JP5909562B2 - 加熱装置及び加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は加熱装置及び加熱方法に関し、連続的に供給される金属板を加熱する加熱装置であって、エッジ部の過熱が可能でありながら、エッジ部を除いた部分では均一な加熱が可能な加熱装置及び加熱方法に関する。

横方向フラックス誘導コイル（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｆｌｕｘ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｉｌ、「ＴＦＩＣ」という）は、ソレノイド加熱コイル（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｆｌｕｘ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｉｌ、「ＬＦＩＣ」という）から開発された誘導加熱技術の一つである。

図１には、ＬＦＩＣによって金属板が加熱される原理が示されている。

即ち、図１の（ａ）に示されたように、ＬＦＩＣによって発生する磁場は金属板の縦方向に作用するため、金属板の垂直断面に渦電流（Ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ）を発生させる。上記渦電流による金属板の効率的な加熱のためには、金属板の厚さが磁場浸透深さ（δ＝√（１／πｆμσ））の３倍以上でなければならないが、これは、図１の（ｂ）に示されたように、金属板の上部と下部とで反対に流れる渦電流が互いに衝突して相殺（Ａ）されることを防止するためである。

従って、ＬＦＩＣによる効率的な誘導加熱のためには、金属板の厚さが薄くなるほど、浸透深さも低くならなければならい。そのため、材料の高透磁率（μ）と装置の高運転周波数（ｆ）が必要である。

しかし、透磁率は金属の固有物性値であるため、制御が不可能であり、高運転周波数は大容量電力設備の具現において制限があるため、ＬＦＩＣによる非磁性金属薄板の誘導加熱には限界がある。

図２にはＴＦＩＣの技術が示されている。ＴＦＩＣは、横方向に移動する金属板に垂直に磁場を発生させて、広い横方向断面に渦電流を誘導させるため、渦電流の相殺を防ぐことができ、また、図２の（ｂ）に示されたように、金属板の厚さが薄いほど、金属板の上部及び下部に流れる同一方向の渦電流が互いに重畳（Ｂ）されて電流密度を上昇させるため、加熱効果（Ｐ＝Ｉ＾２＊Ｒ）をさらに向上させることができる。

よって、非磁性金属薄板の誘導加熱では、ＴＦＩＣにより加熱効率が向上する効果が期待できる。

初期のＴＦＩＣは、図３に示されたように、単純な長方形の巻線形態を取っていたが、鋼板に伝達されるエネルギーが幅方向に不均一で、特にエッジ部２０の内側は中心に比べて約２０％減少したエネルギーが伝達され、不十分な加熱区間が発生した（図３ｂのＣを参照）。これを克服するために、ＴＦＩＣの両端部分を円形にしてヘッド部を作るが、特にヘッド部１０の断面の大きさを減らすか、外側に大きく円形を作ることで、不十分な加熱部分の電流密度を上昇させるか、電流パスを延長させて、エッジ部の内側の不十分な加熱を補償し、幅方向の均一な加熱を可能にした。

しかし、上記ＴＦＩＣの場合、コイルの位置、特にＴＦＩＣのヘッド部１０の端と金属板のエッジとの距離によって加熱パターンが大きく変わるため、ＴＦＩＣのヘッド部１０の位置を正確に制御しなければならなかった。言い換えれば、金属板の幅変化や蛇行に係らず幅方向を均一に加熱するためには、金属板に対するＴＦＩＣの最適位置が存在し、そのためにはＴＦＩＣを移動させなければならない。

よって、上記コイルの位置制御のために、図４に示されたように、上下一対の加熱コイルを二対に分けたＵ字型ＴＦＩＣが開発された。

二対のＴＦＩＣを利用する誘導加熱システムは、２つの電源装置とマッチング構成（コンデンサー、トランスフォーマー等）が必要で、金属板の幅変化と蛇行に応じたコイルの位置制御が必須であるため、機具部が必ず必要である。また、加熱コイルの断面や形態がヘッド部で変わるため、溶接によるコイル製作が避けられないが、溶接部での過熱による穿孔や、これに伴うコイル冷却水の漏れが発生する可能性がある。即ち、コイルの製作が困難で、システムが複雑であり、初期投資費が高いという短所がある。

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のもので、コイルの形状が簡単で、かつ金属板のエッジ部の過熱と幅方向の均一加熱が可能な加熱装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、構成が簡単で、コイルの位置制御機具を必要とせず、エッジ部の過熱と幅方向の均一加熱が可能な加熱装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、蛇行が発生しても、エッジ部の過熱と幅方向の均一加熱が可能な加熱装置及び加熱方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記のような目的を達成するために、以下のような加熱装置及び加熱方法を提供する。

本発明は、金属板を加熱する磁場を発生させるために金属板の一面に離隔して上記金属板に平行に設置され、金属板の幅方向に延長される一対の横部及び金属板の進行方向に延長される一対の縦部を備える巻線コイルを含む第１加熱部と、金属板の他面に離隔して上記金属板に平行に設置され、金属板の幅方向に延長される一対の横部及び金属板の進行方向に延長される一対の縦部を備える巻線コイルを含む第２加熱部と、を含み、上記第１及び第２加熱部は、上記巻線コイルの一対の横部に沿って延長される磁気鉄心を含み、上記磁気鉄心は、上記横部の内側面に沿って延長される第１部材を備え、上記巻線コイルの横部の外側面は開放される加熱装置を提供する。

上記巻線コイルは、金属板の幅方向に長い長さを有する長方形状に巻き取られ、上記磁気鉄心は、金属板の進行方向の前方の前方磁気鉄心と金属板の進行方向の後方の後方磁気鉄心を含んでもよい。

上記磁気鉄心は、上記巻線コイルの金属板の反対面に位置する第２部材をさらに含んでもよい。

上記磁気鉄心の第２部材は、上記第１部材より金属板の幅方向に長さが長くなるように延長部を含んでもよく、上記延長部は、上記巻線コイルの金属板の幅方向の端部まで延長されてもよい。

上記巻線コイル及び上記磁気鉄心を内部に含み、上記巻線コイルによる磁場の漏れを防止するために提供された磁場遮蔽箱をさらに含んでもよい。

一方、鉄損を最小化するために、上記磁気鉄心は、相対透磁率が１０００以上の粉末状高透磁率材料を圧縮焼結したもの、あるいは相対透磁率が１０００以上の電磁鋼板を長さ方向に積層したものであってもよい。

上記磁気鉄心と上記巻線コイルの間には絶縁板が配置され、上記磁気鉄心の外側には放熱板が配置されてもよく、上記放熱板は、上記磁気鉄心に対応する形状を有し、外側に水冷式コイルが配置される水冷式放熱板であってもよい。

また、上記巻線コイル及び上記磁気鉄心を内部に含み、上記巻線コイルによる磁場の漏れを防止するために提供された磁場遮蔽箱をさらに含み、上記巻線コイル、絶縁板、磁気鉄心、及び放熱板は、上記磁場遮蔽箱の内部のベースに結合手段を介して固定されてもよい。

上記磁気鉄心は、相対透磁率が１０００以上の粉末状高透磁率材料を圧縮焼結したもので、上記高透磁率材料の直径は磁場浸透深さ以下であってもよい。

また、上記磁気鉄心は、相対透磁率が１０００以上の電磁鋼板を長さ方向に積層したもので、上記電磁鋼板の厚さは磁場浸透深さ以下であってもよい。

このとき、上記磁気鉄心は、上記電気鋼板を接着層で積層させ、上記金属板の幅方向の均一加熱パターンを具現するために、上記磁気鉄心の全体体積に対する上記電磁鋼板の体積比率が９５％以上であることが好ましい。

上記巻線コイルの内側の長辺の長さは、金属板の幅方向の長さの８０％を超え１２０％未満であってもよい。

また、上記磁場遮蔽箱は磁場浸透深さを超えて構成され、上記磁場遮蔽箱の誘導電流損失を低減させるために、上記巻線コイルと上記金属板との距離より、上記巻線コイルと上記磁場遮蔽箱の内面との距離が遠いことが好ましい。

一方、本発明は、上述した加熱装置と、上記加熱装置の後段に配置される圧延機と、を含む圧延ラインを提供する。

本発明は、金属板の両面に配置される加熱装置で連続的に供給される金属板を加熱する加熱方法であって、上記加熱装置に金属板を供給する供給段階と、上記加熱装置の巻線コイルで金属板に垂直の磁場を発生させて、供給される金属板を加熱する加熱段階と、を含み、上記加熱段階は、上記巻線コイルで発生する磁場の強さを磁気鉄心を介して調節して上記金属板のエッジ部を中央部より過熱させ、金属板の中央部は幅方向の温度分布が均一となるように加熱させる、加熱方法を提供する。

上記加熱段階で加熱された金属板が圧延工程に供給されるように、上記加熱段階は圧延工程の前に行われることができ、これは、圧延工程において、エッジ部は冷却が多く発生するため、圧延工程の前にエッジ部を過熱することが好ましく、エッジ部を除く中央部は均一な温度を有することが圧延後の製品特性が均一であるためである。

本発明は、上記のような構成により、コイルの形態が簡単で、かつ金属板のエッジ部の過熱と幅方向の均一加熱が可能な加熱装置を提供することができる。

また、本発明は、構成が簡単で、コイルの位置制御機具を必要せず、エッジ部の過熱と幅方向の均一加熱が可能であり、蛇行が発生しても、同じ性能を提供することができる加熱装置及び加熱方法を提供することができる。

従来のＬＦＩＣを示したものである。 従来のＴＦＩＣを示したものである。 従来のＴＦＩＣの一例のコイルと金属板の平面図である。 図３ａのＴＦＩＣで加熱した金属板の電力分布グラフである。 従来のＴＦＩＣの他例のコイルと金属板の平面図である。 図４ａのＴＦＩＣで加熱した金属板の電力分布グラフである。 図３のＴＦＩＣで加熱したときの渦電流密度分布度を示したものである。 図５ａの金属板に誘導される渦電流パス（Ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ）を示したものである。 本発明による横方向フラックス誘導加熱器の斜視図である。 本発明による横方向フラックス誘導加熱器の加熱部における巻線コイルの斜視図及び平面図である。 本発明による横方向フラックス誘導加熱器の加熱部における磁気鉄心の斜視図（ａ）、側面図（ｂ）、正面図（ｃ）及び平面図（ｄ）である。 本発明による加熱部の図面であり、（ａ）は加熱部の組立図で、（ｂ）は加熱部の組立断面図である。 比較例と第１実施例の磁気鉄心の位置を示したものである。 図１０の磁気鉄心の位置による電力分布グラフである。 第１〜第３実施例の磁気鉄心の位置を示したものである。 図１２の磁気鉄心の位置による電力分布グラフである。 図１２の第３実施例と従来技術の電力分布を比べたグラフである。 本発明の加熱装置の平面図である。 本発明の加熱装置の磁気鉄心の長さ変化による電力分布グラフである。 本発明の加熱装置の断面図である。 金属板の蛇行による電力分布グラフである。 本発明の横方向フラックス誘導加熱器による金属板の電力分布グラフである。 本発明の加熱装置が圧延ラインに配置された概略図である。

以下では、添付の図面を参照して本発明の具体的な実施例について説明する。

図５ａには図３のＴＦＩＣで加熱したときの渦電流密度分布度が示されており、図５ｂには図５ａの金属板に誘導される渦電流パス（Ｅｄｄ ｙｃｕｒｒｅｎｔ ｐａｔｈ）が示されている。図５に示されたように、図３のＴＦＩＣを使用すると、エッジ部Ｅに渦電流が集中することが分かる。これは、エッジ部Ｅにおける磁場の歪み及び集中によって渦電流密度が高くなる端部効果（Ｅｎｄ ｅｆｆｅｃｔ）のためである。

上記端部効果は、加熱コイル内のエッジ部Ｅだけでなく、加熱コイル外のエッジ部Ｅ’でも発生するため、渦電流ループ（Ｌｏｏｐ）は、図５ｂのように、中間の主な電流パスの他にも外側に回転するループを形成するようになる。即ち、エッジ部の内側で電流が二つに分割される地点が生じ、この地点での電流密度が低くなるため、不十分な加熱区間が発生する。

上記した根本的な原因により発生する不十分な加熱区間を除去するために、外側のエッジ部Ｅ’との電磁気的結合を遮断し、加熱コイル内のエッジ部Ｅに電流を集中させなければならず、これにより、電流パスが外側に分割されることを防止しなければならない。

そこで、本発明の発明者は、加熱コイル内のエッジ部Ｅに電流を集中させるために、磁気鉄心を導入し、分割される電流パスを加熱コイルの内側に集中させた。

図６には、本発明による横方向フラックス誘導加熱器１の斜視図が示されている。図６に示されたように、本発明の横方向フラックス誘導加熱器（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｆｌｕｘ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｅｒ）１は、金属板Ｐの上面に配置される上部加熱部１００と、金属板Ｐの下面に配置される下部加熱部２００と、を含む。

上部加熱部１００は、巻線コイルによって発生する磁場の外部漏れを防止する磁場遮蔽箱１０１と、その内部に配置され、金属板の水平面に垂直の磁場を発生させる巻線コイル１１０と、上記巻線コイル１１０の内面及び上面の一部をカバーし、上記巻線コイル１１０で発生する磁場の位置毎の磁束密度を制御する磁気鉄心１２０、１３０と、を含んで構成される。

即ち、金属板Ｐの幅方向の巻線コイル１１０を一対の横部、金属板Ｐの進行方向の巻線コイル１１０を一対の縦部としたとき、磁気鉄心１２０、１３０は、横部の上面及び内面に位置する。

同様に、下部加熱部２００は、磁場遮蔽箱２０１と、その内部に配置される巻線コイル２１０と、上記巻線コイル２１０の内面及び下面の一部をカバーする磁気鉄心２２０、２３０と、を含んで構成される。

図７には、本発明による横方向フラックス誘導加熱器１の上部加熱部１００における巻線コイル１１０の斜視図及び平面図が示されている。

巻線コイル１１０には、熱伝導率と導電率に優れた銅を使用し、横方向に移動する金属板の厚さ方向に所定距離離隔されて配置される。巻線コイル１１０は、設計に応じて異なってもよいが、本実施例では、長方形の断面を有するコイルが金属板の幅方向に長い長さを有する長方形状に３回巻かれて、外側巻線部１１１、中央巻線部１１２、内側巻線部１１３を有する。

即ち、巻線コイル１１０の長い長さａが金属板の幅方向、即ち、横部であり、短い長さｂは金属板の進行方向、即ち、縦部である。巻線コイル１１０の外側巻線部１１１と内側巻線部１１３には、電力供給部と連結される連結部１１４、１１５が備えられる。

金属板Ｐと巻線コイル１１０の間隔は、金属板Ｐが垂直変形しても巻線コイル１１０が衝突されない程度であるが、巻線コイル１１０と金属板Ｐの電磁気的結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇ）が強くなるように可能な限り狭いことが好ましい。例えば、厚さ２０ｍｍの金属板を加熱する場合、上側の巻線コイル１１０と下側の巻線コイル２１０の間隔を約８０ｍｍ程度にして、衝突を避けながら、電磁気的結合効果を確保することが好ましいが、これは設計に応じて変更されてもよい。

図８の（ａ）には本発明による横方向フラックス誘導加熱器１の上部加熱部１００における磁気鉄心１２０、１３０の斜視図が示されており、図８の（ｂ）には磁気鉄心１２０の側面図、図８の（ｃ）は磁気鉄心１２０の正面図、図８の（ｄ）には磁気鉄心１２０の平面図が示されている。

図８の（ａ）に示されているように、本発明における磁気鉄心１２０、１３０は、金属板Ｐの進行方向に沿って前方磁気鉄心１３０と後方磁気鉄心１２０からなり、前方及び後方磁気鉄心１２０、１３０は同じ形状であるが、連結部１１５によって垂直部１２１の長さが異なることもある。前方磁気鉄心１３０と後方磁気鉄心１２０は、巻線コイル１１０の内面において、垂直部１２１が対向し離隔して配置されるが、磁気鉄心１２０、１３０の厚さと巻線コイル１１０の短い長さｂ（図７参照）によって、単一の磁気鉄心１２０、１３０で構成されてもよい。

図８の（ｂ）に示されているように、後方磁気鉄心１２０は、巻線コイル１１０の内面をカバーする垂直部１２１（第１部材）と、上面をカバーする水平部１２２（第２部材）を含み、側面図のように、略「Ｌ」字状である。上記水平部１２２は、上記垂直部１２１に対応する中央部１２２ｂと、その両側に巻線コイル１１０の端部まで延長される延長部１２２ａ、１２２ｃと、を含む。垂直部１２１は、巻線コイル１１０の内側面をカバーするため、延長部１２２ａ、１２２ｃに対応する位置には備えられず、本発明では、巻線コイル１１０の横部の外側面には磁気鉄心１２０、１３０が配置されないため、巻線コイル１１０は横部の外側面が開放される。

一方、図８の（ｄ）の磁気鉄心１２０の断面拡大図から分かるように、本発明における磁気鉄心１２０は、相対透磁率が１０００以上の高透磁率の電気鋼板１２３が長さ方向、即ち、金属板の幅方向に積層されて構成されてもよい。このとき、電気鋼板１２３の間には接着層１２４が配置されてもよい。ここで、電気鋼板１２３の厚さは、巻線コイル１１０によって誘導される磁場の浸透深さ以下であることが磁気鉄損を低減できるため、好ましい。例えば、運転周波数１０００Ｈｚでの磁気鉄心１２０、１３０の浸透深さは約０．３７ｍｍであるため、電気鋼板１２３の厚さはこれより薄いことが好ましい。

また、本発明における磁気鉄心は、相対透磁率１０００以上あるいは高透磁率材料を圧縮焼結して具現されることができ、このように高透磁率材料を圧縮焼結する場合、材料の直径は磁場浸透深さ以下であることが磁気鉄損を低減できるため、好ましい。例えば、運転周波数１０００Ｈｚでの浸透深さは約０．３７ｍｍであるため、高透磁率材料の直径はこれより小さいことが好ましい。

特に、電気鋼板１２３を接着層１２４を介して積層した場合、磁気鉄心１２０において電磁鋼板１２３の占める体積が９５％以上となるように積層することができる。これは、接着層１２４が５％を超えると、磁気鉄心１２０の性能が低下して、金属板Ｐの幅方向のパターンが変わる恐れがあるためである。

図９には、磁場遮蔽箱１０１の内部において、磁気鉄心１２０、１３０及び巻線コイル１１０が固定される様子が示されており、図９の（ａ）は斜視図、図９の（ｂ）は断面図である。

図９に示されたように、磁場遮蔽箱１０１に連結されるベース１９０に磁気鉄心１２０、１３０と巻線コイル１１０が装着される。具体的には、巻線コイル１１０と磁気鉄心１２０、１３０の間には絶縁板１４０が備えられて、巻線コイル１１０及び磁気鉄心１２０、１３０を絶縁させると同時に、磁気鉄心１２０、１３０を冷却させる。磁気鉄心１２０、１３０上には放熱板１５０が磁気鉄心１２０、１３０を包んで配置される。絶縁板１４０と放熱板１５０は、熱伝導率の高い材料からなる。

上記放熱板１５０には水冷式コイル１８０が配置され、巻線コイル１１０によって発生する磁場による磁気鉄心１２０、１３０の熱を外部に排出させる。

放熱板１５０とベース１９０の間には、水冷式コイル１８０を配置するための空間を確保し、ベース１９０と放熱板１５０が所定距離離隔するように所定厚さを有するブッシュ１６０が挿入される。該ブッシュ１６０は、磁気鉄心１２０、１３０、絶縁板１４０、放熱板１５０を貫通し、巻線コイル１１０に連結される。

該ブッシュ１６０とベース１９０が接触し、上記ベース１９０を貫通する結合手段としてのボルト１７０が上記ブッシュ１６０に締結されることで、巻線コイル１１０、絶縁板１４０、放熱板１５０、磁気鉄心１２０、１３０がベース１９０に固定される。

このようにベース１９０に固定された巻線コイル１１０、絶縁板１４０、放熱板１５０、磁気鉄心１２０、１３０は、ベース１９０が磁場遮蔽箱１０１に連結されることで、磁場遮蔽箱１０１の内部で位置固定されることができる。

以上では、本発明の一実施例を中心に説明したが、以下では、本発明による他の磁気鉄心の形状について説明する。

図１０には本発明の第１実施例と比較例が示されており、図１１には数値解析により得られた第１実施例と比較例の金属板の中心からの距離による電力分布グラフが示されている。

図１０に示されたように、本発明の第１実施例ＩＩＩは、磁気鉄心１２０が巻線コイル１１０の内面に位置する垂直部１２１のみで具現されるが、比較例ＩＩは、磁気鉄心１２０が巻線コイル１１０の外側面に位置して、巻線コイル１１０の外側面をカバーする垂直部１２５のみで具現され、他の比較例ＩＩは、磁気鉄心１２０が巻線コイル１１０の上面をカバーする水平部１２２のみで具現される。

図１１には、その他に巻線コイル１１０の巻線数、ポールピッチ、間隔等は全て同じで、数値解析により、幅方向の各地点における鋼板の進行方向と厚さ方向のジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔ）を全て積分した値が示されている。即ち、鋼板がＴＦＩＣを通過した後に得られる最終加熱パターンが示されている。

図１１に示されたように、比較例Ｉは、金属板Ｐのエッジ部の内側で、磁気鉄心１２０のない従来の図３ｂと同等のレベルに温度が低下するため、不十分に加熱される部分が全く補償されないことが分かる。また、比較例ＩＩは、不十分に加熱される部分を一部補償するが、その効果は僅かであることが分かる。これに対し、第１実施例ＩＩＩは、不十分な加熱区間を補償した。

これは、磁気鉄心１２０を巻線コイル１１０の内側に配置することで、コイル内の磁場を集中させ、これにより上下巻線コイル１１０、２１０の間の主な渦電流パスを強化させて、相対的に外側のエッジ部（図５のＥ’）と結合される磁場を悪化させることで、電流パスが外側に分割されることを防止したためである。これにより、磁気鉄心１２０を巻線コイル１１０の内側に配置することで、幅方向の均一加熱が可能であることが分かる。

図１２及び図１３には、内側面をカバーする垂直部１２１を含み、かつ２面以上をカバーするように本発明の磁気鉄心１２０を変更し、それによる追加実施例及びその金属板の中心からの距離による電力分布グラフが示されている。

図１２の上段の第１実施例ＩＩＩは、図１０と同様に、巻線コイル１１０の内側面だけを磁気鉄心１２０の垂直部１２１がカバーする。

中間の第２実施例ＩＶの磁気鉄心１２０は、内側面をカバーする垂直部１２１とそれに対応する幅で上面をカバーする水平部１２２を含み、略「Ｌ」字状であり、巻線コイル１１０の外側面と金属板を向く面が開放される。

下段の第３実施例Ｖの磁気鉄心１２０は、第２実施例ＩＶのように内側面をカバーする垂直部１２１とそれに対応する幅で上面をカバーする水平部１２２を含み、水平部１２２は巻線コイル１１０の幅方向の端部まで延長される形状を有する。これに対しては図８で詳細に説明した。第３実施例Ｖも第２実施例ＩＶと同様に、巻線コイル１１０の外側面と金属板を向く面が開放される。

図１２の第１〜第３実施例ＩＩＩ〜Ｖの加熱パターンを示した電力分布グラフである図１３に示されたように、第１〜第３実施例ＩＩＩ〜Ｖの全てにおいて、金属板のエッジ部に隣接した不十分な加熱区間が補償されていることが分かる。

具体的には、第２実施例ＩＶは、第１実施例ＩＩＩより改善された加熱パターンを示す。さらに、第３実施例Ｖは、第２実施例ＩＶより改善された加熱パターンを示す。

特に、第３実施例Ｖは不十分な加熱区間、即ち、正規化電力分布において１．０以下の部分がない上、エッジ部では過熱が発生しているため、加熱部１００に続く圧延で過冷される部分、即ち、エッジ部を過熱させることが可能でありながら、不十分な加熱区間が無くなることができる。

図１４には、上記第３実施例Ｖと、図４のように上下一対の加熱コイルを二対に分けたＵ字型ＴＦＩＣの幅方向の加熱パターンを示す電力分布グラフが示されている。

図１４から、不十分な加熱区間を除去する技術として提案された図４の場合も幅方向の加熱パターンが波打つが、本発明の第３実施例Ｖは安定的な加熱パターンを有することが分かる。

また、図４のように、二対のＴＦＩＣを利用する誘導加熱システムは、２つの電源装置とマッチング構成（コンデンサー、トランスフォーマー等）が必要で、金属板の幅変化と蛇行によるコイルの位置制御が必須であるため、機具部が必ず必要であるが、本発明の実施例は、蛇行にも敏感ではない。これは、後述する図１６〜図１７を参照して後に詳細に説明する。

また、図４では、加熱コイルの断面や形態がヘッド部１０（図４参照）で変わるため、溶接によるコイル製作が避けられないが、溶接部での過熱による穿孔や、これに伴うコイル冷却水の漏れが発生する恐れがある。しかし、本発明では、巻線コイル１１０の断面が保持されるため、巻線コイル１１０の製作に有利であるという利点もある。

一方、図１５ａ及び図１５ｂには、金属板Ｐの幅と本発明の磁気鉄心１２０、１３０の幅方向の長さとの関係による加熱パターンが示されている。図１５ａには、本発明の加熱部１００の平面図が示されている。巻線コイル１１０は３回巻かれて、外側巻線部１１１、中央巻線部１１２、及び内側巻線部１１３を含み、上記巻線コイル１１０の内側面及び上面に位置するように前方磁気鉄心１３０と後方磁気鉄心１２０が配置されている。

図１５ａの磁気鉄心１２０、１３０は、図８の磁気鉄心１２０、１３０と同様に、垂直部１２１と水平部１２２を含み、水平部１２２は延長部１２２ａ、１２２ｃを含んで構成される。磁気鉄心１２０、１３０の長さは水平部１２２と垂直部１２１の共通の長さ、即ち、磁気鉄心１３０の垂直部の長さＬを意味し、巻線コイル１１０の内側巻線部１１３において短い長さを意味する。

図１５ｂには、図１５ａの垂直部の長さＬの変化による加熱パターンが示されている。図１５ｂに示されたように、金属板Ｐの幅が１０００ｍｍのとき、磁気鉄心１３０の長さＬが金属板Ｐの８０％である８００ｍｍの場合にエッジ部の過熱が発生しないという問題があった。また、金属板Ｐの幅が１０００ｍｍのとき、磁気鉄心１３０の長さＬが金属板Ｐの１２０％である１２００ｍｍの場合に不十分な加熱区間が増大することが分かる。よって、磁気鉄心１２０、１３０の長さＬは、金属板Ｐの幅に対して８０％を超え１２０％以下であることが、金属板Ｐのエッジ部は過熱させながら、その他の部分では均一に加熱する加熱パターンを有することができる。

一方、図１６において、本発明の磁気遮蔽箱１０１と巻線コイル１１０との距離ｄ２は、巻線コイル１１０と金属板Ｐとの距離ｄ１より大きくなるように配置されることが好ましく、これは磁場遮蔽箱１０１の誘導電流損失を最小化するためである。

また、磁場遮蔽箱１０１は、誘導電流による磁場遮蔽効果が期待できるように金属板で構成されることが好ましく、本実施例では、磁場遮蔽箱１０１に銅を使用したが、これに限定されない。

また、巻線コイル１１０で発生して外部に漏れる磁場を７０％以上減衰させるために、磁場遮蔽箱１０１の厚さは、周波数による材質の浸透深さを超えることが好ましい。例えば、１１００Ｈｚの運転周波数における銅の浸透深さは２ｍｍであるため、磁場遮蔽箱１０１の厚さは２ｍｍを超えるように構成されることが好ましい。

図１６は本発明の加熱装置で金属板Ｐの蛇行が発生する場合の様子を示した断面図であり、図１７は図１６の蛇行距離による電力分布、即ち、加熱パターンを示したグラフである。

図１６には、本発明の加熱部１００、２００が金属板Ｐの上側及び下側に配置された状態で、巻線コイル１１０、２１０の間に金属板Ｐが通過する様子が示されている。金属板Ｐの中心は、巻線コイル１１０、２１０の中心と一致するように進行することが理想的であるが、実際には、蛇行（Ｏｆｆ−Ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）が発生し、蛇行が発生したときに上述した加熱パターンが保持されない場合には、加熱装置が蛇行に対応するように機具装置を設置しなければならない。

ここで、蛇行距離ＯＣは、巻線コイル１１０、２１０の中心と金属板Ｐの中心の水平距離を意味する。

図１７の（ａ）及び（ｂ）には、蛇行距離ＯＣが３０ｍｍ及び４０ｍｍのときの電力分布グラフが示されている。該グラフから、本発明による加熱部１００、２００は、蛇行が発生してもエッジ部では過熱が発生し、中央部では均一な加熱が可能であることが分かる。即ち、加熱パターンが略「Ｕ」字状であることが分かる。

図１８には、図６の実施例を実際に製作して設置した横方向フラックス誘導加熱器の性能評価グラフが示されている。この実施例では、磁気鉄心１２０、１３０の長さＬは金属板Ｐの幅に対応する長さを適用しており、横方向フラックス誘導加熱器１の電力容量は１００ｋＷで、運転周波数は１１００ｋＨ_ｚで、通過する金属板はステンレス鋼板（導電率：１．１×１０^６Ｓ／ｍ）であった。

図１８から分かるように、本発明による横方向フラックス誘導加熱器１の場合、上述した実施例の数値解析の結果と同様に、エッジ部では過熱が発生し、中央部では均一な加熱が可能であった。

図１９には、本発明の加熱装置が圧延ラインに配置された様子が示されている。図１９に示されたように、本発明の加熱装置は、上部加熱部１００と下部の加熱部２００が金属板としてのストリップの上側及び下側で、通過するストリップを加熱し、このように加熱されたストリップは、圧延機７に入って粗圧延あるいは仕上げ圧延されることができる。

以上では、本発明の具体的な実施例を中心に本発明について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されず、該発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の要旨を変更せずに、本発明を変更して使用できることは言うまでもない。

本発明における横部及び縦部は、金属板の幅方向、進行方向に形成された巻線コイルを意味し、直線に限らず曲線に形成されてもよい。

例えば、本発明の実施例では、磁気鉄心が２面以上をカバーする場合、片面をカバーする磁気鉄心が他面をカバーする磁気鉄心に連結されるように設定されるが、これに限定されず、別途の部品に製作されてもよい。

本発明の加熱装置は、薄板の加熱装置に限定されず、巻線コイルの巻線数、巻線形状及び周波数を金属板の厚さに応じて変更することで、厚い金属板を加熱することも可能である。

Claims (13)

1. 金属板を加熱する磁場を発生させるために金属板の一面に離隔して前記金属板に平行に設置され、金属板の幅方向に延長される一対の横部及び金属板の進行方向に延長される一対の縦部を備える巻線コイルを含む第１加熱部と、
   金属板の他面に離隔して前記金属板に平行に設置され、金属板の幅方向に延長される一対の横部及び金属板の進行方向に延長される一対の縦部を備える巻線コイルを含む第２加熱部と、を含み、
   前記第１及び第２加熱部は、前記巻線コイルの一対の横部に沿って延長される磁気鉄心を含み、
   前記磁気鉄心は、前記横部の内側面に沿って延長される第１部材、及び前記巻線コイルの金属板の反対面に位置する第２部材を備え、前記巻線コイルの横部の外側面は開放され、
   前記磁気鉄心の第２部材は、前記巻線コイルの金属板の幅方向の端部まで延長された延長部を含み、
   前記磁気鉄心は、金属板の進行方向の前方の前方磁気鉄心と、金属板の進行方向の後方の後方磁気鉄心と、を含み、前記前方磁気鉄心と後方磁気鉄心が前記巻線コイルの内面において前記第１部材に対向し離隔して配置され、
   前記巻線コイルの内側の長辺に配置される前記磁気鉄心の長さは、金属板の幅方向の長さの８０％を超え１２０％以下である、加熱装置。
2. 前記巻線コイル及び前記磁気鉄心を内部に含み、前記巻線コイルによる磁場の漏れを防止するために提供された磁場遮蔽箱をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の加熱装置。
3. 鉄損を最小化するために、前記磁気鉄心は、相対透磁率が１０００以上の粉末状高透磁率材料を圧縮焼結したり、相対透磁率が１０００以上の電磁鋼板を長さ方向に積層して形成することを特徴とする、請求項１に記載の加熱装置。
4. 前記磁気鉄心と前記巻線コイルの間には絶縁板が配置され、前記磁気鉄心の外側には放熱板が配置されることを特徴とする、請求項１に記載の加熱装置。
5. 前記放熱板は、前記磁気鉄心に対応する形状を有し、外側に水冷式コイルが配置される水冷式放熱板であることを特徴とする、請求項４に記載の加熱装置。
6. 前記巻線コイル及び前記磁気鉄心を内部に含み、前記巻線コイルによる磁場の漏れを防止するために提供された磁場遮蔽箱をさらに含み、
   前記巻線コイル、絶縁板、磁気鉄心、及び放熱板は、前記磁場遮蔽箱の内部のベースに結合手段を介して固定されることを特徴とする、請求項５に記載の加熱装置。
7. 前記磁気鉄心は、相対透磁率が１０００以上の粉末状高透磁率材料を圧縮焼結したもので、前記高透磁率材料の直径は磁場浸透深さ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の加熱装置。
8. 前記磁気鉄心は、相対透磁率が１０００以上の電磁鋼板を長さ方向に積層したもので、前記電磁鋼板の厚さは磁場浸透深さ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の加熱装置。
9. 前記磁気鉄心は、前記電磁鋼板を長さ方向に沿って接着層で積層させ、前記金属板の幅方向の均一加熱パターンを具現するために、前記磁気鉄心の全体体積に対する前記電磁鋼板の体積比率が９５％以上であることを特徴とする、請求項８に記載の加熱装置。
10. 前記磁場遮蔽箱は磁場浸透深さを超えて構成され、
    前記磁場遮蔽箱の誘導電流損失を低減させるために、前記巻線コイルと前記金属板との距離より、前記巻線コイルと前記磁場遮蔽箱の内面との距離が遠いことを特徴とする、請求項２に記載の加熱装置。
11. 請求項１に記載の加熱装置と、
    前記加熱装置の後段に配置される圧延機と、を含み、
    前記加熱装置によって加熱された金属ストリップを圧延機で圧延する、圧延ライン。
12. 金属板の両面に配置される請求項１に記載の加熱装置で連続的に供給される金属板を加熱する加熱方法であって、
    前記加熱装置に金属板を供給する供給段階と、
    前記加熱装置の巻線コイルで金属板に垂直の磁場を発生させて、供給される金属板を加熱する加熱段階と、を含み、
    前記加熱段階は、前記巻線コイルで発生する磁場の強さを磁気鉄心を介して調節して前記金属板のエッジ部を中央部より過熱させ、金属板の中央部は幅方向の温度分布が均一となるように加熱させる、加熱方法。
13. 前記加熱段階で加熱された金属板が圧延工程に供給されるように、前記加熱段階は圧延工程の前に行われることを特徴とする、請求項１２に記載の加熱方法。

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