JP4303607B2 - 鋼板の誘導加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソレノイド方式のシングルターンコイルによる誘導加熱装置を用いて鋼板を加熱する方法に関する。

誘導加熱は、主に亜鉛メッキ鋼板の合金化、塗装鋼板の乾燥などに適用されている。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辺に配置し、交番磁界により誘起される渦電流のジュール熱で、物体を加熱する方法である。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、用途によって選択される。
薄板加熱の場合、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、ソレノイド方式にも、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。
シングルターン方式の概略構成を図１に示す。シングルターン方式には、コイル隙間がないため磁束の漏れが少ないこと、コイルの構成が簡単なこと、省スペース効果が大きいことなど、有利な点が多い。しかし、従来の誘導加熱装置は、特許文献１〜５に示すように、ほとんどの場合マルチターン方式である。従来のマルチターン方式が採用された理由には、比較的低い周波数で加熱速度が最も速くなるという理由によるものと思われる。

誘導加熱においては、金属板の単位表面積当たりに投入可能な電力、すなわち投入可能電力密度は、コイルに印加可能な電圧の最大値や、実用上の電力効率を高くするために、その大きさが制限される。
この点から、従来のマルチターン方式による加熱では、投入可能電力密度が小さく、かつ加熱速度が遅いため、１）所定の温度まで昇温するのに時間がかかる、２）処理能率が悪い、３）設備が大型化する等の問題がある。特に薄板を加熱しようとする場合に、この傾向は顕著となる。 これに対して、従来のシングルターン方式では、前述のごとく多くの利点があり、例えば特許文献６では、鋼板の抵抗率、厚み、飽和磁束密度、電圧、コイル空間等から最適な周波数を規定することが開示されている。
特開昭６１−２０７５６３号公報 特開平５−１５６４２０号公報 特開平２−２５４１４６号公報 特開平４−２２８５２８号公報 特開平１−１０４７５４号公報 特開平８−８０５１号公報

鋼板の焼鈍において昇温速度は、再結晶挙動や界面反応に大きく影響することが知られているが、特に近年、急速加熱により鋼板の諸特性を向上させる試みがなされている。この目的のためには、特定の温度域の昇温速度をより厳密に設定することが必要となる。
しかしながら、ソレノイド方式の誘導加熱で、鋼板をキュリー点付近までの高温域まで加熱する場合、鋼板の透磁率の温度変化等により磁化力が変化するため、所定の一定昇温速度を確保できず、徐々に昇温速度が低下する。このことは、全温度域での昇温速度制御を不可能とし、平均的な昇温速度しか制御できず、再結晶挙動や界面制御等をあいまいにし、最適な品質造りこみを困難としてきた。
本発明は、これらの問題を、シングルターンコイルを用いて、全温度域の昇温速度を制御可能とするものである。

本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、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。
（１）ソレノイド方式のシングルターンコイルによる誘導加熱装置により鋼板を連続的に加熱する方法において、前記コイルを長手方向に２台以上設置し、最後段のコイルの磁化力を最前段の１倍超〜１０倍の範囲に調節し、かつ各コイルの磁化力を、１つ手前のコイルの磁化力より大きく、１つ後のコイルの磁化力よりも小さくなるように調節することを特徴とする鋼板の誘導加熱方法。
（２）前記２台以上のコイルに代えて、１台のシングルターンコイルを長手方向に分割し、各コイル間を絶縁し、かつコイル毎に磁化力の調節手段を有する誘導加熱装置を用いることを特徴とする（１）に記載の鋼板の誘導加熱方法。
（３）最後段のコイルの磁化力を最前段の２〜６倍の範囲に調節することを特徴とする（１）もしくは（２）に記載の鋼板の誘導加熱方法。
（４）磁化力の調節手段として回路の抵抗値、電流の周波数の一方または両方を用いることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼板の誘導加熱方法。

本発明によれば、誘導加熱による鋼板の急速加熱において、昇温区間での昇温速度を一定にすることができる。これにより、シングルターンコイルのもつ加熱時間の短縮、設備長の短縮、処理能率の向上などの優れた長所を有効に発揮させつつ、さらに均一な昇温速度により鋼板の諸特性の改善を容易に行うことができる。

コイルに交番電流を印加した場合、鋼板には磁束が発生し、この磁束変化を打ち消すような起電力の発生により、鋼板内に渦電流が誘導され、鋼板の加熱が行われる。このとき、鋼板への電力投入量は、透磁率の関数とも成る。この透磁率は物性により異なる上に、温度関数でもあり、温度が上昇してキュリー点に近づくに従い透磁率が低下していく。したがって、シングルターンコイル１台で鋼板を加熱する場合、磁界の大きさはコイル内で一定のため、温度上昇により装置出口側では入口に比較して電力投入量が低下し、均一な昇温速度を確保できなくなる。
そこで、シングルターンコイルを長手方向に２台以上設置し、最後段のコイルの磁化力を最前段の１倍超〜１０倍、望ましくは２〜６倍の範囲に調節し、かつ各コイルの磁化力を、１つ手前のコイルの磁化力より大きく、１つ後のコイルの磁化力よりも小さくなるように調節することで、キュリー点近傍での昇温速度をそれ以前の昇温速度相当に維持することができる。

最後段のコイルの磁化力を最前段の１倍超〜１０倍、望ましくは２〜６倍としたのは、この範囲であれば、最後段において鋼板温度がほぼキュリー点に到達する場合の透磁率の温度変化にほぼ相当できるためである。
またはコイルを２台以上設置することに代えて、１台のシングルターンコイルを長手方向に分割し、各コイル間を絶縁し、かつコイル毎に磁化力の調節手段を有する誘導加熱装置を用いることでも、同様の効果を得ることができる。
磁化力の調節手段としては、回路の抵抗値、電流の周波数の一方または両方を用いるのが、装置構成を簡便にできるため好ましい。ここで、回路の抵抗値は、可変抵抗を回路中に組み込んで調整するか、あるいはコイル周長や断面積、コイル−板間距離、材質などによりあらかじめ差異を設けておくことで調節できる。

以下、実施例を用いて本発明の実施様態を説明する。図２は本発明の一実施例を示す誘導加熱装置の構成図である。図中、１はコイル内を通過する鋼板、２はソレノイド方式のシングルターンコイルで、６の絶縁体によって電気的に分離されている。３は１のコイルに任意の周波数の交流電圧を印加する交流電源装置で、電気的に分離されたコイルのそれぞれに、８の可変抵抗を設置して、コイル毎に磁界の強さを調節できるようにしている。
次に、本発明を冷延鋼板の連続焼鈍炉における加熱炉の一部に適用した例を説明する。この例では、図２に示す５分割のシングルターンコイル２を鋼板１の搬送方向に１つ設置した誘導加熱炉が設けられている。コイルの全長は４．０ｍ、鋼板１は板厚０．２ｍｍ、板幅１０００ｍｍのものを使用し、鋼板のスピードは６８ｍｐｍとした。印加周波数は４５０ｋＨｚとし、可変抵抗は、比較例では全て同じ設定として、全電流値が４５００Ａとなるように設定し、本発明例は同じ全電流値で、最出側の抵抗値を最入側の半分で、入側から順に漸増するように設定した。
連続的に搬送される鋼板１は、加熱炉の前段でほぼ５００℃まで予熱した後に、誘導加熱炉で昇温した。このときの温度推移を図３に各コイル間での昇温速度を図４に示す。本発明によれば、キュリー点近傍までほぼ一定の昇温速度を維持することができた。

従来のシングルターン方式の誘導加熱装置の概略構成図である。 本発明の誘導加熱装置の概略構成図である。 誘導加熱装置により鋼板を昇温したときの温度推移を示すグラフである。 誘導加熱装置により鋼板を昇温したときの昇温速度の推移を示すグラフである。

符号の説明

１ 鋼板
２ シングルターンコイル
３ 交流電源装置
４ 絶縁体
５ 可変抵抗

Claims (4)

1. ソレノイド方式のシングルターンコイルによる誘導加熱装置により鋼板を連続的に加熱する方法において、前記コイルを長手方向に２台以上設置し、最後段のコイルの磁化力を最前段の１倍超〜１０倍の範囲に調節し、かつ各コイルの磁化力を、１つ手前のコイルの磁化力より大きく、１つ後のコイルの磁化力よりも小さくなるように調節することを特徴とする鋼板の誘導加熱方法。
2. 前記２台以上のコイルに代えて、１台のシングルターンコイルを長手方向に分割し、各コイル間を絶縁し、かつコイル毎に磁化力の調節手段を有する誘導加熱装置を用いることを特徴とする請求項１に記載の鋼板の誘導加熱方法。
3. 最後段のコイルの磁化力を最前段の２〜６倍の範囲に調節することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の鋼板の誘導加熱方法。
4. 磁化力の調節手段として回路の抵抗値、電流の周波数の一方または両方を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の鋼板の誘導加熱方法。

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