JP2002194428A - 板状金属材料の通電加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 板状金属材料の加熱に関し、先端から尾端ま
でを安全に自在な温度に制御性良く加熱できる通電加熱
装置を得る。 【解決手段】 板状金属材料の長手方向に対し、板状金
属材料の幅方向に通電用電極対を設けるとともに、電極
近傍に金属材を囲む様に磁性コアを設ける。磁性コアに
は、電流の流せるコイルを巻き、磁性コアの外に広がろ
うとする電流を制御する。この状態で、順に電極に通電
を行い、板状金属材料を加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スラブや厚板、薄
板などの板状の金属材料（例えば鉄やアルミニウム、
銅、ならびにそれらの合金）を所要の温度に連続的に、
効率よく通電加熱ができる通電加熱方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属材料を加熱する場合、加熱・
保温にはガス加熱による輻射や電気ヒーターによる間接
加熱がほとんどであった。しかし、これらの加熱方法は
間接的に金属材料を表面から加熱するため、表面のみが
温度が上がり内部伝熱律速となり急速な加熱ができない
という問題があり、板厚や板幅などが変わるときには、
生産性に大きく制約を与えていた。

【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、特開昭６１−８２９
５４号公報には鋼板に通電ロールを介して直接通電し、
鋼板自体を発熱体として高温化することが、また、特開
平１−１４２０３２号公報や特開平１−１８７７８９号
公報には、環状トランスを貫通する金属帯板通路の前後
に通電ロールを設け金属帯板を加熱する方法が記載され
ている。このように金属帯に直接電流を流し、ジュール
熱で加熱する場合は、ガスや電気の間接加熱と比べ単位
時間当たりの加熱能力が高く、板厚や板幅の変更に伴う
生産性低下という問題をなくすることができるととも
に、設備がコンパクトにできる点で優れている。

【０００４】上記の様に進行方向に電極ロールを設け、
比較的板厚の薄い金属材料が続けて供給される場合に
は、連続的に通電加熱できるため生産性が良いが、スラ
ブや厚板などの様に長さが決められた金属材料の場合、
先端と後端部分はどうしても通電ロールからはずれ、加
熱できない部分が生じ歩留まり落ちが生じてしまうとい
う問題がある。また、たとえば厚板材などでは幅が大き
く変化するとともに、幅自体が広いため通電ロールの胴
長も長くなってしまいロールがたわみやすくなることに
加え通電電流密度が大きくなるため、被加熱材と通電ロ
ールの間でスパークが発生しやすいという問題もある。

【０００５】このような有限長材の先端部と後端部の加
熱不足やスパーク発生の問題に対し、例えば特開昭６１
−２６８６２０号公報などにみられるように、電極を被
加熱材の先端と後端に密着させ、材料全体をバッチ的に
加熱する方法や、特開昭６３−２６４０３０号公報のよ
うに被加熱材の先端と後端にダミー材をつけて加熱する
方法などが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
のように電極を被加熱材の先端と後端に密着させ材料全
体を材料毎に加熱する方法では、例えば厚鋼板などの場
合のように材料の長さが数ｍ〜２０数ｍまで大きく変わ
る材料などでは、電極も材料の長さに合わせて大きく変
化させなければならず、設備・スペース上の問題があっ
た。また、全長にわたって加熱を行うと電源容量を大き
く巨大にする必要があるとともに、加熱時間が長大にな
り、熱放散が大きくなり加熱効率が低下してしまうとい
う問題が生じる。また、ダミー材をつけて加熱する方法
では、ダミー材の着脱工程、時間の増加、ダミー材その
ものの材料代等が余分に必要となり、無駄が多い。

【０００７】そこで、本発明者は、上記の課題を有利に
解決するために、特開平１０−２８００５５号公報で被
加熱材の板幅方向に流れる電流路が制御でき、長さ、
幅、厚みによらず板状の被加熱金属材料を効率よく連続
的に所要の温度パターンで加熱できる板状金属材料の通
電加熱装置を提案した。この方法は、上記目的のために
は優れた加熱方法であるが、セミバッチ的に鋼材を加熱
するため、加熱速度や最終加熱温度は目的のものが得ら
れるものの、品質保証上鋼材全体を同じ温度履歴にしな
ければならない場合など冶金上の制約が有る場合には適
用が難しいという課題があり、本発明はこの課題を実用
的に解決する効果的な方法を提供するものである。

【０００８】

【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。 （１）板状金属材料の進行方向に対し両幅方向に沿って
設置された複数の電極から電流を通じ該板状金属材料を
通電加熱する方法であって、各電極への通電のオンオフ
を適宜切り替えて板状金属材料を所定の温度に加熱する
ことを特徴とする板状金属材料の通電加熱方法。 （２）幅方向に設置された電極の前後に板状金属材料の
幅方向端部側近傍に交流電流を流すコイルを少なくとも
１巻き以上巻いた板状金属材料がその中を通過できるリ
ング状の磁性材コアを設置し、該コイルに交流電流を通
電しリング状の磁性コアに磁束を発生させ、電極間に流
れる電流の電流路を制御しつつ各電極の通電のオンオフ
を適宜切り替えて板状金属材料を所定の温度に加熱する
ことを特徴とする上記（１）記載の板状金属材料の通電
加熱方法。である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
で説明する。図１は、本発明による板状金属材料の加熱
装置を説明する図である。板状金属材料１に対し、板幅
方向に独立の電源５，１０，１５，２０，２５，３０に
導電部材（６，６′），（１１，１１′），（１６，１
６′），（２１，２１′），（２６，２６′），（３
１，３１′）で接続された電極（２，２′），（７，
７′），（１２，１２′），（１７，１７′），（２
２，２２′），（２７，２７′）の対を設置する。これ
ら各電極対は、加圧シリンダ（４，４′），（９，
９′），（１４，１４′），（１９，１９′），（２
４，２４′），（２９，２９′）が連結した集電電極ベ
ース（３，３′），（８，８′），（１３，１３′），
（１８，１８′），（２３，２３′），（２８，２
８′）の下に取り付けられる。板状金属材料１とは、図
１のＡ−Ａ断面を取り出した図２に示すように、板状金
属材料１のエッジ部を挟む様に電極先端３２，３２′が
接触し電流が流れる。

【００１０】図３は、板状金属材料１の幅方向に電極
２，２′を設置し通電したときの電流の広がりを示す模
式図である。電流３３は、電極から電極へ直進するだけ
ではなく、放射状に広がるものもあり、電流密度は電極
近傍が高く、それ以外のところでは低くなるため、板状
金属材料１のエッジ部分のみが高温になってしまう。そ
れを防止するため、発明者らは、特開平１０−２８００
５５号公報で、電極の前後にコイルを巻いたリングコア
を設け、このコイルに制御電流を通じることで電極間の
電流路を制御することを提案した。そして、特開平１０
−２８００５５号公報では、被加熱材を一定時間加熱し
ては電極を開放し、材料を送りまた電極をクランプして
加熱を行うというセミバッチ式加熱方法を提案した。こ
の方法は、限られた電極区間のみに必要な電流を流せば
良いことから、大電流を必要とせず、かつ加熱速度を電
極間で制御できるなどの特徴を有し、たとえば図４の様
な装置構成で被加熱材を順に前に進めて加熱する方法で
は、被加熱材を先頭から順に所要要の温度に到達させる
ことが可能である。ところが、品質管理上板状金属材料
１の温度履歴が異なることが許されない材料では、図４
の様に板状金属材料１の各部位の温度履歴が異なるのは
都合が悪い。

【００１１】板状金属材料１の各部位の温度を均一にす
るためには、長手方向端部に電極を設けて通電すれば良
いが、莫大な電流を必要とすること、加熱速度が上げら
れず冶金上早い加熱速度を必要とする材料の加熱には適
さない事などの課題があり、これらの課題を解決するこ
とを考えた。その方法は、板状金属材料１を進行方向に
少しずつ送って加熱するのではなく、分割した電極を板
状金属材料１の幅方向に沿って必要な数だけ複数設け、
各々の電極から流れる電流のオンオフ時間を適宜切り替
えることにより、板状金属材料１各部の加熱温度履歴が
平均することができる。また、複数とは２つ以上のこと
であり、上限は必要に応じて設定することができ、さら
に任意の電極を選択して通電を行うことができる。例え
ば、図１では電極（２，２′）対，（７，７′）対，
（１２，１２′）対，（１７，１７′）対，（２２，２
２′）対，（２７，２７′）対の順に一定時間通電を行
ったり、あるいは電極（２，２′），（７，７′）対、
（７，７′），（１２，１２′）対、（１２，１
２′），（１７，１７′）対、（１７，１７′），（２
２，２２′）対、の様に先頭から順に加熱したり、ある
いは電極（２，２′）対、（２７，２７′）対、（７，
７′）対、（２２，２２′）対…というように先端側、
尾端側から順に選択してもあるいは１サイクル内に重複
しないようにランダムに電極対を選択しても構わず、こ
の選択の仕方は適宜行えば良い。また、通電時間は特に
規定するものではないが、通電切り替え時間を短くすれ
ばするほど、連続的に通電したのと同じ効果が得られ、
より平均的な加熱温度が得られる。従って、製品の冶金
的要求に応じて設定される、所定の温度に加熱すること
ができる。

【００１２】さらに、図１の電極配置の場合、全体的に
温度履歴は平均化するとはいえ、やはり端に位置する電
極からの電流放射は避けられないことから、更に効果的
に温度を平均化するためには、図４に示すように電極間
にコイル３５，３５′，３７，３７′，３９，３９′，
４１，４１′，４３，４３′を巻いたリングコア３４，
３６，３８，４０，４２を前後に設置し、電極間電流を
制御するのが望ましい。前後とは長手方向に対して隣合
う位置のことを意味する。電極間電流を制御する方法
は、電極から放射状に広がろうとする電流に対し、リン
グコアに巻いたコイルに電流を通じることで、リングコ
ア内に磁束が発生し、この磁束により板状金属材料１内
に電極電流と向きの異なる電流を発生させることにより
電流が相互干渉し、放射状に広がろうとする電極電流の
成分を押さえることにより実現する。

【００１３】図５は、電極２′から電極２に電流４９が
放射状に流れる様子を模式化した平面図である。この放
射状に流れる電極電流４９を制御するため、図６の断面
図に示すように、電極２，２′の近傍にコイル３５，３
５′を巻いたリングコア３４を設置し、電源４４，４
４′によりコイル３５，３５′に通電する。そのときに
発生する磁束分布を図７に示す。コイル３５により発生
した磁束５０は、図７中の鉄心３４の左側に半時計回り
に板状金属材料１を貫抜く。一方、コイル３５′により
発生した磁束５１は、リングコア３４の右側に時計回り
に発生し板状金属材料１を貫抜く。この貫通する磁束５
０，５１により板状金属材料１には、図８の平面図に示
す様に誘導電流５２が発生する。この電流は、図５の電
極電流４９が放射状に広がろうとする向きと逆向きの電
流になる。この誘導電流５２と電極電流４９を合成した
電流が図９の電流５３になる。図５と比べると電極から
広がろうとする電流は減少し、電極２′から２に直進し
ようとする電流が増える。これは、リングコアに巻いた
コイルへの通電電流を増やせば、さらに放射状に広がる
電流を抑えることが可能になる。あるいは、板状金属材
料１内に発生する電流は、コイルの電流値×コイル巻き
数で決まるため、コイルの巻き数を増減することでも、
電極からの電流を制御することが可能となる。

【００１４】従って、電極電流の電流路を変更するため
には、リングコアに巻くコイルは少なくとも１巻き以上
必要であり、放射状に広がる電極電流を制御するために
は、板幅方向に設置した一方の電極に対しては放射状に
広がって出ようとする電流を押さえる向きに、また、他
方の電極は放射状に入ってこようとする電流を押さえる
様に電流を発生させれば良い。また、リングコア３４に
巻くコイルを片方だけにする、あるいは両端巻いて片方
だけ通電すれば、一方の電極側が高温に加熱をすること
も可能である。

【００１５】本原理の説明では、矩形のリングトランス
で説明したが、さらに板状金属材料１の温度分布を制御
するために、板状金属材料１とのギャップが変化する様
にリングトランス内側の形状を変えることも有効であ
る。また、コイルを巻く位置は、板状金属の幅方向端部
近傍、できれば板状金属の幅方向延長線上に持ってくる
のが、コイル間の磁場の干渉が受けにくいため望まし
い。この場合、リングコア直下は電極からの電流が流れ
にくくなる。そのため、板状金属材料１の温度低下が懸
念される場合には、必要鉄心断面積を確保しつつリング
コアの幅を狭くする方法や、板状金属材料１を進行方向
に前後に動かすなどの方法をとり、温度偏差をつけにく
くする対策をとれば良い。この様な加熱方法をとれば、
過大な電流を流さなくとも板状金属材料１全体をほぼ均
一に、加熱速度を自在に制御しながら加熱することが可
能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。本実施例
は、幅２０００mm、長さ３０００mm、厚さ３０mmの鋼板
を常温から６００℃前後まで加熱する場合について、有
限要素法の計算により求めた加熱温度分布について本発
明と従来加熱の差について説明する。本発明の加熱方法
は、図３の様に鋼板長手方向に２００mm幅の一方の電極
をならべて設置し、対向する板幅方向にも同じく２００
mm幅の他方の電極をならべ対向する電極間で通電する方
法をシミュレーションした。通電は、２秒毎に先端から
順に尾端まで通電するサイクルを繰り返す様にした。一
方、比較例として、同じく２００mm幅の電極を鋼材長手
方向に７組ならべ（全長１．４ｍ）、鋼材を搬送しなが
ら１６秒間づつ加熱する方法について検討した。計算
は、電極両方式とも単位時間あたりの発熱量が同じにな
るように通電することを想定し、対流伝熱（ｈ＝２０
［Ｗ／ｍ^２Ｋ］）と放射伝熱（ε＝０．６）の損失を考
慮した。その結果を表１に示す。表１は、鋼板幅方向及
び厚み方向の中心部の長手方向温度分布と鋼板長手方向
及び厚み方向中心部の板幅方向の温度分布を示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１から本加熱方式の場合、鋼板全体の温
度分布はほぼ均一な温度上昇をすることがわかる。一
方、比較例の場合、最終温度はほぼ一緒となるが先頭の
温度履歴と後方の温度履歴は異なることがわかる。した
がって、冶金的に板内温度履歴が異なってはいけない材
質の場合には、本発明の様な加熱方法をとればよいこと
がわかる。

【００１９】

【発明の効果】本発明による加熱方法を用いれば、電気
による内部加熱で連続して安定的に、効率よく有限長の
板状金属材料を加熱できるため、生産性を向上させるこ
とができるとともに、設備が大幅にコンパクトにするこ
とが可能である。また、加熱温度を板内全体でほぼ均一
にできるため、温度偏差による材質ばらつきや、温度履
歴による材質のばらつきを抑制することができ、高品質
な熱処理が可能となる。また、被加熱材のサイズや品
種、温度等が変わり、大電流通電が必要とされる場合で
も、電流路を制限できることから、必要以上に過大な電
流密度を必要としないためスパークや溶着等の問題も抑
えながら通電加熱することができることや、搬送速度や
加熱速度を自在に変更できることから、操業の柔軟性を
大きく高めることが可能となる。さらに電極加熱である
ため、雰囲気を高温にする必要がなく、耐火物などの設
備費が不要になるほか、ロール等の搬送設備やバーナー
等の加熱設備に要する修繕費を大幅に減らすことが可能
であり、操業トラブルが生じた場合でも、熱慣性がほと
んど無いことから、簡単に電源の入り切りができ対応が
速やかにできる等のメリットがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による、板状金属材料の通電加熱方法を
説明する模式図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面の電極と板状金属材料との接
触状況を説明する模式図である。

【図３】通電幅に比べ電極長が短い場合の電流の広がり
を説明する模式図である。

【図４】電極前後に電流路制御用のコアを挿入した本発
明による、板状金属材料の通電加熱方法を説明する模式
図である。

【図５】板状金属材料の先端部で、幅方向に電極を設置
し通電した時の電流分布を示す平面模式図である。

【図６】電極近傍にコイルを巻いたリングコアを設置し
たときの断面模式図である。

【図７】図６のコイルに電流を通じ発生する磁束分布を
示す断面模式図である。

【図８】図７で発生した磁束により板状金属材料に発生
する誘導電流を示す平面模式図である。

【図９】図５の電極電流と図８の誘導電流の合成電流を
示す平面模式図である。

【符号の説明】

１ 板状金属材料 ２，２′，７，７′，１２，１２′，１７，１７′，２
２，２２′，２７，２７′…電極 ３，３′，８，８′，１３，１３′，１８，１８′，２
３，２３′，２８，２８′…電極ベース ４，４′，９，９′，１４，１４′，１９，１９′，２
４，２４′，２９，２９′…シリンダ ５，１０，１５，２０，２５，３０…電源 ６，６′，１１，１１′，１６，１６′，２１，２
１′，２６，２６′，３１，３１′…導電部材 ３２，３２′…電極先端 ３３…電流 ３４，３６，３８，４０，４２…コア ３５，３５′，３７，３７′，３９，３９′，４１，４
１′，４３，４３′…コイル ４４，４４′，４５，４５′，４６，４６′，４７，４
７′，４８，４８′…電源 ４９…電極電流 ５０，５１…磁束 ５２…誘導電流 ５３…合成電流

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状金属材料の進行方向に対し両幅方向
   に沿って設置された複数の電極から電流を通じ該板状金
   属材料を通電加熱する方法であって、各電極の通電のオ
   ンオフを適宜切り替えて板状金属材料を所定の温度に加
   熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱方法。
2. 【請求項２】 幅方向に設置された電極の前後に板状金
   属材料の幅方向端部側近傍に交流電流を流すコイルを少
   なくとも１巻き以上巻いた板状金属材料がその中を通過
   できるリング状の磁性材コアを設置し、該コイルに交流
   電流を通電しリング状の磁性コアに磁束を発生させ、電
   極間に流れる電流の電流路を制御しつつ各電極の通電の
   オンオフを適宜切り替えて板状金属材料を所定の温度に
   加熱することを特徴とする請求項１記載の板状金属材料
   の通電加熱方法。