JP5162949B2

JP5162949B2 - 誘導加熱炉

Info

Publication number: JP5162949B2
Application number: JP2007111824A
Authority: JP
Inventors: 毅晴片岡; 重信古賀; 武木村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: JP2008267704A

Description

本発明は、導電性の被加熱材を誘導加熱するための炉に関するもので、特に、水素のような可燃性ガスを含有する雰囲気中で被加熱材を加熱する場合に使用される誘導加熱炉の炉殼構造に関するものである。

誘導加熱炉の炉殼構造として、例えば特許文献１に示されているものが知られている。その炉殼構造においては、セラミックファイバーで強化した積層材製の耐火ボードを用いて炉殼を構成しているため、炉内雰囲気として水素等の可燃性ガスを使用する場合には、炉内雰囲気ガスが炉殻を透過して外部に漏れないようにする漏洩防止対策が必要である。

また、被加熱材が薄鋼板のように厚みが薄い場合では、電流浸透深さを浅くして加熱効率をあげるために周波数を高く設定している。そうすると、誘導加熱コイル及び電源から誘導加熱コイルに至るまでの通電路におけるインピーダンスがそれぞれ高くなり、所要の電流を流すためには電源の電圧を高くしなければならない。透磁率が低い被加熱材の場合でも、加熱効率をあげるためには周波数を高くする必要があり、やはり電源の電圧が高くなる。これらの場合、電源の電圧は数万ボルトにも達することもめずらしくなく、そのため、誘導加熱炉には放電に対する対策も必要となっている。

特許文献１では、これらに対する対策として、炉殼の周囲全体を誘導加熱コイルも含めてケースで取り囲み、ケース内に窒素等の不活性ガスを流通させる方法を採用している。
しかし、この方法では、誘導加熱コイルを含めて全体を囲う必要があり、ケースが大型化するため、漏洩した水素ガスは不活性ガスによって平均的には希釈されるものの、例えば炉殻の継ぎ目部のように機密性が低下しやすい部位においては局所的に水素濃度が高い部分が発生する。この高水素濃度となる部位は当然炉殼やコイルの近傍であることから、漏洩した水素雰囲気を介して放電が発生し易くなるという問題がある。

また、別の構造として、特許文献２に示されているものが知られている。その炉殻構造においては、樹脂のような気密性を有し、非導電性の材料よりなるシースを用いることによって炉殼の気密性を確保しているが、シースの耐熱性が低いため、シースを冷却したり断熱材を厚くするなど断熱を強化する必要がある。このため、シースを冷却する場合には構造が複雑になるといった問題が生じ、また、断熱材の厚みを大きくする場合には、加熱コイルが大型化し、加熱コイルと被加熱材との間隔が広がって、加熱効率の低下やそれに伴う電圧の増大、及び電圧の増大に起因した放電の発生などの問題が生じる。

特開２００５−２２１１３２号公報特開２００３−３１７９１２号公報

そこで、本発明は、サイズを大型化することなく、簡単な構造で炉の気密性を確保でき、かつ、放電の発生する恐れのない炉殻構造を有する誘導加熱炉を提供することを課題とする。

本発明は、非導電性で耐火性の材料からなる炉殼を二重又はそれ以上の多重構造とし、被加熱材を取り囲む内側の炉殻とそれを取り囲む外側の炉殻の間の空間に不活性ガスを導入することにより、前記の課題を解決するものである。また、内側と外側の炉殻の間の空間のガス圧力を、内側の炉殻内の炉内雰囲気の圧力よりも大きくすることにより、炉内雰囲気の漏洩をより防止することができ、さらに、導入する不活性ガスに水蒸気を混入させて、より放電が発生しないようにしたものである。
以上のような本発明の要旨は以下のとおりである。

（１）誘導加熱コイルの内側に、非導電性の素材からなる炉殻を設けた誘導加熱炉において、被加熱材を囲む炉殻の外側に、さらに、互いに間隔を置いて炉殻を多重に配置するとともに、炉殻と炉殼の間の間隔に水蒸気を添加した不活性ガスが導入されており、かつ、該不活性ガスの圧力が、被加熱材を囲む炉殻内の雰囲気ガスの圧力以上とされていることを特徴とする誘導加熱炉。
（２）前記外側に配置される炉殻の温度が１００℃以上であることを特徴とする（１）に記載の誘導加熱炉。

本発明によれば、簡単な構造で炉内雰囲気の外部への漏洩を防止することができ、それにともなう放電の発生や火災の発生を防止することができる。
また、炉殼サイズを大型化する必要がないため、誘導加熱コイルの大型化による加熱効率の低下や電圧の増大に起因した放電の発生も回避することができる。

以下、本発明の誘導加熱炉の一実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明を横型誘導加熱炉に適用した場合の一実施の形態を示す図である。

図のように、耐火性で非導電性の素材からなる炉殻１を、被加熱材４を囲む内殻２と内殻を囲む外殻３から構成される二重構造とする。外殻３と内殻２の間には空間５が設けられる。また、外殻３の外側には、被加熱材４を取り囲むように誘導加熱コイル６が配置されている。
誘導加熱コイル６の外側は、図示されない銅やアルミ製のコイルケースによって囲まれ、誘導加熱コイル６から発生する磁束の漏洩が防止される。誘導加熱コイル６には図示されない誘導加熱用電源から所定の交番電流が投入され、これにより被加熱材４が加熱される。

内殻内の空間７には、所定の炉内雰囲気とするための雰囲気ガスが導入され、外殻３と内殻２の間の空間５には、窒素のような不活性ガスが導入される。このため、例えば、内殻内の炉内雰囲気を、加熱時に被加熱材の酸化を防止するため窒素と水素の混合雰囲気とした場合、たとえ炉内雰囲気ガスが内殻内から外殻との間の空間５に漏洩しても、外殻と内殻の間に存在する不活性ガスの気流によって拡散、希釈されるため、局所的に水素濃度が高い部分が発生することがなく、誘導加熱コイル６と可燃性ガス間の放電の発生を防止することができる。

外殻と内殻間の空間５の圧力Ｐ１と内殻内の炉内雰囲気の圧力Ｐ２は同じ圧力としてもよいが、Ｐ１＞Ｐ２とすることで、ガスの流れは外殻と内殻間の空間５から内殻内の空間７側へ向かうことになり、水素のような可燃性ガスを含有する炉内雰囲気の漏洩をより防止できるようになる。
このとき、内殻と外郭間に導入する不活性ガスが内殻内に侵入しても、そのガスは不活性ガスであることから、被加熱材４の品質に特に影響を与えるものではなく、また、安全の点でも何ら問題はない。

さらに、内殻と外郭間の空間５に導入する不活性ガスに水蒸気を添加するとよい。
水蒸気は放電に対する耐性が高いことから、導入する不活性ガスに水蒸気を添加することで、誘導加熱コイルと可燃性ガス間の放電の発生をさらに抑制でき、安全性をより高めることができる。
その際、特に炉の加熱温度が低い場合には、水蒸気が結露しないように、外殻と内殻間の温度を露点以上に管理することが必要である。そのために、外殻の表面温度を、サーモビュア等の非接触型の温度計により監視し、添加した水蒸気が結露しない１００℃以上の温度に管理する。

炉殻は、例えば無機系の積層材からなる耐火ボードで構成できる。耐火ボードとしては例えば３０ｍｍ程度の厚みのものが使用される。その場合、内殻と外郭とも同じ厚みの耐火ボードを使用してもよいし、直接高温にさらされる内殻を外郭よりも厚みを増した耐火ボードで構成することもできる。炉の使用温度が高い場合には、内殻の内側に、耐火ボードを熱から保護するためのセラミックファイバー製のブランケットを５０ｍｍ程度の厚みで取り付けるとよい。

内殻の幅は、例えば幅１２００〜１３００ｍｍの鋼板を加熱する場合、鋼板の幅よりも両側１００ｍｍずつ広げた１５００ｍｍ程度とする。
また、内殻と外殻の間隔は１０ｍｍ程度が採用される。この間隔は、狭い方が全体のサイズを小型化し、導入する不活性ガスの圧力を確保するために望ましいが、あまり狭いと内殻を外殻に挿入する際の作業精度を確保することが困難になる。
内殻と外殻の間は何も無い空間であってもよいが、不活性ガスの導入を妨げるような構造でない限り、セラミックファイバー製のプランケットを挿入し、導入する不活性ガスの圧力を高める作用をもたせてもよい。

以上のような構造の炉殻を用いた場合、内殻内の炉内温度が約８５０℃のとき、内殻の外表面温度は、５０ｍｍのファイバーブランケットと３０ｍｍの内殻壁によって断熱されているため約４００℃程度となる。また、外殻の外表面温度は約２５０℃程度と、十分に低い温度となり、炉殻を多重にしたことにより断熱性の点でも優れていることが分かる。

内殻内の炉内圧力Ｐ１と外郭−内殻間の炉圧Ｐ２は、通常５〜１０ｍｍＡｑ程度に設定される。例えば、内殻内の圧力Ｐ１を５ｍｍＡｑ程度とする場合は、外殻内の圧力Ｐ２は７ｍｍＡｑと炉内圧力よりも高めに設定するとよい。特にＰ２をＰ１よりも２ｍｍＡｑ以上高めに設定することで内殻内の炉内雰囲気ガスの漏洩を防止する効果が高くなる。

外殻と内殻間に導入する不活性ガスの量は、外殻と内殻間の間隔やファイバーブランケットの有無によって変わるが５〜１０リットル／min程度であり、不活性ガスに水蒸気を添加する場合は、濃度が低いと所定の効果が得られないので、５０体積％以上となるように管理するが、濃度が高くなるとコストが増加する。

図２は、例えば、被加熱材としての鋼板８を熱処理の途中で急速加熱を行うために、ラジアントチューブなどを用いた輻射加熱式加熱炉９、１０の間に、本発明の実施の形態に係る誘導加熱炉１１を挿入した場合の例を示す図である。
外殻３と図示されない内殻間に導入する不活性ガスは、コイルケース１２の外側からガス供給口１３を介して導入され、ガス排出口１４を介してコイルケース１２の外側に排出される。
不活性ガスの排出の際には可燃性ガスが一緒に排出される危険性もあるので、可燃性ガスを検知できるガス検知器を設置し、排出ガス中の可燃性ガスの濃度管理を行ったり、ガス排出口１４の近傍に火炎を置き、燃焼させて爆発を防止したりするとよい。

以上の実施の形態では、炉殻は、内殻と外殻の２重構造としたが、外殻を多重にして、全体として３重以上の構造にしてもよい。
誘導加熱炉は、上記実施の形態で示した横型に限らず、縦型などであっても同様に実施できる。また、上記実施の形態で示したように他の加熱炉と連続して設けることもできるし、単独に用いることもできる。
被加熱材は、鋼板が代表的なものであるが、一般的には磁性を有する金属であれば、本発明の適用は可能であり、その形も必ずしも板状に限られるものではない。

本発明を横型誘導加熱炉に適用した場合の一実施の形態を示す図である。通常の輻射加熱式加熱炉の間に、本発明に係る誘導加熱炉を挿入した場合の例を示す図である。

符号の説明

１炉殻
２内殻
３外殻
４被加熱材
５外殻３と内殻２の間の空間
６誘導加熱コイル
７内殻内の空間
８鋼板（被加熱材）
９、１０輻射加熱式加熱炉
１１誘導加熱炉
１２コイルケース
１３ガス流入口
１４ガス排出口

Claims

誘導加熱コイルの内側に、非導電性の素材からなる炉殻を設けた誘導加熱炉において、被加熱材を囲む炉殻の外側に、さらに、互いに間隔を置いて炉殻を多重に配置するとともに、炉殻と炉殼の間の間隔に水蒸気を添加した不活性ガスが導入されており、かつ、該不活性ガスの圧力が、被加熱材を囲む炉殻内の雰囲気ガスの圧力以上とされていることを特徴とする誘導加熱炉。
前記外側に配置される炉殻の温度が１００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱炉。