JPH01107489A - 金属管の誘導加熱方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属管の誘導加熱方法に係わり、特に管材の偏
肉に起因する加熱後の管断面方向での温度差（以下偏熱
と呼ぶ）を減少し、均等な加熱を実現するための誘導加
熱方法及びその実施に使用する装置に関する。

〔従来技術〕

金属管の加熱は連続炉とバッチ炉とに大きく分類され、
連続炉をさらに道管機構で分けると、ディスクローラ式
（バレル炉）、ハースローラ式（ローラハース炉）及び
ウオーキングビーム式に分類される。これらはいずれも
炉内輻射及び対流により管に熱を伝える方法であるので
、管の温度は炉壁又は対流温度以上にはなり得す、少々
の偏肉がある処理材でも均一に加熱を行うことができる
。

しかしながら加熱に長い時間を要し、周囲雰囲気に曝さ
れる時間が長いので、表面の酸化、金属ｍｍの調整及び
物理的性質の安定性の面で問題が多かった。

これに対して最近誘導加熱コイルにより一金属管の加熱
を短時間で、しかも清浄な雰囲気で行う方法が提案され
ている。しかしながらこの方法は以前の方法と異なり、
電磁誘導により金属管に渦電流を発生させ、これによる
ジュール熱により加熱する原理を利用しているので、周
方向に大きな偏肉があるとき、その薄肉部は他に比べて
過度な高温度になる可能性があり、温度の制御が非常に
難しく、温度条件が厳しい金属管の製造には適さなかっ
た。

誘導加熱方法で金属管の温度制御を難しくしている要因
の大きなものは、加熱コイルと金属管との中心軸のずれ
（以下偏芯という）と金属管の周方向の偏肉とである。

偏芯による偏熱については金属管回転を加えながら加熱
すれば、金属管の全周にわたって均等に伝熱が行なわれ
るので解消される０周方向の偏肉については、現状の製
管技術レベルではある程度避は得ないので、誘導加熱を
行う場合の問題は、如何にして偏肉による偏熱を低減す
るかにかかっている。

誘導加熱方法において、偏熱がある金属管の偏熱の発生
を低減させる方法として、誘導加熱電源の周波数を低く
して浸透深さを大きくする（特開昭５２−１４４８４６
号、特開昭５３−１０１４１号）が、肉厚計で周方向の
肉厚分布を計測するか、温度計で周方向の温度分布を計
測する（特開昭５３−１１４７１２号。

特開昭５５−１２８５３９号）という方法を用いて、各
ｌ偏熱を最小限に抑えようとする提案がなされている。

前者の方法のうち、１つは加熱コイルの外に、これとは
別の周波数で励磁される均熱コイルを設け、それを移動
して厚肉部を加熱するというものであり、もう１つは高
温域と低温域とで各別の周波数を使用して偏熱を防ぐと
いうものである。

後者の２つの方法のうち１つは肉厚計により厚肉部を検
出し、厚肉部を常にコイル内で上面にして偏熱を防ぐも
のであり、他の１つは温度又は肉厚の偏りを検出し、そ
れにより誘導コイルを偏芯させ、偏熱を防ぐものである
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前者の方法においては、周波数を低くし、浸透深さを大
きくする必要があるが、周波数を低くすると加熱コイル
から管への熱伝達効率が落ちるため、周波数をある程度
高くせざるを得ず、実際には浸透深さをあまり大きくす
ることはできなかった。また２種類の周波数が必要な場
合は別電源が必要となり、設備比も高価となる。

さらに後者においては、実際の制御が温度計及び肉厚計
の精度の問題、鋼管の周方向の各種温度分布に対する制
御性の問題、加熱コイル位置修正装置の応答性の遅れ等
から難しい。

さらに偏肉には大きく分けて金属管の内外径の芯ずれの
ような偏芯性偏肉と、金属管の外周が真円形をなし、内
周が外周と回忌の略楕円形をなし、対向部の肉厚が同じ
傾向の対向性偏肉とがあるが、従来方法のうち後者の方
法では、この対向性偏肉については対処できなかった。

零′発明は斯かる事情に鑑みなされたものであって、そ
の目的とするところは、偏肉のある金属管を誘導加熱す
るとき、加熱と強制冷却とを行い、偏肉により発生する
周方向の偏熱を熱伝導により低減し、均質な加熱を短時
間に、しかも清浄な雰囲気で実現する方法及びその実施
に使用する装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に斯かる金属管の誘導加熱方法は、金属管を加熱
と強制冷却とを同時的に又は交互的に行うことを特徴と
する。

またその実施に使用する誘導加熱装置は、金属管を囲繞
する環状の誘導加熱コイルと該誘導加熱コイルの内側へ
冷媒を噴射する冷媒噴射器とを有する誘導加熱器又は、
該誘導加熱コイルとその縦走方向下流部に冷媒を噴射す
る冷媒噴射器とを有する誘導加熱器を少なくとも１個金
属管の縦走路に沿って配置してあることを特徴とする。

〔作用〕

円周方向に偏肉のある金属管を誘導加熱した後、円周方
向に均質に強制冷却すると、薄肉部は冷えやすく、厚肉
部は冷えにくい。従って強制冷却することにより、誘導
加熱により引起される偏熱が打ち消されることとなり、
管の温度を円周方向に均質化することができる。

〔発明の原理〕

以下本発明の原理を図面に基づき具体的に説明する。

第１図は本発明の詳細な説明するために描かれた、円周
方向に偏肉がある金属管の模式的断面図である。単位長
さの金属管の断面を周方向にｎ等分し、各々その分割片
に１．２．・・・ｌ　　Ｌ　　ｆｔｉ＋１．・・・ｎと
番号を付す。ｔ　ｗａｘは全体の最大肉厚であり、ｔ　
ｌ１ｉｎは同最小肉厚である。ｔｉは分割片ｉの肉厚で
あり、ｒｉは分割片ｉの平均半径である。又Ｑ１．は分
割片ｉの外部から冷却による対流伝達熱量、Ｑｔｉ＋　
Ｇ１３ｍは各々分割片ｉと両隣の分割片ｉ−１．同ｉ＋
ｌとの管内熱伝導熱量、Ｑ４ｆは断熱熱量とする。

強制冷却により薄肉部の冷却効果が厚肉部より大きい理
由は以下のとおりである。

いま初期条件として、偏肉のある金属管が全体にわたり
均熱状態にあるとする。そこにＱｌ！なる対流伝達熱量
により冷却を加えて、分割片ｌの温度θ１が単位時間Δ
を秒後θム′になったとすれば、伝熱理論より差分近似
的を求めると、下記の如（なる。

θ、′−θ、＋　□・　（Ｑｒ！”Ｑｔｔ　　Ｑｓ直−
Ｇ４．）・・・＋１１Ｃ１１！ 但し Ｑ　ｌ　！　−Ｎ　ｕ　　・λ、・　（θＬ−θＡ）Δ
ｔ　　・・・（２）Ｑ４ム＝０　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（５）Ｃ：金属管の比熱　　　　　ｍｉ
：分割片ｉの？Ｈｉｔλ：金属管の熱伝導率　　　λＡ
　：冷媒の熱伝導率θＡ　：冷媒の温度　　　　　Ｎｕ
　：ヌセルト数２π Δφ；□（中心角） 上記（２）〜（５）式より、外部から冷却を円周方向に
均等に加えたとき、Ｑｌ、は分割片番号に関係な（一定
であり、Ｑ　！　ｉ　、　Ｑ　３　ｉ　＆よ初期状態が
均熱であるのでＱ□＝　Ｃ１ｌ！　＝　０である。従っ
て（１１式よりＩｌＮ となる。（６）式より単位時間Δｔあたりの温度降下量
θ盈′−θ五は分割片ｔｔ量ｍｉに依存する。つまり分
割片質Ｉｎｔｉが小さい薄肉部は、対流熱伝達熱量Ｑｌ
ｉが同じ場合、厚肉部に比べて温度降下量θ、′−θ、
が大きくなる。即ち薄肉部の方が厚内部より冷却降下が
大きくなるので、薄肉部の温度が高い偏熱がある金属管
を強制冷却すると偏熱が減少することになる。

〔実施例１〕 第２図は本実施例に使用した誘４加熱器の模式的断面図
であり、誘導加熱器１は誘導加熱コイル２と冷媒噴射器
３とからなり、誘導加熱コイル２は導体をスパイラル状
に金属管より大なる径にて巻いて形成されている。冷媒
噴射器３はケース３ａ。

ノズル３ｂ及び冷媒導入口３ｃからなり、ケース３ａは
円筒状をなした外円筒と、その両端面に外円筒と同外径
で内径が金属管６より稍大きい２つの中空円板と、円板
内径より稍大きな外径の円筒状をなした内円筒とで構成
され、内円筒の内面には前記誘導加熱コイル２が設けら
れている。内円筒と外円筒と２枚の円板とて囲まれた空
間には、冷媒分配室３ｄが設けられ、内円筒から誘導加
熱コイル２のターン間の間隙に向け、冷媒噴射孔を設け
たノズル３ｂが複数個、金属管を円周方向に均質に強制
冷却せしめるように配設してある。さらに該ケース３ａ
の外周面には複数の冷媒導入口３Ｃが形成してあり、冷
媒４は図示しない冷媒供給装置から冷媒導入口３ｃ、冷
媒分配室３ｄを経てノズル３ｂを通過して金属管６の外
周面へ円周方向に均質に噴射する。

このようにして金属管６は冷媒４により円周方向に均質
に強制冷却されることとなる。

また実施に使用した金属管は材質５ＵＳ３０４．外径１
５．９ｎ、厚内側肉厚１．２　ｍ、　薄肉側内ｗ−１、
０ａｍ　。

長さ１００ｆｉのものを使用し、誘導加熱用高周波発主
装置は１５ｋＷ　７５ｋＨｚの高周波出力を印加できる
ものを使用した。さらに冷媒は空気を利用した。

実験方法は金属管６を誘導加熱装置１内に装入し、所定
の高周波出力を印加し、一定時間加熱後冷却した。

第３図及び第４図は以上の効果を実証すべく行った実験
の結果を表わすグラフであり、縦軸には温度を、また横
軸には時間をとった。

第３図は加熱と強制冷却とを同時的に行い、所定時間経
過後に強制冷却を行ったものであり、第４図は第３図と
同じ時間加熱のみを行った後、自然冷却を行ったもので
ある。図中実線は厚肉部の温度変化、破線は薄肉部の温
度変化を表わす、第３図と第４図との比較から明らかな
如く、強制冷却により薄肉部の温度効果が促進されてい
る。

さらに第３図の如く加熱と強制冷却とを同時的に行った
場合は、薄肉部と厚肉部との温度逆転が発生し、加熱終
了後の温度差は、第４図とは逆に厚肉部の温度が薄肉部
の温度より８０℃高くなっている。従ってこの温度差を
０℃になるように強制冷却の風量、風速等を適宜に設定
すれば、偏熱を低減する誘導加熱が可能となることが判
明した。

〔実施例２〕 第５図は第２の実施例を示す配置図である。金属管６は
図示しない搬送装置により白抜矢符に示す方向に、加熱
コイル２とその下流側に配置された冷媒噴射器３とを３
台タンデムに配置した誘導加熱器１．１．１内を縦走す
る。誘導加熱コイル２は前述の実施例のものと同一構造
であり、冷媒噴射器３は円筒状をなし、冷媒４は前述の
実施例のようにケースに形成された冷媒導入口より導入
され、冷媒分配室を経てノズルから金属管６へ向けて噴
射される。従って金属管６は搬送速度と誘導加熱器１の
配置とにより定められるサイクルタイムで加熱と強制冷
却とを交互的に繰返される。

第６図は加熱と強制冷却とを各々３回ずつ交互的に行っ
た結果を示すグラフであり、縦軸に温度を、また横軸に
は時間をとっている。但し本実施例では加熱中の強制冷
却は行なわなかった。

なお比較の対象として加熱と自然冷却とを上記同一サイ
クルタイムでも行った（図示せず）。

結果は自然冷却を行った場合は、厚肉部と薄肉部とで偏
熱が３０℃あったが、加熱と強制冷却とを交互的に行っ
た本実施例においては偏熱は５℃しかなかった。

なお、以上２つの実施例では強制冷却を金属管６の外面
より行っているが、内面より冷却してもよい。内面より
冷却法としては、例えば周知の内面からの焼入れ用冷媒
ヘッドを用いればよい。また内外面同時に冷却してもよ
い。

第７図は本発明の制御方法の一例を示すブロック図であ
る。金属管６は冷媒噴射器を有する誘導熱装置Ａ内を金
属管搬送装置Ｆにより白抜矢符に示す方向に縦走され、
加熱及び冷却される。そして下流側の測温装置Ｇにより
所定時間毎に計測が行なわれ、そのデータが情報処理装
置Ｅに入力される。

なお縦走のとき加熱コイルと金属管６との偏芯及び曲り
対策のため金属管６を回転させる場合は、情報処理装置
Ｅに入力された同一肉厚傾向部分の測温値の平均を情報
処理装置Ｅにて算出し、それを測温値として使用する。

このようにして入力された測温値が設定温度と差があれ
ば電力制御装置Ｃ又は速度制御装置りにフィードバック
をかけ、誘導加熱装置Ａの出力又は金属管搬送装置Ｆの
速度を調整する。

第８図は所要加熱温度Ｔより加熱に要する高周波出力ｋ
Ｗを算出するためのグラフであり、縦軸に温度を、また
横軸には高周波出力を縦走速度で除した数値をとってい
る。またａ、ｂ、ｃは金属管断面積を表わし、ａ＜ｂ＜
ｃである。

第８図に示すように所要加熱温度Ｔと管断面積ｂ（本実
施例ではｂとした）とが定められると、高周波出力に−
と縦走速度■との比の値ｋＷ／Ｖが決定する。縦走速度
Ｖは通常予め管の寸法、材質等により定められているの
で、これより所要加熱温度１に対する所要高周波出力ｋ
Ｗが決定する（第８図矢符参照）。

第９図は縦軸を薄肉部温度θ、と厚肉部温度θ２との差
即ち偏熱Δθ（Δθ＝θ１−θ２）とし、横軸を冷却量
Ａｒを縦走速度■で除した数値Ａｒ／Ｖとした最適冷却
量を求めるためのグラフである。

また金属管断面積ａ、ｂ、ｃは前述と同様でａ〈ｂ＜ｃ
である。第９図に示すように誘導加熱装置Ａ出側での温
度差Δθは冷却量Ａｒと縦走速度Ｖとの比の値Ａｒ／Ｖ
の関数であり、測温装置ＧにてΔθを測定し零（０）と
なるように情報処理装置Ｅを介して冷却制御装置Ｂにて
冷却５７　Ａ　ｒを制御すれば、偏熱Δθをより少なく
できる。

また測温と同時的に厚み計Ｈにて肉厚測定とを行い、薄
肉部温度θ１が厚肉部温度θ２より高いとき（θ１〉θ
２）冷却量Ａｒを増加させ、その逆のとき（θ１〈θ２
）冷却量Ａγを減少させるとさらに偏熱Δθを少なくで
きる。

なお本実施例では冷媒として空気を使用したが、本発明
はこれに限るものではな（、不活性ガス及びミスト等を
使用してもよい。

また、測温装置Ｇと厚み計Ｈとの設置場所は必ずしも図
示例の如く誘導加熱装置Ａの下流側に設ける必要はなく
、コイルとコイルとの間に設置し、制御の応答性を早め
るようにすることも可能である。

〔効果〕

本発明の如き誘導加熱装置において、加熱と冷却とを同
時的に又は交互的に行うことにより、偏肉がある金属管
を加熱しても、偏熱がより少ない加熱を行うことができ
る。また誘導加熱を用いた短時間加熱によるスケールロ
スの低減、加熱時間制御による適宜は粒度制御、清浄加
熱による品質・品格の向上が期待できる等本発明は優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する図面、第２図は加熱と
強制冷却とを同時的に行える本発明の実施例の模式的断
面図、第３図、第４図は強制冷却を行った場合の効果を
示すグラフ、第５図は加熱と強制冷却とを交互的に行え
る本発明の第２の実施例を示す配置図、第６図は第２の
実施例の効果を示すグラフ、第７図は本発明の制御方法
を示すブロック図、第８図は高周波出力を求めるための
グラフ、第９図は最適冷却量を求めるためのグラフであ
る。 ■・・・誘導加熱器　　２・・・誘導加熱コイル３・・
・冷媒噴射器　　４・・・冷媒　　６・・・金属管時　
許　出願人　住友金属工業株式会社代理人　弁理士　河
　　野　　登　　夫第　１　　図 第　２　　圓 第　３　　図 加！！’、　　　６０ｓｅｅ　沖Ｋ）　８ＭＮ第　４１
１ｉ２１ 第　５　　口 時間 第　　６　　■ 第　　７　　（２） 第　　８　　囲 第　９　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属管を縦走しつつ誘導加熱する方法において、 金属管の加熱と強制冷却とを同時的又は交 互的に行うことを特徴とする金属管の誘導加熱方法。 ２、金属管の縦走路に沿って配置してある金属管の誘導
   加熱装置において、 金属管を囲繞する環状の誘導加熱コイルと、該誘導加熱
   コイルの内側へ冷媒を噴射する冷媒噴射器とを有する誘
   導加熱器を少なくとも１個配置してあることを特徴とす
   る金属管の誘導加熱装置。 ３、金属管の縦走路に沿って配置してある金属管の誘導
   加熱装置おいて、金属管を囲繞する環状の誘導加熱コイ
   ルと、その縦走方向下流側に冷媒を噴射する冷媒噴射器
   とを有する誘導加熱器を少なくとも１個配置してあるこ
   とを特徴とする金属管の誘導加熱装置。