JP2014189864A

JP2014189864A - 直接通電加熱装置

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Publication number: JP2014189864A
Application number: JP2013067999A
Authority: JP
Inventors: Eiko Yamada; 榮子山田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】帯状又は棒線状の金属材料を走行させつつ該材料に直接通電して加熱する装置においてスパークの発生を防止する。
【解決手段】走行する被加熱材の表面に歯車状の電極輪を接触追随させる。歯先を電極突起とし押圧する。個々の突起は接触後通電し、離反直前に切電し、接触区間内に通電区間を設ける。該突起間隔を通電区間と同一にすることにより先行する突起が切電すると同時の後続の突起の通電が始まり、一定電流が安定して流れる。ロール電極（導通点が移動且つ不安定）と異なり、導通点が固定された状態で通電がなされるので放電火花が発生しない。従ってスパークが発生しない。該電極輪を走行パスに沿って２台設ける。先行例のように間欠電流の制御機構や前後の電極輪の同期機構が不要になる。加熱効率は９０％以上が得られ高周波加熱に対して倍増する。
【選択図】図１

Description

本発明は長尺の金属材料を直接通電方式によって連続加熱する装置に関しており、特に通電に伴う被加熱物と電気接点間に発生するスパークを防止することに関している。

棒線状又は帯状の金属、特に棒鋼・線材・薄板等の長尺の鋼材を走行させつつ連続的に加熱する際、種々の方法があるが該被加熱物に直接通電してジュール熱により高速・高能率で処理する場合がある。当該方法では加熱効率（＝必要熱量／消費熱量）は９５％以上が得られる。他方問題として電気接点と鋼材間にスパークが発生することがあり、鋼材表面に微小な溶融キズが付く。低級品ではあまり問題にされないが高級品たとえがバネ用鋼材では疲労破壊に影響するとして嫌われ、未だに適用されず誘導加熱が使用されている。この場合加熱効率は高々５０％である。

走行する被加熱材への通電に際して電極は摺動又はロール圧接により結合される。鋼の熱処理では摩耗と耐熱問題から後者が多用されている。ロール圧接において接触点は系外から見ると一点で固定されているが、ロール上の一点から見ると被加熱物へ接近・接触・離反・周回を通して接触点は時々刻々移動している。そのため夾雑物等があると通電状態が変動し、接触部かその周辺で放電現象が発生しやすい。一般的に放電は高電圧ほど起こり易く、大電流ほど局所溶融になり易い。スパーク防止には安定した電気的接触が不可欠である。

先行事例１として特許文献１には、前記直接通電加熱方法においてスパークを防止する方法が開示されている。それによると電気接点である通電ロールと鋼板との機械的接触が鋼板の両縁部に近い位置で不安定になってスパークが発生し、対策としてロールの熱変形を防止する策を講じて正常接触を維持している。問題点は、スパークは本来接触又は離反の過程で接触異常により瞬間的なアーク放電が発生したものである。本方法の場合、ロールによる噛み込み・噛み出しに際して接点と鋼材は移動しつつ接近・離反するので接触状態は常に変動して不安定であり異常接触を解決するには不充分である。

特許文献２には、通電加熱におけるスパーク防止方法として金属ストリップを通電ローラーの外周に捲回し、その際接触部位と離反部位では通電せず、それらの中間で接触状態が安定している部位で通電することが記載されている。固定的接触がスパーク防止に有効という着想は優れている。しかし厚さや直径の大きい鋼材は曲げることが困難であり、直進する棒線に適用することはできないと言う問題がある。

特許文献３には、前記同様通電加熱において通電ホイールを直接鋼材に接触させず該ホイールの外周面に植生した特殊な導電性ブラシ（複合カーボンファイバープレート）を介して多点接触を構成し、スパークの発生が防止可能となることが開示されている。当該方法の耐久試験を観察すると微細な火花が多数安定して発生しているがスパークにはならないこと、微細故に溶融キズにはならないこと、黒鉛繊維の大きな伝熱性からブラシは高温にならず、酸化消耗が少ないことが解る。問題は特殊な導電性ブラシの製造が困難でコストが極めて高く未だに普及していないことである。

直進する線材を走行方向２点に設置された通電ロールによる通電加熱の状況を細かく観察すると火花とスパークの発生状況は以下と判明した。
１）スパークは線材表面状況特に酸化膜等異物の残存や剥離溜まりに強く影響される。
２）押圧力が軽いとスパークが多い（接触抵抗の変動か接触位置の移動か）。
３）下流側ロール（線材温度は約１０００℃）では上流側よりもスパークが小さく且つ少ない（押圧が安定するためか）。
４）ロール材質として銅よりも黒鉛鋳鉄が良く、黒鉛の方がさらに良い。
５）上流、下流ロールとも噛み込み側、噛み出し側両方に発生するが上下とも噛み出し側に多い。接近時よりも離反時の方がアークが発生し易い。
６）下流側では、常時微細な火花が多数見えるがスパークキズにはなっていない。
７）負荷電流を交流から直流に変えても同様にスパークは発生する。大差ない。
８）上流側では接触部の直下直近で局所赤熱し、その後熱拡散し均熱化し、赤熱点が変動移動するのが見える。接点が移動していること且つ接点近傍が大電流密度となっていることが解る。
以上から幾何的には接触部は点又は線となるが実際には弾性的押圧によりスポット状の面を形成している。導通点はその中に多数存在していて時々刻々変動・移動しており接触の瞬間では状況により点接触による局所大電流による溶融火花が発生、他方離反の瞬間には微細なアーク放電が常時発生しており、それぞれその大きなものがスパークになると推測される。

従ってスパークの防止には接触状態を確実且つ安定にすること、又は多点接触に持ち込んで火花自体を微細・無害化すること等が求められるが、放電自体が起こらない状況を形成することがより望ましい。

特許文献４には直進走行する鋼線材に通電して直接加熱する方法において、該材料に接して通電する電極が、ホイールの外周面に多数の電極突起を等間隔で設けた歯車状の電極輪であり、該電極突起を該線材に固定接触させつつ押圧して追随させ、一つの該突起が接触した後該突起から該線材に通電し、該突起が回転により該線材から離反する直前に通電を切ることにより接触時及び離反時の火花の発生を抑制するとともに、該突起が離反以後、後続の電極突起を接触させて同様の作動を反復して間欠通電を連続させることを特徴とする直接通電加熱方法が記載されている。
本方法の問題点は、突起を通して線材に通電する際、両者の接触と離反時には通電しないのでスパークの問題は解決されるが、間欠電流を正確に制御するための制御回路を必要とする。さらに上流側と下流側の１組の電極輪の間の線材に通電するので間欠電流のタイミングを上下で正確に同期させるメカニズムが不可欠である。設備が煩雑になる。

公開特許公報平０５−３４５９３１公開特許公報２００４−６３２９３公開特許公報昭６１−２２７３８８特許公報第５００１４５６

長尺の金属を直進走行させつつ該金属に直接通電して連続的に加熱する際、通電電極として通常はロール状の２個の電極を転動させて被加熱材に接触通電し、その間をジュール熱加熱させる。被加熱材の表面状態や電極表面の性状及び押圧状態等により接触部に火花が発生し、時々スパークとなって被加熱材表面に溶融キズを発生させ製品の品質低下をもたらす。本願発明は該スパークの発生を防止することを課題とする。

当課題を解決するため本発明者は、電極を被加熱材に押圧して通電する際、接触瞬間と離反瞬間には通電せず、その間のみ通電する間欠通電によって火花の発生ひいてはスパークの発生を防止する特許文献４の方法を踏襲するが、煩雑な間欠通電と前後の電極の同期機構を廃止し、連続通電においても対処可能な方法を見い出し本発明を構成した。

第１の発明は、帯状又は棒線状の金属材料を走行させつつ該材料に電流を通して直接通電加熱する装置において、
１）被加熱材に通電する電極が、ホイールの外周面に互いに絶縁された多数の電極突起を等間隔で設けた歯車状の電極輪と、該電極輪と同軸であり該各突起に導通する整流子と、該整流子の所定部位のみに通電する摺動ブラシと、該電極輪を回転させる手段とから成り、
２）該電極突起は弾性的に半径方向に後退可能であって、該電極輪を回転させつつ該電極突起を直進走行する被加熱材に押圧し平行走行させて所定区間を接触状態とし、
３）該接触区間よりも内側の区間を通電区間とするよう整流子と摺動ブラシの位置・寸法関係を設定し、
４）該通電区間の長さを前記電極突起の間隔の１倍又は２倍として常時１個又は２個又は３個の突起を接触状態とすることによって、一つの突起が該被加熱材に接触した後該突起から通電し、該突起が回転により被加熱材から離反する前に通電を切って火花・スパークの発生を防止するとともに先行突起への通電が切れると同時に後続又は後々続の突起への通電を開始して通電を連続させることを特徴とする直接通電加熱装置である。

第２の発明は、接触区間の大きさが電極輪の開き角で６０°以下であり、通電区間の大きさが同４０°以下としたことを特徴とする第１発明に記載した直接通電加熱装置である。

本発明によると直進走行する鋼板・棒線を連続加熱するに当たり、該被加熱材への直接通電によって加熱する装置において、通電用の個々の電極突起が順次被加熱材に押圧される。押圧直後に通電され且つ該電極突起が該被加熱材から離反する直前に切電される。切電と同時に後続の電極突起に通電が開始され、連続通電・連続加熱となる。接触・離反に伴う火花発生が抑制され、スパークキズの問題が解決される。
その結果従来多用されている高周波誘導加熱に代替可能になって加熱効率は倍増し、省エネルギーがなされる。
実施するに当たり２台以上の電極輪を配置して電極輪間の棒線を加熱する際、特許文献４のような間欠通電によってスパークを防止するための電流制御系や電極輪間の同期機構は不要であって設備費用と管理の両面で簡素化される。

本願発明の直接通電加熱装置の要所を説明する概略図である。本願発明の直接通電加熱装置を棒線に適用する場合の概略図である。本願発明に電極突起を後退させる構造例を示す。本願発明の直接通電加熱装置を棒線に適用する場合の他の例を示す。

図１に従って本発明の直接通電装置を説明する。直進走行する被加熱材１に対して電極輪２が接触し回転して追随しつつ通電する。該電極輪２は主にホイール２’と、該ホイール２’の外周面に等間隔で設けられ互いに絶縁された電極突起３と、該電極突起３に個別に導通し該ホイール２’の側面に同心状等間隔で設けられ整流子４と、回転する該整流子４に対して固定台（図示せず）に固定され摺動接触する摺動ブラシ５と、回転機構（図示せず）と、から成る。該ブラシは直流電動機のブラシと同様であり黒鉛質ブロック状である。電極輪の外形は歯車状である。整流子の構造は電動機のように円筒状にしてもよい。

回転する電極突起３はｐ点で被加熱材１に接触しｑ点で離反する。電極突起は弾性的に半径方向に後退可能の構造とする。その間両者は機械的接触状態にあり、弾性的押圧状態を維持する。突起は弾性的に上下だけでなく前後にも融通性がある方が固定接触が安定する。当業者にはその設計は特に困難ではない。

当該接触状態は従来のロール電極のそれとは本質的に異なる。前者は固定的押圧接触であるが、後者では接触点が被加熱材表面上及びロール表面上を時々刻々移動しており、導通の安定性という点で前者は格段に優れる。

整流子４と摺動ブラシ５の円周方向の幅は適切な長さが設定してあり、当該電極突起３がｐ点に達して被加熱材１を押圧した直後、適切に設定した位置ｒ点において当該整流子４の前端（回転方向の前）が摺動ブラシ５の前端（上流側）に接触して通電開始となる。回転につれ接触区間の中間点に対して対称の位置ｓ点において該整流子４の後端が該ブラシ５の後端に達して通電状態が切れる。その後ｑ点において該突起３は被加熱材１から離反する。

ここにおいて電極突起の間隔は少なくとも想定した接触区間よりも小さくしなければならない。なぜなら該区間以上であれば接触が間欠的になって２台の電極によって通電する際、完全に同期させなければうまく通電できなくなる。該間隔を接触区間よりも小さいある値（設定した距離ｒｓ）に等しくするとそれが通電区間となる。即ち先行突起がｓ点に達して切電の直前に後続の電極突起がｒ点に達するよう前記電極突起の間隔はｒｓ間と等しくする。そうすると先行する突起がｓ点において通電が切れる瞬間には後続の突起の通電が始まる。より正確には整流子端子の間隔に対して摺動ブラシの幅（それぞれ円周方向）をわずかに大きくしておくと先行が切れる直前に後続が繋がり電流は安定する。

通電開始の瞬間では電極突起３は既に被加熱材１に固定的に押圧されているので通電に伴う火花は発生しない。切電の瞬間においても同様に固定的押圧状態にあって火花は発生しない。固定的押圧状態においてのみ通電を開閉して火花現象を抑制することが本発明の核心の一つである。

電極突起の間隔を通電区間と同一としていることと摺動ブラシが後続の整流子端子に移行する瞬間には前後端子に接触するので先行突起の通電が切れる直前には、後続突起の通電が始まり定常電流を使用することができることが第２の核心である。従って先行例４（特許文献４）のような間欠通電制御と前後電極輪の同期機構は不要となる。

整流子４と摺動ブラシ５は直流電動機の整流子のように円滑に摺動するよう精密に製作しなければならない。ブラシ面で小さい火花は常時発生しているがスパークは発生しない。

図２に従って本発明の装置を使用して通電加熱する方法を説明する。直進走行する被加熱材１に対して２台の電極輪２１，２２を接触させる。両電極輪間が加熱帯となる。装置全体の長さは生産能率、非加熱材断面積、走行速度、加熱速度、比抵抗等を考慮して適切に設計する。当業者には特に問題は無い。一般的には１〜数ｍとなる。
走行を安定させるため且つ押圧力を形成するため該被加熱材の背面に滑りガイド２３を設ける。単相電源２４から両電極輪の摺動ブラシ２５，２６に導通配線する。電極輪２１，２２には駆動力を与え被加熱材１の走行に追随させる。
所定電圧を負荷すると加熱帯の抵抗に対応した電流が流れ加熱される。

通電区間ｒｓの長さをあまり大きくすることは良くない。過大であると固定接触において接触時間が長くなり突起尖端部の昇温が過剰になり、耐久の問題が生ずる。当然接触区間ｐｑの長さも大きくなる。その結果、突起尖端の軌跡が円弧から弦に移行するとき、後退量が過大になり速度差が生じ固定接触からずれる。突起の融通性を考慮して接触区間は電極輪の開き角として６０°以下、通電区間は同４０°以下が望ましい。

本発明の電極突起は基本的には１点接触である。突起がｒ点ｓ点に位置した瞬間のみ２点接触である。突起間隔を１／２にして２点接触方式と採ることも可能であり本来の効果の他に多少の効果が生ずるが今のところ特別の効果は得られない。突起数を増加して接触点を増加させるよりも接触区間、通電区間を小さくする方が耐久と安定に良い。

電極の接触と離反におけるスパーク発生の確認試験を行った。通常の３０ｋＷ溶接機を使用し、両電極（銅製）を互いに強く押圧した状態で５００Ａまで急速に電圧を上げた。接点が赤熱したがスパークは発生しなかった。次ぎに鋼板に両電極を押圧下状態で通電し、５００Ａまで上げ、やはり赤熱したがスパークは発生しないことを確認した。電極を滑らせると大きなスパークが発生した。周知のように接点が移動すると火花が発生し易く、接点を固定していると火花が出ないことを確認した。

図３Ａは電極突起の構造例を示す。ホイールの外周３１に片持ち梁状に板ばね３２を固定し、他端に電極突起３３を設ける。被加熱材１への押圧に対して該突起３３は後退すると共に走行方向に僅かに前進して追随する。
図３Ｂは電極突起の他の例を示す。ホイール３１の外周にばねを組み込んだゴム製の突起台３４を設け、その上に突起３３を設け、後退と走行に追随する。

図４は本発明の装置を使って直進する棒線を加熱する他の例を示す。電極輪４１、４２、４３を３台直列し、中間の電極輪４２は周辺機器から絶縁する。商用の単相交流がそのまま使用することができる。前後の電極輪はブスバーで直結し、かつアースする。漏電問題が解決される。
具体的な望ましい数値の例として、４ｍｍ径の鋼線を３００ｋｇ／ｈの能率で１０００℃に加熱するには、出力６０ｋＷ、電圧３０Ｖ、電流１０００×２Ａ、線速を０．８ｍ／ｓ、突起尖端径を４００ｍｍ、電極突起数を１２、突起間隔を１０４ｍｍ、通電区間を１０３ｍｍ（開き角３０°）、後退量７ｍｍ、接触区間を１３２ｍｍ（開き角４０°）、後退量１２ｍｍとする。

本発明の直接通電加熱は従来の誘導加熱に代替することができ、加熱効率は倍増して省エネルギーに寄与する。

１：被加熱材２：電極輪２’：ホイール３：電極突起４：整流子５：摺動ブラシ６：導線２１，２２：電極輪２３：滑りガイド２４：電源２５，２６：摺動ブラシ３１：ホイール外周３２：板ばね３３：電極突起３４：突起台４１，４２，４３：電極輪

Claims

帯状又は棒線状の金属材料を走行させつつ該材料に電流を通して直接通電加熱する装置において、１）被加熱材に通電する電極が、ホイールの外周面に互いに絶縁された多数の電極突起を等間隔で設けた歯車状の電極輪と、該電極輪と同軸であり該各突起に導通する整流子と、該整流子の所定部位のみに通電する摺動ブラシと、該電極輪を回転させる手段とから成り、２）該電極突起は弾性的に半径方向に後退可能であって、該電極輪を回転させつつ該電極突起を直進走行する被加熱材に押圧し平行走行させて所定区間を接触状態とし、３）該接触区間よりも内側の区間を通電区間とするよう整流子と摺動ブラシの位置・寸法関係を設定し、４）該通電区間の長さを前記電極突起の間隔の１倍又は２倍として常時１個又は２個又は３個の突起を接触状態とすることによって、一つの突起が該被加熱材に接触した後該突起から通電し、該突起が回転により被加熱材から離反する前に通電を切って火花・スパークの発生を防止するとともに先行突起への通電が切れると同時に後続又は後々続の突起への通電を開始して通電を連続させることを特徴とする直接通電加熱装置。
接触区間の大きさが電極輪の開き角で６０°以下であり、通電区間の大きさが同４０°以下としたことを特徴とする請求項１に記載した直接通電加熱装置。