JP4101967B2

JP4101967B2 - コイル状棒線材の加熱装置

Info

Publication number: JP4101967B2
Application number: JP08162699A
Authority: JP
Inventors: 芳明広田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP2000273533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧延後のスケールのついた棒または線材の様な表面に絶縁性被膜を有するリング状に巻いたコイルを効率よく加熱できる加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コイル状に巻いた金属を加熱する方法は、バッチ炉に入れガスやパネルヒーター等により間接的に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、高温で加熱できるほか、機械的な歪みを与えずに焼鈍できることから、例えばストリップ等の板材では、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、ヒートバックルなどで通板できないサイズのものなどに適用されている。棒・線材では、特に熱処理の方法が多種多様にわたって行われており、たとえば線材の加熱では、ルーズコイルに巻き取った後、静止状態であるいはコンベアに乗せ搬送しながら電気ヒーターやガス加熱炉で加熱するのが一般的である。
【０００３】
しかし、棒・線材をルーズコイルにしたままの加熱は、コイル同士が重なり合い、陰の部分ができ温度分布が不均一になりやすい。また、基本的には金属の塊を外部から加熱するため、加熱時間が非常に長くなりやすく生産性が悪い等の問題がある。また、バッチ加熱は、炉温を高くしてもなかなか温度が上がらず、無駄なエネルギーを消費する割合が高く加熱効率が極めて低い等の問題もある。
【０００４】
これらの問題を解決するため、通電加熱や誘導加熱を採用することが提唱されている。たとえば、特開昭５４−５９３１号公報には走行する線材を通電ローラで直接通電し加熱する方法が、また、特開昭６３−１４３２２６号公報には走行する線材を誘導コイルの中を通し誘導コイルの両端を通電ローラで短絡する方法が記載されている。また、特開昭５３−１１１１０号公報には変圧器鉄心の一方の脚に一次巻線を巻き、他方の脚に回転リングを配置してこの回転リングに線材を置き、鉄心の窓部に線材を通過させ、短絡ローラで２次側を短絡して短絡電流により通電する方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の加熱方法では、一旦リング状に巻かれた線材を巻きほどき矯正し、走行させる設備や巻き取り払い出し等の装置のコストが高くなるという問題がある。また、電極ローラで通電するため本質的に線材表面のスケールを除去しなければならないという課題があり、ローラーとの接触により線材との間でスパークが発生するという大きな問題がある。そのため、ローラー電極や線材表面に損傷を与える結果、生産を中止しローラーの交換をしなければならないという問題や電極コストがかかるという問題、製品の品質を悪化させるという大きな問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、１コイル以上の棒・線材のルーズコイルをそのまま効率よく、均一な加熱を一度に安定してできる生産性の高い加熱装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【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。
【０００８】
（１）リング状に巻いた、表面に絶縁性被膜を有する棒または線材のルーズ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、前記棒または線材のルーズ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、前記棒または線材のルーズコイルの端部ともう一方の端部とを導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、前記一次コイルに通電することにより前記棒または線材のルーズコイルを加熱することを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
【０００９】
（２）リング状に巻いた、表面に絶縁性被膜を有する棒または線材の、複数のルーズ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、前記棒または線材のルーズ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、前記各棒または線材のルーズコイルの端部ともう一方の端部とを各々導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、前記一次コイルに通電することにより前記複数の棒または線材のルーズコイルを加熱することを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
【００１０】
（３）リング状に巻いた、表面に絶縁性被膜を有する棒または線材の、複数のルーズ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、前記棒または線材のルーズ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、前記各棒または線材のルーズコイルの端部ともう一方の端部とを導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、前記一次コイルに通電することにより前記複数の棒または線材のルーズコイルを加熱する加熱装置であって、前記棒または線材の複数のルーズコイルを並列負荷、直列負荷、または直列、並列を組み合わせた負荷となるように接続して加熱することを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
【００１１】
（４）上記（１）、（２）、または（３）のコイル状棒線材の加熱装置において、前記導電部材の途中に電流遮断器、および/または、前記棒または線材のルーズコイルに流れる電圧、電流、電力の大きさおよび/または位相を調整する調整回路を設けたことを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
（５）前記表面に絶縁性被膜を有する棒または線材が、圧延後のスケールのついた棒または線材であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のコイル状棒線材の加熱装置。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面で説明する。
【００１３】
図１は、本発明によるコイル状棒線材の加熱装置を説明する模式図で、３つのコイルを加熱する場合について説明する。図２は図１のＡ部の１コイル部にあたる側面図である。ここではコイル状棒線材を横にした場合で説明するが、コイル状棒線材を分離する台座等を用いれば縦置きでも構わない。
【００１４】
図１において、棒・線状の金属を巻いたコイル状棒線材１、２、３の内側の空間部分には、電磁鋼などの良磁性材でつくられた鉄心４が貫通する。この鉄心４は、コの字状の鉄心５の開口部に着脱自在な構成とし、コの字状の鉄心５に接続して磁気回路を構成し、リング状の鉄心となる。コの字状の鉄心５には、電圧、電流等の調整が可能な一次電源６に接続された一次コイル７を巻く。すると、リング状に形成された鉄心はトランスの一次回路となる。図１では、コイル状棒線材１、２、３の反対側の鉄心に一次コイル７を巻いているが、一次コイル７を巻く位置は、鉄心上のどこでも構わない。また、ここでは１脚の鉄心について説明しているが、鉄心４を中心に鉄心５が複数ある多脚構造でも構わない。
【００１５】
コイル状棒線材１、２、３は表面にスケール等で絶縁性皮膜を有するため、コイル間の絶縁性を保つことができる。この絶縁性皮膜のついたコイル状棒線材１、２、３としては、たとえば圧延後のコイルを用いればよく、この絶縁性皮膜により、コイル状棒線材１、２、３は多数巻きの２次コイルを形成する。
【００１６】
このコイル状棒線材１、２、３の巻き初めと巻き終わりの両端を、それぞれ導電部材８、９、１０で短絡することにより、２次回路を形成する。これにより、一次電源６で一次電圧を加えると、一次コイル７の巻き数に応じた２次電圧が直接コイル状棒線材１、２、３の中に誘起される。棒線材の先端と尾端に電極をつけ電圧をかけて加熱する通常の直接通電加熱では、コイルの巻き数が多くなるとコイル長が長くなり、コイルの全抵抗が増加し高電圧を必要とする。高電圧を加えることは、放電や絶縁破壊等の事故が懸念され現実的には実現が極めて困難である。それに対し、本加熱装置では、所要の電圧は直接通電加熱と同じ電圧が必要となるものの、コイル内に誘起された２次電圧により発生する２次電流がコイル状棒線材１、２、３内を流れることによりコイル自体がジュール加熱され、内部電圧降下が生じる。そのため、短絡電極に現れる電圧は、ほぼコイル状棒線材１、２、３内を流れる電流と短絡する導電部材の抵抗との積程度の電圧しか現れない。通常この導電部材は、銅などの良導体を用いることでmΩ程度の低抵抗にするのは容易で、仮にコイル状棒線材１、２、３内を流れる電流が1000Ａのオーダーとしても高々電圧はＶオーダーにしかならず、極めて安全な設備となる。
【００１７】
また、本加熱装置では、一次コイル７に加えられた電力は、直接２次コイルであるコイル状棒線材１、２、３に誘起されるため、加熱効率が極めて高い。すなわち、コイル状棒線材１、２、３内に発生した２次電流によるジュール損は、導電部材８、９、１０と電極部の全抵抗と２次電流の２乗の積の分しかなく、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。一番大きな損失は、コイル状棒線材１、２、３表面からの放射・対流伝熱による熱損失であるが、これらはコイル状棒線材１、２、３を断熱材で覆ったり、鉄心を水冷・断熱構造にしてコイル状棒線材１、２、３全体を炉の中に入れるなどすれば、防ぐことができる。
【００１８】
本加熱装置では、コイル状棒線材１、２、３の径、重量、種類がほぼ同じ場合には、２次側の負荷がほぼ同じとなるため、加熱制御は一次電源６で一括して行うことができるが、径が等しいコイル状棒線材１、２、３の重量（巻き数）が大きく異なる場合には、一次コイル７の巻き数を選択できる様に一次コイル７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。一次コイル７は、電流発熱することから、水冷の銅パイプなどを用いれば良い。
【００１９】
次に、コイルの温度制御は、図１に示すように、導電部材８、９、１０の途中に電流遮断器、または、電圧、電流、電力の調整回路１３、１４、１５を設け、負荷側の方で電流を単純にon/offしても良いし、あるいは電圧、電流、電力等を制御してきめ細かく温度制御することもできる。この場合、一次側は、大まかな電圧/電流を制御しておき、二次側のコイルにつないだ調整回路で、細かく電流、電圧、電力のいずれかを制御すれば良い。電流、電圧、電力を制御する方法としては、たとえば一般的に使われているＳＣＲなどで電流、電圧波形を制御すれば実現できる。また、電圧と電流の位相差が大きい場合には、コンデンサなどを並列に組み込むことで力率も向上させることができる。この様にコイル状棒線材１、２、３側で制御できれば、コイル状棒線材１、２、３の径、重量、種類等が異なっていても、各コイルを独立して加熱制御することができる様になり、加熱温度を個別に制御したり、特定のコイルを所定温度に加熱した後、一定温度に保持・加熱したりするなど操業の自由度を大きく増すことができる。
【００２０】
また、コイル状棒線材の種類、径によっては、２次側の負荷が適切な負荷にならない場合がある。たとえば、銅やアルミなどの様に比抵抗が小さな材料を加熱する場合、１コイル毎に短絡すると抵抗が極めて小さくなるため、短絡線の抵抗を小さくしなければならないが、そのためには大面積のケーブルを用意する必要が生じる場合がある。あるいは、ケーブルの断面積を大きくしても２次側の負荷が小さすぎて、一次側から見たとき短絡状態になる場合もある。この様な場合、１コイルの長さは圧延重量で規制されることから、コイルの長さを長くして抵抗を大きくすることはできない。そこで、図３の様に複数のコイル状棒線材１、２、３を直列接続することにより、見かけ上の長さを長くして抵抗を大きくすることにより、適切な負荷にするとともに、一度に複数のコイルを加熱処理することが可能となる。あるいは、図4の様に、例えば径や長さの異なるコイル状棒線材１、２、３の負荷に合わせて並列接続と直列接続とを組み合わせれば、２次側で負荷の調整をすることができる様になり、一次電源側の負担を軽くすることもできる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２２】
実験には、一辺が100mm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、コの字の長辺の方は長さが1200ｍｍで一辺に一次コイルとして直径10ｍｍの水冷銅パイプを50ターン巻き、5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。短辺は長さが600ｍｍである。一方、2次側となる線材コイルは、外径5.5mmの圧延スケールのついた普通鋼線材4.8kgを、内径約400mmに20T巻いたものを3本用いた。各コイルは、アルミナセラミックスファイバー断熱材50mmでくるんで断熱した。コイル温度は、コイルの途中に熱電対を溶着して測定した。各コイルの端部と端部は、長さ500mmの水冷銅パイプで短絡して並列の２次回路を形成した。この水冷銅パイプの途中には、電磁式の電流遮断器を設けた。一次電源には、周波数50Hz、電圧100V、容量250KVAのサイリスタ電源を用いた。
【００２３】
この装置を用い、３本の線材コイルを上記コの字鉄心に150ｍｍの間隔でセットし、１次側で電圧が50[V]一定になるように設定し、一次コイル巻き数40Ｔ（ターン）として通電し60分で800℃まで昇温させた。この時の温度分布を、各コイル端部から各々３Ｔ点と中央部の３点で測定した。表１にその結果を示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
加熱したコイルを鉄心に挿入した順にＡ、Ｂ、Ｃとし、温度測定結果では、Ａ、Ｂ、Ｃともにほぼ同じ温度に加熱されており、複数コイルを同時に加熱しても良好な加熱ができることを確認した。温度偏差も最大で２℃と極めて温度均一性が良好であることが確認できた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の加熱装置を用いれば、コイル状棒線材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、重なり部の温度低下などの問題や、加熱時間がかかりすぎて生産性が低く、加熱効率が極めて悪いという問題を解決できる。すなわち、電流によりコイル状棒線材の内部から加熱するため、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、上記問題も生じず加熱品質が良く、歩留まり落ちが少なく、省エネにも大きく寄与できる加熱が可能となる。また、加熱金属の種類、サイズ、昇温温度の異なる複数のコイルを同時に個別に処理できることから、生産性、操業の自由度を増すことが可能となる。
【００２７】
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、発熱による内部電圧降下のため、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、コイル状棒線材は加熱長が長くなるため抵抗が大きくなることから、所要電流を小さくできるため、設備の安全性の面からも有利である。
【００２８】
さらに、加熱効率が良いことから、所要電力が小さくて済み電源設備も小さく安価にできる。また、処理量が大きくなっても、１Ｔ当たりの発生電圧が小さいことから、鉄心断面積もあまり大きくならずコンパクトな設備とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、複数のコイル状棒線材を加熱する加熱装置を説明する模式図である。
【図２】図１のＡ部の側面図である。
【図３】本発明による、複数のコイル状棒線材を直列接続により加熱する加熱装置を説明する模式図である。
【図４】本発明による、複数のコイル状棒線材を並列−直列接続により加熱する加熱装置を説明する模式図である。
【符号の説明】
１コイル状棒線材
２コイル状棒線材
３コイル状棒線材
４鉄心
５鉄心
６一次電源
７一次コイル
８導電部材
９導電部材
１０導電部材
１１電極
１２電極
１３電流遮断器、または、電圧、電流、電力の調整回路
１４電流遮断器、または、電圧、電流、電力の調整回路
１５電流遮断器、または、電圧、電流、電力の調整回路

Claims

リング状に巻いた、表面に絶縁性被膜を有する棒または線材のルーズ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、前記棒または線材のルーズ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、前記棒または線材のルーズコイルの端部ともう一方の端部とを導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、前記一次コイルに通電することにより前記棒または線材のルーズコイルを加熱することを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
リング状に巻いた、表面に絶縁性被膜を有する棒または線材の、複数のルーズ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、前記棒または線材のルーズ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、前記各棒または線材のルーズコイルの端部ともう一方の端部とを各々導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、前記一次コイルに通電することにより前記複数の棒または線材のルーズコイルを加熱することを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
リング状に巻いた、表面に絶縁性被膜を有する棒または線材の、複数のルーズ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、前記棒または線材のルーズ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、前記各前記棒または線材のルーズコイルの端部ともう一方の端部とを導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、前記一次コイルに通電することにより前記複数の棒または線材のルーズコイルを加熱する加熱装置であって、前記棒または線材の複数のルーズコイルを並列負荷、直列負荷、または直列、並列を組み合わせた負荷となるように接続して加熱することを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
請求項１、２、または３記載のコイル状棒線材の加熱装置において、前記導電部材の途中に電流遮断器、および/または、前記棒または線材のルーズコイルに流れる電圧、電流、電力の大きさおよび/または位相を調整する調整回路を設けたことを特徴とするコイル状棒線材の加熱装置。
前記表面に絶縁性被膜を有する棒または線材が、圧延後のスケールのついた棒または線材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコイル状棒線材の加熱装置。