EP1001658A1 - Induktionsheizung für Thermowalzen - Google Patents

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EP1001658A1
EP1001658A1 EP99250403A EP99250403A EP1001658A1 EP 1001658 A1 EP1001658 A1 EP 1001658A1 EP 99250403 A EP99250403 A EP 99250403A EP 99250403 A EP99250403 A EP 99250403A EP 1001658 A1 EP1001658 A1 EP 1001658A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
roller
induction heating
heating according
inductor
roll
Prior art date
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Granted
Application number
EP99250403A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1001658B1 (de
Inventor
Hans-Jochen Dr.-Ing Rindfleisch
Ludwig Dipl.-Ing Hellenthal
Walter Dipl.-Ing. Patt
Jaxa Dr.-Ing. Von Schweinichen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Walzen Irle GmbH
Original Assignee
Walzen Irle GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Walzen Irle GmbH filed Critical Walzen Irle GmbH
Publication of EP1001658A1 publication Critical patent/EP1001658A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1001658B1 publication Critical patent/EP1001658B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/14—Tools, e.g. nozzles, rollers, calenders
    • H05B6/145—Heated rollers

Definitions

  • the invention relates to an induction heater for a thermo roll with a roller jacket made of a ferromagnetic material and an inductor coil inside the roll shell low-loss transmission and process-oriented setting of the Heating output more evenly by generating eddy currents Density as a whole or in selectable zones the outer surface of the roll shell.
  • Thermo rolls of the type under consideration consist of a steel cylinder, which is rotatably mounted on the front axle flanges is. With the inductive heating of these rollers, the heat directly in the jacket of the hollow cylinder using a magnetic Alternating field generated, for which the jacket made of one material which is both electrical and magnetic is sufficiently conductive.
  • thermo rolls It is a variety of inductive heating arrangements for thermo rolls known of this type, which have different structures Induction coils or induction loops for the generation of the use an alternating magnetic field in the roller jacket. You differentiate essentially by location and direction the flow axis of the induction coils or induction loops in relation to the roll shell or by the direction of magnetic flux and induced eddy current in Roller shell.
  • an induction roller which mainly has an induction coil on an iron core in the interior of the roller shell, the flow axis of which coincides with the roller axis.
  • the magnetic circuit in which the magnetic flux is formed consists essentially of the iron core of the induction coil and the ferromagnetic roller shell and the non-ferromagnetic gap between the iron core and roller shell, which forms the so-called air gap of the magnetic circuit.
  • the magnetic flux generated by the induction coil leaves its iron core by fanning out in the air gap and radially entering the roll shell from there, where it is bundled in the axial direction to fan out again in the air gap after the axial center of the induction coil has been exceeded from there to reenter the iron core from the other side.
  • the eddy currents caused by the alternating flow in the roll shell flow in the circumferential direction on tracks concentric to the roll axis.
  • the eddy current density and with it the heat source density is therefore constant in the circumferential direction.
  • both variables change in accordance with the change in the alternating flow in the roll shell as a result of its bundling or fanning out into the air gap.
  • eddy current and heat source densities in the roll shell decrease from the point which is located radially above the axial center of the induction coil to its ends.
  • closed heat pipes are provided in axial bores of the roller shell in accordance with the known arrangement.
  • the heat pipes contain a heat transfer medium that boils in the vicinity of the operating temperature, which, through evaporation, convection and condensation, brings about heat and temperature compensation between the center and the ends of the roll shell.
  • a major disadvantage of the known arrangement is that they are the formation of axial zones of controllable heating power on the thermal roller, especially in the edge areas the roll barrel, does not allow. This makes the roller in yours Applicability to a certain width of the to be processed Product lines and thus restricted to a very narrow product range. As a result, the machine utilization is low which can result in a low return on investment.
  • each of the induction coils arranged axially next to one another is embedded in an iron core with a U-shaped longitudinal section and has its own connections.
  • the U-shaped iron cores form with the ends of theirs flange-shaped leg a defined air gap to the inner surface of the roll shell.
  • n induction coils are arranged along the roller shell, the magnetic resistance of a magnetic circuit is approximately n times because of the smaller air gap width and thus the necessary excitation power is at least n 2 times, the total excitation power is more than n 3 times that of a comparable roller only one field coil. The excitation power is completely converted into heat in the induction coil.
  • This solution includes a ferromagnetic core which completely surrounds the roll shell at a circumferential point on the inside and outside and is provided with a field winding on its outer leg. Since the magnetic circuit thus formed has no air gap, the excitation power required to generate the magnetic flux is very low. The uniformity of the eddy current and heat source density in the axial direction is quite good because the flux is hardly fanned out in the space between the parallel ferromagnetic legs of the core. However, this solution does not allow the formation of axial heating zones. In addition, a conventional coaxial drive is not possible because the iron core partially covers the roll shell on its end faces.
  • inductive heating arrangements for rolls which has a fixed inductor inside the roller have.
  • an inductive heating described with such an inductor which consists of several, arranged in a star shape on the circumference, axially adjacent in sections Tru exists on an axially continuous support.
  • everyone Pole in each section is with an induction winding provided so that all poles of the inductor are electromagnetic are active or can be activated.
  • the flow axes of the induction coils are directed radially, the air gap of the Magnetic circuit between the ends of the poles and the inner surface of the roll shell is located.
  • the roll shell forms the yoke of the magnetic circuit between the pole cores of induction coils adjacent to the circumference and radially opposite flow direction.
  • a magnetic field is generated in the circumferential direction in the roll shell, which surrounds the roll axis between poles of opposite flow direction in circular segments of alternating flow direction.
  • the eddy current induced by the magnetic field essentially flows in a thin layer on the inner and outer surface of the roll shell in the opposite axial direction, so that an elongated current path in the form of a toroid or several toroid segments with an approximately rectangular cross section is formed, the common axis of which the roller axis coincides.
  • the heat sources are essentially on the inner and outer surface of the roll shell. Your distributions in the axial direction, especially the zone-by-zone heating can be by appropriate excitation of the induction coils Almost control axially adjacent sections. The same is also a control of the heat source distribution and corresponding zone heating in the circumferential direction by accordingly graduated excitation of the adjacent induction coils of upholstery and / or by appropriate grading of Air gaps between the ends of the pole cores and the inner surface of the roll shell possible along the roll circumference.
  • a disadvantage of this and similar known arrangements is that high material and manufacturing costs for the production of the Inductor, especially the induction coils, and that of their large winding volume resulting in high energy expenditure for the generation of the magnetic field, which of the heating the roller surface is lost.
  • the heat sources located on the inner surface of the roll shell are also only partially available with a time delay for heating the outer roll surface and for transferring heat to the web.
  • the heat loss to the axle flanges and load-bearing shaft ends cannot be suppressed sufficiently effectively, since the space in the axle flange is generally not sufficient to accommodate an inductor cushion with the heating power required for thermal compensation.
  • Arrangements are also known for generating an at least circular arc-shaped magnetic field in the circumferential direction in the roll shell, in which the inductor coils are located on the outer circumference of the roll.
  • the arrangement consists of U-shaped pole shoe devices, the ends of the magnetic legs of which face the outer lateral surface of the roller at a certain distance, which forms the non-ferromagnetic air gap of a magnetic circuit in which the roller shell forms the yoke.
  • Each pole piece device has an induction coil.
  • Several pole shoe devices are arranged axially directly next to one another and form a pole shoe row covering the roll from the outside over its entire roll length to be heated.
  • a reduction in manufacturing and control technology Effort and the associated material and Energy expenditure for the setting and maintenance of a defined axial distribution of the eddy current and heat source density is said to be with another known arrangement Type according to DE OS 4011825 can be achieved.
  • the solution is the inductor one radially above the roll surface arranged conductor loop, the current-carrying Length through conductive, axially movable contact bridges can adjust between her legs.
  • inductive heating arrangement for rollers on the also from loop-shaped conductors over the outer surface of the roller is constructed.
  • Several conductor loops form one Conductor loop spiral and are one in one magnetic non-conductive, electrically insulating material, embedded cover fixed over the roller. Except of that due to the lack of a magnetic return conductor only weak inductive coupling of the conductor loops If the roller shell exists, the flow takes from the center the conductor loop coil towards its edges, so that a constant flux density neither in the circumferential nor in the axial direction and eddy current or heat source density distribution achieved can be.
  • the aim of the invention is to recognize the shortcomings of the known to fix inductive heating arrangements for thermo rolls.
  • the invention has for its object an induction heating to create a thermo roll with the low control or regulatory expenditure and low energy losses can be controlled in a short time via individual ones on the roller surface Heating zones over a predetermined temperature distribution the axial length on the roller surface and in the axle flanges manufactured and adjusted during operation and can be maintained or tracked according to the process, without individual, separate, axially next to each other arranged inductor coils are required.
  • the roller consists of a rotatably mounted hollow cylinder provided at its ends with axle flanges, on the inner surface of which at a certain radial distance which is at least equal to the maximum deflection of the roller cylinder, one of or a plurality of axially parallel, elongated, rod-shaped or shell-shaped conductors consisting of fixed inductors, which are supported at their ends in axial bores of the axle flanges of the roller on their own axle flanges and which are flowed through by a single or multi-phase alternating current, the conductors of the inductor in one piece or extend in magnetically lined up sections across the entire bale width of the roller and fastened at their ends in the axis flanges of the inductor and are mechanically and electrically spaced from one another or connected to one another.
  • the inductor is flowed through by the current only on the corresponding axial section, ie the current is fed into the inductor at the ends of this section.
  • sliding contacts are provided, which are fastened to a contact carrier and pressed against a contact track on the inner circumferential surface of the inductor and against a busbar arranged in or near the roller axis.
  • the contact carriers are arranged symmetrically with respect to the axial center of the roll barrel and are each fastened to a spindle nut which has an incline of the same height opposite the spindle nut on the opposite side of the roll.
  • a two-part spindle is arranged in the axis of the roller, which also has opposite slopes of the same height symmetrically to the axial center of the roller.
  • the contact carriers on the spindle nuts are moved symmetrically to or away from the axial center of the roller, as a result of which the heated bale width of the roller increases or decreases accordingly.
  • the busbar is separated in the axial center of the roller into two parts that are electrically insulated from each other. The current is fed at one end of the roller into the conductor rail, which is led into the interior of the inductor through a central bore in the axle flange of the inductor.
  • the current in the conductor rail is fed to the sliding contact attached to the base of the contact carrier, reaches the sliding contacts located at the head of the contact carrier via a contact bridge, enters the contact paths of the inductor jacket, flows through the inductor jacket in the axial direction and then leaves it in reverse order on the same way to the other end of the roller.
  • Appropriate arrangement of sliding contacts on the head of the contact carrier and the division of the inductor jacket into mutually insulated contact tracks can also be used to delimit heating zones of different widths and positions on the circumference of the roller. To vary the width of a heating zone, the number of sliding contacts on the head of the contact carrier must be changed. To adjust the position of the heating zone on the circumference, it is sufficient to twist the contact carrier on the spindle.
  • the roller shell basically the core of the magnetic circuit represents.
  • the eddy current path forms in the roll shell in Form of a toroid elongated in the axial direction with approximately rectangular cross section.
  • the eddy current flows in a thin layer with constant effective electrical Conductor cross section on the inner and outer surface of the Roll shell in each case, in the opposite direction on one axial distance, which is the current-carrying distance of the Current conductor of the inductor corresponds.
  • the busbar In order to prevent the magnetic field of the current-carrying sections of the busbar from penetrating outside the axial heating zones into the roller jacket and the axle flanges, the busbar is magnetically shielded throughout.
  • the shield consists of a ferromagnetic jacket, which has an air gap to limit the induction and is covered on its periphery with a layer of electrically highly conductive material to suppress the magnetic stray field. If the edges of the roller, in particular the axle flanges, are to be temporarily heated when the roller is heated, this can be taken into account according to the invention by constructing the magnetic shield from two shells which can be rotated into one another. By rotating the shells, the shielding can be partially opened and an inductive coupling to the axle flanges sufficient for the additional heating can be achieved.
  • the supply is made with a multi-phase alternating current, so are circumferentially adjacent conductors at one end of the inductor in phases in each case electrically to self-contained groups connected with each other.
  • the phase groups formed in this way are against each other electrically isolated and at one end of the inductor provided with separate connections to the power source, whereas at the other end of the inductor all conductors are connected to each other are electrically connected.
  • each phase group forms its own magnetic circuit.
  • the River occurs on the border between two neighboring phase groups out of the roll shell into the inside of the roll and on the opposite one or at the extent of the closest phase boundary into the roll shell. He takes his way along the flow axes, which are between those on the roll circumference lying limits of two phase groups and the roller axis extend.
  • a transverse yoke as part of the Arranged inductor, which is made of ferromagnetic material and there is negligible magnetic resistance represents.
  • the magnetic resistance in the flow axis is essentially due to the magnetically effective non-ferromagnetic "air gap" between the ends of the Cross yoke and the inner surface of the roller determined.
  • the transverse yoke extends in the axial direction over the entire length of the inductor and is divided into several axial sections which can be rotated independently of one another by at least réelle / 2 from the flow axis, where ⁇ is the electrical angle between the phase currents.
  • each transverse yoke section is advantageous with its ends on the inner surface of the inductor and with its axis of rotation in an axial bore of the axle flange of the inductor stored, the axes of rotation of the transverse yoke sections from the Project the axle flange of the roller so that it is accessible from the outside are.
  • Each of the transverse yoke sections is with its Axis of rotation rigidly connected.
  • the axes of rotation are nested and mutually rotatable hollow shafts, of which each is accessible at one end from the outside and on their other end with one of the transverse yoke sections connected is.
  • Hollow shafts at their free ends, preferably via an automatic Manual gearbox connected to a servomotor.
  • phase groups of the inductor generally extend over different circumferential areas of the roll shell, the greater heat source density on the roll surface generally being to be brought about above the phase group with the respectively smaller extent on the roll circumference.
  • the magnetically effective air gap between the ends of the transverse yoke and the inner surface area of the roll shell must be kept as small as possible. This means that the radial height of the conductor of the inductor must be as small as possible.
  • the conductors of the inductor have the shape of cylindrical shells.
  • These conductor shells can be coated with a thin, electrically insulating plastic covering with self-lubricating Properties, e.g. Teflon, on which the equally with ends coated with such a plastic the transverse yokes are slidably mounted.
  • a further reduction in the magnetic air gap can be achieved if the inductor is rigidly connected to the roll shell.
  • the necessary distance between the outer surface of the inductor and the inner surface of the roller is no longer determined in this case by the maximum deflection of the roller, but only by the required electrical insulation between the roller and the inductor. Since the inductor now rotates together with the roller, the individual conductors of the inductor are looped in the manner of a DC commutator winding - or connected in wave form in order to maintain a fixed flow axis - and individually connected at one end of the inductor to the slats of a collector, via which electrical connection to the power source is established.
  • the transverse yoke If the transverse yoke is turned out of its bridge position between the phase boundaries, the magnetic resistance of the magnetic circuits increases very strongly. The magnetic flux, and with it also the induced heating power in the roll shell, decrease accordingly. In the case of an inductor with a symmetrical, two-phase conductor arrangement, the phase boundaries on the circumference of the roll are diametrically opposite. If the transverse yoke is rotated with its longitudinal axis through 90 ° in the middle of the phase groups, the flooding of the inductor is canceled in relation to the transverse yoke, so that no flow is driven via the transverse yoke. In addition to the comparatively low leakage flux, there is then no magnetic flux in the roll shell, so that practically no or only very little heating power is generated.
  • the resulting flow through the magnetic circuits, and with them the magnetic flux and the heating power generated in the roll shell can be gradually reduced from their maximum value to close to zero, without having to make any change in the circuit of the inductor.
  • the adjustment of the roller heating is possible without contact; wear due to contact wear is excluded from the outset and the energy losses caused by the control are negligible.
  • This contactless adjustment of the heating output can be even over the entire bale width of the roller, but also in sections, e.g. be made at the ends of the rollers by only the transverse yoke sections located at the corresponding points be rotated.
  • Zone-by-zone heating on the roller circumference is achieved according to the invention by arranging the phase groups in such a way that they extend over circumferential regions of different sizes.
  • the boundaries between the phase groups are then no longer diametrically opposed; only the central angles of the phase groups continue to add up to 360 °. Since the same current flows in each of the two phase groups, their floodings are the same.
  • the magnetic resistances of their magnetic circuits are proportional and their fluxes are inversely proportional to their central angles.
  • This can be achieved by choosing a suitable ferromagnetic material and a sufficiently large magnetic cross section of the cross yoke.
  • a direct current source is coupled into the alternating current circuit of the inductor in a known manner via a low-pass filter, for example a choke.
  • the transverse yoke is stacked from thin, insulated sheets and held together, for example, with a bandage made of GRP, the individual sheets being arranged lying in the direction of flow. This effectively suppresses eddy currents in the transverse yoke.
  • the magnetic resistances of the phase groups can also be set in the desired ratio in that the covering of the roll shell by the transverse yoke in the region of the phase boundary and thus the area of the air gap is different for the adjoining phase groups. This can be achieved by shifting the axis of the transverse yoke from the flow axis.
  • the size of the air gap can also be different for the two phase groups, which can be achieved by appropriately asymmetrical shaping of the transverse yoke at its ends in the form of appropriately designed pole pieces.
  • the phase group with the smaller central angle is to represent the zone of higher specific heating power
  • its magnetic circuit receives the smaller air gap and the larger air gap area in such a way that the magnetic alternating flux driven by the flooding of this phase group via the transverse yoke through the roller jacket and the heat source density generated by it is higher than the rest of the circumference of the roller.
  • this heating zone can be brought into any desired position that is most favorable in terms of process technology. This enables optimal heat transfer to the rolling stock and, at the same time, optimal use of energy.
  • the energy losses caused by convection and heat radiation on the largest part of the roll circumference that is not in contact with the rolling stock can be significantly reduced with the lower heating output and the corresponding lowering of the surface temperature in this circumferential range.
  • the peripheral magnetic excitation of the roll shell is inevitably the same as a result of the stretched, axial conductor arrangement over the entire current-carrying length of the inductor.
  • this is the case at least over the width of a cross-yoke section and also over the entire bale width if all cross-yoke sections have the same angular position with respect to the flow axis.
  • the transition of the eddy current path between the outside and inside diameter of the roll shell only takes place at the ends of the inductor.
  • this undesirable effect is eliminated by that immediately adjacent to the inner surface of the Roll cylinder a layer of a material with an im Compared to the rolled steel much lower specific electrical resistance, e.g. Copper is attached, the Thickness of this layer of the penetration depth of the electric field corresponds. This ensures that the induction on the roller transferred heat output in relation to the specific Resistance to the inner and outer surface of the roller divide and thus the heat mainly on the outer roller surface is produced.
  • the two diversions are over 180 ° offset on the circumference in grooves of the axis flange of the inductor arranged.
  • the two pole bridges offset by 180 ° around the circumference used which the magnetically conductive connection between the magnetic poles of the axis flanges of the roller and inductor produce. So they form the connecting lines of the pole bridges with the connecting lines of the current conductors an angle of 90 °, the auxiliary heater is switched on; the angle is 0 °, so it is largely turned off.
  • thermo roll 1 The induction heating for a thermo roll 1 consists of a Roll jacket 2, axle flanges 3, 3 ', on which the thermo roll 1 is rotatably mounted, and the inductor 4, which has axle flanges 7, 7 'in the axial bores of the axle flanges 3, 3' Thermo roll 1 is used.
  • the inductor 4 is, as shown in FIGS. 1 and 2, inside the Roll shell 2 arranged and consists in the shown here single-phase version of an inner conductor 5, the by an insulating piece 5.3 in two electrically separated and mechanically interconnected conductor sections 5.1 and 5.2 is divided, outer current conductors 6, sliding contact carriers 8, 8 'with inner sliding contact 8.1, 8.1' and outer sliding contact 8.2, 8.2 ', the spindle nut 9.1, 9.2 and a spindle 10 and a magnetic shield 11 of the inner conductor 5.
  • the outer current conductors 6 of the inductor coil 4 ' can be round or profile rods, but also cylindrical shells and are arranged on the inner circumference of the roll shell 2 in a uniformly distributed manner and fastened at their ends in axle flanges 7, 7' of the inductor 4.
  • the current conductors 6 are connected to a current source from both ends of the thermal roller 1 via the inner current conductor 5, the inner sliding contacts 8.1, 8.1 ', the sliding contact carriers 8, 8' and the outer sliding contacts 8.2, 8.2 '.
  • the outer current conductors 6 are electrically connected to one another in the circumferential direction over their entire length or in sections, so that the current is distributed evenly peripherally over the outer current conductors 6 to the outer current conductors 6.
  • the current flows in the outer current conductors 6, namely over the entire circumference of the inductor in the same direction, as shown by arrows in FIGS. 1 and 2.
  • a magnetic flux is generated in the roll shell 2, which flows in the circumferential direction, as the arrows in FIG. 2 show.
  • Eddy currents are induced in the roll shell by the flow and flow on the current paths shown by arrows in FIG. 1.
  • the length of the eddy current path and thus the heated width of the roll shell can be adjusted by varying the length of the outer current conductor 6 through which current flows.
  • the spindle 10 consists of two parts of the same length with the same size but opposite thread pitch.
  • the spindle nuts 9.1 and 9.2 located on the sections of the spindle 10 likewise have mutually opposite thread pitches of the same pitch and are arranged on the spindle 10 symmetrically to the axial center of the roller.
  • the spindle 10 If the spindle 10 is rotated, it moves depending on the direction of rotation the spindle nuts 9.1, 9.2 together with the sliding contact carriers 8, 8 'on paths of the same length, either towards or away from each other.
  • the current-carrying takes Distance of the outer conductor 6 and thus the inductively heated width of the roll shell 2 accordingly or to.
  • the inner conductor 5 To induce eddy currents in the roll shell 2 outside the distance limited by the sliding contact carrier 8 to prevent the current flowing in the inner conductor 5, is the inner conductor 5 with a magnetic shield 11 provided, which consists of the shells 11.1 and 11.2. Each the two shells are made of thin, isolated from each other ferromagnetic sheets assembled and carries on their outer surface of an electromagnetic screen 12 electrically good conductive material.
  • the magnetic shield 11 extends over the entire length of the thermal roller 1, at least over the full length of the inner conductor 5 between the connections of its sections 5.1 and 5.2 to the Power source not shown here. This will not only in the edge areas of the roll shell 2, but also in the Axle flanges 3, 3 'and 7, 7' an induction of eddy currents prevented.
  • the thermal roller 1 it is desirable to actively influence the temperature field in these areas.
  • This is taken into account by the structure of the magnetic shield 11 according to the invention in such a way that the two shells 11.1 and 11.2 have different diameters, so that they can be rotated into one another and thus partially release the inner current conductor 5 depending on the angle of rotation.
  • the inductive coupling of the inner current conductor 5 to the axle flanges 3, 3 'or the edge regions of the roll shell 2, that is to say also the heating power transmitted inductively there, can thus be continuously increased from zero to the value required in each case.
  • To set the angle of rotation at least one of the shells 11.1 or 11.2 of the magnetic shield 11 is guided out of the inductor 4 on at least one side of the thermo roll 1 to such an extent that it is accessible from the outside through its axle flange 7.
  • the inductor 4 is inclusive of all fixtures located therein. That is why the axle flange 7 of the inductor 4 in the axle flange 3 of the thermo roll 1 rotatably mounted and at its ends on the roller frame attached.
  • the inner tubular conductor 5 is also with the ends of its sections 5.1 and 5.2 on the machine frame supported and solid with the electrical system of the power source electrically connected. It applies to each of its ends electrically insulating bearings inside the spindle 10 and outside the shells 11.1 and 11.2 of the magnetic shield 11. Die Bearings of the shells 11.1 and 11.2 have different outside diameters and are axially offset so that they twist into each other of the shells 11.1 and 11.2.
  • the conductor 5 is with the spindle 10 and the magnetic shield 11 through an axial bore in the axle flanges 7 of the Inductor 4 on both sides accessible from the outside from the interior the thermal roller 1 led out.
  • FIG. 3 and 4 show an inductive heating arrangement with an inductor 4 in a symmetrical two-phase design.
  • the outer current conductors 13 'and 14' of the inductor coil 4 ' are divided into two equally large phase groups 13 and 14 and are electrically separated by insulating rods 15.
  • the electrical phase angle is 180 °, ie the current flows in one phase group from one end of the inductor 4 and back in the other phase group.
  • the current supply lines 17 and 18 are located at one end of the inductor 4, while at the other end of the inductor the two phase groups 13, 14 are connected to one another by the phase bridge 18.
  • the current conductors 13 ', 14' of the two phase groups 13, 14 have a common flow axis 19 which extends between the roller axis and the peripheral phase boundaries.
  • the transverse yoke 20 with the pole shoes 21 is arranged symmetrically in the flow axis 19. Due to the opposite direction of rotation of their flooding, each phase group 13, 14 forms its own magnetic circuit 22 or 23.
  • the roller shell 2 forms the core of such a magnetic circuit on the section covered by the respective phase group 13 or 14.
  • the two core halves of the roll shell 2 meet with their respective poles of the same name at the phase boundaries.
  • the transverse yoke 20 forms the common bridge of the two magnetic circuits between the diametrically opposite, opposite poles of the two core halves.
  • the direction of the flows generated by the phase groups 13 and 14 are shown in FIG. 4 by arrows.
  • the magnetic resistance of the magnetic circuits 22 and 23, respectively by the width and surface area of the air gap 24 between the transverse yoke 20 and the inner surface of the roll shell 2 determined.
  • the air gap is therefore appropriately dimensioned as narrow as the radial Thickness of the outer conductor 13 ', 14' and the deflection of the Allow roll shell 2.
  • the surface of the air gap can be expanded by expanding the width the pole shoes 21, 21 'enlarged so far in the circumferential direction be as required the uniformity of the peripheral Flow or heat source density distribution in the roll shell 2 allows.
  • the peripheral Flux density and heat flow density distribution within wide limits can be varied.
  • the magnetic field in this limit position is shown in Fig. 5.
  • the flooding of phase groups 13 and 14 is increased with respect to the transverse yoke 20, so that there is only one Stray flux can form.
  • the leakage flux is significant lower than the river in the bridge position of the transverse yoke 20. This is because of the quadratic dependence of the heat sources of the flux density to an even greater extent for the inductive transferred heat output to.
  • constant inductor current 5 the heating power can be achieved by rotating the transverse yoke 20 alone can be varied within wide limits.
  • the transverse yoke 20 is divided axially into a plurality of sections 20 ′, 20 ′′, 20 ′′ ′′ that can be rotated relative to one another, as in FIG. 3 is shown schematically.
  • the two outer transverse yokes 20 'and 20''' are in the limit position of minimal inductive coupling between inductor 4 and roller shell 2.
  • the central transverse yoke 20 '' assumes the bridge position, that is, it produces the maximum inductive coupling. Because of this constellation, eddy currents are generated only in the central axial section of the roll shell 2.
  • the eddy current paths and the direction of the eddy currents are shown by the arrows. Since the current in the current conductors 13 'and 14' of the phase groups 13, 14 'cannot change in the direction of flow indicated by the arrows, the magnetic flux density and thus also the heat source density in the axial direction is inevitably constant as long as the inductive coupling between inductor 4 and roll shell 2 is constant. This applies over the axial length of the transverse yoke 20, as shown in FIG. 3. In the edge region of the central section 20 ′′ of the transverse yoke 20, however, the coupling decreases considerably, so that the current flowing in the axial direction decreases to zero by fanning out in the radial direction.
  • the electromagnetic and thermal boundary field that forms can, depending on the thickness of the roll shell 2, extend considerably beyond the axial ends of the transverse yoke 20 and, in particular, when the outer sections 20 ′, 20 ′′ ′′ are in the bridge position, up to Extend the area of the axle flange 3 of the roller 1.
  • the cross yokes 20 with their sections 20 ', 20' ', 20' '' sit on concentrically arranged, rotatably mounted on each other Hollow shafts 25, 25 ', 25' ', being on one side of the thermo roll 1 the innermost hollow shaft 25 'and on the other side the thermal roller 1 has the outermost hollow shaft 25 '' in the axle flange 7 of the inductor 4 is rotatably mounted.
  • the ends of the hollow shafts are on one side of the thermal roller 1 through the axial bore of the axle flange 7 of the inductor 4 led out accessible from the outside. You can be connected to an actuator there be part of a temperature controller.
  • the transverse yokes 20 are mounted directly on the inner lateral surface of the inductor 4, ie on the inner surfaces of the current conductors 13 ', 14'.
  • phase groups 13 and 14 extend over differently large areas of the roll circumference, but carry the same current.
  • the floods of both phase groups 13, 14 are therefore the same.
  • Their flow axes 19 form the edges of a circular disk segment, which includes the peripheral heating zone 27 with the phase group 13.
  • the transverse yoke 20.1 is arranged in the flow axis 19.
  • the phase floodings partially cancel each other out, the flow axes and the corresponding magnetic circuits in this case being impressed by the transverse yoke 20.1.
  • the resulting flux through the two magnetic circuits is a quarter of the phase flux.
  • the flux in the inner magnetic circuit 28 enclosed by the legs of the transverse yoke 20.1 is again three times the flux in the outer magnetic circuit 29. That is, based on the maximum flux density in the heating zone 27 according to FIG.
  • 8 and 9 show an arrangement which offers this possibility by setting different magnetic circuit constellations.
  • 8 shows the arrangement in the position in which the magnetic flux is used for heating.
  • the magnetic circuit is shown in FIG. 9 in the setting in which the magnetic flux is effectively suppressed.
  • the two-phase magnetic circuit arrangement consists of the axle flange 3 of the thermal roller 1, the axle flange 7 of the inductor 4 with the electromagnetic shielding caps 30 and the adjusting ring 35 with the pole bridges 31 and the electromagnetic pole shielding caps 32.
  • the pole bridges 31 made of ferromagnetic material bridge the air gap 33 in the circumferential area between two shielding caps 30 and thus each form a magnetic circuit for each of the two current leads 17 and 18 with the same magnetic resistance.
  • the magnetic fluxes are driven by the flooding of the phase currents in the current supply lines 17 and 18, as shown by arrows in FIG. 8.
  • eddy currents are induced in the axis flanges 3 and 7, which cause heating there.
  • the pole bridges 31 are positioned radially via the power supply lines 17 and 18 and the electromagnetic pole shield caps 32 are positioned via the poles 34 of the magnetic circuit by rotating the adjusting ring 33 by 90 °.
  • the axle flange 3 of the thermal roller 1 is completely shielded electromagnetically from the axle flange 7 of the inductor 4.
  • the magnetic circuits of the power supply lines 17 and 18 are practically interrupted, so that the magnetic flux is effectively suppressed.
  • intermediate positions are also possible by correspondingly turning the adjusting ring 35.
  • the magnetic circuit arrangement shown in FIG. 8 and FIG. 9 can also be used analogously for heating the roll shell.
  • item 3 denotes the roll shell 2
  • item 7 the transverse yoke 20.2 and items 17 and item 18 the current conductors 13 ', 14' of the two phases of the inductor 4.
  • the transverse yoke 20.2 can be the crosshead of a bending compensation roller , over which a cylinder made of thin, insulated sheet metal is arranged concentrically as a magnetic conductor.
  • the pole bridges are then expediently designed as hydraulic elements or integrated into them.

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Abstract

Kurzfassung Die Thermowalze besitzt einen Walzenmantel aus einem ferromagnetischen Material und eine Induktorspule innerhalb des Walzenmantels zur verlustarmen Übertragung und prozeßgerechten Einstellung der Heizleistung durch die Erzeugung von Wirbelströmen gleichmäßiger Dichte in der Gesamtheit oder in gezielt auswählbaren Zonen der äußeren Oberfläche des Walzenmantels. Hierbei bildet der Walzenmantel selbst den Magnetkern und die Induktorspule besteht aus einem oder mehreren, in Nähe der Innenfläche des Walzenmantels in achsparaller Anordnung peripher verteilten, sich axial mindestens über die größte Ballenbreite der Walze erstreckenden und in ihrer induktiven Ankopplung an den Walzenmantel abschnitts- bzw. zonenweise einstellbaren, stab- oder schalenförmigen Stromleitern. Walzen der bezeichneten Art werden in unterschiedlichen Industriezweigen zur Warmbehandlung von Walzgut eingesetzt. Zeichnung In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Thermowalze mit einem Induktor in einphasiger Ausführung dargestellt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizung für eine Thermowalze mit einem Walzenmantel aus einem ferromagnetischen Material und einer Induktorspule innerhalb des Walzenmantels zur verlustarmen Übertragung und prozeßgerechten Einstellung der Heizleistung durch die Erzeugung von Wirbelströmen gleichmäßiger Dichte in der Gesamtheit oder in gezielt auswählbaren Zonen der äußeren Oberfläche des Walzenmantels.
Thermowalzen der betrachteten Art bestehen aus einem Stahlzylinder, der an stirnseitigen Achsflanschen drehbar gelagert ist. Bei der induktiven Heizung dieser Walzen wird die Wärme unmittelbar im Mantel des Hohlzylinders mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes erzeugt, wozu der Mantel aus einem Material besteht, welches sowohl elektrisch als auch magnetisch hinreichend leitfähig ist.
Es ist eine Vielzahl von induktiven Heizanordnungen für Thermowalzen dieser Art bekannt, welche unterschiedlich aufgebaute Induktionspulen oder Induktionsschleifen für die Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes im Walzenmantel benutzen. Sie unterscheiden sich im wesentlichen durch die Lage und die Richtung der Durchflutungsachse der Induktionsspulen oder Induktionsschleifen im Bezug auf den Walzenmantel bzw. durch die Richtung des magnetischen Flusses und des induzierten Wirbelstroms im Walzenmantel.
So ist nach DE 19 53 20 44 eine Induktionswalze bekannt, welche hauptsächlich eine Induktionsspule auf einem Eisenkern im Innern des Walzenmantels aufweist, deren Durchflutungsachse mit der Walzenachse zusammenfällt. Der magnetische Kreis, in welchem sich der magnetische Fluß ausbildet, besteht im wesentlichen aus dem Eisenkern der Induktionsspule und dem ferromagnetischen Walzenmantel sowie dem nicht ferromagnetischen Zwischenraum zwischen Eisenkern und Walzenmantel, der den sogenannten Luftspalt des Magnetkreises bildet.
Der von der Induktionsspule erzeugte magnetische Fluß verläßt deren Eisenkern, in dem er sich im Luftspalt auffächert und von dort radial in den Walzenmantel eintritt, wo er in axialer Richtung gebündelt wird, um sich nach Überschreiten der axialen Mitte der Induktionsspule erneut in den Luftspalt aufzufächern und von dort von der anderen Seite wieder in den Eisenkern einzutreten.
Die durch den Wechselfluß im Walzenmantel hervorgerufenen Wirbelströme fließen in Umfangsrichtung auf zur Walzenachse konzentrischen Bahnen. Die Wirbelstromdichte und mit ihr die Wärmequellendichte ist daher in Umfangsrichtung konstant. In axialer Richtung ändern sich beide Größen jedoch entsprechend der Änderung des Wechselflusses im Walzenmantel infolge dessen Bündelung aus - bzw. Auffächerung in den Luftspalt. Aus diesem Grunde nehmen Wirbelstrom- und Wärmequellendichte im Walzenmantel von der Stelle, welche sich radial über der axialen Mitte der Induktionsspule befindet, zu seinen Enden hin ab. Um dennoch die gewünschte, gleichmäßige Temperaturverteilung in axialer Richtung auf der Walzenoberfläche zu erreichen, sind gemäß der bekannten Anordnung geschlossene Wärmerohre in axialen Bohrungen des Walzenmantels vorgesehen. Die Wärmerohre enthalten ein in der Nähe der Betriebstemperatur siedendes Wärmeträgermedium, welches auf dem Wege der Verdampfung, Konvektion und Kondensation einen Wärme- und Temperaturausgleich zwischen der Mitte und den Enden des Walzenmantels bewirkt.
Die Herstellung solcher axialer Bohrungen in dem Walzenmantel ist fertigungstechnisch sehr aufwendig. Außerdem kann damit ein Temperaturausgleich bis in den Bereich der Achsflansche hinein nicht erreicht werden.
Aus diesem Grunde sind bei der bekannten Induktionsheizwalze zusätzliche Hilfsinduktionsspulen im Bereich der Achsflansche vorgesehen. Der von den Hilfsinduktionsspulen erzeugte Fluß tritt in die Achsflansche ein und führt dort zu der für einen vollständigen Temperaturausgleich erforderlichen zusätzlichen Erwärmung.
Durch Einspeisung einer entsprechend höheren Heizleistung in die Wicklungen der Hilfsinduktionsspulen soll darüber hinaus ein Abfluß von Wärme in die nicht beheizten Bereiche des Achsflansches und in das Walzengestell während des Aufheizvorgangs unterbunden und damit die notwendige Zeit für das Aufheizen der Walze bis zum Erreichen der Betriebstemperatur verkürzt werden.
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß sie die Ausbildung von axialen Zonen steuerbarer Heizleistung auf der Thermowalze, insbesondere in den Randbereichen des Walzenballens, nicht zuläßt. Dadurch ist die Walze in ihrer Verwendbarkeit auf eine bestimmte Breite der zu bearbeitenden Warenbahnen und damit auf ein sehr enges Produktsortiment eingeschränkt. Das hat zur Folge, das eine geringe Maschinenauslastung auftreten kann, was auf eine niedrige Kapitalrendite hinausläuft.
Zur Erzielung einer gleichmäßigen Fluß-, Wirbelstrom- und Wärmequellendichte in axialer Richtung und zur Ausbildung von axialen Zonen steuerbarer Heizleistung ist es bekannt mehrere Induktionsspulen axial nebeneinander anzuordnen.
Nach der DE 19538261 ist jede der axial nebeneinander angeordneten Induktionsspulen in einem Eisenkern mit u- förmigem Längsschnitt eingebettet und besitzt eigene Anschlüsse.
Die u- förmigen Eisenkerne bilden mit den Enden ihrer flanschförmigen Schenkel einen definierten Luftspalt zur Innenfläche des Walzenmantels.
Diese von den Eisenkernen und dem Walzenmantel gebildeten Magnetkreise lassen aufgrund ihrer Anordnung bei zweckmäßiger Dimensionierung eine Bündelung bzw. Auffächerung des Flusses aus dem bzw. in den Luftspalt nicht zu, so daß mit Ausnahme der Grenzzonen zwischen den einzelnen Magnetkreisen eine annähernd konstante Fluß-, Wirbelstrom- und Wärmequellendichte längs der Walzenoberfläche in axialer Richtung erreicht werden kann.
Eine solche Art der Erzeugung des magnetischen Flusses ist sehr energieaufwendig. Bei Anordnung von n Induktionsspulen längs des Walzenmantels beträgt der magnetische Widerstand eines Magnetkreises wegen der kleineren Luftspaltbreite etwa das n-fache und damit die notwendige Erregerleistung mindestens das n2-fache, die gesamte Erregerleistung also mehr als das n3-tache einer vergleichbaren Walze mit nur einer Feldspule. Die Erregerleistung wird in der Induktionsspule vollständig in Wärme umgesetzt.
Um eine zu hohe Erwärmung der Induktionspulen zu vermeiden, ist z.B. in der EP 0511549 für eine vergleichbare induktiv beheizbare Walze ein Kühlrohr vorgesehen, welches die in den Induktionsspulen erzeugte Wärme abführt. Diese geht der Walzenheizung verloren, was eine erhebliche Verminderung des thermischen Wirkungsgrads zur Folge hat.
Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht in der Notwendigkeit, die einzelnen Induktionsspulen bezüglich ihrer Heizleistung jede für sich getrennt zu überwachen und zu steuern, was zu einer sehr aufwendigen, aus mehreren unabhängigen Schaltkreisen bestehenden Stromversorgung führt.
Abgesehen davon, daß dadurch zusätzliche Energieverluste hervorgerufen werden, ist eine solche Stromversorgungsanlage teurer und naturgemäß störanfälliger und bedarf daher einer laufenden Betriebsüberwachung.
Besonders niedrige Energieverluste und ein hoher thermischer Wirkungsgrad der induktiven Heizung sind mit einer Lösung nach der DE 3416353 erreichbar. Diese Lösung beinhaltet einen den Walzenmantel an einer Umfangsstelle innen und außen vollständig umschließenden ferromagnetischen Kern, der auf seinem äußeren Schenkel mit einer Feldwicklung versehen ist.
Da der damit gebildete Magnetkreis keinen Luftspalt aufweist, ist die für die Erzeugung des magnetischen Flusses erforderliche Erregerleistung sehr gering. Die Gleichmäßigkeit der Wirbelstrom- und Wärmequellendichte in axialer Richtung ist wegen einer kaum vorhandenen Auffächerung des Flusses in dem Raum zwischen den parallenen ferromagnetischen Schenkeln des Kerns recht gut.
Diese Lösung läßt allerding eine Ausbildung axialer Heizzonen nicht zu. Außerdem ist ein üblicher koaxialer Antrieb nicht möglich, da der Eisenkern den Walzenmantel an seinen Stirnseiten teilweise abdeckt.
Weiterhin sind induktive Heizungsanordnungen für Walzen bekannt, die einen feststehenden Induktor im Inneren der Walze besitzen. So ist z.B. in der DE OS 3033482 eine induktive Heizung mit einem solchen Induktor beschrieben, der aus mehreren, am Umfang sternförmig angeordneten, sektionsweise axial benachbarten Polen auf einem axial durchgehenden Träger besteht. Jeder Pol in jeder Sektion ist mit jeweils einer Induktionswicklung versehen, so daß alle Pole des Induktors elektromagnetisch aktiv bzw. aktivierbar sind. Die Durchflutungsachsen der Induktionsspulen sind radial gerichtet, wobei sich der Luftspalt des Magnetkreises zwischen den Enden der Pole und der Innenfläche des Walzenmantels befindet.
Der Walzenmantel bildet das Rückschlußjoch des Magnetkreises zwischen den Polkernen von am Umfang benachbarten Induktionsspulen radial entgegengesetzter Durchflutungsrichtung. Dabei wird im Walzenmantel ein Magnetfeld in Umfangsrichtung erzeugt, welches die Walzenachse zwischen Polen entgegengesetzter Durchflutungsrichtung in Kreissegmente alternierender Flußrichtung umgibt.
Der von dem Magnetfeld induzierte Wirbelstrom fließt im wesentlichen in einer dünnen Schicht an der Innen- und Außenfläche des Walzenmantels in jeweils entgegengesetzter axialer Richtung, so daß sich ein langgestreckter Strompfad in Form eines Toroids oder mehrerer Toroidsegmente mit annähernd rechteckigem Querschnitt ausbildet, dessen gemeinsame Achse mit der Walzenachse zusammenfällt.
Bei dieser Lösung befinden sich die Wärmequellen im wesentlichen an der Innen- und Außenfläche des Walzenmantels. Ihre Verteilungen in axialer Richtung, insbesondere die zonenweise Heizung läßt sich durch entsprechende Erregung der Induktionsspulen axial benachbarter Sektionen leicht steuern. Desgleichen ist auch eine Steuerung der Wärmequellenverteilung und entsprechende zonenweise Heizung in Umfangsrichtung durch entsprechend abgestufte Erregung der am Umfang benachbarten Induktionsspulen des Polsterns und/oder durch entsprechende Abstufung der Luftspalte zwischen den Enden der Polkerne und der Innenfläche des Walzenmantels längs des Walzenumfangs möglich.
Ein Nachteil dieser und ähnlicher bekannter Anordnungen ist der hohe Material- und Fertigungsaufwand für die Herstellung des Induktors, insbesondere der Induktionsspulen, und der aus ihrem großen Wicklungsvolumen resultierende hohe Energieaufwand für die Erzeugung des magnetischen Feldes, welcher der Heizung der Walzenoberfläche verlorengeht.
Auch die an der Innenfläche des Walzenmantels befindlichen Wärmequellen stehen der Heizung der äußeren Walzenoberfläche und der Wärmeübertragung auf die Warenbahn nur teilweise und mit zeitlicher Verzögerung zur Verfügung.
Schließlich läßt sich der Wärmeabluß zu den Achsflanschen und tragenden Wellenenden nicht hinreichend wirksam unterdrücken, da der in dem Achsflansch vorhandene Raum in der Regel nicht ausreicht, um einen Induktorpolstern mit der für die thermische Kompensation notwendigen Heizleistung aufzunehmen.
Als eine mögliche Lösung dieses Problems ist aus der DE OS 4410675 eine Anordnung bekannt, welche in einem Hohlraum des Achsflansches der Walze eine zu- und abschaltbare Widerstandsheizung besitzt.
Zur Erzeugung eines sich zumindest kreisbogenförmig in Umfangsrichtung ausbildenden Magnetfeldes im Walzenmantel sind auch Anordnungen bekannt, bei denen sich die Induktorspulen am äußeren Umfang der Walze befinden.
Eine solche Lösung ist z.B. der DE 3340683 zu entnehmen. Die Anordnung besteht aus u-förmigen Polschuhvorrichtungen, deren Magnetschenkel mit ihren Enden der äußeren Mantelfläche der Walze in einem bestimmten Abstand gegenüberstehen, welcher den nicht ferromagnetischen Luftspalt eines Magnetkreises bildet, in dem der Walzenmantel das Rückschlußjoch bildet. Jede Polschuhvorrichtung besitzt eine Induktionsspule. Mehrere Polschuhvorrichtungen sind axial unmittelbar nebeneinander angeordnet und bilden eine die Walze von außen über ihre gesamte zu beheizende Walzenlänge abdeckende Polschuhreihe.
Mehrere solcher Polschuhreihen können in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sein, wobei die Magnetschenkel benachbarter Reihen axial gegeneinander versetzt sind.
Die Nachteile der analogen Anordnungen mit einem im Inneren der Walze angeordneten Induktor werden damit jedoch nicht behoben. Lediglich die Kompensation des Wärmeabflusses an den Enden der Walze ist mit einem außen liegenden Induktor besser zu erreichen, da sich mit diesem der Flanschbereich leichter induktiv wirksam abdecken läßt.
Eine Verringerung des fertigungstechnischen und steuerungstechnischen Aufwandes sowie des damit verbundenen Material- und Energieaufwandes für die Einstellung und Aufrechterhaltung einer definierten axialen Verteilung der Wirbelstrom- und Wärmequellendichte soll mit einer weiteren bekannten Anordnung dieser Art gemäß DE OS 4011825 erreicht werden. Bei der hier beschriebenen Lösung ist der Induktor eine radial über der Walzenoberfläche angeordnete Leiterschleife, deren stromdurchflossene Länge sich durch leitende, axial verschiebbare Kontaktbrücken zwischen ihren Schenkeln einstellen läßt.
Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein äußerer Magnetleiter fehlt, welcher für eine hinreichend enge induktive Ankopplung der Leiterschleife an den Magnetmantel erforderlich ist. Es entsteht daher nur eine schmale Heizzone in unmittelbarer Umgebung der Leiterschleife dergestalt, daß ihre Schenkel lediglich einen "Heizschatten" auf die Walzenoberfläche werfen.
Den gleichen Mangel weist eine analoge in der EP 067 99 61 bekanntgemachte, induktive Heizungsanordnung für Walzen auf, die ebenfalls aus schleifenförmigen Leitern über der äußeren Walzenoberfläche aufgebaut ist. Mehrere Leiterschleifen bilden eine Leiterschleifenspirale ab und sind in einer aus einem magnetisch nicht leitenden, elektrisch isolierenden Material bestehenden, über der Walze feststehenden Hülle eingebettet. Abgesehen davon, daß infolge des fehlenden magnetischen Rückleiters eine nur schwache induktive Ankopplung der Leiterschleifen an den Walzenmantel besteht, nimmt die Durchflutung vom Zentrum der Leiterschleifenspule zu ihren Rändern hin stark ab, so daß weder in Umfangs- noch in axialer Richtung eine konstante Flußdichte- und Wirbelstrom- bzw. Wärmequellendichteverteilung erreicht werden kann.
Die Erfindung verfolgt das Ziel, die erkannten Mängel der bekannten induktiven Heizungsanordnungen für Thermowalzen zu beheben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizung für eine Thermowalze zu schaffen, mit der bei geringem steuer- bzw. regeltechnischen Aufwand und geringen Energieverlusten in kurzer Zeit über einzelne an der Walzenoberfläche ansteuerbare Heizzonen eine vorgegebene Temperaturverteilung über die axiale Länge auf der Walzenoberfläche und in den Achsflanschen hergestellt sowie im laufenden Betrieb eingestellt und aufrechterhalten bzw. prozeßgerecht nachgeführt werden kann, ohne daß hierfür einzelne, voneinander getrennte, axial nebeneinander angeordnete Induktorspulen erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Walze aus einem an seinen Enden mit Achsflanschen versehenen, drehbar gelagerten Hohlzylinder besteht, an dessen innerer Mantelfläche in einem bestimmten radialen Abstand, der mindestens gleich der maximalen Durchbiegung des Walzenzylinders in Betrieb ist, ein aus einem oder mehreren axial parallel angeordneten, gestreckten, stab- oder schalenförmigen Leitern bestehender feststehender, an seinen Enden in axialen Bohrungen der Achsflansche der Walze an eigenen Achsflanschen gelagerter Induktor vorgesehen ist, welcher von einem ein- oder mehrphasigen Wechselstrom durchflossen ist, wobei sich die Leiter des Induktors in einem Stück oder
in magnetisch lückenlos aneinandergereihten Abschnitten über die ganze Ballenbreite der Walze erstrecken und an ihren Enden in den Achsflanschen des Induktors befestigt und mechanisch und elektrisch voneinander distanziert oder miteinander verbunden sind.
Bei Speisung des Induktors mit einem einphasigen Wechselstrom sind alle Leiter in der gleichen Richtung vom Strom durchflossen, wobei sich die Anschlüsse des Induktors an die Stromquelle an jeweils gegenüberliegenden Enden der Walze befinden.
Zur Einstellung der beheizten Ballenbreite der Walze auf die Breite der zu bearbeitenden Warenbahn wird der Induktor nur auf dem entsprechenden axialen Abschnitt vom Strom durchflossen, d.h. der Strom wird an den Enden dieses Abschnitts in den Induktor eingespeist. Hierzu sind Schleifkontakte vorgesehen, die an einem Kontaktträger befestigt und gegen eine Kontaktbahn an der inneren Mantelfläche des Induktors und an eine in der Walzenachse oder deren Nähe angeordnete Stromschiene gedrückt sind.
Die Kontaktträger sind symmetrisch zur axialen Mitte des Walzenballens angeordnet und auf je einer Spindelmutter befestigt, welche eine jeweils zur Spindelmutter der gegenüberliegenden Walzenseite entgegengesetzte Steigung gleicher Höhe besitzt. In der Achse der Walze ist eine zweiteilige Spindel angeordnet, die symmetrisch zur axialen Walzenmitte ebenfalls entgegengesetzte Steigungen gleicher Höhe besitzt. Durch Drehen der Spindel werden die Kontaktträger auf den Spindelmuttern symmetrisch zur axialen Walzenmitte zu dieser hin oder von ihr wegbewegt, wodurch die beheizte Ballenbreite der Walze entsprechend ab - bzw. zunimmt.
Die Stromschiene ist in der axialen Walzenmitte in zwei gegeneinander elektrisch isolierte Teile getrennt. Der Strom wird an einem Walzenende in die Stromschiene, welche durch eine Zentralbohrung im Achsflansch des Induktors in den Induktorinnenraum geführt ist, eingespeist. Dort wird der Strom in der Stromschiene dem am Fuß des Kontaktträgers angebrachten Schleifkontakt zugeführt, gelangt über eine Kontaktbrücke an die am Kopf des Kontaktträgers befindlichen Schleifkontakte, tritt in die Kontaktbahnen des Induktormantels ein, durchströmt den Induktormantel in axialer Richtung und verläßt ihn dann in umgekehrter Reihenfolge auf dem gleichen Weg zum anderen Walzenende hin.
Durch entsprechende Anordnung von Schleifkontakten am Kopf der Kontaktträger und die Aufteilung des Induktormantels in gegeneinander isolierte Kontaktbahnen lassen sich auch am Umfang der Walze Heizzonen unterschiedlicher Breite und Lage abgrenzen. Zur Variation der Breite einer Heizzone muß die Anzahl der Schleifkontakte am Kopf der Kontaktträger verändert werden. Zur Einstellung der Lage der Heizzone am Umfang genügt die Verdrehung der Kontaktträger auf der Spindel.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Induktors und seine Anordnung im Innenraum der Walze wird ein magnetisches Feld in dem Walzenmantel erzeugt, dessen Richtung im wesentlichen peripher ist, wobei der Walzenmantel im Grunde den Kern des Magnetkreises darstellt. Bei einphasiger Speisung des Induktors tritt der magnetische Fluß - abgesehen vom Streufluß - an keiner Stelle aus dem Walzenmantel aus. Hieraus resultiert ein sehr niedriger magnetischer Widerstand des Magnetkreises und eine entsprechend niedrige Blindleistung für die Erzeugung des Magnetfeldes. Der Wirbelstrompfad bildet sich im Walzenmantel in Form eines in axialer Richtung langgestreckten Toroids mit annähernd rechteckigem Querschnitt aus. Dabei fließt der Wirbelstrom in einer dünnen Schicht mit konstantem effektiven elektrischen Leiterquerschnitt an der Innen- und Außenfläche des Walzenmantels in jeweils, entgegengesetzter Richtung auf einer axialen Wegstrecke, welche der stromdurchflossenen Strecke der Stromleiter des Induktors entspricht.
Um zu verhindern, daß auch das magnetische Feld der stromführenden Abschnitte der Stromschiene außerhalb der axialen Heizzonen in den Walzenmantel und die Achsflansche eindringt, ist die Stromschiene durchgängig magnetisch abgeschirmt. Die Abschirmung besteht aus einem ferromagnetischen Mantel, der zur Begrenzung der Induktion einen Luftspalt besitzt und zur Unterdrückung des magnetischen Streufeldes an seinem Umfang mit einer Schicht aus elektrisch gut leitendem Material abgedeckt ist.
Sollen bei der Aufheizung der Walze die Ränder der Walze, insbesondere die Achsflansche, vorübergehend beheizt werden, so kann dem erfindungsgemäß durch Aufbau der magnetischen Abschirmung aus zwei ineinander verdrehbaren Schalen Rechnung getragen werden. Durch Verdrehen der Schalen kann die Abschirmung teilweise geöffnet und damit eine für die Zusatzheizung hinreichende induktive Kopplung zu den Achsflanschen erreicht werden.
Erfolgt die Speisung mit einem mehrphasigen Wechselstrom, so sind am Umfang benachbarte Leiter an einem Ende des Induktors jeweils phasenweise zu in sich geschlossenen Gruppen elektrisch miteinander verbunden. Die so gebildeten Phasengruppen sind gegeneinander elektrisch isoliert und an dem einen Ende des Induktors mit getrennten Anschlüssen zur Stromquelle versehen, wohingegen am anderen Ende des Induktors alle Leiter miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Sofern eine Anpassung an eine Stromversorgung erforderlich ist, können die Leiter des Induktors aus mehreren, gegeneinander isolierten Teilleitern bestehen, wobei Teilleiter zweier elektrisch um 180°C versetzter Phasengruppen in einer ein - oder mehrphasigen Schleife in Reihe geschaltet sind, so daß eine Induktorspule mit der gewünschten Windungszahl entsteht.
Im Unterschied zu der einphasigen Anordnung besteht der Wirbelstrompfad bei der zweiphasigen Anordnung aus zwei Toroidsegmenten, die im gegenläufigen Sinne durchflossen werden. Dabei bildet jede Phasengruppe ihren eigenen Magnetkreis aus. Der Fluß tritt an der Grenze zwischen zwei benachbarten Phasengruppen aus dem Walzenmantel ins Walzeninnere aus und an der gegenüberliegenden bzw. am Umfang nächstliegender Phasengrenze wieder in den Walzenmantel ein. Dabei nimmt er seinen Weg entlang den Durchflutungsachsen, die sich jeweils zwischen den am Walzenumfang liegenden Grenzen zweier Phasengruppen und der Walzenachse erstrecken. Hier ist ein Querjoch als Bestandteil des Induktors angeordnet, welches aus ferromagnetischem Material besteht und einen vernachlässigbaren magnetischen Widerstand darstellt. Der magnetische Widerstand in der Durchflutungsachse wird damit im wesentlichen durch den magnetisch wirksamen, nicht ferromagnetischen "Luftspalt" zwischen den Enden des Querjochs und der inneren Mantelfläche der Walze bestimmt.
Das Querjoch erstreckt sich in axialer Richtung über die ganze Länge des Induktors und ist in mehrere axiale Abschnitte unterteilt, die sich unabhängig voneinander um mindestens ϕ/2 aus der Durchflutungsachse verdrehen lassen, wobei ϕ der elektrische Winkel zwischen den Phasenströmen ist.
Dazu ist jeder Querjochabschnitt vorteilhaft mit seinen Enden an der inneren Mantelfläche des Induktors und mit seiner Drehachse in einer axialen Bohrung des Achsflansches des Induktors gelagert, wobei die Drehachsen der Querjochabschnitte aus dem Achsflansch der Walze soweit herausragen, daß sie von außen zugänglich sind. Jedes der Querjochabschnitte ist mit seiner Drehachse starr verbunden. Die Drehachsen sind ineinander gesteckte und gegeneinander drehbar gelagerte Hohlwellen, von denen jede für sich an einem Ende von außen zugänglich ist und an ihrem anderen Ende mit jeweils einem der Querjochabschnitte verbunden ist.
Für eine Einstellung des Drehwinkels der Querjoche sind die Hohlwellen an ihren freien Enden vorzugsweise über ein automatisches Schaltgetriebe mit einem Stellmotor verbunden.
Die Phasengruppen des Induktors erstrecken sich im allgemeinen über unterschiedliche Umfangsbereiche des Walzenmantels, wobei über der Phasengruppe mit der jeweils kleineren Erstreckung am Walzenumfang in der Regel die größere Wärmequellendichte auf der Walzenoberfläche hervorgerufen werden soll.
Um auf diese Weise ein deutliche Abgrenzung von Heizzonen am Walzenumfang zu erreichen, muß der magnetisch wirksame Luftspalt zwischen den Enden des Querjochs und der inneren Mantelfläche des Walzenmantels so klein wie möglich gehalten werden. Dies bedeutet, daß die radiale Höhe der Leiter des Induktors möglichst gering sein muß.
Dem kann erfindungsgemäß dadurch Rechnung getragen werden, daß die Leiter des Induktors die Form von Zylinderschalen besitzen. Diese Leiterschalen können an ihrer Innenfläche mit einem dünnen, elektrisch isolierenden Kunststoffbelag mit selbstschmierenden Eigenschaften, z.B. Teflon, versehen sein, auf dem die gleichermaßen mit einem solchen Kunststoff beschichteten Enden der Querjoche gleitfähig gelagert sind.
Eine weitere Verringerung des magnetischen Luftspalts kann erreicht werden, wenn der Induktor mit dem Walzenmantel starr verbunden ist. Der notwendige Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche des Induktors und der inneren Mantelfläche der Walze wird in diesem Fall nicht mehr durch die maximale Durchbiegung der Walze, sondern nur noch durch die erforderliche elektrische Isolation zwischen Walze und Induktor bestimmt.
Da sich nun der Induktor zusammen mit der Walze dreht, sind zur Aufrechterhaltung einer ortsfesten Durchflutungsachse die einzelnen Leiter des Induktors nach Art einer Gleichstromkommutatorwicklung schleifen - oder wellenförmig in Reihe geschaltet und an einem Ende des Induktors einzeln an die Lamellen eines Kollektors geführt, über den die elektrische Verbindung zur Stromquelle hergestellt ist.
Wird das Querjoch aus seiner Brückenstellung zwischen den Phasengrenzen herausgedreht, so nimmt der magnetische Widerstand der Magnetkreise sehr stark zu. Entsprechend stark nimmt der magnetische Fluß und mit ihm auch die induzierte Heizleistung im Walzenmantel ab.
Bei einem Induktor mit einer symmetrischen, zweiphasigen Leiteranordnung liegen sich die Phasengrenzen am Walzenumfang diametral gegenüber. Wird das Querjoch mit seiner Längsachse um 90° jeweils in die Mitte der Phasengruppen gedreht, so heben sich bezogen auf das Querjoch die Durchflutungen des Induktors auf, sodaß über das Querjoch kein Fluß angetrieben wird. Außer dem vergleichsweise geringen Streufluß ist dann kein magnetischer Fluß im Walzenmantel vorhanden, so daß praktisch keine oder eine nur sehr geringe Heizleistung erzeugt wird.
Durch Drehung des Querjochs kann so die resultierende Durchflutung der Magnetkreise und mit ihr der Magnetfluß und die im Walzenmantel erzeugt Heizleistung von ihrem Höchstwert stufenlos bis auf nahe Null reduziert werden, ohne daß hierfür irgendeine Veränderung im Stromkreis des Induktors vorgenommen werden muß.
Die Einstellung der Walzenheizung ist damit kontaktlos möglich; ein Verschleiß durch Kontaktabnutzung ist von vornherein ausgeschlossen und die durch die Steuerung bedingten Energieverluste sind vernachlässigbar gering.
Diese kontaktlose Einstellung der Heizleistung kann gleichmäßig über die gesamte Ballenbreite der Walze, aber auch abschnittsweise, z.B. an den Enden der Walzen vorgenommen werden, indem nur die an den entsprechenden Stellen befindlichen Querjochabschnitte gedreht werden.
Damit kann jede gewünschte Wärmequellen- bzw. Temperaturverteilung über der Ballenbreite der Walze hergestellt werden, ohne daß hierfür ein Maschinenstillstand erforderlich ist. Eine Optimierung der Temperaturverteilung kann somit im laufenden Prozeß an hand von kontinuierlich erfaßten Prozeß- und Produktdaten erfolgen.
Eine zonenweise Heizung am Walzenumfang wird erfindungsgemäß erreicht, indem die Phasengruppen so angeordnet werden, daß sie sich über unterschiedlich große Umfangsbereiche erstrecken. Bei einem Induktor mit einer derartigen unsymmetrisch - zweiphasigen Leiteranordnung liegen sich dann die Grenzen zwischen den Phasengruppen nicht mehr diametral gegenüber; nur die Zentriwinkel der Phasengruppen ergänzen sich weiterhin zu 360°. Da in jeder der beiden Phasengruppen der gleiche Strom fließt, sind ihre Durchflutungen gleich. Dagegen verhalten sich die magnetischen Widerstände ihrer Magnetkreise proportional und ihre Flüsse umgekehrt proportional zu ihren Zentriwinkeln. Dies gilt allerdings nur, solange der magnetische Widerstand der Magnetkreise durch den Walzenmantel bestimmt wird und der in der gemeinsamen Durchflutungsachse befindliche magnetische Widerstand der nicht ferromagnetischen Luftspalte zwischen Querjoch und Walzenmantel sowie des Querjochs selbst dagegen nicht maßgeblich in Erscheinung tritt.
Da aber die Permeabilität des Walzenmaterials gerade bei den relativ niedrigen magnetischen Feldstärken im Walzenmantel am höchsten ist, muß der Luftspalt extrem klein gemacht werden, um diese Bedingung zu erfüllen. Dem sind aber schon durch die notwendige Dicke der Leiter des Induktors Grenzen gesetzt, auch wenn diese zur Unterdrückung und zur Minimierung der Leitungsverluste von Wirbelströmen des Induktors in radialer Richtung schon so dünn wie möglich ausgeführt sind, was z.B. durch Verwendung schalenförmiger Leiter oder durch Leiter erreicht wird, die in radialer Richtung aus mehreren dünnen und voneinander isolierten, leitenden Schichten bestehen.
Um dennoch die vorgenannte Bedingung zu erfüllen, ist erfindungsgemäß die Möglichkeit vorgesehen, der Wechselstromdurchflutung des Induktors eine Gleichstromdurchflutung zu überlagern, mit Hilfe derer die magnetische Feldstärke im Walzenmantel in einen Bereich hinreichend niedriger Permeabilität der B-H Kurve des Mantelstahls verschoben ist, ohne daß dadurch die Permeabilität des magnetisch leitenden Materials des Querjochs maßgeblich verringert wird. Dies kann durch die Wahl eines geeigneten ferromagnetischen Materials und einen hinreichend großen magnetischen Leiterquerschnitt des Querjochs erreicht werden.
Die Einkopplung einer Gleichstromquelle in den Wechselstromkreis des Induktors erfolgt in bekannter Weise über einen Tiefpaß, z.B. eine Drossel.
Das Querjoch ist aus dünnen, isolierten Blechen aufgestapelt und z.B. mit einer Bandage aus GFK zusammengehalten, wobei die einzelnen Bleche in Flußrichtung liegend angeordnet sind. Dadurch werden Wirbelströme im Querjoch wirksam unterdrückt.
Die magnetischen Widerstände der Phasengruppen lassen sich erfindungsgemäß auch dadurch im gewünschten Verhältnis einstellen, daß die Überdeckung des Walzenmantels durch das Querjoch im Bereich der Phasengrenze und damit die Fläche des Luftspalts für die aneinandergrenzenden Phasengruppen unterschiedlich groß ist. Dies kann durch entsprechende Verschiebung der Achse des Querjochs aus der Durchflutungsachse erreicht werden. Stattdessen oder zusätzlich hierzu kann zur Einstellung des Verhältnisses der magnetischen Widerstände auch die Größe des Luftspalts für die beiden Phasengruppen verschieden sein, was durch eine entsprechend unsymmetrische Formgebung des Querjochs an seinen Enden in Gestalt von entsprechend ausgebildeten Polschuhen erreicht werden kann.
Soll die Phasengruppe mit dem kleineren Zentriwinkel die Zone höherer spezifischer Heizleistung darstellen, so erhält deren Magnetkreis den kleineren Luftspalt und die größere Luftspaltfläche dergestalt, daß der von der Durchflutung dieser Phasengruppe über das Querjoch durch den Walzenmantel angetriebene magnetische Wechselfluß und die von ihm erzeugte Wärmequellendichte entsprechend höher als am übrigen Umfang der Walze ist. Durch Verdrehen des Induktors zusammen mit dem Querjoch gegen den Walzspalt kann diese Heizzone in jede gewünschte, prozeßtechnisch jeweils günstigste Lage gebracht werden.
Damit kann eine optimale Wärmeübertragung auf das Walzgut und gleichzeitig ein optimaler Energieeinsatz erreicht werden. Die Energieverluste, welche durch Konvektion und Wärmeabstrahlung auf dem größten, nicht mit dem Walzgut im Eingriff befindlichen Teil des Walzenumfangs entstehen, können mit der geringeren Heizleistung und der entsprechenden Absenkung der Oberflächentemperatur in diesem Umfangsbereich maßgeblich reduziert werden.
Die periphere magnetische Erregung des Walzenmantels ist infolge der gestrecken, axialen Leiteranordnung über der gesamten stromführenden Länge des Induktors zwangsläufig gleich groß. Dies gilt generell auch für den magnetischen Fluß sowie die Fluß- und Wärmequellendichte bei einphasiger Speisung des Induktors. Bei mehrphasiger Speisung ist dies mindestens über der Breite eines Querjochabschnitts und auch über der gesamten Ballenbreite der Fall, wenn alle Querjochabschnitte die gleiche Winkelstellung im Bezug auf die Durchflutungsachse haben. In diesem Fall findet der Übergang der Wirbelstrombahn zwischen Außen- und Innendurchmesser des Walzenmantels erst an den Enden des Induktors statt.
Besondere konstruktive Maßnahmen zur Steuerung des magnetischen Randfeldes und zur Vergleichmäßigung der axialen Temperaturverteilung, wie z.B. Wärmerohre in Bohrungen des Walzenmantels, sind daher prinzipiell nicht notwendig. Eine gezielte Steuerung des thermischen Randfeldes, insbesondere im Übergang zu nicht bzw. schwach beheizten Abschnitten des Ballens, ist durch entsprechende gegenseitige Verdrehung der Querjoche im Übergangsbereich möglich. In diesem Fall bilden sich radiale Auffächerungen der Wirbelstrombahnen an den Grenzen zwischen benachbarten Querjochen mit entsprechender Veränderung der Wirbelstromdichte in den Randschichten aus.
Die thermische Zeitkonstante der Walzenheizung an der äußeren Walzenoberfläche ist sehr niedrig, da sich die Wärmequellen nur in einer dünnen Randschicht des Walzenmantels befinden. Sowohl Wärmedurchgangswiderstand als auch Wärmekapazität sind daher für den Wärmestrom in Bezug auf den äußeren Walzenrand äußerst klein. Das gilt allerdings nur für die am äußeren Walzenrand befindlichen Wärmequellen. Die infolge des Skineffekts auch an der inneren Mantelfläche der Walze hervorgerufenen Wärmequellen verzögern den Erwärmungsvorgang. Außerdem fließt ein Teil des von hier ausgehenden Wärmestroms in den Induktorraum ab und geht daher der Walzenheizung verloren.
Erfindungsgemäß wird dieser unerwünschte Effekt dadurch behoben, daß unmittelbar angrenzend an die innere Mantelfläche des Walzenzylinders eine Schicht aus einem Material mit einem im Vergleich zum Walzenstahl wesentlich geringeren spezifischen elektrischen Widerstand, z.B. Kupfer angebracht ist, wobei die Dicke dieser Schicht der Eindringtiefe des elektrischen Feldes entspricht. Damit wird erreicht, daß sich die auf die Walze induktiv übertragene Heizleistung im Verhältnis der spezifischen Widerstände auf die innere und äußere Mantelfläche der Walze aufteilen und damit die Wärme überwiegend an der äußeren Walzenoberfläche erzeugt wird.
Eine weitere, ganz wesentliche Beschleunigung des Erwärmungsvorgangs kann erreicht werden, wenn der Abfluß von Wärme aus den Randzonen des Walzenmantels in den Bereich der Achsflansche und in das Walzengestell unterbunden wird.
Zu diesem Zweck kann erfindungsgemäß eine zusätzliche induktive Erwärmung der Achsflansche über ihre ganze oder nahezu ganze Länge durch geeignete Anordnung der Ausleitungen bzw. Verbindungsleitungen des Induktors in dem ringförmigen Raum zwischen den Achsflanschen von Walze und Induktor herbeigeführt werden.
Bei einem zweiphasigen Induktor sind die beiden Ausleitungen um 180° am Umfang versetzt in Nuten des Achsflansches des Induktors angeordnet. In den koaxialen Ringraum zwischen den beiden Achsflanschen sind zwei um 180° am Umfang versetzte Polbrücken eingesetzt, welche die magnetisch leitende Verbindung zwischen den magnetischen Polen der Achsflansche von Walze und Induktor herstellen. Bilden also die Verbindungslinien der Polbrücken mit den Verbindungslinien der Stromleiter einen Winkel von 90°, so ist die Zusatzheizung eingeschaltet; beträgt der Winkel 0°, so ist sie weitgehend ausgeschaltet.
Um in dieser Winkelstellung eine möglichst vollkommene induktive Entkopplung zu erreichen, sind in den Achsflansch des Induktors außen Platten aus elektrisch möglichst gut leitendem Material eingelassen, welche den Ringraum in den Umfangsbereichen zwischen den Leitern und Polen elektromagnetisch abschirmen. Ein besonders gutes Schaltverhältnis wird erreicht, wenn die Polbrücken den Ringraum ohne Luftspalt überbrücken d.h. mit beiden Enden die sich gegenüberliegenden Mantelflächen der Achsflansche von Walze und Induktor berühren. Zweckmäßig sind sie hierzu als Segmente in eine Lagerbuchse integriert.
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.In den zugehörigen schematischen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine Thermowalze mit einem Induktor in einphasiger Ausführung.
Fig. 2
einen Querschnitt I - I nach Fig. 1
Fig. 3
einen Längsschnitt durch eine Thermowalze mit einem Induktor in zweiphasiger Ausführung
Fig. 4
einen Querschnitt II - II nach Fig. 3
Fig. 5
einen Querschnitt III - III nach Fig. 3
Fig. 6
einen Querschnitt durch eine Thermowalze mit einem Induktor in zweiphasiger Ausführung und unsymmetrischer Anordnung der Phasengruppen analog Fig. 4 (beheizter Mittenabschnitt)
Fig. 7
einen Querschnitt nach Fig. 6 jedoch mit einem um 180° verdrehtem Joch(nicht beheizte Randzone)
Fig. 8
einen Querschnitt durch die Achsflansche der Thermowalze mit dem Induktor in zweiphasiger Ausführung in Koppelstellung der Polbrücken
Fig. 9
einen Querschnitt nach Fig. 8 in Abschirmstellung der Polbrückenanordnung.
Die Induktionsheizung für eine Thermowalze 1 besteht aus einem Walzenmantel 2, Achsflanschen 3, 3', an denen die Thermowalze 1 drehbar gelagert ist, sowie dem Induktor 4, der mit Achsflanschen 7, 7' in axiale Bohrungen der Achsflansche 3, 3' der Thermowalze 1 eingesetzt ist.
Der Induktor 4 ist, wie Fig. 1 und 2 zeigen, im Inneren des Walzenmantels 2 angeordnet und besteht in der hier dargestellten einphasigen Ausführung aus einem inneren Stromleiter 5, der durch ein Isolierstück 5.3 in zwei elektrisch getrennte und mechanisch miteinander verbundene Leiterteilstücke 5.1 und 5.2 unterteilt ist, äußeren Stromleitern 6, Schleifkontaktträgern 8, 8' mit innerem Schleifkontakt 8.1, 8.1' und äußerem Schleifkontakt 8.2, 8.2', den Spindelmutter 9.1, 9.2 und einer Spindel 10 sowie einer magnetischen Abschirmung 11 des inneren Stromleiters 5.
Die äußeren Stromleiter 6 der Induktorspule 4' können Rund- oder Profilstäbe, aber auch Zylinderschalen sein und sind am inneren Umfang des Walzenmantels 2 gleichmäßig verteilt angeordnet und an ihren Enden in Achsflanschen 7, 7' des Induktors 4 befestigt. Der Anschluß der Stromleiter 6 an eine Stromquelle erfolgt von beiden Enden der Thermowalze 1 her über den inneren Stromleiter 5, die inneren Schleifkontakte 8.1, 8.1', die Schleifkontaktträger 8, 8' und die äußeren Schleifkontakte 8.2, 8.2'. Die äußeren Stromleiter 6 sind in Umfangsrichtung über ihre gesamte Länge oder abschnittsweise miteinander elektrisch verbunden, so daß sich der Strom den äußeren Schleifkontakten 8.2, 8.2' auf die äußeren Stromleiter 6 peripher gleichmäßig verteilt. Zwischen den beiden Schleifkontaktträgern 8, 8' fließt der Strom in den äußeren Stromleitern 6, und zwar am ganzen Umfang des Induktors in gleicher Richtung, wie in Fig. 1 und Fig. 2 durch Pfleile dargestellt ist. Dadurch wird in dem Walzenmantel 2 ein magnetischer Fluß erzeugt, welcher in Umfangsrichtung fließt, wie die Pfleile in Fig. 2 zeigen.
Durch den Fluß werden im Walzenmantel Wirbelströme induziert, welche auf den in Fig. 1 durch Pfeile dargestellten Strombahnen fließen. Die Länge der Wirbelstrombahn und damit die beheizte Breite des Walzenmantels kann durch entsprechende Variation der stromdurchflossenen Länge des äußeren Stromleiters 6 eingestellt werden. Dies erfolgt durch Betätigung der Spindel 10, welche in dem rohrförmigen inneren Stromleiter 5 an ihren Enden drehbar gelagert und gegen den inneren Stromleiter 5 elektrisch isoliert ist. Die Isolierung kann z.B. in Form einer Gleitlagerbuchse aus Teflon erfolgen.
Die Spindel 10 besteht aus zwei gleich langen Teilstücken mit gleichgroßer, aber entgegengesetzter Gewindesteigung. Die auf den Teilstücken der Spindel 10 befindlichen Spindelmuttern 9.1 und 9.2 besitzen ebenfalls zueinander entsprechend entgegengesetzte Gewindesteigungen gleicher Ganghöhe und sind auf der Spindel 10 symmetrisch zur axialen Walzenmitte angeordnet.
Wird die Spindel 10 gedreht, so bewegen sich je nach Drehrichtung die Spindelmuttern 9.1, 9.2 zusammen mit den Schleifkontaktträgern 8, 8' auf jeweils gleich langen Wegstrecken, entweder aufeinander zu oder voneinander weg. Dabei nimmt die stromdurchflossene Strecke der äußeren Stromleiter 6 und damit die induktiv beheizte Breite des Walzenmantels 2 entsprechend ab oder zu.
Um eine Induktion von Wirbelströmen im Walzenmantel 2 außerhalb der durch die Schleifkontaktträger 8 begrenzten Strecke durch den im inneren Stromleiter 5 fließenden Strom zu unterbinden, ist der innere Stromleiter 5 mit einer magnetischen Abschirmung 11 versehen, welche aus den Schalen 11.1 und 11.2 besteht. Jede der beiden Schalen ist aus dünnen, gegeneinander isolierten ferromagnetischen Blechen zusammengesetzt und trägt an ihrer äußeren Oberfläche einen elektromagnetischen Schirm 12 aus elektrisch gut leitendem Material. Die magnetische Abschirmung 11 erstreckt sich über die gesamte Länge der Thermowalze 1, mindestens aber über die volle Länge des inneren Stromleiters 5 zwischen den Anschlüssen seiner Teilstücke 5.1 und 5.2 an die hier nicht dargestellte Stromquelle. Dadurch wird nicht nur in den Randbereichen des Walzenmantels 2, sondern auch in den Achsflanschen 3, 3' und 7, 7' eine Induktion von Wirbelströmen unterbunden.
In bestimmten Fällen, z.B. beim Aufheizen der Thermowalze 1, ist jedoch eine aktive Beeinflussung des Temperaturfeldes in diesen Bereichen erwünscht.
Dem ist durch den Aufbau der magnetischen Abschirmung 11 erfindungsgemäß in der Weise Rechnung getragen, daß die beiden Schalen 11.1 und 11.2 unterschiedliche Durchmesser besitzen, so daß sie sich ineinander verdrehen lassen und damit den inneren Stromleiter 5 abhängig vom Drehwinkel teilweise freigeben. Damit kann die induktive Kopplung des inneren Stromleiters 5 an die Achsflansche 3, 3' bzw. die Randbereiche des Walzenmantels 2, also auch die dorthin induktiv übertragene Heizleistung, stufenlos von Null auf den jeweils benötigten Wert erhöht werden.
Zur Einstellung des Drehwinkels ist mindestens eine der Schalen 11.1 oder 11.2 der magnetischen Abschirmung 11 auf mindestens einer Seite der Thermowalze 1 aus dem Induktor 4 soweit durch dessen Achsflansch 7 herausgeführt, daß sie von außen zugänglich ist.
Im Betrieb der Walze 1 ist der Induktor 4 einschließlich aller darin befindlichen Einbauten feststehend. Deshalb ist der Achsflansch 7 des Induktors 4 in den Achsflansch 3 der Thermowalze 1 drehbar gelagert eingesetzt und an seinen Enden am Walzengestell befestigt. Auch der innere, rohrförmige Stromleiter 5 ist mit den Enden seiner Teilstücke 5.1 und 5.2 am Maschinengestell abgestützt und fest mit der elektrischen Anlage der Stromquelle elektrisch verbunden. Er trägt an seinen Enden auf jeweils elektrisch isolierenden Lagern innen die Spindel 10 und außen die Schalen 11.1 und 11.2 der magnetischen Abschirmung 11. Die Lager der Schalen 11.1 und 11.2 haben verschiedene Außendurchmesser und sind axial versetzt angeordnet, so daß sie ein Ineinanderdrehen der Schalen 11.1 und 11.2 zulassen. Der Stromleiter 5 ist mit der Spindel 10 und der magnetischen Abschirmung 11 durch eine axiale Bohrungen in den Achsflanschen 7 des Induktors 4 auf beiden Seiten von außen zugänglich aus dem Innenraum der Thermowalze 1 herausgeführt.
In den Fig. 3 und Fig. 4 ist eine induktive Heizungsanordnung mit einem Induktor 4 in symmetrischer zweiphasiger Ausführung dargestellt.
Die äußeren Stromleiter 13' und 14' der Induktorspule 4' sind in zwei gleich große Phasengruppen 13 und 14 aufgeteilt und durch Isolierstäbe 15 elektrisch getrennt.
Der elektrische Phasenwinkel beträgt 180°, d.h. der Strom fließt in der einen Phasengruppe von einem zum anderen Ende des Induktors 4 und in der anderen Phasengruppe wieder zurück. Die Stromzuleitungen 17 und 18 liegen an dem einen Ende des Induktors 4, während am anderen Induktorende die beiden Phasengruppen 13, 14 durch die Phasenbrücke 18 miteinander verbunden sind.
Die Stromleiter 13', 14' der beide Phasengruppen 13, 14 besitzen eine gemeinsame Durchflutungsachse 19, welche sich zwischen der Walzenachse und den peripheren Phasengrenzen erstreckt. In der Durchflutungsachse 19 ist symmetrisch das Querjoch 20 mit den Polschuhen 21 angeordnet.
Aufgrund des entgegengesetzten Drehsinns ihrer Durchflutungen bildet jede Phasengruppe 13, 14 ihren eigenen Magnetkreis 22 bzw. 23 aus. Der Walzenmantel 2 bildet dabei auf dem von der jeweiligen Phasengruppe 13 bzw. 14 überdeckten Abschnitt den Kern eines solchen Magnetkreises. Die beiden Kernhälften des Walzenmantels 2 stoßen mit ihren jeweils gleichnamigen Polen an den Phasengrenzen aneinander. Das Querjoch 20 bildet dabei die gemeinsame Brücke der beiden Magnetkreise zwischen den sich diametral gegenüberliegenden, entgegengesetzten Polen der beiden Kernhälften. Die Richtung der von den Phasengruppen 13 bzw. 14 erzeugten Flüsse sind in Fig. 4 durch Pfeile dargestellt.
Der magnetische Widerstand der Magnetkreise 22 bzw. 23 wird durch die Breite und die Oberfläche des Luftspalts 24 zwischen dem Querjoch 20 und der Innenfläche des Walzenmantels 2 bestimmt. Je schmaler der Luftspalt und je größer seine Oberfläche ist, desto geringer ist sein magnetischer Widerstand und desto größer der magnetische Fluß bei einer bestimmten Durchflutung bzw. Erregerleistung, d.h. je enger ist die induktive Kopplung zwischen Induktor 4 und Walzenmantel 2. Der Luftspalt ist daher zweckmäßig so schmal bemessen, wie es die radiale Dicke der äußeren Stromleiter 13', 14' und die Durchbiegung des Walzenmantels 2 zulassen.
Die Oberfläche des Luftspalts kann durch Ausdehnung der Breite der Polschuhe 21, 21' in Umfangsrichtung so weit vergrößert werden, wie es die geforderte Gleichmäßigleit der peripheren Fluß- bzw. Wärmequellendichteverteilung im Walzenmantel 2 zuläßt. Andererseits kann durch entsprechende Formgebung und Ausdehnung der Polschuhe 21, 21' am Walzenumfang die periphere Flußdichte- und Wärmestromdichteverteilung in weiten Grenzen variiert werden.
Die induktive Kopplung zwischen dem Induktor 4 und dem Walzenmantel 2, d.h. die mit einem bestimmten Induktorstrom auf den Walzenmantel 2 übertragbare Heizleistung, kann von ihrem maximalen Wert auf praktisch Null reduziert werden, wenn das Querjoch 20 aus der Durchflutungsachse 19 um 90° gedreht wird. Das magnetische Feld in dieser Grenzstellung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Durchflutungen der Phasengruppen 13 und 14 heben sich im Bezug auf das Querjoch 20 auf, so daß sich nur noch ein Streufluß ausbilden kann. Aufgrund seines im Vergleich zum Luftspalt 24 bedeutend größeren Wegs durch den nichtmagnetischen Raum im Inneren des Walzenmantels 2 ist der Streufluß bedeutend niedriger als der Fluß in Brückenstellung des Querjochs 20. Dies trifft wegen der quadratischen Abhängigkeit der Wärmequellen von der Flußdichte in noch höherem Maße für die induktiv übertragene Heizleistung zu. Bei konstantem Induktorstrom 5 kann so die Heizleistung allein durch Drehung des Querjochs 20 in weiten Grenzen variiert werden.
Dies ergibt eine im Vergleich zu bekannten Anordnungen wesentlich vereinfachte Steuerung des Induktorstroms bei der Einstellung und Aufrechterhaltung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Thermowalze 1. Es genügt, den Strom auf einem bestimmten Wert konstant zu halten. Die Oberflächentemperatur der Thermowalze 1 kann dann einfach mit dem Drehwinkel des Querjochs 20 geregelt werden.
Um dabei ein bestimmtes Temperaturprofil über der Ballenbreite der Thermowalze 1, insbesondere Heizzonen unterschiedlicher Breite, einstellen zu können, ist das Querjoch 20 axial in mehrere, gegeneinander verdrehbare Abschnitte 20', 20'', 20''' aufgeteilt, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.
Die beiden äußeren Querjoche 20' und 20''' befinden sich in der Grenzstellung minimaler induktiver Kopplung zwischen Induktor 4 und Walzenmantel 2. Das mittlere Querjoch 20'' nimmt die Brükkenstellung ein, stellt also die maximale induktive Kopplung her.
Aufgrund dieser Konstellation werden Wirbelströme nur in dem mittleren axialen Abschnitt des Walzenmantels 2 erzeugt. Die Wirbelstrombahnen und die Richtung der Wirbelströme sind durch die Pfeile dargestellt. Da der Strom in den Stromleitern 13' und 14' der Phasengruppen 13, 14' sich in der durch Pfeile gekennzeichneten Strömungsrichtung nicht ändern kann, ist die magnetische Flußdichte und damit auch die Wärmequellendichte in axialer Richtung zwangsläufig konstant, solange die induktive Kopplung zwischen Induktor 4 und Walzenmantel 2 konstant ist. Dies gilt über der axialen Länge des Querjochs 20, wie in Fig. 3 dargestellt ist.
Im Randbereich des mittleren Abschnittes 20'' des Querjochs 20 nimmt die Kopplung jedoch stark ab, so daß der in axialer Richtung fließende Strom auf Null abnimmt, indem er sich in radialer Richtung auffächert. Dadurch gehen die oberflächennahen Schichten der am inneren und äußeren Umfang des Walzenmantels 2 liegenden Wirbelstrompfade über den Enden des Querjochs 20 ineinander über. Das sich dabei ausbildende elektromagnetiscne und thermische Randfeld kann abhängig von der Dicke des Walzenmantels 2 erheblich über die axialen Enden des Querjochs 20 hinausgehen und sich insbesondere dann, wenn sich auch die äußeren Abschnitte 20', 20''' in Brückenstellung befinden, bis in den Bereich des Achsflansches 3 der Walze 1 erstrecken.
Die Querjoche 20 mit ihren Abschnitten 20', 20'', 20''' sitzen auf konzentrisch angeordneten, aufeinander drehbar gelagerten Hohlwellen 25, 25', 25'', wobei auf der einen Seite der Thermowalze 1 die innerste Hohlwelle 25' und auf der anderen Seite der Thermowalze 1 die äußerste Hohlwelle 25'' im Achsflansch 7 des Induktors 4 drehbar gelagert ist. Die Enden der Hohlwellen sind auf einer Seite der Thermowalze 1 durch die axiale Bohrung des Achsflansches 7 des Induktors 4 von außen zugänglich herausgeführt. Sie können dort mit einer Stelleinrichtung verbunden werden, die Bestandteil eines Temperaturreglers ist.
Die Querjoche 20 sind zur Entlastung der Hohlwellen 25 und zur Minimierung des Luftspalts direkt auf der inneren Mantelfläche des Induktors 4 d.h. an den Innenflächen der Stromleiter 13', 14' gelagert.
Hierzu ist die Oberfläche der Polschuhe 21 mit einer Isolierkappe 26 aus elektrisch isolierendem und temperaturbeständigem Material mit selbstschmierenden Eigenschaften, z. B. Teflon, überzogen.
In Fig. 6 und Fig. 7 ist gezeigt, wie die Thermowalze 1 erfindungsgemäß auch für periphere Zonenheizung ausgelegt werden kann.
Zur Konzentration der Heizleistung auf die periphere Heizzone 27 erstrecken sich die Phasengruppen 13 und 14 über unterschiedlich große Bereiche des Walzenumfangs, führen aber den gleichen Strom. Die Durchflutungen beider Phasengruppen 13, 14 sind somit gleich. Ihre Durchflutungsachsen 19 bilden die Kanten eines Kreisscheibensegments, das die periphere Heizzone 27 mit der Phasengruppe 13 einschließt.
In der Durchflutungsachse 19 ist das Querjoch 20.1 angeordnet. Durch entsprechende Gestaltung der Polschuhe 21, 21' und des Luftspalts 24 kann erreicht werden, daß der magnetische Widerstand des Magnetkreises der Phasengruppe 13 bedeutend niedriger als der magnetische Widerstand des Magnetkreises der Phasengruppe 14 ist, welcher schon auf Grund der größeren Weglänge einen größeren magnetischen Widerstand besitzt.
Dem Beispiel der Fig. 6 liegt die Annahme zugrunde, daß der magnetische Widerstand des Magnetkreises der Phasengruppe 13 mit den Stromleitern 13'ein Drittel des magnetischen Widerstands des Magnetkreises der Phasengruppe 14 mit den Stromleitern 14' beträgt. Infolgedessen ist der im Magnetkreis der Phasengruppe 13 durch die Durchflutung der Stromleiter 13' hervorgerufene Fluß dreimal größer als der im Magnetkreis der Phasengruppe 14 durch die gleichgroße Durchflutung der Stromleiter 14' hervorgerufene Fluß, was durch die Anzahl der Pfeile in Fig. 6 dargestellt ist. Da die Wärmequellendichte quadratisch von der Flußdichte abhängt, ist sie demnach in der Heizzone 27 neunmal höher als am übrigen Walzenumfang. Infolgedessen werden in der Heizzone 75 % der Heizleistung umgesetzt.
Fig. 7 zeigt das Magnetfeld, welches sich bei unveränderter Durchflutung ausbildet, wenn das Querjoch 20.1 um 180° aus der Heizzone gedreht ist. Bezogen auf das Querjoch 20.1 heben sich die Phasendurchflutungen teilweise auf, wobei die Durchflutungsachsen und die entsprechenden Magnetkreise in diesem Fall durch das Querjoch 20.1 eingeprägt werden. Im vorliegendem Beispiel der Fig. 7 beträgt die resultierende Durchflutung der beiden Magnetkreise ein Viertel der Phasendurchflutung. Geht man von den gleichen Annahmen bezüglich des magnetischen Widerstands der Magnetkreise aus, so beträgt der Fluß in dem durch die Schenkel des Querjochs 20.1 eingeschlossenen, inneren Magnetkreis 28 wiederum das Dreifache des Flusses in dem äußeren Magnetkreis 29. Das ist, bezogen auf die maximale Flußdichte in der Heizzone 27 nach Fig. 6, aufgrund der geringeren Durchflutung aber nur ein Viertel.
Dies bedeutet, daß die maximale Wärmequellendichte in der Stellung des Querjochs 20.1 gemäß Fig. 7 nur ein Sechszehntel im Vergleich zu der maximalen Wärmequellendichte in der Stellung des Querjochs 20.1 gemäß Fig. 6 beträgt.
Daraus folgt eine insgesamt übertragene Heizleistung von 9 % im Vergleich zur vollen induktiven Kopplung in Fig. 6.
Die Stromanschlußleitungen 17 und 18 zu den Stromleitern 13' und 14'der Induktorspule 4'sind in Nuten des Achsflansches 7 des Induktors 4 angeordnet. Die in den Stromanschlußleitungen 17, 18 fließenden Phasenströme rufen mit ihren Durchflutungen in den Achsflanschen 3 und 7 der Thermowalze 1 und des Induktors 4 Magnetflüsse hervor, die für die Erwärmung der Achsflansche genutzt werden können oder anderenfalls unterdrückt werden müssen.
In Fig. 8 und 9 ist eine Anordnung gezeigt, welche diese Möglichkeit durch Einstellen verschiedener Magnetkreiskonstellationen bietet. Dabei ist in Fig. 8 die Anordnung in der Stellung gezeigt, in welcher der Magnetfluß für die Erwärmung genutzt wird. In Fig. 9 ist dagegen der Magnetkreis in der Einstellung gezeigt, in welcher der Magnetfluß wirksam unterdrückt wird.
Die zweiphasige Magnetkreisanordnung besteht aus dem Achsflansch 3 der Thermowalze 1, dem Achsflansch 7 des Induktors 4 mit den elektromagnetischen Abschirmkappen 30 sowie dem Stellring 35 mit den Polbrücken 31 und den elektromagnetischen Polabschirmkappen 32.
In Fig. 8 überbrücken die aus ferromagnetischem Material bestehenden Polbrücken 31 den Luftspalt 33 in dem Umfangsbereich zwischen jeweils zwei Abschirmkappen 30 und bilden damit jeweils einen Magnetkreis für jede der beiden Stromzuleitungen 17 und 18 mit gleich großem magnetischen Widerstand.
In diesen Magnetkreisen werden durch die Durchflutungen der Phasenströme in den Stromzuleitungen 17 und 18 die Magnetflüsse angetrieben, so wie sie in Fig. 8 durch Pfeile dargestellt sind. Dadurch werden in den Achsflanschen 3 und 7 Wirbelströme induziert, welche dort eine Erwärmung hervorrufen.
Ist eine solche Erwärmung unerwünscht, so werden durch Verdrehen des Stellrings 33 um 90° die Polbrücken 31 radial über die Stromzuführungsleitungen 17 und 18 und die elektromagnetischen Polabschirmkappen 32 über die Pole 34 des Magnetkreises positioniert. Dadurch ist der Achsflansch 3 der Thermowalze 1 elektromagnetisch vollständig von dem Achsflansch 7 des Induktors 4 abgeschirmt. Die Magnetkreise der Stromzuführungsleitungen 17 und 18 sind dadurch praktisch unterbrochen, so daß der Magnetfluß wirksam unterdrückt ist.
Zwischen den in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigten Stellungen der vollständigen Schließung und vollständigen Öffnung des Magnetkreises bzw. der vollen Ausbildung und vollen Unterdrückung des Magnetflusses sind auch Zwischenstellungen durch entsprechendes Verdrehen des Stellrings 35 möglich.
Die in Fig. 8 und Fig. 9 dargestellte Magnetkreisanordnung kann sinngemäß auch für die Heizung des Walzenmantels verwendet werden. In diesem Fall bezeichnet Pos. 3 den Walzenmantel 2, Pos. 7 das Querjoch 20.2 und die Pos. 17 und Pos. 18 die Stromleiter 13', 14' der beiden Phasen des Induktors 4. Das Querjoch 20.2 kann hierbei das Querhaupt einer Biegeausgleichswalze sein, über dem konzentrisch ein aus dünnem, isolierten Blech aufgewickelter Zylinder als Magnetleiter angeordnet ist.
Die Polbrücken sind dann zweckmäßig als Hydraulikelemente ausgeführt bzw. in diese integriert.
Induktionsheizung für Thermowalzen Aufstellung der Bezugseichen:
1 -
Thermowalze
2 -
Walzenmantel
3, 3' -
Achsflansche der Walze
4 -
Induktor
4' -
Induktorspule
5 -
innerer Stromleiter
5.1 -
Teilstück 1 des inneren Stromleiters
5.2 -
Teilstück 2 des inneren Stromleiters
5.3 -
Isolierstück
6 -
äußerer Stromleiter
7,7' -
Achsflansch des Induktors
8, 8' -
Schleifkontaktträger
8,1, 8, 1' -
innerer Schleifkontakt
8.2, 8,2' -
äußerer Schleifkontakt
9 -
Spindelmutter
9.1 -
Spindelmutter, linksgängig
9.2 -
Spindelmutter, rechtsgängig
10 -
Spindel
11 -
magnetische Abschirmung
11.1 -
1. Schale der magnetischen Abschirmung
11.2 -
2. Schale der magnetischen Abschirmung
12 -
elektromagnetischer Schirm
13 -
Phasengruppe
14 -
Phasengruppe
13' -
Stromleiter der Phasengruppe 13
14' -
Stromleiter der Phasengruppe 14
15 -
Isolierstab
16 -
Phasenbrücke
17 -
Stromzuleitung Phase 1
18 -
Stromzuleitung Phase 2
19 -
Durchflutungsachse
20 -
Querjoch
20.1 1 -
Querjoch als Kreisscheibensegment
20',20'',20''' -
Abschnitte des Querjochs
21, 21' -
Polschuh des Querjochs
22 -
Magnetkreis der Phasengruppe 1
23 -
Magnetkreis der Phasengruppe 2
24 -
Luftspalt
25, 25',25'' -
als Hohlwelle ausgebildete Drehachsen
26 -
Isolierkappe
27 -
periphere Heizzone
28 -
innerer Magnetkreis
29 -
äußerer Magnetkreis
30 -
elektromagnetische Abschirmkappe
31, 31' -
Polbrücken
31.1, 31.1' -
Polbrücken
32, 32' -
elektromagnetische Polabschirmkappen
32.1, 32,1' -
elektromagnetische Polabschirmkappen
33 -
Luftspalt
34 -
Magnetpol
35 -
Stellring
36 -
isolierender Belag
I - I -
Querschnitt nach Fig. 1
II - II -
Querschnitt nach Fig. 3
III - III -
Querschnitt nach Fig. 3

Claims (21)

  1. Induktionsheizung für Thermowalzen mit einem an seinen Enden mit Achsflanschen versehenen, drehbar gelagerten hohlzylindrischen Walzenmantel, mit einem innerhalb eines von diesem umschlossenen Raumes angeordneten und mit dem Walzenmantel induktiv gekoppelten Induktor, der aus einer Induktorspule, welche von einem ein - oder mehrphasigen Strom durchflossen wird, und einem Magnetkern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenmantel selbst den Magnetkern bildet und die Induktorspule aus einem oder mehreren, in Nähe der Innenfläche des Walzenmantels in achsparaller Anordnung peripher verteilten, sich axial mindestens über die größte Ballenbreite der Walze erstreckenden und in ihrer induktiven Ankopplung an den Walzenmantel abschnitts- bzw. zonenweise einstellbaren, stab- oder schalenförmigen Stromleitern besteht.
  2. Induktionsheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorspule (4) eigene Achsflansche (7,7') besitzt, welche in den Achsflanschen (3, 3') der Thermowalze (1) fest oder drehbar gelagert sind.
  3. Induktionsheizung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Stromleiter (6) der Induktorspule (4') nur in den Abschnitten, in denen eine induktive Ankopplung an den Walzenmantel (2) erfolgen soll, vom Strom durchflossen sind.
  4. Induktionsheizung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Stromleiter (6) über ihre gesamte Länge oder abschnittsweise mit einer oder mehreren an der Innenfläche der Induktorspule(4') axial parallelen Kontaktbahn/bahnen elektrisch verbunden sind, und an Schleifkontaktträgern (8, 8') befestigte innere Schleifkontakte (8.1, 8.1') auf einer in Achsnähe der Thermowalze angeordneten inneren Stromleiter (5) und äußere Schleifkontakte (8.2, 8.2') auf der/den Kontaktbahn/-bahnen geführt sind.
  5. Induktionsheizung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Stromleiter (5) in der axialen Mitte der Ballenbreite der Thermowalze (1) in zwei gegeneinander elektrisch isolierte Teilstücke (5.1, 5.2) geteilt ist und durch Achsflansche (3, 3') zu beiden Seiten der Thermowalze (1) herausgeführt und mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, und die Schleifkontaktträger (8, 8') symmetrisch zur axialen Mitte des Walzenballens der Thermowalze (1) angeordnet und auf je einer Spindelmutter (9) befestigt sind, welche eine jeweils zur Spindelmutter der gegenüberliegenden Walzenseite entgegengesetzte Steigung (9.1, 9.2) gleicher Höhe besitzen.
  6. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Stromleiter (5) durchgängig oder zumindest teilweise eine magnetische Abschirmung (11) besitzt.
  7. Induktionsheizung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (11) aus einem ferromagnetischen Mantel mit einem achsial verlaufenden Luftspalt besteht und in vorteilhafter Weise an ihrem Umfang eine als elektromagnetischen Schirm (12) wirkende Schicht aus einem elektrisch gut leitendem Material besitzt.
  8. Induktionsheizung nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (11) aus Halbschalen (11.1, 11.2) gebildet ist, die sich bis in die Randbereiche der Thermowalze (1) und/oder in den Bereichen der Achsflansche (3, 3') erstrecken und mindestens in den Randbereichen und den Bereichen der Achsflansche (3, 3') ineinander verdrehbar sind.
  9. Induktionsheizung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter (13', 14') der Induktorspule (4') bei Anschluß an einen mehrphasigen Wechselstrom in gegeneinander elektrisch isolierten Phasengruppen (13, und 14) an beiden Enden elektrisch verbunden sind, wobei die Phasengruppen (13 und 14) an einem Ende elektrisch zusammengeschaltet sind, und innerhalb des Walzenmantels mindestens über die größte Ballenbreite ein Querjoch (20) drehbar angeordnet ist, das sich in seiner Grundstellung zwischen den peripheren Phasengrenzen erstreckt und in einzelne, um die Walzenachse gegeneinander verdrehbare axiale Abschnitte (20', 20'', 20''') unterteilt ist, die zum Walzenmantel (2) unterschiedlich große Luftspalte haben können.
  10. Induktionsheizung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (20', 20", 20'") des Querjochs (20) aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus aufeinander geschichteten dünnen, in Flußrichtung angeordneten, gegeneinander isolierten Blechen bestehen und an den Enden mit Polschuhen (20, 21') ausgebildet sind dergestalt, daß der Luftspalt zwischen dem Querjoch (20) und dem Walzenmantel (2) peripher variierbar ist.
  11. Induktionsheizung nach Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Phasengruppen (13 und 14) über unterschiedlich große Bereiche des Walzenumfangs erstrecken und das den magnetischen Fluß führende Querjoch (20) als ein um die Walzenachse drehbares Kreisscheibensegment (20.1) ausgebildet ist.
  12. Induktionsheizung nach Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Abschnitte (20', 20'', 20''') eine eigene Drehachse (25, 25', 25'') besitzt, die zur Betätigung vorzugsweise durch einen der Achsflansche (3) herausgeführt ist.
  13. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Querjoche (20) an den Innenflächen der Stromleiter (13', 14') gleitfähig gelagert sind, wobei die Stromleiter (13', 14') mit einem dünnen, elektrisch isolierenden Belag (36) und/oder das Querjoch (20) mit einer Isolierkappe (26) versehen sind.
  14. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorspule (4') feststehend ist und der Abstand der stab- oder schalenförmigen Stromleiter (6 und 13', 14') zum Walzenmantel (2) mindestens gleich dessen maximaler Durchbiegung im Betrieb der Thermowalze (1) ist.
  15. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorspule (4') mit dem Walzenmantel (2) starr verbunden ist und zur Herstellung einer ortsfesten Durchflutungsachse die Stromleiter (6 und 13', 14') an einen Kollektor geführt sind, über den die elektrische Verbindung zur Stromquelle hergestellt ist.
  16. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Stromleiter (13', 14') aus einer Vielzahl gegeneinander isolierten Teilleitern bestehen, die zu achsialen Windungen in Reihe geschaltet sind.
  17. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter (13', 14') der einzelnen Phasengruppen (13, 14) sich über unterschiedlich große Bereiche am inneren Umfang des Walzenmantels (2) erstrecken.
  18. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem ein- oder mehrphasigen Wechselstrom ein Gleichstrom überlagert ist.
  19. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar angrenzend an die Innenfläche des Walzenmantels (2) eine Schicht aus einem Material mit einem im Vergleich zum Material des Walzenmantels wesentlich geringeren spezifischen elektrischen Widerstand angebracht ist, wobei die Dicke dieser Schicht der Eindringtiefe des elektrischen Feldes entspricht.
  20. Induktionsheizung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Walzenmantel (2) und den Stromleitern (13', 14') der Induktorspule (4') phasenweise jeweils diese überdekkende Polbrücken (31, 31') und elektromagnetische Polabschirmkappen (32, 32') drehbar angeordnet sind, welche wahlweise durch Verdrehung eine magnetisch leitende Verbindung oder Unterbrechung zwischen dem Walzenmantel (2) und einem Querjoch (20.2) herstellen, wobei das Querjoch (20.2) durch einen am Innendurchmesser der Induktorspule (4') koaxial angeordneten, zweckmäßig geblechten Hohlzylinder gebildet ist.
  21. Induktionsheizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiter (13, 14) mit Stromzuleitungen (17, 18) verbunden sind, die durch den Achsflansch der Walze (3) hindurchgeführt sind, und koaxial zwischen den Stromzuleitungen (17, 18) und dem Achsflansch (3) phasenweise jeweils die Stromzuleitungen (17, 18) überdeckende Polbrücken (31, 31') und elektromagnetische Polabschirmkappen (32, 32') drehbeweglich angeordnet sind, welche wahlweise durch Verdrehung eine magnetisch leitende Verbindung oder eine magnetische Abschirmung zwischen dem Achsflansch (3) der Walze (1) und dem Achsflansch (7) der Induktorspule (4') herstellen und zweckmäßig als Gleitlagerung zwischen dem Achsflansch der Walze (3) und dem Achsflansch (7) der Induktorspule (4') dienen.
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