ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЭКРАН ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКТОРА И УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ ЭКРАН
HEAT INSULATING SCREEN FOR INSULATION OF ELECTROMAGNETIC INDUCTOR, AND HEAT TREATMENT PLANT CONTAINING SUCH SCREEN

Область техники
Настоящее изобретение относится к охлаждаемому теплозащитному экрану, проницаемому для магнитного потока и предназначенному для тепловой изоляции электромагнитного индуктора с поперечным или псевдопоперечным полем от излучения нагреваемого изделия. Теплозащитный экран образован матрицей из кирпичей, изготовленных из теплоизоляционного материала, и множеством металлических трубок, охлаждаемых в результате циркуляции в них некоторой текучей среды, причем эти трубки заключены в упомянутую матрицу из кирпичей, и эти трубки и матрица из кирпичей размещены на основании со стороны, противоположной расположению подлежащего нагреванию изделия.
Более конкретно, настоящее изобретение относится, но не исключительно, к теплоизоляционному экрану, предназначенному для устройства нагревания при помощи электромагнитной индукции непрерывно движущейся металлической ленты.
В патентном документе ЕР 1349431 раскрыта камера с теплоизоляционным экраном и основание, образованное оболочкой.
Материалы, из которых изготовлено основание, являются электроизоляционными и представляют собой, например, композитный материал, стекловолокно в сочетании с эпоксидной смолой или смолой другого типа, стекло или керамику. Основание теплозащитного экрана не должно подвергаться воздействию слишком высокой температуры и составляет обычно менее 120°С, и предпочтительно менее 90°С, в соответствии с характером используемого в данном случае материала, из которого изготовлено это основание.
Электромагнитные катушки, которые обеспечивают нагрев в результате электромагнитной индукции, располагаются с той стороны экрана, которая противоположна подлежащему нагреванию изделию. Для обеспечения удовлетворительного энергетического коэффициента полезного действия необходимо, чтобы катушки располагались возможно более близко к подлежащему нагреванию изделию. Таким образом, желательно, чтобы толщина различных перегородок экрана была как можно меньше, обеспечивая при этом достаточно эффективную тепловую защиту.
Тенденция, в частности, по металлургическим соображениям, при этом состоит в повышении температуры подлежащего нагреванию изделия таким образом, что по существу возрастает опасность повышения температуры основания теплозащитного экрана сверх допустимого предела.
Чтобы лучше защитить основание теплозащитного экрана, можно рассматривать вариант уменьшения расстояния между трубками охлаждения, предназначенными для циркуляции охлаждающей текучей среды. Однако трубки предпочтительным образом сформированы в виде прямолинейных отрезков змеевика, полученных в результате многократного сгибания в противоположных направлениях трубки некоторой длины. При этом диаметр используемых трубок определяет минимальный радиус кривизны упомянутого сгибания таким образом, что отсутствует возможность сокращения расстояния между этими трубками ниже некоторой величины, определяемой допустимым радиусом изгиба трубок.
Недостатки существующей технологии изготовления подобных теплозащитных экранов определяются не только технологическими проблемами формирования петель в результате изгибания трубок под углом 180° с уменьшенным радиусом изгиба, но также и проблемами, создаваемыми уменьшением межосевого расстояния между трубками. Такое уменьшение межосевого расстояния приводит к тому, что:
- возрастают тепловые потери, так как возникают дополнительные потери в магнитном поле, поскольку длина трубок, находящихся в магнитном поле, увеличивается,
- снижается температура поверхности кирпичей, что может затрагивать процесс нагрев изделия.
Краткое изложение существа изобретения
Техническая задача настоящего изобретения прежде всего состоит в создании охлаждаемого теплоизоляционного экрана, который позволяет обеспечить наилучшую тепловую защиту основания экрана без заметного увеличения толщины слоя теплоизоляционного материала и без изменения расстояния между трубками системы охлаждения путем циркуляции некоторой текучей среды.
В соответствии с предлагаемым изобретением теплоизоляционный экран, проницаемый для магнитного потока, предназначен для тепловой изоляции электромагнитного индуктора с поперечным или псевдопоперечным полем от излучения нагреваемого изделия, при этом теплоизоляционный экран образован матрицей из кирпичей, изготовленных из теплоизоляционного материала, и множеством металлических трубок, охлаждаемых путем циркуляции в них некоторой текучей среды, причем трубки заключены в упомянутую кирпичную матрицу, и вместе с кирпичами удерживаются на основании, указанный экран характеризуется тем, что теплопроводные средства предусмотрены позади кирпичей, причем теплопроводные средства находятся в тепловой связи с трубками охлаждения, и упомянутые теплопроводные средства перекрывают поток тепловой энергии, который проходит через кирпичи, и отводит его в направлении к трубкам охлаждения.
Теплоизоляционный экран в соответствии с изобретением обеспечивает защиту основания, снижая температуру функционирования этого основания.
Предпочтительно теплопроводные средства дополнительно снабжены средствами, предназначенными для устранения или снижения тепловых потерь, возникающих вследствие наведенных электрических токов, порождаемых магнитным потоком.
Теплопроводные средства изготовлены из нержавеющей стали, из бронзы, из меди или из другого подходящего в данном случае материала.
Теплопроводные средства могут быть могут быть образованы экраном, изготовленным из теплопроводного материала, в частности металлическим экраном, находящимся в тепловой связи с трубками охлаждения. Предпочтительно экран образован металлическими крылышками, проходящими позади кирпичей, причем каждое крылышко находится в тепловом контакте с одной охлаждающей трубкой.
Средства, предназначенные для исключения или уменьшения образования наведенных электрических токов, могут содержать щели, выполненные в теплопроводных средствах. Эти щели ориентированы главным образом в поперечном направлении по отношению к продольному направлению трубок, но они также могут быть наклонными.
Предпочтительно щели открываются на продольных кромках металлического экрана и заканчиваются в непосредственной близости от центральной части.
Оптимизация теплозащитного экрана обеспечивается в том случае, когда наведенные электрические токи являются предельно малыми. Для этого предусматриваются крылышки, поверхность которых, перпендикулярная к направлению магнитного поля, является достаточно малой. Удовлетворительный результат обеспечивается путем уменьшения шага расположения щелей в результате модификации ширины щели и/или модификации ширины крылышка и его толщины.
В соответствии с одним из вариантов реализации крылышки могут быть реализованы в виде отрезков металлической проволоки, ориентированных в радиальном направлении и закрепленных на трубках охлаждения.
Каждое крылышко может проходить с каждой стороны трубки, по существу на половине расстояния между двумя соседними трубками охлаждения.
Каждое крылышко может быть присоединено при помощи сварки к соответствующей трубке охлаждения. Зона крылышка, находящаяся в контакте с трубкой, может иметь форму лотка, который охватывает некоторую часть контура трубки.
Крылышки могут быть реализованы при помощи щелей, выполненных в системе, образованной трубкой охлаждения и экраном и выполненной в виде одной детали методом экструзии или вытяжки.
Предпочтительно крылышки проходят вдоль всей длины трубок охлаждения в зоне индуктора, подлежащего защите от теплового потока.
Предлагаемое изобретение также относится к технологической установке, предназначенной для термической обработки, в частности к нагревательной печи, содержащей электромагнитный индуктор с поперечным или псевдопоперечным полем, предназначенный для нагревания того или иного изделия, характеризующийся тем, что установка содержит предназначенный для защиты индуктора от теплового излучения нагреваемого изделия по меньшей мере один теплоизоляционный экран типа экрана, раскрытого выше.
Краткое описание чертежей
Предлагаемое изобретение поясняется ниже описанием не являющихся ограничительными примеров реализации, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему технологической установки для термической обработки металлических лент с теплоизоляционным экраном, проницаемым для магнитного потока, согласно изобретению.
Фиг.2 - поперечный разрез теплоизоляционного экрана некоторые элементы удалены, согласно изобретению.
Фиг.3 - вид сверху теплоизоляционного экрана (некоторые элементы удалены), согласно изобретению.
Фиг.4 - поперечный разрез детали IV на фиг.2, где показаны теплопроводные средства, согласно изобретению.
Фиг.5 - схему теплопроводного средства спереди, согласно изобретению.
Фиг.6 - частичный вид сверху теплопроводного средства, согласно изобретению
Фиг.7 - вертикальный разрез теплопроводного средства, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.1 схематически представлена вертикальная печь Н, входящая в технологическую линию термической обработки металлической ленты 1, в частности стальной ленты, которая находится в непрерывном движении с постоянной или с изменяемой скоростью. В описываемом варианте реализации лента 1 перемещается в вертикальном направлении между двумя направляющими роликами, соответственно нижним роликом 2 и верхним роликом 3. Этот пример реализации не является ограничительным и лента 1 может перемещаться и в горизонтальном направлении в горизонтально расположенной печи.
Печь обычно имеет призматическую форму с прямоугольным поперечным сечением и ее внутренний объем изолирован от внешней атмосферы. Состав газовой смеси внутри печи может быть различным в различных зонах этой печи. Эта газовая смесь обладает относительно высоким содержанием водорода, способствующего теплообмену.
Печь Н содержит по меньшей мере одно поперечное сечение 4 нагрева, оборудованное с каждой стороны от ленты 1 половиной электромагнитного индуктора 5а, 5b с поперечным или с псевдопоперечным магнитным потоком. Пара этих половин индуктора совместно образует электромагнитный индуктор нагрева.
На уровне расположения половин индукторов 5а, 5b предусмотрен теплоизоляционный экран Е, проницаемый для магнитного потока и предназначенный для тепловой защиты индукторов от воздействия нагреваемого изделия, в данном случае представляющего собой ленту 1.
Как показано на фиг.2, экран Е содержит основание 6 из электроизоляционного материала и, в частности, непроницаемое для газа. Основание 6 предпочтительно изготовлено из композитного материала с использованием эпоксидной или другой подобной смолы.
Минимальное расстояние k (фиг.2) между располагающимися друг против друга поверхностями экрана Е вдоль направления, перпендикулярного направлению движения ленты 1, определяется соображениями, имеющими целью устранить всякий контакт между лентой и внутренней поверхностью экрана. Размер k может иметь величину порядка двадцати сантиметров.
Внутренние поверхности основания 6 подпирают и удерживают при помощи средств крепления (не показаны) матрицу В, состоящую из кирпичей 7, изготовленных из теплоизоляционного материала, в частности из керамики, и множество трубок 8 охлаждения посредством циркуляции в них текучей среды, в качестве которой обычно используется вода. Трубки 8 обычно являются металлическими, но могут быть изготовлены и из другого материала, например из стекла, полностью проницаемого для магнитного поля. Трубки 8 заключены в кирпичной матрице 7 и защищены от непосредственного теплового излучения нагреваемой ленты 1.
Трубки 8 предпочтительно состоят из прямолинейных отрезков. В соответствии с примером реализации на фиг.3 трубки 8 представляют собой участки непрерывного змеевика, полученного путем последовательного изгибания на угол 180° в противоположных направлениях одной трубки. Вход и выход охлаждающей текучей среды предусматривается для каждого змеевика. Несколько змеевиков, образующих располагающиеся последовательно панели, могут примыкать к внутренней стенке основания 6. Внутренний диаметр трубок 8 имеет величину в диапазоне от около восьми до десяти миллиметров.
Кирпичи 7, (фиг. 2 и 4), представляют собой по существу прямоугольные блоки в форме параллелепипедов, две продольные поверхности которых содержат вырезы 7а, 7b в форме цилиндрических участков, способных охватывать контур двух последовательно расположенных трубок 8. Кирпичи 7 могут, таким образом, быть вставленными между двумя прямолинейными трубками 8. Кирпичи 7 упираются один в другой вдоль продольного направления трубок 8. Небольшое свободное пространство 9 (фиг.4) находится в поперечном направлении между двумя соседними кирпичами 7.
Передняя поверхность 7с кирпичей 7 представляет собой поверхность, которая непосредственно подвергается воздействию теплового излучения, исходящего от ленты 1. Задняя поверхность 7d этих кирпичей, которая представляет собой поверхность, наиболее удаленную от ленты 1, имеет температуру, определенно более низкую, чем температура передней поверхности 7с, вследствие противодействующего теплового сопротивления кирпича 7 и отведения тепловой энергии, которое обеспечивается при помощи трубок 8 и охлаждающей текучей среды.
Для обеспечения максимального энергетического коэффициента полезного действия нагревания ленты 1 при помощи электромагнитной индукции с поперечным или псевдопоперечным потоком желательно размещать индукторы как можно ближе к ленте 1. В том случае, когда температура обработки ленты 1 повышается, возникает опасность того, что основание 6 будет подвергаться воздействию слишком высокой температуры.
Чтобы обеспечить эффективную тепловую защиту основания 6 без увеличения толщины теплоизоляционных кирпичей 7 и без уменьшения расстояния между последовательно расположенными охлаждающими трубками 8, в соответствии с предлагаемым изобретением на задней поверхности 7d кирпичей предусмотрены теплопроводные средства 10 для отведения потока тепловой энергии Q, проходящего через кирпичи 7. Теплопроводные средства 10 находятся в тепловой связи с охлаждающими трубками 8 для отведения потока тепловой энергии Q в направлении упомянутых трубок и в направлении охлаждающей жидкости, циркулирующей в этих трубках. Кроме того, теплопроводные средства 10 оборудованы (фиг.6) средствами 11, предназначенными для устранения или уменьшения образования наведенных электрических токов, порождаемых переменным поперечным электромагнитным потоком.
Предпочтительно теплопроводные средства 10 образованы металлическим экраном S (фиг.4), имеющим относительно небольшую толщину j, величина которой составляет, например, менее пяти миллиметров. Экран S покрывает преобладающую часть задних поверхностей 7d кирпичей.
Металлический экран S образован совокупностью металлических крылышек 12, отличающихся друг от друга. С каждой охлаждающей трубкой 8 связаны металлические крылышки 12, закрывающие заднюю поверхность 7d кирпичей, причем каждое крылышко находится в тепловом контакте с соответствующей охлаждающей трубкой 8. При этом термины "теплоотвод" или "теплоотсос" могут быть использованы в качестве синонима вместо применяемого здесь термина "крылышко".
Каждое крылышко 12 (фиг.5) образовано металлической полосой, предпочтительно проходящей вдоль всей длины соответствующей охлаждающей трубки 8. Полоса содержит выступающую центральную продольную часть 12а, вставленную в свободное пространство 13 между задними кромками двух последовательно расположенных кирпичей 7. Центральная часть 12а входит в контакт со стенкой охлаждающей трубки 8, к которой эта часть предпочтительно присоединена при помощи сварки. Металлическая полоса проходит по одну и по другую стороны от центральной части 12а симметричным или несимметричным образом вдоль двух пластин 12b, 12с, проходящих по существу на половине ширины каждого блока 7. Такое техническое решение позволяет ограничить длину траектории отведения тепловой энергии в направлении охлаждающей трубки 8 по существу половиной ширины блока 7. Кромки пластин 12b, 12с двух последовательно расположенных крылышек отделены друг от друга небольшим интервалом, имеющим ширину m (фиг.4), составляющую, в частности, менее пяти миллиметров и предпочтительно составляющую менее двух миллиметров. Задняя поверхность 7d каждого кирпича, таким образом, практически полностью перекрыта крылышками 12.
В соответствии с примером реализации, схематически представленным на фиг.2, поперечное сечение теплозащитного экрана представляет замкнутый и по существу прямоугольный контур. Однако этот пример реализации не является ограничительным. Теплозащитный экран может быть образован, с каждой стороны от ленты, пластиной, имеющей несколько слоев (теплоизоляционные кирпичи, охлаждающие трубки, теплопроводные средства). В этом случае поперечное сечение такого теплозащитного экрана будет представлять собой прямолинейный участок, как схематически показано на фиг.4. Теплозащитный экран в форме пластины в соответствии с предлагаемым изобретением предназначен для технологических установок, раскрытых в патентных документах FR 05 06462 и FR 05 06463.
Центральная часть 12а (фиг.4) крылышка имеет форму купола, обращенного своей выпуклой частью в направлении охлаждающей трубки 8, и содержит удлиненные отверстия 14, предназначенные для выполнения сварного соединения.
В качестве варианта реализации (фиг.7), выступающая центральная часть 12а1 имеет вогнутость, образующую лоток, предназначенный для охватывания расположенной напротив части охлаждающей трубки 8 и обеспечения наибольшей поверхности контакта для передачи тепловой энергии.
В соответствии с другим вариантом реализации крылышки могут быть реализованы при помощи щелей, выполненных в системе, образованной охлаждающей трубкой 8 и металлическим экраном S и изготовленной в виде единой детали методом экструзии или вытяжки.
Средства 11, предназначенные для устранения или уменьшения образования наведенных электрических токов, порождаемых магнитным потоком, предпочтительно содержат щели 15, выполненные в крылышках 12. Щели ориентированы главным образом в поперечном направлении по отношению к продольному направлению крылышек (фиг.6), но они также могут быть выполнены наклонными. Щели 15, параллельные между собой, открываются на продольных кромках металлического экрана S и закрываются в непосредственной близости от центральной части 12а.
Оптимизация данного теплозащитного экрана обеспечивается в том случае, когда наведенные электрические токи оказываются предельно малыми. Для этого предусматриваются крылышки, поверхность которых, перпендикулярная направлению магнитного поля, является достаточно малой. При этом удовлетворительный результат обеспечивается путем уменьшения шага расположения этих щелей, путем изменения ширины щели, в частности изменения толщины полотна пилы, формирующей данную щель, и/или путем изменения ширины крылышка и его толщины. В соответствии с одним из вариантов реализации ширина щели составляет 0,5 мм, и ширина крылышка между двумя щелями адаптирована к электрическим потерям, определяемым электрическими токами, наведенными в этом крылышке.
В качестве варианта реализации крылышки могут быть выполнены в виде отрезков металлической проволоки. Эти отрезки проволоки ориентируются в поперечном направлении, в радиальном направлении или в наклонном направлении по отношению к охлаждающим трубкам 8 и закрепляются, в частности, при помощи сварки, на этих трубках 8, причем эта система напоминает гребенку, зубья которой будут сформированы отрезками проволоки. Диаметр этой проволоки может составлять около 1 мм, причем расстояние между проволоками составляет 0,3 мм и это расстояние в данном случае эквивалентно щели 15.
Крылышко 12 на виде сверху (фиг.6) имеет форму, которая напоминает спинной хребет рыбы.
Наличие щелей 15, позволяющих существенно уменьшить электрические токи, порождаемые магнитным потоком, позволяет снизить паразитное нагревание, приводящее к снижению энергетического коэффициента полезного действия.
Охлаждающие трубки 8 и/или крылышки 12 предпочтительно изготавливаются из нержавеющей стали. В качестве варианта реализации трубки 8 и/или крылышки 12 изготавливаются из бронзы или из меди, причем в качестве материала этих элементов также может быть рассмотрено использование и других металлов.
Функционирование данной системы является следствием ее характеристик, описанных в предшествующем изложении.
Поперечное переменное магнитное поле позволяет обеспечить нагревание ленты 1, которая создает тепловое излучение в направлении поверхностей, которые окружают эту ленту. Поток тепловой энергии Q, который проходит через кирпичи 7 и достигает задней поверхности 7d, захватывается главным образом при помощи крылышек 12 и отводится в направлении трубок 8 и циркулирующей в них охлаждающей текучей среды. При этом основание 6 оказывается более защищенным от нагрева, который будет связан с этим тепловым потоком Q.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет, без заметного увеличения толщины теплоизоляционного экрана Е и без изменения расстояния между охлаждающими трубками 8, обеспечить эффективную тепловую защиту основания 6 при повышенной температуре ленты 1, составляющей, в частности, 1150°С.
Несмотря на то, что приведенное выше описание было дано относительно термической обработки ленты 1, предлагаемое изобретение может быть применено и к другим типам металлических изделий, в частности к проволоке, изготовленной из стали, меди, алюминия, или к пластинам. При этом обрабатываемое изделие может перемещаться или оставаться неподвижным.