JP2008159572A - 金属材の誘導加熱方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板等の金属板や金属ストリップを被加熱材として連続的に誘導加熱する際に、被加熱材の加熱部位の形状や位置にかかわらず、従来よりも高精度に温度を制御する。
【解決手段】移動する金属材に対向して配設された電磁コイルを交流電源によって励磁して、金属材を誘導加熱する金属材の誘導加熱方法において、金属材を誘導加熱した後の金属材の目標温度を予め設定する温度設定工程と、誘導加熱前の金属材の表面の温度分布を測定する温度測定工程と、金属材の移動にしたがって、温度分布の測定値及び予め設定された温度を基にして、時間的に連続又は断続して交流電源の周波数を決定する周波数決定工程と、交流電源を用いて周波数で電磁コイルを連続的に通電する励磁工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、移動する金属板や金属ストリップ等の金属材を被加熱材として、電磁誘導により連続的に誘導加熱する技術に関する。特に、被加熱材の部位によらず一定の温度になるように誘導加熱するのに好適な金属材の誘導加熱方法及び装置に関する。

誘導加熱は、励磁電流を電磁コイルに通電し、電磁コイルから発生する交番磁束を被加熱材に印加して被加熱材内に誘導電流を発生させ、当該誘導電流と被加熱材の固有抵抗により発生するジュール熱で被加熱材を加熱するものであり、被加熱材に非接触でクリーンな加熱方法として、鉄鋼業を始め、広く産業界で使用されている。

しかし、電磁コイルから発生する交番磁束の周波数ｆは、（１）式に示すように被加熱材に流れる誘導電流の被加熱材表面からの深さ（浸透深さ：δ）を決定することから、被加熱材の厚みや幅等の形状、及び電磁気的物性値に応じて、交番磁束の周波数ｆの適正な値を決定する必要がある。特に、鋼板は通常強磁性体で１よりもかなり大きな比透磁率μｒ（例えば１０〜１０００）を有し、浸透深さδは周波数の変化に大きく依存する。

δ∝｛ρ／（μｒ・ｆ）｝^１／２ ・・・（１）

ここで、ρ：被加熱材の固有抵抗、μｒ：被加熱材の比透磁率、ｆ：交番磁束の周波数である。

ところで、誘導加熱用の電磁コイルを加熱電源で励磁するとき、コンデンサ（容量Ｃ）を電磁コイルと並列に配置して結線した共振回路を構成し、（２）式で表される共振周波数（ｆ）付近の周波数で通電することが多い（例えば特許文献１及び２を参照のこと）。

ｆ＝１／｛２π（Ｌ・Ｃ）^１／２｝ ・・・（２）

ここで、Ｌは、電磁コイルの巻き数や寸法等の形状、被加熱材の電磁気的物性値、及び電磁コイルと被加熱材の配置によって決まる電磁コイル系のインダクタンスである。

また、上記の共振回路をエネルギー効率良く励磁するために、共振回路と加熱用電源の間に力率改善用のインピーダンス整合器を設置することがある（例えば特許文献１、２、及び３を参照のこと）。

特開２００６−７５８５９号公報 特開平１１−１６７９８０号公報 特開平１１−２９０９３１号公報

ところで、製造ラインにおいて、電磁コイルを用いた誘導加熱装置内を、鋼板等の金属板や金属ストリップの被加熱材を移動させながら、被加熱材の先端、中間部、後端部を順次加熱するとき、加熱部位を所望の一定温度にすることが均一な品質を得るために必要であることがある。

しかしながら、被加熱材の先端、中間部、後端部それぞれの誘導加熱時の電磁コイルのインダクタンスＬは、被加熱材の形状や材質の変動によって大きく変化する。また、被加熱材の形状の差異によって誘導電流の流れ方が変化する結果、発熱量も大きく変化する。

従来は、特許文献３に開示されているように、被加熱材の厚み、幅、鋼種等の特性や形状に対して予め適切な周波数を決定して固定する方式で誘導加熱を行うことが多かった。この方式では、被加熱材の温度を調節するために励磁電圧を制御する必要があり、また上記したように、電磁コイルのインダクタンスが変化するために加熱電源と電磁コイルのインピーダンスマッチングが取りにくいという問題があった。

また、特許文献２には、複数の中間接点をもつ整合変圧器を用いて、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で離散的に周波数を可変とする誘導加熱装置の技術が開示されている。しかしながら、離散的な周波数であるために、高精度に温度調節をするのが難しいことがあった。

また、上記の共振回路構成を用いるときには、各周波数ｆに対して（２）式で示されるように、整合コンデンサ（Ｃ）を可変する必要がある。しかしながら加熱中に整合コンデンサの調整は非常に難しく、被加熱材を連続的に誘導加熱する際、被加熱材の厚さや幅等の形状、及び物性値の変化に対応して励磁周波数を変化させるのが難しいという問題があった。

上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明の目的は、金属材を連続的又は断続的に誘導加熱する際に、金属材の加熱部位の形状や位置にかかわらず、高精度に温度を制御することが可能な金属材の誘導加熱方法及び装置を提供することである。

本発明は、金属材の加熱途中においても周波数を連続的又は断続的に可変とする金属材の誘導加熱方法及び装置を提供するものである。

本願第１の発明である金属材の誘導加熱方法は、移動する金属材に対向して配設された電磁コイルを交流電源によって励磁して、金属材を誘導加熱する金属材の誘導加熱方法において、金属材を誘導加熱した後の金属材の目標温度を予め設定する温度設定工程と、誘導加熱前の金属材の表面の温度分布を測定する温度測定工程と、金属材の移動にしたがって、温度分布の測定値及び予め設定された温度を基にして、時間的に連続又は断続して交流電源の周波数を決定する周波数決定工程と、交流電源を用いて周波数で電磁コイルを連続的に通電する励磁工程と、を含むことを特徴とする。

かかる構成により、温度設定工程は、金属材を加熱するための基準となる温度を設定でき、温度測定工程は、誘導加熱前の金属材表面の温度を検知することができる。そして、周波数決定工程は、誘導加熱前の金属材を設定された温度まで昇温するための交流電源の周波数を時間的に連続又は断続して決定でき、励磁工程は、決定された周波数による交流電源で通電して電磁コイルを励磁することができる。

本願第２の発明である金属材の誘導加熱方法は、周波数決定工程が、温度測定工程で測定された温度分布の測定値及び温度設定工程設定された予め設定された温度と、金属材について予め求めた交流電源の周波数と金属材を誘導加熱するための昇温量の関係を示す昇温量パターンとに基づいて、交流電源の周波数を決定することを特徴とする。かかる構成により、金属材の厚みや幅等の形状や物性値が変化しても、予め求めた昇温量パターンによって周波数を連続的又は断続的に変化・制御することができ、金属材を誘導加熱することができるので、金属材を所望の温度に制御することができる。

本願第３の発明である金属材の誘導加熱方法は、周波数決定工程は、温度測定工程で測定された温度分布の測定値及び温度設定工程設定された予め設定された温度と、予め設定された金属材の形状及び物性値に基づいた伝熱モデルシミュレーションとによって、交流電源の周波数を決定することを特徴とする。かかる構成により、金属材の厚みや幅等の形状や物性値が変化しても、予め設定された伝熱モデルシミュレーションによって周波数を連続的又は断続的に変化・制御することができ、金属材を誘導加熱することができるので、金属材を所望の温度に制御することができる。

本願第４の発明である金属材の誘導加熱方法は、金属材は金属板であり、温度測定工程は、金属板の幅方向の温度分布を測定し、周波数決定工程は、金属板の幅方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、励磁工程は、金属板の幅方向の端部に対向して配設された電磁コイルで励磁することを特徴とする。かかる構成により、金属板の幅方向端部において、誘導加熱前に幅方向に温度差が生じている場合でも、幅方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定することかでき、電磁コイルを励磁することができるので、金属板の全幅にわたって均一な温度制御が可能となる。

本願第５の発明である金属材の誘導加熱方法は、金属材は金属板であり、温度測定工程は、金属板の長手方向の温度分布を測定し、周波数決定工程は、金属板の長手方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、励磁工程は、金属板の幅方向の中央部に対向して配設された電磁コイルで励磁することを特徴とする。かかる構成により、金属板の長手方向端部において、誘導加熱前に長手方向に温度差が生じている場合でも、長手方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定することができ、電磁コイルを励磁することができるので、金属板の全長にわたって均一な温度制御が可能となる。

本願第６の発明である金属材の誘導加熱方法は、上記いずれかの発明において、交流電源として、磁気エネルギー回生タイプの交流電源装置を用いることを特徴とする。かかる構成によれば、電磁コイルへ通電する電力の力率を大きくすることが可能となり、インバーター方式の電源よりも高効率であるため、エネルギー節約の観点からも望ましい。

また、本願第７の発明である金属材の誘導加熱装置は、移動する金属材に対向して配設された電磁コイルを励磁して、金属材を誘導加熱する金属材の誘導加熱装置において、金属材の表面の温度分布を測定する温度測定部と、金属材の移動にしたがって、温度分布の測定値及び予め設定された温度に基づいて、時間的に連続又は断続して電磁コイルを励磁する周波数を決定して制御信号を出力する誘導加熱制御部と、制御信号を基にして電磁コイルを励磁する周波数可変電源部とを備えることを特徴とする。

かかる構成により、温度測定装置は、誘導加熱前の金属材表面の温度を検知することができる。そして、誘導加熱制御装置は、誘導加熱前の金属材を設定された温度まで昇温するための交流電源の周波数を時間的に連続又は断続して決定して、制御信号を出力することができ、周波数可変電源装置は、制御信号に基づいて決定された周波数による交流電源で通電して電磁コイルを励磁することができる。

本願第８の発明である金属材の誘導加熱装置は、誘導加熱制御部が、温度分布の測定値及び予め設定された温度に基づいて必要な加熱量を算出する昇温量算出部と、必要な加熱量及び金属材について予め求めた周波数と昇温量の関係を示す昇温量パターンに基づいて、電磁コイルを励磁する周波数を決定する周波数決定部と、を有することを特徴とする。かかる構成により、金属材の厚みや幅等の形状や物性値が変化しても、予め求めた昇温量パターンによって周波数を連続的又は断続的に変化・制御することができ、金属材を誘導加熱することができるので、金属材を所望の温度に制御することができる。

本願第９の発明である金属材の誘導加熱装置は、誘導加熱制御部が、温度分布の測定値及び予め設定された温度に基づいて必要な加熱量を算出する昇温量算出部と、必要な加熱量及び金属材について予め設定された金属材の形状及び物性値に基づいた伝熱モデルシミュレーションによって、電磁コイルを励磁する周波数を決定する周波数決定部と、を有することを特徴とする。かかる構成により、金属材の厚みや幅等の形状や物性値が変化しても、予め設定された伝熱モデルシミュレーションによって周波数を連続的又は断続的に変化・制御することができ、金属材を誘導加熱することができるので、金属材を所望の温度に制御することができる。

本願第１０の発明である金属材の誘導加熱装置は、金属材が金属板であり、温度測定部は、金属板の幅方向の温度分布を測定し、誘導加熱制御部は、金属板の幅方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、電磁コイルは、金属板の幅方向の端部に対向して配設されていることを特徴とする。かかる構成により、金属板の幅方向端部において、誘導加熱前に幅方向に温度差が生じている場合でも、幅方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定することかでき、電磁コイルを励磁することができるので、金属板の全幅にわたって均一な温度制御が可能となる。

本願第１１の発明である金属材の誘導加熱装置は、金属材が金属板であり、温度測定部は、金属板の長手方向の温度分布を測定し、誘導加熱制御部は、金属板の長手方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、電磁コイルは、金属板の幅方向の中央部に対向して配設されていることを特徴とする。かかる構成により、金属板の長手方向端部において、誘導加熱前に長手方向に温度差が生じている場合でも、長手方向の温度が均一になるように交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定することができ、電磁コイルを励磁することができるので、金属板の全長にわたって均一な温度制御が可能となる。

本願第１２の発明である金属材の誘導加熱装置は、いずれかの発明において、周波数可変電源部は、磁気エネルギー回生タイプの交流電源であることを特徴とする。かかる構成によれば、電磁コイルへ通電する電力の力率を大きくすることが可能となり、インバーター方式の電源よりも高効率であるため、エネルギー節約の観点からも望ましい。

本発明の金属材の誘導加熱方法及び装置により、金属材を連続的又は断続的に誘導加熱する際に、金属材の加熱部位の形状や位置にかかわらず、高精度に温度を制御することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

被加熱材として鋼板を誘導加熱するとき、下記の（１）式で示すように、交番磁束の周波数ｆを変えることによって被加熱材に流れる誘導電流の被加熱材表面からの深さ（浸透深さ：δ）が変わり、被加熱材中に発生する熱量を変化させることができる。所望の発熱量について、通電電力及び浸透深さδを設定して、（１）式で決定される周波数の励磁電流を電磁コイルに通電すればよい。本発明はこの点に着目して、鋼板中の発熱量を高精度に制御する技術である。

δ∝｛ρ／（μｒ・ｆ）｝^１／２ ・・・（１）

ここで、ρ：被加熱材の固有抵抗、μｒ：被加熱材の比透磁率、ｆ：交番磁束の周波数である。

以下では、本発明の誘導加熱装置及び方法の実施の形態について、移動する被加熱材を鋼板とする例を用いて詳細に説明する。なお、各図において同一のものを指し示す符号は、理解を容易にするために同一とした。

＜第１の実施の形態＞
図１（ｃ）に、本発明の誘導加熱装置及び方法の第１の実施の形態として、鋼板のエッジ部の誘導加熱装置の概略図を示す。

鉄鋼製造プロセスにおいて、誘導加熱前の鋼板の幅方向温度分布の一例の概要を図１（ａ）に示す。鋼板の幅方向両端部は中央部に比べて側面からの放熱により温度降下をきたす。一方、移動する鋼板に対して固定した温度測定装置で測定した、誘導加熱前の長手方向温度分布の一例を図１（ｂ）に示す。鋼板の先端部から長手方向にかけて放熱による温度降下（サーマルランダウン）をきたす。このような温度分布を有する鋼板を圧延機（図示せず）にて圧延すると、鋼板の幅方向、及び長手方向の温度差に起因して通板を阻害する歪みなどの要因が発生し、製造トラブルの原因となることがある。

そこで、本実施の形態の誘導加熱装置は、鋼板の幅方向の温度が均一になるように加熱するために用いられる。図１（ｃ）に示すように本誘導加熱装置は、鋼板９の両端部それぞれの上部と下部に、鋼板面に対向するように配置したエッジ誘導加熱用電磁コイル２−１及び２−２、並びに２−１’及び２−２’と、これら電磁コイルそれぞれを励磁するための、周波数が連続的に可変な周波数可変電源装置１及び１’と、上記電磁コイルの工程上流側に設置した鋼板９の幅方向の温度分布を測定する幅方向温度測定装置３と、当該幅方向温度測定装置３から出力される温度分布信号に基づいて、鋼板の幅方向の温度が均一になるように周波数可変電源装置１及び１’を制御する誘導加熱制御装置４で構成される。ここで、周波数可変電源装置１、１’は、周波数可変電源部の一例であり、幅方向温度測定装置３は、温度測定部の一例であり、誘導加熱制御装置４は、誘導加熱制御部の一例である。

ここで、幅方向温度測定装置３としては、例えば放射測温方式で鋼板面上の１次元若しくは２次元の温度分布を測定する市販の温度測定装置を用いることが可能である。（温度測定工程）

この誘導加熱制御装置４は、幅方向温度測定装置３からの温度分布測定値及び予め設定された加熱後の温度から昇温量を導出するエッジ昇温量算出部１０と、当該エッジ昇温量算出部１０からの信号に基づいて電磁コイル２−１、２−２、２−１’、２−２’を励磁する周波数を算出する周波数決定部１１及び１１’で構成される。（周波数決定工程）

また、周波数決定部１１及び１１’によって、周波数だけではなく電磁コイル２−１、２−２、２−１’、２−２’に印加する電圧も制御してもよい。

誘導加熱制御装置４の内部の周波数決定部１１及び１１’には、予め図１（ｄ）に示すような周波数と昇温量パターンを、実験的に又は伝熱計算によるシミュレーションで求めて格納しておき、必要昇温量に対して連続的に周波数を決定する。また、周波数決定部１１及び１１’に伝熱モデルシミュレーション機能を組み込んで、エッジ昇温量算出部１０からの入力信号に基づいて必要な発熱量を得るための周波数を決定するようにしても良い。または、複数の鋼板の加熱処理において、当初は昇温量とそれに対応する周波数の関係式を仮に設定しておいて、鋼板の加熱された結果の温度分布を別途モニターして学習しながら、所望の温度になるように当該関係式を修正するようにしても良い。

図４は、本実施の形態における周波数可変電源装置１、１’の一例であり、周波数可変電源装置１、１’は、特開２００４−２６０９９１号公報（特許文献４）に開示されているような「磁気エネルギーを回生させる交流電源装置」を用いることができる。すなわち、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３がオンすると、コンデンサＣが充電されていないときは、電流は並列に導通する。次にスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３をオフするとスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４と並列のダイオードを通して電流が流れ、コンデンサＣを充電することになり、電流は急速に減少し、負荷のインダクタンスＬに蓄えられていたすべての磁気エネルギーがコンデンサＣに吸収され電流はゼロとなる。次にスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４をオンすると、コンデンサは放電して電流は急速に立上がり、負荷の磁気エネルギーとなる。ここで、スイッチング素子の導通タイミングを調整する誘導加熱制御装置４により、負荷に流れる電流の周波数を可変とすることができる。このとき、電磁コイルへ通電する電力の力率を大きくすることが可能であって、インバーター方式の電源よりも高効率でエネルギー節約の観点から望ましい。（励磁工程）

＜第２の実施の形態＞
図２（ａ）は、鋼板９の長手方向最先端部を誘導加熱する時の従来の加熱開始時前後の鋼板９と誘導加熱コイル５−１の相対位置の模式図である。従来では、鋼板９が、鋼板面の幅方向中央部に対向して配置された誘導加熱コイル５−１の下部を通過する場合に、鋼板のインピーダンスは、誘導加熱コイル５−１に進入時、誘導加熱コイル５−１の下部を通過時において急激に変動することから、周波数を固定した従来の誘導加熱装置では、加熱装置の発振が困難、または電源トリップ等により誘導加熱が困難であった。これに対して、特許文献１に開示されているように、鋼板の長手方向に誘導加熱コイルを複数台配置して、各々別電源として加熱周波数を変更させた方式が考えられるが、誘導加熱コイルの下部を通過する鋼板を加熱する場合には、鋼板が通過している当該誘導加熱コイルの周波数を変更する必要が有り、適用は不可能である。また、特許文献２には、複数の中間接点を持つ整合変圧器を用いて離散的に周波数を可変とする誘導加熱技術が開示されているが、誘導加熱装置としての設備構成が増加することにより高価となること、及び周波数の変更が離散的であり、高精度な誘導加熱を行うには適さない。

図２（ｂ）に、本発明の誘導加熱装置及び方法の第２の実施の形態として、鋼板の長手方向を均一な温度に加熱する誘導加熱装置の概略図を示す。

本実施の形態の誘導加熱装置は、鋼板の長手方向、特に最先端部及び最尾端部の鋼板の長手方向温度が均一になるように加熱するために用いられる。本誘導加熱装置は、鋼板９の幅方向中央部の上部と下部に、鋼板面に対向するように配置した鋼板長手方向誘導加熱用電磁コイル５−１及び５−２と、これら電磁コイルをそれぞれ励磁するための、周波数が連続的に可変な周波数可変電源装置７と、上記電磁コイルの工程上流側に鋼板９の幅方向中央部の上側又は下側のいずれかに、鋼板９に対向して配設した、鋼板９の長手方向の鋼板表面温度の分布を測定する長手方向温度測定装置（図示しない）と、当該長手方向温度測定装置から出力される温度分布信号に基づいて、鋼板の長手方向の温度が均一になるように周波数可変電源装置７を制御する誘導加熱制御装置６で構成される。ここで、周波数可変電源装置７は、周波数可変電源部の一例であり、長手方向温度測定装置は、温度測定部の一例であり、誘導加熱制御装置６は、誘導加熱制御部の一例である。

ここで、長手方向温度測定装置としては、上記の幅方向温度測定装置と同様の温度測定装置を用いることができる。ただし、幅方向を長手方向に変える必要があることは当然である。（温度測定工程）

この誘導加熱制御装置６は、長手方向温度測定装置からの温度分布測定値と、予め設定されている温度との差異から昇温量を導出する長手方向昇温量算出部２０と、当該長手方向昇温量算出部２０からの信号に基づいて励磁する周波数を算出する周波数決定部２１で構成される。（周波数決定工程）

また、鋼板９の鋼種、及び厚みや幅等の形状、並びに鋼板長手方向誘導加熱用電磁コイル５−１及び５−２と鋼板９との間のギャップ等の情報により、予め誘導加熱用電磁コイル下の鋼板のインダクタンス演算部２２にてインダクタンスを演算し、下記の（２）式より周波数ｆを決定しても良い。

すなわち、誘導加熱用電磁コイル５−１、５−２を加熱電源で励磁するとき、コンデンサ（容量Ｃ）を誘導加熱用電磁コイル５−１、５−２と並列に配置して結線した共振回路を構成し、（２）式で表される共振周波数（ｆ）付近の周波数で通電する。

ｆ＝１／｛２π（Ｌ・Ｃ）^１／２｝ ・・・（２）

ここで、Ｌは、誘導加熱用電磁コイル５−１、５−２の巻き数や寸法等の形状、鋼板９の電磁気的物性値、及び誘導加熱用電磁コイル５−１、５−２と鋼板９の配置によって決まる電磁コイル系のインダクタンスである。

誘導加熱制御装置６の内部の周波数決定部２１には、予め図２（Ｃ）に示すような周波数と昇温量パターンを、実験的に又は伝熱計算によるシミュレーションで求めて格納しておき、必要昇温量に対して連続的に周波数を決定する。また、周波数決定部２１に伝熱モデルシミュレーション機能を組み込んで、長手方向昇温量算出部２０からの入力信号に基づいて必要な発熱量を得るための周波数を決定するようにしても良い。

周波数可変電源装置７は、図４を用いて第１の実施の形態で上述した周波数可変電源装置１、１’と同様の電源を用いれば良い。

鋼板の最尾端部についても、最先端部と同様に、誘導加熱コイル５−１の下部を鋼板が通過中に、鋼板のインダクタンス変動量を誘導加熱制御装置６で演算して周波数を決定し、周波数可変装置７により周波数を段階的に可変することで、鋼板の長手方向最尾端部まで誘導加熱が可能となる。

なお、励磁工程は第１の実施の形態と全く同様にする。

＜第３の実施の形態＞
図３に、本発明の誘導加熱装置及び方法の第３の実施の形態として、鋼板の長手方向かつ全幅に渡って均一な温度制御を可能とする誘導加熱装置の概略図を示す。

図３（ａ）は、前記第２の実施の形態で説明した鋼板９の長手方向全長にわたって温度を均一に制御可能とする誘導加熱装置の概略図である。図３（ｂ）は、加熱周波数をパラメータとした鋼板の幅方向温度分布の一例である。図１（ｂ）に示す、鋼板の長手方向温度降下（サーマルダウン）は、図３（ａ）の鋼板長手方向誘導加熱用電磁コイル５−１及び５−２の工程上流側に設置した鋼板９の幅方向の温度分布を測定する幅方向温度測定装置３により計測される。計測した温度降下代に対して、図３（ｂ）に示す必要昇温量を満足する加熱周波数を求め、周波数可変電源装置７に出力する。

図３（ｃ）は、前記第１の実施の形態で説明した鋼板９の幅方向にわたって温度を均一に制御可能とする誘導加熱装置の概略図である。

図３（ａ）と図３（ｃ）を組合せて実施することにより、図３（ｅ）、（ｆ）に示すように、鋼板の長手方向かつ全幅に渡って均一な温度制御を可能とする誘導加熱が実現できる。

＜第４の実施の形態＞
図８は、第１の実施の形態で説明した図４に示す周波数可変電源装置の電源を電流源とした場合の１例であり、「磁気エネルギーを回生させる交流電源装置」を用いる他の実施の形態である。すなわち、交流電源をリアクトル３０を介してダイオード整流装置４０により整流して、周波数可変電源装置７に直流電圧を印加する。周波数可変電源装置７を構成するスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４がオフすると、電流は加熱用電磁コイルを紙面の下から上に流れ、Ｓ１とＳ３のダイオードを通してコンデンサＣを充電する。コンデンサＣが充電を完了すると電流は０となる。次にコンデンサＣが充電を完了するまでにスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３をオン(Ｓ２、Ｓ４はオフ)しておくと、コンデンサＣに充電されたエネルギーはＳ１、Ｓ３を通して放電し、加熱用電磁コイルを紙面の上から下に電流が流れだす。コンデンサＣが放電を完了するとコンデンサ電圧は０となり、Ｓ２、Ｓ４のダイオードが逆電圧ではなくなることから導通して、Ｓ４からＳ１とＳ３からＳ２の二つのパスを通して、電流が加熱用電磁コイルを紙面の上から下に増加して流れる。この期間は、電流は加熱用電磁コイルと周波数可変電源装置７の間を還流しているので、加熱用電磁コイル、及び被加熱材である鋼板のインピーダンスから決まる時定数によって電流は減衰する。その後は同様にして、Ｓ１とＳ３をオフし、Ｓ２とＳ４をオンするとＳ２、Ｓ４を通じてコンデンサＣを充放電し、電流は加熱用電磁コイルを紙面の下から上に流れるようになる。このように、スイッチング素子Ｓ１・Ｓ３、及びＳ２・Ｓ４の各々のゲートのオン・オフタイミングを調整することで、加熱用電磁コイルには周波数が異なる電流を流すことが可能となり、周波数可変型の誘導加熱が実現できる。即ち、スイッチング素子の導通タイミングを調整する制御装置４または制御装置６により、負荷に流れる電流の周波数を可変とすることができる。一方、加熱用電磁コイルの電流は、被加熱材である鋼板のサイズ（幅、厚み）や鋼種に応じて予め出力電流設定装置５０で設定しておき、加熱用電磁コイルに流れる電流値をフィードバックして加熱用電磁コイルに流れる電流が一定となるようにサイリスタ電力調整装置６０の電圧を制御すれば良い。

図５から図７を用いて、有限要素法を用いた伝熱計算による、１２００ｍｍ幅×５０ｍｍ厚の鋼板の誘導加熱シミュレーション結果を示す。図５は、周波数を５００Ｈｚ、７５０Ｈｚ、１ＫＨｚに変更した場合の鋼板幅方向端部の昇温分布を示す。周波数を可変制御することによって、鋼板の幅方向端部（図では５５０ｍｍから６００ｍｍ）の昇温量が制御できることが示されている。

図６は、周波数を１５０Ｈｚ、３００Ｈｚ、１ＫＨｚに変更した場合の鋼板幅方向中央部の昇温分布を示す。鋼板幅方向端部と同様に、周波数を可変制御することによって、鋼板の幅方向中央部の昇温量が制御できることが示されている。

図７（ａ）は、鋼板の長手方向尾端部で周波数を３００Ｈｚ〜１５０Ｈｚ、若しくは１ｋＨｚ〜１５０Ｈｚに可変制御することにより、最尾端部まで均一に加熱できることを示している。即ち、図７（ｂ）に示すように、周波数が３００Ｈｚと通電なし、若しくは１ｋＨｚと通電なしというコイル通電の有無の切替しか行うことができない従来の周波数固定制御方式であれば、鋼板の最尾端部近傍では、加熱コイル下の鋼板の特性が時間とともに変動（インダクタンスと抵抗が変動）することから、加熱周波数が変動し誘導加熱が不可能であり鋼板温度が低下することになる。鋼板の長手方向先端部でも、図７（ａ）と同様の効果が得られる。即ち、最先端部では１５０Ｈｚで加熱し、鋼板の進行（加熱コイル下への浸入）に伴って周波数を３００Ｈｚ、若しくは１ＫＨｚまで可変制御することで最先端部から誘導加熱が可能となる。

図７（ａ）と図５、図６の組合せによって、鋼板の長手方向・全幅にわたって均一な温度分布を得る鋼板の誘導加熱が実現できる。

以上説明したように、本発明の金属材の誘導加熱方法及び装置により、被加熱材を連続的又は断続的に誘導加熱する際に、被加熱材の加熱部位の形状や位置にかかわらず、高精度に温度を制御することができる。

すなわち、被加熱材の温度分布を測定し、それに基づいて、周波数を連続的又は断続的に変化・制御して被加熱材を加熱するため、被加熱材の厚みや幅等の形状、及び物性値を考慮して加熱することができるので、被加熱材を所望の温度に制御することができる。そして、鋼板等の全長・全幅に渡る均一な温度制御を可能とする誘導加熱方法が提供できることから、製品歩留りの向上や圧延時の通板性改善による生産性向上のためのツールとして応用可能である。更には、被加熱材の厚み、幅、鋼種に依存しない誘導加熱方法が提供できることから鋼板の温度分布最適化による品質の造り込みが可能となり、鉄鋼製品等の高機能化に大きく寄与する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

第１の実施の形態の、エッジ加熱用の誘導加熱装置の概略図である。 第２の実施の形態の、鋼板の長手方向最先端部の誘導加熱装置の概略図である。 第３の実施の形態の、鋼板の長手方向かつ全幅にわたって均一な温度制御を可能とする誘導加熱装置の概略図である。 周波数可変装置の一例である。 鋼板のエッジ誘導加熱のシミュレーション結果の一例である。 鋼板の幅方向誘導加熱のシミュレーション結果の一例である。 （ａ）本発明における鋼板の長手方向最先端部、及び最尾端部の誘導加熱シミュレーション結果の一例である。（ｂ）従来の周波数固定方式における鋼板の長手方向最先端部、及び最尾端部の誘導加熱シミュレーション結果の一例である。 電源を電流源としたときの周波数可変装置の一例である。

符号の説明

１、１’・・・エッジ誘導加熱の周波数可変電源装置、
２−１、２−１’、２−２、２−２’・・・エッジ誘導加熱用電磁コイル、
３・・・鋼板の幅方向温度測定装置
４・・・エッジ加熱用の誘導加熱制御装置
５−１、５−２・・・長手方向誘導加熱用電磁コイル
６・・・長手方向加熱用の誘導加熱制御装置
７・・・長手方向誘導加熱の周波数可変電源装置
９・・・被加熱材（鋼板）
１０・・・エッジ昇温量算出部
１１、１１’・・・エッジ加熱用周波数決定部
２０・・・長手方向昇温量算出部
２１・・・長手方向加熱用周波数決定部
２２・・・鋼板のインダクタンス演算部
３０・・・交流リアクトル
４０・・・ダイオード整流器
５０・・・出力電流設定装置
６０・・・サイリスタ電力調整装置

Claims (12)

1. 移動する金属材に対向して配設された電磁コイルを交流電源によって励磁して、前記金属材を誘導加熱する金属材の誘導加熱方法において、
   前記金属材を誘導加熱した後の前記金属材の目標温度を予め設定する温度設定工程と、
   誘導加熱前の前記金属材の表面の温度分布を測定する温度測定工程と、
   前記金属材の移動にしたがって、該温度分布の測定値及び前記予め設定された温度を基にして、時間的に連続又は断続して前記交流電源の周波数を決定する周波数決定工程と、
   前記交流電源を用いて該周波数で前記電磁コイルを連続的に通電する励磁工程と、
   を含むことを特徴とする、金属材の誘導加熱方法。
2. 前記周波数決定工程は、前記温度測定工程で測定された前記温度分布の測定値及び前記温度設定工程設定された前記予め設定された温度と、前記金属材について予め求めた前記交流電源の周波数と前記金属材を誘導加熱するための昇温量の関係を示す昇温量パターンとに基づいて、前記交流電源の周波数を決定することを特徴とする、請求項１に記載の金属材の誘導加熱方法。
3. 前記周波数決定工程は、前記温度測定工程で測定された前記温度分布の測定値及び前記温度設定工程設定された前記予め設定された温度と、予め設定された前記金属材の形状及び物性値に基づいた伝熱モデルシミュレーションとによって、前記交流電源の周波数を決定することを特徴とする、請求項１に記載の金属材の誘導加熱方法。
4. 前記金属材は金属板であり、
   前記温度測定工程は、該金属板の幅方向の温度分布を測定し、
   前記周波数決定工程は、該金属板の幅方向の温度が均一になるように前記交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、
   前記励磁工程は、該金属板の幅方向の端部に対向して配設された前記電磁コイルで励磁することを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の金属材の誘導加熱方法。
5. 前記金属材は金属板であり、
   前記温度測定工程は、該金属板の長手方向の温度分布を測定し、
   前記周波数決定工程は、該金属板の長手方向の温度が均一になるように前記交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、
   前記励磁工程は、該金属板の幅方向の中央部に対向して配設された前記電磁コイルで励磁することを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の金属材の誘導加熱方法。
6. 前記交流電源として、磁気エネルギー回生タイプの交流電源装置を用いることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の金属材の誘導加熱方法。
7. 移動する金属材に対向して配設された電磁コイルを励磁して、前記金属材を誘導加熱する金属材の誘導加熱装置において、
   前記金属材の表面の温度分布を測定する温度測定部と、
   前記金属材の移動にしたがって、該温度分布の測定値及び予め設定された温度に基づいて、時間的に連続又は断続して前記電磁コイルを励磁する周波数を決定して制御信号を出力する誘導加熱制御部と、
   該制御信号を基にして前記電磁コイルを励磁する周波数可変電源部と、
   を備えることを特徴とする、金属材の誘導加熱装置。
8. 前記誘導加熱制御部は、
   前記温度分布の測定値及び前記予め設定された温度に基づいて必要な加熱量を算出する昇温量算出部と、
   該必要な加熱量及び前記金属材について予め求めた周波数と昇温量の関係を示す昇温量パターンに基づいて、前記電磁コイルを励磁する周波数を決定する周波数決定部と、
   を有することを特徴とする、請求項７に記載の金属材の誘導加熱装置。
9. 前記誘導加熱制御部は、
   前記温度分布の測定値及び前記予め設定された温度に基づいて必要な加熱量を算出する昇温量算出部と、
   該必要な加熱量及び前記金属材について予め設定された前記金属材の形状及び物性値に基づいた伝熱モデルシミュレーションによって、前記電磁コイルを励磁する周波数を決定する周波数決定部と、
   を有することを特徴とする、請求項７に記載の金属材の誘導加熱装置。
10. 前記金属材は金属板であり、
    前記温度測定部は、該金属板の幅方向の温度分布を測定し、
    前記誘導加熱制御部は、該金属板の幅方向の温度が均一になるように前記交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、
    前記電磁コイルは、該金属板の幅方向の端部に対向して配設されていることを特徴とする、請求項７〜９のうちのいずれか１項に記載の金属材の誘導加熱装置。
11. 前記金属材は金属板であり、
    前記温度測定部は、該金属板の長手方向の温度分布を測定し、
    前記誘導加熱制御部は、該金属板の長手方向の温度が均一になるように前記交流電源の周波数を連続的又は断続的に決定するものであり、
    前記電磁コイルは、該金属板の幅方向の中央部に対向して配設されていることを特徴とする、請求項７〜９のうちのいずれか１項に記載の金属材の誘導加熱装置。
12. 前記周波数可変電源部は、磁気エネルギー回生タイプの交流電源であることを特徴とする、請求項７〜１１のうちのいずれか１項に記載の金属材の誘導加熱装置。