Verfahren zum fortschreitenden induktiven Erwärmen von ferritischen Blechen und Induktionsspule zur Ausübung des Verfahrens Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum fortschreitenden induktiven Erwärmen von fer- ritischen Blechen und einer Induktionsspule zur Aus übung des Verfahrens.
Das induktive Erwärmen von ferritischen Blechen in Stück- oder Bandform erfordert bekanntlich dann besondere Massnahmen, wenn es sich darum handelt, Bleche mit geringer Stärke zu erwärmen, und zwar vornehmlich, wenn es sich um Stärken von 0,5 mm und weniger, beispielsweise 0,10-0,35 mm, handelt.
Das Erwärmen von Blechen kann aus den ver schiedensten Gründen notwendig sein; von ganz be sonderer Bedeutung ist diese Massnahme aber bei der Herstellung von verzinnten Blechen. Die Bleche werden galvanisch verzinnt, und die so aufgebrachte Zinnschicht muss anschliessend aufgeschmolzen wer den. Hierzu sind Temperaturen notwendig, die unter 500 C liegen, und zwar insbesondere zwischen 200 und 300 C betragen. Sehr wesentlich ist hierbei, dass die niedergeschmolzene Zinnschicht bis zu dem Augenblick ihrer Erhärtung nicht mit irgendwelchen Teilen in Berührung gerät, weil sonst eine einwand freie, glänzende Zinnoberfläche nicht gewährleistet ist.
Schon frühzeitig ist der Vorschlag gemacht wor den, Blechbänder zum Zwecke des Zinnaufschmel- zens induktiv zu erwärmen. Dabei wird das Band durch Induktionsspulen hindurchgeführt, die das Band umfassen. Mit Rücksicht auf die zwischen 0,10 und 0,35 mm liegenden Bandstärken ist bisher prak tisch ausschliesslich unter Anwendung hochfrequenter Ströme gearbeitet worden.
Da das Band in Achsrich tung der Spulen durch den Induktor hindurchläuft, durchsetzt das magnetische Feld das Band in Vor- schubrichtung und erzeugt einen Wirbelstrom, der über den Umfang des Bandes fliesst. Auf Grund der bekannten Formeln über die Eindringtiefe der Ströme und unter Berücksichtigung der Werkstoffstärken ha ben sich für dieses Verfahren Frequenzen in der Grö ssenordnung von<B>100000</B> Hz und höher als notwen dig erwiesen. Es ist also erfreulich, Röhrengenerato ren anzuwenden.
Wenn die Bandgeschwindigkeit während des Aufheizvorganges sehr gross ist, müs sen diese Röhrengeneratoren, um den Produktions bedingungen entsprechen zu können, mit einer Aus gangsleistung von 500 kW und mehr ausgelegt sein. Solche Generatoren herzustellen, bereitet bekanntlich erhebliche Schwierigkeiten, und ausserdem sind der artige Anlagen schwierig zu warten und störanfällig.
Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, mit niedrigeren Frequenzen, z. B. mit Netzfrequenz oder Mittelfrequenz, zu arbeiten. Um bei diesen Fre quenzen jedoch überhaupt eine Erwärmung der dün nen Bänder zu ermöglichen, ist die sogenannte Quer felderwärmung angewendet worden. Beiderseits des Bandes wurden Spulen mit Magnetkernen angeord net, und so eine magnetische Durchflutung quer zum Band sichergestellt. Unter Anwendung dieser Mass nahme ist es möglich, eine angemessene Erwärmung des Bandes herbeizuführen. Es ergibt sich jedoch der Nachteil, dass auf das Band gleichzeitig erhebliche magnetische Kräfte ausgeübt werden.
Es muss daher eine solche magnetische Spulenanordnung auf beiden Seiten des Bandes vorgesehen werden, damit sich die anziehenden Kräfte nach Möglichkeit aufheben. Wenn aber die Anordnung nicht völlig symmetrisch zur Bandachse ausgerichtet ist, wird das Band ein seitig an eine der Magnetspulen herangezogen und gerät mit dieser in Berührung. Dadurch wird die Bandoberfläche beschädigt.
Die Folge dieser Schwierigkeit ist, dass - ob wohl sich das induktive Erhitzen als ganz besonders zweckmässig gerade für das Aufschmelzen der Zinn schichten anbietet - in der Praxis für diesen Zweck nur selten von der Induktionserhitzung Gebrauch ge macht und dem elektrischen Erhitzen im unmittel baren Stromdurchgang der Vorzug gegeben wird. Diese Erhitzungsart hat aber für den gedachten Zweck ebenfalls besondere Nachteile.
Es besteht somit ein ausgesprochenes Bedürfnis dafür, Blechbänder unter Verwendung von Induk tionsspulen, die das Band umfassen, mit solchen An lagen aufzuheizen, die einerseits widerstandsfähig sowie betriebssicher und zum anderen imstande sind, grosse und grösste Leistungen abzugeben.
Mittelfrequenzanlagen, das heisst solche mit einer Frequenz von 1000 bis 20000 Hz, entsprechen die sen Forderungen. Diese Anlagen bei Verwendung einer Frequenz von 5000 oder 10 000 Hz einzuset zen, ist dann möglich, wenn gemäss der überraschen den Erkenntnis der Erfinder mit einer niedrigen Lei stungsdichte gearbeitet wird. Bekanntlich ist es beim Induktionserhitzen ganz allgemein üblich, mit grosser Leistungsdichte zu arbeiten - bei 10 000 Hz mit 1 kW/cm2 und mehr -, weil angenommen wird, dass nur auf diese Weise die Vorzüge des induktiven Er- hitzens in jeder Hinsicht ausgeschöpft werden kön nen.
Von dieser vorgefassten Auffassung weichen die Erfinder ab und schlagen ein Verfahren zum fort schreitenden induktiven Erwärmen von ferritischen Blechen in Stärken von 0,5 mm und weniger auf Temperaturen unter 500 C unter Verwendung von Induktionsspulen, die das Blech umfassen, vor, wel ches Verfahren sich dadurch auszeichnet, dass unter Anwendung mittelfrequenter Ströme mit einer Lei stungsdichte der das Blech induzierenden Induktoren von höchsens 20 W,!cm2 gearbeitet wird.
Bei einer derartigen Erniedrigung der Leistungsdichte wird, wie ;sich zeigte, die magnetische Permeabilität des ferri- tischen Blechwerkstoffes so weit gesteigert, dass die elektrische Eindringtiefe sehr klein wird und sich trotzdem das Band hinreichend erwärmt, um das Aufschmelzen der Zinnschicht in einwandfreier Weise zu gewährleisten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Leistungs dichte von 10 W/cm2 unterschritten und eine Fre quenz von<B>10000</B> Hz angewendet wird. Es ergeben sich hierbei erstaunlich gute Wirkungsgrade. Dies ist darauf zurückzuführen, d'ass infolge der geringen Lei stungsdichte eine entsprechende Steigerung der Per meabilität hervorgerufen wird, die die magnetische Leitfähigkeit des Bleches gegenüber der Luft so viel besser macht, dass trotz des schlechten geometrischen Kopplungsgrades der grösste Teil des von der Spule ausgehenden Magnetfeldes durch das Band hindurch geleitet wird.
Es ergibt sich mithin ein günstiger elek trischer Kopplungsgrad, das heisst also hoher Wir kungsgrad, verbunden mit einem günstigen ccs p. Selbst bei Blechbändern mit einer Stärke von 0,15 mm kann noch unter Anwendung einer Fre quenz von nur 5000 Hz ein guter Wirkungsgrad beim Erwärmen erzielt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, das auf das Band einwirkende, resultierende Magnetfeld aus Komponenten zusammenzusetzen, die mit der Vor schubrichtung Winkel einschliessen, wobei selbstver ständlich die geringe Leistungsdichte beibehalten wird. Dies hat zur Folge, dass das Band nicht nur längsdurchflutet, sondern zum Teil auch querdurch flutet wird. Die vektorielle Addition dieser beiden Komponenten ergibt einen resultierenden Vektor, der entsprechend seiner Grösse mehr oder minder geneigt durch die Blechebene verläuft. Dieser Vektor ist auf jeden Fall länger als die Dicke des Bandes, und es liegen mithin für diesen bezüglich der Eindringtiefe günstigere Verhältnisse vor.
Zur Ausübung dieser Massnahme wird gemäss der Erfindung eine Induktionsspule vorgeschlagen, die Leiterabschnitte aufweist, welche senkrecht zu den Kanten des Bandes verlaufen und im Bereich der Kanten mit einer Steigung von mehr als 25 von der einen zu der anderen Seite des Bleches umgeführt sind.
In der Zeichnung ist ein solcher Induktor dar gestellt, und anhand dieser Zeichnung sollen bei spielsweise Ausführungsformen der Erfindungsgegen stände näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt den Induktor in Aufsicht, Fig. 2 im axialen Längsschnitt.
Der Induktor, der das Band 1 umfasst, besteht aus einzelnen Windungsabschnitten, die abwechselnd der Ober- und Unterseite des Bandes 1 gegenüberstehen. In Fig. 1 liegen die Abschnitte 2 unter dem Band, die Abschnitte 3 über dem Band. Sowohl die Abschnitte 2 als auch die Abschnitte 3 verlaufen senkrecht zur Kante des Bandes 1 und sind durch Umführungen 4 miteinander verbunden, die eine Steigung von mehr als 25 aufweisen, wie insbesondere aus Fig.2 er kennbar. Die Spule stellt mithin praktisch einen Mä ander dar, dessen Querabschnitte so beidseitig aus der Mittelebene herausgehoben sind, dass das Band 1 längs dieser Ebene hindurchgezogen werden kann.
Diese Anordnung hat die Folge, dass nicht ein ein heitliches, von allen Spulenwindungen insgesamt aus gehendes Magnetfeld erzeugt wird, sondern dass jede einzelne Windung ihr eigenes sie umschliessendes Ma gnetfeld erzeugt, wobei nur einzelne wenige Magnet linien die gesamte Spule in Längsrichtung durchfluten und umgeben. Auf diese Weise kommen die Vektoren zustande, die mehr oder minder geneigt das Blech durchlaufen.
Mit dem Verfahren gemäss der Erfindung, zumal wenn es unter Verwendung des erfindungsgemässen Induktors betrieben wird, lassen sich, wie gefunden wurde, ferritische Bleche und Bänder im fortschrei tenden Verfahren mit geringer installierter Leistung mittels Frequenzen von 10 000 und 5 000 Hz ein wandfrei auf Temperaturen erwärmen,. die für das Aufschmelzen zuvor aufgebrachter Zinnschichten notwendig sind. Die Temperaturen von 200 bis 300 C lassen sich auch dann noch einwandfrei er reichen, wenn mit Vorschubgeschwindigkeiten von 100 m/min und mehr gearbeitet wird.
Method for the progressive inductive heating of ferritic sheets and an induction coil for carrying out the method The invention relates to a method for the progressive inductive heating of ferritic sheets and an induction coil for carrying out the method.
As is well known, the inductive heating of ferritic sheets in piece or strip form requires special measures when it comes to heating sheets with a small thickness, especially when the thicknesses are 0.5 mm and less, for example 0, 10-0.35 mm.
The heating of sheet metal can be necessary for various reasons; However, this measure is of particular importance in the manufacture of tin-plated sheets. The metal sheets are galvanically tinned and the tin layer applied in this way must then be melted on. For this purpose, temperatures below 500 C, in particular between 200 and 300 C, are necessary. It is very important here that the molten tin layer does not come into contact with any parts until it has hardened, because otherwise a perfect, shiny tin surface cannot be guaranteed.
The suggestion was made at an early stage to inductively heat sheet metal strips for the purpose of melting tin. The tape is passed through induction coils that enclose the tape. With regard to the band thicknesses between 0.10 and 0.35 mm, work has so far been done practically exclusively using high-frequency currents.
Since the strip runs through the inductor in the axial direction of the coils, the magnetic field penetrates the strip in the feed direction and generates an eddy current that flows over the circumference of the strip. Based on the known formulas for the penetration depth of the currents and taking into account the material thicknesses, frequencies in the order of magnitude of 100,000 Hz and higher have proven to be necessary for this process. So it is good to use tube generators.
If the belt speed is very high during the heating process, these tube generators must be designed with an output power of 500 kW and more in order to meet the production conditions. It is well known that producing such generators causes considerable difficulties, and in addition the systems of this type are difficult to maintain and prone to failure.
It has therefore already been proposed to use lower frequencies, e.g. B. with mains frequency or medium frequency to work. However, in order to allow the thin strips to be heated at all at these frequencies, so-called transverse field heating has been used. Coils with magnetic cores were arranged on both sides of the belt, thus ensuring magnetic flux across the belt. Using this measure, it is possible to bring about adequate heating of the tape. However, there is the disadvantage that considerable magnetic forces are simultaneously exerted on the tape.
Such a magnetic coil arrangement must therefore be provided on both sides of the tape so that the attractive forces cancel each other out as far as possible. But if the arrangement is not aligned completely symmetrically to the tape axis, the tape is drawn on one side of one of the magnetic coils and comes into contact with this. This will damage the surface of the belt.
The consequence of this difficulty is that - although inductive heating is particularly useful for melting the tin layers - in practice, induction heating is rarely used for this purpose and electrical heating in the immediate passage of current Preference is given. However, this type of heating also has particular disadvantages for the intended purpose.
There is thus a pronounced need for sheet metal strips using induction coils, which include the strip, with such systems to heat up that are on the one hand robust and reliable and on the other hand are able to deliver large and large services.
Medium-frequency systems, i.e. those with a frequency of 1000 to 20,000 Hz, meet these requirements. These systems using a frequency of 5000 or 10,000 Hz to use zen is then possible if, according to the surprising finding of the inventors, work is carried out with a low power density. As is well known, it is common practice with induction heating to work with high power density - at 10,000 Hz with 1 kW / cm2 and more - because it is assumed that this is the only way to exploit the advantages of inductive heating in every respect nen.
The inventors deviate from this preconceived notion and propose a method for progressive inductive heating of ferritic sheets in thicknesses of 0.5 mm and less to temperatures below 500 ° C. using induction coils which encompass the sheet, which method is characterized by the fact that medium-frequency currents are used with a power density of the inductors inducing the sheet metal of no more than 20 W,! cm2.
With such a lowering of the power density, as has been shown, the magnetic permeability of the ferritic sheet material is increased to such an extent that the electrical penetration depth becomes very small and the strip is nonetheless heated sufficiently to ensure that the tin layer is melted properly .
It is particularly advantageous if the power density falls below 10 W / cm2 and a frequency of <B> 10000 </B> Hz is used. This results in surprisingly good efficiencies. This is due to the fact that, due to the low power density, a corresponding increase in the permeability is caused, which makes the magnetic conductivity of the sheet so much better in relation to the air that, despite the poor degree of geometric coupling, most of that emanating from the coil Magnetic field is passed through the tape.
The result is a favorable electrical coupling degree, that is to say, a high degree of efficiency, combined with a favorable ccs p. Even with sheet metal strips with a thickness of 0.15 mm, good heating efficiency can be achieved using a frequency of only 5000 Hz.
In one embodiment of the method according to the invention, it is proposed that the resulting magnetic field acting on the tape be composed of components that enclose angles with the advance direction, the low power density being maintained, of course. As a result, the strip is not only flooded lengthways, but also partially crossed. The vectorial addition of these two components results in a resulting vector which, depending on its size, runs more or less inclined through the plane of the sheet. This vector is in any case longer than the thickness of the tape, and there are therefore more favorable conditions for it with regard to the depth of penetration.
To carry out this measure, an induction coil is proposed according to the invention, which has conductor sections which run perpendicular to the edges of the strip and are led around in the area of the edges with a gradient of more than 25 from one side of the sheet to the other.
In the drawing, such an inductor is shown, and with reference to this drawing, for example, embodiments of the objects of the invention will be explained in more detail.
Fig. 1 shows the inductor in plan, Fig. 2 in axial longitudinal section.
The inductor, which comprises the strip 1, consists of individual winding sections that alternately face the top and bottom of the strip 1. In Fig. 1, the sections 2 are below the belt, the sections 3 above the belt. Both the sections 2 and the sections 3 run perpendicular to the edge of the strip 1 and are connected to one another by ducts 4 which have a slope of more than 25, as can be seen in particular from FIG. The coil thus practically represents a meander, the transverse sections of which are lifted out of the central plane on both sides in such a way that the tape 1 can be pulled through along this plane.
The consequence of this arrangement is that not a uniform magnetic field is generated from all coil windings, but that each individual winding generates its own magnetic field, with only a few magnetic lines flowing through and surrounding the entire coil in the longitudinal direction. This is how the vectors come about, which run through the sheet at a more or less inclined angle.
With the method according to the invention, especially when it is operated using the inductor according to the invention, it has been found that ferritic sheets and strips in the progressive process with low installed power by means of frequencies of 10,000 and 5,000 Hz flawlessly on temperatures heat,. which are necessary for the melting of previously applied tin layers. The temperatures of 200 to 300 C can still be flawlessly enough when working with feed speeds of 100 m / min and more.