JP2001297868A - ロールの低周波漸進誘導加熱方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロールの端部での加熱を安定させると共に、
ロール材質の安定および歩留りを向上させるロールの低
周波漸進誘導加熱方法および装置を提供する。 【解決手段】 ロールを移動および回転させながら加熱
を行うロールの低周波漸進誘導加熱方法であって、誘導
加熱コイルをパルス幅変調インバータにより制御するロ
ールの低周波漸進誘導加熱方法および装置。 【効果】 ロールの両端部の加熱精度をロールの胴部同
様に安定した加熱パターンとすることができ、さらに、
製品に余長部を設けるといったコストアップにつながる
要因を排除することができ、また、加熱途中での温度の
低下という従来技術の問題を大幅に改善することがで
き、ロール品質の安定化に寄与すると共に歩留りの向上
等コスト削減にも大いに貢献する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧延用ロー
ル・ローラ、製紙用のロール等のロールの誘導加熱方法
および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば圧延用ロールの加熱・焼入
れ方法および装置として低周波漸進誘導加熱方法および
装置が一般に知られている。その概要は、圧延ロールを
回転させながら、ある速度で下降させ、装置に固設した
加熱コイルおよび冷却リング中を通過させることによ
り、前記ロールを軸方向に順次加熱・冷却し、焼入れを
施していくものである。

【０００３】ここで、圧延用ロールの形状は、図６に示
すように、実際の被圧延材の圧延部となる胴部１４とそ
の両端部の軸部１５とから構成され、ロールの胴部１４
の上端部１６および下端部１７と軸部１５はロールの軸
方向に形状が変化している。この圧延用ロールの焼入れ
の主たる目的は、胴部１４の全体かつ一定の深さにわた
って、十分な炭化物の溶け込みを図り、安定した組織お
よび硬さを得ることであり、そのためには前記ロールの
加熱に当たっては、該ロールの胴部１４の全長を、かつ
一定の深さにわたって所定のオーステナイト化温度で一
定時間以上保定する必要がある。

【０００４】一方、前記加熱・焼入れ装置の加熱手段の
一つとしては、１電源１加熱コイル方式が知られてお
り、この加熱コイル用のインバータとしては、一般にサ
イリスタインバータ（共振型周波数変換器）が用いられ
ている。圧延用ロールを誘導加熱装置に固設された加熱
コイルの中を移動させるにあたり、前記の通り胴部１４
の両端部の加熱において、ロール形状に変化がある。こ
のため、従来のサイリスタインバータによる加熱コイル
での加熱においては、ロールの形状変化による負荷イン
ピーダンスの変化に伴い周波数が大きく変動する。

【０００５】この周波数の変動により図６に示すロール
の上端部１６および下端部１７では単位面積当たりの投
入電力が減少し、図７に示すように、両端部の温度が下
がる傾向にある。そのため、両端部の温度を所定の温度
にするために当該部での加熱に電流を上げて加熱するこ
とが考えられるが、この場合、逆に該両端部に隣接する
胴部１４が所定の温度以上となる。このように、前記従
来の技術においては、ロールの胴部１４の全長を一定の
深さで、一定の加熱温度でかつ一定の保持時間を維持す
るのが難しかった。その結果、所定の焼入硬さが確保で
きないため、従来では、予め焼入れを対象とするロール
の素材長さを実際の製品長さより、その分上下に長くし
て焼入れを行い、その後、実際の製品長さになるよう
に、上下を機械加工により除去しており、歩留の低下、
製造コスト高の大きな要因となっていた。

【０００６】また、前記１電源１加熱コイル方式に代わ
る他の方式として、例えば、実開昭６２−１１８１６０
号公報に開示された２電源２加熱コイル方式や実公平３
−３９４８２号公報に見られる１電源２加熱コイル方式
のようにコイルを複数配設する方式が提案されている。
まず、実開昭６２−１１８１６０号公報に記載の２電源
２加熱コイル方式の概要を図８により説明する。この方
式は加熱コイル２と保持コイル６とを各々独立に制御で
きるように従来のサイリスタインバータ１９にて個別に
制御しようとするものであるが、開示技術の内容では、
実際の操業において発生する両コイル間での相互干渉に
よる電源の非作動を防止させるために、以下の２つの大
きな課題がある。

【０００７】一つは２つのコイルの周波数を２倍以上の
異なる周波数に選択する必要があり、そのための具体的
な内容として、加熱コイル２には加熱深度を深くするこ
とを目的として、低周波域の周波数、保持コイル６には
表面温度を保持することを目的として中周波域の周波数
を選択することが開示されている。この場合、保持コイ
ルが中周波であるため、前段の加熱コイル２で内面深く
まで加熱された温度を保持しにくく、図９に示すように
内面温度の長時間の保持が難しい。

【０００８】それを避けるために、保持コイル６にも、
低周波の同一周波数を選択することが考えられるが、こ
の場合、両コイル間を近接して配設すると、前記両コイ
ル間の相互干渉により電源が作動しないといった問題が
あるために、両コイル間の距離をロールの径相当の距離
に大きく離す必要がある。この場合、図１０に示すよう
にロールの長さ方向で、途中の温度低下が避けられず、
オーステナイト域での安定した温度の維持が難しく、該
加熱後の冷却による焼入れ組織に必要とする安定した組
織が得られないという問題があった。

【０００９】一方、実公平３−３９４８２号公報には、
前記両コイル間の相互干渉の問題を避けることを目的と
して、従来のサイリスタインバータを用いた１電源２加
熱コイル方式が開示されている。この方式は１電源であ
るため、加熱コイル間の相互干渉は起こらなく２つの加
熱コイルを隣接して配設させることが可能であり、前記
実開昭６２−１１８１６０号公報である２電源２加熱コ
イル方式で生ずるロールの長さ方向で、途中の温度が低
下するといった問題は解消できる。

【００１０】しかしながら、一般に１電源２加熱コイル
方式の加熱装置では、２つの加熱コイルの電力を各々独
立して制御することが難しく、そのため初期設定の電力
に対して、加熱途中での各々の加熱コイルの電力を調整
できなかった。実公平３−３９４８２号公報の目的は、
その対策として２つのコイルの電力バランスをロールの
位置に応じて調整するために、図１１に示すように、電
流調整用の可変リアクトル１１を併設するとの提案であ
るが、その可変範囲はせいぜい２０％程度であり、さら
に、加熱コイルのインバータとして、従来のサイリスタ
インバータを用いているため、ロールの端部の加熱にお
いては前記に説明した１電源１加熱コイル方式同様、ロ
ールの形状の変化に伴う周波数の変動により単位面積当
たりの投入電力が減少するため、図７に示すような端面
ヒートパターンしか得られないという問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来技
術の各種の課題に鑑み、本発明の目的は、ロールの軸方
向での形状の変化に伴って発生するロール両端部での周
波数変動による投入電力の変化といった課題を改善し、
胴部と同様に、両端面までの安定した加熱を可能とす
る。また、さらに、加熱コイルを複数個配設した場合、
両加熱コイル間での相互干渉を解消して加熱コイルを隣
接して設置することを可能とすると共に、また前記複数
の加熱コイルの周波数同期化を図ることによって加熱コ
イルを独立制御を可能とし、安定した加熱・保持を実現
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述したような課題を達
成するために、本発明は、次のような手段を要旨とする
ものである。 （１）ロールを移動および回転させながら誘導加熱コイ
ルによりロールの加熱を行うロールの低周波漸進誘導加
熱方法において、該誘導加熱コイルをパルス幅変調イン
バータにより制御することを特徴とするロールの低周波
漸進誘導加熱方法。 （２）ロールを移動および回転させながら２個以上の誘
導加熱コイルによりロールの加熱を行うロールの低周波
漸進誘導加熱方法において、該誘導加熱コイルをパルス
幅変調インバータにより制御すると共に、該誘導加熱コ
イルを任意の周波数に同期制御することを特徴とするロ
ールの低周波漸進誘導加熱方法。

【００１３】（３）ロールの移動および回転手段と該ロ
ールの誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルへの電気回路
にパルス幅変調のインバータとを設けたことを特徴とす
るロールの低周波漸進誘導加熱装置。 （４）ロールの移動および回転手段と該ロールの２個以
上の誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルへの電気回路に
パルス幅変調のインバータを設けると共に周波数の同期
制御器を設けたことを特徴とするロールの低周波漸進誘
導加熱装置にある。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明において、ロールの誘導加熱コイル用とし
て適用したパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ ｗｉｄ
ｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバータは非共振型イ
ンバータであり、このパルス幅変調インバータはコイル
にかかる容量（ＫＶＡ）をインバータ自体が担うため、
一般の加熱鋼材（ロールよりも小径材、一般にφ１００
ｍｍ以下）に対して用いられている周波数は５００〜１
０００Ｈｚ以上であり、先鋭度Ｑ｛設備容量（ＫＶＡ）
と所要電力（ＫＷ）の比｝も５〜６程度である。このた
め前記一般の加熱鋼材の加熱コイル用に、パルス幅変調
インバータを適用すると設備容量が非常に大きくなり設
備コスト面から実用化は難しかった。しかし、圧延用ロ
ールの加熱においては、ロールの径（φ２００〜１００
０ｍｍ）、必要加熱深度（１５〜６０ｍｍ）の点から、
必要な周波数は、２００Ｈｚ以下、望ましくは５０〜６
０Ｈｚが最適であり、また先鋭度Ｑも２程度となるた
め、設備コスト面からの適用が可能となった。

【００１５】特に、圧延用ロールの焼入れにおいては、
前記の通り、軸方向と共に深さ方向においても一定の安
定した硬さを得るために、所定のオーステナイト化温度
に一定時間安定して保持されることが必要であり、誘導
加熱焼入れに際しては複数の加熱コイルが隣接して設置
されていることが望ましい。本発明によれば複数の加熱
コイル用のインバータとして、非共振型インバータであ
るパルス幅変調インバータの適用により、ロール端部で
の加熱を安定させ、また複数のパルス幅変調インバータ
に周波数同期制御器を設けることにより、複数の加熱コ
イル間での相互干渉を完全に解消して加熱コイルを隣接
して設置することを可能とすると共に、複数の加熱コイ
ルの電力を独立して任意に変更することができるように
なり、制御性と安定した加熱温度パターンの両立が可能
となった。

【００１６】図１に、本発明のロールの誘導加熱方式
（１電源１加熱コイル）の１実施例を示す。図１におけ
る符号１は、回転しながら、軸方向に移動する圧延用ロ
ールであり、該ロール１の周囲には、隙間をあけて加熱
コイル２が固設されている。図示していない高圧系統よ
り送電された電気は、高圧電磁接触器５、電源変圧器
４、パルス幅変調インバータ３を経て、前記の加熱コイ
ル２に送電され、圧延用ロール１が加熱される。

【００１７】この場合、従来の加熱コイル用のインバー
タとして、サイリスタインバータを使用していた場合に
は、ロールの軸方向での形状の変化により、加熱コイル
とロール表面との距離が変化し、それにより加熱コイル
での周波数が変動し、ロール径の小さな部分は、加熱が
弱く、径の大きい部分は過加熱となっていたが、本発明
のように加熱コイルに送電される電気回路中にパルス幅
変調インバータ配置したので、形状の変化するロールの
両端部においても、図２に示すように、胴部と同様に安
定した加熱を実施することができる。

【００１８】続いて、図３を用いて、前記本発明のロー
ルの誘導加熱方式（１電源１加熱コイル）を実際のロー
ルの焼入れ装置に適用した場合の該設備の全体概要につ
いて説明する。符号１１は、本焼入れ装置の架構であ
り、架構内には、昇降ねじ７が複数本設けられており、
モーター１２の正逆回転により、前記昇降ねじ７が回転
し、これにより昇降フレーム９が架構１１とピット１０
との間で昇降する。前記昇降フレーム９には、加熱コイ
ル２と冷却リング８が固設されている。符号１３は、昇
降フレーム９に設けられているモーターでこれにより、
圧延用ロール１の焼入れ時、昇降フレーム内にセッテイ
ングされ昇降する圧延用ロール１を回転させるものであ
る。以上の構成により焼入れ装置が構成されている。

【００１９】次に、本発明の第２の実施例として加熱用
と保持用の２台の加熱コイルおよびインバータを配置し
た２電源２加熱コイル方式における本発明のロールの誘
導加熱方式について、図４を用いて説明する。符号１
は、回転しながら、軸方向に移動する圧延用ロールであ
り、該ロール１の周囲には、加熱コイル２と加熱コイル
の一つである保持コイル６が隣接して固設されている。
図示していない高圧系統より送電された電気は、高圧電
磁接触器５、電源変圧器４、パルス幅変調インバータ３
を経て、それぞれ個別の前記加熱コイル２および保持コ
イル６に送電され、圧延用ロール１が加熱・保持され
る。符号１８は、周波数同期制御器である。

【００２０】本実施例において、２つの加熱コイル間の
距離は１０ｍｍとし、一体形成したものを適用した。従
来の共振型であるサイリスタインバータを同一周波数で
２台適用した場合には、前記従来の技術で述べた通り、
加熱コイルの設置距離をロール径相当距離設ける必要が
あったのに対し、大幅に加熱コイルの設置距離を短縮で
き図２に示すように加熱コイル間での温度低下のない、
均一な昇温および温度保持が可能となった。さらに、本
発明は、周波数の変動もなく、かつ２つの加熱コイル電
力は各々独立に０〜１００％の範囲で可変でき、ロール
の胴部同様に、両端部を含めて安定した加熱温度制御が
可能である。

【００２１】続いて、本発明に係る設備によるロール焼
入れの電力制御パターン例を図５に示す。この図に示す
ように、２つの加熱コイルの電力バランスを状態２〜３
間、５〜６間のように０〜１００％の範囲で大きく独立
に制御できると共に周波数の同期性を失わないことが本
発明に係る加熱方法および装置の特徴である。従来のサ
イリスタインバータを用いた場合には、２つのコイルの
電力バランスをこのような大きな範囲で調整することは
不可能であった。また、状態２〜３間あるいは５〜６間
のように２つのコイルの負荷が一致しない場合には、負
荷変化に伴う周波数変動により２つのコイルの周波数の
同期性が維持されず、安定した制御が実際不可能であっ
た。以上、本発明によれば、ロールの位置すなわち負荷
変動に応じて２つの加熱コイルの電力を独立に最適な値
に設定することが可能であり、より端部の制御性を上げ
るためには、加熱コイルを細分化し３個以上の多段コイ
ルとすると良い。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によるパルス
幅変調インバータを加熱コイルに適用したことにより、
誘導加熱において加熱コイルの周波数をロール位置の移
動に伴う形状に変化による負荷の変動による影響を受け
ることなく、常に一定とすることが可能となり、ロール
の両端部の加熱精度をロールの胴部同様に安定した加熱
パターンとすることが出来る。

【００２３】また、加熱コイルに、パルス幅変調インバ
ータを適用し、それらの加熱コイルを隣接して配設し、
またいずれの加熱コイルも低周波域の同一周波数を持た
せ、さらには、それぞれの加熱コイルを周波数同期制御
器により独立に制御することを可能としているため、ロ
ール両端部での過熱を回避しつつ両端部まで安定した加
熱温度、加熱深度および加熱精度の確保が可能となり、
製品に余長部を設けるといったコストアップにつながる
要因を排除することが出来る。さらに、加熱途中での温
度の低下という従来技術の問題点を大幅に改善すること
ができ、ロール品質の安定化も大いに貢献する。

【００２４】さらに、本発明に係る装置においては、任
意の一定周波数を選択制御できることが挙げられる。圧
延ロールの低周波漸進誘導加熱・焼入れにおいてはロー
ルに要求される硬度深度に応じて加熱深度を調整するこ
とが必要である。従来、加熱深度はロールの移動速度を
変えることにより調整を行ってきた。浅い加熱深度を得
るためにはロールの移動速度を大きくすればよい。しか
し、移動速度を大きくすると同じ温度を得るためには電
力を大きくする必要があり、装置を大型化せざるを得な
かった。本発明によれば、周波数により加熱深度の調整
が可能となり、電源を大型化する必要がなくなるという
効果も期待される等極めて優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロールの誘導加熱方式（１電源１
加熱コイル）の設備を示す図、

【図２】本発明に係るロールの誘導加熱方式によるロー
ルの加熱パターンを示す図、

【図３】本発明に係る加熱方式を適用したロールの焼入
れ装置の全体概要図、

【図４】本発明に係るロールの誘導加熱方式（２電源２
加熱コイル）の設備を示す図、

【図５】本発明に係る加熱方式によるロールの加熱時の
加熱電力の制御パターンを示す図、

【図６】圧延用ロールの形状を示す概要図、

【図７】従来の加熱方式（１電源２コイル）より得られ
る加熱パターンを示す図、

【図８】従来の加熱方式（２電源２コイル）の設備を示
す図、

【図９】従来の加熱方式（２電源２コイル）より得られ
る加熱パターンを示す図、

【図１０】従来の加熱方式（２電源２コイル）より得ら
れる加熱パターンを示す図、

【図１１】従来の加熱方式（２電源２コイル）の設備を
示す図である。

【符号の説明】

１ 圧延用ロール ２ 加熱コイル ３ パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータ ４ 電源変圧器 ５ 高圧電磁接触器 ６ 保持コイル ７ 昇降ねじ ８ 冷却リング ９ 昇降フレーム １０ ピット １１ 架構 １２、１３ モーター １４ 胴部 １５ 軸部 １６ 上端部 １７ 下端部 １８ 周波数同期制御器 １９ サイリスタインバータ ２０ 整合コンデンサー ２１ 整合トランス ２２ 可変リアクトル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 光生 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新 日本製鐵株式会社エンジニアリング事業本 部内 (72)発明者 小家 隆之 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新 日本製鐵株式会社エンジニアリング事業本 部内 (72)発明者 内田 直喜 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 (72)発明者 川中 啓二 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 (72)発明者 片山 秀樹 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 Ｆターム(参考） 3K059 AA02 AB20 AD00 AD05 CD02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロールを移動および回転させながら誘導
   加熱コイルによりロールの加熱を行うロールの低周波漸
   進誘導加熱方法において、該誘導加熱コイルをパルス幅
   変調インバータにより制御することを特徴とするロール
   の低周波漸進誘導加熱方法。
2. 【請求項２】 ロールを移動および回転させながら２個
   以上の誘導加熱コイルによりロールの加熱を行うロール
   の低周波漸進誘導加熱方法において、該誘導加熱コイル
   をパルス幅変調インバータにより制御すると共に、該誘
   導加熱コイルを任意の周波数に同期制御することを特徴
   とするロールの低周波漸進誘導加熱方法。
3. 【請求項３】 ロールの移動および回転手段と該ロール
   の誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルへの電気回路にパ
   ルス幅変調のインバータとを設けたことを特徴とするロ
   ールの低周波漸進誘導加熱装置。
4. 【請求項４】 ロールの移動および回転手段と該ロール
   の２個以上の誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルへの電
   気回路にパルス幅変調のインバータを設けると共に周波
   数の同期制御器を設けたことを特徴とするロールの低周
   波漸進誘導加熱装置。