АППАРАТ ДЛЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
APPARATUS FOR HEATING METAL ITEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к нагревательному аппарату для металлических изделий, используемому в черной металлургии, например, на литейных заводах, в прокатных цехах, на их комбинациях, или на других предприятиях, где необходимо каждый раз нагревать металлическое изделие. Нагревательный аппарат использует электромагнитную индукцию для нагрева металлических изделий.
В качестве неограничительного примера, рассматриваемые готовые или промежуточные металлические изделия могут быть слябами, болванками, брусками и т.п.с круглым, квадратным, прямоугольным или подобным поперечным сечением.
Уровень техники
При производстве металлических изделий, таких как слябы, болванки, бруски или другие подобные изделия, известно, что изделия нагревают или выдерживают при заданной температуре, чтобы получить металлическое изделие без трещин и с требуемыми характеристиками в каждом случае.
Это может быть достигнуто посредством надлежащих аппаратов индукционного нагрева, которые на основе магнитного поля, создаваемого ими в каждом случае, и, в частности, посредством электрических токов, индуцируемых в металлическом изделии, позволяют нагревать часть сечения металлического изделия благодаря эффекту Джоуля.
Существуют аппараты индукционного нагрева, так называемые нагреватели с продольным потоком (LFH, от англ. Longitudinal Flux Heaters), в которых индукционные катушки или обмотки окружают камеру, в которой перемещают подлежащее нагреву металлическое изделие, так что создаваемое магнитное поле параллельно подлежащему нагреву металлическому изделию и ориентировано в направлении движения подлежащего нагреву металлического изделия вдоль нагревательного аппарата.
Нагревательные аппараты LFH особенно подходят для нагрева длинных металлических изделий, имеющих круглое, квадратное или прямоугольное сечение.
В таких нагревательных аппаратах катушки обычно встроены в покрытие из огнеупорного материала, например, цемента, и их охлаждение происходит посредством ряда труб, по которым течет охлаждающая вода.
Цементное покрытие расположено со стороны камеры, в которой перемещают подлежащее нагреву металлическое изделие, а в камере может быть очень высокая температура, вплоть до 1100°С, в то время как температура на катушках, обычно расположенных в нескольких сантиметрах от поверхности охлаждаемой камеры, не превышает примерно 100°С.
Таким образом, разница температуры между поверхностью нагревательной камеры и зоной, где находятся охлаждаемые катушки, очень большая, что приводит к неконтролируемым тепловым расширениям внутри материала покрытия камеры, вызывая такие вредные явления, как трещины, разломы и т.п., распространяющиеся в нагревательном аппарате и со временем становящиеся все более глубокими, пока нагревательный аппарат не станет непригодным для использования.
Эта проблема обостряется с увеличением размера нагревательного аппарата по ширине, например, при нагреве таких металлических изделий, как слябы и т.п., или по длине, например, при нагреве таких металлических изделий, как болванки и т.п.
Встраивание катушек в цементное покрытие также означает, что на катушках трудно проводить операции техобслуживания, а также то, что они могут быть повреждены из-за развития трещин или разрывов в огнеупорном материале, в который они встроены.
Далее, огнеупорный материал может быть поврежден и разрушен в результате механической вибрации, а также перепада температуры, порождающего явления теплового расширения, как указано выше.
Поэтому существует необходимость в таком усовершенствовании нагревательного аппарата для металлических изделий, которое может преодолеть по меньшей мере один из недостатков современного уровня техники.
В частности, одной из целей настоящего изобретения является создание такого нагревательного аппарата для металлических изделий, в частности аппарата типа LFH, который способен выдерживать высокую температуру и явления теплового расширения, обеспечивая тем самым эффективную тепловую защиту, как для самого нагревательного аппарата, так и для индукционных катушек.
Другой целью настоящего изобретения является создание такого нагревательного аппарата для металлических изделий, который позволяет значительно снизить температуру элементов, расположенных за нагревательной камерой, т.е. нагревательных катушек, несущих элементов или иных.
Другой целью настоящего изобретения является создание такого нагревательного аппарата для металлических изделий, который позволяет уменьшить излучательные тепловые потери, тем самым повышая общую эффективность индукционного нагрева, благодаря, в частности, высокой термостойкости.
Другой целью настоящего изобретения является создание такого нагревательного аппарата для металлических изделий, который имеет высокие эффективность, универсальность и способность к адаптации к различным требованиям нагрева.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание такого нагревательного аппарата для металлических изделий, в котором, благодаря использованию по меньшей мере одного теплового экрана, выполнена тепловая развязка между внутренней и наружной сторонами нагревательной камеры, т.е. между зоной, где происходит нагрев металлического изделия, и зоной, где расположены охлаждаемые индукционные катушки.
Заявитель разработал, испытал и осуществил настоящее изобретение для преодоления недостатков современного уровня техники и достижения этих и других целей и преимуществ.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение изложено и охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, а в зависимых пунктах формулы изобретения раскрыты другие характеристики изобретения или варианты основной изобретательской идеи.
Согласно вышеуказанным целям одной целью изобретения является нагревательный аппарат для металлических изделий, способный нагревать посредством электромагнитной индукции по меньшей мере одно металлическое изделие, расположенное в нагревательной камере и перемещаемое вдоль направления подачи; причем нагревательный аппарат содержит одну или более нагревательных катушек, расположенных по кольцу вокруг нагревательной камеры и подлежащего нагреву металлического изделия; причем одна или более нагревательных катушек расположены по существу поперечно к направлению подачи металлического изделия и способны создавать магнитное поле, имеющее направление, по существу параллельное или совпадающее с направлением подачи подлежащего нагреву изделия и ориентированное в ту же сторону, что и направление подачи подлежащего нагреву изделия; причем нагревательный аппарат также содержит по меньшей мере один тепловой экран, расположенный между одной или более нагревательными катушками и подлежащим нагреву металлическим изделием; причем тепловой экран содержит стенки, оборудованные блоками из тепло- и электроизоляционного материала и расположенные вокруг подлежащего нагреву металлического изделия, а также содержит охлаждающие трубы, расположенные в этих стенках и выполненные с обеспечением возможности протекания по меньшей мере одной охлаждающей текучей среды.
Данный нагревательный аппарат, оборудованный тепловым экраном и способный создавать магнитное поле, имеющее направление по существу параллельное или совпадающее с направлением подачи подлежащего нагреву металлического изделия и ориентированное в ту же сторону, что и направление подачи подлежащего нагреву изделия, обеспечивает преимущество, состоящее в возможности получения эффективной тепловой защиты по существу на 360°, т.е. во всех зонах аппарата, окружающих подлежащее нагреву металлическое изделие и, следовательно, расположенных радиально по отношению к нему, причем данная тепловая защита позволяет значительно и во всех направлениях снизить температуру поверхности элементов, расположенных за нею, например, нагревательных катушек, и уменьшить излучательные тепловые потери, тем самым повышая общую эффективность индукционного нагрева благодаря высокой термостойкости теплового экрана, и, кроме того, она лишь ограниченно подвержена или вообще не подвержена вредным явлениям, связанным с тепловым расширением.
Согласно другому аспекту изобретения блоки, которыми оборудованы стенки, могут быть расположены смежно друг с другом, и между ними может быть оставлено свободное пространство для обеспечения соответствующего теплового расширения данного теплового экрана.
В некоторых вариантах осуществления изобретения стенки теплового экрана могут содержать по меньшей мере одну плиту из тепло- и электроизоляционного материала, на которой расположены эти блоки и охлаждающие трубы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения тепловой экран может иметь по существу квадратное или прямоугольное поперечное сечение и может быть образован по меньшей мере двумя стенками, независимыми друг от друга.
Согласно другим аспектам изобретения тепловой экран может содержать одну или две пары расположенных друг напротив друга и параллельных стенок и соединительные элементы, независимые от стенок и расположенные в соответствии с угловыми зонами, заданными между расположенными друг напротив друга боковыми стенками.
Согласно другим характеристикам изобретения между блоками стенок могут быть выполнены отсеки для размещения охлаждающих труб или охлаждающих катушек, причем отсеки предпочтительно содержат по меньшей мере две расположенные друг напротив друга изогнутые боковые стенки.
В некоторых вариантах осуществления изобретения нагревательный аппарат может содержать множество нагревательных катушек, расположенных последовательно и выровненных в направлении подачи и в направлении создаваемого магнитного поля.
Каждая из нагревательных катушек может содержать свои собственные соединительные элементы, которые могут быть связаны посредством надлежащих съемных крепежных средств с несущим элементом, проходящим вдоль нагревательного аппарата.
В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или более нагревательных катушек выполнены как единый цельный медный элемент.
В других вариантах осуществления изобретения одна или более нагревательных катушек могут быть выполнены как один или более слоев смежных проводников типа литцендрата, т.е. проводников, образованных несколькими проводящими жилами, электрически изолированными друг от друга, переплетенными или непереплетенными и находящимися внутри некоторой оболочки.
Краткое описание чертежей
Эти и другие характеристики настоящего изобретения станут очевидными из дальнейшего раскрытия некоторых вариантов осуществления, приведенных в качестве неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 - трехмерный вид нагревательного аппарата для металлических изделий согласно настоящему изобретению;
- фиг. 2 - вид спереди рассматриваемого нагревательного аппарата;
- фиг. 2а - вид в увеличенном масштабе части нагревательного аппарата по фиг. 2;
- фиг. 3 - еще один трехмерный вид рассматриваемого нагревательного аппарата;
- фиг. 4 - вид в увеличенном масштабе некоторой зоны рассматриваемого нагревательного аппарата;
- фиг. 5 - вид сбоку рассматриваемого нагревательного аппарата.
Чтобы облегчить понимание, для обозначения одинаковых общих элементов на чертежах там, где это возможно, использованы одинаковые ссылочные номера. Понятно, что элементы и характеристики одного варианта осуществления изобретения могут быть легко введены в другие варианты осуществления изобретения без дальнейших пояснений.
Осуществление изобретения
Теперь мы подробно рассмотрим различные варианты осуществления настоящего изобретения, один или более примеров которых показаны на прилагаемых чертежах. Каждый пример приведен в качестве иллюстрации изобретения, и его не следует понимать как какое-либо ограничение изобретения. Например, характеристики, показанные или раскрытые в той мере, в какой они являются частью одного варианта осуществления изобретения, могут быть использованы по отдельности или в сочетании с другими вариантами осуществления изобретения для получения другого варианта осуществления. Понятно, что настоящее изобретение должно включать в себя все такие модификации и варианты.
Прежде чем раскрывать эти варианты осуществления изобретения, мы также обязаны пояснить, что настоящее раскрытие не ограничено в своем применении деталями устройства и расположения компонентов, как показано в приведенном далее раскрытии с использованием прилагаемых чертежей. Настоящее раскрытие может обеспечить другие варианты осуществления изобретения и может быть получено или выполнено различными другими способами. Мы также обязаны пояснить, что используемые здесь фразеология и терминология предназначены только для целей раскрытия и их нельзя рассматривать как ограничивающие.
Как показано на прилагаемых чертежах, нагревательный аппарат 10 согласно настоящему изобретению способен нагревать посредством электромагнитной индукции по меньшей мере одно металлическое изделие 11, расположенное в нагревательной камере 12 и перемещаемое в направлении подачи Х1, см. например, фиг. 1.
В частности, показанное металлическое изделие 11 может быть удлиненным металлическим изделием, таким как брусок или болванка, имеющим квадратное или прямоугольное поперечное сечение. Однако металлическое изделие 11, перемещаемое в направлении подачи Х1, может также представлять собой сляб, катанку или иное.
Нагревательный аппарат 10 содержит одну или более нагревательных катушек 13, см. также фиг. 5, способных нагревать металлическое изделие 11 посредством электромагнитной индукции.
Одна или более нагревательных катушек 13 расположены по кольцу вокруг нагревательной камеры 12 и, следовательно, вокруг подлежащего нагреву металлического изделия 11.
Одна или более нагревательных катушек 13 расположены по существу поперечно относительно направления подачи Х1 и способны создавать магнитное поле, имеющее направление М1, по существу параллельное или совпадающее с направлением подачи Х1, как показано, например, на фиг. 1. Магнитное поле также ориентировано в ту же сторону, что и направление подачи Х1.
Нагревательный аппарат 10 содержит по меньшей мере один тепловой экран 14, расположенный между одной или более нагревательными катушками 13 и подлежащим нагреву металлическим изделием 11.
Тепловой экран 14 содержит стенки 15, оборудованные блоками 16 из тепло- и электроизоляционного материала, и охлаждающие трубы 17, расположенные в стенках 15. В охлаждающие трубы 17 подают надлежащую охлаждающую текучую среду, например, воду или иное. В частности, стенки 15 образованы блоками 16, расположенными соответствующим образом рядом.
Тепловой экран 14 имеет высокую электромагнитную эффективность, полностью прозрачен с электромагнитной точки зрения для продольного магнитного потока в направлении М1 с потерями менее 0,1% от общей мощности нагрева. Тепловой экран позволяет снизить излучательные тепловые потери, тем самым повышая общую эффективность нагрева посредством индукции благодаря своей высокой термостойкости. В частности, тепловой экран 14 обеспечивает тепловую защиту во всех направлениях нагревательной камеры 12 и, следовательно, нагревательного аппарата 10, т.е. защиту на 360°. Таким образом, температура в направлении изнутри наружу нагревательной камеры 12 резко снижена во всех направлениях.
Блоки 16, см. также увеличенные изображения на фиг. 2а и фиг. 4, расположены смежно друг с другом, и между ними оставлено определенное свободное пространство S, чтобы компенсировать тепловые расширения, возникающие в нагревательном аппарате 10. Величина свободного пространства S может быть выбрана в соответствии с проектом, например, в зависимости от типа нагревательного аппарата 10, в котором установлен тепловой экран 14.
Тепловой экран 14, см., например, фиг. 2, может иметь квадратное или прямоугольное поперечное сечение. Тепловой экран 14 образован по меньшей мере двумя стенками 15, независимыми друг от друга.
В варианте осуществления изобретения, показанном в качестве неограничительного примера, показаны четыре независимые друг от друга стенки 15.
Тепловой экран 14 может иметь одну или две пары расположенных друг напротив друга и параллельных стенок 15 и соединительные элементы 18, расположенные в соответствии с углами нагревательной камеры и углами стенок. Соединительные элементы 18 будут выполнены с определенным наклоном по отношению к стенкам 15 теплового экрана 14.
Блоки 16 расположены рядом, и между ними выполнен отсек 19, 19' для размещения по меньшей мере одной охлаждающей трубы 17, см. также увеличенное изображение на фиг. 2а, или части охлаждающей катушки 20, образованной охлаждающими трубами 17, см. фиг. 4.
Блоки 16 могут быть, например, небольшими кирпичами, плитками и т.п. и могут быть изготовлены из огнеупорного материала.
Отсек 19, 19' ограничен боковыми стенками 21, сформированными между блоками 16 и имеющими изогнутую форму, чтобы обеспечить более устойчивое расположение для охлаждающих труб 17 или охлаждающей катушки 20.
Стенки 15 теплового экрана 14 также содержат плиту 22 из электро- и теплоизоляционного материала. Охлаждающие трубы 17 и блоки 16 размещены на плите 22.
Плита 22 с расположенными рядом охлаждающими трубами 17 и блоками 16 может быть также помещена на несущий элемент 23, например, в виде профилированного элемента или подобного элемента, изготовленного из тепло- и электроизоляционного материала.
На фиг. 3 показан рассматриваемый нагревательный аппарат 10, в котором одна из нагревательных катушек 13 была удалена, чтобы выделить охлаждающие трубы 17. Охлаждающие трубы 17 оснащены надлежащими соединителями 24 для соединения с гидравлическим контуром для подачи охлаждающей текучей среды.
На фиг. 5 показан вид сбоку рассматриваемого нагревательного аппарата 10, в котором последовательно установлено множество нагревательных катушек 13, например, четыре нагревательные катушки 13. Возможность использования нескольких нагревательных катушек 13, расположенных последовательно, дает рассматриваемому нагревательному аппарату повышенную модульность и возможность адаптации к конкретным требованиям нагрева, а также позволяет изготавливать нагревательные устройства определенной длины.
Затем нагревательные катушки 13 размещены последовательно, выровнены в направлении подачи Х1 и создают магнитное поле в направлении М1.
Каждая из нагревательных катушек 13 не зависит от другой и поэтому может быть легко заменена другой нагревательной катушкой 13. Фактически, каждая из нагревательных катушек 13 содержит свои собственные соединительные элементы 25, которые могут быть связаны посредством надлежащих съемных крепежных средств 26, таких как болты, штифты и т.п., с несущим элементом 27, проходящим вдоль нагревательного аппарата 10, например, на верхней части нагревательного аппарата 10.
Нагревательные катушки 13 могут быть выполнены как единый цельный медный элемент. Этот цельный медный элемент является полым и имеет охлаждающий контур. Нагревательные катушки 13 как единый цельный медный элемент могут быть использованы, в частности, для низких рабочих частот, обычно меньше или равных примерно 1000 Гц. Этот цельный медный элемент может иметь любое поперечное сечение, например, квадратное, прямоугольное, круглое или иное.
Нагревательные катушки 13 могут быть выполнены также как проводники типа литцендрата, т.е. проводники, образованные несколькими проводящими жилами, электрически изолированными друг от друга, переплетенными или непереплетенными и находящимися внутри некоторой оболочки.
Нагревательная катушка 13 может быть образована одним или более слоями проводников типа литцендрата, расположенных рядом друг с другом. В этом случае также нагревательные катушки 13 будут иметь свой собственный охлаждающий контур. Проводники типа литцендрата позволяют значительно снизить потери из-за скин-эффекта и эффекта близости, что приводит к улучшению общей эффективности нагрева нагревательного аппарата 10. Нагревательные катушки 13 с проводниками типа литцендрата могут быть использованы, в частности, для средних рабочих частот, обычно составляющих от 1000 до 10000 Гц.
Как мы видели, рассматриваемый нагревательный аппарат 10, оборудованный тепловым экраном 14 и способный создавать магнитное поле, имеющее направление М1 по существу параллельное или совпадающее с направлением подачи Х1 подлежащего нагреву металлического изделия 11 и ориентированное в том же направлении, что и направление подачи подлежащего нагреву изделия, обеспечивает преимущество, состоящее в возможности получения эффективной тепловой защиты по существу на 360°, т.е. во всех зонах аппарата, окружающих подлежащее нагреву металлическое изделие 11 и, следовательно, расположенных радиально по отношению к нему, причем данная тепловая защита позволяет значительно и во всех направлениях снизить температуру поверхности элементов, расположенных за нею, например, нагревательных катушек 13, и уменьшить излучательные тепловые потери, тем самым повышая общую эффективность индукционного нагрева благодаря высокой термостойкости теплового экрана 14, и, кроме того, она лишь ограниченно подвержена или вообще не подвержена вредным явлениям, связанным с тепловым расширением.
Преимущественно, кроме того, рассматриваемый нагревательный аппарат 10 позволяет получить благодаря использованию по меньшей мере одного теплового экрана 14 тепловую развязку между внутренней и наружной сторонами нагревательной камеры 12, следовательно, между зоной нагрева металлического изделия и зоной, где расположены охлаждаемые нагревательные катушки 13.
Ясно, что в нагревательный аппарат, раскрытый выше, могут быть внесены изменения и/или добавлены детали без отступления от области и объема настоящего изобретения.
Также ясно, что, хотя настоящее изобретение было раскрыто со ссылкой на некоторые конкретные примеры, специалист в данной области техники, несомненно, сможет создать множество других эквивалентных форм нагревательных аппаратов, обладающих характеристиками, изложенными в формуле изобретения, и, следовательно, попадающих в область охраны, определенную настоящим изобретением.
В нижеследующей формуле изобретения ссылки в скобках приведены исключительно для облегчения чтения: их не следует рассматривать как ограничительные факторы в отношении области охраны, заявленной в конкретных пунктах формулы изобретения.