專利名稱：橫置式感應加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明有關配置在鋼鐵熱軋生產線上的橫置式感應加熱裝置。
背景技術：
現有的電磁式感應加熱裝置中，由于集膚效應的作用只有表面溫度升高，為了將這部分熱能充分地擴散到板的內部，使表面溫度比板厚中央低，就需要一定的時間，這樣才能在板厚方向獲得合適的溫度分布。
例如參照特開平10-128424號公報(第5頁、圖1)。
再有，在橫置式感應加熱裝置中，其結構做成在精軋機入口側沿被軋板材頭部或尾部的寬度方向上使感應器移動，對被軋板材整個范圍進行加熱，同時還使感應器向被軋板材寬度方向端部移動，對寬度方向端部進行連續(xù)加熱。
例如，參照特開平1-321009號公報(第3頁、第1圖)。
現有的電磁式感應加熱裝置中，加熱頻率越高，感應電流就越是集中在被軋板材的表面流動，表面上產生更大的過度升溫。
另外，板的厚度越厚，表面相對內部的過度升溫也就越大。
因此，存在的問題是使板厚方向的溫度適當分布需要足夠的時間。
再有，橫置式感應加熱裝置以只對被軋板材板寬方向的端部及板的頭部、尾部進行加熱為目的，為了對板的頭部、尾部沿板寬方向進行加熱，要使感應器向板寬中央移動，所以存在的問題是不能連續(xù)地對被軋板材長度方向的板寬中央進行加熱。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決上述問題而提出，其目的在于提供一種在對被軋板材長度方向板寬中央連續(xù)加熱之同時、還能防止被軋板材表面過度升溫的橫置式感應加熱裝置。
本發(fā)明涉及的橫置式感應加熱裝置為在使感應器隔著被軋板材互相對向配置、利用交流電源供電的感應器對輸送輥道輸送的被軋板材進行加熱的橫置式感應加熱裝置中，將感應器在被軋板材板寬方向上的鐵心寬度做得比被軋板材板寬窄，并配置在被軋板材的板寬中心線上，設電流滲透深度為δ(m)、被軋板材的電阻率為ρ(Ω-m)、被軋板材的磁導率為μ(H/m)、交流電源的加熱頻率為f(Hz)、圓周率為π、及被軋板材的板厚為tw(m)時，設定交流電源的加熱頻率，使下列式(1)的電流滲透深度δ滿足下列式(2)。
δ＝[ρ/(μ·f·π)]1/2……(1)tw/δ＜0.95……(2)


圖1為本發(fā)明實施形態(tài)1的橫置式感應加熱裝置的構成圖。
圖2為表示圖1的(板厚)/(電流滲透深度)之比和(板表面)/(板中央發(fā)熱密度)之比之間關系的說明圖。
圖3為將圖2放大后的說明圖。
圖4為表示橫置式和電磁式在板厚方向的發(fā)熱密度分布的說明圖。
圖5為本發(fā)明實施形態(tài)2的橫置式感應加熱裝置的構成圖。
圖6為表示橫置式和電磁式在加熱前后的板溫變化的說明圖。
圖7為本發(fā)明實施形態(tài)3的橫置式感應加熱裝置線圈接線的說明圖。
圖8為表示在圖7中被軋板材和上感應器的鐵心及下感應器的鐵心之間的間距與電損耗關系的說明圖。
圖9為表示本發(fā)明實施形態(tài)4用的構成圖。
圖10為表示使被軋板材和感應器鐵心之間的間距變化時在板厚方向的升溫分布用的說明圖。
圖11為表示(板上表面發(fā)熱密度)/(板下表面發(fā)熱密度)之比對(上間距)/(下間距)之比用的說明圖。
圖12為本發(fā)明實施形態(tài)5的說明圖。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明實施形態(tài)1的橫置式感應加熱裝置的構成圖。圖2為表示圖1的(板厚)/(電流滲透深度)之比和(板表面)/(板中央發(fā)熱密度)之比之間關系的說明圖。及圖3為將圖2放大后的說明圖。
在圖1至3中，在鋼鐵熱軋生產線的粗軋機(圖中未示出)和精軋機(圖中未示出)之間利用輸送輥道(圖中未示出)輸送被軋板材1。
并且隔著被軋板材1上下設置一對(一組)對向的感應器2、3，感應器2、3分別由其在板寬方向上的鐵心寬度比被軋板材1板寬窄的鐵心2a、3a、及卷繞在鐵心2a、3a上的線圈2b、3b構成。
由交流電源4對各線圈2b、3b供給高頻電能，利用鐵心2a、3a產生的磁通對被軋板材1進行感應加熱。
雖然感應器2、3的鐵心寬度由加熱方式而定，但取小于等于從被軋板材1的板寬減去300mm后的值，通過將感應器2、3配置在被軋板材1的板寬中心線上，從而通過實驗確認，幾乎能消除板寬端部的過度升溫，同時還能如圖1(b)所示，對板寬中央部進行加熱。
這里所說的將感應器2、3配置在被軋板材1的中心線上，也包括將感應器2、3的中心線配置成和板寬的中心線一致，是指將感應器2、3配置在板寬中央，使鐵心2a、3a的一部分位于板寬中心線上。
鋼鐵熱軋生產線上被軋板材1的板寬范圍較大，為600～1900mm。因此，感應器2、3的鐵心2a、3a的寬度可以設定在300～700mm的范圍內。
式(1)為表示感應加熱的電流滲透深度δ(m)的計算式。
δ＝[ρ/(μ·f·π)]……(1)式中，ρ為被軋板材1的電阻率(Ω-m)，μ為被軋板材1的磁導率(H/m)，f為交流電源4的加熱頻率(Hz)，及π為圓周率。
圖2及圖3表示式(1)的電流滲透深度δ和被軋板材1的板厚tw之比、與板厚中央部和板表面的發(fā)熱密度之比間的關系。
加熱前，板厚方向的溫度分布由于散熱的影響，使板表面的溫度比板厚中央低。
然而，通過將(板表面)/(板厚中央)的發(fā)熱密度比取小于等于1.05，則能恰如其分地對板表面進行加熱。
關于滿足這一關系的條件，只要從圖3中選擇使被軋板材1的板厚tw和電流滲透深度δ間的關系為式(2)的頻率即可。
Tw/δ＜0.95……(2)。
在鋼鐵熱軋生產線上，按照規(guī)定的加熱溫度處理的被軋板材1的電阻率ρ大約120μΩ-cm左右，相比磁導率為1。
因此，對于被軋板材1的板厚tw的加熱頻率選擇比tw＝25mm時的439Hz、tw＝30mm時的305Hz、tw＝40mm時的171Hz要低的合適的加熱頻率，則能進行加熱并防止板表面過度升溫。
圖4為表示橫置式和電磁式感應加熱裝置對于板厚方向上的發(fā)熱密度分布用的說明圖。
電磁式如特性5所示，理論上板厚中心處發(fā)熱密度為0，發(fā)熱集中在板表面。
與此相反，橫置式通過選擇適當的頻率，從而能如特性6所示，使發(fā)熱分布大致均勻。
在實施形態(tài)1中，是對將一對(1組)感應器2、3配置在被軋板材1的板寬中心線上的例子進行了說明，但是，沿被軋板材1的前進方向將多組感應器2、3在板寬方向配置在同一位置或左右滑動的位置上，從而能與板寬不同的被軋板材1相對應，按照最佳的加熱方式進行加熱。
另外，實施形態(tài)1中，是對感應器2、3其磁極分別為單極的例子進行了說明，但即便是兩極或多極，可以預計也均能獲得同樣的效果。
再有，實施形態(tài)1中，是對交流電源4產生高頻電能的例子進行了說明，但即使用50Hz或60Hz的市電頻率作為電源，也能滿足式(5)。
實施形態(tài)2圖5為本發(fā)明實施形態(tài)2的橫置式感應加熱裝置的構成圖。
圖5(a)中，在鋼鐵熱軋生產線的粗軋機(圖中未示出)和精軋機(圖中未示出)之間利用輸送輥道7a、7b輸送被軋板材8。
而且，隔著被軋板材8對向地配置著一對分別具有兩個(多個)磁極的感應器9、10。
感應器9、10分別由在被軋板材8的板寬方向上的鐵心寬度比被軋板材8的板寬窄的鐵心9a、10a、及卷繞在各磁極上的線圈9b、9c、10b、10c構成。
由交流電源4(圖中未示出)對線圈9b、9c、10b、10c供高頻電能，利用各鐵心9a、10a的磁極產生的磁通，對被軋板材8進行感應加熱。
感應器9、10的鐵心寬度和實施形態(tài)1相同，取小于等于從被軋板材8的板寬減去300mm后的值，鐵心9a、10a配置在被軋板材8的板寬中心線上。
在這樣的構成中，按照交流電源(圖中未示出)的頻率(即加熱頻率)為150Hz、被軋板材8的板厚40mm、輸送速度60mpm、平均升溫量20℃的設定條件進行加熱時，如圖5(c)所示，在加熱過程中板表面和板厚中央近似均勻地升溫。
然而，在電磁式感應加熱裝置中，用電磁線圈按照和橫置式相同的條件對被軋板材加熱時，被軋板材通過電磁線圈時，由于板厚中央幾乎不升溫，因此板表面升溫明顯。對于平均升溫值20℃的設定，板表面在一瞬間過升溫至52℃，約為設定值的2.6倍。
被軋板材8的發(fā)熱分布如圖5(b)所示，從和感應器9、10對向的部位開始擴展，根據情況直至配置在感應器9、10前后的輸送輥道7a、7b。
因此，被軋板材8上流動的電流有可能在和輸送輥道7a、7b的接觸點上產生火花。
為防止上述現象出現，例如用陶瓷涂料等電氣絕緣材料涂在輸送輥道7a、7b上，防止被軋板材8上流動的電流流入輸送輥道7a、7b。
圖6為表示橫置式和電磁式在加熱前后的板溫變化的說明圖。
用電磁式，為了使板表面及板厚中央達到升溫設定溫度20℃，在輸送速度60mpm時，需要20秒以上，換算成距離需要20m。
與此相反，用橫置式在數秒以內即可達到。
實施形態(tài)3圖7為本發(fā)明實施形態(tài)3的橫置式感應加熱裝置線圈接線的說明圖。
圖7中，交流電源4和實施形態(tài)1相同，被軋板材8及感應器9、10和實施形態(tài)2相同。
圖7(a)中，各感應器9、10的線圈9b、9c、10b、10c串聯連接，并與交流電源4及匹配電容11連接。
另外，圖7(b)中，配置在被軋板材8上方的感應器9的線圈9b、9c串聯連接，配置在下方的感應器10的線圈10b、10c串聯連接。
然后，被軋板材8上方的線圈9b、9c和下方的線圈10b、10c與交流電源4并聯連接。
如圖7(a)所示，在感應器9、10的線圈9b、9c、10b、10c全部串聯連接時，即使感應器9、10沒有對稱地配置在被軋板材8的上下方，但流過全部線圈9b、9c、10b、10c的電流仍舊相同，各感應器9、10的電損耗相同。
又如圖7(b)所示，在感應器9的線圈9b、9c和感應器10的線圈10b、10c并聯連接時，由于靠近被軋板材8一側的線圈阻抗變小，有較多的電流流過，所以靠近被軋板材8一側的感應器的電損耗變大圖8為表示被軋板材8和上感應器9的鐵心及下感應器10的鐵心之間的間距與電損耗關系的說明圖。
圖8中，(a)表示上下感應器9、10的鐵心和被軋板材8之間的間距相同均為90mm的情形，(b)表示上感應器9的鐵心和被軋板材8之間的間距為50mm、下感應器10的鐵心和被軋板材8之間的間距為130mm、線圈9b、9c、10b、10c的連接如圖7(a)所示的情形，(c)表示上下感應器9、10和被軋板材8之間的間距和(b)相同、線圈9b、9c和線圈10b、10c并聯連接如圖7(b)所示的情形。
圖8為對任何一種情況都以被軋板材8按照平均升溫量都相等的條件進行比較的結果。
上下感應器9、10的鐵心9a、10a和被軋板材8之間的間距相等時，如圖8(a)所示，各感應器9、10的電損耗相同。
與上不同的是，如圖7(a)所示，在上方的線圈9b、9c和下方的線圈10b、10c串聯連接時，即使感應器9、10相對被軋板材8未對稱配置，但由于在所有的線圈9b、9c、10b、10c中流過的電流相同，故各感應器9、10的電損耗大致相等。
又如圖7(b)所示，在上方的線圈9b、9c和下方的線圈10b、10c并聯連接時，則如圖8(c)所示，間距小的上感應器9一側的損耗增大，比圖7(a)那樣連接時損耗大。
如上所述，當上方的線圈9b、9c和下方的線圈10b、10c并聯連接時，在靠近被軋板材8一側的線圈9b、9c中流過較多的電流，由于靠近一側的感應器9的電損耗增大、線圈的冷卻能力不足，所以有可能限制線圈中流過的電流，限制被軋板材8的升溫值。
相反，如圖7(a)所示，通過將所有的線圈9b、9c、10b、10c串聯連接，從而能使各感應器9、10的電損耗大致相同。
實施形態(tài)4圖9為表示本發(fā)明實施形態(tài)4的構成圖。圖9中，被軋板材1、感應器2、3、及交流電源4和實施形態(tài)1相同。
圖9中，配置著能沿被軋板材1的板寬方向移動的臺車12。各感應器2、3通過升降手段13、14隔著被軋板材1互相對向地配置在臺車12上，能分別單獨地升降。
感應器2、3通過配置在臺車12上的匹配電容15、16接交流電源4。還有，匹配電容15、16也可和臺車12分開設置。
在這樣構成的橫置式感應加熱裝置中，通過利用升降手段13、14使配置在被軋板材1上下的感應器2、3升降，從而能隨意地調整各感應器2、3與被軋板材1之間的間距。
圖10為表示使被軋板材1和配置在上下的感應器2、3的鐵心2a、3a之間的間距變化時板厚方向的升溫分布用的說明圖。
如上下的間距不同，不管上下線圈2b、3b是串聯連接還是并聯連接，總是有間距小的一側的板表面升溫大的傾向存在。
圖11為表示(板上表面發(fā)熱密度)/(板下表面發(fā)熱密度)之比對(上間距)/(下間距)之比用的說明圖。
圖11中，如上下間距不同，則間距小的一側的板表面升溫大。
這樣，在上下間距不同時，由于被軋板材1在厚度方向的升溫不同，所以根據被軋板材1的厚度，利用升降手段13、14調整各感應器2、3的位置，使上下間距相等，通過這樣能使板的上下表面升溫一致。
被軋板材1通過感應器2、3前在板厚方向的溫度分布，由于加熱爐內利用煤氣加熱的加熱工況、支持被軋板材1的滑道(圖中未示出)的吸熱、或從加熱爐中推出后在輸送途中被輸送輥道(圖中未示出)吸熱等原因，被軋板材1的下面溫度通常低于上面。
這種被軋板材1上下面的溫差會造成質量波動，并影響機械加工性能。
但根據上述構成，利用升降手段13、14使上下各感應器2、3升降，調整各感應器2、3和被軋板材1之間的間距，通過使下側的間距比上側的間距小，從而能使板下面的溫度升得比板上面高，因此獲得板的上下面均勻的溫度。
實施形態(tài)5圖12為本發(fā)明實施形態(tài)5的說明圖，為沿被軋板材1的前進方向設置多臺橫置式感應加熱裝置的情形。
圖12(a)為板頭通過時的情形，圖12(b)為板尾通過時的情形。
圖12中，利用輸送輥道18a～18c將被軋板材17從圖左方輸送到圖右方。沿被軋板材17的前進方向從生產線上道工序起配置感應加熱裝置19、20。
然后，感應加熱裝置19、20分別有各自的交流電源(圖中未示出)。設與生產線上道工序的感應加熱裝置19連接的交流電源(圖中未示出)的頻率為F1，設與生產線下道工序的感應加熱裝置20連接的交流電源(圖中未示出)的頻率為F2。
再設從上道工序起第n臺交流電源(圖中未示出)的頻率為Fn，則設K＝1.05～1.20時，上道工序一側交流電源(圖中未示出)和下道工序一側交流電源(圖中未示出)的頻率設定成滿足式(3)。
F1＞F2×K＞…＞Fn×Kn-1……(3)橫置式感應加熱裝置在被軋板材17未處于上下感應器19a、20a之間的無負載狀態(tài)下，由于阻抗增大，因此，在將跟蹤負載的諧振頻率運轉的變頻器作為交流電源使用時，如圖12所示，頻率較有負載時降低。
被軋板材17從上道工序一側送來的板頭通過感應器19a、20a之際，如將上道工序一側的感應加熱裝置19的加熱頻率設定得低于下道工序一側的感應加熱裝置20的加熱頻率，則板的頭部通過后的感應加熱裝置19和板的頭部通過中的下道工序的感應加熱裝置20的加熱頻率在一瞬間變成一致。
因此，相鄰的感應加熱裝置19、20之間產生磁干擾，加熱溫度不穩(wěn)定，或電源會跳閘。
但是，通過將生產線上道工序一側交流電源(圖中未示出)的頻率設定得比下道工序一側交流電源(圖中未示出)的頻率高，從而，能防止被軋板材17的頭部通過上道工序一側的感應加熱裝置19后電源跳閘的現象發(fā)生。
根據本發(fā)明，通過將感應器在被軋板材板寬方向上的鐵心寬度做得比被軋板材板寬窄，并配置在被軋板材板寬中心線上，并且選擇加熱頻率，使所述式(1)的電流滲透深度δ滿足所述的式(2)，從而，能對被軋板材長度方向的中央部分連續(xù)加熱，同時不讓板表面過度升溫。
工業(yè)上的實用性本發(fā)明適用于能對被軋板材長度方向的中央部分連續(xù)加熱、同時不讓被軋板材的板表面過度升溫的橫置式感應加熱裝置。
權利要求
1.一種橫置式感應加熱裝置，在這種鋼鐵熱軋生產線的粗軋機和精軋機之間使由鐵心及卷繞在該鐵心上的線圈組成的感應器隔著被軋板材互相對向配置、并利用由交流電源供電的所述感應器對輸送輥道輸送的所述被軋板材進行加熱的橫置式感應加熱裝置中，其特征在于，將所述感應器在所述被軋板材板寬方向上的鐵心寬度做得比所述被軋板材板寬窄，并配置在所述被軋板材的板寬中心線上，設電流滲透深度為δ(m)、所述被軋板材的電阻率為ρ(Ω-m)、所述被軋板材的磁導率為μ(H/m)、所述交流電源的加熱頻率為f(Hz)、圓周率為π、及所述被軋板材的板厚為tw(m)時，設定所述交流電源的加熱頻率，使得下述式(1)的電流滲透深度δ滿足下述式(2)。δ＝[ρ/(μ·f·π)]……(1)tw/δ＜0.95……(2)
2.如權利要求1所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，所述感應器的磁極由多極構成。
3.如權利要求1或2中任一項所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，所述各線圈串聯連接。
4.如權利要求1至3中任一項所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，所述各感應器的結構做成利用所述升降手段分別能沿所述被軋板材板厚方向移動。
5.如權利要求1至4中任一項所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，沿所述被軋板材前進方向至少設置兩組所述感應器，將所述輸送輥道配置在所述感應器之間。
6.如權利要求5所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，所述各感應器的鐵心設置在所述被軋板材板寬中心線上。
7.如權利要求5或6中任一項所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，所述輸送輥道表面涂，電氣絕緣材料。
8.如權利要求1所述的橫置式感應加熱裝置，其特征在于，從鋼鐵熱軋生產線的上道工序起向下道工序配置多臺所述感應器，并且所述感應器分別逐臺與所述交流電源連接，設從所述鋼鐵熱軋生產線的上道工序起所述交流電源的加熱頻率為F1、F2、…Fn，設K＝1.05～1.20時，所述各交流電源的加熱頻率設定成滿足下述式(3)的關系。F1＞F2×K＞…＞Fn×Kn-1……(3)
全文摘要
在利用交流電源4供電的感應器2、3對被軋板材1進行加熱的橫置式感應加熱裝置中，將感應器2、3在被軋板材1板寬方向上的鐵心寬度做得比被軋板材1的板寬窄，并配置在被軋板材1的板寬中心線上，設電流滲透深度為δ(m)、被軋板材1的電阻率為ρ(Ω－m)、被軋板材1的磁導率為μ(H/m)、交流電源4的加熱頻率為f(Hz)、圓周率為π、及被軋板材1的板厚為tw(m)時，設定交流電源4的加熱頻率，使式(1)的電流滲透深度δ滿足式(2)。δ＝[ρ/(μ·f·π)]tw/δ＜0.95……(2)
文檔編號H05B6/44GK1701638SQ20048000090
公開日2005年11月23日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權日2003年3月31日
發(fā)明者江口俊信, 坂本秀夫, 西條哲弘 申請人:三菱電機株式會社