JP3647648B2

JP3647648B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP3647648B2
Application number: JP19570698A
Authority: JP
Inventors: 俊信江口; 秀夫坂本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: JP2000030848A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱間鍛造ラインにおける被加熱物のコーナ部を加熱する誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、鋼片を熱間加工する場合、最終加工温度で材料の性質が大きく左右される。つまり、最終加工温度がＡ_ｒ３点（オーステナイトからフェライトへの変態が始まる温度）以上では、比較的細かく均一な整粒組織となり、Ａ_ｒ３点以下では一部粗大粒の混じった混粒組織となり、さらに低温では冷間加工組織の混じった延伸粒組織となる。そこで、熱間加工においては、Ａ_ｒ３点以上の温度で最終加工を完了させることが多い。そして、最終加工温度から上流にさかのぼって温度を設定することになる。なお、最終加工温度は材料によって決まる。
また、ガス炉で均熱加熱された角バー材が大気中に出されると、コーナ部の放熱面積が平行部の放熱面積に比べて大きいため、コーナ部の温度が他に比べて低下してしまう。そのため、鋼片のコーナ部の温度を最終加熱温度以上とするために、上流側の温度をさらに高く設定している。
【０００３】
従来、連続鋳造鋼片を圧延し棒鋼や形鋼などを製造するプロセスにおいて、連続鋳造鋼片を一度冷却し、その後圧延工場にて加熱炉で再び高温に加熱して圧延していた。この場合、電気炉などで溶解した溶解した鋼を連続鋳造した時、できあがった鋼片はまだ十分高温のままであるため、これを屋外などで冷却することは莫大なエネルギーの損失となる。
そこで、連続鋳造された鋼片を放冷せず、表面層の温度降下した部分のみを加熱して十分圧延が可能な状態とするために、誘導加熱装置が適用される。
以下、従来の誘導加熱装置について説明する。
【０００４】
図８は例えば特公昭６３−４９８５８号公報に記載された従来の誘導加熱装置を示す断面図である。
図において、１は被加熱物、２は被加熱物１を送るためのピンチローラ、３は被加熱物１に電力を印加するソレノイドコイル、４はソレノイドコイル３の電源である。
この従来の誘導加熱装置では、電源４からソレノイドコイル３に高周波電流が通電された状態で、被加熱物１がピンチローラ２によりソレノイドコイル３内に搬送される。
この時、図９に示されるように、ソレノイドコイル３の中心に（即ち、図９の紙面に垂直な方向に）磁束φが発生し、ソレノイドコイル３内に搬送された被加熱物１の外周表面に渦電流ｉが集中し、被加熱物１の表面層全体が誘導加熱される。
そこで、誘導加熱装置は、被加熱物１全体を均熱加熱する場合とは違い、表面層のみの部分加熱となり、比較的高い周波数で効率のよい加熱が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の誘導加熱装置は以上のようにソレノイドコイル３を用いて被加熱物１を加熱しているので、被加熱物１の表面層全体を加熱する用途には適している。
しかしながら、電気炉などで溶解した鋼を連続鋳造してできあがった被加熱物１が大気中に出されると、被加熱物１のコーナ部の温度がもっとも低下することから、被加熱物１のコーナ部の温度を設定温度まで加熱する必要がある。そして、従来の誘導加熱装置で被加熱物１を加熱すると、被加熱物１全体が加熱されることになり、加熱に必要な消費電力が大きくなってしまうという課題があった。さらに、被加熱物１のコーナ部以外の部位がコーナ部より高温に加熱されてしまうという課題もあった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、被加熱物のコーナ部を集中して加熱できるようにし、消費電力の低減を図ることができる誘電加熱装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る誘導加熱装置は、被加熱物の相対する一対の面に相対するように軸心を挟んで対向して該軸心と平行に延設された鉄心とこの鉄心に巻装された加熱コイルとからなる一対のインダクタと、被加熱物の相対するもう一対の面に相対するように一対のインダクタに対して軸心を中心に９０度回転した方向で該軸心を挟んで対向して該軸心と平行に延設された鉄心とこの鉄心に巻装された加熱コイルとからなるもう一対のインダクタと、一対のインダクタおよびもう一対のインダクタのそれぞれの鉄心を磁気的に結合して磁気回路を形成するヨークと、一対のインダクタを正極とし、もう一対のインダクタを負極とするように、加熱コイルに電力を印加する高周波インバータ電源とを備え、上記一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの一方の対のインダクタが、それぞれ他方の対のインダクタが対向する方向と平行に移動可能に構成されているものである。
【０００８】
また、高周波インバータ電源を単一の電源とするものである。
【０００９】
また、高周波インバータ電源は複数の電源からなり、同期して一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの加熱コイルに電力を印加するように構成されているものである。
【００１０】
また、一対のインダクタを構成する鉄心がそれぞれ軸心に対して接離する方向に移動可能に構成され、かつ、もう一対のインダクタを構成する鉄心がそれぞれ軸心に対して接離する方向に移動可能に構成されているものである。
【００１２】
また、軸心の方向に連続送りされる被加熱物の位置を検出する位置検出手段と、一対のインダクタおよびもう一対のインダクタを移動させる移動手段と、位置検出手段の検出信号に基いて移動手段を駆動して、鉄心と該鉄心に相対する被加熱物の各面との間隔が設定値となり、かつ、相対する鉄心間の中心が被加熱物の当該鉄心に相対する面間の中心に一致するように、被加熱物に対する一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの位置を調整する制御手段とを備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置を示す断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置を示す斜視図である。
各図において、一対の鉄心１０ａ、１０ｃが軸心を挟んで上下に所定距離離して相対して配置され、さらに一対の鉄心１０ｂ、１０ｄが軸心を挟んで左右に所定距離離して相対して配設されている。そして、加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄをこれらの上下左右に配設された鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれに巻装してそれぞれインダクタを構成し、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄをヨーク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにより互いに磁気的に連結して、４つのインダクタが磁気的に一体化されたインダクタ構造体を構成している。さらに、単一の高周波インバータ電源（図示せず）が加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに電気的に接続されている。
ここで、上下に配した鉄心１０ａ、１０ｃが正極（または負極）となり、左右に配した鉄心１０ｂ、１０ｄが負極（または正極）となるように、高周波インバータ電源から加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに通電される。
【００１４】
つぎに、このように構成された誘導加熱装置の動作について図３を参照しつつ説明する。
矩形断面の被加熱物１がこの誘導加熱装置の軸心に沿って搬送される。この被加熱物１は、平行な上下面が一対の鉄心１０ａ、１０ｃ間に位置し、平行な左右側面が一対の鉄心１０ｂ、１０ｄ間に位置している。そして、被加熱物１の中心を誘導加熱装置の軸心に一致させるように搬送すると、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと被加熱物１の上下左右の各面との間隔が全て等しく、かつ、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの中心が相対する被加熱物１の上下左右の面の中央に位置するようになる。
そこで、上下に配した鉄心１０ａ、１０ｃが正極となり、左右に配した鉄心１０ｂ、１０ｄが負極となるように、高周波インバータ電源から加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに通電されると、図３中矢印で示されるように、磁束φが発生する。つまり、磁束φは一対の鉄心１０ａ、１０ｃから被加熱物１を通り、ついで一対の鉄心１０ｂ、１０ｄを通り、さらにヨーク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを通って一対の鉄心１０ａ、１０ｃに戻るように流れる。そして、この磁束φが被加熱物１を貫通することにより、被加熱物１のコーナ部に渦電流ｉが集中し、該コーナ部が加熱される。
【００１５】
この実施の形態１によれば、被加熱物１の表面層全体を加熱することなく、そのコーナ部を集中して加熱することができ、少ない消費電力で被加熱物１のコーナ部の温度を設定温度まで加熱することができる。また、コーナ部が集中的に加熱されるので、被加熱物１のコーナ部以外の部位がコーナ部より高温に加熱されてしまうことはない。
また、ヨーク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄで鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを磁気的に連結して磁気回路を形成しているので、鉄心の漏れ磁束を著しく抑えることができ、被加熱物１を貫通する主磁束を安定して発生させることができる。
また、単一の高周波インバータ電源により各加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに通電するようにしているので、インダクタ構造体に被加熱物１を貫通するような向きに磁束を効率よく発生させることができ、被加熱物１のコーナ部を効率よく加熱することができる。
【００１６】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、単一の高周波インバータ電源で全ての加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに通電するものとしているが、この実施の形態２では、４台の高周波インバータ電源から加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれに同期して通電するようにしたものである。
この場合、被加熱物１を加熱する際に、１台の高周波インバータ電源では容量が不足している場合にも、被加熱物１のコーナ部を所定温度に確実に加熱することができる。
なお、この実施の形態２では、４つの加熱コイルのそれぞれに１台ずつ高周波インバータ電源を接続するものとしているが、高周波インバータ電源は４台に限らず、各加熱コイルに同期して通電できれば何台でもよい。
【００１７】
実施の形態３．
この実施の形態３では、図４に示されるように、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄがヨーク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに対して摺動自在に配設され、一対の鉄心１０ａ、１０ｃが移動手段としての移送装置１３ａ、１３ｃにより上下方向に移動可能に構成され、一対の鉄心１０ｂ、１０ｄが移動手段としての移送装置１３ｂ、１３ｄにより左右方向に移動可能に構成されている。ここで、移送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは油圧シリンダやモータ機構などを用いることができる。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００１８】
この実施の形態３では、移送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを作動させることにより、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの位置を独立して変更できる。そこで、被加熱物１のサイズが変わっても、被加熱物１の上下左右の各面と鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとの間隙が一定値をとるように鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの位置をそれぞれ調整でき、加熱性能が確保され、優れた汎用性が得られる。
【００１９】
実施の形態４．
この実施の形態４では、図５に示されるように、ヨーク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが移動手段としての移送装置１４ａ、１４ｂにより上下方向に昇降可能に構成されている。ここで、移送装置１４ａ、１４ｂは油圧シリンダやモータ機構などを用いることができる。
なお、他の構成は上記実施の形態３と同様に構成されている。
【００２０】
被加熱物１は、ピンチローラなどの手段によりインダクタ構造体内に搬送されるので、被加熱物１の底面が高さ基準となる。そこで、被加熱物１の高さが変わると、左右のインダクタ、即ち鉄心１０ｂ、１０ｄの中心が被加熱物１の高さ方向の中央に位置しなくなる。
この実施の形態４では、移送装置１４ａ、１４ｂを作動させることにより、鉄心１０ｂ、１０ｄの上下方向の位置を独立して変更できるので、被加熱物１の左右の各面に対して、鉄心１０ｂ、１０ｄと被加熱物１との高さ方向のズレ量Ｙをゼロとすることができ、汎用性をさらに高めることができる。
【００２１】
実施の形態５．
この実施の形態５では、図６に示されるように、被加熱物１の上下左右の各面の位置をそれぞれ検出する位置検出手段としての位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが、それぞれインダクタ構造体の入口側および出口側に配設されている。
ここで、位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄは、それぞれローラ１６と、一端にローラ１６を回転自在に支持する支持腕１７とから構成され、支持腕１７がローラ１６を被加熱物１の面に弾性的に付勢し、かつ、他端を回動自在に取り付けられている。そして、支持棒１７の回動角度に基いて被加熱物１の位置を検出している。
なお、他の構成は上記実施の形態４と同様に構成されている。
【００２２】
つぎに、この実施の形態５の動作について説明する。
被加熱物１は、ピンチローラなどの手段によりインダクタ構造体内に搬送される。そして、被加熱物１は、上下左右の各面でインダクタ構造体の入口側に配設された位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各ローラ１６を回転させつつ、出口側に搬送される。そして、被加熱物１がインダクタ構造体の出口まで搬送されると、出口側に配設された位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各ローラ１６を回転させつつ、外部に搬出される。
この被加熱物１が搬送される際に、上下に配した鉄心１０ａ、１０ｃが正極となり、左右に配した鉄心１０ｂ、１０ｄが負極となるように、高周波インバータ電源から加熱コイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに通電され、被加熱物１のコーナ部が所定温度に加熱される。
【００２３】
被加熱物１が搬送される際に、位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各ローラ１６が被加熱物１の上下左右の各面に当接しているので、被加熱物１のサイズや位置ずれに応じた支持腕１７の回動角度が出力される。
そこで、図７に示されるように、制御手段としての制御装置１８が、この位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの出力信号を入力し、支持腕１７の回動角度から被加熱物１の位置、即ち軸心に対する上下左右の各面位置を算出する。ついで、制御装置１８が、被加熱物１の検出位置と目標設定値と比較し、それぞれの偏差がゼロとなるように各移送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１４ａ、１４ｂを駆動する。つまり、制御装置１８は、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと被加熱物１の上下左右の各面との間隙が設定値となるように、かつ、鉄心１０ｂ、１０ｄの上下方向の中心が被加熱物１の左右の各面の上下方向の中心と一致するように、各移送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１４ａ、１４ｂを駆動する。
【００２４】
この実施の形態５によれば、位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄにより被加熱物１の位置を検出し、制御装置１８が位置検出装置１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの出力信号に基いて鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと被加熱物１の上下左右の各面との間隙が設定値となるように、かつ、鉄心１０ｂ、１０ｄの上下方向の中心が被加熱物１の左右の各面の上下方向の中心と一致するように、移送装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１４ａ、１４ｂを駆動しているので、被加熱物１と鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとの相対位置関係が常に一定に維持され、安定して被加熱物１の加熱を行うことができる。
【００２５】
なお、上記各実施の形態では、鉄心１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが軸心を中心に上下左右に配置するものとしているが、鉄心配置はこれに限定されるものではなく、軸心を中心に上下左右に配置された鉄心を軸心周りに所定角度回動させた鉄心配置であってもよい。この場合、被加熱物１の各面が鉄心と相対するように被加熱物１を傾けて搬送するようにすればよい。
また、上記実施の形態５では、位置検出手段としてローラ１６と支持腕１７とからなる位置検出装置を用いるものとしているが、位置検出手段は被加熱物１の各面の位置を検出できるものであればよく、例えば発光素子からの出射光を被加熱物の面で反射させ、その反射光を受光素子で受光させて被加熱物までの距離を計測するような光学式センサでもよい。
【００２６】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２７】
この発明によれば、被加熱物の相対する一対の面に相対するように軸心を挟んで対向して該軸心と平行に延設された鉄心とこの鉄心に巻装された加熱コイルとからなる一対のインダクタと、被加熱物の相対するもう一対の面に相対するように一対のインダクタに対して軸心を中心に９０度回転した方向で該軸心を挟んで対向して該軸心と平行に延設された鉄心とこの鉄心に巻装された加熱コイルとからなるもう一対のインダクタと、一対のインダクタおよびもう一対のインダクタのそれぞれの鉄心を磁気的に結合して磁気回路を形成するヨークと、一対のインダクタを正極とし、もう一対のインダクタを負極とするように、加熱コイルに電力を印加する高周波インバータ電源とを備え、上記一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの一方の対のインダクタが、それぞれ他方の対のインダクタが対向する方向と平行に移動可能に構成されているので、被加熱物のコーナ部を集中して加熱でき、加熱に要する消費電力の低減を図ることができる誘導加熱装置が得られる。
【００２８】
また、高周波インバータ電源を単一の電源としているので、被加熱物を貫通する主磁束を安定して発生させることができる。
【００２９】
また、高周波インバータ電源は複数の電源からなり、同期して一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの加熱コイルに電力を印加するように構成されているので、大容積の被加熱物に対しても電源の容量が不足して所定温度まで加熱しきれないような事態を未然に防止することができる。
【００３０】
また、一対のインダクタを構成する鉄心がそれぞれ軸心に対して接離する方向に移動可能に構成され、かつ、もう一対のインダクタを構成する鉄心がそれぞれ軸心に対して接離する方向に移動可能に構成されているので、被加熱物のサイズが変更されても、インダクタと被加熱物との相対位置関係が一定となるように調整できる。
【００３２】
また、軸心の方向に連続送りされる被加熱物の位置を検出する位置検出手段と、一対のインダクタおよびもう一対のインダクタを移動させる移動手段と、位置検出手段の検出信号に基いて移動手段を駆動して、鉄心と該鉄心に相対する被加熱物の各面との間隔が設定値となり、かつ、相対する鉄心間の中心が被加熱物の当該鉄心に相対する面間の中心に一致するように、被加熱物に対する一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの位置を調整する制御手段とを備えているので、インダクタと被加熱物との相対位置関係を常に一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置の動作を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る誘導加熱装置を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る誘導加熱装置を示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係る誘導加熱装置の要部を示す側面図である。
【図７】この発明の実施の形態５に係る誘導加熱装置の制御部を示すブロック図である。
【図８】従来の誘導加熱装置を示す側面図である。
【図９】従来の誘導加熱装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１被加熱物、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ鉄心（インダクタ）、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄヨーク、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ加熱コイル（インダクタ）、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１４ａ、１４ｂ移送装置（移動手段）、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ位置検出装置（位置検出手段）、１８制御装置（制御手段）。

Claims

断面矩形の被加熱物を軸心の方向に連続送りしながら加熱する誘導加熱装置において、
上記被加熱物の相対する一対の面に相対するように上記軸心を挟んで対向して該軸心と平行に延設された鉄心とこの鉄心に巻装された加熱コイルとからなる一対のインダクタと、
上記被加熱物の相対するもう一対の面に相対するように上記一対のインダクタに対して上記軸心を中心に９０度回転した方向で該軸心を挟んで対向して該軸心と平行に延設された鉄心とこの鉄心に巻装された加熱コイルとからなるもう一対のインダクタと、
上記一対のインダクタおよび上記もう一対のインダクタのそれぞれの鉄心を磁気的に結合して磁気回路を形成するヨークと、
上記一対のインダクタを正極とし、上記もう一対のインダクタを負極とするように、上記加熱コイルに電力を印加する高周波インバータ電源とを備え、
上記一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの一方の対のインダクタが、それぞれ他方の対のインダクタが対向する方向と平行に移動可能に構成されていることを特徴とする誘導加熱装置。
上記一対のインダクタを構成する鉄心がそれぞれ上記軸心に対して接離する方向に移動可能に構成され、かつ、上記もう一対のインダクタを構成する鉄心がそれぞれ上記軸心に対して接離する方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
上記軸心の方向に連続送りされる上記被加熱物の位置を検出する位置検出手段と、上記一対のインダクタおよびもう一対のインダクタを移動させる移動手段と、上記位置検出手段の検出信号に基いて上記移動手段を駆動して、上記鉄心と該鉄心に相対する上記被加熱物の各面との間隔が設定値となり、かつ、相対する上記鉄心間の中心が上記被加熱物の当該鉄心に相対する面間の中心に一致するように、上記一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの位置を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の誘導加熱装置。
上記高周波インバータ電源は単一の電源であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
上記高周波インバータ電源は複数の電源からなり、同期して上記一対のインダクタおよびもう一対のインダクタの加熱コイルに電力を印加するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。