JP2001200312A

JP2001200312A - 円筒状金属コイルの加熱方法

Info

Publication number: JP2001200312A
Application number: JP2000013126A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirota; 芳明広田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-07-24

Abstract

(57)【要約】【課題】円筒状金属コイルを効率よく、板幅方向の温
度分布を制御しながら短時間で加熱する。【解決手段】金属帯板の板間を絶縁して巻いて円筒状
にしたコイル１の内側を貫通する鉄心２と、一次コイル
４を巻き一次電源８を接続した鉄心３とを円筒状金属コ
イル１の外で連結してリング状トランスを構成するとと
もに、円筒状金属コイル１の最外周部の金属帯板と最内
周部の金属帯板とを導電部材５で短絡して二次閉回路を
構成し、一次コイル４に通電することによりコイル１に
電流を流して加熱する。このとき、加熱される円筒状金
属コイル１の一端面を冷却し、その他の外面を断熱する
ことで板幅方向の温度分布を制御しながら円筒状金属コ
イル１を昇温させる。また、円筒状金属コイル１を昇温
させた後、コイル加熱の電力を抑制または停止するとと
もに、前記一端面の冷却を中止し、円筒状金属コイル１
の温度を上昇させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷延鋼板や電磁鋼
板などの鋼板やアルミ板等コイル状に巻いた円筒状金属
コイルを熱処理する際、特定の温度差を与えたまま熱処
理を行い熱処理できる円筒状金属コイルの加熱方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、円筒状金属コイルの加熱は、
バッチ炉に入れガス加熱やパネルヒーターにより加熱す
る方法がほとんどである。バッチ加熱は、雰囲気が制御
でき、高温で焼鈍できることなどから、連続焼鈍装置で
は加熱できない特殊な材質のものや、品質が厳しいもの
などに適用されている。しかし、円筒状金属コイルのバ
ッチ焼鈍は、基本的には金属の塊を外部から加熱するこ
とになるため、加熱時間が非常に長くなるとともに、温
度偏差が大きくつきやすいため長時間にわたって均熱化
する必要があるほか、加熱効率が極めて低い等の問題が
あり、コイル内の温度分布を制御することが極めて難し
い状態であった。

【０００３】この問題を解決するため、通電加熱を採用
する事が提唱されている。たとえば、特開平６−１００
６７号公報にはコイルの両端から通電することが、また
特開平５−１７１２５９号公報には拡縮機構を有する内
外電極により直接通電することが記載されている。ま
た、電気を使って加熱する方法としては、特開昭６１−
１９０９７号公報にコイル内に鉄心を通し、誘導加熱す
る方法が提唱されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、通電加熱する
方法では、特開平６−１００６７号公報の場合、コイル
と電極の接触面が均一に当たりにくいため局部的に発熱
し、コイルに損傷を与えるという問題がある。また、特
開平６−１００６７号公報及び特開平５−１７１２５９
号公報では、両者とも塊状の物体であるため抵抗が小さ
く、極めて大きな電流を流さないと発熱できず、時間を
かけないと加熱しにくいという問題、大電流通電に関わ
る設備上の問題がある。また、特開昭６１−１９０９７
号公報では、誘導加熱が効果的に行われるのは周波数に
応じた浸透深さまでの部分のみで、それ以外の部分は伝
熱により熱が伝わるため、温度分布を制御することが難
しいという問題がある。そこで、本発明は、コイル内の
温度制御性、効率がよい加熱を短時間に安定してできる
円筒状金属コイルの加熱方法を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記の通
りである。

【０００６】（１）金属帯板の板間を絶縁して巻いて円
筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と、一次コイル
を巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリン
グ状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの
最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを導電部材
で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電する
ことにより円筒状金属コイルを加熱する機能を有する加
熱装置を用い、加熱される円筒状金属コイルの一端面を
冷却し、その他の外面を断熱することで板幅方向の温度
分布を制御しながら円筒状金属コイルを昇温させること
を特徴とする円筒状金属コイルの加熱方法。

【０００７】（２）上記（１）の加熱方法において、円
筒状金属コイルを昇温させた後、コイル加熱の電力を抑
制または停止するとともに、前記一端面の冷却を中止
し、円筒状金属コイルの温度を上昇させることを特徴と
する円筒状金属コイルの加熱方法。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。説明では特に加熱雰囲気を特定して
いないが、酸化雰囲気でもまた非酸化雰囲気でも構わな
い。図１（ａ）は本発明により円筒状金属コイルを加熱
するための装置の例を説明する模式図であり、図１
（ｂ）は側断面を示す図である。

【０００９】帯状の金属を巻いた円筒状金属コイル１の
内側の空間部分には、良磁性体、たとえば電磁鋼板等で
つくられた鉄心２が貫通し、鉄心２と鉄心３により磁気
回路を形成するようにリング状のトランスを形成する。
鉄心２は、鉄心３から分離できるように形成する。鉄心
３には一次電源８に接続された一次コイル４を巻き、ト
ランスの一次回路とする。

【００１０】一方、円筒状金属コイル１は、表面に高抵
抗の皮膜を形成するか、あるいはコイル状に巻く時に帯
状金属板の間に絶縁体を入れて一緒に巻くことにより、
板間の絶縁性を保つことができる。例えば、熱延された
鋼板などのように、表面に厚いスケール層ができそれが
絶縁性を有する程の抵抗層になる場合や、電磁鋼板製造
時などのように表層に絶縁皮膜を設ける場合のように、
あらかじめ円筒状金属コイル層間の抵抗が高い場合、円
筒状金属コイルに流れる電流は、コイル層間を伝わら
ず、円筒状金属コイル断面内を伝わり、円筒状金属コイ
ル１自体が多数巻きの２次コイルを形成する。この円筒
状金属コイル１の両端、すなわちコイル１の外側と内側
部分とを導電部材５でつなげた電極６と電極７で短絡す
ることにより２次回路を形成する。こうすることによ
り、一次電源８から一次電圧を加えると、コイル４の巻
き数に応じた２次電圧が直接円筒状金属コイル１の中に
誘起される。誘起された２次電圧により２次電流が円筒
状金属コイル１内を流れることにより、円筒状金属コイ
ル１自体がジュール加熱される。

【００１１】この加熱方法では、トランス内にコイルが
あるため、コイル内の電流は板幅方向でほぼ均一に流れ
均一な加熱をすることができる。

【００１２】本加熱方法では、電力の調整は一次電源８
で行うことができるが、コイル１の巻き数が変化する場
合には、一次コイル４の巻き数を変えられる様にコイル
にタップを設けておき、負荷に応じてタップを切り替え
るようにすればよい。一次コイル４も電流により発熱す
ることから、一次コイル４には水冷の銅パイプなどを用
いれば良い。

【００１３】この様に、本加熱方法は従来にない優れた
円筒状金属コイルの加熱方法であるが、さらにこの加熱
方法は、ガス加熱などの従来の外部加熱による方法では
困難であった、コイル内に均一に温度分布を持たせた傾
斜加熱を行うことが可能である。傾斜加熱は、例えば、
電磁鋼などの様に特定の方向に結晶を成長させたいとき
など、冶金的な要求へ応えることができる。

【００１４】この傾斜加熱を行う方法としては、例えば
図２の断面図に示すように、円筒状金属コイル１の内
面、外面ならびに底部を各々断熱材９、１０、１１で覆
って熱放散を防止し、一方、円筒状金属コイル１の上部
をファン１２等の冷却装置により冷却を制御することに
より、円筒状金属コイル１は冷却面と非冷却面の温度差
を持ったまま全体を加熱することができる。

【００１５】傾斜加熱の温度制御方法としては、定電流
制御と定電圧制御を組み合わせることにより、効果的な
加熱ができる。定電流制御は、（１）式で示す熱量をコ
イルに強制的に投入することができることから、昇温速
度を自在に制御することが可能である。一方、定電圧制
御では、電圧Ｅは、電流×インピーダンスで示される
が、インピーダンスは、コイルの種類、重量、幅、板
厚、温度が決まるとほぼ一定値になることから、コイル
の温度が上がりインピーダンスが高くなり一定値に近づ
くと、次第に電流値が抑制され、温度が一定以上にはな
りにくくなる。本加熱方法では、２次側のコイルの電圧
は、コイル内側と外側の金属を短絡していることから、
電圧は極めて小さな値となるので、一次側の電圧を調整
するのがよい。電力量としては、（２）式で示されるよ
うに、コイル温度が上がり抵抗が上がると投入電力が絞
られる。逆に電圧制御でコイル加熱を行えば、電圧が一
定になるまで電流は最大限流れようとすることから、加
熱速度を一定にするのは難しい。

【００１６】Ｐ＝Ｉ²×Ｒ×ｔ（１）＝Ｅ²／Ｒ×ｔ（２）Ｐ：投入熱量、Ｉ：電流、Ｅ：電圧、Ｒ：コイル抵抗、
ｔ：時間

【００１７】この様な特性をもとに、傾斜加熱時の電力
調整方法を説明する。

【００１８】傾斜加熱方法として、例えば図４の様な昇
温パターンでコイルを加熱する場合について説明する。
図４では、例えば断熱側の温度曲線をＡ、冷却側の温度
曲線をＢとする。コイル１は、電流制御により昇温速度
を制御しながら時間ｔ１で断熱側のコイル温度Ｔ２まで
加熱される。温度Ｔ２は、コイルに熱電対を接触させる
か放射温度計などで測温し、通電電流を止めれば良い。
この時、冷却している側のコイルの温度昇温曲線Ｂは、
温度Ｔ１まで加熱される。この温度Ｔ１は、冷却を制御
することにより得られる。その後、昇温曲線Ａの温度は
上げずに、低温側の温度をＴ２まで加熱するために、電
圧制御を行い、冷却を抑制し、図３に示す様に断熱材１
３をコイル１の上にかぶせることにより、冷却側の温度
は急激に上昇してゆく。すなわち、強制冷却をやめれ
ば、コイル内を流れる電流は、温度が低く抵抗の小さな
部分を選択的に流れようとするので、コイル内の温度は
急速に均一化してゆくが、先に述べた通りコイルの種
類、重量、厚み、幅、温度が決まればコイルの抵抗値が
一定になることから、あらかじめ金属の所定温度での電
圧を設定しておけば、コイル温度が均一化してきてイン
ピーダンスが一定値に近づくと次第にコイル電流値が下
がり、コイル全体の温度がオーバーシュートするのを防
げるため、昇温曲線Ａの温度は上昇せず低温部のみが昇
温曲線Ｂの様に温度上昇し、時刻ｔ２でほぼコイル温度
が均一化ができる。

【００１９】コイル内温度が均一化された状態で、さら
にコイル全体を加熱し、Ｔ３まで加熱するためには、昇
温速度を制御する場合には電流制御を行えばよく、昇温
速度が問題にならない場合には、電流制御でも電圧制御
でも構わない。その後、時間ｔ３からｔ４までは、放散
熱分だけ補うように電圧制御を行えばよい。もっとも、
この均熱の時には、パネルヒーターやラジアントチュー
ブなどを用い間接加熱で行っても構わない。均熱処理で
所定の結晶粒が得られたならば加熱を止め、冷却を行え
ば良い。

【００２０】上記説明をしてきた様に、本加熱方法を用
いれば、コイル内部から電気的に加熱ができることか
ら、加熱速度を自在にすることが可能であり、冷却を制
御することにより、温度差を自在に制御して、所要の熱
処理をすることが可能となる。

【００２１】

【実施例】本加熱方法の有効性を確認するため、実験を
行った。実験には、一辺が100mmの正方形断面の電磁鋼
積層鉄心を用いた。この鉄心は、コの字型とＩ型からで
きており、コの字の方に一次コイルとして直径10ｍｍの
水冷銅パイプを20ターン巻き、１ターン毎にタップをた
て巻き数を自由に選択できるようにした。一方、2次側
となる円筒状金属コイルは、内径を500mmとし、表面に
スケールがついた200ｍｍ幅の厚み1mmの熱延鋼板50Kgを
30回巻いたものを用いた。コイルを巻くときには、途中
に熱電対を幅方向に溶着し、板幅方向温度分布並びにコ
イル厚み方向温度分布が測定できる様にした。

【００２２】このコイルの内側と外側の鋼板端部は、長
さ800ｍｍ、厚み10ｍｍ、幅50ｍｍの銅製の電極２枚で
挟み、250mm²の銅ケーブルで短絡し２次回路を形成し
た。一次電源は、周波数50Hz、電圧400V、容量600KVAの
インバーター電源を用いた。

【００２３】実験は、円筒状コイルの内面、外面、底面
に100mmのセラミックスファイバー（熱伝導率1W/mK）を
巻いて断熱を行い、上面をはじめに断熱材をかけずにフ
ァンで冷却し、はじめは１次側で電流が240[Ａ]一定に
なるように定電流制御し、20ターンで電流を流し250分
で高温側を700［℃］まで加熱し、その後冷却を止め、
一次電圧を65[V]一定の定電圧制御で加熱を行った場合
と、はじめから上面も断熱した状態とで測定を行った。
温度測定は、厚み方向にコイル内側表面から5mm点、中
央、外表面から5mm点の３カ所に、板幅方向として、両
エッジから20mm点と中央の３点の温度分布を測定した。

【００２４】図５に、傾斜加熱時の温度測定例として、
コイル厚み方向中央部の幅方向温度分布を示す。加熱開
始後約250分で約200℃の温度分布がついていたものが、
約375分後には温度偏差が解消し板幅方向でほぼ均一の
温度分布にすることができた。一方、はじめからコイル
全体を断熱した場合には、図５の底面の昇温曲線と同じ
になり、幅方向での温度分布は±1℃程度とほぼ均一な
昇温曲線が得られた。この様に、本加熱方法では、自在
な温度分布を得ることが可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明の加熱方法によれば、円筒状金属
コイルのバッチ加熱の本質的な問題である外表面からの
輻射加熱によって生じる加熱温度分布の発生や、加熱時
間がかかりすぎて生産性が著しく落ちる、加熱効率が極
めて低いという問題を解決することができる。すなわ
ち、電流により円筒状金属コイルの内部から加熱を行う
ため、加熱時間を自在に制御でき、しかも温度分布、加
熱効率が極めて良いため、加熱品質が良く歩留まり落ち
を少なくでき、省エネにも大きく寄与する。しかも、コ
イル内に自在な温度分布が制御できることから、これま
で連続焼鈍やバッチ焼鈍では不可能であった結晶制御を
自在に行うことができ、新しい冶金効果による特性の優
れた金属を得ることできるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加熱方法による円筒状金属コイルの加
熱原理を説明する模式図（ａ）および側断面模式図
（ｂ）である。

【図２】本発明の加熱方法による円筒状金属コイルの傾
斜加熱を説明する模式図である。

【図３】本発明の加熱方法による円筒状金属コイルの傾
斜加熱後の均温化を説明する模式図である。

【図４】本発明の加熱方法による円筒状金属コイルの傾
斜加熱の昇温パターンを示す図である。

【図５】本発明の加熱方法による円筒状金属コイルの加
熱の実施例における昇温パターンを示す図である。

【符号の説明】

１円筒状金属コイル２鉄心３鉄心４一次コイル５導電部材６電極７電極８一次電源９断熱材１０断熱材１１断熱材１２ファン１３断熱材Ａ高温側昇温曲線Ｂ低温側昇温曲線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属帯板の板間を絶縁して巻いて円筒状
にしたコイルの内側を貫通する鉄心と、一次コイルを巻
いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状
トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外
周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを導電部材で短
絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電すること
により円筒状金属コイルを加熱する機能を有する加熱装
置を用い、加熱される円筒状金属コイルの一端面を冷却
し、その他の外面を断熱することで板幅方向の温度分布
を制御しながら円筒状金属コイルを昇温させることを特
徴とする円筒状金属コイルの加熱方法。
【請求項２】請求項１に記載の加熱方法において、円
筒状金属コイルを昇温させた後、コイル加熱の電力を抑
制または停止するとともに、前記一端面の冷却を中止
し、円筒状金属コイルの温度を上昇させることを特徴と
する円筒状金属コイルの加熱方法。