DE60204279T2

DE60204279T2 - Vakuum- und gasdichter Behälter zur thermischen Isolierung von Induktionsheizeinrichtungen

Info

Publication number: DE60204279T2
Application number: DE60204279T
Authority: DE
Inventors: Jean-Camille Uring; Jean Hellegouarc'h; Claude Couffet; Jean-Philippe Chaignot; Philippe Roehr; Marc Anderhuber; Gerard Griffay; Patrick Hug; Rene Pierret; Alain Daubigny
Original assignee: USINOR SA; Celes SA
Current assignee: USINOR SA; Celes SA
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: EP1349431A1; TR200400173T3; DE60204279D1; ES2212929T1; ATE296528T1; ES2212929T3; US20030192878A1; CA2380812A1; FR2821925B1; EP1349431B1; US6693264B2; JP4085307B2; FR2821925A1; CA2380812C; JP2003317912A; DE02290769T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Beheizen eines metallischen Produktes durch elektromagnetische Induktion im kontinuierlichen Durchlauf unter Schutzatmosphäre oder im Vakuum.
Der Gebrauch von Vorrichtungen zum Beheizen durch elektromagnetische Induktion für die Wärmebehandlung unter Schutzatmosphäre, wie sie in Heißbeschichtungsanlagen (Galvanisierung, Aluminierung, etc. ...) oder in Anlagen zur kontinuierlichen Wärmebehandlung (Temper-Anlagen z. B.) angewendet wird, ist seit langer Zeit bekannt.
Man benutzt allgemein zwei Typen von Induktions-Heizvorrichtungen für diese Anlagen: den mit Längsfluss (der Induktor wird von mehreren von Strom durchflossenen Windungen gebildet, die das durchlaufende Produkt derart umgeben, dass ein magnetischer Fluss in der Richtung des Durchlaufs der Produkte erzeugt wird) und den mit quer verlaufendem Fluss (die Windungen des Induktors sind in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Produktes derart angeordnet, dass der magnetische Fluss senkrecht zu dieser Ebene ist).
Der Gebrauch des einen oder des anderen Typs dieser Vorrichtungen wird abhängig vom Typ des zu behandelnden Produkts ausgewählt. So passt die Induktion mit Längsfluss im Allgemeinen zu magnetischen Produkten, bei denen man eine in der Nähe von 750°C (Curie-Punkt) liegende Temperatur zu erreichen wünscht, während die Induktion mit Querfluss besser tauglich ist für eine Beheizung auf höhere Temperatur, insbesondere für nicht-magnetische Produkte.
Außerdem muss die Induktionsbeheizung, wenn es sich um ein nicht beschichtetes Produkt handelt, das bei einer Temperatur behandelt werden muss, bei der es zu oxidieren droht, unter Schutzatmosphäre, wie einer Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff, ablaufen. Daraus ergibt sich, dass die Heizvorrichtung unter anderem eine Hülle umfasst, die von dem zu behandelnden Produkt durchlaufen wird und die vollständig dicht gegen die Luft sein muss, um jede Oxidation des Produkts zu vermeiden.
In den bekannten Anwendungen dieses Typs der Induktionsheizung benutzt man Vorrichtungen zum induktiven Beheizen unter Schutzatmosphäre, in denen die Heizvorrichtung direkt im Inneren der dichten Hülle angeordnet ist. Die Abdichtung umhüllt also dabei die Indultionsmittel vollständig, was zahlreiche Nachteile mit sich bringt, insbesondere bei Wartungsarbeiten an diesen Induktoren, welche die Demontage der Hülle erzwingen, oder bei der Ausführung der Abdichtung der Durchlässe der Zuführung und der Abführung des elektrischen Stroms, der die Induktoren speist, und für die Durchlässe der Kühlwasserleitungen für diese letzteren.
Um dieses Problem zu lösen, kennt man Anwendungen, wie sie zum Beispiel in der europäischen Patentanmeldung beschrieben sind, die unter der Nr. 0 822 733 veröffentlicht wurde, welche eine Heizvorrichtung verwendet, die Induktionsmittel und eine gasdichte Hülle umfasst, der um das durchlaufende Produkt herum zwischen diesem letzteren und den Induktoren angeordnet ist, wobei sich diese Hülle in der Durchlaufrichtung des Produkts stromauf und stromab der Induktoren erstreckt.
In dieser europäischen Patentanmeldung ist die Abdichtungs-Hülle in ihrem Mittelteil, der von den eigentlichen Induktionsmitteln eingefasst ist, von einer Manschette gebildet, die eine oder mehrere thermisch und elektrisch isolierende Gewebelagen umfasst, und von einer gasdichten Folie bekleidet ist, die gegen eine mindestens 100°C betragende, jedoch niemals 750°C überschreitende Temperatur beständig ist (eine Vorrichtung, die mit Induktion im Längsfluss arbeitet).
Hingegen ist die in diesem Dokument offenbarte Manschette, wenn es darum geht, ein Produkt auf eine höher als 750°C liegende Temperatur zu erhitzen (beispiels weise zum Glanztempern von rostfreiem Stahl), wobei eine Vorrichtung mit Induktion durch Querfluss oder Längsfluss verwendet wird, nicht mehr brauchbar bei solchen Temperaturen, was das Risiko mit sich bringt, die Induktoren zu beschädigen, die typischerweise nicht bei mehr als 100°C arbeiten dürfen.
Die vorliegende Erfindung zielt also darauf ab, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem sie eine gegen Gas und Vakuum dichte und elektrisch isolierende (d. h. für den magnetischen Fluss durchlässige) Hülle vorschlägt, die an einen thermisch isolierenden Schirm gekoppelt ist, der es ermöglicht, die Induktionsmittel und einen eventuellen magnetischen Schaltkreis der Vorrichtung zum Beheizen mit elektromagnetischer Induktion zu schützen, und dies unabhängig davon, welche Betriebsart diese letztere hat (Längsfluss oder Querfluss).
Erfindungsgemäß ist diese gegen Gas und Vakuum dichte Hülle um das durchlaufende Produkt herum zwischen diesem letzteren und den Induktionsmitteln der Heizung angeordnet.
Zu diesem Zweck zeichnet sich das gas- und vakuumdichte Gehäuse, das bestimmt ist zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Beheizen eines im Inneren des besagten Gehäuses durchlaufenden Produktes durch elektromagnetische Induktion, dadurch aus, dass es zumindest in seinem mittleren, von den besagten Mitteln zum induktiven Beheizen eingefassten Teil ein Futter umfasst, das aus einem elektrisch isolierenden Material geformt ist und dicht gegen Gas und Vakuum ist, wobei die Innenseiten des besagten Futters durch einen Hitzeschild geschützt sind, der aus einer Matrix von Ofensteinen aus einem thermisch isolierenden Material und aus einer Mehrzahl von durch Umlauf einer Flüssigkeit gekühlten Rohren besteht, wobei diese letzteren in besagter Matrix von Ofensteinen eingeschlossen sind.
Die Rolle des Hitzeschildes ist, eine Temperatur in der Nähe von 100°C des das Futter bildenden Materials sicherzustellen, während das zu erhitzende Produkt bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1200°C liegt.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus der Beschreibung ergeben, die hiernach unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, die ein von jeglicher beschränkenden Wirkung freies Ausführungsbeispiel dazu darstellen.
In den Zeichnungen ist
1 eine Quer-Schnittansicht der Hülle gemäß der Erfindung;
2 eine vergrößerte Teilansicht eines Details der 1;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der 1;
4 eine Teilansicht des Schnitts entlang der Linie IV-IV eines Details der 3;
5 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Teils einer Anlage zur Wärmebehandlung, die eine Hülle gemäß der Erfindung umfasst.
Wie in den 1 bis 4 wiedergegeben, stellt sich die gas- und vakuumdichte und elektrisch isolierende Hülle nach der Erfindung in der Form eines länglichen Futters 1 dar, das mit einem Hitzeschild 2 gekoppelt ist.
Der im Inneren des besagten Futters definierte Raum 3 wird an die Form des zu behandelnden Produktes angepasst. Zum Beispiel stellt das Futter von parallelepipedischer Form, wie in den 1 bis 4 dargestellt, typischerweise eine Anwendung dieser Vorrichtung für ein zu behandelndes Band dar.
Wohlgemerkt kann dieser Hüllentyp auch bei jedem anderen Produkt angewendet werden, ob dieses nun durchläuft oder nicht (Draht aus Stahl, Kupfer, Aluminium, etc ...).
Das Futter 1 ist also zum Umhüllen des zu behandelnden durchlaufenden Produkts bestimmt und zwischen diesem und den Induktionsmitteln der Heizvorrichtung angeordnet. Es kann sich über die gesamte Höhe der Induktionsmittel erstrecken, aber man wird vorzugsweise ein Futter wählen, das sich über diese Induktoren hinaus stromauf und stromab der letzteren erstreckt, derart, dass nicht die Endstücke durch die Rückführung des Induktionsflusses erhitzt werden.
Erfindungsgemäß werden übliche Mittel zum Abdichten gegen Gas und Vakuum vorgesehen, jeweils am Eingang und am Ausgang des Futters an den Enden dieses letzteren, durch die das im kontinuierlichen Durchlauf zu beheizende Band eintritt und austritt. Diese Mittel von üblicher Gestaltung sind in den Zeichnungen nicht dargestellt worden.
Wie in 1 dargestellt, wird das Futter gemäß der Erfindung aus einem für den magnetischen Fluss durchlässigen, also elektrisch isolierenden Material hergestellt.
In einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dieses Futter durch Fadenwickeln von Epoxy-Harz oder gleichwertigem hergestellt.
Jedoch sind andere Ausführungen möglich, ohne insoweit aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung auszubrechen, und es ist möglich, andere Materialien zu verwenden, um das Futter herzustellen, unter der Bedingung, dass diese Materialien für den magnetischen Fluss durchlässig sind. So kann beispielsweise ein erfindungsgemäßes Futter aus keramischem Material oder aus Glas hergestellt werden.
Der Innenraum 3 des besagten Futters wird mit einer Schutzatmosphäre gefüllt (im Allgemeinen aus einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff zusammengesetzt), und erlaubt es, jede Oxidation des Produkts während der Behandlung dieses letzteren zu vermeiden. Es ist also notwendig, dass das Futter 1 gegen diese Gase und auch gegen Vakuum dicht ist.
Außerdem muss das Futter auch elektrisch nicht leitend sein, damit es keinen durch den Induktionsfluss induzierten Strom führt.
Darüber hinaus besitzt es gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Steifigkeit, um den Hitzeschild 2 zu tragen, der aus einer Mehrzahl von Rohren 4 gebildet ist, die in einer Matrix aus Ofensteinen 5 aus Keramik oder gleichartigem Material eingebettet sind, wie hiernach noch beschrieben wird.
Tatsächlich wird der Hitzeschild von einer Baugruppe aus einer Mehrzahl von Rohren 4 gebildet, die über sämtliche Innenflächen des Futters verteilt angeordnet sind und in denen eine Flüssigkeit fließt, insbesondere Wasser, um das Futter zu kühlen.
In dem vorteilhaften Ausführungsbeispiel, das in den 1 bis 4 dargestellt ist, sind die besagten Kühlrohre gleichmäßig über alle inneren Flächen des Futters 1 verteilt.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung (vgl. 3) sind die Rohre vorzugsweise aus rostfreiem Stahl mit geringer Dicke (in der Größenordnung von 0,5 mm) hergestellt und sie bilden eine Mehrzahl von Nadeln (schlangenförmige Konfiguration). Diese Rohre können auch aus einem elektrisch isolierenden, folglich für den magnetischen Fluss durchlässigen Material hergestellt werden, zum Beispiel aus Glas, aus Glas mit Epoxy-Harz ...
Außerdem ist eine Matrix aus Ofensteinen 5, die aus Keramik oder aus anderen isolierenden gleichwertigen Materialien (Beton, etc. ...) hergestellt sind, zwischen jedem Kühl-Rohr 4 angeordnet, um die Wärmestrahlung des zu behandelnden Produkts zu unterbrechen.
Die besagten Ofensteine weisen eine besondere geometrische Form auf derart, dass sie sich auf oder zwischen den Rohren 4 einfädeln und so eine Matrix bilden können, die diese Rohre einfassen kann, derart, dass diese letzteren nicht direkt dem vorbeilaufenden Produkt ausgesetzt sind.
Da das die Ofensteine 5 bildende Material (Keramik, Beton, etc. ...) ein sehr guter Wärmeisolator ist, werden diese Steine folglich den vom erhitzten Produkt abgestrahlten Wärmefluss unterbrechen.
Im Übrigen wird der geringe Anteil der von besagtem Produkt abgestrahlten Wärme, der noch zu den Rohren gelangt, die in den besagten Ofensteinen 5 eingefasst sind, durch Wärmeabfuhr mit der Kühlflüssigkeit abgeführt werden können, die in besagten Rohren fließt.
Der Hitzeschild 2, der durch die Baugruppe aus Rohren 4 und Ofensteinen 5 gebildet ist, wird mechanisch an der Innenseite des Futters 1 mithilfe von Schrauben 6 oder analogen Befestigungsmitteln festgelegt.
Vorteilhaft legt man zwischen diesen Hitzeschild und das Futter 1 eine Verbundglasplatte 7 (die beispielsweise eine Dicke von ungefähr 3 mm hat), um so den Einbau und folglich die Befestigung der Rohre 4 und Ofensteine 5 auf dem besagten Futter zu vereinfachen, wobei die besagte Verbundglasplatte 7 selbst zwischen zwei dünnen Schichten 8 und 9 aus keramischem Gewebe oder gleichartigem angeordnet ist.
Wohlgemerkt sieht man vor, um einen optimalen Wirkungsgrad dieses Hitzeschildes zu erreichen, dass bei dessen Montage ein möglichst geringes Spiel zwischen dem Futter 1 und dem Hitzeschild 2 sowie zwischen den Rohren 4 und den Ofensteinen 5 vorliegt.
Nun wird ein Anwendungsbeispiel der dichten und isolierenden Hülle gemäß der Erfindung in einer Anlage zur Wärmebehandlung eines durchlaufenden Bandes beschrieben.
In diesem Beispiel ist die Anlage zum Erhitzen eines Bandes aus rostfreiem Stahl unter einer Schutzatmosphäre mit starkem Wasserstoffgehalt bestimmt. Dieser Typ der Wärmebehandlung erfordert typischerweise eine Heiztemperatur in der Größenordnung von 1150°C. Um dahin zu gelangen, verwendet man eine Vorrichtung zum Heizen mit elektromagnetischer Induktion, wie sie in 5 dargestellt ist.
Diese Heizvorrichtung umfasst mindestens eine von Strom durchflossene Spule 10, die in einer Ebene parallel zur Oberfläche des durchlaufenden und zu behandelnden Bandes 11 angeordnet ist, so dass der magnetische Querfluss senkrecht zur Hauptfläche des besagten Bandes verläuft. Außerdem ist um das Band herum zwischen diesem letzteren und den Spulen 10 eine erfindungsgemäße Hülle 12 angeordnet und erstreckt sich vorzugsweise in einer Ebene, die senkrecht zur Durchlaufrichtung des besagten Bandes ist, stromauf und stromab der Windungen der besagten Spulen.
Die den Hitzeschild der besagten Hülle bildenden Rohre 13 werden dann an einen Zulauf und Ablaufsammler für die Kühlflüssigkeit angeschlossen, so dass ein geringer Anteil der Hitze, die von dem Band abgestrahlt wird, das die Matrix aus Keramik-Ofensteinen durchlaufen hat, abgeführt werden kann. So erlaubt es diese Hülle, eine doppelte Funktion zu erfüllen: sie spielt die Rolle eines gas- oder vaku umdichten Kastens, der zum Behandeln des Bandes notwendig ist, und sie erlaubt es, das besagte Futter wirksam zu schützen.
Diese Hülle erlaubt es auch, direkt auf die Induktionsspulen zuzugreifen (insbesondere bei der Wartung dieser letzteren), ohne dass man die Dichtheit der besagten Hülle unterbrechen muss. Die erfindungsgemäße Hülle ist so gänzlich an jede Anlage anpassbar, die eine Schutzatmosphäre benutzt oder unter Vakuum arbeitet.
Es bleibt wohlverstanden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hiervor beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass sie alle deren Varianten einbezieht.

Claims

Gas- und vakuumdichte Hülle, bestimmt zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Erhitzen eines im Inneren des besagten Gehäuses durchlaufenden Produktes durch elektromagnetische Induktion, wobei sie ein Futter (1) umfasst, das aus einem elektrisch isolierenden Material geformt und gas- und vakuumdicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseiten des besagten Futters durch einen Hitzeschild (2) geschützt sind, der aus einer Matrix von Ofensteinen (5) aus einem thermisch isolierenden Material und aus einer Mehrzahl von durch Umlauf einer Flüssigkeit gekühlten Rohren (4) besteht, wobei diese letzteren in besagter Matrix von Ofensteinen eingeschlossen sind.
Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Futter (1) durch Wickeln von mit Epoxy-Harz oder gleichartigem Material getränkten Fäden hergestellt ist.
Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Futter (1) aus einem keramischen Material oder aus Glas hergestellt ist.
Hülle nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohre (4) gleichmäßig über alle Innenseiten des besagten Futters verteilt sind.
Hülle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohre (4) eine Mehrzahl von Hohlnadeln vorzugsweise aus rostfreiem Stahl mit geringer Dicke bilden.
Hülle nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohre (4) aus einem elektrisch isolierenden, also für den magnetischen Fluss durchlässigen Material, insbesondere aus Glas oder Glas-Harz-Mischung ausgeführt sind.
Hülle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte (7) aus Verbundglas zwischen dem besagten Futter (1) und den besagten Rohren (4) und Ofensteinen (5) so angeordnet ist, dass das Einsetzen und damit die Befestigung der Ofensteine auf dem besagten Futter vereinfacht wird.