JP3668015B2 - 円筒状金属コイルの熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷延鋼板や電磁鋼板などの鋼板やアルミ板等コイル状に巻いた円筒状金属コイルを効率よく、熱処理できる円筒状金属コイルの熱処理装置および熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、円筒状金属コイルの加熱は、バッチ炉に入れガスやパネルヒーターにより加熱する方法がほとんどである。バッチ加熱は、雰囲気が制御でき、高温で焼鈍できるほか、機械的な歪みを与えずに焼鈍できることから、連続焼鈍装置では加熱できない特殊な材質のものや、品質が厳しいものなどに適用されている。
【０００３】
しかし、円筒状金属コイルのバッチ焼鈍は、基本的には金属の塊を外部から加熱することになるため、加熱時間が非常に長くなるとともに、温度偏差が大きくつきやすいため長時間にわたって均熱化する必要があるほか、加熱効率が極めて低い等の問題がある。この問題を解決するため通電加熱を採用することが提唱されている。たとえば、特開平６−１００６７号公報にはコイルの両端から通電することが、また特開平５−１７１２５９号公報には拡縮機構を有する内外電極により直接通電することが記載されている。また、電気を使って加熱する方法としては、特開昭６１−１９０９７号公報にコイル内に鉄心を通し、誘導加熱する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通電加熱する方法では、特開平６−１００６７号公報の場合、コイルと電極の接触面が均一に当たりにくいため局部的に発熱し、コイルに損傷を与えるという問題がある。また、特開平５−１７１２５９号公報では圧延後の板厚差に起因して板幅方向で温度差がつくことが問題となる。また、両者とも塊状なため抵抗が小さく、大電流を流さないと発熱しにくく、時間をかけないと加熱しにくいという問題がある。また、特開昭６１−１９０９７号公報では、誘導加熱が効果的に行われるのは、周波数に応じた浸透深さまでの部分のみで、それ以外の部分は、伝熱により熱が伝わるため加熱速度を制御することが難しく、温度分布が大きくつきやすいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、制御性、効率がよく、均一な加熱を短時間に安定してできる円筒状金属コイルの熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は下記の通りである。
【０００７】
（１）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱する加熱装置であって、加熱される円筒状金属コイルの外表面及び内表面に断熱層を設けたことを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理装置。
【０００８】
（２）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱する際に、一次コイルに断続的に通電し円筒状金属コイルを加熱することを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
【０００９】
（３）前記加熱装置の後段に、加熱完了した円筒状金属コイルを巻きほどくアンコイラーと、再巻取りするリコイラーと、前記アンコイラーと前記リコイラーとの間に走行中の金属帯板を冷却する冷却装置を更に備えたことを特徴とする（１）記載の円筒状金属コイルの熱処理装置。
【００１０】
（４）前記アンコイラーに加熱完了した円筒状金属コイルを保熱する機構を設けたことを特徴とする前記（３）の円筒状金属コイルの熱処理装置。
【００１１】
（５）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱した後、直ちに、あるいは一定温度以上を保持した後、該円筒状金属コイルをほどきながら冷却することを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
【００１２】
（６）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱した後、直ちに、あるいは一定温度以上を保持した後、該円筒状金属コイルをほどきながら冷却するとともに、冷却後再巻取りし、再度通電加熱、温度保持、冷却を適宜組み合わせ複数回施すことを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。説明では特に加熱雰囲気を特定していないが、酸化雰囲気でもまた非酸化雰囲気でも構わない。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明による円筒状金属コイルの熱処理装置を説明する模式図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面を示す図である。
【００１５】
帯状の金属を巻いた円筒状金属コイル１の内側の空間部分には、良磁性体、たとえば電磁鋼板等でつくられた鉄心２が貫通し、鉄心２と鉄心３により磁気回路が形成されるようにリング状のトランスを形成する。鉄心２は、鉄心３から分離できるように形成する。鉄心３には一次電源８に接続された一次コイル４を巻き、トランスの一次回路とする。
【００１６】
一方、円筒状金属コイル１は、表面に高抵抗の皮膜を形成するか、あるいはコイル状に巻くときに、帯状金属板の間に絶縁体を入れて一緒に巻くことにより、板間の絶縁性を保つことができる。例えば、熱延された鋼板などのように、表面に厚いスケール層ができそれが絶縁性を有する程の抵抗層になる場合や、電磁鋼板のように表層に絶縁皮膜を作る材料などのように、あらかじめ円筒状金属コイル層間の抵抗が高い場合には、円筒状金属コイル１に流れる電流は層間を伝わらず、円筒状金属コイル１内部を伝わり、円筒状金属コイル１自体が多数巻きの２次コイルを形成する。この円筒状金属コイル１の両端、すなわちコイル１の外側と内側部分を導電部材５でつなげた電極６と電極７で短絡することにより２次回路を形成する。
【００１７】
こうすることにより、一次電源８から一次電圧を加えると、一次コイル４の巻き数に応じた２次電圧が直接円筒状金属コイル１の中に誘起される。誘起された２次電圧により２次電流が円筒状金属コイル１内を流れることにより、円筒状金属コイル１自体がジュール加熱される。この加熱方法では、加熱電源の周波数が低い場合には、コイル内の電流は板幅方向でほぼ均一に流れるため、均一な加熱をすることが可能である。
【００１８】
本加熱装置では、一次コイルに加えられた電力は、直接２次コイルに誘起されるため、加熱効率が極めて高い。すなわち、コイル１内に発生した２次電流によるジュール損は、電極６、導電部材５、電極７の抵抗と２次電流の２乗分しかなく、これらの材質を低抵抗の銅等で形成すれば、ジュール損失を極めて小さなものにすることができる。また、コイル内に発生した２次電圧Ｖ2は、発生した２次電流Ｉ2とコイル全体の抵抗Ｒｃの積を引いた分だけが電極電圧Ｅ2として生じる。すなわち、これを式で示せ ば、数１となる。ここで、Ｒｂは銅を用いればmΩオーダーにすることは容易であり、この場合には２ 次電流が１０の３乗オーダーであっても10の1乗Ｖオーダーにしかならず、仮に２次電流が大きな値で あった場合でも、極めて安全な設備となる。
【００１９】
【数１】
電極電圧Ｅ2 ＝ Ｖ2 − Ｉ2× Ｒｃ
＝ Ｉ2×Ｒｂ（電極、導電部材の抵抗の和）
【００２０】
本加熱装置では、電力の調整は一次電源で行うことができるが、円筒状金属コイル１の巻き数が変化する場合には、一次コイル４の巻き数を変えられる様に一次コイル４にタップを設けておき、負荷に応じてタップを切り替えるようにすればよい。当然のことながら、一次コイル４も温度上昇することから、一次コイル４には水冷の銅パイプなどを用いれば良い。
【００２１】
この様に本加熱装置は、従来にない優れた円筒状金属コイルの熱処理装置ではあるが、厳密な温度制御が要求される場合には、さらに工夫が必要となる。本加熱装置による加熱では、大きく２つの原因により加熱温度の均一性が損なわれる。
【００２２】
一つは、加熱される円筒状金属コイルの熱損失が円筒状金属コイルの表面から行われることにより、円筒状金属コイルの内部と外表面、内表面との間で温度差が付きやすいということである。この対策として、本発明ではコイルの外に逃げる放散熱を防止するため、円筒状金属コイル１の表面に断熱層９及び断熱層１０を設ける。この断熱層９、１０は、例えば断熱性のあるアルミナなどのセラミックス等で電極に接続する帯板が露出する隙間を設けたスリーブとしたり、あるいは繊維状のセラミックス等で円筒状金属コイルの外面を覆い、また内面に充填したりして形成できる。もちろんこれらの断熱層は円筒状金属コイル１と密着する必要はなく、間に空間を作りガス層を設けても良い。また、コイルの側面についても放散熱の影響はあるが、側面については、後で述べるようにエッジ側の温度が上がり過ぎる場合もあり、必ずしも断熱することが得策とは限らず、熱放散と発熱とのバランスにより均温化することも可能であり、必要に応じて断熱を行えば良い。
【００２３】
もう一つ温度偏差がつく原因として、圧延により金属帯板の幅方向の厚みが異なることが上げられる。金属帯板の板幅方向で電流が均一に流れたとしても、幅方向で板厚が異なればそれに応じて加熱温度も変化する。特に、コイルのエッジ側は、通常圧延の際に過大圧下を受けやすく他の部位と比べ薄くなっており、温度が上がりやすい。また、交流を使って加熱することから、表皮効果によりエッジ側の温度が上がりやすい状況にもある。そこで、本発明では、これらの原因による板幅方向の温度差を解消するため、円筒状金属コイルに電流を断続的に通電する。断続的に通電する理由は、電流を流し温度分布が板幅方向についた場合、通電により温度が高くなった部分から伝導伝熱により温度の低い所へ熱移動させることにより、温度差を小さくするためであり、通電と伝導伝熱を組み合わせることにより温度を平均化させる。なお、本発明で断続的に通電するとは、完全に電流をｏｎ／ｏｆｆする場合も含むが、所要電流未満の電流（I`[A]）と所要電流（Ｉ[A]：100％）とを組み合わせる場合も含む。発熱は電流 の２乗に比例することから、所要電流未満の電流値は、発熱量としては（ I`/ Ｉ）の２乗に比例して 小さくなるが、材料の厚みや加熱時間、温度不均一性等を考慮して適宜値を決めればよい。
【００２４】
次に、 円筒状金属コイルの熱処理方法について述べる。
【００２５】
上記したように、本発明による熱処理装置を用いれば、加熱速度は電源さえあれば比較的自由に選ぶことができる。しかし、円筒状に巻かれた金属コイルは、そのままでは単なる高温の金属の塊でしかないため、なかなか冷えにくい。また、前述したように表面からの抜熱によってしか冷えないため、金属コイルの表面と内面では大きな温度偏差が生じ、１コイル内で材質のばらつきが生じやすい。そこで、本発明では図２に示す様に、前述した加熱に用いる熱処理装置と合わせ、高温にしたコイルを巻きほどくアンコイラー１１とほどいた帯状金属を再び巻き取るリコイラー１２とを設置し、両装置間に冷却装置１４、１５を設ける。この様に加熱したコイルを巻きほどきながら冷却することにより、冷却時間も短縮できるとともに、冷却むらによる材質のばらつきも抑えることができる。
【００２６】
手順としては、初めに分離可能な鉄心２を鉄心３からとりはずし、その後加熱された円筒状金属コイル１を鉄心３から抜き出し、クレーンやコイル台車等によりアンコイラー１１にセットし、帯状金属１３を引き出してリコイラー１２にセットし、コイル１の巻きほどきと再巻き取りを行う。図示はしていないが、巻き取り精度を高めるため蛇行制御装置やダンサーロールなどの張力制御装置などを設置すれば、精度の良い再巻き取りが可能となる。
【００２７】
このアンコイラー１１とリコイラー１２との間に冷却装置１４、１５を設ける。冷却装置としては、ガス冷却装置やミスト冷却装置、気水冷却装置、水噴霧冷却装置、浸漬冷却装置、ロール冷却装置など、必要な冷却速度、表面品質、コスト等を考慮して設置すれば良い。また、冷却媒体も空気や窒素だけではなく水素などを使っても良い。雰囲気も加熱から冷却まで完全に非酸化雰囲気としても良いし、酸化雰囲気としても良い。
【００２８】
この様に、本発明による熱処理装置を用いれば、加熱速度も冷却速度も自由になるため、従来円筒状金属コイルでは困難であった熱処理が可能となる。図３（ａ）のＡは、円筒状金属コイルを加熱後直ちに冷却する例であり、例えばＩＦ鋼などの様に所定温度に加熱した後は温度を保持しなくても良い材質の場合には、この様な温度パターンが円筒状金属コイルでも実現できる。また、図３（ａ）中のＢは、一定温度を保持した後冷却する例であり、加工性を要求される鋼板等の場合に適用できる。これは、図３（ａ）のＣの様に若干温度が下がっても、ある温度以上を一定時間保つ様な場合にも適用される。さらに、図３（ｂ）は、加熱した後一定時間一定温度以上を保った後、冷却を行い、巻き取った後再度加熱を行ってそのまま放冷させた後冷却する例を示し、鋼板の連続焼鈍で行われている再加熱ＯＡなども実現できる。この様に、本熱処理装置および熱処理方法を用いれば、従来連続熱処理装置でしかできなかった熱処理パターンを、円筒状金属コイルで実現することができるようになる。
【００２９】
【実施例】
実験には、一辺が170mmの正方形断面の電磁鋼積層鉄心を用いた。この鉄心は、コの字型とI型からできており、コの字の方に一次コイルとして直径10ｍｍの水冷銅パイプを10ターン巻き、１ターン毎にタップをたて巻き数を自由に選択できるようにした。一方、2次側となる円筒状金属コイルは、内径を500mmとし、500ｍｍ幅の1mmの熱延鋼板500Kgを重ねて70回巻いて製作した。コイルを巻くときには、途中 に熱電対を幅方向に入れておいた。このコイルの内側と外側の鋼板端部は、長さ800ｍｍ、厚み10ｍｍ 、幅50ｍｍの銅製の電極２枚で挟み、250mm2の銅ケーブルで短絡し２次回路を形成した。一次電源は、周波数50Hz、電圧400V、容量600KVAのサイリスタインバーターを用いた。
【００３０】
この装置を用い、１次側で電圧が400[V]一定になるように設定し、４ターンで電流を流し、60分で850℃まで加熱したときの昇温時の温度分布を測定した。実験は、円筒状コイルの内面、外面、側面に100mmのセラミックスファイバー（熱伝導率1W/mK）を巻いて断熱を行った場合（表１下段）と、巻かずに 放冷させた場合（表１上段）とを測定した。温度は、厚み方向にコイル内側表面から5mm点、150mm点、外表面から5mm点の３カ所に、板幅方向として、両エッジから20mm点と中央の３点の分布を測定した。 表１にその結果を示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
幅方向で見ると、放冷の場合温度幅５℃以内に納まっているが、厚み方向でみると１２℃の温度差が生じた。それに対し、断熱を施して加熱した場合は、幅方向温度幅５℃以内に納まるとともに、厚み方向でみても最大４℃の温度偏差しか生じず、極めて均熱性が良いことが確認できた。従来の様にガス加熱で実験に用いた円筒状金属コイルの加熱を行う場合には、温度偏差が±１００℃以上つくとともに、均熱性を求める場合には、数時間から１日程度を要することから、本発明の急速加熱性、均熱性が著しく優れているのは明らかである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の加熱装置を用いれば、円筒状金属コイルのバッチ加熱の本質的な問題である外表面からの輻射加熱によって生じる加熱温度分布の発生や、加熱時間がかかりすぎて生産性が著しく落ちる、加熱効率が極めて低いという問題を解決することができる。すなわち、電流により円筒状金属コイルの内部から加熱を行うため、加熱時間を自在に制御でき、しかも温度分布、加熱効率が極めて良いため、加熱品質が良く歩留まり落ちを少なくでき、省エネにも大きく寄与する。また、単に加熱時間を短縮するばかりではなく、冷却も短時間で行うことができるため、生産性を著しく改善するとともに、冷却温度むらも解消できるため、材質のばらつきを極めて小さくすることができる。さらに、これまでは連続焼鈍設備でなければできなかった様々なヒートパターンを自在に実現できるため、バッチ熱処理ではできなかった熱処理も可能になるばかりではなく、新しい材質を作り出すことも可能になる。また、本発明では、通電に要する電圧、電流をコイルに直接誘起させるため、所要電圧が高いときでも電極部での電圧は極めて小さくでき、かつ、円筒状金属コイルの場合、加熱長が長くなるため抵抗が大きくなり、所要電流を小さくできることから、設備の安全性の面からも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による円筒状金属コイルの熱処理装置を説明する模式図（同図（ａ））およびそのＡ−Ａ断面図（同図（ｂ））である。
【図２】 本発明による円筒状金属コイルの熱処理装置を示す図である。
【図３】 本発明による熱処理方法におけるヒートパターンを示す図である。
【符号の説明】
１ 円筒状金属コイル
２ 鉄心
３ 鉄心
４ 一次コイル
５ 導電部材
６ 電極
７ 電極
８ 一次電源
９ 断熱層
１０ 断熱層
１１ アンコイラー
１２ リコイラー
１３ 帯状金属
１４ 冷却装置
１５ 冷却装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷延鋼板や電磁鋼板などの鋼板やアルミ板等コイル状に巻いた円筒状金属コイルを効率よく、熱処理できる円筒状金属コイルの熱処理装置および熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、円筒状金属コイルの加熱は、バッチ炉に入れガスやパネルヒーターにより加熱する方法がほとんどである。バッチ加熱は、雰囲気が制御でき、高温で焼鈍できるほか、機械的な歪みを与えずに焼鈍できることから、連続焼鈍装置では加熱できない特殊な材質のものや、品質が厳しいものなどに適用されている。
【０００３】
しかし、円筒状金属コイルのバッチ焼鈍は、基本的には金属の塊を外部から加熱することになるため、加熱時間が非常に長くなるとともに、温度偏差が大きくつきやすいため長時間にわたって均熱化する必要があるほか、加熱効率が極めて低い等の問題がある。この問題を解決するため通電加熱を採用することが提唱されている。たとえば、特開平６−１００６７号公報にはコイルの両端から通電することが、また特開平５−１７１２５９号公報には拡縮機構を有する内外電極により直接通電することが記載されている。また、電気を使って加熱する方法としては、特開昭６１−１９０９７号公報にコイル内に鉄心を通し、誘導加熱する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通電加熱する方法では、特開平６−１００６７号公報の場合、コイルと電極の接触面が均一に当たりにくいため局部的に発熱し、コイルに損傷を与えるという問題がある。また、特開平５−１７１２５９号公報では圧延後の板厚差に起因して板幅方向で温度差がつくことが問題となる。また、両者とも塊状なため抵抗が小さく、大電流を流さないと発熱しにくく、時間をかけないと加熱しにくいという問題がある。また、特開昭６１−１９０９７号公報では、誘導加熱が効果的に行われるのは、周波数に応じた浸透深さまでの部分のみで、それ以外の部分は、伝熱により熱が伝わるため加熱速度を制御することが難しく、温度分布が大きくつきやすいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、制御性、効率がよく、均一な加熱を短時間に安定してできる円筒状金属コイルの熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は下記の通りである。
【０００７】
（１）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱する加熱装置であって、加熱される円筒状金属コイルの外表面及び内表面に断熱層を設けたことを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理装置。
【０００８】
（２）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱する際に、一次コイルに断続的に通電し円筒状金属コイルを加熱することを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
【０００９】
（３）前記加熱装置の後段に、加熱完了した円筒状金属コイルを巻きほどくアンコイラーと、再巻取りするリコイラーと、前記アンコイラーと前記リコイラーとの間に走行中の金属帯板を冷却する冷却装置を更に備えたことを特徴とする（１）記載の円筒状金属コイルの熱処理装置。
【００１０】
（４）前記アンコイラーに加熱完了した円筒状金属コイルを保熱する機構を設けたことを特徴とする前記（３）の円筒状金属コイルの熱処理装置。
【００１１】
（５）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱した後、直ちに、あるいは一定温度以上を保持した後、該円筒状金属コイルをほどきながら冷却することを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
【００１２】
（６）金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱した後、直ちに、あるいは一定温度以上を保持した後、該円筒状金属コイルをほどきながら冷却するとともに、冷却後再巻取りし、再度通電加熱、温度保持、冷却を適宜組み合わせ複数回施すことを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。説明では特に加熱雰囲気を特定していないが、酸化雰囲気でもまた非酸化雰囲気でも構わない。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明による円筒状金属コイルの熱処理装置を説明する模式図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面を示す図である。
【００１５】
帯状の金属を巻いた円筒状金属コイル１の内側の空間部分には、良磁性体、たとえば電磁鋼板等でつくられた鉄心２が貫通し、鉄心２と鉄心３により磁気回路が形成されるようにリング状のトランスを形成する。鉄心２は、鉄心３から分離できるように形成する。鉄心３には一次電源８に接続された一次コイル４を巻き、トランスの一次回路とする。
【００１６】
一方、円筒状金属コイル１は、表面に高抵抗の皮膜を形成するか、あるいはコイル状に巻くときに、帯状金属板の間に絶縁体を入れて一緒に巻くことにより、板間の絶縁性を保つことができる。例えば、熱延された鋼板などのように、表面に厚いスケール層ができそれが絶縁性を有する程の抵抗層になる場合や、電磁鋼板のように表層に絶縁皮膜を作る材料などのように、あらかじめ円筒状金属コイル層間の抵抗が高い場合には、円筒状金属コイル１に流れる電流は層間を伝わらず、円筒状金属コイル１内部を伝わり、円筒状金属コイル１自体が多数巻きの２次コイルを形成する。この円筒状金属コイル１の両端、すなわちコイル１の外側と内側部分を導電部材５でつなげた電極６と電極７で短絡することにより２次回路を形成する。
【００１７】
こうすることにより、一次電源８から一次電圧を加えると、一次コイル４の巻き数に応じた２次電圧が直接円筒状金属コイル１の中に誘起される。誘起された２次電圧により２次電流が円筒状金属コイル１内を流れることにより、円筒状金属コイル１自体がジュール加熱される。この加熱方法では、加熱電源の周波数が低い場合には、コイル内の電流は板幅方向でほぼ均一に流れるため、均一な加熱をすることが可能である。
【００１８】
本加熱装置では、一次コイルに加えられた電力は、直接２次コイルに誘起されるため、加熱効率が極めて高い。すなわち、コイル１内に発生した２次電流によるジュール損は、電極６、導電部材５、電極７の抵抗と２次電流の２乗分しかなく、これらの材質を低抵抗の銅等で形成すれば、ジュール損失を極めて小さなものにすることができる。また、コイル内に発生した２次電圧Ｖ2は、発生した２次電流Ｉ2とコイル全体の抵抗Ｒｃの積を引いた分だけが電極電圧Ｅ2として生じる。すなわち、これを式で示せ ば、数１となる。ここで、Ｒｂは銅を用いればmΩオーダーにすることは容易であり、この場合には２ 次電流が１０の３乗オーダーであっても10の1乗Ｖオーダーにしかならず、仮に２次電流が大きな値で あった場合でも、極めて安全な設備となる。
【００１９】
【数１】
電極電圧Ｅ2 ＝ Ｖ2 − Ｉ2× Ｒｃ
＝ Ｉ2×Ｒｂ（電極、導電部材の抵抗の和）
【００２０】
本加熱装置では、電力の調整は一次電源で行うことができるが、円筒状金属コイル１の巻き数が変化する場合には、一次コイル４の巻き数を変えられる様に一次コイル４にタップを設けておき、負荷に応じてタップを切り替えるようにすればよい。当然のことながら、一次コイル４も温度上昇することから、一次コイル４には水冷の銅パイプなどを用いれば良い。
【００２１】
この様に本加熱装置は、従来にない優れた円筒状金属コイルの熱処理装置ではあるが、厳密な温度制御が要求される場合には、さらに工夫が必要となる。本加熱装置による加熱では、大きく２つの原因により加熱温度の均一性が損なわれる。
【００２２】
一つは、加熱される円筒状金属コイルの熱損失が円筒状金属コイルの表面から行われることにより、円筒状金属コイルの内部と外表面、内表面との間で温度差が付きやすいということである。この対策として、本発明ではコイルの外に逃げる放散熱を防止するため、円筒状金属コイル１の表面に断熱層９及び断熱層１０を設ける。この断熱層９、１０は、例えば断熱性のあるアルミナなどのセラミックス等で電極に接続する帯板が露出する隙間を設けたスリーブとしたり、あるいは繊維状のセラミックス等で円筒状金属コイルの外面を覆い、また内面に充填したりして形成できる。もちろんこれらの断熱層は円筒状金属コイル１と密着する必要はなく、間に空間を作りガス層を設けても良い。また、コイルの側面についても放散熱の影響はあるが、側面については、後で述べるようにエッジ側の温度が上がり過ぎる場合もあり、必ずしも断熱することが得策とは限らず、熱放散と発熱とのバランスにより均温化することも可能であり、必要に応じて断熱を行えば良い。
【００２３】
もう一つ温度偏差がつく原因として、圧延により金属帯板の幅方向の厚みが異なることが上げられる。金属帯板の板幅方向で電流が均一に流れたとしても、幅方向で板厚が異なればそれに応じて加熱温度も変化する。特に、コイルのエッジ側は、通常圧延の際に過大圧下を受けやすく他の部位と比べ薄くなっており、温度が上がりやすい。また、交流を使って加熱することから、表皮効果によりエッジ側の温度が上がりやすい状況にもある。そこで、本発明では、これらの原因による板幅方向の温度差を解消するため、円筒状金属コイルに電流を断続的に通電する。断続的に通電する理由は、電流を流し温度分布が板幅方向についた場合、通電により温度が高くなった部分から伝導伝熱により温度の低い所へ熱移動させることにより、温度差を小さくするためであり、通電と伝導伝熱を組み合わせることにより温度を平均化させる。なお、本発明で断続的に通電するとは、完全に電流をｏｎ／ｏｆｆする場合も含むが、所要電流未満の電流（I`[A]）と所要電流（Ｉ[A]：100％）とを組み合わせる場合も含む。発熱は電流 の２乗に比例することから、所要電流未満の電流値は、発熱量としては（ I`/ Ｉ）の２乗に比例して 小さくなるが、材料の厚みや加熱時間、温度不均一性等を考慮して適宜値を決めればよい。
【００２４】
次に、 円筒状金属コイルの熱処理方法について述べる。
【００２５】
上記したように、本発明による熱処理装置を用いれば、加熱速度は電源さえあれば比較的自由に選ぶことができる。しかし、円筒状に巻かれた金属コイルは、そのままでは単なる高温の金属の塊でしかないため、なかなか冷えにくい。また、前述したように表面からの抜熱によってしか冷えないため、金属コイルの表面と内面では大きな温度偏差が生じ、１コイル内で材質のばらつきが生じやすい。そこで、本発明では図２に示す様に、前述した加熱に用いる熱処理装置と合わせ、高温にしたコイルを巻きほどくアンコイラー１１とほどいた帯状金属を再び巻き取るリコイラー１２とを設置し、両装置間に冷却装置１４、１５を設ける。この様に加熱したコイルを巻きほどきながら冷却することにより、冷却時間も短縮できるとともに、冷却むらによる材質のばらつきも抑えることができる。
【００２６】
手順としては、初めに分離可能な鉄心２を鉄心３からとりはずし、その後加熱された円筒状金属コイル１を鉄心３から抜き出し、クレーンやコイル台車等によりアンコイラー１１にセットし、帯状金属１３を引き出してリコイラー１２にセットし、コイル１の巻きほどきと再巻き取りを行う。図示はしていないが、巻き取り精度を高めるため蛇行制御装置やダンサーロールなどの張力制御装置などを設置すれば、精度の良い再巻き取りが可能となる。
【００２７】
このアンコイラー１１とリコイラー１２との間に冷却装置１４、１５を設ける。冷却装置としては、ガス冷却装置やミスト冷却装置、気水冷却装置、水噴霧冷却装置、浸漬冷却装置、ロール冷却装置など、必要な冷却速度、表面品質、コスト等を考慮して設置すれば良い。また、冷却媒体も空気や窒素だけではなく水素などを使っても良い。雰囲気も加熱から冷却まで完全に非酸化雰囲気としても良いし、酸化雰囲気としても良い。
【００２８】
この様に、本発明による熱処理装置を用いれば、加熱速度も冷却速度も自由になるため、従来円筒状金属コイルでは困難であった熱処理が可能となる。図３（ａ）のＡは、円筒状金属コイルを加熱後直ちに冷却する例であり、例えばＩＦ鋼などの様に所定温度に加熱した後は温度を保持しなくても良い材質の場合には、この様な温度パターンが円筒状金属コイルでも実現できる。また、図３（ａ）中のＢは、一定温度を保持した後冷却する例であり、加工性を要求される鋼板等の場合に適用できる。これは、図３（ａ）のＣの様に若干温度が下がっても、ある温度以上を一定時間保つ様な場合にも適用される。さらに、図３（ｂ）は、加熱した後一定時間一定温度以上を保った後、冷却を行い、巻き取った後再度加熱を行ってそのまま放冷させた後冷却する例を示し、鋼板の連続焼鈍で行われている再加熱ＯＡなども実現できる。この様に、本熱処理装置および熱処理方法を用いれば、従来連続熱処理装置でしかできなかった熱処理パターンを、円筒状金属コイルで実現することができるようになる。
【００２９】
【実施例】
実験には、一辺が170mmの正方形断面の電磁鋼積層鉄心を用いた。この鉄心は、コの字型とI型からできており、コの字の方に一次コイルとして直径10ｍｍの水冷銅パイプを10ターン巻き、１ターン毎にタップをたて巻き数を自由に選択できるようにした。一方、2次側となる円筒状金属コイルは、内径を500mmとし、500ｍｍ幅の1mmの熱延鋼板500Kgを重ねて70回巻いて製作した。コイルを巻くときには、途中 に熱電対を幅方向に入れておいた。このコイルの内側と外側の鋼板端部は、長さ800ｍｍ、厚み10ｍｍ 、幅50ｍｍの銅製の電極２枚で挟み、250mm2の銅ケーブルで短絡し２次回路を形成した。一次電源は、周波数50Hz、電圧400V、容量600KVAのサイリスタインバーターを用いた。
【００３０】
この装置を用い、１次側で電圧が400[V]一定になるように設定し、４ターンで電流を流し、60分で850℃まで加熱したときの昇温時の温度分布を測定した。実験は、円筒状コイルの内面、外面、側面に100mmのセラミックスファイバー（熱伝導率1W/mK）を巻いて断熱を行った場合（表１下段）と、巻かずに 放冷させた場合（表１上段）とを測定した。温度は、厚み方向にコイル内側表面から5mm点、150mm点、外表面から5mm点の３カ所に、板幅方向として、両エッジから20mm点と中央の３点の分布を測定した。 表１にその結果を示す。
【００３１】
【表１】
幅方向で見ると、放冷の場合温度幅５℃以内に納まっているが、厚み方向でみると１２℃の温度差が生じた。それに対し、断熱を施して加熱した場合は、幅方向温度幅５℃以内に納まるとともに、厚み方向でみても最大４℃の温度偏差しか生じず、極めて均熱性が良いことが確認できた。従来の様にガス加熱で実験に用いた円筒状金属コイルの加熱を行う場合には、温度偏差が±１００℃以上つくとともに、均熱性を求める場合には、数時間から１日程度を要することから、本発明の急速加熱性、均熱性が著しく優れているのは明らかである。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の加熱装置を用いれば、円筒状金属コイルのバッチ加熱の本質的な問題である外表面からの輻射加熱によって生じる加熱温度分布の発生や、加熱時間がかかりすぎて生産性が著しく落ちる、加熱効率が極めて低いという問題を解決することができる。すなわち、電流により円筒状金属コイルの内部から加熱を行うため、加熱時間を自在に制御でき、しかも温度分布、加熱効率が極めて良いため、加熱品質が良く歩留まり落ちを少なくでき、省エネにも大きく寄与する。また、単に加熱時間を短縮するばかりではなく、冷却も短時間で行うことができるため、生産性を著しく改善するとともに、冷却温度むらも解消できるため、材質のばらつきを極めて小さくすることができる。さらに、これまでは連続焼鈍設備でなければできなかった様々なヒートパターンを自在に実現できるため、バッチ熱処理ではできなかった熱処理も可能になるばかりではなく、新しい材質を作り出すことも可能になる。また、本発明では、通電に要する電圧、電流をコイルに直接誘起させるため、所要電圧が高いときでも電極部での電圧は極めて小さくでき、かつ、円筒状金属コイルの場合、加熱長が長くなるため抵抗が大きくなり、所要電流を小さくできることから、設備の安全性の面からも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による円筒状金属コイルの熱処理装置を説明する模式図（同図（ａ））およびそのＡ−Ａ断面図（同図（ｂ））である。
【図２】 本発明による円筒状金属コイルの熱処理装置を示す図である。
【図３】 本発明による熱処理方法におけるヒートパターンを示す図である。
【符号の説明】
１ 円筒状金属コイル
２ 鉄心
３ 鉄心
４ 一次コイル
５ 導電部材
６ 電極
７ 電極
８ 一次電源
９ 断熱層
１０ 断熱層
１１ アンコイラー
１２ リコイラー
１３ 帯状金属
１４ 冷却装置
１５ 冷却装置
Claims (6)
- 金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱する加熱装置であって、加熱される円筒状金属コイルの外表面及び内表面に断熱層を設けたことを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理装置。
- 金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱する際に、一次コイルに断続的に通電し円筒状金属コイルを加熱することを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
- 前記加熱装置の後段に、加熱完了した円筒状金属コイルを巻きほどくアンコイラーと、再巻取りするリコイラーと、前記アンコイラーと前記リコイラーとの間に走行中の金属帯板を冷却する冷却装置を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の円筒状金属コイルの熱処理装置。
- 前記アンコイラーに加熱完了した円筒状金属コイルを保熱する機構を設けたことを特徴とする請求項３に記載の円筒状金属コイルの熱処理装置。
- 金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱した後、直ちに、あるいは一定温度以上を保持した後、該円筒状金属コイルをほどきながら冷却することを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
- 金属帯板を板間が絶縁するように巻いて円筒状にしたコイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心とを円筒状金属コイルの外で連結してリング状トランスを構成するとともに、円筒状金属コイルの最外周部の金属帯板と最内周部の金属帯板とを、導電部材でつなげた最外周部の金属帯板の電極と最内周部の金属帯板の電極で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通電することにより円筒状金属コイルに２次電流を発生させ、電極電圧を、２次電流と、電極及び導電部材の抵抗の和の、積として生じさせて円筒状金属コイルを加熱した後、直ちに、あるいは一定温度以上を保持した後、該円筒状金属コイルをほどきながら冷却するとともに、冷却後再巻取りし、再度通電加熱、温度保持、冷却を適宜組み合わせ複数回施すことを特徴とする円筒状金属コイルの熱処理方法。
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