JP6528712B2 - 誘導加熱コイル用鉄心、誘導加熱コイル、および加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板や金属帯のエッジを加熱するエッジヒーター等に用いられる誘導加熱コイル用鉄心、誘導加熱コイル、およびそれを用いた加熱装置に関する。

金属板や金属帯を加工、圧延するために、金属板や金属帯を加熱することがある。加熱手段として加熱炉を用いた場合、金属板や金属鋼帯の幅方向両端部の温度が、幅中央部に比べて低くなりやすい。幅方向の中央部と両端部とで温度差が大きくなると、加工時や圧延時に不都合が生じる場合がある。例えば、鍛接鋼管は、素材となる鋼板を加熱して管状に成形し、最後につなぎ目を鍛接することにより製造される。管状に成形するために、鋼板は加熱炉により均一に加熱されるが、特に、鍛接される鋼板の幅方向の両端部分の温度が低くなると、鍛接ができなくなる。そこで、加熱炉に加えて、エッジヒーターと呼ばれる鋼板両端部分を加熱する加熱装置が設置される場合が多い（例えば特許文献１）。

一般的に、エッジヒーターには、誘導加熱コイルが用いられる。誘導加熱コイルは、連続走行する金属板や金属帯（鋼板や鋼帯）を板厚方向に挟むように設けられたＣ型をなす鉄心と、鉄心の鋼板両面側の端部にそれぞれ巻回された巻き線（コイル）とを有し、巻き線に高周波電流を供給することにより、鋼板の板厚方向に貫通する交番磁界を発生させ、この交番磁界により誘導電流を誘起し、この誘導電流に由来するジュール熱により主に鋼板の幅方向両端部を加熱する。

鉄心は、交番磁界の磁束を通すための磁路として機能し、交番磁界の磁束を強化しかつ整える役割を有しており、鉄損（ヒステリシス損および渦電流損）を小さくするために複数の電磁鋼板を鋼板の幅方向に積層して構成されている。また、複数枚積層されている電磁鋼板の間の所々には、鉄損に起因する自己発熱を除くために、内部に冷却水が通流される冷却銅板が設けられている。さらに、交番磁界による誘導起電力によって鉄心に電流が流れることを防止するために、隣接する電磁鋼板の間、および電磁鋼板と冷却銅板との間に絶縁薄板を設けることが行われている（例えば特許文献２）。特許文献２では、絶縁薄板として絶縁紙が使用されているが、実際の誘導加熱コイルでは、絶縁薄板として薄いはがしマイカが使用されることが多い。また、鉄心は多数の電磁鋼板が積層されるため、このような場合は絶縁薄板も多数用いられる。

特開平１１−３３３５１５号公報 特開平０９−１７５６１号公報

ところで、このような誘導加熱コイルでは、巻き線に高周波電流を供給することにより生じる磁界（磁束）により、鉄心を構成する電磁鋼板にも誘導電流が流れるが、鉄心中央部では誘導電流が小さいため発熱が抑えられるのに対し、鉄心の両端部では誘導電流が多く流れるので、発熱量が大きくなる。特に、鉄心の加熱対象である金属板や金属帯に対向する部分では誘導電流が集中しやすく誘導電流が大きくなるため、その部分の発熱が大きくなる。また、巻き線に高周波電流を供給することにより生じる磁界（磁束）の向きによっては、鉄心の厚さ方向に誘導起電力が生じ、その誘導起電力は、鉄心の電磁鋼板積層方向の両端部に対応する部分で大きく、中央部で小さくなるため、鉄心の両端部で絶縁薄板の絶縁破壊が生じやすくなる。また、鋼板に対向する部分は誘導電流による発熱に加えて、加熱された鋼板からの輻射熱にも曝されるため、鉄心の中でも鋼板に対向する部分においてより絶縁薄板が破損しやすくなる。このように絶縁薄板が破損すると、絶縁不良となって、鉄心の内部発熱が一層大きくなり、鋼板の加熱効率が悪くなるとともに、焼損トラブルが発生しやすい。

このため、従来、鉄心の積層方向両端部において、電磁鋼板１枚に対して絶縁薄板を２枚挿入することにより絶縁を強化する対策が取られているが、加熱特性の安定性や効率性が未だ十分とはいえない。また、絶縁薄板の枚数が多くなるとメンテナンスに支障をきたす等の問題も生じる。

したがって、本発明は、操業時における絶縁薄板の損傷を有効に防止することができ、安定性や効率性が高く、かつメンテナンス性も良好な誘導加熱コイル用鉄心、誘導加熱コイル、およびそれを用いた加熱装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の（１）〜（８）を提供する。

（１）金属板を加熱する誘導加熱コイルに用いられ、電磁鋼板と絶縁薄板とが積層されてなる鉄心であって、
積層方向の端部を構成し、前記電磁鋼板と前記絶縁薄板とが交互に積層されてなる複数の第１の積層部と、
積層方向の中央部を構成し、前記電磁鋼板と前記絶縁薄板とが、前記電磁鋼板が２枚以上に対し前記絶縁薄板が１枚の割合で積層されてなる複数の第２の積層部と、
前記第１の積層部どうしの間、前記第２の積層部どうしの間、および前記第１の積層部と前記第２の積層部との間に設けられた冷却部材と
を有し、
前記冷却部材の間隔が、前記端部のほうが前記中央部よりも狭くなるように構成されていることを特徴とする誘導加熱コイル用鉄心。

（２）前記第１の積層部において、前記絶縁薄板は、前記誘導加熱コイルの巻き線に高周波電流が供給された際に生じる誘導電圧により絶縁破壊しない程度の厚さを有することを特徴とする上記（１）に記載の誘導加熱コイル用鉄心。

（３）前記端部の厚さの領域は、実際に高周波電流が供給された際に発生する誘導電圧が予め決められた閾値以上になる厚さまでの領域であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の誘導加熱コイル用鉄心。

（４）高周波電流の周波数が５ｋＨｚの場合に、前記端部の厚さの割合が全体の厚さに対して１０〜２０％であることを特徴とする上記（３）に記載の誘導加熱コイル用鉄心。

（５）高周波電流の周波数が５００Ｈｚの場合に、前記端部の厚さの割合が全体の厚さに対して２０〜４０％であることを特徴とする上記（３）に記載の誘導加熱コイル用鉄心。

（６）前記絶縁薄板は、集成マイカで構成されていることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載の誘導加熱コイル用鉄心。

（７）連続走行する金属板を板厚方向に挟むように設けられた上記（１）から（６）のいずれかに記載の鉄心と、
前記鉄心の金属板近傍領域に巻回され、高周波電流が供給される巻き線と
を有し、
前記巻き線に高周波電流が供給されることにより、前記金属板を誘導加熱することを特徴とする誘導加熱コイル。

（８）上記（７）に記載の誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルの巻き線に高周波電流を供給する給電部と
を有し、
前記給電部から前記誘導加熱コイルの前記巻き線に高周波電流を供給することにより、前記金属板のエッジ部を誘導加熱することを特徴とする加熱装置。

本発明によれば、操業時における絶縁薄板の損傷を有効に防止することができ、また、特性の安定性や効率性を高めることができ、さらに、良好なメンテナンス性を得ることができる。

鍛接鋼管の製造ラインの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルを示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルの一部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルに用いられる鉄心の第１の積層部および第２の積層部を示す断面図である。 誘導加熱コイルの巻き線に高周波電流を供給した際に発生する磁界を示す斜視図である。 誘導加熱コイルによる鋼板の加熱のメカニズムを説明するための図である。 鉄心の絶縁低下の要因を説明するための図である。 高周波電流の周波数小と周波数大の場合における、鉄心の厚さ方向の位置と誘導電流・誘導電圧との関係を示す概念図である。 発熱量を低減することができる鉄心の形状例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜鍛接鋼管の製造ライン＞
まず、本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルが適用される鍛接鋼管の製造ラインについて説明する。
図１は、鍛接鋼管の製造ラインの一例を示す図である。鍛接鋼管の製造ライン１００は、加熱炉１と、エッジヒーター２と、成形鍛接機３と、熱間絞り圧延機４と、回転熱鋸機５とを有している。

一定速度で搬送される鋼板１１は、まず、加熱炉１により１２００〜１３００℃程度に均一に加熱される。その後、加熱された鋼板１１はエッジヒーター２で、その幅方向両端部が鍛接可能な１４００℃程度に加熱される。その後、鋼板１１は成形鍛接機３に送られ、管状に成形されるとともに、両端部が鍛接され、鍛接素管１２となる。鍛接素管１２は、熱間絞り圧延機４に送られて所定の外径および肉厚に矯正されて鍛接鋼管１３となり、鍛接鋼管１３は回転熱鋸機５により所定の長さに切断され、冷却槽により冷却される冷却工程を経て製品となる。

＜エッジヒーターに適用される誘導加熱コイル＞
エッジヒーター２は、本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルにより鋼板１１の幅方向両端部を加熱する。

図２は本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルを示す側面図、図３は本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルの一部を示す斜視図、図４は本発明の一実施形態に係る誘導加熱コイルに用いられる鉄心の第１の積層部および第２の積層部を示す断面図である。

図２に示すように、誘導加熱コイル２００は、連続走行する鋼板１１を板厚方向に挟むように設けられたＣ型をなす鉄心２０１と、鉄心２０１の鋼板１１近傍領域、具体的には鋼板上面側および下面側の端部に巻回された巻き線（コイル）２０２ａおよび２０２ｂとを有する。なお、図２においては、鋼板１１は紙面を貫通する方向に走行する。

図３は、鉄心２０１の厚さ方向の半分を示しており、鉄心２０１は厚さ方向の中央面に対して対称に構成されている。図３に示すように、鉄心２０１は、鋼板の幅方向端部側に対応する端部を構成する複数の第１の積層部２０４ａと、鋼板の中央部側に対応する中央部を構成する複数の第２の積層部２０４ｂと、これらの間の複数の冷却部材２０５とが、その厚さ方向（走行する鋼板の幅方向）に積層されている。また、鉄心２０１の鋼板１１と対向する面には、コイル２０２ａ，２０２ｂを収容する凹部２０３が形成されている（図３では、鋼板１１の下方側のコイル２０２ｂに対応する部分のみを図示）。

本例では第１の積層部２０４ａが鉄心２０１の一方の端部に２つ設けられており、図示しない他方の端部にも第１の積層部２０４ａが２つ設けられており、これらの間の中央部に第２の積層部２０４ｂが１３個（６．５個のみ示す）設けられている。ただし、第１の積層部２０４ａおよび第２の積層部２０４ｂの数はこれに限定されない。冷却部材２０５は、水冷構造をなし、第１の積層部２０４ａどうしの間および第２の積層部２０４ｂどうしの間および第１の積層部２０４ａと第２の積層部２０４ｂとの間に設けられており、内部発熱により高温となった鉄心２０１を冷却する機能を有する。冷却部材としては、一般に銅板が用いられるが、銅板に限定されるものではない。

図４に示すように、端部の第１の積層部２０４ａは、電磁鋼板２１１と絶縁薄板２１２とを交互に積層して構成され（図４（ａ））、中央部の第２の積層部２０４ｂは、第１の積層部２０４ａよりも絶縁薄板２１２の数を減らした構成を有し、本例では、電磁鋼板２１１と絶縁薄板２１２とが、電磁鋼板２１１が２枚に対して絶縁薄板２１２が１枚になるように積層されている（図４（ｂ））。また、端部の第１の積層部２０４ａの電磁鋼板２１１の積層数を中央部の第２の積層部２０５ｂよりも少なくして、冷却部材２０５の間隔を鉄心２０１端部のほうが中央部よりも狭くなるようにしている。１つの第１の積層部２０４ａの厚さは１５〜２０ｍｍ程度であり、１つの第２の積層部２０４ｂの厚さは２５〜３５ｍｍ程度である。

電磁鋼板２１１としては、一般的な方向性珪素鋼板を好適に用いることができる。また、絶縁薄板２１２としては、厚さを任意に調整できるものが好ましく、集成マイカが好ましい。冷却部材２０５としては、内部に冷却水が通流された銅板が用いることができる。

＜誘導加熱コイルの加熱動作＞
次に、以上のような誘導加熱コイル２００の加熱動作について説明する。
誘導加熱コイル２００により鋼板１１を加熱するにあたり、まず給電部（図示せず）から巻き線２０２ａおよび２０２ｂに所定周波数の高周波電流を供給する。これにより、図５に示すように、巻き線の周囲に交番磁界が発生する。そして、図６に示すように、発生した磁界のうち鋼板１１の板厚方向に貫通する成分が鋼板１１の表面に誘導電流を誘起し、この誘導電流に由来するジュール熱により主に鋼板１１の幅方向両端部を加熱する。

このとき、図７に示すように、巻き線２０２に高周波電流を流すことにより発生した磁界のＺ方向の磁束は、鉄心２０１に誘導電流を生じさせ（図７（ａ））、鉄心２０１を発熱させる。また、巻き線２０２に高周波電流を流すことにより発生した磁界のＸ方向およびＹ方向の磁束は、鉄心２０１の厚さ方向に誘導起電力（誘導電圧）を生じさせる（図７（ｂ））。さらに、鉄心２０１は、加熱された鋼板１１からの輻射熱にも曝される（図７（ｃ））。

鋼板１１からの輻射熱の影響に関しては、検証結果により、鉄心２０１の温度を約１９０℃まで上昇させることがわかっており、鉄心２０１の端部の鋼板近傍部分（鋼板下方の上端部分および鋼板上方の下端部分）はさらに加熱される。

すなわち、鉄心２０１の中央部では誘導電流が小さいため発熱が抑えられるのに対し、鉄心２０１の両端部、特に、巻き線２０２近傍部分では誘導電流が多く流れ、発熱量が大きくなる。鉄心２０１の厚さ方向の誘導電圧についても、鉄心２０１の中央部では小さいのに対し、鉄心２０１の両端部、特に、巻き線に隣接した角部で大きくなる。また、鉄心２０１の鋼板１１に対向する部分は鋼板１１からの輻射熱にも曝される。

このため、鉄心２０１の両端部、特に巻き線近傍部分において、発熱や輻射熱による損傷や、絶縁薄板の絶縁破壊が生じやすくなり、鉄心２０１の絶縁性が低下して鉄心２０１の自己発熱が増加する。一方、鉄心２０１の中央部は、誘導起電力は小さく、誘導電流も小さいため、絶縁薄板の絶縁破壊が生じ難く、発熱も抑えられる。

以上に基づいて、本実施形態では、鉄心２０１の端部の第１の積層部２０４ａでは、電磁鋼板２１１と絶縁薄板２１２とを交互に積層するとともに、絶縁薄板２１２の厚さを、鉄心端部にかかる大きな誘導電圧でも絶縁破壊しない程度の厚さとし（図４（ａ））、絶縁破壊し難い中央部の第２の積層部２０４ｂでは、第１の積層部２０４ａよりも絶縁薄板２１２の数を減らし、例えば電磁鋼板２１１が２枚に対して絶縁薄板２１２が１枚としている（図４（ｂ））。また、端部の第１の積層部２０４ａの電磁鋼板２１１の積層数を中央部の第２の積層部２０４ｂよりも少なくして、冷却部材２０５の間隔を鉄心２０１端部のほうが狭くなるようにすることにより、鉄心２０１の中でより発熱が大きい端部の冷却を強化して、鉄心２０１端部における絶縁薄板２１２の熱による損傷を抑制することができる。このような観点から、１つの第１の積層部２０４ａのその厚さは１５〜２０ｍｍとすることが好ましく、１つの第２の積層部２０４ｂの厚さは２５〜３５ｍｍとすることが好ましい。

上述したように、絶縁薄板２１２の厚さは、鉄心２０１の端部において発生する誘導電圧により絶縁破壊しない程度に設定され、隣接する電磁鋼板２１１の間の絶縁薄板２１２が１枚で十分に絶縁できるようにする。例えば、電磁鋼板（珪素鋼板）２１１が０．３５ｍｍの場合、絶縁薄板２１２の厚さは０．２５ｍｍに設定される。絶縁薄板２１２としては、集成マイカが好ましい。集成マイカは、マイカ原鉱を粉砕して紙状に形成することで製造したものであり、均質で安定した絶縁特性を示し、厚さを自由に調整することができる。また、上述したように、鉄心２０１の中央部は、誘導電圧が小さく、絶縁薄板の絶縁破壊が生じにくいため、絶縁薄板２１２として端部に用いるものと同じ厚さのものを用いた場合には、絶縁薄板２１２の数を減らすことができ、例えば電磁鋼板２１１が２枚に対して絶縁薄板２１２が１枚とすることができる。また、鉄心２０１の中央部に作用する誘導電圧によっては、さらに絶縁薄板２１２の数を減らして、電磁鋼板２１１が３枚以上に対して絶縁薄板２１２が１枚とすることも可能である。電磁鋼板の表面には通常、絶縁皮膜が形成されているため、電磁鋼板が隣接していてもある程度の絶縁性を確保することができる。

従来、誘導加熱コイルの製品には、絶縁薄板として、原鉱をはがした薄片を貼り合わせた厚さが０．１３ｍｍ程度のはがしマイカが用いられ、鉄心の中央部では、電磁鋼板と絶縁薄板とを交互に積層し、端部では、絶縁性を確保するために、薄いはがしマイカを２枚重ねて電磁鋼板の間に挿入することが行われていた。このため、薄い絶縁薄板を多数用いることとなりメンテナンス性が悪く、また必ずしも特性の安定性や効率性も十分とはいえない場合があった。

これに対して、本実施形態では、絶縁薄板２１２を集成マイカのような厚さの調整が可能なものとし、鉄心２０１の積層方向端部において絶縁薄板２１２の厚さを鉄心２０１の端部に発生する誘導電圧によっても絶縁破壊し難い十分な厚さとし、鉄心２０１の積層方向端部においては、電磁鋼板２１１と絶縁薄板２１２とを交互に積層し、中央部においては、絶縁薄板２１２の数を端部よりも減らして絶縁性を緩和し、かつ鉄心２０１の冷却部材２０５の間隔を端部のほうが中央部よりも狭くなるようにして発熱量が多い端部の冷却効率を高くしたので、操業時における絶縁薄板２１２の絶縁破壊や熱による損傷を有効に防止することができ、また、特性の安定性や効率性を高めることができ、さらにメンテナンス時に絶縁薄板２１２の破損が生じ難い良好なメンテナンス性を得ることができる。

ここで、絶縁破壊し難い十分な厚さとは、鉄心２０１の端部に発生する誘導電圧にもよるが、０．１〜０．５ｍｍ程度（絶縁薄板１枚あたり）である。

第１の積層部２０４ａで構成される端部の厚さの領域は、実際に高周波電流が供給された際に発生する誘導電圧が予め決められた閾値以上になる厚さまでの領域とされ、その残余の部分が中央部となる。

＜鉄心の端部の厚さと周波数との関係＞
誘導電圧や誘導電流の分布は、高周波電流の周波数によって異なるため、鉄心２０１の全体の厚さに対する第１の積層部２０４ａで構成される端部の厚さの適正な割合は、高周波電流の周波数によって異なる。すなわち、図８の概念図に示されるように、周波数が高いほど、誘導電圧や誘導電流の分布は急峻になり、端部の誘導電圧や誘導電流の高い範囲が狭くなる。例えば、鉄心全体の厚さに対する端部の厚さの割合が、周波数が５ｋＨｚの場合は１０〜２０％が好ましく、周波数が５００Ｈｚでは２０〜４０％が好ましい。

＜鉄心の好ましい形状＞
鉄心２０１の自己発熱を抑制する観点からは、鉄心２０１の形状も重要である。上述の図７のように、誘導電流による発熱は、鉄心２０１の端部の巻き線近傍部分の発熱が大きいから、図９に示すように、鉄心２０１の最端部の第１の積層部２０４ａの巻き線２０２ｂ（２０２ａ）近傍部分に切り欠き２２０を形成して段部を形成することにより、発熱量が多い部分が少なくなって鉄心２０１の全体の発熱量を低減することができる。

＜他の適用＞
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内で種々変形することが可能である。例えば、上記実施形態では、本発明を鍛接鋼管の製造に用いられる鋼板の両端部を加熱するエッジヒーターに用いた例を示したが、スラブや熱延鋼板等の幅方向両端部をそれぞれ加熱するエッジヒーターに適用することもできる。また、鋼板に限らず他の金属板に適用することもできる。

１ 加熱炉
２ エッジヒーター
３ 成形鍛接機
４ 熱間絞り圧延機
５ 回転熱鋸機
１００ 鍛接鋼管の製造ライン
２００ 誘導加熱コイル
２０１ 鉄心
２０２ａ，２０２ｂ 巻き線
２０３ 凹部
２０４ａ 第１の積層部
２０４ｂ 第２の積層部
２０５ 冷却部材
２１１ 電磁鋼板
２１２ 絶縁薄板
２２０ 切り欠き

Claims (8)

1. 金属板を加熱する誘導加熱コイルに用いられ、電磁鋼板と絶縁薄板とが積層されてなる鉄心であって、
   積層方向の端部を構成し、前記電磁鋼板と前記絶縁薄板とが交互に積層されてなる複数の第１の積層部と、
   積層方向の中央部を構成し、前記電磁鋼板と前記絶縁薄板とが、前記電磁鋼板が２枚以上に対し前記絶縁薄板が１枚の割合で積層されてなる複数の第２の積層部と、
   前記第１の積層部どうしの間、前記第２の積層部どうしの間、および前記第１の積層部と前記第２の積層部との間に設けられた冷却部材と
   を有し、
   前記冷却部材の間隔が、前記端部のほうが前記中央部よりも狭くなるように構成されていることを特徴とする誘導加熱コイル用鉄心。
2. 前記第１の積層部において、前記絶縁薄板は、前記誘導加熱コイルの巻き線に高周波電流が供給された際に生じる誘導電圧により絶縁破壊しない程度の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル用鉄心。
3. 前記端部の厚さの領域は、実際に高周波電流が供給された際に発生する誘導電圧が予め決められた閾値以上になる厚さまでの領域であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘導加熱コイル用鉄心。
4. 高周波電流の周波数が５ｋＨｚの場合に、前記端部の厚さの割合が全体の厚さに対して１０〜２０％であることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱コイル用鉄心。
5. 高周波電流の周波数が５００Ｈｚの場合に、前記端部の厚さの割合が全体の厚さに対して２０〜４０％であることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱コイル用鉄心。
6. 前記絶縁薄板は、集成マイカで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の誘導加熱コイル用鉄心。
7. 連続走行する金属板を板厚方向に挟むように設けられた請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の鉄心と、
   前記鉄心の金属板近傍領域に巻回され、高周波電流が供給される巻き線と
   を有し、
   前記巻き線に高周波電流が供給されることにより、前記金属板を誘導加熱することを特徴とする誘導加熱コイル。
8. 請求項７に記載の誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルの巻き線に高周波電流を供給する給電部と
   を有し、
   前記給電部から前記誘導加熱コイルの前記巻き線に高周波電流を供給することにより、前記金属板のエッジ部を誘導加熱することを特徴とする加熱装置。

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