JP2011529256A - 誘電体スラブのエッジ部の誘電加熱 - Google Patents

Abstract

スラブがその間部分を通過するところの一対のコイルセクションを含む横断磁束誘導コイルを使用する、誘電性の非鉄材料を含むスラブのエッジ部の誘導加熱が達成される。各コイルセクションはスラブの各エッジ部を超えて横断方向に伸延される。各コイルセクションの、スラブの上下の各領域の周囲に磁束集中化装置が位置決めされる。スラブのエッジ部付近で、対向状態下に伸延する各コイルセクションの各端部間に磁束補償装置が送通される。あるいはスラブの各エッジ部の一方のみが誘導加熱され得る。

Description

本件出願は、ここに参照することによりその全体を本明細書の一部とする、２００８年７月２５日付提出の米国仮特許出願番号第６１／０８３５４７号の利益を主張するものである。
本発明は誘電性の、非鉄材料から形成したスラブのエッジ部の誘電加熱に関する。

従来の横断磁束インダクタは、２つのセクションを持つ誘導コイルを有する。連続または個別長さの誘電性シート材を誘導コイルの前記２つのセクション間に配置し、誘導コイルにＡＣ電流を印加し、前記シート材を誘導コイルの前記２つのセクション間で移動させることで該シート材がその断面に沿って誘導加熱され得る。例えば、図１では誘導コイルがコイルセクション１０１及びコイルセクション１０３を含み、これらセクションが、例えば、矢印で表す方向で誘導コイルを貫いて連続的に移動する金属ストリップ９０であり得るシート材の上下に夫々位置付けられる。Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向軸が、図１に示す３次元直交空間を画定する。従って、ストリップはＸ軸方向に移動する。各コイルセクション間の間隙、ｇ_c、または開口は、図では明瞭化のために誇張されているがストリップの断面を横断するその長さは一定である。コイルセクション１０１の端子１０１ａ及び１０１ｂと、コイルセクション１０３の端子１０３ａ及び１０３ｂとは、図示される如き瞬時電流極性を持つ１つ以上の好適なＡＣ電源（図示せず）に接続される。誘導コイルに電流を通すと代表的な磁束線１０５（点線で示す）で表す共通磁束が発生し、この共通磁束がストリップを直交方向に貫くとストリップの平面に渦電流が誘起される。例えば磁束集中化装置１１７（図ではコイルセクション１０１の周囲に一部を示す）あるいはその他の高透過性、低磁気抵抗性材料を用いて磁界をストリップに配向させ得る。誘導加熱有効化のための電流周波数（ｆヘルツ）は以下の式により得られる。
ｆ＝２×１０⁶（ρ・ｇ_c／τ²・ｄ_s）
ここで、ρはΩ・ｍでのストリップの電気抵抗値、ｇ_cは各コイルセクション間のメートル単位の間隙（開口）、τは誘導コイルのメートル単位の極間隔（ステップ）、ｄ_sはストリップのメートル単位の厚さとする。

図２には図１の構成において、誘導コイルの極ピッチ間隔を比較的小さくし、前記式により得られる電流周波数が相当して低下した状態におけるストリップの代表的な横断方向加熱プロファイルを例示する。図２ではＸ軸はストリップの標準化断面座標を表し、ストリップの中心座標位置は０．０、ストリップの各エッジ部の座標位置は各＋１．０及び−１．０に位置付けられている。Ｙ軸はストリップの誘導加熱により達成される標準化温度を表し、標準化温度１．０では、ストリップの中央領域１１１の横断方向における加熱温度が全体に一様である状況が示される。ストリップのエッジ部付近の部分１１３（肩部とも称する）ではストリップの断面誘導温度は標準化温度値の１．０よりも低下し、ストリップのエッジ部１１５では標準化温度の１．０以上である。

マルチステップを含む工業プロセスには、材料を先ず加熱し、次いで第２プロセスステップに移送するものがある。初期加熱後の第２プロセスステップへの移送に際し、材料のエッジ部温度は相当に低下する。結局、材料の初期加熱と第２プロセスステップとの間で材料のエッジ部を何らかの方法で加熱する必要がある。
誘導加熱に関し、ストリップは、材料の誘導渦電流の標準侵入深さが当該材料の肉厚未満であるプロセスにより誘導加熱されるシート材として定義し得る。逆にスラブは、材料の誘導渦電流の標準侵入深さが材料の肉厚以上であるプロセスにより誘導加熱されるシート材として定義し得る。シート材のエッジ部の誘導加熱技法は材料がストリップであるかスラブであるかにより相違し得る。

米国仮特許出願番号第６１／０８３５４７号明細書

横断磁束誘導コイルの非従来様式的使用による誘電性スラブ材のエッジ部加熱装置及び方法であって、誘導加熱が、スラブ材の横幅を横断してより均一に配分されるのとは逆に、スラブ材のエッジ部に集中されるエッジ部加熱装置及び方法を提供することである。

本発明の１様相によれば、誘電性スラブのエッジ部を横断磁束誘導コイルで誘導加熱する装置及び方法であって、横断磁束誘導コイルの各横断方向端部をスラブの各エッジ部を超えて伸張させ、横断磁束誘導コイルの各伸張セクション間で前記各エッジ部に隣り合う位置に磁束補償装置を送通すること、を含む前記装置及び方法が提供される。

他の様相によれば、誘電性材料のスラブの少なくとも１つの横断方向エッジ部を誘導加熱する、スラブのエッジ部誘導加熱装置及び方法が提供される。一対の横断磁束誘導コイルセクションが提供される。一対の横断磁束誘導コイルセクションの各々は一対の横断方向コイルセグメントを有する。一対の横断磁束誘導コイルセクションの一方における一対の横断方向コイルセグメントの各々は、前記一対の横断磁束誘導コイルセクションの他方における一対の横断方向コイルセグメントから離間され、かくしてその間部分にスラブ誘導加熱部分を形成し、当該スラブ誘導加熱部分にスラブをその長手方向に沿って、前記一対の横断磁束誘導コイルセクションの各１つにおける一対の横断方向コイルセグメントと実質的に直交する方向において通過させ得る。一対の横断磁束コイルセクションの各々における横断方向コイルセグメントは同一平面内でコイルピッチ距離において相互に分離される。一対の横断磁束コイルセクションの各横断方向コイルセグメントは横断方向延長端を有し、当該横断方向延長端はスラブ誘導加熱領域内でスラブの少なくとも１つのエッジ部を超えて横断方向に伸延する。

各一対の横断磁束コイルセクションの各横断方向コイルセグメントの横断方向伸張端部が、スラブ誘導加熱領域内のスラブの長手方向に実質的に直交する別の横断方向コイルセグメントにより相互連結される。各一対の横断方向コイルセグメントの各横断方向伸張端と前記横断方向コイルセグメントとは、各横断方向伸張端と、各一対の横断磁束コイルセクションの横断方向コイルセグメントとの間におけるエッジ補償装置を形成する。少なくとも１つの磁束集中化装置が、スラブ誘導加熱領域と逆向きの実質的に全ての方向において、一対の横断磁束コイルセクションの少なくとも横断方向コイルセグメントを包囲する。少なくとも１つの交流電源が一対の横断磁束コイルセクションに接続され、瞬時電流が各一対の横断磁束コイルセクションを同一方向で流れる。少なくとも１つの交流電源は以下の式に従い決定する出力周波数ｆ_slabを有する。
式：ｆ_slab＞０．５・１０⁷・（ρ_slab／ｄ² _slab）
ここで、ρ_slabはスラブの電気抵抗測定値、ｄ_slabはスラブ厚とする。
エッジ補償装置領域内には導伝性補償装置を配置する。

従来の横断磁束インダクタ構成の例示図である。 図１の横断磁束インダクタ構成の代表的断面誘導加熱を例示するグラフである。 本発明のスラブエッジ誘導加熱装置の１例の、横断磁束誘導コイルの上部セクションのみを可視化して示す平面図である。 図４（ａ）は図３のスラブエッジ部誘導加熱装置の、図３を線Ａ−Ａに沿って切断した断面図である。 図４（ｂ）は、電源との接続の１例を含む図３のスラブエッジ誘導加熱装置を図３の線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面図である。 図４（ｃ）は図３のスラブエッジ誘導加熱装置で使用する磁束補償装置の１例の斜視図である。 図４（ｄ）は図３のスラブエッジ誘導加熱装置を線Ｃ−Ｃに沿って切断した断面図である。 図３、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す横断磁束インダクタ構成における代表的な断面誘導加熱特性を例示するグラフである。 （ａ）は、（ｂ）に示す如くその横断方向の各端部をシート材の各エッジ部付近に位置付けた横断磁束コイルセクション上で、スラブの各端部を超えて横断方向に伸張する端部を有する横断磁束インダクタを使用する場合の利益を示す例示図である。 （ａ）は、（ｂ）に示す如き従来技術において達成し得る代表的磁束場を上回る、本発明において達成し得る代表的な磁束場の例示図である。

同じ参照番号は同様の要素を表す図３、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を参照するに、本発明のスラブエッジ部誘導加熱装置の１例が示される。
スラブ９１は、当該スラブの各側面の上下に各配置されて横断磁束インダクタ（誘導コイル）１２を構成するところの横断磁束コイルセクション（以下、コイルセクションとも称する）１２ａ及び１２ｂの横断方向コイルセグメント（以下、コイルセグメントとも称する）１２ａ₁及び１２ｂ₁間でＸ軸方向に移動する。２つのコイルセクションはＺ方向において相互に平行であることが好ましい。銅配合物等の高導伝材から形成した導電性補償装置２０を、以下に説明する如くエッジ補償装置領域内でスラブの各エッジ部の隣に配置する。コイルセクション１２ａ及び１２ｂは、瞬時電流が矢印で表す方向に流れるよう、例えば図４（ｂ）に示す如く単一の電源９２に接続するのが好ましい。図４（ｂ）では電源は前記２つのコイルセクションの各コイルの一端に接続されるが、本発明の他の実施例ではその他好適な電源接続ポイントを使用できる。例えば、電源をコイルセグメントの各コイルセクションに接続し得る。電源は、各コイルセクション用に個別化するよりはむしろ、上下の各コイルセクション間の磁束対称化が容易化され得るよう単一であるのが好ましい。

各コイルセクションの周囲を伸延する磁気分路９４（図３ではコイルセクション１２ａのコイルセグメント１２ａ₁のみにおいて例示される）が、一対のコイルセクション１２ａ及び１２ｂを構成する。各コイルセクションは、極ピッチ距離（Ｘ_c）において分離された一対の横断方向コイルセグメントを有する。各横断方向コイルセグメントは、例えば、横断方向コイルセグメント１２ａ₁に関し、図３に示す如くスラブの横断方向エッジ部を超えて横断方向に伸延する。隣り合う横断方向コイルセグメントの伸張端は、スラブの長手方向に実質的に平行方向であり得る横断方向コイルセグメントにより相互連結される。横断方向コイルセグメント１２ａ₁の隣り合う一対の各端部は、例えば、図３に示す如く横断方向コイルセグメント１２ａ₂により相互連結される。図３に示す本発明の実施例では、横断方向コイルセグメント１２ａ₁の各伸張端は、結局は横断磁束コイルセクションを交流電源に接続するところのコイルセグメント１２ａ’及び１２ａ”を組み合わせて形成した横断方向コイルセグメントにより相互連結される。各磁気分路は、各コイルセクションで電流により生ずる磁束をスラブ９１の表面に配向させるべく、各コイルセクション間を移動するスラブの少なくとも全幅に渡り各横断方向コイルセグメントを超えて伸延するのが好ましい。

本発明では、非強磁性配合物から形成したスラブ用のエッジヒーターとして使用する場合、電源９２の出力周波数ｆ_slabを以下の式で決定する値より大きくなるように選択すべき点が重要となる。
ｆ_slab＞０．５・１０⁷・（ρ_slab／ｄ² _slab）--------------（式１）
ここで、ρ_slabはスラブのΩ・ｍでの電気抵抗測定値、ｄ_slabはメートルでのスラブ厚とする。
スラブの横断方向幅の範囲は、補償装置をＹ軸（横）方向に移動させてスラブの幅変化を収受させる手段９６（図３）を設けることを前提として本発明の１構成により収受され得る。例えば、補償装置用の移動装置は、当該補償装置に構造上連結し且つ１つ以上の線形アクチュエータ（または代替法としての手動操作）の出力部に装着した直線レールまたは直線ロッドであり得る。

本発明の１特定実施例において、横幅が１０００〜２１５０ｍｍの間、肉厚が３０〜６０ｍｍの間であるスラブが、本発明の以下に説明するスラブエッジ誘導加熱装置において収受され得る。各横断磁束コイルセクションにおける一対の横断方向コイルセグメントの間隙（ｘ_c）は約９００ｍｍ、各コイルセクションは幅（ｙ_c）約２４００ｍｍ、各横断磁束コイルセクションを構成するコイルの幅は、当該コイルセクションを図４（ｄ）に例示する如く水等の冷却用媒体を流す最適の中空内側通路を持つ矩形導伝体として形成した場合は約２４０ｍｍ（ｗ_coil）である。スラブ幅に対するコイル間隙の比が増大するに従い、スラブの残余の横断面に誘起される電力に対するスラブエッジ部の誘導電力の比も増大する。各補償装置２０は銅配合物等の導電性材料から形成され、長さｘ_comp約１３００ｍｍ、幅ｙ_comp約９００ｍｍ、そして高さｚ_compは、補償装置と、隣り合うコイルセクションとの間の短絡を防止する必要上、間隙ｚ_gapより若干小さくなる。上方のコイルセクション１２ａと下方のコイルセクション１２ｂとの間の距離（間隙）ｚ_gapは約２５０ｍｍである。スラブ幅が変化した場合は補償装置をＹ軸方向に移動させ、スラブのエッジ部分と隣の補償装置のエッジ部との間に最小離間距離ｙ_gapを持たせる。例えば、各補償装置間でのスラブのＹ軸方向の振れを許容するには最小離間距離ｙ_gapを４０ｍｍ取れば十分である。図３に示す距離ｄ₁はスラブ幅の最大２１５０ｍｍから１０００ｍｍへの変化に従い、約ゼロから５７５ｍｍに変化し、各補償装置がＹ軸方向に移動して前記幅変動を収受する。本発明の当該実施例で使用する磁束補償装置の寸法形状は、各磁束補償装置が、横断方向コイルセグメントの各横断方向伸張端と、対向する各コイルセクション１２ａ及び１２ｂの隣り合う長手方向セグメントとの間で且つスラブの各エッジ部に隣り合う補償装置のエッジ領域に位置付けられるよう選択される。

スラブ、各コイル及び補償装置に関する上述した寸法形状は本発明の横断磁束コイル構成を使用して先に説明した範囲のスラブのエッジ部加熱を達成する上で最も好ましいものであることが分かった。上述した構成は本発明のその他実施例ではその他構成に拡張される。図５には本発明を使用して達成し得るエッジ部加熱の２つの実施例が例示され、スラブのエッジ部間の幅が２１５０ｍｍまたは１０００ｍｍである場合、スラブのエッジ部は５０℃温度に誘導加熱され得、他方、スラブの中央断面領域の公称温度上昇は５℃である。本発明のスラブエッジ部誘導加熱装置を使用すると、幅１０００ｍｍのスラブの横断方向エッジ部の温度を図５に例示される如くスラブの横幅の内側約６５％（ｗ_s1）部分の温度（５℃）の１０倍（５０℃）に誘導加熱させ得る。本発明のスラブエッジ部誘導加熱装置を使用すると、幅２１５０ｍｍのスラブのスラブの横断方向エッジ部の温度を、スラブの横幅の内側約８０％（ｗ_s2）部分の温度（５℃）の１０倍（５０℃）に誘導加熱させ得る。

本発明で使用する横断磁束誘導コイルの横断方向の各端部を伸ばすことで、ストリップのエッジ部における誘導電流が最大限において集中される。コイルの横断方向の各端部をスラブのエッジ部付近に位置決めした図６（ｂ）の構成では、スラブの各エッジ部での瞬時誘導渦電流（番号９３ｂで示す矢印方向での）と、当該電流による誘導加熱とは最適化されないが、本発明の如くコイルの横断方向各端部を伸張させ且つ磁束集中装置を使用する図６（ａ）の構成では、スラブの各エッジ部に誘起される渦電流（番号９３ｂで示す矢印方向での）が最大化される。

動作周波数ｆ_slabをスラブ材の導電性及び肉厚に基づいて選択することで、上述した従来技術における図７（ｂ）に示す磁束配分９８（点線）とは逆に、エッジ部加熱に好都合な、図７（ａ）に例示する如き磁束配分９９（点線）が生成される。一般に、本発明のエッジ部加熱を有効化するには、スラブの肉厚対渦電流の標準侵入深さの比を約３以上とするのが好ましい。この点は渦電流の標準侵入深さがストリップの肉厚未満とされる上述した従来のストリップ加熱法とは対照的である。
横断磁束コイルセクションの伸張端部間で磁束補償装置を（空気に代えて）使用することでコイルのインピーダンスが著しく低下し、かくしてスラブエッジ部の誘導加熱に十分な電力が電源から提供され得る。
横断磁束コイルセクションの横断方向コイルセグメントを通して移動する各スラブは任意長さを有し得る。
上述した各例では単一巻きコイルセクションを持つ横断磁束インダクタを使用するが、本発明の他の例では多重巻きコイルセクションが使用される。本発明の上述した各例のスラブエッジ部誘導加熱装置及び方法の各実施例はスラブの横断方向の両エッジ部を加熱するが、他の例ではスラブの横断方向の一方のエッジ部のみが誘導加熱される。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１２ａ₁、１２ａ₂ 横断方向コイルセグメント
１２ａ、１２ｂ コイルセクション
２０ 導電性補償装置
９１ スラブ
９２ 電源
９４ 磁気分路
９６ 手段
９８、９９ 磁束配分

Claims (8)

1. 導伝性材料のスラブの横断方向エッジ部の少なくとも１つを誘導加熱するためのスラブエッジ部誘導加熱装置であって、
   一対の横断磁束コイルセクションにして、各横断磁束コイルセクションが一対の横断方向コイルセグメントを有し、前記一対の横断磁束コイルセクションの一方における一対の横断方向コイルセグメントが、他方の前記横断磁束コイルセクションの一対の横断方向コイルセグメントから離間され、かくしてスラブがその長手方向を前記一対の横断磁束コイルセクションの各一対の横断方向コイルセグメントと実質的に直交する状態下に通過するところのスラブ誘導加熱領域が形成され、前記一対の横断磁束コイルセクションの各々における前記横断方向コイルセグメントがコイルピッチ距離において同一平面内で相互離間され、前記一対の横断磁束コイルセクションの各々における前記横断方向コイルセグメントが、前記スラブ誘導加熱領域内でスラブの少なくとも１つのエッジ部を超えて横断方向に伸延する横断方向伸張端を有し、前記一対の横断磁束コイルセクションの各横断方向コイルセグメントの前記横断方向伸張端が、前記スラブ誘導加熱領域内でスラブの長手方向と実質的に平行配向した別個の長手方向コイルセグメントにより相互連結され、前記横断方向伸張端と前記長手方向コイルセグメントとが、前記横断方向伸張端と前記一対の横断磁束コイルセクションの各前記長手方向コイルセグメントとの間にエッジ補償装置領域を形成する前記一対の横断磁束コイルセクションを含み、
   少なくとも１つの前記磁束集中化装置が、前記一対の横断磁束コイルセクションの少なくとも１つの横断方向コイルセグメントを、前記スラブ誘導加熱領域とは逆向きの実質的に全ての方向において包囲し、
   少なくとも１つの交流電源が前記一対の横断磁束コイルセクションに接続され、かくして瞬時電流が前記一対の横断磁束コイルセクションの各々を通して同一方向に流れ、各前記少なくとも１つの交流電源が、ρ_slabをスラブの電気抵抗測定値、ｄ_slabをスラブ厚とする式：ｆ_slab＞０．５・１０⁷・（ρ_slab／ｄ² _slab）
   に従い決定する出力周波数ｆ_slabを有し、前記エッジ部補償装置領域内に導伝性の磁束補償装置が配置されるスラブエッジ部誘導加熱装置。
2. 磁束補償装置が全体に矩形形状を有し、その長さが極ピッチ距離以上であり、その高さが、前記一対の横断磁束コイルセクションの長手方向コイルセグメントの各前記横断方向伸張端間の距離に実質的に等しく、他方、前記一対の横断磁束コイルセクション間の電気的絶縁性を維持する高さであり、前記磁束補償装置の高さがスラブ肉厚以上である請求項１のスラブエッジ部誘導加熱装置。
3. 前記少なくとも１つの横断方向エッジ部がスラブの横幅の内側６５％部分における温度の少なくとも１０倍もの高さの温度に誘導加熱される請求項１のスラブエッジ部誘導加熱装置。
4. 誘導渦電流侵入深さに対するスラブ肉厚の比が３以上である請求項１のスラブエッジ部誘導加熱装置。
5. スラブ誘導加熱領域内におけるスラブの横幅の変化に応じて導伝性補償装置を移動させる装置を更に含む請求項１のスラブエッジ部誘導加熱装置。
6. 導伝性のスラブの少なくとも一方の横断方向エッジ部を誘導加熱する方法であって、
   各々が一対の横断方向コイルセグメントを有する一対の横断磁束コイルセクション間に導電性のスラブを通過させること、
   前記一対の横断磁束コイルセクションに交流電流を印加し、かくして瞬時電流を前記一対の横断磁束コイルセクションの各々を通して同一方向に流すこと、
   前記交流電流の周波数を、ρ_slabをスラブの電気抵抗測定値、ｄ_slabをスラブ厚とする式：ｆ_slab＞０．５・１０⁷・（ρ_slab／ｄ² _slab）
   に従い決定するスラブエッジ部加熱周波数ｆ_slabに設定すること、及び、
   前記エッジ部補償装置領域内に導伝性の磁束補償装置を配置すること、
   を含み、
   前記一対の横断磁束コイルセクションの一方における一対の横断方向コイルセグメントが、他方の前記横断磁束コイルセクションの一対の横断方向コイルセグメントから離間され、かくしてスラブがその長手方向を前記一対の横断磁束コイルセクションの各一対の横断方向コイルセグメントと実質的に直交する状態下に通過するところのスラブ誘導加熱領域が形成され、前記一対の横断磁束コイルセクションの各々における前記横断方向コイルセグメントがコイルピッチ距離において相互に同一平面内で離間され、前記一対の横断磁束コイルセクションの各々における前記横断方向コイルセグメントが、前記スラブ誘導加熱領域内でスラブの少なくとも１つのエッジ部を超えて横断方向に伸延する横断方向伸張端を有し、前記一対の横断磁束コイルセクションの各横断方向コイルセグメントの前記横断方向伸張端が、前記スラブ誘導加熱領域内でスラブの長手方向に実質的に平行に配向した別個の長手方向コイルセグメントにより相互連結され、前記横断方向伸張端と前記長手方向コイルセグメントとが、前記横断方向伸張端と前記一対の横断磁束コイルセクションの各々の前記長手方向コイルセグメントとの間にエッジ補償装置領域を形成し、少なくとも１つの前記磁束集中化装置が、前記一対の横断磁束コイルセクションの少なくとも１つの横断方向コイルセグメントを、前記スラブ誘導加熱領域とは逆向きの実質的に全ての方向において包囲する前記方法。
7. 導電性のスラブの少なくとも１つの横断方向エッジ部を、該スラブの横幅の内側６５％部分の温度の少なくとも１０倍もの高さに誘導加熱することを更に含む請求項６の方法。
8. 前記スラブ誘導加熱領域内のスラブ横幅の変化に応じて前記導電性補償装置を移動させることを更に含む請求項６の方法。

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