JP4069002B2 - 板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置に関する。
具体的には、金属帯板を誘導加熱する際に、幅方向に対して均温に加熱する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導加熱とは、交流電源に接続されたコイルを被加熱物の周囲に配置し、交番磁界により誘起される渦電流のジュール熱により物体を加熱する方法である。
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。
金属帯板の加熱の場合、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。
従来のソレノイド方式のシングルターンコイルを用いる誘導加熱装置は、金属帯板が、例えば磁性体の鋼帯である場合、キュリー点（約７５０℃）以上の加熱が困難であり、６５０℃以下の低温領域での加熱にしか適用できないという問題点があった。さらに、金属帯板が、例えばアルミ, ＳＵＳ等の非磁性体である場合、加熱すること自体が困難であった。
【０００３】
磁性体帯板のキュリー点以上の加熱が困難な理由は、キュリー点付近の温度になると渦電流の電流浸透深さが大きくなり、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、渦電流が流れなくなるからである。
また、非磁性体帯板を加熱すること自体が困難になる理由は、常温レベルから渦電流の電流浸透深さが大きく、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、渦電流が流れないからである。
発明者らは、この問題点を解決する方法として先に図１のように金属帯板１の上面のシングルターン誘導加熱コイル２と下面のシングルターン誘導加熱コイル３とを、金属帯板１の長手方向に互いにシフトさせることにより、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をなくす方法を見出して、特開２００２−１００４６７号公報に開示した。
【０００４】
この方法によって、鋼板をキュリー点（７５０℃）以上に加熱することができ、非磁性体も加熱することができるようになったが、この従来技術は、誘導加熱コイルのコイル幅が６ｍｍ、ギャップが６ｍｍ程度の小さいものであり、このサイズレベルでは、金属帯板の幅方向に加熱できるが、コイル幅及びギャップを３０ｍｍまで拡大して、加熱中における金属帯板の幅方向の温度分布を測定したところ図２に示すように、以下の問題点が明らかになった。
なお、図２の横軸は加熱時間（秒）であり、縦軸は加熱温度（℃）である。
（問題１）６００℃以下の低温加熱領域においても、金属帯板の幅方向の温度偏差が生じた。
（問題２）鋼帯の場合、キュリー点（７５０℃）付近では鋼帯中央部▲４▼の加熱がしにくく、加熱温度がキュリー点に達しなかった。
（問題３）鋼帯エッジ部▲１▼の温度が８００℃を超えており、エッジ部の過加熱が大きくなった。
【０００５】
そこで、発明者らは、特開２００２−１００４６７号公報にて開示した従来技術で発生した前述の問題点を解決する為に、以下の改良を加え、特願２００１−３８１６６０号として特許出願した。
この特許は、下記を特徴とするものである。
▲１▼低温部付近では、加熱の均温性のよい加熱方式を採用し、低温度付近からエッジ部の過加熱を防止した。
▲２▼磁場拡散防止コイルを設置して、中央部の磁束密度を大きくし中央部の発熱量を増加させた。
▲３▼エッジ部過加熱防止コイルを設置することで、金属帯板の表裏を迂回して流れるエッジ部の渦電流の分流を行い、エッジ部の発熱量を低下させた。
これらの改良により、幅方向の温度偏差が±３０℃以内に収まったが、これは金属帯板の厚みが０．３５ｍｍ以上の場合であった。
そこで発明者らは、特願２００１−３８１６６０号の特許出願以降に、板厚０．３５ｍｍ未満の金属帯板（鋼帯）を同様の方法で加熱したところ、エッジ部の過加熱が大きく、温度偏差が±８０℃以上あることが判明した。つまり、板厚０．３５ｍｍ未満の金属帯板（鋼帯）では、エッジ部過加熱防止コイルの分流効果による発熱量の低下が十分でないことが判明した。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１００４６７号公報
【特許文献２】
特願２００１−３８１６６０号明細書（先願）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、板厚０．３５ｍｍ未満の鋼帯をキュリー点（７５０℃）以上に加熱でき、非磁性体も加熱でき、しかも、板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、前述の課題を解決すべく鋭意検討した結果、シングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルを設置した箇所における金属帯板のエッジ部の近傍に磁性体からなるエッジ部過加熱防止コアを配置することにより、板厚０．３５ｍｍ未満の鋼帯をキュリー点（７５０℃）以上に加熱でき、非磁性体も加熱でき、しかも、板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００９】
（１）ソレノイド方式の誘導加熱コイルまたは接触方式の通電加熱ロールと、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近傍に並行して配置され、該シングルターン誘導加熱コイルの電流と共通の電源を用いて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設けた金属帯板の加熱装置であって、該金属帯板の表面のシングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルと、該金属帯板の裏面のシングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルとを該金属帯板の長手方向に互いにコイル幅Ｗだけシフトした位置に配置し、かつ、 前記表裏面のシングルターン誘導加熱コイルの前記金属帯板の表面および裏面との対向面を除く外周をフェライトコアで被覆し、該フェライトコアにフェライトコアで被覆されていない前記磁場拡散防止コイルを接触させると共に、前記シングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルを設置した位置における前記金属帯板のエッジ部の近傍に、磁性体からなるエッジ部過加熱防止コアを配置することを特徴とする板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置。
（２）前記エッジ部過加熱防止コアは、前記金属帯板のエッジ部を挟み込むコの字形のフェライトコアであることを特徴とする（１）に記載の板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置。
（３）前記エッジ部過加熱防止コアが前記金属帯板のエッジ部の位置に追従することを特徴とする（１）または（２）に記載の板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図３乃至図９を用いて詳細に説明する。
＜比較例＞
図３乃至図６は、本発明の比較例を例示する図である。
図３は、本発明の金属帯板の加熱装置における比較例を例示する図である。
金属帯板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、６００℃程度まで加熱される。これと同じく、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を用いてもよい。ここに、通電加熱ロールとは、金属帯板に接触するロールであって、このロールから金属帯板に直接電流を流して、そのジュール熱により金属帯板を加熱するものである。
【００１１】
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。
【００１２】
図４は、本発明の金属帯板の加熱装置における比較例における金属帯板の長手方向の断面図である。
金属帯板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およびエッジ部過加熱防止コイル７と、金属帯板１の下面のシングルターン誘導加熱コイル３、磁場拡散防止コイル５およびエッジ部過加熱防止コイル８とをそれぞれ金属帯板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、鋼帯をキュリー点（７５０℃）以上に加熱することができる。また、アルミやＳＵＳ等の非磁性体を加熱することもできる。
ソレノイド方式誘導加熱コイル６とシングルターン誘導加熱コイル２，３の間には、シングルターン誘導加熱コイル２，３の電流とそれぞれ同方向に電流を流すエッジ部過加熱防止コイル７，８が設けられている。
例えば、シングルターン誘導加熱コイル２，３に全体の７０％の電流を流し、残り３０％の電流を金属帯板の長手方向にずれた位置に設置されているエッジ部過加熱防止コイル７，８に分流することにより、帯板のエッジ部に発生する渦電流の縮流によるエッジ過熱は電流の二乗で効いてくるのでエッジ過熱を約５０％（0.7*0.7＝0.49）に低減することができる。
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の金属帯板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できる。
【００１３】
図５は、本発明の比較例における金属帯板エッジ部の温度分布を示す図である。
図５の横軸は加熱時間（秒）を示し、図５の縦軸は▲１▼金属帯板エッジ、▲２▼エッジから１０ｍｍ、▲３▼エッジから２５ｍｍ、▲４▼エッジから３５ｍｍ（センター）における金属帯板温度（℃）を示す。
図３および図４に示す本発明の比較例である金属帯板の加熱装置を用いて、金属帯板板厚が０．１５ｍｍの場合の金属帯板エッジ部の温度分布を測定したところ、図５に示すように、金属帯板のエッジ部とセンター部で最大１７８℃の温度偏差が生じた。
【００１４】
発明者らは、金属帯板板厚を薄くした場合に温度偏差が拡大する理由について検討した結果を以下に示す。
図６は、金属帯板エッジ部を流れる渦電流の様子を示す図である。
誘導加熱装置を用いて金属帯板を加熱すると、図６に示すように、金属帯板エッジ部において表裏の渦電流の向きが逆転し、この部分に渦電流の縮流が起こる。
ここに、縮流とは、図６の点線で示す金属帯板エッジ部の極一部の小さい体積に電流が集中し、この部分の電流密度が上昇するため金属帯板が過加熱となる現象をいう。
特に、金属帯板の板厚ｔが薄いと、電流が集中する体積がさらに小さくなるため、板厚が厚い場合に比べて、単位体積当たりの電流密度が高くなり、より加熱されるものと考えられる。
【００１５】
＜本発明例＞
図７乃至図９は、本発明の加熱装置の実施形態を例示する図である。
図７は、本発明の加熱装置の実施形態における金属帯板の長手方向の断面図であり、図８は正面図である。
図７および図８において、１は金属帯板、２はシングルターン誘導加熱コイル（帯板の上面）、３はシングルターン誘導加熱コイル（帯板の下面）、４は磁場拡散防止コイル（帯板の上面）、５は磁場拡散防止コイル（帯板の下面）、６はソレノイド方式誘導加熱コイル、９はフェライトコア、１０はエッジ部過加熱防止コアを示す。
加熱装置の構成は前述の比較例のエッジ部加熱防止コイルの代わりにエッジ部過加熱防止コア10を設けたものである。
【００１６】
本発明の特徴は、シングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルを設置した箇所の金属帯板エッジ部に磁性体であるエッジ部過加熱防止コア１０を配置する点にある。
このエッジ部過加熱防止コア１０は、図８に示すように金属帯板１のエッジ部を覆うように配置されているので、図７および図８に点線で示す磁束は、金属金属帯板１の中央部は比較例と同様に、加熱コイルからの磁束が金属帯板１を通ることで渦電流が誘起される。
一方、金属帯板１のエッジ部は中央部と異なり、加熱コイルからの磁束がほとんど金属帯板１を通らずエッジ部過加熱防止コアを通るため、金属帯板１に誘起される渦電流が少ないので、エッジ部の過加熱を防止することができる。
このように、エッジ部過加熱防止コア１０を金属帯板１のエッジ部に設置することによって、磁束が鋼板エッジをほとんど通過せずにエッジ部過加熱防止コアを通過し、板エッジの磁束密度が低減できる。それにより、金属帯板エッジの電流だけを低減させることができ、その結果、金属帯板エッジ部の過加熱を防止することができる。
なお、本発明においては、エッジ部過加熱防止コアは磁性体であれば、その材質は問わず珪素鋼板やアモルファスでもよいが、磁場を吸収し易く、加工も容易で材料コストを低減できることからフェライトコアが好ましい。
【００１７】
また、エッジ部過加熱防止コア１０の形状は、図８に示すようなコの字型が望ましいが、鋼板エッジの上下に配置するだけでも効果はある。
なお、本発明に発明者らが特願２００１−３８１６６０号明細書（先願）にて提案したエッジ部過加熱防止コイルを併用することも可能である。
また、金属帯板１の幅変更の場合やウォーク（板の片寄り）した場合は、エッジ部過加熱防止コア１０を図８の矢印で示す方向に可動タイプとし、金属帯板１のエッジ部との距離を一定に保つように追従させることで対応できる。
【００１８】
＜実施例＞
本発明の加熱装置を、下記の条件にて厚さ０．１５ｍｍの鋼帯に適用して実験した結果を図９に示す。
＜実施条件＞
・板厚：０．１５ｍｍ
・板幅：７０ｍｍ
・鋼板速度：100ｍｍ／ｓ
・電源周波数：２５ｋHz
・電源出力：５０ｋW
・コイル幅W:４０ｍｍ
・コア厚ｈ：２０ｍｍ
・ギャップG:４０ｍｍ
・エッジ部過加熱防止コア：コの字型のフェライトコア
・鋼板エッジ部とエッジ部過加熱防止コアとのラップ代：１０ｍｍ
コイル条件としては、従来技術のLFHを低温付近の加熱に使用し、磁場拡散防止コイルの設置を行い実験を行った。
【００１９】
実験結果は、図９に示すように、鋼板の厚みを0.15ｍｍまで薄くしても、金属帯板エッジ部と中央部の温度偏差は最大で６０℃となり、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、図５に示す比較例と比べて約１/３に低減することができた。
以上の実験結果から、本発明によって、幅方向にほぼ均温性を確保しながらキュリー点以上の加熱が可能となり、本発明の加熱装置の実用範囲を広げることができることが確認された。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、シングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルを設置した箇所における金属帯板のエッジ部の近傍に磁性体からなるエッジ部過加熱防止コアを配置することにより、板厚０．３５ｍｍ未満の鋼帯をキュリー点（７５０℃）以上に加熱でき、非磁性体も加熱でき、しかも、板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置をすることができ、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の金属帯板の加熱装置を示す断面図である。
【図２】 従来の金属帯板の加熱装置を用いて加熱した場合の板幅方向の温度分布を示す図である。
【図３】 本発明の金属帯板の加熱装置における比較例を示す図である。
【図４】 本発明の金属帯板の加熱装置における比較例の金属帯板の長手方向の断面図である。
【図５】 本発明の金属帯板の加熱装置における比較例を用いて加熱した場合の板幅方向の温度分布を示す図である。
【図６】 金属帯板エッジ部を流れる渦電流の様子を示す図である。
【図７】 本発明の加熱装置の実施形態における金属帯板の長手方向の断面図である。
【図８】本発明の金属帯板の加熱装置における実施形態を示す正面図である。
【図９】本発明の金属帯板の加熱装置における実施形態を用いて加熱した場合の板幅方向の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１・・・金属帯板、２・・・シングルターン誘導加熱コイル（帯板の上面）、
３・・・シングルターン誘導加熱コイル（帯板の下面）、
４・・・磁場拡散防止コイル（帯板の上面）、
５・・・磁場拡散防止コイル（帯板の下面）、
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（帯板の上面）、
８・・・エッジ部過加熱防止コイル（帯板の下面）、
９・・・フェライトコア、
１０・・・エッジ部過加熱防止コア

Claims (3)

1. ソレノイド方式の誘導加熱コイルまたは接触方式の通電加熱ロールと、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近傍に並行して配置され、該シングルターン誘導加熱コイルの電流と共通の電源を用いて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設けた金属帯板の加熱装置であって、
   該金属帯板の表面のシングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルと、該金属帯板の裏面のシングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルとを該金属帯板の長手方向に互いにコイル幅Ｗだけシフトした位置に配置し、かつ、
   前記表裏面のシングルターン誘導加熱コイルの前記金属帯板の表面および裏面との対向面を除く外周をフェライトコアで被覆し、該フェライトコアにフェライトコアで被覆されていない前記磁場拡散防止コイルを接触させると共に、
   前記シングルターン誘導加熱コイルおよび磁場拡散防止コイルを設置した位置における前記金属帯板のエッジ部の近傍に、磁性体からなるエッジ部過加熱防止コアを配置することを特徴とする板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置。
2. 前記エッジ部過加熱防止コアは、前記金属帯板のエッジ部を挟み込むコの字形のフェライトコアであることを特徴とする請求項１に記載の板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置。
3. 前記エッジ部過加熱防止コアが前記金属帯板のエッジ部の位置に追従することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の板幅方向の均温性に優れた金属帯板の加熱装置。

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