1．发明领域

本发明涉及通过连续加热装置加热金属带材。特别是本发明涉及将 金属带材加热到预定温度容差范围内。

2．现有技术

通常，使用连续加热炉对钢带、扁钢或钢板(统称它们为“带材”) 进行连续退火或镀锌。建立了特定的加热程序来赋予带材需要的性能。 每个加热程序都要把金属带材离开加热炉时加热到预定的最大金属温 度容差范围，而不考虑带材的尺寸。

这类加热炉大体上分为电加热型和燃气加热型。燃气加热炉可以再 分为辐射管加热型和明焰型。考虑到能源效率、运转成本、初始投资 和其它因素，燃气炉比电加热炉具有更大的优势。

对不同尺寸的带材进行连续加热处理时，实际中一般让带材顺序通 过加热炉。经常但不总是，在向加热炉连续输送带材和带材通过加热炉 之前，带材彼此焊接在一起。带材之间的区域称作过渡区。过渡区可以 看作从一卷带材到下一卷时带材厚度、带材宽度、热循环和带材速度的 改变，或上述提及的四个参数的任意组合的改变。过渡区通过加热炉装 置时，由于加热炉装置很大的热容需要特定的控制技术以改变炉况。

现有技术的加热炉局限于可允许的过渡区的范围。如果过渡区太 大，加热炉会生产出大量在最大金属温度不满足容差范围(通常±20 °F)的带材。这些不在容差范围的带材由于其物理性能会不符合技术规 格通常是废品。

现有工艺提出了几种用于改善加热炉性能以便对付过渡区的技 术。这些技术中最简单的是前馈控制，来为将入炉的带卷准备炉况。这 已经被实现，即，使用模拟在加热炉和带材之间热传输的数学模型来预 测针对过渡区的最佳炉况。这种方法是有益的，但是仍受到主要的燃油 或电阻加热炉的相对滞后的反应速率及其相应的热容的支配。

另一种现有技术中有一种反应速度相对较快的预热装置，例如对流 加热、明焰加热和涡流或感应加热。这些装置可用来在过渡区增加带材 卷的热量，以达到最大金属温度。而这些由于在过渡时加热炉中的条件 所决定一般是不可能的。所有这些装置安装在主要加热部分的入口处， 并使用各种形式来提高过程响应速度。参见美国专利4,239,483(lida，感 应加热器)。这些装置一般和前面提到的模型一起使用来扩大过渡区范 围。可是，带材仍然受炉况的支配，使得预热部分对最大金属温度仅有 非常有限的影响。

理论上，这些快速反应加热器的理想位置是位于钢带离开加热炉 处，这样加热炉不会限制它们的用途。然而这在目前可获得的技术中是 不实际的。大多数感应加热器仅限于将带材升温到其居里温度附近，即 约1300～1400°F。由于最大金属温度通常高于居里温度，这些感应加热 器不能用于加热炉的末端。由于线圈开口小或/和热损耗大，这些感应加 热器在连续退火中加热金属带材到居里温度以上是不实际的。涡流加热 器可以在此温度范围内使用，但从物理观点而言是不实际的。从机械和 维护的角度，在此温度范围利用对流加热也是不实际的。由于带材表面 氧化趋势增加，在此高温采用明焰加热也是不能用的。

因此，需要一种方法减少或消除在过滤区穿过炉时产生的不合格的 金属带材。

发明概述

本发明涉及一种连续带材加热装置及其操作方法。本加热装置在连 续带材加热装置的多个加热部分之间布置着感应加热器，这里感应加热 器的加入使得在加热装置改变其温度以适应钢带的尺寸变化和其它加 热需要的同时几乎没有废品生成。

因此本发明的一个目的是提供一种加热装置和方法，用于在金属带 材顺序通过加热装置的同时将金属带材加热到预定的温度容差范围 内。加热装置有至少一个前序加热部分、至少一个感应加热部分、至少 一个后序加热部分，它们在加热装置中按顺序依次布置。在前序加热部 分，金属带材被加热到其居里温度以下。其次，在感应加热部分，金属 带材加热到最高接近其居里温度。然后，在后序加热部分，金属带材被 加热到居里温度以上并在预定的温度容差范围内。

其它目的和优点会在下文中表现出来。

附图的简要说明

图1是在前序加热部分和后序加热部分之间布置着一个感应加热 部分的加热装置的剖视图。

图2是包括两条不同尺寸带材的组合钢带的立体图。

图3是加热装置和可编程控制系统之间连接的示意图。

图4是在加热部分中使用的w型管式加热器的截面图。

图5是在包括感应加热部分的加热装置中加热金属带材的方法流 程图。

图6是在加热装置中优化感应加热部分位置的方法流程图。

图7到图10是加热装置温度改变以适应带材尺寸变化过程中加热 装置的温度曲线。

优选实施例

参照附图，这里相同的元件用相同的数字表示。图1表示加热装置 或加热炉50，用于将连续移动的组合带材40加热到最大金属温度容差 范围内或其它预定的温度容差范围内。在连续钢带退火生产线中，加热 装置50位于保温部分的上游和预热部分的下游。其它发明实施例有益 于其它需要对金属带材进行热处理的过程，如连续钢带镀锌生产线或连 续钢板加热炉。加热装置50具有跨过按顺序布置的前序加热部分52、 感应加热部分54和后序加热部分56的顶部86和底部88。本发明的其 它实施例具有许多前序加热部分和/或后序加热部分。还有的本发明的实 施例具有竖直布置的加热部分52-56。又有的实施例具有许多或单个工 作室的加热部分。这些布置方式使得组合钢带40可以在入口53进入前 序加热部分52，并通过三个加热部分而离开后序加热部分的出口57。

组合钢带40分别经过通道60、62、64穿过加热部分52、54、56。 通道也就是用来让组合钢带通过的从顶部86延伸到底部88或相反的空 间。在图1的实施例中，在前序加热部分52具有10个通道60，在感应 加热部分54有一个通道62，而在后序加热部分56有13个通道64。尽 管图1中实施例里的通道竖直取向，本发明的其它实施例可以具有其它 取向的通道，如水平取向。本发明有些实施例可以具有单个的水平通 道，该水平通道从前序加热部分的入口延伸到后序加热部分的出口。在 通过通道时，组合钢带40经过辊70、张力辊72、张紧辊74和调整辊 76，位于顶部86和底部88。尽管所有的辊轮在组合钢带40通过通道时 都支撑钢带40，但一些辊轮有其它使用目的，张力辊72测量组合钢带 40中的张力，而张紧辊74用于调整钢带中的张力。调整辊76控制组合 钢带40的方向。

现在参照图2，包括第一带材10和第二带材16的组合钢带40已 在加热装置50中处理。应当理解“带材”是指一定长度的金属，也就 是但不仅限于此至少是一卷钢带、至少一条扁钢或至少一块钢板。第一 带材10具有前端12和后端14，第二带材16具有前端18和后端20。 第一带材10的后端14和第二带材16的前端18在过渡区22焊接在一 起。在本发明的其它实施例中，第一带材10和第二带材16可以使用任 何合适的其它方法连接起来或不连接。在本发明处理不连接的带材的实 施例中，带材至少彼此接近，从后端14到前端16的区域作为过渡区22。

第一带材10和第二带材16的短头部分36、38分别和过渡区22 相连，这些短头部分36/38是带材中不被加热到最大金属温度容差范围 内的部分。这导致短头部分36、38成为不符合规格要求的材料，因此 成了废品。第一、第二带材10、16的剩余部分分别是带材的较大部分 32、34。较大部分32、34在最大金属温度容差范围内加热，成为符合 规格要求的材料。加热装置50的主要目的是使短头部分36、38的尺寸 最小化，而使较大部分32、34的尺寸最大化。这样使得符合规格要求 的材料的产量最大化。

现在参照图3，在本发明的优选实施例中，程控机构300控制前序 加热部分52和后序加热部分56的加热，以及感应加热部分54的使用。 在本发明的其它实施例中，控制机构可以是非编程的。程控机构300通 过可编程控制系统302控制加热，这里可编程控制系统302通过电路304 与前序加热部分52、感应加热部分54以及后序加热部分56相互联结， 从而控制加热装置50的操作。在本发明的其它实施例中，可以使用无 线传输装置(未示出)代替或与电路304联结。加热装置50中的仪器测量 组合钢带40和加热装置50的至少部分变量(下文讨论)并产生变量信号 310。电路304将变量信号310从加热部分发送到可编程控制系统302。 其它没有由仪器测量的变量信号可由加热装置操作员确定并通过输入 装置306入工输入到可编程控制系统302中。

存在许多可编程控制系统302接收到的变量。第一带材的一些变量 是长度24、宽度28和厚度29。第二带材的一些变量是长度26、宽度 30和厚度31。加热第一、第二带材10、16过程中的其它重要的变量包 括带材的初始温度、带材通过加热装置50的速度和带材离开时的温度。 可以用仪器测量这些变量中的一部分，即热电偶、距离测量仪和速度测 量仪等。

加热装置也具有影响带材加热的变量，如前序、后序加热部分52、 56的不同位置的温度。在图1的实施例中，前序和后序加热部分分为 12个燃烧区101-112。本发明的其它实施例可具有更多或更少的燃烧 区。在每一个燃烧区101-112的中部附近布置至少一个热电偶，测量该 燃烧区的温度，从而产生信号310并将其传送到控制系统302。本发明 的优选实施例在每一个燃烧区具有两个或多个热电偶。本发明的其它实 施例也可以具有不同的变量。

可编程控制系统302分析变量信号310和入工输入的变量，并根据 热模型308来确定加热装置50的新的操作参数。热模型308是一个数 学模型，用于模拟在加热装置50和组合钢带40之间的热传输以及加热 装置50中操作条件改变的结果，从而确定新的操作参数。·经过分析， 可编程控制系统302将新的操作参数转换成新的操作参数信号312，并 经过电路304传送到加热装置50来控制其操作。在本发明的其它实施 例中，操作参数由加热装置操作员或通过人工或通过可编程控制系统来 控制加热装置50的操作。

加热装置50的操作参数控制加热装置的不同元件。现在参照图1 和图4，前序和后序加热部分52、56的加热元件是燃气式W型辐射管 式加热器80。这些加热器的工作气氛为：0～100％氢气，其余为氮气或 其它指定气氛的气体。管式加热器80由一个形状和取向为侧向“W” 形的中空管150组成，中空管150带有一个顶部件152和一个底部件 154。导向燃烧器156和主要气体入口158延伸到顶部件中，将气体159 供给到管150中并由火焰160点燃，产生燃烧产物162。导向燃烧器156 是预混式导向燃烧器以便自动操作。燃烧产物162通过管150内部经底 部件154进入排气收集器164，由于燃烧器是自吸式燃烧器，排风扇(没 示出)将燃烧产物162排放到排气收集器164中。空气166通过空气入 口168进入底部件154。利用燃烧产物162经过底部件154中的换热器 170来加热空气166，这样在本发明的优选实施例中得到温度600～ 800°F的热空气172。热空气172经过延伸在顶部件和底部件之间的竖 直中空件174进入顶部件152。热空气172用在燃烧气体158中。本发 明的其它实施例可使用其它类型的、不同的和数量的加热器。

管式燃烧器80布置在通道60、64的两侧，加热在其中通过的的组 合钢带40。管式燃烧器80的取向使得管150和通过通道时的组合钢带 40平行。管式燃烧器80在通道的每一侧布置约11个管式加热器高。管 式燃烧器80的布置和控制围绕在如图1所示的前序和后序加热部分 52、56中的12个独立燃烧区101-112进行设定。

燃烧产物162在经过排气收集器164收集后可以通过附加的热回收 步骤。在本发明的实施例中，燃烧区101-112的燃烧产物排放到两个单 独的排放系统中。第一排放系统排放燃烧区101-106的废气，并将该气 流中的余热用于预热部分。第二排放系统排放燃烧区107-112和保温部 分的废气进入余热回收系统。本发明的其它实施例可以不在预热区或余 热回收系统进行热交换而回收余热。

通过每个燃烧区的气体供给阀门(图中没示出)，操作参数信号312 控制管式燃烧器80的燃烧速率。信号312也通过控制风档位置来控制 排气收集器164中的负压。并且信号312可以通过改变排风扇的速度来 控制排气收集器164的主抽取压。所有这些操作都通过控制机构300经 过信号312的控制造成对燃烧区101-112中的温度控制。

操作参数信号312也控制感应加热部分54的元件，即感应加热器 82。在本发明的优选实施例中，所用的感应加热器82是螺线管感应加 热器。在本发明图1的实施例中，感应加热部分54由组合钢带40通过 的五个感应加热器82组成。在本发明的其它实施例中感应加热部分也 可以只有一个感应加热器。感应加热器是现有技术，并描述在美国专利 No.4,678,883(Saitoh et al)、No.4,585,916(Rich)、No.4,054,770 (Jackson etal.)、No.3,444,346(Russell et al.)和No.2,902,572(Lackner et al) 中，在此，这些文献全部引入本申请。

在感应加热器82中，组合钢带40纵向通过磁场，在其中感应电流。 由于钢带的电阻而使得感应电流加热钢带40。通过布置在组合钢带40 附近的感应加热器82中的线圈(未示出)里的电流运动而产生磁场。控制 机构300通过信号312控制供给到感应加热器82线圈中的电流。在本 发明的实施例中，每个线圈的总长度大约36英寸，两个线圈之间的最 小间隙约24英寸。线圈的内部尺寸为大约8×大约100英寸。感应加热 器82由封闭循环冷却水系统冷却，设定供给90°F的液体冷却介质。冷 却系统包括一个蒸发式冷却塔、一个冷却塔风扇、一个冷却塔循环泵和 向感应加热器82中供给液体冷却介质的泵送和传输装置。本发明的其 它实施例包括不同的感应加热器、不同的感应加热器构造和不同的感应 加热器冷却装置。

在第一带材10进入加热装置50之前，程控机构300传送操作参数 信号312进入前序、后序加热部分52、56，在各部分加热不同的加热区 以获得第一温度分布。第一温度分布是通过燃烧区101-112的温度建立 的，在这些温度时第一带材10能够在第一预定温度容差范围内离开加 热装置50。类似地第二温度分布图使得第二带材16在第二预定温度容 差范围内离开加热装置50。温度分布建立在前序、后序加热部分52、 56中，而不建立在感应加热部分54中，这是因为前序和后序加热部分 向带材和感应加热部分传送热量。这使得可以在各个加热部分测量温 度。因此温度分布是在热量特定加热区向带材传递的显示。由于感应加 热部分直接加热带材，感应加热部分的温度不是传递到金属带材的热量 的显示，不构成由程控机构300建立的温度分布的一部分。

可是，程控机构300不能控制加热装置50，或具体地是前序、后 序加热部分52、56在两种温度分布之间立即转变。只要带材的变量没 明显变化，几乎不需要程控机构300控制燃烧区101-112在温度分布上 做出迅速改变。然而，加热部分巨大的热容限制了程控机构300使得燃 烧区在两个温度分布之间转换的速度。第一带材和第二带材的变量差别 越大，则两个温度分布之间的差别越大，转变越慢。

当程控机构300使得加热装置50在第一和第二温度分布之间转换 时，离开加热装置的第一带材10和第二带材16分别有一部分不在预定 的第一或第二温度容差范围内，因此会产生相对较大的短头部分36和 38，造成更多的废品。

可是，程控机构300可以控制感应加热器82快速加热组合钢带 40，但和管式加热器80相比能耗更高。在程控机构300使加热装置50 在两种温度分布之间转换时，这种快速加热有利于补充组合钢带的热 量。感应加热部分54的补充加热导致短头部分36和38的尺寸减小或 消除，并减少和消除不符合规格要求的材料。

当第一带材10需要比第二带材16更热的温度分布时，程控机构 300在第一带材10通过加热装置50的同时开始将加热装置50转换到更 冷的第二温度分布。为补偿加热装置50越来越冷的温度分布和它充分 加热带材的能力，程控机构300控制感应加热部分54提高第一带材10 的温度，这样第一带材10仍在预定的第一温度容差范围内离开加热装 置50。理想情况下，当过渡区22通过加热装置50时，程控机构300 已经使加热装置完成在第一温度分布和第二温度分布之间的转变，从而 消除了短头部分36和38。在实际中，只是可以减少短头部分36和38。

当第一带材10需要比第二带材16更冷的温度分布时，程控机构 300在第一带材10通过加热装置50的同时开始将加热装置50转换到更 热的第二温度分布。在过渡区22通过加热装置时，程控机构300利用 感应加热部分54供给第二带材热量，直到达到第二温度分布为止。这 会减少或消除不符合规格要求的材料，导致第一带材10和第二带材16 的短头部分36和38最小化或者消除。

感应加热部分54限于加热组合钢带的温度到其居里温度，对钢而 言大约1300～1400°F。可是，组合钢带40需要离开后序加热部分56 时的最高金属温度高于其居里温度。参照图5，这里本发明的一个方面 涉及在预定的温度容差范围加热金属带材。金属带材沿着通道41顺序 通过加热装置50，依次通过按照图1所示的顺序布置的至少一个前序加 热部分52、至少一个感应加热部分54和至少一个后序加热部分56。典 型情况下，通过前序部分52的通道41的长度大约占通过整个加热装置 50长度的40～50％。在第一步401中，金属带材在前序加热部分加热 到居里温度以下。在下一步402中，在感应加热部分金属带材加热到接 近居里温度的最高温度。在随后的步骤403中，金属带材在后序加热部 分加热到高于其居里温度。在本发明的优先实施例中，金属带材在步骤 402中在感应加热部分加热到接近其居里温度。如前所述，加热装置在 连续带材退火生产线、连续带材镀锌生产线或其它生产线中，可以布置 在预热部分下游和保温部分的上游。

本发明的另一方面是在加热装置50中优化感应加热部分54的布置 位置，以使得加热装置50灵活和有效。感应加热部分的位置使得能够 快速提高组合钢带的温度到材料的居里温度，会最有效地连续生产温度 在最大金属温度容差范围内的组合钢带40，从而使组合钢带40的短头 部分36和38的尺寸最小化。

现在参照图6，感应加热部分位置的确定基于设定的金属带材按设 定的速度顺序通过在前置感应加热部分的加热装置(未显示)中顺序布 置的加热区。第一步501分别在前置感应加热部分的加热装置的一些位 置确定一些金属带材设定温度。这种确定可以按照任何合适的方式进 行，包括在实际的或类似的装置中测量带材的温度，或者基于装置的数 学模型计算每个位置的理论温度。下一个步骤402是确定设定金属带材 按设定的速度通过感应加热部分可获得的最大设定金属带材温度增 量。下一步骤503是从设定金属带材的居里温度减掉最大设定金属带材 温度增量，从而确定最佳设定金属带材入口温度。再一步骤504是确定 具体的装置位置，该位置具有一个大约等于金属带材入口温度的相应的 金属带材温度，从而确定感应加热部分的最佳金属带材入口位置。下一 个步骤505是将感应加热部分插入到两个相邻加热部分之间并接近于最 佳设定金属带材入口位置。感应加热部分可以布置在最佳设定金属带材 入口位置之前或之后，这取决于如何将加热部分分开以容纳感应加热部 分。最好，感应加热部分的上游部分即前序加热部分包括加热装置的大 约40～50％。

在本发明的优先实施例中，前序加热部分52包括加热装置的大约 40～50％，随后是感应加热部分54和后序加热部分56。 实例

第一带材10为厚度0.047英寸、宽度60英寸的钢带。第二带材为 厚度0.030英寸、宽度60英寸的钢带。这些带材为合格带材的最大温度 容差范围为1550±20°F。可是，第一带材10由于单位长度质量大，需 要比第二带材16更多的热量输入来升温到1550°F。

现在参照图7，曲线图200表示第一带材10通过时的加热装置50 稳态加热条件。在水平轴208上，表示着加热装置长度的百分比，而竖 直轴209表示温度。曲线图200有一个第一带材10的第一带材温度曲 线202、一个理想温度曲线204和一个加热装置温度曲线206。第一带 材温度曲线202是第一带材在加热装置中一些位置的实际温度。理想温 度曲线204是第一带材在加热装置中一些位置的理想温度。加热装置温 度曲线206是加热装置中一些位置的加热装置的温度。

加热装置温度曲线206在加热装置入口处的温度为1480°F，而在 出口处温度为1680°F。第一带材和理想温度曲线202和204几乎重叠， 其中初始温度为350°F，最大金属温度是1550°F。注意在加热装置中间 附近，曲线203和204存在平直的部分203。平直部分203相应于在加 热装置中感应加热部分54的特定位置，约是加热装置通道40％的位置。 所有在感应加热部分以前的位置属于前序加热部分52，而所有在感应加 热部分之后的位置属于后序加热部分56。不使用感应加热部分时，在平 直部分203对实际的或理想的带材没有温度变化。

加热装置温度曲线206和第一温度分布类似。可是，加热装置温度 曲线206表示加热装置中不同位置的加热装置温度。第一温度分布不同 于曲线206，该温度分布是加热装置50中加热区101-112的温度，能使 得第一带材10被加热到预定的第一温度容差范围。

现在参照图8，曲线图210表示加热装置50预期到第二带材16而 由程控机构300开始改变温度分布。曲线图210有一个第一带材温度曲 线212、一个理想温度曲线204和一个加热装置温度曲线216，以及和 图5中曲线图200相同的坐标轴208和209，这些曲线和曲线图200中 的曲线类似。

第二带材16厚度明显地薄，为获得1550°F附近的最大金属温度， 要求在前序和后序加热部分52、56中的温度低一些。因此这些加热部 分应开始冷却下来，正如装置加热温度曲线216所示，在入口温度仅为 1400°F。而出口温度为1620°F。可是，第一带材10通过时，感应加热 部分54开启，第一带材温度曲线212在曲线的213部分从1150°F升到 1300°F。使用感应加热部分54允许第一带材10的离开温度达到要求的 1540°F。

现在参照图9，图220表示加热装置50在过渡区22通过装置50 但加热装置达到稳定状态之前的情况。曲线图220有一个第二带材温度 曲线222、一个理想温度曲线204和一个加热装置温度曲线216，以及 坐标轴208和209，这些曲线和图5中曲线图200、210中曲线类似。

由于厚度薄，第二带材温度222在加热装置开始的40％部分快速从 200°F升高到1200°F。由于感应加热器80关闭，第二带材温度曲线222 在223部分平直，这里和感应加热部分54对应。曲线222继续升高到 在要求范围内的1570°F。在这个实例中，短头部分36、38实际上已经 消除，在本发明的其它实施例中，仅仅减少了短头部分的尺寸。

现在参照图10，曲线图230表示加热装置50在第二带材16通过 后的稳定状态。曲线图230有一个第二带材温度曲线232、一个理想温 度曲线204和一个加热装置温度曲线236，以及坐标轴208和209，这 些曲线与曲线图200、210、220中曲线类似。

由于第二带材16相对较薄，与第一带材10相比需要较少的热量输 入，因此加热装置温度曲线236比曲线206、216低。在加热装置的入 口，曲线236的温度是1280°F，而曲线206则为1480°F。类似地，在 加热装置的出口，曲线236的温度是1600°F，而曲线206则为1680°F。 由于感应加热器80关闭，第二带材温度曲线232在233部分是平直的， 其与感应加热部分54的位置对应。

加热装置温度曲线236和第二温度分布类似。可是，加热装置温度 曲线236表示加热装置中不同位置的加热装置温度。第二温度分布不同 于曲线236，该温度分布是加热装置50中加热区101-112的温度，能使 得第二带材16被加热到预定的第二温度容差范围。

这样，通过把感应加热部分54布置在加热装置50的前序部分52 和后序加热部分56之间，组合钢带40离开加热装置50时，其很大部 分在最大金属温度容差范围内，因此组合钢带的短头部分36、38最小 化。本发明的其它实施例可以加热多于两条的钢带。

在不脱离本发明实质或精神的前提下，可按照其它形式实施。因此 应参照所附的权利要求书而不是前述说明确定本发明的范围。

发明背景