JP4739792B2 - 誘導加熱装置及び誘導加熱装置のアークスポット抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延ラインにおける圧延材その他の被加熱材料を加熱するための誘導加熱装置に関するものであり、特に、Ｃ型インダクタを用いた被加熱材料のエッジ加熱時に発生するアークスポットを効果的に抑制する誘導加熱装置及び誘導加熱装置のアークスポット抑制方法に関する。

熱間圧延ラインにおいては、加熱炉によって圧延可能温度にまで加熱された圧延材を、粗圧延機において粗圧延して粗バーと呼ばれる状態に成形し、さらにこの粗バーを仕上圧延機にかけて所望の板圧や幅を有する製品を得ている。この場合、粗バーの状態の圧延材に対して、温度低下の防止あるいは各部の温度の均一化のために、被加熱材料を全幅に渡り加熱して全体の温度を上昇させる全幅加熱装置であるバーヒータや、中央部に比べて温度が低下する被加熱材料の両端部を加熱する端部加熱装置であるＣ型インダクタが用いられる。

このようなＣ型インダクタは、被加熱材料幅方向両端部に対に配置され、加熱コイルから発生する磁束Φを被加熱材料に鎖交させることにより、渦電流Ｉが流れ、これに対する被加熱材料の抵抗によりジュール熱を発生させて、被加熱材料の両端部を加熱するものである。このとき、加熱コイルに印加する電流は同位相、逆電流となり、被加熱材料の長手方向の中心を挟んで両端部で発生する渦電流の向きは逆方向となる。したがって、被加熱材料と加熱コイルの位置関係が被加熱材料の長手方向中心として対称性が崩れた場合には、軸電流が発生することとなる。

従来、このような軸電流を吸収する装置として、金属ロールを介して流れる渦電流の漏れ電流を電流回路の抵抗より小さい抵抗の回路をつくることによって、電流をバイパスさせるものがある（特許文献１）。また、被加熱材料全体をリング状の鉄心とそれに巻回されたコイルに貫通させ、コイルから発生する磁束により、軸電流を打ち消す装置がある（特許文献２）。
特開平１１−２９０９３０号公報 特開２００２−１１０３３５号公報

しかしながら、上記特許文献１の軸電流吸収装置では、被加熱材料を下方からサポートする金属ロールと、導電体を介して接続した一対の短絡ロールによって軸電流を吸収するものであるので、金属ロールの被加熱材料に対する接触面積が小さく、また十分な接触圧力をかけたものではなかった。また、軸電流を常時測定し、その電流値に基き積極的に材料位置、Ｃ型インダクタ位置を補正するものではないから、安定した軸電流の吸収が期待できなかった。

また、特許文献２では、軸電流を測定し、軸電流と逆向きの電流を印加することで軸電流を解消するものであって、軸電流そのものを０にするものではなかった。また、軸電流を積極的に循環させる構造を有するものではないから、軸電流の正確な検出ができなかった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、安定した接触圧と接触面積の拡大により、安定した軸電流の吸収が可能であるとともに、アークスポットを効果的に抑制することで被加熱材料に生じる傷を減少させることのできる誘導加熱装置及び誘導加熱装置のアークスポット抑制方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、帯状をした被加熱材料の幅方向の端部に配置され、同位相、逆電流でエッジを加熱する一対のＣ型インダクタと、前記帯状をした被加熱材料の長さ方向からみて、前記一対のＣ型インダクタの前後に配置された一対のピンチロールとを備えた誘導加熱装置において、前記一対のＣ型インダクタによる加熱により、被加熱材料に発生する軸電流を測定する軸電流測定装置と、前記Ｃ型インダクタに対して前記帯状の被加熱材料をその幅方向に相対的に移動させる被加熱材料補正手段とを備え、この被加熱材料補正手段は、前記軸電流測定装置による測定値である被加熱材料の移動前の軸電流値と移動後の軸電流値との差分に基づいて、軸電流値をゼロにするようにＣ型インダクタと前記前記被加熱材料の幅方向相対位置を補正するものであることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１の発明をアークスポット抑制方法という観点から捉えたものであって、帯状をした被加熱材料の幅方向の端部に配置され、同位相、逆電流でエッジを加熱する一対のＣ型インダクタと、前記帯状をした被加熱材料の長さ方向からみて、前記一対のＣ型インダクタの前後に配置された一対のピンチロールとを備えた誘導加熱装置のアークスポット抑制方法において、前記一対のＣ型インダクタによる加熱により、被加熱材料に発生する軸電流を測定する処理と、前記Ｃ型インダクタに対して前記帯状の被加熱材料をその幅方向に相対的に移動させる被加熱材料補正処理とを含み、この被加熱材料補正処理は、前記軸電流測定装置による測定値である被加熱材料の移動前の軸電流値と移動後の軸電流値との差分に基づいて、軸電流値をゼロにするようにＣ型インダクタと前記前記被加熱材料の幅方向相対位置を補正する処理であることを特徴とする。

以上のような請求項１又は５の発明では、Ｃ型インダクタと被加熱材料の位置関係がずれることによって加熱により被加熱材料に生ずる渦電流のバランスが崩れ、被加熱材料に軸電流が生じた場合であっても、軸電流測定装置によってこの軸電流を検出することができる。そして、検出した軸電流値に基づいて被加熱材料の幅方向の位置を補正することによって、被加熱材料の長手方向の中心としてＣ型インダクタと被加熱材料の位置関係を補正することによって、軸電流を打ち消すことが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記被加熱材料位置補正手段は、前記被加熱材料を幅方向に移動させることによって位置補正を行うことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記被加熱材料位置補正手段は、前記Ｃ型インダクタを前記被加熱材料の幅方向に移動させることによって前記被加熱材料の位置補正を行うことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項２の発明をアークスポット抑制方法という観点から捉えたものであって、請求項５記載の発明において、前記被加熱材料の位置補正は、前記被加熱材料を幅方向に移動させる処理を含むことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５又は６記載の発明において、請求項３の発明をアークスポット抑制方法という観点から捉えたものであって、前記被加熱材料位置補正は、前記Ｃ型インダクタを前記被加熱材料の幅方向に移動させる処理を含むことを特徴とする。

以上のような請求項２又は３並びに請求項５又は６の発明では、被加熱材料に生ずる軸電流を検出し、被加熱材料位置またはＣ型インダクタ位置の少なくともどちらかの位置を補正することで軸電流を０に近づけてアークスポットの発生を抑制し、板品質の向上と安定した操業を実現することができる。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、前記軸電流測定装置は、前記ピンチロール端部に設けられたスリップリングと、当該スリップリングに設けられたアースブラシとを備えた軸電流吸収手段と、前記Ｃ型インダクタの前後に配置されて前記ピンチロールの軸電流吸収手段間を短絡する電流循環ケーブルと、前記電流循環ケーブルに流れる電流を測定する電流検出手段とからなることを特徴とする。

以上のような請求項４の発明では、Ｃ型インダクタ前後に設置されているピンチロールには軸電流の収集を目的とするスリップリングとアースブラシが設置され、このアースブラシ同士は電流循環ケーブルで短絡させたことにより、アークスポットを抑制して板に生じる傷を減少させることが可能となる。

本発明によれば、安定した接触圧と接触面積の拡大により、安定した軸電流の吸収が可能であるとともに、アークスポットを効果的に抑制することで被加熱材料に生じる傷の減少させることのできる誘導加熱装置及び誘導加熱装置のアークスポット抑制方法を提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」と呼ぶ）について図面を参照して具体的に説明する。

（１）実施形態
（１−１）構成
本実施形態の誘導加熱装置は、図１に示すように、Ｃ型インダクタ１ａ 、１ｂと、被加熱材Ｂを挟持して搬送するピンチロール２ａ，２ｂがそれぞれＣ型インダクタ１ａ，１ｂの入側と出側に設けられている。

［Ｃ型インダクタの構成］
Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂは、開口部３を挟んで上下のＣ型鉄心４ａ，４ｂに加熱コイル５ａ，５ｂを巻回した構成となっている。また、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂは、図２に示すように、台車６ａ，６ｂに搭載され、この台車６ａ，６ｂには移動用車輪７が設けられ、レール８（図１では図示せず）上をモータ９ａ，９ｂの駆動によって被加熱材Ｂの幅方向に移動可能に構成されている。

図２にＣ型インダクタ１ａ，１ｂ及びこれを搭載する台車６ａ，６ｂの詳細を示す。台車６ａ，６ｂには、台車の被加熱材Ｂの幅方向相対位置を検出する台車位置検出装置１０ａ，１０ｂが取り付けられており、この台車位置検出装置１０ａ，１０ｂによって検出された台車位置に基づいて、制御装置１１がモータ制御装置１２に調整指令を行う。このモータ制御装置１２によってモータ９ａ，９ｂが駆動され、移動用車輪７がレール８上を移動することによって台車６ａ，６ｂの位置が調整されるようになっている。なお、このＣ型インダクタ１ａと１ｂの台車６ａ，６ｂは、各々独立して制御されており、加熱する被加熱材Ｂの板幅に応じてあるいは、後述するＣ型インダクタ１の加熱により被加熱材Ｂに生じる渦電流のバランスに応じてその位置を調節するようになっている。

［ピンチロール及び循環ケーブルの構成］
一方、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ピンチロール２ａ，２ｂの両端部には、それぞれピンチロールの回転軸に固定した集電環からなるスリップリング２１ａ，２１ｂと、スリップリング２１ａ，２１ｂと摺動接触し、端子に電気的に接続されたアースブラシ２２ａ，２２ｂとが設けられている。また、アースブラシ２２ａ，２２ｂには循環ケーブル２３が取り付けられている。そして、軸電流が発生した場合には、電流はピンチロール２ａからスリップリング２１ａ，２１ｂとアースブラシ２２ａ，２２ｂを介して循環ケーブル２３を流れ、もう一方のピンチロール２ｂへ循環するように構成されている。

また、図１に示すように、循環ケーブル２３の途中には、この循環ケーブル２３に流れる電流を検出する軸電流検出装置２４と軸電流測定装置２５とが設けられ、この軸電流検出装置２４は信号線２６を介して制御装置１１へ接続されている。また、制御装置１１は、ヒューマンマシンインタフェイスに代表される表示装置である演算結果表示装置Ｄに接続されている。

［被加熱材移動装置の構成］
図１に示すように、ピンチロール２ａの下流側には、被加熱材Ｂの幅方向相対位置を被加熱材Ｂを移動させることによって調整する材料位置調整装置３０が設けられている。この材料位置調整装置３０は、図４に示すように、被加熱材Ｂの下側には、水平方向に固定的に設けられた２つの保持ローラ３１ａ，３１ｂが設けられ、上側には、ジャッキ３３によって一方の端部が水平方向に移動可能に設けられた１つの位置調整ローラ３２が設けられている。この位置調整ローラ３２は、前記の通り、ジャッキ３３によって一方の端部が水平方向に移動することにより、保持ローラ３１ａ，３１ｂ上の被加熱材Ｂとの接触面を変化させることで、被加熱材Ｂの幅方向Ｌ，Ｒ位置を移動させるものである。

また、この材料位置調整装置３０には、被加熱材Ｂの位置を検出する位置検出装置３４が設けられるとともに、この位置検出装置３４と材料位置調整装置３０はともに制御装置１１に接続されている。

（１−２）作用効果
以上のような構成からなる本実施形態の作用について説明する。まず、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂから発生する磁束Φを被加熱材Ｂに鎖交させることにより、図５に示すように渦電流Ｉが流れ、被加熱材Ｂの抵抗によりジュール熱を発生させて、被加熱材Ｂの両端部を加熱する。

このとき、加熱コイル５ａ，５ｂに印加する電流は同位相、逆電流とし、被加熱材Ｂの長手方向の中心を挟んで両端部で発生する渦電流Ｉの向きは、逆方向となる。よって、Ｃ型インダクタと被加熱材Ｂの位置関係が両Ｃ型インダクタで同じ場合、つまり、被加熱材Ｂの長手方向中心を基準として、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂが対称な位置にあれば、軸電流は打ち消し合い発生しない。

一方で、被加熱材ＢとＣ型インダクタの位置関係が被加熱材Ｂの中心を挟み、対称性が崩れた場合に軸電流が生じる。軸電流が発生した場合には、電流はピンチロール２ａからスリップリング２１ａ，２１ｂとアースブラシ２２ａ，２２ｂを通して電流循環ケーブルを流れ、もう一方のピンチロール２ｂへ循環する。

ここで、被加熱材料の材料位置調整装置３０における位置補正処理について、詳しく説明する。まず、軸電流検出装置２４で軸電流が検出されると、軸電流測定装置２５で電流値に応じた信号に変換される。次に、この信号は信号線２６を通り、制御装置１１に入力されて電流値が演算される（図１参照）。なお、演算された軸電流値は、制御装置１１と接続された演算結果表示装置Ｄに表示される。

さらに、制御装置１１は、検出した軸電流値に基づき、材料位置調整装置３０に位置補正信号を出力する。この位置補正信号に基づいて、材料位置調整装置３０は、図４に示すように、ジャッキ３３の作用により、位置調整ローラ３２の一方の端部Ｘが、所定の方向、例えば上方向へ所定量移動し、被加熱材Ｂを搬送方向左側のＬ方向へ移動させる。

次に、制御装置１１は、この移動に伴って変化する軸電流値を軸電流検出装置２４及び軸電流測定装置２５から検出し、材料位置調整装置３０による被加熱材Ｂの移動前の軸電流値(1) と移動後の軸電流値(2) を比較する。ここで、移動前軸電流値(1) が移動後軸電流(2) より小さい場合には、材料位置調整装置３０の位置調整ローラ３２の端部Ｘを下方向へ移動させ、被加熱材Ｂを逆方向のＲ方向へ移動させる。そして、再度、移動後軸電流(3) が移動前軸電流(1) より小さい場合には、さらに被加熱材Ｂを同一方向へ移動させる。

このように、軸電流の差分を常に検出しながら、上記処理を繰り返し、最終的に軸電流値を０にする、すなわち、被加熱材料の長手方向中心を基準として、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂが対称に位置するように補正する。

また、Ｃ型インダクタの位置補正における位置補正処理については、上記同様であり、、制御装置１１が検出した軸電流値に基づき、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂに位置補正信号を出力する。この位置補正信号に基づいてＣ型インダクタ１ａ，１ｂは、台車６ａ，６ｂ及び移動用車輪７の作用により、所定の方向、例えばＬ方向へ所定量移動させる。そして、上記同様、軸電流の差分を検出して、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂをＬ方向又はＲ方向へ移動させることにより、最終的に軸電流値を０となるように、Ｃ型インダクタの幅方向相対位置を制御するものである。

以上のように作用する本実施形態よれば、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂと被加熱材Ｂの位置関係がずれることによって、加熱により被加熱材Ｂに生ずる渦電流Ｉのバランスが崩れて被加熱材Ｂに軸電流が生じた場合であっても、軸電流検出装置２４及び軸電流測定装置２５によってこの軸電流を検出することができる。また、Ｃ型インダクタ前後に設置されるピンチロール２ａ，２ｂと被加熱材Ｂのずれ、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂのずれから生じる軸電流を検出して、この軸電流値に基づき被加熱材Ｂの位置、Ｃ型インダクタの位置の少なくともどちらかの位置を補正することで、ピンチロールへ流れる軸電流を０に近づけてアークスポットの発生を抑制することが可能となる。これにより、板へのアーク痕が残ることを防ぎ、高品質な製品を製造することができるようになる。

また、Ｃ型インダクタ１ａ，１ｂの前後に設置されているピンチロール２ａ，２ｂには軸電流の収集を目的とするスリップリング２１ａ，２１ｂとアースブラシ２２ａ，２２ｂが設置され、このアースブラシ２２ａ，２２ｂ同士は循環ケーブル２３で短絡させたことにより、被加熱材Ｂに対する安定した接触圧と接触面積の拡大により、安定して軸電流の吸収が可能であるとともに、これによりアークスポットを抑制して板に生じる傷を減少させることが可能となる。

（２）他の実施の形態
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、次に示すような他の実施形態も含む。例えば、上記実施形態では、Ｃ型インダクタの位置補正手段と被加熱材Ｂの位置補正手段をともに備えた誘導加熱装置を示したが、本発明では、これに限らず、例えば、図６に示すように、被加熱材Ｂの位置補正手段である被加熱材料の材料位置調整装置３０のみを設けた構成とすることも可能である。また反対に、図６に示すように、Ｃ型インダクタの移動手段のみで構成することも可能である。

さらに、上述したＣ型インダクタの移動手段あるいは被加熱材Ｂの移動手段は本発明を実施する一態様を示すに過ぎず、Ｃ型インダクタを幅方向相対位置に移動させる手段であれば、他の公知のいずれの手段によっても構成可能である。

本発明の実施形態における誘導加熱装置の全体構成を示す図。 本発明の実施形態におけるＣ型インダクタの構成を示す模式図。 本発明の実施形態におけるピンチロールの構成を示す図。 本発明の実施形態における材料位置調整装置の構成を示す図。 本発明の実施形態における誘導加熱装置に発生する渦電流を示す概念図。 本発明の他の実施形態における誘導加熱装置の全体構成を示す図。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…Ｃ型インダクタ
２ａ，２ｂ…ピンチロール
３…開口部
４ａ，４ｂ…Ｃ型鉄心
５ａ，５ｂ…加熱コイル
６ａ，６ｂ…台車
７…移動用車輪
８…レール
９ａ，９ｂ…モータ
１０ａ，１０ｂ…台車位置検出装置
１１…制御装置
１２…モータ制御装置
２１ａ，２１ｂ…スリップリング
２２ａ，２２ｂ…アースブラシ
２３…循環ケーブル
２４…軸電流検出装置
２５…軸電流測定装置
２６…信号線
３０…材料位置調整装置
３１ａ…保持ローラ
３２…位置調整ローラ
３３…ジャッキ
３４…位置検出装置
Ｂ…被加熱材
Ｄ…演算結果表示装置

Claims (7)

1. 帯状をした被加熱材料の幅方向の端部に配置され、同位相、逆電流でエッジを加熱する一対のＣ型インダクタと、
   前記帯状をした被加熱材料の長さ方向からみて、前記一対のＣ型インダクタの前後に配置された一対のピンチロールとを備えた誘導加熱装置において、
   前記一対のＣ型インダクタによる加熱により、被加熱材料に発生する軸電流を測定する軸電流測定装置と、
   前記Ｃ型インダクタに対して前記帯状の被加熱材料をその幅方向に相対的に移動させる被加熱材料補正手段とを備え、
   この被加熱材料補正手段は、前記軸電流測定装置による測定値である被加熱材料の移動前の軸電流値と移動後の軸電流値との差分に基づいて、軸電流値をゼロにするようにＣ型インダクタと前記前記被加熱材料の幅方向相対位置を補正するものであることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記被加熱材料位置補正手段は、前記被加熱材料を幅方向に移動させることによって位置補正を行うことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記被加熱材料位置補正手段は、前記Ｃ型インダクタを前記被加熱材料の幅方向に移動させることによって前記被加熱材料の位置補正を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の誘導加熱装置。
4. 前記軸電流測定装置は、前記ピンチロール端部に設けられたスリップリングと、当該スリップリングに設けられたアースブラシとを備えた軸電流吸収手段と、前記Ｃ型インダクタの前後に配置されて前記ピンチロールの軸電流吸収手段間を短絡する電流循環ケーブルと、前記電流循環ケーブルに流れる電流を測定する電流検出手段とからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 帯状をした被加熱材料の幅方向の端部に配置され、同位相、逆電流でエッジを加熱する一対のＣ型インダクタと、
   前記帯状をした被加熱材料の長さ方向からみて、前記一対のＣ型インダクタの前後に配置された一対のピンチロールとを備えた誘導加熱装置のアークスポット抑制方法において、
   前記一対のＣ型インダクタによる加熱により、被加熱材料に発生する軸電流を測定する処理と、
   前記Ｃ型インダクタに対して前記帯状の被加熱材料をその幅方向に相対的に移動させる被加熱材料補正処理とを含み、
   この被加熱材料補正処理は、前記軸電流測定装置による測定値である被加熱材料の移動前の軸電流値と移動後の軸電流値との差分に基づいて、軸電流値をゼロにするようにＣ型インダクタと前記前記被加熱材料の幅方向相対位置を補正する処理であることを特徴とする誘導加熱装置のアークスポット抑制方法。
6. 前記被加熱材料の位置補正は、前記被加熱材料を幅方向に移動させる処理を含むことを特徴とする請求項５記載の誘導加熱装置のアークスポット抑制方法。
7. 前記被加熱材料位置補正は、前記Ｃ型インダクタを前記被加熱材料の幅方向に移動させる処理を含むことを特徴とする請求項５又は６記載の誘導加熱装置のアークスポット抑制方法。

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