JP6147680B2

JP6147680B2 - 誘導加熱装置の余寿命診断装置

Info

Publication number: JP6147680B2
Application number: JP2014012471A
Authority: JP
Inventors: 康治堂上; 宏憲田中
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Kitashiba Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Kitashiba Electric Co Ltd
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: JP2015141750A

Description

本発明は、誘導加熱装置の余寿命診断装置に関するものである。

熱間圧延ラインでは、被加熱材（圧延材）を加熱炉で圧延可能な温度にまで加熱し、粗圧延機にて粗圧延バーと呼ばれる状態に成形する。さらに、粗圧延バーを仕上げ圧延機にかけて、所望の板厚や板幅を有する製品を得ている。

一般的に、熱間圧延ラインにおいては、近年、鋼材の温度降下による圧延機の負荷軽減及び昇温や均熱目的として誘導加熱装置を設置している。誘導加熱装置としては、被加熱材の両エッジ部の温度昇温を目的としたエッジヒータや、被加熱材の全体昇温を目的としたバーヒータが知られている。

バーヒータには、被加熱材を加熱するためのインダクタが装備されている。インダクタは、巻回した加熱コイルを、被加熱材からの輻射熱、スケール、水などから保護するために絶縁材でモールドしている。さらに、モールドされた加熱コイルは、輻射熱、スケール、水などの浸入を抑制するためにシールドカバー、耐熱プレートにて覆われた構造と成っている。

鉄鋼業界の伸長と、高品質な製品を製造する状況から、誘導加熱装置が次々と導入され、その多くが長期間に亘る運転を続けていかなければならない状況にある。しかしながら、装置の老朽化や劣化による突発的な設備停止により、長期間に亘る運転が出来ないケースも生じてきている。

この様な背景から、誘導加熱装置の保守に関する提案がなされている。誘導加熱装置に使用される銅管内部に発生する酸化銅を抑制し、装置の保守点検を容易とするとともに、装置の高寿命化を図ることが出来る冷却水装置を提案したものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、誘導加熱装置の劣化を診断する為に、光ファイバを有した温度センサで劣化診断することも提案されている。センサからの温度状態を監視装置にリアルタイムに表示させることにより、劣化状態を把握することを提案したものもある（例えば、特許文献２参照。）。

更には、回転電気機械のコイル絶縁材の温度を光ファイバで測定して、その温度状態を監視することに加えて、測定された温度の継続時間を化学反応速度論に基づき所定の指標温度おける時間に換算し、該換算された時間を累積し、該累積された時間と所定の指標時間とを対比して熱劣化の程度を診断する管理方法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平０６−３１２１５４号公報ＷＯ２００９／１３０７７２Ａ１特開２００１−９１６０１号公報

一般的に、誘導加熱装置の保守点検はライン停止日の限られた時間に限定されることが多い。しかしながら、誘導加熱装置の構造が複雑であるため、劣化部分の見極めと保守点検には長期間のライン停止日や多くの費用を要しており、十分な保守点検に至らず、突発的な設備停止に至ることも少なくない。そのために、如何にして的確に劣化状況を把握して保守点検ポイントを絞って効率的な保守点検を行い、長期的な補修計画やオーバーホールを伴うメンテナンス計画を精度高く実施したいニーズも高まっている。

しかしながら、特許文献１の提案手法では、誘導加熱装置の設置環境にある輻射熱、スケール、水を受けて劣化する影響がトラブル発生としては遥かに大きいことから、純水の導電率のコントロールだけでは効率的な保守点検には結びついていない。

また、特許文献２の提案手法では、余寿命診断として長期的なメンテナンス計画を立てることには至れない。

さらに、特許文献３の提案手法は、余寿命診断を提供するもので、一般的な理論式や化学反応速度論について言及しているが、その方法や具体的なデータについては開示されていない。

そこで、本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、保守計画の立案と実際の保守点検の効率性向上と、将来的なメンテナンスを精度高く実現させることのできる誘導加熱装置の余寿命診断装置を提供する。

本発明の一態様によれば、圧延ラインで用いられる誘導加熱装置の余寿命を診断するための余寿命診断装置であって、前記誘導加熱装置の内部に配設され、前記誘導加熱装置内に使用されている絶縁物の温度を検出する温度センサと、前記温度センサに一端側で接続された光ファイバと、前記光ファイバの他端側と接続し、前記温度センサのデータを収集するデータ収集装置と、前記データ収集装置からデータを取り込んで、前記絶縁物の寿命予測に基づいて、前記誘導加熱装置の余寿命を診断する演算装置を備え、前記演算装置は、前記絶縁物に加わる温度下での連続使用を許容する使用許容時間ＴＭと、前記絶縁物が劣化する過熱温度による影響を受けた時間を積算した積算時間ΔＴＬとを比較し、ＴＭ＜ΔＴＬであれば前記絶縁物の寿命到達と判定し、前記誘導加熱装置自体の余寿命が尽きることを出力するもので、前記積算時間ΔＴＬは、複数の温度下での積算時間を加算したものであることを特徴とする誘導加熱装置の余寿命診断装置ことを特徴とする。

本発明によれば、誘導加熱装置の余寿命診断によって余寿命を把握できることにより保守計画の立案と実際の保守点検の効率性向上と、将来的なメンテナンスを精度高く実現させることができる。

本発明の実施形態に係る誘導加熱装置の余寿命診断装置の全体構成を示す概略図である。インダクタの構成を説明する図である。コイルモールドの配置の一例を示す図である。ある種類のコイルモールドの使用許容時間を示すグラフである。余寿命計算処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る誘導加熱装置の余寿命診断装置の全体構成を示す概略図である。この余寿命診断装置は、圧延ラインで用いられる誘導加熱装置の余寿命を診断するためのものである。圧延ラインで用いられる誘導加熱装置は、被加熱材（圧延材）の全体の温度を上昇させるバーヒータから構成される。以下の説明では、誘導加熱装置がバーヒータであるとして説明する。

図１に示すように、余寿命診断装置１００は、主として、バーヒータ１、インダクタ２、温度センサ３、データ収集装置４、パソコン５を備えている。

バーヒータ１は、後述する被加熱材１１を加熱するためのインダクタ２を備えている。インダクタ２は、Ｃ形鉄心や、コイルモールドされた加熱コイルによって、その要部が構成される。インダクタ２の各構成物は、被加熱材１１からの輻射熱、スケール、水や水蒸気の侵入を抑制するために、後述するシールドカバー１２や耐熱プレート１３によって保護されている。

インダクタ２は、その内部に温度センサ３が配設されている。バーヒータ１とインダクタ２は、移動機構６によって図示方向に移動可能となっている。

温度センサ３とデータ収集装置４間には、光ファイバ７が配設され、温度センサ３で取得したインダクタ２の温度情報は、データ収集装置４に取り込まれている。

データ収集装置４で取り込んだ温度情報は、パソコン５に送られ、その温度情報に基づいて後述する誘導加熱装置の余寿命予測のための計算を行う。余寿命予測の計算条件として、インダクタ２がオンライン位置に配していることを認識するために、バーヒータ１の位置情報８がパソコン５に取り込まれている。ここで、オンライン位置とは、誘導加熱装置が被加熱材１１からの影響を受ける位置をいう。

図２は、インダクタ２の構成を説明する図である。図２に示すように、インダクタ２では、巻回した加熱コイル９がコイルモールド１０でモールドして構成されている。

コイルモールド１０は絶縁材であり、加熱コイル９を被加熱材からの輻射熱、スケール、水などから保護する役目を果たすものである。

図３は、コイルモールド１０の配置の一例を示す図である。図３に示すように、コイルモールド１０は、被加熱材１１との間に介挿されたシールドカバー１２にて覆われて配置されている。

コイルモールド１０の内側であって被加熱材１１と近接する下側面には、温度センサ３が設置されている。温度センサ３は、輻射熱、スケール、水などの浸入を抑制するために耐熱プレート１３で覆われている。

＜余寿命の予測＞
一般的に、電子部品の寿命予測に関し、劣化の物理的、化学的な現象を表すのに、アレニウスモデルが用いられている。アレニウスモデルは、故障の温度依存に対する基本的な化学反応モデルであり、電子部品等の温度ストレスによる加速寿命試験の寿命推定に用いる。

例えば、機器の温度上昇を勘案して電子部品の最高温度を推定する。次に当該最高温度よりも高い温度を数点、老化温度として選定する。各老化温度において物性値が或る値（例えば、初期値の５０％の値）に劣化するまでの時間（寿命時間ｔ_ｅ）を求めて、寿命時間の対数logｔ_ｅと老化温度の絶対温度の逆数１／Ｔとの関係は直線で表されるとの理論に基づき、logｔ_ｅ−１／Ｔの関係をプロットし、これらを結ぶことにより、耐熱寿命線が得られる。

本実施形態においては、上述した電子部品等の寿命予測を絶縁物の寿命予測に適用し、絶縁物の寿命予測から誘導加熱装置の余寿命を診断するものである。

一般的に、電気用品に使用される絶縁物については、用途に応じて多種のものが上市され、使用温度については、上限値が規定されている。例えば、「使用温度の上限値」とは、常規使用状態において絶縁物に加わる最高温度での連続使用を許容する温度の上限値とされている。絶縁物に加わる最高温度は、機器の温度上昇が飽和した時に絶縁物に加わる温度の最高値である。

図４は、ある種類のコイルモールドの使用許容時間を示すグラフである。グラフの横軸は温度（℃）、縦軸は使用許容時間ＴＭ（Ｈ）である。グラフに示すように、高い温度下では、使用許容時間が大幅に短くなっている。

本実施形態では、各種の実験結果から、絶縁物の使用許容時間ＴＭ（Ｈ）を示す関数として、ＴＭ= 3E+10e-0.0994xと定めるものである。尚、Ｘはバーヒータ１のインダクタ２の温度であって、温度センサ３よって取得される。

但し、この関数は絶縁物の特性により変わり得るものであり、実際に使用する絶縁物の特性を把握して、複数の使用許容時間ＴＭを設定可能とするのが望ましい。

図５は、余寿命計算処理の流れを示すフローチャートである。

まず、余寿命計算をする前提条件として、コイルモールド１０の使用許容時間を設定する（ステップＳ５１）。上記したように、コイルモールド１０に使用される絶縁物の種類に応じて使用許容時間ＴＭは異なるので、選定した絶縁物に対応する使用許容時間ＴＭを設定する。ステップＳ５１では、実験結果から得たＴＭ= 3E+10e-0.0994xを初めとして、複数種類の絶縁物に対応する使用許容時間を代入している。

次に、台車位置がオンライン位置にあるか否かを判定する（ステップＳ５２）。余寿命計算を行うタイミングは、誘導加熱装置が被加熱材１１からの影響を受ける位置で実行することが計算精度の観点からしても好ましいからである。台車位置がオフライン位置である場合（ステップＳ５２でＮｏ）には、オンライン位置に来るまで待機する。

台車位置がオンライン位置である場合（ステップＳ５２でＹｅｓ）には、当該絶縁物が劣化する程度の過熱温度による影響を受けた時間を積算する計算を実行する（ステップＳ５３）。積算時間ΔＴＬは、例えば、次式のように算出する。

ΔＴＬ＝ΔＴＬ（１００）＋・・・＋ΔＴＬ（２１０）
ここで、ΔＴＬ（１００）は１００℃での積算時間、同様にΔＴＬ（２１０）は２１０℃での積算時間である。以下に、ΔＴＬ（１００）やΔＴＬ（２１０）の算出の一例について説明する。

図５に示すように、本実施形態では、例えば、１０℃単位の温度毎に、それぞれの温度サンプリング時間の総和が使用許容時間を越えるか否かで、誘導加熱装置の余寿命を診断する。ここで、サンプリング時間は、例えば、１０秒毎、２０秒毎、４０秒毎のように秒単位で制御するのが好適である。

温度センサ３での測定温度ｘが、１００℃≦ｘ＜１１０℃である場合には、ΔＴｔ（１００）＝sampling Time＋ΔＴｔ（１００）の式で、時間の積分を行う。ΔＴｔ（１００）の初期値がゼロ、例えば、２０秒毎のサンプリングとし、１００℃≦ｘ＜１１０℃が所定期間内に２４回あった場合には、ΔＴｔ（１００）＝２０秒×２４＝４８０秒（８分）となる。同様に、温度センサ３での測定温度ｘが、１１０℃≦ｘ＜１２０℃である場合には、ΔＴｔ（１１０）＝sampling Time＋ΔＴｔ（１１０）の式で、時間の積分を行う。ΔＴｔ（１１０）の初期値がゼロ、２０秒毎のサンプリングとし、１１０℃≦ｘ＜１２０℃が所定期間内に３６回あった場合には、ΔＴｔ（１１０）＝２０秒×３６＝７２０秒（１２分）となる。同様に、温度センサ３での測定温度ｘが、１９０℃≦ｘ＜２００℃である場合には、ΔＴｔ（１９０）＝sampling Time＋ΔＴｔ（１９０）の式で、時間の積分を行う。ΔＴｔ（１９０）の初期値がゼロ、２０秒毎のサンプリングとし、１９０℃≦ｘ＜２００℃が所定期間内に３回あった場合には、ΔＴｔ（１９０）＝２０秒×３＝６０秒（１分）となる。

次に、コイルモールド毎に、図４に示す使用許容時間を示すグラフを使用して上記温度範囲毎の使用許容時間を取得し、温度範囲毎の寿命曲線に対する比率を取得する。例えば、時間積分ΔＴｔ（１００）による余寿命への影響分は、ΔＴＬ（１００）＝ΔＴｔ（１００）／（ＴＭ×１００）で求めることができる。図４から、使用許容時間曲線と１００℃≦ｘ＜１１０℃の温度範囲とで囲まれる領域（面積）に対して、ΔＴＬ（１００）がどの程度、占めているかによって、余寿命への影響が大きいか小さいかを把握することができる。同様に、時間積分ΔＴｔ（１８０）による余寿命への影響分は、ΔＴＬ（１８０）＝ΔＴｔ（１８０）／（ＴＭ×１８０）で求めることができ、図４から、使用許容時間曲線と１８０℃≦ｘ＜１９０℃の温度範囲とで囲まれる領域（面積）に対して、ΔＴＬ（１８０）がどの程度、占めているかによって、余寿命への影響把握することができる。

以上のようにして、積分時間ΔＴＬを算出する。

次に、台車位置がオンライン位置にあるか否かを判定する（ステップＳ５４）。

オフライン位置に移動した場合（ステップＳ５４でＮｏ）には、計算途中であってもその計算を中断（ステップＳ５５）し、データは保持したままステップＳ５２に移行する。一方、台車位置がオンライン位置にあれば（ステップＳ５４でＹｅｓ）、積分時間ΔＴＬを使用許容時間ＴＭと比較し、ＴＭ＜ΔＴＬか否かを判定する（ステップＳ５６）。

ステップＳ５６でＹｅｓであれば、積分時間ΔＴＬが使用許容時間ＴＭを越えたので、コイルモールド１０の寿命到達の出力を行う（ステップＳ５７）。一方、ステップＳ５６でＮｏであれば、積分時間ΔＴＬがまだ使用許容時間ＴＭに到達していないのでステップＳ５２に戻る。

コイルモールド１０が寿命に到達した場合には、誘導加熱装置自体の余寿命もさほどないものと判定することができる。そこで、次に、コイルモールド１０等の補修を実施するか否かを判定する（ステップＳ５８）。

補修を実施した場合（ステップＳ５８でＹｅｓ）には、積分時間ΔＴＬをリセット（ステップＳ５９）して、余寿命診断を終了する。一方、補修を実施しない場合（ステップＳ５８でＮｏ）には、ステップＳ５２に戻る。尚、補修の代わりに「交換」であってもよく、フローチャートでは「補修実施」と表現している。

本発明の実施形態によれば、誘導加熱装置の余寿命診断によって余寿命を把握できることにより将来的なメンテナンスを精度高く実現することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００・・・余寿命診断装置
１・・・バーヒータ
２・・・インダクタ
３・・・温度センサ
４・・・データ収集装置
５・・・パソコン
６・・・移動機構
７・・・光ファイバ
８・・・エッジヒータ位置情報
９・・・加熱コイル
１０・・・コイルモールド
１１・・・被加熱材
１２・・・シールドカバー
１３・・・耐熱プレート

Claims

圧延ラインで用いられる誘導加熱装置の余寿命を診断するための余寿命診断装置であって、
前記誘導加熱装置の内部に配設され、前記誘導加熱装置内に使用されている絶縁物の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサに一端側で接続された光ファイバと、
前記光ファイバの他端側と接続し、前記温度センサのデータを収集するデータ収集装置と、
前記データ収集装置からデータを取り込んで、前記絶縁物の寿命予測に基づいて、前記誘導加熱装置の余寿命を診断する演算装置を備え、
前記演算装置は、前記絶縁物に加わる温度下での連続使用を許容する使用許容時間ＴＭと、前記絶縁物が劣化する過熱温度による影響を受けた時間を積算した積算時間ΔＴＬとを比較し、ＴＭ＜ΔＴＬであれば前記絶縁物の寿命到達と判定し、前記誘導加熱装置自体の余寿命が尽きることを出力するもので、
前記積算時間ΔＴＬは、複数の温度下での積算時間を加算したものであることを特徴とする誘導加熱装置の余寿命診断装置。
前記使用許容時間ＴＭは、使用される前記絶縁物に応じて複数設定可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置の余寿命診断装置。
前記積算時間ΔＴＬは、前記誘導加熱装置が被加熱材からの影響を受ける位置にある場合に、積算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘導加熱装置の余寿命診断装置。