[发明专利]用于金属板的感应加热装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于诸如钢板或铝板的金属板的感应加热设备。本发明尤其涉及一种通过利用环绕金属板的感应线圈在金属板内产生感应电流而加热金属板的感应加热设备。本发明还涉及一种感应加热设备，该设备能高效率地加热金属板，而不管金属板的厚度和金属板是否是磁性的或非磁性的。本发明还涉及一种感应加热设备，该感应加热设备可以控制金属板横向(宽度)方向上的温度分布，而不管在加热前已有的温度分布如何，从而在加热后形成具有更均匀的温度分布的金属板。

背景技术

利用气体或电的间接加热设备、或利用感应加热的直接加热设备已经用于加热金属板，以在热处理工艺中控制金属材料的质量。因为直接加热设备没有热惯性，不同于间接加热设备，所以直接加热设备可以节省间接加热设备达到稳定的炉温所需要的时间，且可以容易地控制加热速度，例如，当板厚度变化时。所以，直接加热设备不需要改变金属板的输送速度，这样避免了生产率降低。

现有两种类型的用于金属板的感应加热设备。一种类型是LF类型(纵向磁通量型)，其中金属板通过利用环绕金属板的感应线圈在金属板的横截面内产生环形感应电流加热，其中感应线圈施加频率范围通常从1KHz至500KHz的交流。图1示出了LF型感应加热设备的示意图。图2示出了利用LF型感应加热设备在横截面内产生的环形感应电流。在图1中，连接于AC电源3的感应线圈2环绕金属板1。当初级电流5经过感应线圈2时，磁通量4穿透金属板1而在磁通量4周围产生感应电流。在图2中，在金属板1的横截面内产生的感应电流6沿着与流经分别位于金属板1上方和下方的感应线圈2的初级电流5相反的方向流动。另一种类型是TF型(横向磁通量型)，其中具有磁心的感应线圈分别位于金属板的上方和下方。当为线圈供电的AC电源打开时，磁通量沿板的厚度方向穿透磁心之间的金属板而产生感应电流，使金属板加热。

在TF型加热中，感应电流集中在金属板的侧向端部区域，同时在该端部区域附近的电流密度降低，这容易导致加热后在侧向方向上产生不均匀的温度分布。尤其是，当感应线圈的磁心和金属板之间的位置关系由于金属板宽度的变化或金属板蛇行前进而改变时，更难以提供均匀的加热。在背景技术中，提出了使用菱形线圈的技术，从而通过在金属板的宽度变化时使菱形线圈倾斜而使磁通量可以总是穿透金属板的整个宽度。然而，这项技术利用从感应线圈泄漏的磁通量，这需要金属板和感应线圈互相靠近。此外，在供应大电流的感应加热设备上安装转动机构增加了在工业规模上施行这项技术的难度。

LF型加热是一种用于加热被感应线圈环绕的金属板的方法，该线圈可以确保在金属板内产生环形感应电流，从而加热该板。在LF型中在金属板的横截面内产生的感应电流集中在用下式表示的深度“d”处：

d[mm]＝5.03×10⁺⁵×(ρ/μrf)^0.5            (1)

其中d是感应电流穿透深度[mm]，ρ是电阻率[Ωm]，μr是相对导磁率，f是加热频率[Hz]。

感应电流穿透深度随着金属温度的增加而增加，因为当金属的温度增加时电阻率增加。铁磁性材料或顺磁性材料的相对导磁率随着温度靠近居里点而下降，且最终在居里点上方的温度处变为1。这意味着感应电流穿透深度随温度增加而增加。因为非磁性材料的相对导磁率是1，其感应电流穿透深度与磁性材料相比更大。

在LF型感应加热中，如果感应电流穿透深度大，而金属板的厚度薄，那么在金属的上部分中产生的感应电流和在金属的下部分中产生的感应电流互相抵消。这导致加热的效率较低。

例如，如果使用10KHz的加热频率，那么在室温下感应电流穿透深度对于非磁性材料的铝来说约为1mm、对于不锈钢304(SUS304)来说约4.4mm、对于磁性材料的钢来说约0.2mm。在居里点(约750℃)以上的温度钢的电流穿透深度约5mm。大多数用于汽车和家用电器的钢板具有不大于2mm的厚度，其中汽车和家用电器是使用金属板的主要商业产品。所以，通常难以在没有如上所述在金属板的上部分和下部分中被抵消的感应电流的情况下高效率地加热这种金属板。可以想到，将供应给LF型感应加热设备的AC电流频率增加到几百KHz，以便使感应电流穿透的深度更浅，从而可以避免感应电流的抵消；然而，在工业规模上使用具有如此高频率的大电流电源不是很实际。