JP2673539B2 - 丸棒材の定置式直接通電加熱方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は比較的長尺の丸棒材を定置してその全長，全
断面にわたり同時加熱する場合、例えば加熱後，定寸切
断して鍛造工程に付す場合等の加熱手段として使用され
る丸棒材の定置式直接通電加熱方法に関する。

（従来の技術） 定置された丸棒材を直接通電によりその全長，全断面
を同時加熱する場合には、通電電流を丸棒材の軸方向に
流すと効率的な加熱が出来るので、従来から当該丸棒材
の両端部それぞれの所定位置に電極を当接・固定して通
電するようにしている。例えば、第４図（ａ）に示す如
く，丸棒材Ｗの両端面それぞれに電極Ｒ′を当接，かつ
相寄る方向へ押圧しつつ電源Ｅから給電する方式や、第
４図（ｂ）に示す如く，側面視がＶ字型を呈する２個の
ブロツクａおよびｂをその開口部が相対向する如く，か
つ相対的に近接・離間可能な如く構成するとともに、少
なくともいずれかのブロツク……図ではａ……を電源Ｅ
に接続してなる電源Ｒ″を丸棒材Ｗの両端周部それぞれ
に配置し、相対向するＶ字壁間で丸棒材Ｗを周方向から
挟着つつ，通電する方式、あるいはＶ字型ブロツクに替
えて複数の棒状電極の端面を丸棒材Ｗの周面に所定角度
隔てて当接・押圧する方式等がある。

いずれの場合も、所定時間の通電加熱により丸棒材Ｗ
が熱膨張して長さを伸延するので、当該伸延に対処しつ
つ通電が可能な如く、例えばＳとして示すばねを端面側
に配置した構造とされている。また、丸棒材Ｗと電極
Ｒ′ないしＲ″との接触部に激しい抵抗発熱が生ずるの
で、P₁,P₂として示すホースを介して電極Ｒ′,R″に冷
却水を流通させて水冷する構成とされている。

（従来技術に存する問題点） 前記従来方式では、丸棒材の熱膨張伸延は電極の追随
移動で対処充分である。しかし乍ら、電極との接触部が
ある丸棒材の端部近傍と中央部との温度格差に対して
は、水冷電極を用いても，通電電流による丸棒材の発熱
と電極の冷却との関係が極めて微妙なため、解消するこ
とが至難である。

即ち、冷却が過度であると……冷却水の冷却能に限度
があるため，低い目標加熱温度や小さい通電電流値の際
などで稀にしか発生しないが……丸棒材の端部近傍が奪
熱されて昇温不足ないし昇温不足を含む不均一加熱とな
り、全長同時加熱の目的が達せられなかつたり、中央部
方向からの伝導熱をも奪うために通電時間の長大化を招
来する。

通常は逆に電極の冷却が不足する場合が多いが、この
場合には電極と丸棒材の端部近傍に過度の発熱現象＝オ
ーバーヒートが生じ、以下に述べる如き種々の不具合が
生ずる。

接触部のオーバヒートは、電極にとつて耐用時間を著
しく低下させ、これを消耗品として位置ずけし、生産コ
スト上の大きな部分を占めていた。

また、接触部の丸棒材側，電極側それぞれのオーバヒ
ートは通電電流を控めに抑えざるを得ないこととなり、
より大きい電流値による通電での短時間，効率的な加熱
をすることを阻害していた。

さらに、丸棒材Ｗ端部近傍のオーバヒートは当該部分
の結晶粒度を粗大化するので、鍛造目的以外の加熱には
悪影響が生ずるとして殆ど利用されなかつた。

（発明の目的） 本発明は、比較的長尺の丸棒材を定置して直接通電に
より加熱する場合、従来技術に存する上述の問題点を解
消するためになされたもので、電極の耐用時間を飛躍的
に延長可能、丸棒材の端部近傍のオーバヒートを可及的
に抑えて全長，全断面を同時にほぼ均一加熱可能、さら
には通電電流値を従来以上に大きくなし得て，より短時
間より効率的な加熱処理を可能とする丸棒材の定置式直
接通電加熱方法を提供することを目的とする。

（発明にいたる経過） 本発明者は、従来法における接触部オーバヒートの原
因が水冷電極を丸棒材の端面ないし周面所定位置に固定
・押圧したままの状態で通電することにあると断定し
た。

即ち，電極と被加熱材との真の接触面積は見掛け上の
接触面積に較べると非常に小さく、従つて当該小さい接
触面積部分を通電電流が集中して流れるので、電流密度
が極めて高くなり、必然的に激しい抵抗発熱が生ずる。
その上、接触部における通電電流に対する被加熱材の抵
抗値は温度に比例して増大する。上記両者の相乗的現象
として温度上昇が加速度的に進み、中央部の昇温温度と
の間の格差を増大させることとなる。その結果が接触部
のオーバヒートであり、当該オーバヒートが上述の不具
合を生じさせたとするにある。

本発明者は、上記の如く断定をする一方、他方では，
線材等を連続的に送給しつつ通電加熱する場合について
考察した。

即ち，当該通電加熱では、連続送給される線材等の送
り通路上に所定間隔を隔てて水冷ロール電極を配置し、
水冷ロール電極間にある線材等に通電して加熱する構成
をとるが、通電電流を電極の許容電流値以下の所定に設
定する限り，線材等は勿論のこと水冷電極がオーバヒー
トすることはない点に注目した。

本発明は上記断定と考察とを踏まえて完成するに至つ
たものである。

（発明の構成） 本発明の要旨は、 （１）所定長さの丸棒材を定置して直接通電により全
長，全断面にわたり同時加熱する場合において、 （２）上記丸棒材の両端部それぞれの周面に複数のロー
ルを接線方向から当接させて同一方向へ同期回転可能と
するとともに、 （３）上記複数のロール中の少なくとも１以上を摺動子
を介して電源と接続する水冷ロール電極に設定し、 （４）当該水冷ロール電極の全周表面が通電電流との関
係において少なくとも材質の劣化を生起しない所定均一
温度に維持される回転速度をもつて丸棒材を定位置で周
回転せしめつつ通電する ことを特徴とする丸棒材の定置式直接通電加熱方法にあ
る。

換言すれば、本発明は定位置にある丸棒材に対して
電極を固定化せず，電極の相対的周回運動下……換言す
れば丸棒材の周面上で接触通電位置が相対的に周回移動
する状態下……で丸棒材へ通電する点、および上記相
対的周回運動が少なくとも電極の全周表面を所定の均一
温度（ただしその温度は通電電流との関係で同定されな
いが）に維持される回転速度でなされる点を特徴として
掲げるものである。

（発明の作用） 上記構成から、通電位置は常時移動することとなり、
たとえ真の接触面積が小であつて局部的に高電流密度の
通電が行われても、当該通電は瞬間的であるので、抵抗
発熱による昇温と当該昇温による抵抗の増大との相乗的
現象が排除されるという第一の作用が齎される。また、
電極は接触・通電位置が固定でないので、昇温の順次累
積を回避し得るという第二の作用が齎される。

上記作用を以下さらに詳細に説明する。

本発明法では、丸棒材ないし電極の周面上のある通電
位置を基準としてみた場合、周回ごとに瞬間的接触・通
電が多数回繰り返される。これにより、丸棒材側の局部
的昇温は次の周回までの間に他部への熱拡散で、これを
可及的に解消して順次昇温することとなる。もし相対的
周回移動速度が遅いと、上述の相乗的現象が発生する。
それ故に、少なくとも発熱が累積しない相対的周回移動
速度をとつて相乗的現象の発生を防止する必要がある。
相対的周回速度が早ければ当然相乗的現象は生じない
が、むやみに早くすることは機械的，電気的な問題を惹
起するので、相乗的現象の発生を避け得る程度の速度で
足りる。この目安として、電極が周回ごとに基準位置に
回帰した時点で同一の温度状態で瞬間的接触・通電する
ならば、換言すれば電極の全周表面温度が常時所定の均
一温度に維持されているならば、電極側についての発熱
の累積はないといい得るので、上記の如く相対的な周回
の回転速度を設定するものである。

而して丸棒材の周回の角速度は、実施に先立つて行わ
れる実験で電極に通水される冷却水の冷却能との関係も
絡んで個々の事例ごとに具体的に導出されることとな
る。

ここで、電極の上記所定温度を定義付けねばならな
い。電極側の局部的昇温は他部への熱拡散と水冷による
奪熱とで解消可能であるものの、冷却水の冷却能には限
度がある一方、他方では通電電流値の大小に大きく左右
される。従つて、所定温度は通電電流値と冷却能とのバ
ランスにより決まる温度であるが、通電電流値は丸棒材
それぞれの断面積と長さにより定まる質量と加熱予定温
度から定まる異なる値となるので、特定し難い。然し乍
ら、電極の劣化・損耗を生ぜず，かつ通電条件としても
適当な温度範囲、例えば丸棒材を鍛造目的で1200℃に加
熱する場合，少なくとも400℃以下，好ましくは150〜20
0℃程度に維持されればよい。換言すれば、電極の全周
表面温度が適正な所定温度範囲に維持される限り，通電
電流値を増大した通電が可能となる。

丸棒材周回の角速度の設定によつて、上記電極の全周
表面を所定均一温度に維持可能なことは以下に示すコン
ピユータを用いたモデル伝熱解析例から明確である。

〔回転移動加熱による円筒の伝熱解析〕

内部が水冷されている筒体（水冷ロール電極）を回転
させ、回転する筒体外周に点状固定熱源から熱エネルギ
ーを付与する状況下で、筒体部材内の伝熱状態をコンピ
ユータにより解析した。条件設定は角速度条件を変化さ
せるほかは全て同一条件とした。諸条件を以下に示す。

☆筒体：外径 φ360cm 内径 φ250cm ☆熱源：表面電力密度 2000（W/cm²） 接触角度 １（deg） ☆冷却速度：熱伝達率 20（W/cm²・Ｋ） ☆角速度：種々変える 上記解析において、筒体（電極）の全周表面温度が不
均一となる場合，均一温度となる場合それぞれの線図を
第１図（ａ）および（ｂ）に示す。

＊不均一の場合の回転速度;1.2回転／分 ＊均一の場合の回転速度;4回転／秒 第１図の（ａ）は筒体表面に局部的な高温域が生じ、
通電が継続されると，結果的に温度の蓄積を生ずること
を示す。他方（ｂ）では、通電を継続しても、筒体の全
周表面は150℃をやや上回る温度に維持され、結果的に
電極側が同一温度条件で接触・通電することを示す。

（実施例） 本発明法を実施した装置例を第２図（ａ）および
（ｂ）に示す。

図において、Ｗは丸棒材,1a〜1cそれぞれは水冷ロー
ル電極（以下たんに電極という）,2a〜2cは上記電極1a
〜1cそれぞれの回転駆動軸,3a〜3cそれぞれは電源Ｅに
接続する摺動子である。

上記電極1a〜1cそれぞれは所定径に設定され、所定巾
の周面は平滑に形成してある。各電極1a〜1cは丸棒材Ｗ
の軸芯Ｏに対してそれぞれ120゜隔てた方向で，その周
面を丸棒材Ｗの周面接線方向から接触する如く所定位置
に配置され、図示しない駆動源，駆動力伝達機構を介し
て矢印の如く同方向へ同期回転可能に構成される。この
場合、例えば下方に位置する電極1bおよび1cは固定配置
であるが、丸棒材搬出・入の便を考慮して，上方に位置
する電極1aはP,Qとして矢印で示す如く上下方向へ変位
可能とするとともに、下方変位Ｐ時に上記駆動力伝達機
構とかみ合う構成とすることは公知技術により容易であ
る。また、電極1aの下方変位Ｐによつて丸棒材Ｗが各電
極1a〜1cの周面に均等に押圧可能な如く諸元が設定され
る。

上記回転駆動軸2a〜2cそれぞれの周面は受電部となつ
いて、当該周面に摺動子3a〜3cそれぞれが摺動すること
により、電源Ｅから各電極1a〜1cへ給電可能である。

上記丸棒材回転・通電構成は丸棒材Ｗの長さに対応し
た所定間隔をへだてて配置され、それぞれ丸棒材の端部
周面に接触可能である。

尚、通電による丸棒材Ｗの軸方向伸延はいずれかの端
部側の丸棒材回転・通電構成全体を例えば架台に載置す
るようにしたうえ、架台を当該伸延に追随移動可能に設
定すればよい。

以上の構成により、加熱時の丸棒材Ｗの両端部周面は
各電極1a〜1cそれぞれと１条ずつ，計３条の線接触を維
持するので、同一方向へ同期回転する電極1a〜1cの回転
駆動力によりスリツプすることなく所定回転速度で周回
転しつつ,3条の線接触部を通じて通電可能である。

而して、通電時の各電極1a〜1cそれぞれの全周表面温
度は，前掲の如く通電電流との関係において，少なくと
も材質の劣化を生起しない所定温度に維持されており、
回転中の丸棒材Ｗの通電部は前掲相乗的昇温が回避され
てオーバーヒートが可及的に抑えられるので、中央部の
昇温にほぼ同調した昇温を示し、従つて所定通電時間が
経過すると丸棒材Ｗは端部，中央部の別なく全長，全断
面にわたりほぼ同時に均一加熱される。

（実験例） 本発明者は本発明法が有効なことを実証するため、上
記装置を用いて供試体を通電加熱し、端部近傍の昇温状
態を従来法に従つた場合のそれと対比する実験を行つ
た。諸条件は以下のとおりであつた。

○供試体：材質 SUS 304 形状 φ50mm,l10m ○装置：本発明法；水冷ロール電極……３個 ロール巾……10mm ただし接触周面巾 回転速度……0.2回転／秒 上記電極を供試体の端面から30mm中央寄り周面に接線方
向から120゜間隔で当接して回転させつつ通電するする
とともに、通電中の電極全周表面温度が冷却水により18
0℃を維持するようにした。

従来法；水冷棒状電極……３個 端面……20mm² 上記電極を供試体の端面から30mm中央寄り周面に120゜
間隔で当接・固定して通電する。

○通電条件：本発明法；通電電流 10000A 通電時間 210秒 従来法：通電電流 8000A 通電時間 330秒 ただし、通電時間は本発明法と従来法とで通電電流値
が異なるので、加熱目標温度を各供試体中央部が1200℃
に昇温した時点までを通電時間とした結果である。

○温度測定方法：放射温度計を使用し、端部近傍の円周
方向および軸方向昇温状態を通電開始より所定経過時間
ごとに測定した。

尚、軸方向測温位置は電極間の中央を通る側線添いで
ある。

上記諸条件に従つて実施した通電開始後所定経過時間
ごとの温度測定結果を、両供試体の円周方向の昇温状態
は第３図（ａ）に、また軸方向の昇温状態は第３図
（ｂ）にそれぞれ温度分布線図として並記する。各図に
おける線Ａは本発明法実施供試体を，線Ｂは従来法実施
供試体を示す。

尚、軸方向では、いずれの供試体でも中央部の昇温は
端面から150mm位置の昇温とほぼ同一であるので図示を
省略した。

上記第３図（ａ）および（ｂ）から、従来法実施供試
体Ｂの接触部は昇温が他部に比べて急激で，通電終了時
に中央部との温度差が120℃あつてオーバヒート状態で
あるのに対し、本発明法実施供試体Ａの接触部は他部よ
り僅かに高い昇温しか示さず，通電終了時に中央部との
温度差が50℃程度しかなく、本発明法がほぼ均一過熱を
達成していることを確認し得た。

さらに、本発明法は電極の昇温を心配せず、従来法よ
りも大電流で通電し得て、通電時間を従来法の2/3に短
縮しつつ，ほぼ均一加熱結果を得ていることが確認され
た。

（他の実施例） 前掲実施例では、電極を1a〜1cの３個とした例を挙げ
て説明したが、丸棒材Ｗの断面積や質量の大小，予定加
熱温度等に応じて定まる通電電流値の大小により，例え
ば３個のロール中で1bと1cを電極に設定し、1aは押さえ
ロールとしてもよく、さらには３個のロール中の１個の
み電極，残余を押さえロールに設定してもよい。この場
合各ロールの径を等しくする必要はないが、周速度の同
調が必須であることは勿論である。

（発明の効果） 本発明の実施により以下の効果を奏することができ
る。

電極の温度を材質の劣化しない所定温度範囲内に押さ
えてあるので、耐用時間の飛躍的な延長が可能となり、
生産コストの逓減に大きな寄与をする。

また、電極の温度を所定に押さえるので、電極自体の
オーバヒートによる焼損の心配なく、ロール電極許容電
流値範囲内で従来以上の大きい通電流値による通電が可
能となり、通電時間を大幅に短縮，かつ効率的な加熱が
できる。

さらには、丸棒材端部近傍のオーバヒートが可及的に
回避されることとなるので、全長，全断面のほぼ均一加
熱がほぼ同時に可能となり、丸棒材全長の材質的均一性
を向上させ、従つて定置による直接通電加熱を鍛造加熱
以外の目的にも適用する途を拓いたとして賞用される。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）それぞれは本発明法の原理を
証明するコンピユータによる解析線図、第２図（ａ）お
よび（ｂ）それぞれは本発明法の一実施例の側面図およ
び正面図、第３図（ａ）および（ｂ）それぞれは実験例
供試体の円周方向および軸方向それぞれの通電経過時間
ごとの昇温状態を示す温度分布線図、第４図（ａ）およ
び（ｂ）それぞれは従来丸棒材直接通電加熱装置例の正
面図である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定長さの丸棒材を定置して直接通電によ
   り全長，全断面にわたり同時加熱する場合において、上
   記丸棒材の両端部それぞれの周面に複数のロールを接線
   方向から当接させて同一方向へ同期回転可能とするとと
   もに、上記複数のロール中の少なくとも１以上を摺動子
   を介して電源と接続する水冷ロール電極に設定し、当該
   水冷ロール電極の全周表面が通電電流との関係において
   少なくとも材質の劣化を生起しない所定均一温度に維持
   される回転速度をもつて丸棒材を定位置で周回転せしめ
   つつ通電することを特徴とする丸棒材の定置式直接通電
   加熱方法。