(12) OPIS PATENTOWY (19) PL

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/IT92/00164 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO93/12628, PCT Gazette nr 15/93 (11) (13) B1 (51) Int.C l.6: H05B 6/02 C21D 1/42 (54) Piec indukcyjny do nagrzewania w linii ciągłej płaskich wyrobów stalowych (30) Pierwszeństwo: (73) Uprawniony z patentu: ,IT,FI91A Arvedi Giovanni, Cremona, IT (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 22/94 (72) Twórcy wynalazku: Giovanni Arvedi, Cremona, IT Giovanni Gosio, Cremona, IT (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (74) Pełnomocnik: WUP 08/96 Słomińska-Dziubek Anna, PHZ POLSERVICE PL B1 (57) Piec indukcyjny do nagrzewania w linii ciągłej płaskich wyrobów stalowych, zawierający ułożone szeregowo zespoły grzejne wyłożone materiałem ogniotrwałym, w każdym z których jest umieszczona zasilana przez oddzielny konwerter częstotliwości wąska cewka indukcyjna oraz liniowy koncentrator strumienia umieszczony w pobliżu cewki na całej jej szerokości, składający się z dwóch części górnej i dolnej, przy czym pomiędzy zespołami grzejnymi są umieszczone pary rolek do podpierania i przemieszczania wyrobu, znamienny tym, że części górna (5a) i dolna (5b) koncentratora liniowego (5) są połączone na ich końcach, poza środkową szczeliną (6), przez którą przechodzi płaski wyrób (1), a każdą część (5a, 5b) koncentratora liniowego (5) stanowi pakiet magnetycznych cienkich arkuszy stalowych (7) ułożonych obok siebie, które mają kształt litery C i są skierowane pod kątem prostym zarówno do płaszczyzny cewki (2) jak i płaszczyzny utworzonej przez nagrzewany płaski wyrób (1) oraz skierowane czołowymi powierzchniami do siebie, tworząc obudowę szczeliny (6) otoczonej cewką (2). F i g. 1

2 Piec indukcyjny do nagrzewania w linii ciągłej płaskich wyrobów stalowych Zastrzeżenie patentowe Piec indukcyjny do nagrzewania w linii ciągłej płaskich wyrobów stalowych, zawierający ułożone szeregowo zespoły grzejne wyłożone materiałem ogniotrwałym, w każdym z których jest umieszczona zasilana przez oddzielny konwerter częstotliwości wąska cewka indukcyjna oraz liniowy koncentrator strumienia umieszczony w pobliżu cewki na całej jej szerokości, składający się z dwóch części górnej i dolnej, przy czym pomiędzy zespołami grzejnymi są umieszczone pary rolek do podpierania i przemieszczania wyrobu, znamienny tym, że części górna (5a) i dolna (5b) koncentratora liniowego (5) są połączone na ich końcach, poza środkową szczeliną (6), przez którą przechodzi płaski wyrób (1), a każdą część (5a, 5b) koncentratora liniowego (5) stanowi pakiet magnetycznych cienkich arkuszy stalowych (7) ułożonych obok siebie, które mają kształt litery C i są skierowane pod kątem prostym zarówno do płaszczyzny cewki (2) jak i płaszczyzny utworzonej przez nagrzewany płaski wyrób (1) oraz skierowane czołowymi powierzchniami do siebie, tworząc obudowę szczeliny (6) otoczonej cewką (2). * * * Przedmiotem wynalazku jest piec indukcyjny do nagrzewania w linii ciągłej płaskich wyrobów stalowych. Niniejszy wynalazek dotyczy ulepszonego pieca indukcyjnego do nagrzewania lub ponownego nagrzewania płaskich wyrobów stalowych, zwłaszcza do nadawania im jednolitej temperatury, odpowiedniej do walcowania cienkich płyt stalowych. Z włoskiego zgłoszenia patentowego nr A/89, odpowiadającego publikacji międzynarodowej WO 90/14742 znany jest piec indukcyjny zawierający szereg cewek, które są oddzielnie zasilane przez jeden lub więcej przetworników częstotliwości. Kolejno przez te cewki przechodzi pas materiału podtrzymywany i przesuwany do przodu przez pary walców między każdą cewką i następną. Występują też koncentratory strumienia, zamontowane parami na końcach każdego induktora, co najmniej po górnej lub dolnej stronie, w stosunku do płaszczyzny utworzonej przez pas materiału. To rozwiązanie zapewnia zadowalające wykorzystanie nagrzewania indukcyjnego podłużnych wyrobów płaskich, chociaż występują pewne niedogodności, głównie z powodu dużych przecieków strumienia magnetycznego, który, gdy się zamyka na zewnątrz pasa materiału, przechodzi przez metalowe części konstrukcyjne urządzenia, powodując przez to jego niepożądane nagrzewanie pomimo występowania bocznych koncentratorów strumienia, ewentualnie ruchomych. Poprzednio, przy dłuższych induktorach (wzdłuż wymiaru wzdłużnego nagrzewanego wyrobu), użycie koncentratorów było niecelowe, gdyż niewielka poprawa sprawności i zmniejszenie przecieków nie byłyby opłacalne ze względu na wzrost kosztów. Opis patentowy nr EP-A ujawnia piec indukcyjny z koncentratorami strumieni ustawionymi wzdłuż całej szerokości cewki do wyrównywania temperatury w całym pasie stalowym, który ma typową grubość. Ma to na celu rozwiązanie problemu "cień szyny" wynikających z przesuwania pasa stalowego na szynach ogrzewanego pieca. Obniżenie temperatury pasa w styku z szynami powoduje powstawanie na paśmie smug o innej barwie. Ogrzewanie indukcyjne jest prowadzone za pomocą płyt stale zamontowanych w określonym położeniu. Według tego rozwiązania piec zawiera tylko jedno zewnętrzne jarzmo na dolnej części cewki.

3 W przypadku krótkich induktorów, które są konieczne przy obróbce płaskich wyrobów, takich jak cienkie płyty, również występowanie bocznych koncentratorów strumienia według wymienionego opisu patentowego nie rozwiązuje problemu przecieków strumienia i prowadzi do stosunkowo niskich sprawności, na przykład rzędu 0,6 lub mniej, uwzględniając stosunek między mocą wchodzącą do ogrzewanego wyrobu płaskiego, a dostarczaną mocą aktywną włączając straty spowodowane na przykład promieniowaniem. W rzeczywistości, szerokość cewki w kierunku przesuwu materiału nie może być zbyt duża, ponieważ w wyniku zmniejszenia przestrzeni między dwiema kolejnymi cewkami pas materiału nie mógłby być przesuwany do przodu w odpowiedni sposób, wskutek konieczności zmniejszenia średnicy rolek. Należy tego unikać, aby nie wystąpił zbyt mały promień zginający, co w konsekwencji powoduje zginanie płaskiego pasa i problemy z przenoszeniem ciepła. W zmodyfikowanym rozwiązaniu tego typu konieczne jest zastosowanie rolek pokrytych materiałem ogniotrwałym, żeby zapobiec iskrzeniu i w konsekwencji "kreskowaniu" pasa materiału. Stosuje się również nieciągłe rolki, utworzone z oddzielnych odcinków, żeby eliminować wytwarzanie prądów wirowych, albo ostatecznie montuje się rolki na oddzielnych kolumnach, na przykład z betonu. Taka konstrukcja jest nie tylko bardziej skomplikowana i kosztowna, ale również mniej solidna i zwarta. Z pewnością nie za bardzo nadaje się do procesu i wymagań przemysłu stalowego. Piec indukcyjny do nagrzewania w linii ciągłej płaskich wyrobów stalowych, według wynalazku, zawiera ułożone szeregowo zespoły grzejne wyłożone materiałem ogniotrwałym, w każdym z których jest umieszczona zasilana przez oddzielny konwerter częstotliwości wąska cewka indukcyjna oraz liniowy koncentrator strumienia umieszczony w pobliżu cewki na całej jej szerokości, składający się z dwóch części górnej i dolnej. Pomiędzy zespołami grzejnymi są umieszczone pary rolek do podpierania i przemieszczania wyrobu. Piec indukcyjny według wynalazku charakteryzuje się tym, że części górna i dolna koncentratora liniowego są połączone na ich końcach, poza środkową szczeliną, przez którą przechodzi płaski wyrób, a każdą część koncentratora liniowego stanowi pakiet magnetycznych cienkich arkuszy stalowych ułożonych obok siebie, które mają kształt litery C i są skierowane pod kątem prostym zarówno do płaszczyzny cewki jak i płaszczyzny utworzonej przez nagrzewany płaski wyrób oraz skierowane czołowymi powierzchniami do siebie, tworząc obudowę szczeliny otoczonej cewką. Zastosowanie koncentratora strum ienia według wynalazku rozciągającego się wzdłuż całej cewki utworzonego na przykład z dwóch pakietów płytkowych o przekroju poprzecznym w zasadzie w kształcie C, który otacza cewkę indukcyjną zarówno po stronie górnej, jak dolnej w stosunku do płaszczyzny utworzonej przez nagrzewany wyrób, pozwala na zmniejszenie przecieków strumienia o co najmniej 90%. Sprawność pieca wzrasta do około 0,7 i więcej. Piec indukcyjny, według wynalazku oprócz oszczędności energii, zapewnia układ mechaniczny o zwykłej tradycyjnej konstrukcji, to znaczy solidny i przystosowany do produkcji stali, gdzie piece indukcyjne uważano w przeszłości jako coś obcego, nie pasującego do potężnych konstrukcji stosowanych w tej dziedzinie. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zespół grzejny pieca indukcyjnego w widoku perspektywicznym, z częściowym wyrwaniem, fig. 2 - piec indukcyjny zawierający cztery zespoły grzejne z fig. 1, w schematycznym widoku z boku, fig. 3a, 3b przedstawiają odpowiednio tor strumienia magnetycznego w tradycyjnym zespole grzejnym i w ogrzewanym wyrobie, fig. 4 przedstawia przekrój koncentratora strumienia z fig. 1 wzdłuż linii IV-V z fig. 1, z zaznaczeniem toru strumienia magnetycznego. Jak pokazano na fig. 2 piec indukcyjny do nagrzewania cienkich płyt lub taśm zawiera zespoły grzejne 10 umieszczone między każdą parą walców 8 na wspornikach 9 wzdłuż kierunku ruchu taśmy 1. Jak przedstawiono na fig. 1 element grzejny 10 zawiera cewkę 2, mającą prostokątny przekrój poprzeczny, osadzoną w bloku ogniotrwałym 3. Koniec 4 cewki 2 zapewnia połączenie elektryczne ze źródłem zasilania poprzez odpowiednie przewody albo "szyny

4 zbiorcze", nie pokazane, oraz połączenie z siecią rur chłodzących. Koniec 4 ma otwory 4a, 4b wewnętrzne i współosiowe do cewki 2, stanowiące odpowiednio wlot i wylot wody chłodzącej. Części konstrukcyjne lub pomocnicze, są dobrze znane w tej dziedzinie techniki. Według niniejszego wynalazku jak pokazano na fig. 1 cewka 2 jest otoczona całkowicie koncentratorem strumienia 5 posiadającym jedynie szczelinę 6 usytuowaną między dwoma ramionami pętli cewki 2, przez którą przechodzi taśma 1. Koncentrator strumienia 5 jest utworzony z zespołu dwóch magnetycznych pakietów płytkowych, górnego 5a i dolnego 5b, które są połączone na końcach, dzięki czemu cewka 2 zostaje całkowicie otoczona, natomiast szczelina środkowa 6 jest pozostawiona swobodna. Jak to przedstawiono w odniesieniu do pakietu górnego 5a, który jest uwidoczniony dzięki częściowo usuniętej obudowie, płytki albo arkusze 7 z cienkiej blachy stalowej tworzące pakiet, są ułożone równolegle względem siebie i są skierowane pod kątem prostym w stosunku do płaszczyzny utworzonej przez taśmę 1 i odpowiednią górną lub dolną pętlę cewki 2. Dzięki wysokiej przenikalności magnetycznej zwiększa się koncentracja strumienia wewnątrz cewki 2. Przy wzdłużnym przechodzeniu taśmy 1, jak pokazano na fig. 4, strumień ma tendencję do zamykania swego toru na zewnątrz, przechodząc przez metalowe części konstrukcyjne samego pieca. W rzeczywistości strumienie mają przepływ kołowy wewnątrz każdej płytki 7a, 7b. W ten sposób obwód magnetyczny jest zamknięty co jednocześnie zapobiega lub ogranicza do minimum wytwarzanie prądów indukowanych w kierunku poprzecznym ze względu na wysoki opór wytwarzany przez pakiet płytek 7a, 7b, kiedy prądy indukowane lub wirowe przechodzą z jednej płytki 7a, tworzącej pakiet do drugiej płytki 7b. Jak widać na fig. 3a, 3b strumień magnetyczny, wytwarzany przez cewkę 2 pokazaną w przekroju poprzecznym, przechodząc przez materiał 1, który ma być nagrzewany, zamyka się w powietrzu i indukuje w materiale 1 prąd o kierunku pokazanym strzałką C. W takim teoretycznym przypadku, pokazanym na fig. 3a, występują niewielkie wielkości pola magnetycznego w odległości 200 mm od induktora. Jednak przy badaniu rzeczywistego układu, gdy konstrukcje wspierające są wykonane ze stali i mają μ wyższe od 1 i w każdym przypadku tworzą się zamknięte pierścienie, stwierdzono, że strumień magnetyczny jest znacznie odchylony od tych części metalowych, powodując w ten sposób wzrost strat mocy, które można szacować na 20%. Według wynalazku, jak pokazano na fig. 4, w koncentratorze strumienia 5 zawierającym parę blach stalowych, mianowicie płytkę górną 7a i płytkę dolną 7b, strumień magnetyczny F w zasadzie zamyka się wewnątrz tych płyt 7a, 7b. Dzięki temu zmniejszają się do minimum straty spowodowane prądami wirowymi w rdzeniu cewki 2. Oczywiście płyty 7a, 7b magnetycznej blachy stalowej mają wymiary dobrane do tego celu, przy czym dobór wymiarów musi być tym dokładniejszy, im wyższa jest częstotliowość pola magnetycznego. Poniżej opisano przykład wykonania doświadczalnego pieca indukcyjnego według niniejszego wynalazku, w celu wykazania wyższej jego sprawności. Przygotowano piec indukcyjny do cienkich taśm 1, który zawierał umieszczone szeregowo cztery zespoły grzejne 10, jak opisano powyżej i przedstawiono na rysunku. Do każdego z nich dostarczono moc wynoszącą 925 kw, o częstotliwości roboczej 6 khz. Cienka taśma 1 nagrzewana, wykonana ze stali Fe 37, miała szerokość 1330 mm i 25 mm grubości. Temperaturę mierzono przy pomocy dwóch termopar, z których jedna była umieszczona pośrodku taśmy 1, a druga w odległości 2 mm od jej powierzchni. Przy przesuwaniu do przodu cienkiej taśmy 1 z prędkością 9 m/min. stwierdzono gradient temperatury 83 K. Próby wykazały, że w tej temperaturze straty ciepła spowodowane promieniowaniem wynoszą 17 K. Wobec tego całkowita różnica netto temperatury wynosi 100 K, co odpowiada, przy cieple właściwym materiału 0,2 Wh kg-1 K -1energii wynoszącej 25x1330x x9000x60x0,2x100 C=2819 kwh. Straty mocy w rdzeniu wynosiły 12 W, to znaczy 1% mocy całkowitej. Obliczona sprawność zespołu grzejnego 10, stanowiąca stosunek między mocą dostarczoną i mocą rzeczywiście przyjmowaną przez taśmę 1 wynosi: η = 2819/(925 x 4) = 0,762. Sprawność, którą uzyskuje się w tych samych warunkach, ale z dwoma bocznymi koncentratorami strumienia według znanego rozwiązania zgłoszenia PCT opublikowanego pod numerem WO 90/14742, wynosi około 0,6.

5 Możliwe jest wprowadzenie ewentualnych uzupełnień i/lub modyfikacji w wyżej opisanym przykładzie wykonania pieca indukcyjnego według niniejszego wynalazku bez wychodzenia poza zakres samego wynalazku. Jest oczywiste, że liczba cewek 2 czyli zespołów grzejnych 10, które są ułożone szeregowo w piecu nie jest krytyczna i może być dobrana dowolnie.

6 F i g. 2

7 F ig. 3 a F i g. 3 b F i g. 4

8 F i g. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł