Индукционная печь

 

Использование: индукционная печь предназначена для нагрева и повторного нагрева плоских изделий сталелитейной промышленности, в частности, тонких слябов из установки непрерывной разливки перед этапом чистовой прокатки в процессе изготовления тонких стальных полос. Сущность изобретения: вследствие небольшой толщины нагреваемого изделия печь этого типа имеет уменьшенный размер катушек в направлении подачи полосы. Для исключения того, чтобы при этих условиях происходило возможное уменьшение эффективности, возникновение большой утечки потока и последующими за этим серьезными помехами. В изобретении предусмотрен концентратор потока, образованный двумя непрерывными пакетами пластин, имеющими C-образное поперечное сечение, которые обертывают индукционную катушку как сверху, так и снизу по всей ее длине, оставляя свободным только участок для прохода или канал, через который подлежащее нагреванию изделие входит в катушку. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной индукционной печи для нагрева и повторного нагрева плоских изделий сталелитейной промышленности, в частности, для повторного установления равномерной температуры, соответствующей температуре прокатки тонких стальных слябов.

Из патента Италии N 20534 A/89, соответствующей Европейскому патенту WO 90/14742, известна индукционная печь, содержащая ряд катушек, которые раздельно питаются одним или более частотными преобразователями и последовательно пересекаются полосой, поддерживаемой и вынуждаемой двигаться вперед парой роликов между каждой катушкой, и после них предусмотрены концентраторы потока, попарно смонтированные на концах каждого индуктора, по крайней мере, на верхней и нижней стороне относительно плоскости, определяемой собственно полосой.

Это решение дает хорошие результаты, так как позволяет на первое время удовлетворительно эксплуатировать индукционный нагрев для продольных плоских изделий, поскольку магнитный поток предварительно был в основном направлен так, чтобы пересекать полосу поперек в направлении толщины, с получением низких результатов термообработки только на краях. Однако были выявлены некоторые неудобства, обусловленные, главным образом, сильной утечкой магнитного потока, который, поскольку он замкнут снаружи полосой, пересекает конструктивные металлические детали или части агрегата, в связи с чем вызывает чрезмерное нагревание его, несмотря на присутствие боковых концентраторов потока.

Ранее для длинных индукторов (вдоль продольной стороны нагреваемого изделия), как это было возможно для более толстых изделий, возможное использование концентраторов было бесполезным, поскольку небольшое увеличение эффективности и снижение утечки ничего не стоили в сравнении с увеличением стоимости затрат. Для коротких индукторов, поскольку их необходимо было приспосабливать к таким изделиям, как тонкие слябы, наличие боковых концентраторов потока согласно вышеупомянутому патенту также не решало проблему утечки потока и приводило к относительно низкой эффективности, то есть порядка 0,6 или менее, если рассматривать отношение мощности, вводимой в нагреваемый продукт, и подаваемой активной мощности.

Существо дела состоит в том, что продольный размер катушек не может быть выполнен слишком большим, поскольку для поддержания уменьшенной величины зазора между двумя последовательными катушками, выше которого тонкое изделие нельзя подавать, необходимо уменьшить диаметр роликов, чего следует избегать, чтобы не иметь слишком маленький радиус кривизны и вследствие этого задержки плоского изделия и возникновения проблем теплопередачи. Были сделаны попытки модифицировать механическую часть для преодоления недостатков, вызываемых утечкой потока. Решение такого типа требует выполнения роликов с покрытием из огнеупорного материала для предотвращения искрения и последующего "прокалывания" полосы и/или изготовления роликов не сплошными, а выполненными с изолирующими секторами, чтобы препятствовать генерированию вихревых токов, или в конце концов, монтирования роликов на раздельных опорах, например, бетонных. Такой тип конструкции был бы не только более сложным и дорогим, но и менее надежным и компактным, и, конечно, не таким удобным для этого типа обработки и условий окружающей среды при сталелитейном производстве.

Теперь было обнаружено, что при использовании концентратора потока, проходящего вдоль всей катушки, выполненного в виде двух слоистых пакетов, имеющих в значительной степени C-образное поперечное сечение с тем, чтобы окружать как верхнюю, так и нижнюю стороны относительно плоскости, определяемой нагреваемым изделием, вследствие чего остается свободным только проход для самого изделия, утечка потока снижается, по крайней мере, на 90%, и вышеупомянутая эффективность может возрасти до порядка 0,7 и более. В дополнение к экономии энергии можно получить механическую структуру просто традиционной конструкции, то есть прочную и приспособленную к нуждам области производства стали вопреки обычному в прошлом соображению о том, что индукционные печи являются чем-то чуждым, не вписывающимся в непрерывную структуру этой отрасли.

Эти и дополнительные цели, преимущества и характеристики усовершенствованной индукционной печи согласно изобретению становятся очевидными для специалистов из последующего подробного описания предпочтительных вариантов изобретения, приведенного со ссылкой на приложенные чертежи, на которых: фиг. 1 - представляет перспективный вид с местным вырезом нагревательного элемента или катушки печи; фиг. 2 - представляет схематично вид сбоку индукционной печи настоящего изобретения, образованной четырьмя нагревательными элементами фиг. 1; фиг. 3a и 3b изображают соответственно траекторию магнитного потока в традиционном индукторе и траекторию наведенного тока в нагретом материале; и фиг. 4 - представляет схематично вид в разрезе по линии IV-IV фиг. 1, указывая траекторию магнитного потока в пакетах 7 концентраторов потока, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 схематично изображен только один нагревательный элемент печи, расположенный в направлении движения полосы и, как показано на фиг. 2, размещенный между двумя роликами 8, установленными на опорах 9, который образован катушкой 2, имеющей, по существу, прямоугольное поперечное сечение и заделанной или вставленной в огнеупорный блок 3. На чертеже можно видеть конец 4 катушки, которая электрически соединена с силовым источником посредством соответствующих проводников или "шинами", которые не показаны, и имеет трубчатое охлаждающее устройство. Как можно видеть, отверстия 4a и 4b, выполненные внутри катушки коаксиально ей, является соответственно входом и выходом охлаждающей воды.

Исключив описание других конструктивных или вспомогательных деталей, хорошо известных специалистам, на фиг. 1 согласно изобретению изображен концентратор потока 5, полностью закрывающий катушку 2, оставляя свободной только щель 6 между двумя плечами петли, образованной катушкой, достаточную для прохода через нее полосы 1. Концентратор потока 5 образован комплектом из двух пакетов магнитных пластин, то есть верхнего 5a и нижнего 5b, соединенных на концах, посредством чего катушка 2 полностью окружена, тогда как центральная щель сохраняется свободной. Как лучше видно из изображения верхнего пакета, который изображен с частичным вырезом корпуса, пластины или листы железа 7, образующие его, направлены все параллельно друг другу под прямым углом относительно плоскости полосы 1 и, соответственно, верхней или нижней петли или витка катушки 2, увеличивая таким образом, при высокой магнитной проницаемости, концентрацию потока внутри него (то есть пакета). При продольном пересечении длины полосы, как показано на фиг. 4, поток должен иметь тенденцию замыкаться снаружи за счет соединения через металлические конструктивные детали самой печи. На самом деле, поток утечек происходит кругообразно внутри каждой пластины, замыкая таким образом магнитную цепь, но в то время предотвращая или уменьшая до минимума генерирование индуцированных токов в направлении крест-накрест вследствие высокого сопротивления, создаваемого пластинчатым пакетом, когда индуцированные или вихревые токи проходят из одного листа железа в другой.

Чтобы лучше пояснить вышеизложенное, сошлемся на фиг. 3a и 3b, относящиеся к уровню техники, из которых видно, как магнитный поток, создаваемый катушкой 2, показанной в поперечном разрезе, проходя через нагреваемый материал 1, замыкается, по существу, в воздухе и генерирует индуцированный ток в материале 1 в направлении, указанном стрелкой C. Раньше при аналитическом изучении траекторий потока, теоретически показанных на фиг. 3a, не принимаемые в расчет значения величины магнитного поля были обнаружены на расстоянии 200 м от индуктора. Однако при исследовании современных систем с несущими конструкциями, имеющими μг выше 1, так как они изготовлены из стальных, или любых замкнутых колец, было обнаружено, что поток значительно отклоняется от этих металлических деталей, увеличивая таким образом, потери мощности, которые могут достигать порядка 20%.

На фиг. 4, схематически изображающей поперечное сечение концентратора потока 5 с парой железных листов, а именно, верхним 7a и нижним 7b, магнитный поток F, по существу, замкнут внутри него для того, чтобы уменьшить до минимума потери из-за вихревых токов в сердечнике катушки. Очевидно, что магнитные железные листы должны иметь пригодные для этой цели размеры, при этом выбор размера листов должен быть тем более тщательным, чем выше частота магнитного поля.

Далее для того, чтобы показать достижение более высокой эффективности, описан пример на экспериментальной основе системы индукционной печи согласно настоящему изобретению.

Пример.

Индукционная печь для тонких слябов была изготовлена путем последовательного размещения четырех индукционных узлов, описанных выше и изображенных на чертежах, с приложением к каждому из них мощности 925 KW и рабочей частоты 6 kHz. Подлежащий нагреву тонкий сляб был изготовлен из Fe 37 стали с размерами 1330 мм в ширину и 25 мм в толщину. Температура определялась посредством двух термопар, одна из которых располагалась в центре сляба, а вторая - в 2 мм от его поверхности. При подаче сляба вперед со скоростью 9 м/мин был опытным путем установлен градиент температур в 83^oC. Также посредством испытаний, проведенных предварительно, было обнаружено, что при этой температуре тепловые потери вследствие излучения составляли до 17^oC. Следовательно, суммарная чистая разность температур составляет 100^oC, что соответствует значению удельной теплоемкости материала порядка 0,2 Ватт-час·Кг^-1·К^-1 и мощности порядка 25x1330x7.85·10^-6х9000x60x0.2x100^oC=2819 килоВатт час. Потери мощности в сердечнике составляли 12 Ватт, то есть 1% общей мощности.

Следовательно, эффективность индуктора можно рассчитать как отношение между приложенной мощностью и мощностью, фактически полученной слябом: η = 2819/(925·4)=0,762, снова значение порядка 0,6, которое должно быть получено при тех же условиях, но с двумя боковыми концентраторами потока вышеупомянутого ранее опубликованного патента WO 90/14742 вместо линейного концентратора потока, охватывающего каждый индуктор согласно настоящему изобретению.

В вышеупомянутом и проиллюстрированном варианте усовершенствованной индукционной печи согласно настоящему изобретению можно осуществить различные дополнения и модификации, не выходя из сферы применения собственно изобретения. Ясно, что количество катушек или нагревательных элементов, которые последовательно образуют печь, не является критическим и может быть выбрано каким угодно.

Формула изобретения

1. Индукционная печь для нагрева при однородной температуре плоских изделий, таких как тонкие слябы или стальные полосы, непрерывно проходящих через печь, содержащая последовательно установленные индукционные катушки, каждая из которых заключена в индукционный узел или сборную деталь из огнеупорного материала и раздельно питается от частотных преобразователей, имеющая пары роликов между каждой катушкой и последовательно за ней для поддержки и продвигания вперед плоского изделия, при этом размер каждой катушки в направлении подачи полосы составляет 350 мм или менее, отличающаяся тем, что каждая катушка заключена с линейный концентратор потока, проходящий вдоль всей ширины катушки в поперечном относительно направления подачи плоского изделия направлении.

2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что линейный концентратор образован двумя участками соответственно верхним и нижним участком, соединенными на их концах, оставляя свободной центральную щель для прохода через нее плоского изделия.

3. Печь по п.2, отличающаяся тем, что каждый участок линейного концентратора выполнен как пакет магнитных железных листов, расположенных бок о бок, которые имеют С-образную форму и все направлены под прямым углом как к плоскости катушки, так и к плоскости нагреваемого изделия, участки закреплены напротив друг друга для заключения в щель, содержащуюся между ними, катушки, которая, в свою очередь, окружает плоское изделие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4