JP2007144475A - 鋼材の加熱方法及び誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雰囲気炉で加熱した鋼材を誘導加熱してスキッドマークを解消する際の消費電力を低減することができる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】ウォーキングビーム炉の後段で、圧延装置の前段に設けられ、圧延加工を行う鋼材を加熱する誘導加熱装置２００であって、ウォーキングビーム炉においてバー材１０を支持するビームの間隔に合わせて配置された複数の誘導加熱コイル２１０（２１０ａ〜２１０ｆ）と、被加熱物であるバー材１０のスキッドマーク２０を前記誘導加熱コイル２１０の配置位置に合わせてバー材１０を停止させる搬送手段２５０とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧延加工を施す鋼材を加熱する方法、及びこの加熱方法に使用する誘導加熱装置に係り、特に、従来の鋼材の加熱方法、及びこの加熱方法に使用されていた誘導加熱装置に比べ、加熱時の電力消費量を低減することができる鋼材の加熱方法、及び誘導加熱装置に関する。

従来、圧延加工を施す鋼材（バー材）を加熱する場合、ウォーキングビーム炉等の雰囲気炉で加熱することが一般的であった。ところが、雰囲気炉での加熱は、加熱ムラが大きく、圧延時に低温部と高温部との間に割れ、あるいは圧延精度にムラが生じることがあった。そこで現在は、ウォーキングビーム炉等の雰囲気炉で加熱した鋼材を、雰囲気炉から排出した後に誘導加熱装置（炉）に投入し、誘導加熱にて鋼材全体を急速昇温させるという技術が一般化されてきている。

特許文献１に開示されている鋼材の圧延方法がこれにあたる。特許文献１に開示されている鋼材の圧延方法では、ウォーキングビーム炉によって鋼材を加熱する際、鋼材を支持するためのビームと鋼材との接触点が他の部位に比べ低温となることを問題点としている。加熱鋼材における低温部はスキッドマークとよばれ、特許文献１ではこのスキッドマークを誘導加熱で解消する旨開示している。特許文献１における鋼材の誘導加熱は、スキッドマークを解消する程度の温度まで鋼材を短時間で昇温させることを目的とするものであり、鋼材の表面温度が上昇しすぎないように、誘導加熱装置内に鋼材を通過させながら短時間で加熱する旨開示されている。
特開２００３−１５４４０１号公報

上記特許文献１に開示されているような方法で鋼材を加熱することによれば、雰囲気炉で加熱するだけの場合に比べると確かに、スキッドマークを解消することに繋がると考えられる。

しかし、特許文献１に開示されている鋼材の加熱方法では、加熱雰囲気炉から排出された鋼材を誘導加熱装置にて全体的に、再度加熱することとなるため、鋼材のスキッドマークは解消しづらいと考えられる。また、特許文献１に開示されている鋼材の加熱方法では鋼材を誘導加熱する際、鋼材全体を昇温させるように誘導加熱しているため、加熱に際して膨大な電力を消費することとなり、コストパフォーマンスが悪い。

本発明では、上記問題点を解決し、鋼材を誘導加熱してスキッドマークを解消する際の消費電力を低減し、コストパフォーマンスを向上させることができる鋼材の加熱方法、及びこの加熱方法に使用する誘導加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る鋼材の加熱方法は、圧延加工を行う鋼材を加熱する方法であって、加熱炉にて加熱し、前記加熱炉から排出された鋼材の低温部を誘導加熱にて選択的に加熱することを特徴とする。このような方法により鋼材を加熱することによれば、鋼材に生じたスキッドマークのみを選択的に加熱することとなるため、他の部分、すなわち高温部との温度合わせを短時間で行うことができる。

また、上記のような鋼材の加熱方法では、前記加熱炉はウォーキングビーム炉であり、前記低温部は前記ウォーキングビーム炉においてビームに支持された部分であって、誘導加熱に使用する誘導加熱コイルを前記ビームの配置間隔に合わせて配置し、電力を投入する前記誘導加熱コイルの数を、加熱対象とする鋼材の長さに応じて増減することが望ましい。このような方法を実施することにより、スキッドマークの解消を正確に行うことができる。さらに、加熱対象とする鋼材の長さに応じて電力を投入する誘導加熱コイルの数を増減することで、消費電力の無駄を省くことができる。

また、前記誘導加熱コイルは並列共振回路を構成し、誘導加熱コイルの数の増減は、共振回路を構成する共振用コンデンサと共に行うようにすると良い。このように、電力を供給する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルと共振回路を構成する共振用コンデンサとを対として増減することにより、誘導加熱を行う回路内のインピーダンスのバランスを保つことができ、他の誘導加熱コイルに投入する電流の周波数を安定させることができる。つまり、誘導加熱を安定して行うことが可能となる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る誘導加熱装置は、ウォーキングビーム炉の後段で、圧延装置の前段に設けられ、圧延加工を行う鋼材を加熱する誘導加熱装置であって、ウォーキングビーム炉において前記鋼材を支持するビームの間隔に合わせて配置された複数の誘導加熱コイルと、被加熱物である鋼材の前記ビームによる支持位置を前記誘導加熱コイルの配置位置に合わせて鋼材を停止させる搬送手段とを有することを特徴とする。このような構成の誘導加熱装置では、鋼材に生じるスキッドマークと誘導加熱コイルの配置位置とを合わせた状態で鋼材を停止させ、スキッドマーク部を選択的に誘導加熱することができる。

また、上記のような構成の誘導加熱装置では、前記複数の誘導加熱コイルは１つの電源部に対して並列に接続されており、前記複数の誘導加熱コイルのうちの少なくとも一部を前記電源部から切り離す切替手段を有することが望ましい。このような構成とすることにより、誘導加熱コイルをカラ運転させることが無くなり、不要な消費電力を抑制することができる。

さらに、上記のような構成の誘導加熱装置では、前記誘導加熱コイルの切り離し、または接続は、当該誘導加熱コイルとの間で共振回路を構成する共振用コンデンサと対として成される構成とすると良い。誘導加熱コイルと共振用コンデンサとを対として電源部から切り離す構成とすることにより、電力を投入する誘導加熱コイルの増減によって回路内のインピーダンスのバランスが崩れることが無くなり、投入電流の周波数を安定させることができる。これにより、複数の誘導加熱コイルに対して付帯させる電源部を１つとする構成を採ることができる。また、このような構成とすることにより、誘導加熱コイルと電源部とをそれぞれ一対一とする誘導加熱装置に比べ、低コストで製造することが可能となる。

上記のような鋼材の加熱方法によれば、鋼材に生じたスキッドマークを解消することができる。また、上記のような鋼材の加熱方法によれば、スキッドマークの解消に要する電力消費量を低減することができ、加熱時のコストパフォーマンスを向上させることができる。
また、上記のような構成の誘導加熱装置によれば、上記鋼材の加熱方法を実施することができる。

以下、本発明に係る鋼材の加熱方法、及びこの加熱方法に使用する誘導加熱装置の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の形態であり、本発明の鋼材の加熱方法、及び誘導加熱装置は、以下の形態のみに拘束されるものでは無い。

鋼材（バー材）の圧延加工は、図１に示すウォーキングビーム炉１００、誘導加熱装置２００、及び圧延装置３００によって行われる。
前記ウォーキングビーム炉１００は、バー材１０全体を高温に加熱するための雰囲気炉であり、ガスや重油の燃焼を利用して炉内雰囲気を目的温度まで高める。ウォーキングビーム炉１００は、回帰運動をする複数の移動ビーム（不図示）と、定められた位置に固定された複数の固定ビーム（不図示）とによって被加熱物であるバー材１０を支持しつつ、矢印で示すように炉内を移動させていく構成を持つ。このような構成のウォーキングビーム炉１００によって加熱されたバー材１０には、炉内の雰囲気温度とビーム表面の温度との差により、ビームによって支持されていた箇所に、他の加熱部よりも温度の低いスキッドマーク２０（図２（Ａ）参照）と呼ばれる低温部が生じることとなる。

前記誘導加熱装置２００は、前記ウォーキングビーム炉１００によって加熱されたバー材に生じるスキッドマーク２０を解消することを目的として配置された加熱装置である。本実施形態の誘導加熱装置２００の外観構成は、図２（Ｂ）に示すように、被加熱物であるバー材１０に生じたスキッドマーク２０を解消するための昇温手段である誘導加熱コイル２１０と、前記誘導加熱コイル２１０の配置位置にバー材１０を配置するための搬送手段２５０と備えることを基本とする。なお、誘導加熱装置２００には、バー材１０からの放熱を防止するためのハウジング２６０を備えることが望ましい。

前記誘導加熱コイル２１０は、ソレノイド型に配置されたコイルであり、コイル中心に形成される開口部にバー材１０を挿入する構成を採る。誘導加熱装置２００に配置される誘導加熱コイル２１０は複数であり、個々の誘導加熱コイル２１０は、前述したウォーキングビーム炉１００に備えられるビームの配置間隔と、同じあるいは同等の間隔を持って配置される。このため、誘導加熱コイル２１０による加熱箇所を、バー材１０に生じたスキッドマーク２０と合致させることができる。このように、誘導加熱コイル２１０を間欠的に配置し、被加熱物に生じた低温部のみを選択的に加熱する構成とすることにより、被加熱物全体を加熱する場合に比べて消費電力を大幅に削減することが可能となる。

次に、図３を参照して、本実施形態に係る誘導加熱装置２００の回路構成について説明する。本実施形態の誘導加熱装置２００の回路構成は、電源部２３０と、複数の加熱部２１４（２１４ａ〜２１４ｆ）とより成る。

前記電源部２３０は、三相交流電源２２４、コンバータ２２２、及びインバータ２２０とによって構成される。ここで、前記三相交流電源２２４は、三相交流電流を供給する電源である。前記コンバータ２２２は、前記三相交流電源より供給された三相交流電流を、直流電流に変換する回路である。また、前記インバータ２２０は、前記コンバータ２２２によって整流された直流電流を交流に変換し、周波数を調整して加熱部へと出力する逆変換回路である。

前記加熱部２１４は、誘導加熱コイル２１０（２１０ａ〜２１０ｆ）と、共振用コンデンサ２１２（２１２ａ〜２１２ｆ）とによって構成される並列共振回路である。本実施形態の場合、上述した電源部２３０が１つであるのに対し、複数（図３では６つ）の加熱部２１４を並列に接続する構成としている。このような構成とすることにより加熱部２１４に対する電源部２３０の数を減らすことができ、装置の製造コストを低く抑えることが可能となる。

また、本実施形態の誘導加熱装置における加熱部２１４は、固定群２４２と可変群２４４とに分別することができる。ここで、固定群２４２とは、誘導加熱装置２００を起動させる際、常に電力が投入される加熱部２１４ａ，２１４ｂ，２１４ｃのことである。また、可変群２４４とは、誘導加熱装置２００を起動させる際の電力の供給を選択的にＯＮあるいはＯＦＦすることができる加熱部２１４ｄ，２１４ｅ，２１４ｆのことである。固定群２４２と可変群２４４とを分別したことは、被加熱物であるバー材１０の寸法差に起因する。バー材１０の長手方向の寸法は仕様により、５ｍ〜１０ｍ程度と長短の幅が広い。このため、被加熱物を停止させてスキッドマーク２０を選択的に誘導加熱するという本実施形態の誘導加熱装置２００では、短いバー材１０を加熱する際にカラ運転となる加熱部２１４が存在することとなってしまう。このため、上記のように加熱部２１４を固定群２４２と可変群２４４とに分け、バー材１０の寸法に合わせて稼動させる加熱部２１４の数を変更するようにすれば、誘導加熱装置２００の消費電力を低減することが可能となり、消費電力に対する加熱効率、すなわちコストパフォーマンスを向上させることができる。

本実施形態の場合、可変群２４４に対する電力の供給のＯＮ・ＯＦＦは、加熱部２１４単位、つまり誘導加熱コイル２１０と共振用コンデンサ２１２とを対として電源部２３０あるいは回路に接離させることで成すようにしている。このため、可変群２４４の加熱部２１４ｄ，２１４ｅ，２１４ｆには、切替手段２１６（２１６ｄ〜２１６ｆ）が設けられている。切替手段は２１６は、電流経路を回路から接離させるスイッチ２１７，２１８（２１７ｄ〜２１７ｆ，２１８ｄ〜２１８ｆ）によって構成すれば良い。ここでスイッチ２１７，２１８は、電流の回り込み（横流）を防止するために、各加熱部２１４ｄ，２１４ｅ，２１４ｆに接続される２つの経路の双方に設けるようにすることが望ましい。このように、誘導加熱コイル２１０と共振用コンデンサ２１２とを対として電源部２３０に接離させるようにすることで、回路のインピーダンスのバランスをとることができ、出力電流の周波数を安定させることができる。このため、バー材１０の加熱を安定的に行うことが可能となる。なお、固定群２４２、可変群２４４共に、加熱部２１４における共振用コンデンサ２１２の容量は、各加熱部２１４単位で所望する共振周波数近傍での運転ができるように設定する。

図４に短いバー材１０を誘導加熱する場合の例を示す。図４に示す例では、バー材１０のスキッドマーク部は、固定群２４２に該当する誘導加熱コイル２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃのみで加熱することができ、可変群２４４に該当する誘導加熱コイル２１０ｄ，２１０ｅ，２１０ｆに電力を供給した場合には、可変群２４４の加熱部２１４ｄ，２１４ｅ，２１４ｆはカラ運転することとなってしまう。したがって、図４に示すように、可変群２４４に設けられた切替手段２１６のスイッチ２１７，２１８をＯＦＦにし、可変群２４４の誘導加熱コイル２１０ｄ，２１０ｅ，２１０ｆと共振用コンデンサ２１２ｄ，２１２ｅ，２１２ｆとを対として誘導加熱回路から切り離すようにしている。これにより、投入電力の無駄を省くことができる。

このように、被加熱物であるバー材１０の長さに応じて電力を投入する誘導加熱コイル２１０の数を変えることができる構成とする場合、誘導加熱コイル２１０は、加熱対象とするバー材１０の長さの最長のものに対応させた数だけ設け、固定群２４２は、加熱対象とするバー材１０の長さの最短のものに対応させた数に設定すると良い。

前記搬送手段２５０は、ウォーキングビーム炉１００から排出されたバー材１０を誘導加熱装置２００に搬入する際、スキッドマーク２０を誘導加熱コイル２１０の配置位置に合わせてバー材１０を停止させる機能を有する。バー材１０の長さや、重量、及びウォーキングビーム炉１００におけるビームの配置間隔（スキッドマーク２０の位置）等は予め知ることができる値であるため、上記機能を発揮する構成としては、例えば次のようなものがある。まず、誘導加熱装置２００にセンサ（不図示）を設け、バー材１０の位置（例えば先端位置）を検知し、バー材１０の先端部が予め定められた位置に到達したところで搬送手段２５０を停止させるという構成を挙げることができる。また、バー材１０の停止位置に図示しないストッパ等を配置して停止させるようにしても良い。

前記圧延装置３００は、前記誘導加熱装置２００から排出されたバー材１０を圧延加工する装置である。前記誘導加熱装置２００によってスキッドマーク２０を解消されたバー材１０は、圧延時に割れ等を生じさせることなく引き伸ばされる。また、圧延時の寸法誤差も小さくなる。

上記のようなウォーキングビーム炉１００、誘導加熱装置２００、及び圧延装置３００によって圧延されるバー材１０は、まずウォーキングビーム炉１００によって全体を加熱される。次に、ウォーキングビーム炉１００から排出され、誘導加熱装置２００に搬入される。誘導加熱装置２００に搬入されたバー材１０は、ウォーキングビーム炉１００による加熱で生じたスキッドマーク２０に誘導加熱コイル２１０の配置位置が合致するようにして停止させられる。この状態でバー材１０に生じたスキッドマーク２０を誘導加熱し、スキッドマーク２０を解消する。スキッドマーク２０が解消されて誘導加熱装置２００から排出されたバー材１０は、圧延装置３００へ搬入される。圧延装置３００へ搬入されたバー材１０は、段階的に所望の太さを有するバー材１０へと圧延されていく。

上記のようにしてバー材１０を加熱することによれば、スキッドマーク２０を選択的に誘導加熱するようにしているため、他の加熱部との温度差を早期に軽減し、スキッドマーク２０を解消することができる。また、誘導加熱装置２００によって加熱する箇所は、スキッドマーク２０のみとしていることより、全体加熱を実施していた従来技術に比べて消費電力を低減することができる。本実施形態のような加熱方法によれば、消費電力を従来比で、約３分１程度に低減することも可能である。また、加熱部２１４を固定群２４２と可変群２４４とに分け、バー材１０の仕様（長さ）に応じて電力を投入する加熱部２１４の数を変えるようにしたことにより、さらに無駄な電力消費を抑えることが可能となる。

上記実施形態では、バー材１０を誘導加熱する際には、バー材１０のスキッドマーク２０を誘導加熱コイル２１０の配置位置に合わせて停止させ、スキッドマーク２０を選択的に加熱する旨記載した。しかし、バー材１０の誘導加熱は、次のような方法であっても良い。例えばバー材１０をスキッドマーク２０の間隔毎にステップ的に移動させ、バー材１０を搬送しながらスキッドマーク２０を選択的に誘導加熱する方法である。スキッドマーク２０の加熱は、誘導加熱コイル２１０に対する投入電力の大きさにもよるが、一般的に数十秒から１分程度の時間を要する。バー材１０の生産性を向上させるためには、ウォーキングビーム炉１００からのバー材１０の排出頻度を上げることが望ましい。ここで、バー材１０の排出頻度を上げるためには、誘導加熱装置２００内でのバー材１０の停止時間をなるべく短くすると良い。このため、例えば数十秒間隔でステップ的にバー材１０を移動させるようにすることで、スキッドマーク２０を解消しつつ、ウォーキングビーム炉１００からの排出頻度も上げることが可能となる。このような方法であっても、スキッドマーク２０を加熱する際にはバー材１０を停止させるため、本発明に係る実施形態の範囲であることに変わりは無い。

また、上記実施形態では、誘導加熱コイル２１０と共振用コンデンサ２１２とによって構成する共振回路を並列共振回路としていたが、誘導加熱コイルと共振用コンデンサとを直列に配置し、直列共振回路を構成しても良い。なお、共振回路を直列共振回路とする場合であっても、誘導加熱コイルと共振用コンデンサとを含む加熱部自体は、電源部２３０に対して並列に接続する構成とする。

鋼材の加熱、圧延工程を示すブロック図である。 本発明に係る誘導加熱装置の外観、及び加熱対象となるバー材を示すブロック図である。 本発明に係る誘導加熱装置の回路構成を示す図である。 短尺のバー材を誘導加熱する際の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１０………バー材、２０………スキッドマーク、１００………ウォーキングビーム炉、２００………誘導加熱装置、２１０（２１０ａ〜２１０ｆ）………誘導加熱コイル、２１２（２１２ａ〜２１２ｆ）………共振用コンデンサ、２１４（２１４ａ〜２１４ｆ）………加熱部、２１６（２１６ｄ〜２１６ｆ）………切替手段、２１７（２１７ｄ〜２１７ｆ）………スイッチ、２１８（２１８ｄ〜２１８ｆ）………スイッチ、２２０………インバータ、２２２………コンバータ、２２４………三相交流電源、２３０………電源部、２４２………固定群、２４４………可変群、２５０………搬送手段、２６０………ハウジング、３００………圧延装置。

Claims (6)

1. 圧延加工を行う鋼材を加熱する方法であって、
   加熱炉にて加熱し、
   前記加熱炉から排出された鋼材の低温部を誘導加熱にて選択的に加熱することを特徴とする鋼材の加熱方法。
2. 前記加熱炉はウォーキングビーム炉であり、前記低温部は前記ウォーキングビーム炉においてビームに支持された部分であって、
   誘導加熱に使用する誘導加熱コイルを前記ビームの配置間隔に合わせて配置し、
   電力を投入する前記誘導加熱コイルの数を、加熱対象とする鋼材の長さに応じて増減することを特徴とする請求項１に記載の鋼材の加熱方法。
3. 前記誘導加熱コイルは並列共振回路を構成し、誘導加熱コイルの数の増減は、共振回路を構成する共振用コンデンサと共に行うことを特徴とする請求項２に記載の鋼材の加熱方法。
4. ウォーキングビーム炉の後段で、圧延装置の前段に設けられ、圧延加工を行う鋼材を加熱する誘導加熱装置であって、
   ウォーキングビーム炉において前記鋼材を支持するビームの間隔に合わせて配置された複数の誘導加熱コイルと、
   被加熱物である鋼材の前記ビームによる支持位置を前記誘導加熱コイルの配置位置に合わせて鋼材を停止させる搬送手段とを有することを特徴とする誘導加熱装置。
5. 前記複数の誘導加熱コイルは１つの電源部に対して並列に接続されており、
   前記複数の誘導加熱コイルのうちの少なくとも一部を前記電源部から切り離す切替手段を有することを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置。
6. 前記誘導加熱コイルの切り離し、または接続は、当該誘導加熱コイルとの間で共振回路を構成する共振用コンデンサと対として成される構成としたことを特徴とする請求項５に記載の誘導加熱装置。

Images