DE68919743T2 - Schutzvorrichtung für Induktionspole und Induktor, welcher mit solch einer Vorrichtung versehen ist. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz der Pole eines Induktors, insbesondere für die induktive Erwärmung oder Wiedererwärmung von Metallteilen.
• Es ist bekannt, für diesen Anwendungszweck elektromagnetische Induktoren mit die Metallteile durchquerendem Feld zu verwenden. Solche Induktoren sind beispielsweise in der Druckschrift FR-A-2 583 249 beschrieben. Ganz allgemein enthalten sie einen Magnetkern in Form eines C, wobei die Enden des C die beiden Pole des Induktors bilden, die Induktionsspulen tragen und zu beiden Seiten des zu erwärmenden Teils liegen.
• Für einen hohen Wirkungsgrad müssen die Pole so nahe wie möglich bei dem Teil liegen. Daraus folgt, daß die Pole und die auf ihnen sitzenden Induktionsspulen oft einer erheblichen Wärmestrahlung des heißen Teils ausgesetzt sind. Außerdem unterliegen insbesondere unter den Bedingungen des industriellen Umfelds, beispielsweise bei der Wiedererwärmung von Rändern von Brammen oder gewalzten Teilen, die Induktoren und insbesondere ihre Pole, chemischen und mechanischen Angriffen, wie z.B. einer heftigen Besprengung mit Wasser, einer Verzunderung oder der Gefahr einer Kollision mit dem erwärmten Teil.
• Es ist eine Vorrichtung zum Schutz der Pole bekannt, die aus einer hitzebeständigen porösen Platte besteht, welche auf der Stirnseite des Pols gegenüber dem zu erwärmenden Teil liegt und durch internen Luftumlauf gekühlt wird. Diese Vorrichtungen bieten einen guten Wärmeschutz, aber besitzen dafür den Nachteil, daß sie oxidieren und rasch verstopfen sowie daß sie durch den vom erwärmten Teil kommenden Zunder angegriffen werden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, diese poröse hitzebeständige Platte ziemlich oft auszuwechseln, was einen Stillstand der Anlage erfordert. Dadurch ergeben sich erhöhte Betriebskosten, die sich zu dem hohen Preis der hitzebeständigen Platte addieren.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Schutz der Pole von sowohl thermischen wie mechanischen als auch chemischen Belastungen ausgesetzten Induktoren auf sichere und dauerhafte Weise zu gewährleisten, ohne daß der Wirkungsgrad der Erwärmung darunter leidet.
• Ein anderes Ziel besteht darin, die verschiedenen oben erwähnten Probleme zu lösen.
• Mit diesen Zielen vor Augen ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum Schutz, insbesondere zum thermischen Schutz der Pole eines elektromagnetischen Induktors.
• Erfindungsgemäß enthält diese Vorrichtung einen Wärmetauscher, bestehend aus einem oder mehreren unmagnetischen Metallrohren, die im wesentlichen in einer Ebene liegen und so angeordnet sind, daß ein Umlauf eines Kühlfluids ermöglicht wird, wobei diese Anordnung so gewählt ist, daß es höchstens eine elektrische Verbindung zwischen zwei beliebigen Rohren oder Rohrelementen gibt, wodurch die elektrischen Schleifen zwischen benachbarten oder nicht benachbarten Rohren oder Rohrbereichen eingeschränkt werden.
• Es sei unterstrichen, daß der Begriff elektrische Verbindung hier den unmittelbaren Kontakt oder niederohmige Verbindungen betrifft und nicht hochohmige Verbindungen, die in Materialien existieren, welche keine idealen Isolatoren sind.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besteht der Wärmetauscher aus einer Folge von Haarnadelrohren, die abwechselnd in die eine und die andere Richtung zeigen.
• Gemäß einer anderen Anordnung besteht der Wärmetauscher aus einer eingängigen oder mehrgängigen Spirale.
• Gemäß einer weiteren besonderen Anordnung wird der Wärmetauscher auf einer elektrisch isolierenden starren Platte festgehalten sowie von hitzebeständigem Beton umkleidet, wobei das Ganze eine Verbundplatte geringer Dicke, aber ausreichender Abmessungen ergibt, um die Stirnseite jedes Pols zu bedekken.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag nämlich zwei einander widersprechende Aufgaben zu lösen, nämlich einerseits den Wärmeschutz des Pols durch Zwangskühlung mit Hilfe eines Wärmetauschers mit Metallrohren und andererseits die Gewährleistung eines hohen Erwärmungs-Wirkungsgrads durch den Induktor.
• Eine aus Metallrohren bestehende und zwischen den Pol und das zu erwärmende Teil eingefügte Einheit bildet nämlich im allgemeinen eine Abschirmung, die sich dem Magnetfluß widersetzt und in der elektrische Ströme großen Betrags erzeugt werden können, die sich dem Durchgang des Magnetflusses widersetzen und den Stromkreis erwärmen, in dem sie erzeugt werden.
• Die erfindungsgemäße Anordnung der Rohre erlaubt es, diese Wirkungen zu vermeiden und eine optimale Transparenz für das vom Induktor erzeugte hohe Magnetfeld zu gewährleisten.
• Gegenstand der Erfindung ist auch ein Induktor, der eine Vorrichtung zum Schutz der Pole wie oben beschrieben besitzt. Diese Vorrichtung wird dann vorzugsweise so gestaltet und gegenüber jeder Polstirnseite angebracht, deren Form sie angepaßt ist, daß die Stirnseite sowie die Induktionsspulen und die Isolations- und Abdeckmittel abgedeckt sind, damit eine gute Dichtheit der aus dem Pol und seinen Kreisen gebildeten Einheit erzielt wird.
• Andere Merkmale und Vorzüge gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
• Figur 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht eines Pols des Induktors mit seiner Schutzvorrichtung im Schnitt.
• Figur 2 zeigt schematisch die haarnadelförmige Konfiguration des Wärmetauscherkreises.
• Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei Wärmetauscherkreise in Spiralkonfiguration.
• Figur 5 zeigt ein Ausschnittdetail einer Variante, die hitzebeständige Blöcke anstelle einer einheitlichen Einbettung in Beton verwendet.
• In Figur 1 ist ein Pol eines Induktors der Klasse C mit angelenktem Joch gezeigt, wie in der Druckschrift FR-A-2 583 249 beschrieben. Wegen weiterer Einzelheiten des weiteren Aufbaus des Induktors sei auf diese Druckschrift verwiesen. Hier sei nur erwähnt, daß in einem solchen Induktor, der insbesondere zur Wiedererwärmung der Brammenränder von im allgemeinen flachen Metallteilen bestimmt ist, ein zweiter, dem in Figur 1 gezeigten Pol ähnlicher Pol diesem gegenübersteht, wobei die beiden Pole die beiden Enden eines sie verbindenden Magnetjochs in Form einem C bilden. Das hohe Magnetfeld, das vom Induktor erzeugt wird, erwärmt das Teil, das zwischen den beiden einander gegenüberstehenden Polen hindurchläuft. Die induzierten Leistungen sind in der Größenordnung von mehreren hundert kW, was auf die Fläche des Jochs bezogen Leistungen entspricht, die 5 MW/m² übersteigen können.
• Der Pol aus Figur 1 enthält eine Induktionsspule 2, die das Ende des Magnetjochs 1 umgibt. Eine Schutzabdeckung 3 umgibt das ganze Polende (Joch und Spule), wobei eine Wärmeabschirmung zwischen Spule 2 und Abdeckung 3 eingefügt sein kann.
• Die Verbundplatte 4, die die Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung bildet, besteht aus einer Trägerplatte 5 aus einem starren, unmetallischen und elektrisch isolierenden Material wie etwa auf der Basis von Glasfasern unter dem Handelsnamen "Sillirite 64120" bekannt. Die Dicke beträgt einige Millimeter.
• Ein Wärmetauscher aus rostfreien Stahlrohren 6, der mit Epoxydharz umkleidet ist, ist auf der Trägerplatte 5 befestigt. Dieser Wärmetauscher hat eine Konfiguration in Form von abwechselnd entgegengerichtet liegenden Haarnadeln, wie aus Figur 2 zu erkennen ist. Die Befestigung des Wärmetauschers 6 auf der Trägerplatte 5 erfolgt durch Schrauben 7, die sich im Umkehrbereich jeder Haarnadel des Kreises befinden, wie dies schematisch in Figur 2 angedeutet ist. Diese Anordnung ist im wesentlichen dazu bestimmt, die elektrische Schleifenbildung zwischen zwei benachbarten Haarnadeln zu vermeiden, die sich ergeben würde, wenn die leitenden Teile gleichzeitig in Kontakt mit zwei aufeinanderfolgenden oder nicht aufeinanderfolgenden Haarnadeln an einer anderen als der angegebenen Stelle in Kontakt wären.
• Die Mutter 8 der Schraube 7 sitzt in einer Vertiefung in der Trägerplatte 5, so daß sie nicht über deren Oberfläche hervorragt. Eine Folie 9 aus isolierendem Material ist unter die Platte 5 geklebt und verdeckt dabei die Muttern 8 und gewährleistet so die elektrische Isolierung zwischen den Befestigungsschrauben 7.
• Die Rohre 6 des Wärmetauschers sind in einen hitzebeständigen Beton 10 eingebettet (beispielsweise den Beton auf der Basis von Siliziumkarbid, wie er unter dem Handelsnamen "Morgan Montex CIM 02" vertrieben wird). Dieser Beton bedeckt die Rohre 6 vollkommen und sein niedriger elektrischer Leitwert erlaubt es, mögliche Schleifenströme zwischen den Haarnadeln zu begrenzen.
• Vorzugsweise, aber nicht unbedingt, wird dieser Beton auf einer Seite mit einer Platte aus glaskeramischem Material 11 oder einem anderen ähnlichen Material bedeckt, das sehr hitzebeständig, insbesondere gegen Wärmeschocks beständig ist und zugleich eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit aufweist. Man kann auch anstelle dieser Platte ein Textilgewebe aus Keramikfasern oder eine isolierende Abdeckung (vom Typ coating) auf der Basis von Aluminiumoxid oder Siliziumoxid verwenden.
• Die Verbundplatte 4 ist auf dem Pol des Induktors durch Bolzen befestigt, die entweder direkt auf dem Joch oder auf Hilfsträgern befestigt sind, die sich zwischen der Spule und der Abdeckung befinden.
• Unabhängig von der Art der Befestigung sind die Befestigungsmittel elektrisch von den Rohren 6 des Wärmetauschers isoliert.
• Die Dicke der Platte 4 beträgt etwa 15 mm und ihre Abmessungen und ihre Form werden so bestimmt, daß die Gesamtheit des Pols einschließlich der Abdeckung 3 bedeckt wird, wobei eine Abdeckleiste 12 um die Platte herum angeordnet ist, um das Eindringen von Wasser oder Staub oder anderer Festkörpern in die Abdeckung 3 zu verhindern.
• Figur 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Anordnung der Wärmetauscherrohre. Dies erfolgt hier in drei unabhängigen Kreisen, wodurch beispielsweise die Intensität der Kühlung gemäß den von den Teilen bedeckten Zonen durch Einstellung des Durchsatzes des Kühlfluids, insbesondere von Wasser, angepaßt werden kann. Diese Anordnung mittels Haarnadeln erlaubt es am besten, die Stirnfläche des Pols zu bedecken, da es keine Schwierigkeiten bereitet, die Anzahl und Länge der Haarnadeln an die Form der zu bedeckenden Oberfläche anzupassen.
• Im Rahmen von Varianten kann der Wärmetauscher auch eine spiralförmige Konfiguration besitzen, wie sie in Figur 3 und 4 gezeigt ist.
• Figur 4 zeigt schematisch eine Anordnung aus einer doppelt umgekehrten Spirale mit einem einzigen Rohr. Die Zufuhr und Abfuhr des Kühlfluids sind durch Pfeile A bzw. R angedeutet.
• Die Anordnung gemäß Figur 3 zeigt vier Spiralen, die von einer zentralen Quelle gespeist werden. In diesem Fall erfolgt die Speisung durch ein Rohr in der Achse des Pols durch das Joch 1 hindurch.
• Eine zentrale Speisung kann auch in den Anordnungen gemäß den Figuren 2 und 4 erfolgen und besitzt den Vorteil, daß dadurch auch das Magnetjoch gekühlt wird.
• Ein wesentliches Merkmal der Wärmetauscher besteht darin, daß zwei Rohre oder Elemente von Rohren sich höchstens in einem Punkt treffen, so daß elektrische Schleifenbildungen im Wärmetauscher vermieden werden. Die Rohre bestehen vorzugsweise aus unmagnetischem rostfreiem Stahl und besitzen im einfachsten Fall einen Kreisquerschnitt. Es ist aber auch möglich, zur Verringerung der Dicke der Verbundplatte 4 zum Schutz Rohre mit abgeflachtem Querschnitt oder sogar mit praktisch rechteckigem Querschnitt zu verwenden.
• Man wählt Rohre mit geringer Dicke, um eventuelle elektrische Ströme zu verringern, die durch das Magnetfeld erzeugt werden könnten. Dadurch wird der elektrische Widerstand der Rohre vergrößert. Die Rohre können auch nicht mit Epoxydharz umkleidet sein,wie oben angegeben, sondern mit einer isolierenden Folie bedeckt oder mit einem anderen isolierenden Harz (z.B. Polyesterharz) verkleidet sein.
• Da die Aufgabe der Schutzvorrichtung im wesentlichen darin besteht, einen Wärmeschild zum Schutz des Pols und seiner Hilfsorgane gegen die Strahlung des erwärmten Teils zu bilden, möchte man die Rohre möglichst eng nebeneinander anordnen. Insbesondere, wenn die Vorrichtung eine Platte aus glaskeramischem Material 11 besitzt, führt außerdem die Verwendung eines Betons mit einem relativ guten Wärmeleitwert zu einer Verteilung der an der Oberfläche aufgenommenen Wärme in der Betonmasse und daher zu einer Kühlung der glaskeramischen Platte, die somit auf einer Temperatur von beispielsweise etwa 700ºC gehalten werden kann, während das erwärmte Teil eine Temperatur von über 1000ºC besitzt.
• Man könnte auch, sofern die mechanischen Merkmale des verwendeten Betons dies zulassen, auf die Trägerplatte verzichten.
• In einer anderen Variante könnte man insbesondere bei Verwendung eines Wärmetauschers mit Haarnadelrohren die Rohre 6 nicht in hitzebeständigen Beton 10 einbetten, sondern den Beton durch eine Mehrzahl von Blöcken 13 aus isolierendem Material mit ähnlichen Merkmalen (aus hitzebeständigem Beton, Keramik, Quarz usw.) ersetzen, so daß die Verkleidungseinheit aus Beton 10 nachgebildet wird.
• Diese Blöcke haben eine Breite gleich dem Achsabstand zwischen zwei benachbarten Rohren 6 und besitzen auf ihren beiden Längsseiten konkave Vertiefungen 14, die dem Querschnitt der Rohre angepaßt sind, so daß sie zwischen die Rohre eingefügt werden können, um global die Betonverkleidung 10 nachzubilden. Vorzugsweise werden mehrere dieser benachbarten Blöcke in einem gemeinsamen Zwischenraum zwischen Rohren angeordnet. Diese Anordnung in getrennten Blöcken läßt unterschiedliche Ausdehnungen zwischen den verschiedenen Zonen der Vorrichtung ohne die Gefahr von Rissen zu, die im Fall eines Gesamtbetonblocks 10 bestünde. Um auch die gekrümmten Zonen der Haarnadeln zu bedecken, enthält der erste Block 13 jeder Reihe eine Verlängerung 15 seines ebenen oberen Bereichs.
• Die Erfindung ist nicht auf die Vorrichtung und ihre Varianten beschränkt, die oben alleine beispielshalber beschrieben wurden. Insbesondere kann man im Rahmen der Anordnung der Rohre in Form von Haarnadeln in derselben Zone zwei oder mehrere Rohre gleicher Konfiguration anordnen, die aber parallel verlaufen, wobei jede Haarnadel eines Rohrs in eine von einem anderen Rohr gebildete Haarnadel hineingesteckt ist, und zwar abwechselnd, wobei die Haarnadeln natürlich in einer Ebene bleiben.
• Diese Anordnung erlaubt es, die Druckverluste in den Rohren zu verringern, insbesondere, da der Krümmungsradius der Haarnadel des Rohrs, das im Krümmungsbereich außen liegt, geringer ist als die Krümmung des Rohrs, das an diesem Punkt innen liegt.
• Es kann auch vorgesehen sein, ein zusätzliches Rohr zu verwenden, das die Gesamtheit der haarnadelförmig verlegten Rohre umgibt, um die Kühlung in der Zone in der Nähe der Haarnadelkrümmungen zu vergleichmäßigen und/oder eine Erwärmung der Winkelprofile zu vermeiden, aus denen die Abdeckleiste 12 besteht.
• Die Erfindung läßt sich auch auf Induktoren einer anderen Konfiguration anwenden, insbesondere in Form eines U.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Schutz eines elektromagnetischen Induktors mit einem Wärmetauscher aus mindestens einem unmagnetischen Metallrohr (6), wobei die Rohre in einer gemeinsamen Ebene oder im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, um eine Abschirmung zwischen dem elektromagnetischen Induktor und einem von diesem Induktor erwärmten heißen Walzteil zu bilden, wobei das Rohr oder die Rohre so angeordnet ist bzw. sind, daß ein Kühlfluid von einem Eingangsende zu einem Ausgangsende des Wärmetauschers fließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß diese Rohre bzw. dieses Rohr so angeordnet sind bzw. ist, daß zwei beliebige Rohre oder Rohrelemente (6) höchstens an einem Punkt in elektrischem Kontakt stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6') aus einer Folge von wechselweise ausgerichteten Haarnadeln gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6", 6'") aus einer eingängigen oder mehrgängigen Spirale besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6', 6", 6'") völlig in einen hitzebeständigen Beton (10) eingebettet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Blöcke (13) aus hitzebeständigem und elektrisch isolierendem Material zwischen zwei benachbarte Rohre (2) eingefügt sind, wobei die Längsseiten dieser Blöcke so gestaltet sind, daß sie der Form der Rohre angepaßt sind und den Wärmetauscher ganz bedecken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6', 6", 6'") auf einer starren Trägerplatte (5) aus elektrisch isolierendem Material befestigt ist und mit hitzebeständigem Beton (10) umkleidet ist, wobei das Ganze eine Verbundplatte (4) geringer Dicke und ausreichender Abmessungen ergibt, um die Polfläche jedes Pols zu bedecken.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Platte aus Glaskeramik oder einem ähnlichen Material (11) aufweist, die einen Seite des hitzebeständigen Betons (10) der Platte (4) bedeckt.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (6) aus rostfreiem und unmagnetischem Stahl bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung der Rohre (6) auf der Trägerplatte (5) gegeneinander elektrisch isoliert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (6") zentral gegenüber einem der Pole des Induktors mit Kühlfluid gespeist wird.

11. Elektromagnetischer Induktor zum Wiedererwärmen von Metallteilen durch Induktion eines dieses Teil durchquerenden Magnetfelds, wobei der Induktor ein Joch (1) in Form eines C oder eines U besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol des Induktors eine Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 besitzt, die vor der Polfläche sitzt und deren Form angepaßt ist.

12. Induktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtung (4) die ganze Oberfläche des Pols dicht bedeckt.

13. Induktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befestigung der Schutzvorrichtung auf dem Pol des Induktors vorgesehen sind und gegenüber den Rohren (6) des Wärmetauschers elektrisch isoliert sind.

14. Induktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er einen axialen Kanal besitzt, der am Ende des Jochs zur Speisung des Wärmetauschers mit Kühlfluid vorgesehen ist.