Щелевой индуктор

Изобретение относится к области индукционного нагрева, в частности к устройствам для индукционного нагрева кромок плоских изделий в поперечном магнитном поле. Технический эффект - обеспечение возможности управления распределением температурного поля по толщине полосы. Результат достигается тем, что в известном щелевом индукторе, включающем два одинаковых витка индуктирующего провода, расположенных параллельно на некотором расстоянии относительно друг друга и электрически соединенных между собой, в отличие от известного, витки индуктора электрически соединены между собой параллельно. Индуктор может дополнительно содержать магнитопроводы, расположенные с внешних сторон витков. Предлагаемый индуктор дает возможность изменять зазор между изделием и витками. При этом сохраняются преимущества индукторов с поперечным магнитным полем (выделение мощности непосредственно на кромке полосы) и преимущества щелевых индукторов с продольным магнитным полем (зона нагрева определяется шириной индуктора над кромкой) и обеспечивается компенсация неравномерности температурного поля по толщине (поперечному сечению) изделия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области индукционного нагрева, в частности к устройствам для индукционного нагрева кромок плоских изделий в поперечном магнитном поле. Изобретение может использоваться для нагрева кромок плоских изделий прямоугольного и со скругленными углами поперечного сечения, таких, например, как тонких слябов с толщиной 20-50 мм и полос подката в современных линиях "непрерывная разливка - непрерывная прокатка"; для нагрева кромок металлических лент в непрерывных линиях нанесения покрытий и в других тому подобных случаях, когда необходим нагрев кромок плоских длинномерных изделий с использованием индукционного нагрева.

Необходимость локального нагрева кромок плоских длинномерных изделий (полос, слябов, подката и т.п.) возникает в связи с тем, что в процессе изготовления при перемещении изделия от операции к операции возникает неравномерность распределения температуры по ширине вследствие более быстрого остывания кромок по сравнению с основной массой изделия. Это приводит к неравномерности свойств готового изделия. Особенно остро эта проблема стоит в области металлургии в станах непрерывного изготовления проката. В настоящее время наиболее эффективным средством ее решения признано применение дополнительного локального подогрева кромок между операциями с использованием индукционного нагрева с помощью различных типов щелевых индукторов как с продольным, так и с поперечным магнитным полем.

Известен индуктор с поперечным магнитным полем для нагрева кромок плоского изделия (полосы), так называемый С-образный индуктор [1]. Такой индуктор включает С-образный магнитопровод, между двумя незамкнутыми частями которого имеется щель, и катушку одну или разделенную на несколько спиралей индуктирующего провода, расположенные соответственно вокруг незамкнутых частей магнитопровода и электрически соединенные между собой. В такой конструкции плоскость щели перпендикулярна незамкнутым частям магнитопровода, спирали индуктирующего провода расположены по обе стороны от плоскости щели и их оси перпендикулярны ей. Через щель пропускается кромка полосы металла, магнитный поток пронизывает ее поперек, и наведенные в плоскости полосы токи концентрируются у кромки, вызывая ее нагрев, и замыкаются по основной массе металла, не приводя к ее заметному нагреву, то есть в этом случае выделение мощности происходит непосредственно на кромке полосы.

Главные достоинства такого индуктора - выделение мощности непосредственно на кромке полосы и возможность согласования его с источником питания путем выбора оптимального количества витков и отказа от дополнительного трансформатора.

Недостатками такого индуктора являются:

- обязательное наличие магнитопровода для получения достаточной электромагнитной связи между индуктором и металлом полосы, причем для получения большой мощности нагревателя магнитопровод должен быть массивным, иначе потери в нем могут вызвать местные перегревы и прогары; все это делает устройство достаточно сложным, тяжелым и металлоемким;

- необходимость строгого позиционирования индуктора относительно кромок полосы с достаточно небольшим зазором между полосой и торцами магнитопровода для достижения достаточно эффективного нагрева кромки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является известный щелевой индуктор с продольным магнитным полем [2], позволяющий сосредоточить нагрев в области кромок и представляющий собой витки индуктирующего провода, расположенные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга и образующие щель, через которую пропускается обрабатываемое плоское изделие, например полоса металла. Витки выполнены в форме плоских прямоугольных рамок, электрически соединенных последовательно. Зона нагрева по ширине полосы в такой конструкции определяется шириной витка над кромкой. При изменении зазора между изделием и витками ток в витках индуктора практически не меняется, при этом не происходит перераспределение мощности по толщине изделия, что не позволяет компенсировать неравномерность температурного поля по толщине изделия, например дополнительные потери в ролики рольганга, возникающие с одной стороны полосы по толщине. Такой индуктор конструктивно достаточно прост.

Существенным недостатком данного индуктора является невозможность обеспечить неравномерность температурного поля по толщине (поперечному сечению) изделия, что ограничивает возможности регулирования распределения температуры по толщине.

При использовании такого индуктора для нагрева необходимо использовать достаточно высокую частоту тока, при которой глубина проникновения тока не превышала бы 2,5-3 толщины изделия, что ведет к существенному удорожанию источника питания. При неправильном выборе частоты резко снижается эффективность нагрева.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - создание щелевого индуктора для нагрева кромок плоских изделий прямоугольного и со скругленными углами поперечного сечения (полосы, ленты, сляба и т.п.) конструктивно простого, компактного, более универсального.

Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, - возможность управления равномерностью нагрева кромки по толщине (поперечному сечению) изделия, то есть создание возможности управления распределением температурного поля по толщине полосы.

Результат (технический эффект) достигается тем, что в известном щелевом индукторе, включающем два одинаковых витка индуктирующего провода, расположенных параллельно на некотором расстоянии относительно друг друга и электрически соединенных между собой, в отличие от известного, витки индуктора электрически соединены между собой параллельно. Индуктор может дополнительно содержать магнитопроводы, расположенные с внешних сторон витков.

Предлагаемое изобретение является новым, так как в настоящее время не известны щелевые индукторы, характеризуемые приведенной совокупностью признаков.

Отличием предлагаемого изобретения от известного из уровня техники является электрическое соединение витков индуктора.

Это отличие приводит к достижению указанного технического эффекта.

Наличие магнитопроводов, расположенных с внешней стороны витков, дополнительно приводит к уменьшению тока индуктора, что приводит к уменьшению нагрева его при работе и улучшению электромагнитной связи между индуктором и металлом изделия. Как следствие, увеличивается КПД и улучшается коэффициент мощности индуктора.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что при параллельном электрическом соединении витков индуктора, при несимметричном положении полосы относительно витков (неодинаковом зазоре между полосой и витками) возникает перераспределение токов между витками, что приводит к несимметричному распределению мощности по толщине полосы, при этом распределение мощности по ширине полосы меняется незначительно. Таким образом, изменение зазора между полосой и витками обеспечивает изменение распределения температурного поля по толщине полосы, то есть дает возможность за счет изменения величины зазора управлять распределением температуры по толщине.

Предлагаемое решение является неочевидным, так как не вытекает явным образом из существующего уровня техники. Это обусловлено тем, что в настоящее время мощности нагревателей достигают десятков МВт и, как следствие, натурные исследования теплофизических процессов, протекающих в процессе индукционного нагрева в описываемых производственных условиях, практически невозможны - сверхдорого, технически очень сложно, требует вывода из режима непрерывной работы сложного производственного оборудования и т.п. Поэтому пытаются использовать методы математического моделирования. Однако невозможно создать математическую модель, описывающую все варианты использования индукционного нагрева, поэтому для решения каждой конкретной производственной задачи приходится разрабатывать конкретную модель. Задачи очень сложные, так как очень много специфических для различных производственных ситуаций исходных, определяющих процесс, условий и параметров, конкретных и разных. Поэтому существующие конструкции индукторов являются далекими от универсальности и заставляют для каждой новой задачи искать свое решение.

Предлагаемый индуктор сохраняет конструктивную простоту прототипа и возможность изменения зазора между изделием и витками. При этом сохраняются преимущества индукторов с поперечным магнитным полем (выделение мощности непосредственно на кромке полосы) и преимущества щелевых индукторов с продольным магнитным полем (зона нагрева определяется шириной индуктора над кромкой), и - как следствие отличий - обеспечивается компенсация неравномерности температурного поля по толщине (поперечному сечению) изделия.

Таким образом, индуктор по изобретению является более универсальным, так как позволяет решать более широкий круг технологических задач на одном и том же оборудовании (легко адаптируется к изменению технологической задачи).

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, на которых представлены:

фиг.1 - схематическое изображение предлагаемого щелевого индуктора и расположения нагреваемой полосы металла;

фиг.2 - распределение удельной мощности по ширине заготовки для различных конструкции индукторов;

фиг.3 - влияние разного зазора между верхним и нижним витком и заготовкой на распределение мощности по толщине заготовки при нагреве в индукторе по изобретению.

На фиг.1:

1 - виток индуктирующего провода,

2 - плоскость симметрии щели между витками,

3 - нагреваемая полоса металла,

4 - верхний зазор между полосой и витком индуктора,

5 - сдвиг между полосой и индуктором,

6 - магнитопровод.

На фиг.2:

2а - кривая распределения мощности по ширине полосы при нагреве кромки в С-образном индукторе (аналог),

2б - кривая распределения мощности по ширине полосы при нагреве кромки в щелевом индукторе (прототип),

2в - кривая распределения мощности по ширине полосы при нагреве кромки в предлагаемом щелевом индукторе без магнитопровода (изобретение).

На фиг.3:

3а - распределение удельной мощности по толщине при зазорах: верхний - 11см, снизу - 3 см;

3б - распределение удельной мощности по толщине при зазорах: верхний - 9 см, снизу - 5 см;

3в - распределение удельной мощности по толщине при зазорах: верхний - 7 см, снизу - 7 см (расположение в плоскости 2 индуктора).

Индуктор по изобретению - фиг.1 - представляет собой два витка 1 индуктирующего провода, расположенных параллельно плоскости симметрии 2 щели индуктора и электрически параллельно соединенных между собой. Нагреваемая полоса металла 3 располагается в щели индуктора с зазором 4 от витка с определенным сдвигом 5 относительно витка 1 индуктора. Магнитопроводы 6 расположены с внешней стороны витков 1 индуктора.

При использовании в непрерывных линиях обработки металлических полос щелевой индуктор для подогрева кромок устанавливается, как правило, по ходу движения полосы по роликам рольганга после индукционного нагревателя, обеспечивающего подогрев общей массы металла изделия, например овального индуктора, и непосредственно перед устройством следующей операции обработки, например прокатным станом. В зависимости от конкретных условий производства и свойств обрабатываемого металла выбираются: взаимное расположение витков индуктора и обрабатываемой полосы, режимы нагрева, в том числе необходимая для выполнения поставленной задачи мощность. Как правило, скорость движения изделия определяется из условия получения необходимой производительности обрабатывающего оборудования.

На фиг.2, 3 приведены результаты, полученные при испытании предлагаемого индуктора в листопрокатном стане для подогрева кромки полосы подката стали шириной 1500 мм, толщиной 34 мм. Скорость движения полосы - 0.7 метров в секунду. При мощности индуктора 2 МВт необходимо подогреть непосредственно кромку полосы на 70-80°С. Кроме того, для обеспечения необходимого запаса энергии для последующей транспортировки к прокатному стану надо прогреть 200-300 мм кромки по длине полосы.

Из приведенных на фиг.2 данных видно, что индуктор по изобретению (2в), в отличие от аналога (2а) и прототипа (2б), обеспечивает одновременный нагрев как непосредственно кромки, так и зоны, близкой к кромке полосы. При несимметричном расположении полосы в индукторе по изобретению (фиг.3) можно, меняя величину зазора, получить более равномерное температурное поле по толщине на входе в прокатный стан (кривая 3в), то есть определить положение, при котором увеличивается выделение мощности в прилегающей к роликам рольганга части полосы. Это улучшает качество проката и также условия эксплуатации валков прокатного стана.

При сравнении трех видов индукторов при равных условиях по КПД и коэффициенту мощности (cos ϕ) получены приведенные в таблице результаты: индуктор по изобретению наиболее полно использует потребляемую мощность (наибольший КПД), то есть является более экономичным. При использовании магнитопровода КПД увеличивается на 3-5%.

Таблица
Тип индуктора	КПД, %	cos ϕ
С-образный (аналог)	90,10	0,197
Щелевой (прототип)	73,71	0,065
Щелевой по изобретению	93,72	0,558

Приведенные данные наглядно доказывают преимущества предлагаемого изобретения.

Литература

1. Горбатков С.А., Кувалдин А.Б. и др. Химические аппараты с индукционным обогревом. - М.: Химия, 1985, с.22, рис.1.7 г.

2. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974, с.252.

1. Щелевой индуктор, включающий два одинаковых витка индуктирующего провода, расположенных параллельно на некотором расстоянии относительно друг друга и электрически соединенных между собой, отличающийся тем, что витки электрически соединены между собой параллельно.

2. Щелевой индуктор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает магнитопроводы, расположенные с внешних сторон витков.