JP4035122B2 - 幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法 - Google Patents
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Description
誘導加熱には、交番磁界を被加熱物に垂直に交差させるトランスバース方式と、コイルで被加熱物を巻くように配置して、交番磁界を被加熱物に平行に印加するソレノイド方式の2通りがあり、目的によって選択される。
鋼帯の加熱の場合、板幅方向に均一な加熱が必要なことから、ソレノイド方式が適している。また、ソレノイド方式には、1つの電源に対して、複数回コイルを巻くマルチターン方式と、1回だけ巻くシングルターン方式がある。
また、鋼帯を誘導加熱する際に、幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱装置に関しては、従来から種々の提案がなされている。
この加熱装置では、常温〜600℃程度まで均温性に優れたマルチターンのソレノイド方式の誘導加熱で加熱すると共に、上下のコイルを長手方向にシフトさせたシングルターン型の誘導加熱コイルに磁場拡散防止コイルとエッジ過加熱防止コイルを併設することによって、幅方向の均温性を確保している。
しかし、本発明者等の検討の結果、この特開2003-187951号公報の加熱方法では、シングルターン型の誘導加熱コイルで600℃以上の温度域を加熱しているため、鋼帯の厚みが0.35mm未満の場合、幅方向温度偏差が±80℃と大きくなり、渦電流の分流ではエッジ部の発熱量の低下が不十分なことがわかった。
しかし、この特願2003-089966号明細書(先願)の方法では、鋼帯の幅変更や鋼帯がウォーク(片寄り)した場合にエッジ部過加熱防止コアを鋼帯のエッジ部に追従させる機構が必要になり、鋼帯の幅方向温度偏差は、その追従機構の精度に左右されることになるので、安定的に温度偏差を±30℃以内に収めることができなかった。
(1)シングルターン誘導加熱コイルと、該シングルターン誘導加熱コイルの電流と逆方向に電流を流すことにより磁場の拡散を防止する磁場拡散防止コイルとを有する加熱装置を用いて鋼帯をキュリー点以上に加熱する方法であって、
前記シングルターン誘導加熱コイルにより、鋼帯を650〜750℃のいずれかの特定温度から加熱することを特徴とする幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
(2)ソレノイド方式の誘導加熱コイル、接触方式の通電加熱ロール、加熱炉のいずれか1つまたはこれらの2つ以上を組合わせて、650〜750℃以下のいずれかの特定温度までの鋼帯の加熱に用いることを特徴とする(1)に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
(3)前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルを、500℃以上の鋼帯の加熱に用いることを特徴とする(2)に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
(4)前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数をシングルターン誘導加熱コイルの周波数の2倍以上とすることを特徴とする(3)に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
(5)前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルを、500℃以下の鋼帯の加熱に用いることを特徴とする(3)に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
(6)前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数を請求項3に記載のソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数の1/2倍以下とすることを特徴とする(5)に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
また、コンパクトな加熱装置でありながら、鋼帯の形状悪化も防止できるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
図1および図2は、本発明の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法を適用する加熱装置を例示する図である。
図1において、鋼帯1は、渦電流が板幅方向の断面内を流れることから板幅方向の均一加熱性に優れるソレノイド方式誘導加熱コイル6にて加熱される。
ソレノイド方式誘導加熱コイル6の後段には、シングルターン誘導加熱コイル2,3が設置されており、その横に、シングルターン誘導加熱コイル2,3とはそれぞれ逆向きの電流を流すことにより磁場の拡散を防止する磁場拡散防止コイル4,5が設けられている。この磁場拡散防止コイル4,5により、キュリー点(750℃)付近の加熱において磁場の拡散を防止することにより、
板幅方向の中央部分における磁束密度の低下を防ぎ、板幅方向の中央部分の加熱温度を高めることができる。
鋼帯1の上面のシングルターン誘導加熱コイル2および磁場拡散防止コイル4と、鋼帯1の下面のシングルターン誘導加熱コイル3および磁場拡散防止コイル5とをそれぞれ鋼帯1の長手方向に互いにシフトした位置に配置しているので、板幅方向断面の表層部を一周している渦電流の表裏相殺が発生しないことから、キュリー点(750℃)以上に加熱することができる。
また、磁場を集中させ(磁束密度を高め)、加熱効率を向上させるために、シングルターン誘導加熱コイル2,3の鋼帯への対向面を除く外周3面を比透磁率が2500と高く、高抵抗率のフェライトコア9で直接被覆することが好ましい。
前記シングルターン誘導加熱コイルにより、鋼帯を650〜750℃のいずれかの特定温度から加熱することを特徴とする。
前述の特開2003-187951号公報の実施例では、均温性に優れたソレノイド方式の誘導加熱コイルで常温〜600℃程度まで加熱しているが、鋼帯を更に高温域である650〜750℃のいずれかの温度まで加熱することで、より均温性の優れた加熱が可能となる。
加熱温度が高くなると図4の下段に示すように鋼帯の渦電流浸透深さδが大きくなり、表裏渦電流の相殺が起こって、加熱できなくなる。
例えば、厚み0.3mmで200kHzの浸透深さを算出すると、加熱温度と渦電流浸透深さδは以下のようになる。
加熱温度 500℃: δ=0.10mm
600℃: 0.11mm
700℃: 0.15mm(板厚の50%に相当)
750℃(キュリー点):1.2mm
700℃で板厚の50%に相当する浸透深さとなり、鋼帯のキュリー点である750℃を超える高温域では表裏渦電流の相殺が大きく加熱が困難となるため、シングルターン誘導加熱コイルにより鋼帯の加熱を開始する温度の上限を750℃とした。
また、加熱温度が低いと幅方向の均温効果が十分でないのでシングルターン誘導加熱コイルにより鋼帯の加熱を開始する温度の下限を650℃とした。
前述のように、ソレノイド方式の誘導加熱は、鋼帯の温度がキュリー点に近づくほど、鋼帯に流れる渦電流が表裏で相殺されるため、加熱効率が著しく低下する。
一般に、ソレノイド方式の誘導加熱の最適周波数は、下の(A)式となり、周波数が高いことが望ましい。
最適周波数f(Hz)=k/(π・μ・σ・t2) ・・・(A)
ここに、μ:鋼帯の透磁率(H/m)、
σ:鋼帯の導電率(1/Ω・m)、
t:鋼帯の厚み(m)、
k:定数(通常3〜5)
例えば、今回実験した厚み0.3mmの鋼帯の場合、k=3とすると、最適周波数はf=200kHzとなる。
一方、シングルターン誘導加熱の場合、周波数が高いと図5に示すようにエッジ部に縮流が発生して集中する渦電流の電流密度が高くなるため、エッジ部の過加熱現象が顕著になるためシングルターン誘導加熱の場合は、周波数が低いことが望ましい。
なお、周波数が低いと前述の渦電流浸透深さδが深くなるが、図2に示すようにシングルターン誘導加熱コイルにより発生する鋼帯の表裏の渦電流を鋼帯の進行方向に前後にずらすことによって、表裏渦電流の相殺をなくすことができる。
また、ソレノイド方式の誘導加熱コイルとシングルターン誘導加熱コイルの周波数が近い場合、双方の磁場が妨害し合う干渉現象が発生する恐れがあるので、ソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数は、シングルターン誘導加熱コイルの周波数の2倍以上とすることが好ましく、さらに好ましくは4倍以上とする。
また、同じく磁場の干渉を避けるため、隣り合うソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数についても一方が他方の1/2倍以下にすることが好ましく、さらに好ましくは1/4倍以下とする。
ここに、通電加熱ロールとは、鋼帯に接触するロールであって、このロールから鋼帯に直接電流を流して、そのジュール熱により鋼帯を加熱するものである。
・鋼板厚み:0.30mm、
・鋼板幅:300mm、
・鋼板速度:160mm/s、
・加熱コイル構成:
1)10ターンのソレノイド方式の誘導加熱コイル(周波数20kHz、加熱長450mm)
2)2ターンのソレノイド方式の誘導加熱コイル(周波数200kHz、加熱長100mm)
3)シングルターン誘導加熱コイル(周波数30kHz、加熱長100mm)
・2ターンのソレノイド方式の誘導加熱コイル及びシングルターン型加熱のコイル幅W:40mm、コア厚h:20mm、キ゛ャッフ゜G:40mm
実験条件としては、ソレノイド方式の誘導加熱コイルによる加熱を500℃、600℃、700℃までと3条件実施した。
1)の10ターンのソレノイド方式の誘導加熱コイルは、幅方向の均一加熱性に優れており、500℃程度まで加熱される。また、このコイルは加熱長が450mmと2)、3)の加熱コイルに比べ長いため、2)、3)の加熱コイルだけでキュリー点以上まで加熱する場合に比べ、加熱による鋼板形状の悪化が防止できる。
2)の2ターンのソレノイド方式の誘導加熱コイルは200kHzと高周波のため、700℃程度まで加熱される。1)と2)のソレノイド方式の誘導加熱コイルと同じく、板幅方向の均一加熱性に優れる接触方式の通電加熱ロールまたは、誘導加熱方式、直接通電加熱方式以外の加熱方式の加熱炉を用いてもよい。
このコイルには、磁場を集中させ、加熱効率を向上させるため、鋼帯への対向面を除く外周3面を、比透磁率が2500と高く、高抵抗率のフェライトコアで直接被覆することが好ましい。
3)のシングルターン型誘導加熱コイルでは、ソレノイド方式では加熱困難な領域である700℃以上の領域を加熱する。そして、2)と3)のコイルによる加熱長100+100=200mmで、500℃程度からキュリー点以上まで加熱することができ、誘導加熱方式、直接通電加熱方式以外の加熱方式の加熱炉、例えばガス燃焼式加熱炉に比べ、著しくコンパクトな加熱装置が実現できる。またこのコイルは周波数が30kHzとソレノイド型コイルの周波数に比べ1/7程度になるので、双方の磁場の干渉現象が起こらない。
また、シングルターン誘導加熱コイルは、磁場拡散防止コイルの設置を行いキュリー点以上に加熱した。
そして、ソレノイド方式の誘導加熱コイルで700℃まで加熱した場合、中央部をキュリー点以上に加熱しても、板幅方向の温度偏差を実用上の目標である±30℃程度にすることができた。
前述の実施例の鋼帯を用い、10ターンのソレノイド誘導加熱コイルを用いて500℃まで加熱した後に、2ターンのソレノイド誘導加熱コイルを用いて700℃まで加熱し、シングルターン誘導加熱コイルを用いて850℃まで加熱したところ、幅方向の温度偏差が最も大きいエッジ部とエッジから20mmの位置における温度偏差が60℃にすることができた。
2:シングルターン誘導加熱コイル(鋼帯の上面)
3:シングルターン誘導加熱コイル(鋼帯の下面)
4:磁場拡散防止コイル(鋼帯の上面)
5:磁場拡散防止コイル(鋼帯の下面)
6:ソレノイド方式誘導加熱コイル
7:エッジ部過加熱防止コイル(鋼帯の上面)
8:エッジ部過加熱防止コイル(鋼帯の下面)
9:フェライトコア
Claims (6)
- シングルターン誘導加熱コイルと、該シングルターン誘導加熱コイルの電流と逆方向に電流を流すことにより磁場の拡散を防止する磁場拡散防止コイルとを有する加熱装置を用いて鋼帯をキュリー点以上に加熱する方法であって、
前記シングルターン誘導加熱コイルにより、鋼帯を650〜750℃のいずれかの特定温度から加熱することを特徴とする幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。 - ソレノイド方式の誘導加熱コイル、接触方式の通電加熱ロール、加熱炉のいずれか1つまたはこれらの2つ以上を組合わせて、650〜750℃以下のいずれかの特定温度までの鋼帯の加熱に用いることを特徴とする請求項1に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
- 前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルを、500℃以上の鋼帯の加熱に用いることを特徴とする請求項2に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
- 前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数をシングルターン誘導加熱コイルの周波数の2倍以上とすることを特徴とする請求項3に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
- 前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルを、500℃以下の鋼帯の加熱に用いることを特徴とする請求項3に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
- 前記ソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数を請求項3に記載のソレノイド方式の誘導加熱コイルの周波数の1/2倍以下とすることを特徴とする請求項5に記載の幅方向の均温性に優れた鋼帯の加熱方法。
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