JPH083653A - 金属帯材の直接通電加熱方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】加熱効率と加熱の均一性に優れた金属帯材の直
接通電加熱方法と装置の提供。 【構成】金属帯材６の走行方向に所定の距離を隔て
て、少なくとも２個の給電ロール１を設け、この間を金
属帯材よりも導電性の優れた材料からなる短絡部材４で
短絡して閉回路を形成し、短絡部材の一部を取り囲む環
状トランス５によって閉回路に二次電流を誘起させて金
属帯材を加熱する方法。 ２個の給電ロール１が短絡部材４で接続され、金属帯
材を介して閉回路を形成し、短絡部材に環状トランスを
備えた直接通電加熱装置。 ３個の給電ロールが設けられ、両端の給電ロールを接
地し、中央の短絡部材に環状トランスを備えた直接通電
加熱装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属帯材などを均一
に、効率よく加熱できる直接通電加熱方法と、耐久性に
優れ、加熱装置外に漏れ電流を誘起させず、既存ライン
への適用が容易な直接通電加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属帯材は、圧延途中の軟化や圧延の後
の金属組織を微細化して高い強度と靱性を得るための焼
き入れ・焼き戻し処理、金属組織の均質化や内部応力除
去を行うための焼きならし処理、優れた機械的性質と加
工性を得るための焼きなまし処理などの加熱処理が行わ
れる。

【０００３】従来、走行する板材の加熱方法には、外
部の熱源が発生する熱を輻射と熱伝達によって被加熱材
に供給して加熱する方法、および高周波を用いた誘導
加熱方法が広く実用化されている。

【０００４】の外部の熱源が発生する熱を輻射と熱伝
達によって被加熱材に付与して加熱する方法は、走行速
度が高くなるとその熱源の温度を高くするか、加熱ゾー
ンの長さを長くして加熱時間を確保する必要がある。熱
源の温度を高くするには、高温度の熱源と高温に耐える
炉体の耐火物が必要となり、また被加熱材の表面が過熱
されるという問題がある。また、加熱ゾーンの長さを長
くするには、例えば連続焼鈍のような大規模な設備とな
り、莫大な投資が必要である。

【０００５】の高周波を用いてうず電流損を熱に変え
て加熱する方法は、高価な高周波電源とコイルが必要で
あり、被加熱材が非磁性体である場合、あるいは板形状
（板幅、板厚）が多様なラインでは、高い加熱効率を維
持することが極めて困難であり、加熱効率は30〜80％に
変動する。したがって、設備および加熱コストは非常に
高くなり、板の全幅を加熱することはあまり行われてお
らず、エッジヒータなどの局部加熱に用いられることが
多い。

【０００６】近年、金属帯材に直接通電を行い、ジュー
ル熱によって板を直接加熱する方法が注目されている。
図４は直接通電加熱方法の原理を示す図であるが、同図
に示すようにこの原理は極めて単純である。即ち、給電
ロール１を介して金属帯材６に電流を流して発熱させる
ものであり、装置としては電源、給電ロールとそれらを
接続する導電部材（短絡部材４）から構成されている。

【０００７】被加熱材の断面積は一般に大きく電気抵抗
が小さいため、低電圧かつ大電流の電力を通電すること
になる。電源はコストの面から商用周波数の交流を用い
ると、リアクタンスの影響が顕著に現れ、電源から給電
ロールへの伝送過程で生じる銅損（抵抗損）とリアクタ
ンス損が大きくなり、加熱効率の低下を招くという問題
がある。

【０００８】図５は、上記の問題を回避するため特開平
１−142032号公報で開示された通電加熱装置を示す図で
あり、(a) は正面図、(b) は断面図である。この装置
は、給電ロール１間に環状トランス５を配置するもので
あり、このため加熱された金属帯材の熱を環状トランス
が直接受けることになる。特に金属帯材が広幅になると
輻射によって放散される熱が多くなり、1000℃を超える
温度域に加熱する場合には、環状トランスを形成する珪
素薄鋼板の接着と磁気性能確保のため、大規模な冷却設
備を設置しなければならない、という問題がある。

【０００９】また、走行中の金属帯材は蛇行や平坦崩れ
が生じており、環状トランスの中心から上下左右の方向
に絶えず移動する。このため、金属帯材には均一かつ安
定した電流を流すことが困難となり、さらに、トランス
一次側からの磁束は金属帯材のエッジに集中する傾向に
あり、幅方向の均一な加熱が困難となる。これによって
金属帯材に温度むらが生じて品質の低下を招くことにな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、加熱
効率の向上と金属帯材の加熱温度の均一性が得られる直
接通電加熱方法と、耐久性に優れ、既存ラインへの適用
が容易な直接通電加熱装置を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記の
に示す直接通電加熱方法と、図１及び図２に示す、
の直接通電加熱装置にある。

【００１２】金属帯材６の走行方向に所定の距離を隔
てて、少なくとも２個の給電ロール1,1 を設け、この給
電ロールの間を金属帯材よりも導電性の優れた材料から
なる短絡部材４で短絡して閉回路を形成し、この短絡部
材の一部を取り囲む環状トランス５によって閉回路に二
次電流を誘起させて金属帯材を加熱する方法。

【００１３】金属帯材の走行方向に所定の距離を隔て
て設置された少なくとも２個の給電ロール1,1 を設け、
それらの給電ロールは金属帯材よりも導電性の優れた短
絡部材４で接続され、給電ロール、短絡部材および金属
帯材によって閉回路が形成され、この短絡部材の一部を
取り囲む環状トランス５を備えた直接通電加熱装置。

【００１４】上記に記載された給電ロールとして３
個の給電ロール１が設けられ、両端の給電ロールは接地
され、中央の給電ロールに接続された短絡部材には環状
トランスを備えた直接通電加熱装置。

【００１５】

【作用】

Ｉ．本発明方法として、短絡部材を金属帯材よりも導電
性の優れた材料から構成した理由、および短絡部材の一
部に環状トランスを配置した理由について：短絡部材を
金属帯材よりも導電性の優れた材料から構成すること
で、部材内での損失が少なくなり給電電圧は負荷電流と
して金属帯材の加熱に殆ど消費され、高い加熱効率を得
ることができる。短絡部材の構成材料としては銅等の電
気抵抗の低いものが望ましく、また、電気抵抗を極めて
小さくするため断面積を大きくするか、または、液体窒
素、液体ヘリウム等で極低温に保持してもよい。また、
本短絡部材には実用化が進んでいる超伝導材料を用いる
ことも可能である。

【００１６】短絡部材の一部に環状トランスを配置する
と、環状トランスは加熱された金属帯材からの輻射熱を
受けることがなく、環状トランスを形成する珪素薄鋼板
の接着性と磁気性能確保のために冷却設備などを必要と
しない、という利点がある。

【００１７】また、金属帯材は環状トランスの系外で加
熱されるので、たとえ蛇行や形状不良があっても均一に
加熱され、品質の安定した金属帯材が得られる。

【００１８】II．本発明の装置を構成する部材につい
て：本発明の装置を実施例に使用した直接通電加熱装置
を用いて説明する。

【００１９】図１は本発明の直接通電加熱装置の一例を
示す図であり、(a) は正面図、(b)はＡ−Ａから見た断
面図、(c) は上から見た平面図である。１は給電ロー
ル、２は押さえロール、３は摺動子、４は短絡部材、５
は環状トランス、６は金属帯材である。

【００２０】同図に示すように、金属帯材６は二対の給
電ロール１と押さえロール２で押圧されながら矢印の方
向に走行する。２つの給電ロールは摺動子３を介して短
絡部材４で連結され、金属帯材、給電ロールおよび短絡
部材とで閉回路を構成する。

【００２１】給電ロールへ摺動子を配置する方法は、同
図に示すように、一方の給電ロールにはジャーナル部に
配置し、他方の給電ロールには胴部に配置する。もちろ
ん両方の給電ロールのジャーナル部、または胴部に摺動
子を配置してもよい。

【００２２】短絡部材４の一部には一次電流を供給する
環状トランス５が設けられ、この環状トランスは珪素薄
鋼板などからなる環状鉄芯５-1に一次コイル５-2が巻回
されている。短絡部材は環状トランスを貫通しているの
で、一次コイルに電流を流すと短絡部材に二次電流が流
れ、給電ロールを介して金属帯材を通電加熱する。

【００２３】給電ロール１は導電性材料によって製作さ
れ、中実もしくは中空構造であって、内部または外部か
らの冷却機能を備えることもできる。導電性材料として
は、固有抵抗の低い銅等を用いることができるが、高温
での強度、耐酸化性、耐食性が必要な場合には耐熱ステ
ンレス鋼を用いる方が好ましい。

【００２４】押さえロール２は、耐熱性の点で許容され
ればゴムなどの高い弾性が得られる材料が望ましいが、
高温域（ 200℃以上）まで加熱する場合には金属製ロー
ルが用いられる。また、押さえロールが金属製である場
合には、給電機構を付与することもできる。

【００２５】押さえロールに給電機構を付与すると、給
電ロールと被加熱材の接触面積が大きくなり、負荷電流
が同一であっても給電電流密度が半減するので、極度の
電流集中を防ぐことができ、それに起因するスパークの
発生を抑制することができる。また、被加熱材が厚板な
どのように板厚方向に温度差が生じる場合にも、板の上
下から電流を流すことができるので、板厚方向を均一に
加熱することが可能となる。

【００２６】給電ロール１には軸端（ジャーナル部）あ
るいは胴部に摺動子３を接触させ、銅等の導電性に優れ
た短絡部材４によって電気的に互いに短絡されている。
また、少なくとも一方の給電ロールが接地（図示せず）
されていると、接地ロールの上流側あるいは下流側のい
ずれか一方に配置された設備のみに電気絶縁をすればよ
く、付帯設備の設置コストの低減を図ることができ、好
ましい。

【００２７】短絡部材４は、被加熱材（金属帯材６）よ
りも電気抵抗の低いものから選ばれる。その電気抵抗は
低ければ低いほど好ましい。形状的には、断面積を大き
くするか、または液体窒素、液体ヘリウム等で極低温に
保持することによって電気抵抗を極めて小さくすること
もでき、超伝導材料を用いるとなお好ましい。

【００２８】短絡部材４と金属帯材６との間隔は、交番
電流から発生する磁界を互いに打ち消し合うようにする
ため、熱的負荷による損傷を受けない範囲において極力
接近させる方が望ましい。

【００２９】上記の短絡部材を二次側として、電力を供
給するための環状トランス５は珪素薄鋼板を重ねた鉄芯
を、短絡部材４の一部を取り囲むように環状に形成さ
れ、この環状鉄芯５-1には一次コイル５-2が巻かれてい
る。一次コイルの巻き数、巻き線の材質、形状などは、
一次側電圧、電力などを考慮して選定される。

【００３０】このように導電性に優れた短絡部材に一次
側コイルから電力を供給しているため、電流が短絡部材
の幅方向に均一化され、金属帯材にも均一な電流を印加
することができ、温度むらが生じにくいという利点があ
る。さらに、トランスへの熱負荷を軽減するには、例え
ば図３に示すように環状トランスを給電ロールが存在す
る範囲から外側に設置して、金属帯材の輻射熱を受けな
い構造とすることもできる。

【００３１】図２は本発明の直接通電加熱装置の別の態
様を示す図である。

【００３２】給電ロール１を３個設け、３個の給電ロー
ルの内、中央の給電ロールには環状トランスが設置され
ている。これらの給電ロールを短絡部材で接続し、金属
帯材を介して閉回路を形成し、金属帯材を２つのゾーン
で加熱する構造となっている。また、金属帯材の走行方
向の最下流側の給電ロールと最上流側の給電ロールとを
接地することによって給電ロールの電位を大地電位と等
しくすることができ、この装置外の設備との間を金属帯
材を介して電流が流れることはないので、他の付帯設備
を電気的に絶縁することは不要となる。

【００３３】

【実施例】本発明を実施例により更に詳しく説明する。

【００３４】図１に示す装置を用い、下記に示す試験条
件で直接通電加熱を行い、金属帯材を平均温度で1000℃
まで加熱し、その温度分布と環状トランスの温度を測定
した。

【００３５】金属帯材として、厚さが 0.3mm、幅が 300
mmの冷延鋼板を用い、これを速度50ｍ／min で走行させ
つつ加熱した。

【００３６】給電ロールの形状は、直径を 300mm、バレ
ル長さを 400mmとし、ステンレス鋼(SUS430)で製作し
た。給電ロール間の距離は 500mmとした。

【００３７】押さえロールの形状は、直径を 200mm、バ
レル長さを 400mmとし、上流側の押さえロールにはゴム
を、下流側の押さえロールにはステンレス鋼(SUS430)を
用いた。

【００３８】短絡部材には銅を用い、環状トランスで囲
われている部分の形状は、厚さを20mm、幅を 350mmと
し、金属帯材の走行面より 300mm上側に設置した。ま
た、環状トランスは、図３に示すように上流側の給電ロ
ールからさらに 500mm上流側に設置した装置についても
試験を行った。本試験では、いずれも冷却装置は取りつ
けなかった。

【００３９】摺動子は給電ロールのジャーナル部とバレ
ル中央部の２ヵ所に設けた。

【００４０】環状トランスに供給する一次側電力は、 4
40Ｖ単相、60Ｈz 、 500ＫＶＡであり、給電ロール間の
電圧は40Ｖ、電流は1200Ａ（代表値）であった。なお、
給電ロール間での金属帯材の抵抗は３ｍΩ（代表値）で
あり、必要加熱量は約40ＫＷであった。

【００４１】また、比較として図５に示すように環状ト
ランスの中に金属帯材を貫通させる装置についても試験
を行った。

【００４２】本発明の装置では、いずれも板幅方向の温
度偏差（エッジ部と中央部の差）は４℃と極めて小さ
く、均一加熱性に優れている。しかし、比較例の装置で
は板幅方向の温度偏差は60℃と大きく、特にエッジ部で
過熱が生じているのが観察された。

【００４３】通電から１時間後の環状トランスの温度
は、環状トランスを上流側の給電ロールのさらに上流の
位置に設置された装置（図３）では約50℃と低く、給電
ロール間の中央部に設置された装置（図１）では約90℃
とやや高くなった。しかし、比較例の装置（図５）では
約 400℃まで昇温し、これは金属帯材を取り囲むように
トランスが設置されているため、金属帯材からの輻射熱
により大幅な温度上昇が生じたものと考えられる。

【００４４】即ち、本発明の方法は、導電性の短絡部材
の回りに環状トランスを設け、二次電流による直接通電
加熱としたので、金属帯材の加熱の均一性と環状トラン
スの耐久性の点で優れた効果を発揮している。

【００４５】次に、図２に示すような３個の給電ロール
を設置し、両側のロールを接地した場合について、実施
例１と同様な通電加熱を行い、金属帯材の加熱温度と直
接通電加熱装置以外の設備、例えばレベラ、シャー等の
付帯設備に誘発される電位を測定した。

【００４６】金属帯材の加熱温度と温度分布は実施例１
とほとんど差はなく、他の設備での電位はすべて大地電
位、即ち０Ｖ（零ボルト）であり、通電加熱は本装置内
のみで行われ、他の設備に分流して発生するスパークな
どは観察されなかった。

【００４７】

【発明の効果】本発明の直接通電加熱方法によれば、金
属帯材の加熱効率の向上と加熱の均一性が得られ、加熱
コストの大幅な低減と製品特性の向上が図られる。ま
た、本発明の直接通電加熱装置は装置外に電流が漏れる
ことがなく、本装置外に設けられた諸設備の電気的絶縁
が不要になるため、既存ラインへの適用が極めて容易と
なり、設置コストが低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の直接通電加熱装置の一例を示す図であ
り、(a) は正面図、(b) はＡ−Ａから見た断面図、(c)
は上から見た平面図である。

【図２】本発明の直接通電加熱装置の別の態様を示す側
面図である。

【図３】本発明の直接通電加熱装置の別の態様を示す側
面図である。

【図４】直接通電加熱の原理を示す図である。

【図５】二次電流を利用した従来の直接通電加熱装置の
一例を示す図であり、(a) は正面図、(b) は断面図であ
る。

【符号の説明】

１．給電ロール ２．押さえロール ３．摺
動子 ４．短絡部材 ５．環状トランス ５-1．
環状鉄芯 ５-2．一次コイル ６．金属帯材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属帯材の走行方向に距離を隔てて、少な
   くとも２個の給電ロールを設け、この給電ロールの間を
   金属帯材よりも導電性の優れた材料からなる短絡部材で
   短絡して閉回路を形成し、この短絡部材の一部を取り囲
   む環状トランスによって閉回路に二次電流を誘起させる
   ことを特徴とする金属帯材の直接通電加熱方法。
2. 【請求項２】金属帯材の走行方向に所定の距離を隔てて
   設置された少なくとも２個の給電ロールが設けられ、そ
   れらの給電ロールは金属帯材よりも導電性の優れた短絡
   部材で接続され、給電ロール、短絡部材および金属帯材
   によって閉回路が形成され、この短絡部材の一部を取り
   囲む環状トランスを備えたことを特徴とする金属帯材の
   直接通電加熱装置。
3. 【請求項３】金属帯材の走行方向に所定の距離を隔てて
   設置された３個の給電ロールが設けられ、それらの給電
   ロールは金属帯材よりも導電性の優れた短絡部材で接続
   され、給電ロール、短絡部材および金属帯材によって閉
   回路が形成され、両端に配置された給電ロールは接地さ
   れ、中央の給電ロールに接続された短絡部材を取り囲む
   環状トランスを備えたことを特徴とする金属帯材の直接
   通電加熱装置。