JPH09213453A - 通電加熱用給電装置および給電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金属板等の被加熱材を直接通電により加熱する
に際し、不均一加熱およびスパークの発生を抑制するこ
とにより、安定した通電加熱を可能とする給電装置およ
び給電方法を提供する。 【解決手段】少なくとも１対の電極を被加熱材の両側端
に接触させて通電することにより加熱を行う通電加熱用
給電装置であって、被加熱材に接触させる電極の先端部
に、被加熱材の少なくとも側面と対向させる電極面に接
触する状態で、被加熱材より低融点の金属体が配置され
ていることを特徴とする通電加熱用給電装置、及び少な
くとも１対の電極を被加熱材の両側面に接触させて通電
することにより加熱を行う通電加熱の給電方法であっ
て、電極と被加熱材の側面との間に被加熱材より低融点
の金属を介在させ、該低融点金属を加熱することにより
軟化もしくは溶融した状態で給電を行うことを特徴とす
る直接通電加熱における給電方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被加熱材である
金属材に電極を接触させて通電加熱するのに用いる給電
装置および給電方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼板等の金属材を電気により加熱する方
法の一つとして、誘導加熱があるが、誘導加熱は高周波
を使用するため設備は複雑、高価であり、かつ加熱効率
も低い。そのため、近年、直接通電加熱方法の採用が検
討され始めている。

【０００３】図９は、特開平３−８２８６号公報に開示
されている通電加熱装置の図である。この装置は、上下
２本のロールのうち１本または２本共が通電用電極とな
った１対の通電ピンチロール１１を２組用いて、金属板
５の長さ方向２箇所で板厚方向から挟み、給電ローラー
１２から通電ピンチロール１１に給電し、２組の通電ピ
ンチロール間で金属板５に通電を行い、走行する金属板
５を連続的に加熱する装置である。

【０００４】このような通電ロールを用いて給電を行う
場合、通電ピンチロールと金属板との接触弧長は、押し
つけ圧力、ロール直径にも左右されるが、通常１ｍｍ以
下である。そのため、特に被加熱材となる金属板の厚さ
が厚い場合、通電ピンチロールと金属板との接触面積
は、金属板の断面積（幅×厚さ）に対し非常に小さい。

【０００５】したがって、通電ピンチロールが金属板に
接触する部分に電流が集中して電流密度が高くなるた
め、さらには金属板自体の抵抗よりも接触抵抗が大きく
なるため、通電ピンチロール接触部で局部加熱が生じ、
加熱温度が不均一になる。

【０００６】図１０は、上記通電ピンチロールにより厚
鋼板の上下面から給電した場合の電流密度の状態を示す
図である。同図に示すように、鋼板５の表層部Ｓと板厚
方向中央部Ｃとでは電流密度に差が生じ、特に給電部で
の板厚方向温度分布に不均一が生じることになる。

【０００７】また、板厚の厚い金属板は剛性が大きいた
め、微妙な板表面の凹凸や板幅方向の反りがあると通電
ピンチロールとの接触が幅方向で不均一となり、板幅方
向の電流密度に差が生じ、板幅方向で加熱が不均一とな
る。さらに、通電ピンチロールとの接触部で幅方向に局
部的に電流が集中し、極端に高温になることやスパーク
が発生することがあり、金属板表面にスパーク痕と呼ば
れる表面疵が発生する等の問題が生じる。

【０００８】板厚の厚い金属板は、薄金い属板に比べ熱
容量が大きい。また、切り板材の場合、板の長さが限ら
れているため、２組の通電ピンチロール間の距離を長く
とることができないという問題がある。したがって、板
を走行させながら加熱を行う場合、通電ピンチロール間
を通過する限られた時間内で加熱するためには莫大な電
流が必要となり、設備も大規模なものとなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、被加熱材の
金属材を直接通電により加熱するに際し、従来問題とな
っていた前述の問題を解決し、不均一加熱およびスパー
クの発生を抑制することにより、安定した通電加熱を可
能とする給電方法および給電装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
について検討した結果、不均一加熱、スパークの発生の
抑制には、電極と被加熱材との接触状態を安定化させる
こと、および被加熱材の各断面に均一な電流密度での給
電を行うことが重要であるとの観点から種々実験検討を
行った結果、下記の知見を得た。

【００１１】１）被加熱材と電極間に被加熱材よりも低
融点の金属を介在させ、その低融点金属を軟化または溶
融状態にして通電すると、電極と被加熱材との接触状態
を安定化することができる。

【００１２】２）被加熱材の両側面に低融点金属を介し
て電極を押し当てることにより、被加熱材の断面に均一
な電流密度で給電を行うことができる。

【００１３】本発明は、このような知見に基づき完成に
至ったもので、その要旨は、「少なくとも１対の電極を
被加熱材の両側端に接触させて通電することにより加熱
を行う通電加熱用給電装置であって、被加熱材に接触さ
せる電極の先端部に、被加熱材の少なくとも側面と対向
させる電極面に接触する状態で、被加熱材より低融点の
金属体が配置されていることを特徴とする通電加熱用給
電装置、及び少なくとも１対の電極を被加熱材の両側面
に接触させて通電することにより加熱を行う通電加熱の
給電方法であって、電極と被加熱材の側面との間に被加
熱材より低融点の金属を介在させ、該低融点金属を加熱
することにより軟化もしくは溶融した状態で給電を行う
ことを特徴とする直接通電加熱における給電方法」にあ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明で対象とする被加熱材は、
通電によりジュール熱が発生し加熱される金属材料であ
ればよく、一般的な材料として炭素鋼、低合金鋼、ステ
ンレス鋼やチタン等を挙げることができる。

【００１５】また、被加熱材の形状としては、板状材
（帯板、切り板）に限らず、棒状や管状の金属材に対し
ても、被加熱材と接触する給電装置の接触部の形状を変
更することで適用が可能である。以下の説明について
は、金属板を例にとって説明する。

【００１６】図１は、本発明の給電装置を用いた給電方
法の一例を示す図である。金属板５の両側面に給電装置
１０、１０´（陽極用と陰極用）を配置し、加熱用電源
８と短絡部材９により給電装置１０、１０´間で金属板
５に通電を行い電気抵抗発熱により加熱する。

【００１７】図２は、本発明の給電装置の一例を示す図
である。同図（ａ）は、金属板の電極接触面に対して直
角方向（金属板長さ方向）の給電装置の断面図である。
（ｂ）は図（ａ）のＹーＹ´断面図を示す。

【００１８】先ず、本発明の通電加熱用給電装置につい
て説明する。

【００１９】図２に示すように、電極１の先端部に固定
された低融点金属収納容器３（以下、収納容器と記す）
内に、低融点金属４が被加熱材である金属板５の側面と
その側面に対向する電極面の両方に接触するように配置
されている。収納容器は金属板側面と接する部分が一部
開口されており、金属板の側面はその開口部を通して低
融点金属に直接接触するようになっている。低融点金属
４が加熱され溶解した場合に、溶融金属が開口部と金属
板との隙間から流出しないように、収納容器の開口部周
囲にはクッション材６が設けられている。

【００２０】収納容器の開口部上の側板３´は、金属板
５の板厚に応じて上下方向にスライド可能な構造となっ
ている。

【００２１】低融点金属は、少なくとも被加熱材の側面
と対向させる電極面Ａ面部に配置されていればよい。

【００２２】図３は本発明の給電装置の他の態様を示す
断面図である。この装置では、金属板の側面と対向する
電極面にのみ接触した状態で低融点金属を配置してい
る。

【００２３】電極１の材質は、導電性の良好な一般に用
いられる銅等でよい。また、低融点金属収納容器は、高
温雰囲気にさらされるとともに低融点金属４と直接接触
するため、その材質は耐熱、耐酸化性に優れたステンレ
ス鋼等が好適である。クッション材６は、低融点金属４
が融解した場合でも金属が外へ漏れないようにするため
に用いるものであり、被加熱材である金属板５および低
融点金属４と直接接触するため、耐熱性に優れた材質が
よく、嵩密度を低くしたアルミナ−シリカ系の材料等を
用いることが好ましい。

【００２４】低融点金属４は、金属板５より低融点の金
属であればよく、例えば、融解点が約３３０℃である鉛
や約２３０℃である錫や錫合金等を用いるのが好まし
い。

【００２５】次に、給電方法について説明する。

【００２６】本発明の方法では、電極と被加熱材の側面
との間に被加熱材より低融点の金属を介在させた状態で
通電を行う。図１に示すように、金属板の側面に電極を
接触させるのは、金属板の厚さ方向での電流密度を均一
にして、板厚方向の加熱温度のばらつきを防止するため
である。金属板の上面端部に電極を接触させる方法も考
えられるが、この場合金属板の下面の表面近傍では電流
密度が小さくなり、金属板の上面に比べ加熱温度が低く
なるので好ましくない。

【００２７】被加熱材の側面とは、幅方向の側面、長さ
方向の側面の両方を意味する。

【００２８】図４は、給電装置を金属板の板幅方向に複
数個配置した形態を示す図である。

【００２９】給電装置１０は、金属板の長さ方向に配列
してもよいが、金属板が狭幅の場合は金属板の電気抵抗
が小さくなり、加熱効率がよくないので、図４のように
幅方向に配列するのが好ましい。

【００３０】給電装置の幅は、金属板５の幅と同程度と
するのが望ましいが、実操業での金属板幅は多種存在す
るため、狭幅の給電装置を板幅方向に複数個配置し、金
属板幅に合わせて使用する給電装置の個数を選び給電を
行うのがよい。

【００３１】低融点金属４は、通電加熱時の低融点金属
４自体の電気抵抗発熱および金属板５の電気抵抗発熱に
よる熱を利用して軟化、溶解させることができる。ま
た、加熱効率の向上やより正確な温度制御の観点から、
電極１の外周に設けたヒーター７等による外部加熱によ
り低融点金属４を軟化、溶解させてもよい。

【００３２】また、低融点金属４の温度制御や、電極１
の異常発熱による消耗や破損を防止するために、電極１
内部に冷却水路２を設けてもよい。これにより、電極１
の異常な温度上昇を防ぐことができる。

【００３３】通電加熱が終了した時点で、電極内を循環
させた冷却水により低融点金属４を冷却して即座に凝固
させると、給電装置１０を金属板５から離間させた場合
でも低融点金属４が流出するのを防止することもでき
る。

【００３４】次の通電加熱を実施する際には、低融点金
属４が凝固したままの状態で給電装置１０を次の金属板
へ取り付け、板厚に応じて収納容器の側板の位置を調整
した後、通電またはヒーターにより低融点金属４を軟化
または溶解させる。

【００３５】上記のように、冷却水路２内に流す冷却水
流量を調整することにより、低融点金属４の温度制御を
行い、低融点金属４を軟化、溶解、凝固の適正な条件に
保つことができる。なお、冷却水路２に流す流体として
は水以外に油等を用いてもよく、より温度制御を確実に
するため流体を予め加熱、冷却して使用してもよい。

【００３６】電極と被加熱材との間に低融点金属を介在
させて加熱するのは、次の理由による。すなわち、溶解
もしくは軟化した低融点金属４は、金属板５の側面に当
接した際、その側面の表面形状と同じ形状に変形し、金
属板の側面と低融点金属との間に隙間が生じるのを防止
することができるからである。したがって、低融点金属
と被加熱材との接触抵抗が小さくなり、安定して給電を
行うことができる。なお、本発明の適用は、静止状態の
被加熱材に好適であるが、走行する被加熱材への適用も
できる。

【００３７】以下、本発明の効果を実施例に基づいて説
明する。

【００３８】

【実施例】図２に示す構造の給電装置を用い、厚さ３０
ｍｍ、幅２５０ｍｍ、長さ６００ｍｍの４０キロ級炭素
鋼板を被加熱材として通電加熱を行った。

【００３９】図５は、給電装置の寸法を示す図である
（図中の数字の単位は、ｍｍである）。

【００４０】電極１は銅、収納容器３はＳＵＳ３０４、
クッション材６は嵩密度が０．１２g/ｃｍ³ のアルミナ
−シリカ複合材（80％Al₂O₃ ＋20％SiO₂）にて製作し、
低融点金属４には鉛を用いた。クッション材厚みは、５
ｍｍであったが、収納容器３を鋼板に押し付けると２．
５ｍｍまで圧縮された。低融点金属の加熱用ヒーターと
しては、表面を耐熱絶縁体で被覆した直径１ｍｍのニク
ロム線を電極表面に５ｍｍピッチで電極上に巻き付け
た。通電加熱時の最大電流は８００００Ａであった。

【００４１】比較例として図９に示す従来方式の給電方
法での加熱も行った。給電ピンチロールとして直径２０
０ｍｍ、ロールバレル幅４００ｍｍのロールを用いた。

【００４２】表１に、鋼板温度を６００℃に通電加熱し
た場合の加熱状況を示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】表中の板幅方向温度差は鋼板端部の過冷域
（鋼板側端から１５ｍｍの範囲）を除外した値である。
従来の給電方法の鋼板と給電部の接触面積は、ロール押
し付け荷重およびロール径から接触弧長を計算して求め
た値であり、最大電流密度は最大電流をその接触面積で
除した値である。

【００４５】表１から、給電部での電流密度は、従来の
給電方法では１０００Ａ／ｍｍ² を超えているのに対
し、本発明の給電方法によれば従来の電流密度の１／１
２０の１１Ａ／ｍｍ² 程度に抑えることができた。

【００４６】図６は、鋼板長さ方向中央部での幅方向温
度分布を示した図であるが、本発明の給電方法では鋼板
幅方向の温度差が殆ど発生していないのに対して、従来
の給電方法では約７０℃もの温度のばらつきが生じてい
た。

【００４７】図７は、板表面より５ｍｍ深さの位置と板
厚中央部における加熱時間と昇温状態を示す図である。
温度は熱電対を鋼板に埋め込み測定した。同図（ａ）に
示す本発明給電方法では、板幅方向中央部、板端部（給
電面）より１０ｍｍ内側で、また（ｂ）の従来給電方法
では、板幅方向中央の給電ロール直下でそれぞれ測定し
た。鋼板長さ方向中央部温度が約６００℃となった時点
で、従来給電方法では約１００℃の温度差が生じている
が、本発明の給電方法では約５℃程度に抑えることがで
きた。

【００４８】さらに、従来の給電方法では、給電点で電
流が局部集中してロールと鋼板の焼き付きが発生したの
に対し、本発明の給電方法では、焼き付きは発生しなか
った。

【００４９】図８は、焼き付き状況をスケッチしたもの
である。

【００５０】通電終了後、電極内部の冷却水路に水を流
して冷却することにより溶融状態となっていた鉛は凝固
し、給電装置と一体化して取り外す事ができた。

【００５１】次に、表２に本発明の給電方法で各種温度
に通電加熱したときの板幅方向および板厚方向での温度
分布を測定した結果を、上記と同じ従来方法での通電加
熱方法と比較して示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】本発明の給電方法によれば、従来の給電方
法と比較して、広い加熱温度範囲で板幅方向および板厚
方向温度分布の差が少なくなっており、金属板の加熱や
熱処理において精度よく金属板の温度を制御することが
可能である。

【００５４】

【発明の効果】本発明の給電装置および給電方法を用い
ることにより、鋼板等の金属材への安定給電ができ、金
属材を均一に精度よく加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の給電方法の一例を示す図である。

【図２】本発明の給電装置の一例を示す断面図である。

【図３】本発明の給電装置の他の例を示す断面図であ
る。

【図４】給電装置を金属板幅方向に複数個設置した場合
の給電方法を示す図である。

【図５】実施例に用いた給電装置の寸法を示す図であ
る。

【図６】鋼板を６００℃まで加熱した際の、鋼板長さ方
向中央での幅方向表面温度分布を示す図である。

【図７】鋼板を６００℃まで加熱した際の、給電位置近
傍での表面より５ｍｍ深さおよび板厚中央部での温度を
示す図である。

【図８】従来の給電方法による通電ロールと鋼板との焼
き付き跡を示す図である。

【図９】従来の給電方法を示す図である。

【図１０】従来の給電方法での板厚方向電流密度の分布
を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 電極 ２ 冷却水路 ３ 低融点金属収納容器 ４ 低融点金属 ５ 金属板 ６ クッション材 ７ ヒーター ８ 電源 ９ 短絡部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１対の電極を被加熱材の両側端
   に接触させて通電することにより加熱を行う通電加熱用
   給電装置であって、被加熱材に接触させる電極の先端部
   に、被加熱材の少なくとも側面と対向させる電極面に接
   触する状態で、被加熱材より低融点の金属体が配置され
   ていることを特徴とする通電加熱用給電装置。
2. 【請求項２】少なくとも１対の電極を被加熱材の両側面
   に接触させて通電することにより加熱を行う通電加熱の
   給電方法であって、電極と被加熱材の側面との間に被加
   熱材より低融点の金属を介在させ、該低融点金属を加熱
   することにより軟化もしくは溶融した状態で給電を行う
   ことを特徴とする直接通電加熱における給電方法。