코일(110)의 권선수, 폴 피치, 간격 등은 모두 동일하며, 수치해석을 통하여 폭 방향의 각 지점에서 강판의 진행 방향과 두께 방향의 줄열(Joule heat)을 모두 적분한 값을 나타낸 것으로 즉, 강판이 TFIC를 통과한 후 얻어지는 최종 가열 패턴이 도 11 에 도시되어 있다.

도 11 에서 보이듯이, 비교예(Ⅰ)의 경우에는 금속판(P)의 에지부 안쪽에서 자기 철심(120)이 없는 종래의 도 3b 와 동등한 수준으로 온도가 떨어지므로, 불충분하게 가열되는 부분을 전혀 보상시키지 못한 것을 확인할 수 있었으며, 비교예(Ⅱ)의 경우에, 불충분하게 가열되는 부분을 일부 보상하기는 하였지만, 그 효과가 미미하다는 것을 확인할 수 있다. 그에 반하여 제 1 실시예(Ⅲ)의 경우에, 불충분 가열 구간을 보상하였다.

이는 자기 철심(120)을 권선 코일(110)의 안쪽에 배치시킴으로써, 코일 내 자기장을 집중시키고 이로 인해 상하 권선 코일(110, 210) 사이의 주된 와전류 패스를 강화시키며, 상대적으로 바깥쪽 에지부(도 5의 E')와 결합되는 자기장을 약화시켜 전류 패스가 바깥쪽으로 분할되는 것을 막기 때문이다. 따라서, 자기 철심(120)을 권선 코일(110) 안쪽에 배치되는 것으로 폭방향 균일 가열이 가능함을 확인할 수 있었다.

도 12 및 도 13 에는 본 발명의 자기 철심(120)을 내측면을 커버하는 수직면(121)을 포함한 상태에서 2면 이상을 커버하도록 변경하였으며, 그에 따른 추가의 실시예 및 그의 금속판 중심으로부터의 거리에 따른 전력분포의 그래프가 도시되어 있다.

도 12의 상단의 제 1 실시예(Ⅲ)는 도 10 과 동일하게 권선 코일(110)의 내측면만을 자기 철심(120)의 수직부(121)가 커버한다.

중단의 제 2 실시예(Ⅳ)의 자기 철심(120)은 내측면을 커버하는 수직부(121)와 그에 대응되는 폭으로 상면을 커버하는 수평부(122)를 포함하여, 대략 'ㄱ'자 형상을 가지며, 권선 코일(110)의 외측면 및 금속판을 향한 면이 개방된다.

하단의 제 3 실시예(Ⅴ)의 자기 철심(120)은 제 2 실시예(Ⅳ)와 같이 내측면을 커버하는 수직부(121)와 그에 대응되는 폭으로 상면을 커버하는 수평부(122)를 포함하되 수평부(122)는 권선 코일(110)의 폭방향 단부까지 연장하는 형상을 가지며, 이에 대하여는 도 8 에서 상세히 설명한 바 있다. 제 3 실시예(Ⅴ) 역시 제 2 실시예(Ⅳ) 와 동일하게 권선 코일(110)의 외측면 및 금속판을 향한 면은 개방된다.

도 12 의 제 1 내지 제 3 실시예(Ⅲ~Ⅴ)의 가열 패턴을 도시한 전력분포 그래프인 도 13 에서 보이듯이, 제 1 내지 제 3 실시예(Ⅲ~Ⅴ) 모두 금속판의 에지부 인접한 불충분 가열 구간이 보상된 것을 확인할 수 있다.

구체적으로, 제 2 실시예(Ⅳ)의 경우 제 1 실시예(Ⅲ) 보다 개선된 가열 패턴을 보인다. 나아가, 제 3 실시예(Ⅴ)의 경우 제 2 실시예(Ⅳ)보다 개선된 가열 패턴을 보인다.

특히, 제 3 실시예(Ⅴ)의 경우 불충분 가열 구간, 즉, 정규화 전력분포에서 1.0 이하인 부분이 없을 뿐만 아니라, 에지부에서는 과열이 발생되고 있으므로, 가열부(100)에 이어지는 압연에서 과냉되는 부분, 즉 에지부를 과열시키는 것이 가능하면서도 불충분 가열 구간이 없어질 수 있다.

도 14 에는 상기 제 3 실시예(Ⅵ)와 도 4와 같이 상하 한 쌍의 가열 코일을 두 쌍으로 나눈 U자형 TFIC의 폭방향 가열 패턴을 보이는 전력 분포 그래프가 도시되어 있다.

도 14 에서 보이듯이, 불충분 가열 구간을 제거하는 기술로 제안된 도 4 의 경우에도 폭방향 가열 패턴이 출렁이나, 본 발명의 제 3 실시예(Ⅴ)는 안정적으로 가열 패턴을 가지는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4 와 같이 두 쌍의 TFIC를 이용하는 유도 가열 시스템은 두 개의 전원장치와 매칭 구성(콘덴서, 트랜스포머등)이 필요하고, 금속판의 폭 변화와 사행에 따라 코일 위치 제어가 필수이기 때문에 기구부가 반드시 필요하나, 본 발명의 실시예의 경우에는 사행에도 민감하지 않다. 이는 후술하는 도 16 내지 도 17 을 가지고 뒤에서 상세히 설명하도록 한다.

또한, 도 4 에서는 가열 코일의 단면이나 형태가 헤드부(10; 도 4 참고)에서 변하기 때문에 용접에 의한 코일 제작이 불가피하며, 이는 용접부에서의 과열에 의한 천공이나, 이에 따른 코일 냉각수의 누수가 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 권선 코일(110)의 단면이 유지되며 그에 따라서 권선 코일(110)의 제작이 유리하다는 장점도 있다.

한편, 도 15a 및 도 15b 에서는 금속판(P)의 폭과 본 발명의 자기 철심(120, 130)의 폭방향 길이와의 관계에 따른 가열 패턴을 도시하고 있다. 도 15a 에는 본 발명의 가열부(100)의 평면도가 도시되어 있다. 권선 코일(110)은 외측 권선부(111), 중앙 권선부(112), 및 내측 권선부(113)을 포함하여 3회 권선되며, 상기 권선 코일(110)의 내측면 및 상면에 위치하도록 전방 자기 철심(130)과 후방 자기 철심(120)이 배치되어 있다.

도 15a 의 자기 철심(120, 130)은 도 8 의 자기 철심(120, 130)과 동일하게 수직부(121)와 수평부(122)를 포함하며, 수평부(122)는 연장부(122a, 122c)를 포함하여 구성되는데, 자기 철심(120, 130)의 길이는 수평부(122)와 수직부(121)의 공통 길이, 즉, 자기 철심(130)의 수직부의 길이(L)를 의미하며, 권선 코일(110)의 내측 권선부(113)에서 짧은 길이를 의미한다.

도 15b 에서는 도 15a 에서 수직부의 길이(L)의 변화에 따른 가열 패턴이 도시되어 있다. 도 15b 에서 보이듯이, 금속판(P)의 폭이 1000㎜일 때, 자기 철심(130)의 길이(L)가 금속판(P)의 80%, 800㎜인 경우에 에지부의 과열이 발생되지 않는 문제가 있었다. 또한, 금속판(P)의 폭이 1000㎜일 때, 자기 철심(130)의 길이(L)가 금속판(P)의 120%, 1200㎜인 경우에 불출분 가열 구간이 증대되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 자기 철심(120, 130)의 길이(L)는 금속판(P)의 폭에 대하여 80% 초과 120% 이하인 것이 금속판(P)의 에지부는 과열시키면서도 그 외의 부분에서는 균일하게 가열하는 가열 패턴을 가질 수 있다.

한편, 도 16 에서 본 발명에서 자기장 차폐 박스(101)와 권선 코일(110) 사이의 거리(d2)는 권선 코일(110)과 금속판(P) 사이의 거리(d1)보다 크게 배치되는 것이 바람직한데, 이는 자기장 차폐 박스(101)의 유도 전류 손실 최소화하기 위함이다.

또한, 자기장 차폐 박스(101)는 유도 전류에 의한 자기장 차폐 효과를 기대할 수 있도록 금속판으로 구성되는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 자기장 차폐 박스(101)에 구리를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 권선 코일(110)에서 발생하여 외부로 누출되는 자기장을 70% 이상 감쇄시키기 위하여, 자기장 차폐 박스(101)의 두께는 주파수에 의한 재질의 침투 깊이 초과인 것이 바람직하다. 예를 들어, 1100Hz의 운전 주파수에서 구리의 침투 깊이는 2㎜이므로, 자기장 차폐 박스(101)의 두께는 2㎜를 초과하도록 구성되는 것이 바람직하다.

도 16 에는 본 발명의 가열 장치에서 금속판(P)의 사행이 발생하는 경우의 모습을 도시한 단면도이며, 도 17 에는 도 16 에서 사행 거리에 따른 전력 분포, 즉 가열패턴을 도시한 그래프이다.

도 16 에서 보이듯이, 본 발명의 가열부(100, 200)가 금속판(P)의 상측 및 하측에 배치된 상태에서 권선 코일(110, 210)사이도 금속판(P)이 통과하는 모습이 도시되어 있다. 금속판(P)의 중심은 권선 코일(110, 210)의 중심과 일치하게 진행되는 것이 이상적이나 실제상황에서 사행(Off-Centering)이 발생하며, 사행이 발생하는 경우에도 전술한 가열 패턴이 유지되지 않는 경우에, 가열 장치를 사행에 대응되도록 기구 장치를 설치하여야 한다.

여기서 사행 거리(OC)는 권선 코일(110, 210)의 중심과 금속판(P)의 중심의 수평 거리를 의미한다.

도 17a 내지 b 에는 사행 거리(OC)가 30㎜, 40㎜일때 가열 패턴을 도시하는 거리에 따른 전력분포 그래프다 도시되어 있다. 이 그래프에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 가열부(100, 200)는 사행이 발생하더라도 에지부에서는 과열이 발생하며, 중앙부에서는 균일한 가열이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 가열 패턴이 대략적으로 'U'자형을 가지는 것을 알 수 있다.

도 18 에는 도 6 의 실시예를 실제로 제작하여 설치한 횡방향 플럭스 유도 가열기의 성능평가 그래프가 도시되어 있다. 이 실시예에서 자기 철심(120, 130)의 길이(L)는 금속판(P)의 폭에 대응되는 길이를 적용하였으며, 횡방향 플럭스 유도 가열기(1)에서 전력 용량은 100kW 였으며, 운전 주파수는 1100㎑이였으며, 통과하는 금속판은 스테인리스 강판(도전율: 1.1×10⁶S/m)이었다.

도 18 에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 다른 횡방향 플럭스 유도 가열기(1)의 경우에 전술한 실시예의 수치해석 결과와 동일하게, 에지부에서는 과열이 발생하고, 중앙부에는 균일한 가열이 가능하였다.

도 19 에는 본 발명의 가열장치가 압연 라인에 배치된 모습이 도시되어 있다. 도 19 에서 보이듯이, 본 발명의 가열장치는 상부 가열부(100)와 하부 가열부(200)가 금속판으로써의 스트립의 상측 및 하측에서 통과하는 스트립을 가열하며, 이렇게 가열된 스트립은 압연기(7)로 들어가서 조압연 혹은 마무리 압연될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 중심으로 본 발명에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예로 제한되는 것은 아니며, 이 발명이 속하는 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 발명의 요지를 변경하지 않고 본 발명을 변경하여 사용할 수 있음은 물론이다.

본 발명에서 가로부, 세로부는 금속판의 폭방향, 진행 방향으로 형성된 권선 코일을 의미하는 것으로, 직선에 한정되지 않고 곡선으로 형성될 수도 있다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서는 자기 철심이 2면 이상을 커버하는 경우에 한 면을 커버하는 자기 철심이 다른 면을 커버하는 자기 철심에 서로 연결되도록 구성되나, 이에 한정되는 것은 아니며 별도의 부품으로 제작될 수도 있다.

본 발명의 가열 장치는 박판의 가열 장치로 한정되지 않으며, 권선 코일의 권선수, 권선 형상 및 주파수를 금속판의 두께에 따라 변경하면 두꺼운 금속판을 가열하는 것도 가능하다.

1: 횡방향 플럭스 유도 가열기 100, 200: 가열부
101, 201: 자기장 차폐 박스
110, 210: 권선 코일 111: 외측 권선부
112: 중앙 권선부 113: 내측 권선부
114, 115: 연결부 120, 130, 220, 230: 자기 철심
121: 수직부 122: 수평부
122a, 122c: 연장부 122b: 중앙부
140: 절연판 150: 냉각판
160: 부쉬 170: 볼트
180: 수냉식 코일 190: 베이스

Claims (18)

1. 금속판을 가열하는 자기장을 발생시키도록 금속판의 일면에 이격하여 설치되며, 상기 금속판에 평행하게 제공되며, 금속판의 폭방향으로 연장되는 한 쌍의 가로부 및 금속판의 진행 방향으로 연장되는 한 쌍의 세로부를 구비하는 권선 코일을 포함하는 제 1 가열부 및
   금속판의 타면에 이격하며, 상기 금속판에 평행하게 제공되며, 금속판의 폭방향으로 연장되는 한 쌍의 가로부 및 금속판의 진행 방향으로 연장되는 한 쌍의 세로부를 구비하는 권선 코일을 포함하는 제 2 가열부를 포함하며,
   상기 제 1 및 제 2 가열부는 상기 권선 코일의 한 쌍의 가로부를 따라 연장되는 자기 철심을 포함하며,
   상기 자기 철심은 상기 가로부의 내측면을 따라서 연장되는 제 1 부재를 구비하며, 상기 권선 코일에서 가로부의 외측면은 개방되는 가열 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자기 철심은 금속판 진행방향 전방의 전방 자기 철심과, 금속판 진행 방향 후방의 후방 자기 철심을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 자기 철심은 상기 권선 코일의 금속판 반대면에 위치하는 제 2 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 자기 철심의 제 2 부재는 상기 제 1 부재보다 금속판 폭방향으로 길이가 길도록 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 연장부는 상기 권선 코일의 금속판 폭방향 단부까지 연장된 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 권선 코일 및 상기 자기 철심을 내부에 포함하며, 상기 권선 코일에 의한 자기장의 누출을 막도록 제공된 자기장 차폐 박스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 장치. 가열 장치.
   
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   철손을 최소화 하도록 상기 자기 철심은 상대 투자율이 1000 이상인 파우더형 고투자율 재료를 압축 소결하거나, 상대 투자율이 1000 이상인 전기 강판을 길이 방향으로 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자기 철심과 상기 권선 코일 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 자기 철심 외측에는 방열판이 배치되는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 방열판은 상기 자기 철심에 대응되는 형상을 가지며 외측에 수냉식 코일이 배치되는 수냉식 방열판인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 권선 코일 및 상기 자기 철심을 내부에 포함하며, 상기 권선 코일에 의한 자기장의 누출을 막도록 제공된 자기장 차폐 박스를 더 포함하며,
    상기 권선 코일, 절연판, 자기 철심, 및 방열판은 상기 자기장 차폐 박스 내부의 베이스에 결합수단을 통하여 고정되는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
    
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 자기 철심은 상대 투자율이 1000 이상인 파우더형 고투자율 재료를 압축 소결한 것으로, 상기 고투자율 재료의 직경은 자기장 침투 깊이 이하인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
    
12. 제 7 항에 있어서,
    상기 자기 철심은 상대 투자율이 1000 이상인 전기 강판을 길이 방향으로 적층한 것이며, 상기 전기 강판의 두께는 자기장 침투 깊이 이하인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 자기 철심은 상기 전기 강판을 길이 방향을 따라서 접착층으로 적층시키며, 상기 금속판의 폭방향 균일 가열 패턴을 구현하도록 상기 자기 철심에서 전체 부피 대비 상기 전기 강판의 부피 비율이 95% 이상인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
    
14. 제 2 항에 있어서,
    상기 권취 코일 내측 장변에 배치되는 상기 자기 철심의 길이는 금속판의 폭방향 길이의 80% 초과 120% 이하인 것을 특징으로 하는 가열 장치.
    
15. 제 6 항에 있어서,
    상기 자기장 차폐 박스는 자기장 침투 깊이를 초과하여 구성되며,
    상기 자기장 차폐 박스의 유도 전류 손실을 줄이기 위하여 상기 권취 코일과 상기 금속판과의 거리보다 상기 권취 코일과 상기 자기장 차폐 박스의 내면의 거리가 더 먼 것을 특징으로 하는 가열 장치.
    
16. 제 1 항 내지 제 5 항의 가열 장치;
    상기 가열 장치의 후단에 배치되는 압연기;를 포함하며, 상기 가열 장치에 의해서 가열된 금속 스트립을 압연기로 압연하는 압연 라인.
    
17. 금속판의 양면으로 배치되는 가열 장치로 연속적으로 공급되는 금속판을 가열하는 가열 방법으로,
    상기 가열 장치로 금속판을 공급하는 공급단계; 및
    상기 가열 장치의 권선 코일로 금속판에 수직인 자기장을 발생시켜 공급되는 금속판을 가열하는 가열단계;를 포함하며,
    상기 가열단계는 상기 권선 코일에서 발생하는 자기장의 세기를 자기 철심을 통하여 조절하여 상기 금속판의 에지부를 중앙부보다 과열시키며, 금속판의 중앙부는 폭방향 온도 분포가 균일하도록 가열시키는 가열 방법.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가열 단계에서 가열된 금속판이 압연 공정으로 공급되도록 상기 가열 단계는 압연 공전 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 가열 방법.

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