JPWO2016035893A1 - 金属帯板の誘導加熱装置 - Google Patents

金属帯板の誘導加熱装置 Download PDF

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Abstract

金属帯板の誘導加熱装置は、長手方向に走行する金属帯板を横切って金属帯板に平行に、金属帯板から突き出し、金属帯板の走行方向において互いに重ならないように設けられた第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材と、第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、金属帯板の板幅方向の端部を第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた磁性体コア部材と、を備える。

Description

本明細書は、金属帯板の誘導加熱装置に関する。
熱処理炉における金属帯板の加熱は、主としてラジアントチューブを用いる間接加熱で行っているが、この間接加熱は、熱慣性が大きいことに加え、金属帯板の温度と炉温の差が小さくなるにつれて、金属帯板への有効な入熱がし難くなるので、生産性が制約される。さらに、ラジアントチューブを用いる間接加熱においては、例えば、炭素鋼などの鋼板では、吸熱反応をする変態点近傍での急速加熱や、ラジアントチューブの耐熱性の制約から高温焼鈍の実現が困難であるので、金属帯板の熱処理条件の選択の自由度が制約される。
これに対し、金属帯板を高周波電流で加熱する誘導加熱は、加熱速度や加熱温度を自由に制御することができるので、熱処理操業や金属帯板商品開発の点で自由度が大きく、近年、注目されている加熱方法である。
誘導加熱には、大きく２つの方式がある。１つは、金属帯板の周囲を囲んだ誘導コイルに高周波電流を流して、磁束を、金属帯板の長手方向（進行方向）断面に貫通させて、この磁束に垂直な金属帯板の幅方向断面内に周回する誘導電流を発生させて金属帯板を加熱するＬＦ（縦断磁束加熱）方式である。
他の方法は、金属帯板を挟んで１次コイルを巻回したインダクター（良磁性体）を配置し、１次コイルに電流を流して発生させた磁束を、インダクターを介して金属帯板の板面に貫通させ、金属帯板の板面に誘導電流を発生させて金属帯板を加熱するＴＦ（横断磁束加熱）方式である。
誘導電流が板断面内を周回するＬＦ方式の誘導加熱では、電流の浸透深さδと電流周波数ｆの関係（δ（ｍｍ）＝５．０３×１０5√（ρ／μr・ｆ）、ρ（Ωｍ）：比抵抗、μr：比透磁率、ｆ：周波数（Ｈz））から、金属帯板の表裏で発生する誘導電流の浸透深さが鋼板の厚みより深いと干渉しあい、金属帯板断面には誘導電流が発生しない。
例えば、非磁性金属帯板や、キュリー温度を超えて磁性を失う鋼板の場合など、電流の浸透深さδが深くなるので、金属帯板の板厚が薄いと誘導電流が発生しない。また、たとえ磁性材であっても、浸透深さに比べ、板厚が薄すぎる場合にも、ＬＦ方式では、誘導電流が鋼板断面に発生しない。
一方、ＴＦ方式の誘導加熱では、磁束が金属帯板の板面を貫通するので、板厚に依らず、また、磁性、非磁性の区別なく金属帯板を加熱できるが、対向するインダクターが近接していないと、加熱効率が低下したり、また、全く加熱できない場合もある。また、金属帯板の端部において過加熱が生じ易い（例えば、日本国特開昭６２−２８１２９１号公報参照）という問題もある。
また、磁性のある金属帯板が、対向するインダクターの中央に位置していないと、一方のインダクターに引き寄せられて、磁束が局部的に集中して金属帯板の温度差が大きくなることもある。さらに、通常のＴＦ方式の誘導加熱では、インダクター形状を容易に変更できないため、金属帯板の板幅変更への対応が難しいという問題もある。
そのため、例えば、日本国特開２００８−１８６５８９号公報には、薄板の板幅方向に並列に、薄板に対向して配置され、かつ、薄板の厚み方向に独立して移動可能な磁極セグメントと、薄板の板幅方向に出没自在で、磁極セグメントによる磁場を調整する非磁性金属の可動遮蔽版を備える電磁誘導加熱装置が開示されている。
日本国特開２００８−１８６５８９号公報の電磁誘導加熱装置は、薄板の板幅変化に対応して磁束を調整し得るものであるが、薄板の板幅が大きく変化した場合、板幅方向の磁束調整を迅速に行うことが難しい。
日本国特開２００９−２５９５８８号公報には、複数の独立した磁気棒を有し、金属ストリップの幅に適合し得る可変幅の磁気回路を備える誘導加熱装置が開示されている。しかし、日本国特開２００９−２５９５８８号公報の誘導加熱装置においては、表裏離して設置された誘導コイルの近傍に幅方向に移動可能な磁性体コアを設けた例が示されている。
 開示の概要
本明細書の実施の形態は、金属帯板の板幅方向端部に流れる誘導電流の電流密度と加熱時間を調節することで金属帯板の板幅方向端部の温度分布を制御可能な、金属帯板の誘導加熱装置を提供することを主な目的とする。
本明細書の一態様によれば、
長手方向に走行する金属帯板を横切って前記走行する金属帯板に平行に設けられ、それぞれの両端部が前記走行する金属帯板の板幅方向において前記走行する金属帯板から突き出して設けられ、前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向において互いに重ならないように配置された第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材と、前記第１の誘導コイル部材の前記両端部の一方と前記第２の誘導コイル部材の前記両端部の一方を電気的に接続する第１の電気的接続手段と、前記第１の誘導コイル部材の前記両端部の他方と前記第２の誘導コイル部材の前記両端部の他方を電気的に接続する第２の電気的接続手段と、を有する誘導コイルと、
前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の一方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の一端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第１の磁性体コア部材と、前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の前記一方の面とは反対側の他方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の前記一端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第２の磁性体コア部材と、を有する第１の磁性体コアと、
前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の前記一方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の前記一端部と反対側の他端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第３の磁性体コア部材と、前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の前記他方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の前記他端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第４の磁性体コア部材と、を有する第２の磁性体コアと、
を備える金属帯板の誘導加熱装置が提供される。
図１は、金属帯板の表面側の誘導コイル部材と金属帯板の裏面側の誘導コイル部材を、金属帯板の表面側の誘導コイル部材の金属帯板への垂直投影像と、金属帯板の裏面側の誘導コイル部材の金属帯板への垂直投影像が、金属帯板の長手方向にて重ならないように配置した誘導加熱装置の態様示す図である。 図２Ａは、金属帯板の全体に発生する誘導電流の平面態様を示す図である。 図２Ｂは、図２ＡのＡ−Ａ断面図であり、金属帯板の全体に発生する誘導電流の金属帯板の端部断面での誘導電流の態様を示す図である。 図３Ａは、比較のための磁性体コアの断面構造を示す図である。 図３Ｂは、本明細書の実施の形態で用いる磁性体コアの断面構造を模式的に示す図である。 図３Ｃは、本明細書の実施の形態で用いる別の磁性体コアの断面構造を模式的に示す図である。 図３Ｄは、本明細書の実施の形態で用いるさらに別の磁性体コアの断面構造を模式的に示す図である。 図４は、本明細書の実施の形態における磁性体コアの配置態様を示す図であり、磁性体コアが複数の磁性体コアに分割されておらず、誘導コイル部材が金属帯板の板幅方向に平行に配置されている場合を示す図である。 図５Ａは、本明細書の実施の形態における磁性体コアの配置態様を示す図であり、磁性体コアが複数の磁性体コアに分割され、誘導コイル部材が金属帯板の板幅方向に平行に配置されている場合を示す図である。 図５Ｂは、本明細書の実施の形態における磁性体コアの配置態様を示す図であり、磁性体コアが複数の磁性体コアに分割され、誘導コイル部材が板幅方向端部に向かい傾斜して配置されている場合を示す図である。 図６は、金属帯板の内部を周回する誘導電流の一周回態様を示す図である。 図７は、２組の誘導コイルを並列に隣接して設置した場合における磁性体コアの一配置態様を示す図である。 図８は、２組の誘導コイルを直列接続で連結して設置した場合における磁性体コアの一配置態様を示す図である。 図９Ａは、本明細書の実施の形態における磁性体コアの配置態様を示す図であり、誘導コイルがＴＦ方式の場合を示す図である。 図９Ｂは、図９Ａの場合において、金属帯板を周回する誘導電流の一周回態様を示す図である。 図９Ｃは、図９Ａにおいて複数の磁性体コアを設けない場合において、金属帯板を周回する誘導電流の一周回態様を示す図である。 図１０は、実施例の解析モデルの構成を模式的に示す図である。 図１１は、比較例２の解析モデルの構成を模式的に示す図である。 図１２は、比較例３の解析モデルの構成を模式的に示す図である。
誘導加熱装置において、長手方向に走行する金属帯板の板幅方向端部側に、該端部を覆うように配置した磁性体コアは、金属帯板の端部において、金属帯板の表裏に配置した誘導コイルで発生した誘導電流を、磁性体コアの外側（金属帯板の中心方向）に押し出し、誘導電流が金属帯板の端部に集中するのを抑制する作用をなす。
しかし、金属帯板の板幅方向端部に、部分的に磁性体コアを配置するだけでは、金属帯板の板幅方向端部において流れる誘導電流の電流密度と加熱時間を適確に制御し、金属帯板の板幅方向端部の温度分布を適切に制御することは困難である。
本発明者は、金属帯板の板幅方向端部に流れる誘導電流の電流密度と加熱時間を適確に制御し、金属帯板の板幅方向端部の温度分布を適切に制御する手法について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、金属帯板の板幅方向端部に部分的に磁性体コアを配置するのではなく、誘導電流が流れる金属帯板の板幅方向端部に、板幅方向端部側に所定のプロファイルを有する磁性体コアを配置することにより、金属帯板の板幅方向端部に流れる誘導電流の電流密度と加熱時間を適確に制御し、金属帯板の板幅方向端部の温度分布を適切に制御できることを見出した。所定のプロファイルとは、金属帯板の走行方向の両端側であって誘導コイル近傍では金属帯板の板幅方向端部を多く覆い、中間部では金属帯板の板幅方向端部を両端側よりも少なく覆う形状であることが好ましい。
また、磁性体コアは、金属帯板の走行方向において複数の部材に分割されていてもよく、さらには、金属帯板の板幅方向において、分割された複数の部材をそれぞれ移動させる移動手段を備えていれば、金属帯板の板幅方向端部の温度分布を自在に制御できることを見いだした。
本明細書の実施の形態は、上記知見に基づいてなされたものである。以下、本明細書の実施の形態の誘導加熱装置について図面を参照して説明する。
まず、本明細書の実施の形態の前提となる誘導加熱装置と、該誘導加熱装置により金属帯板に生じる誘導電流の態様について説明する。
図１に、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａと金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂを、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａの金属帯板１への垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂの金属帯板１への垂直投影像が、金属帯板１の長手方向（走行方向）にて重ならないように配置した誘導加熱装置の態様示す。
誘導コイル部材２ａと誘導コイル部材２ｂは、金属帯板１に平行に配置されている。誘導コイル部材２ａの両端部と誘導コイル部材２ｂの両端部は、金属帯板１の板幅方向において、金属帯板１から突き出して設けられている。
図１に示す誘導加熱装置においては、誘導コイル２の内側を通過する金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａの端部と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂの端部が導体２ｃで連結され、誘導コイル部材２ｂの他の端部は、導体２ｄ及び導線２ｅを介して電源３に接続され、誘導コイル部材２ａの他の端部は、導体２ｈ、連結器２ｇ、導線２ｆを介して、電源３に接続されている。電流は、図中矢印方向に流れる。導体２ｃは電気的接続手段の一例であり、導体２ｄ、導線２ｅ、導線２ｆ、導体２ｈも電気的接続手段の一例である。誘導コイル２は、誘導コイル部材２ａ、誘導コイル部材２ｂ、導体２ｃ、導体２ｄ、導線２ｅ、導線２ｆ、導体２ｈを備えている。
そして、誘導コイル部材２ａと誘導コイル部材２ｂは、誘導コイル部材２ａを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像と、誘導コイル部材２ｂを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像が、金属帯板１の長手方向（走行方向）にて重ならないように配置されている。
上述したＬＦ方式の場合、誘導電流が、金属帯板の表裏面で、同じ大きさで逆向きに流れるので、電流の浸透深さδが深いと干渉し、誘導電流が流れなくなるが、図１の場合、誘導コイル部材２ａ、誘導コイル部材２ｂを金属帯板１へそれぞれ垂直投影したときの垂直投影像が、金属帯板１の長手方向（走行方向）にて重ならないように配置されているので、誘導コイル部材２ａ直下の金属帯板１に流れる誘導電流および誘導コイル部材２ｂ直下の金属帯板１に流れる誘導電流はそれぞれ一方向のみに流れる電流となるので、電流の浸透深さδが深い場合でも、干渉することなく電流が流れるようになる。
図２Ａ，２Ｂに、金属帯板１の全体に発生する誘導電流５の態様を示す。図２Ａに、誘導電流の平面態様を示し、図２Ｂに、金属帯板１の端部断面（図２ＡのＡ−Ａ断面）での誘導電流５の態様を示す。
誘導コイル部材２ａ、２ｂ（図示なし）直下の金属帯板１には、図２Ａに示すように、矢印方向（誘導コイル部材２ａ、２ｂに流れる電流の方向とは逆方向）に流れる環状の誘導電流５（５ａ、５ｂ）が発生する。そして、誘導コイル部材２ａが金属帯板１の表面側に配置され、誘導コイル部材２ｂが金属帯板１の裏面側に配置されているので、誘導電流５は、図２Ｂに示すように、金属帯板１の端部断面を斜めに横断して流れる。金属帯板１が非磁性材でも、誘導電流５が発生して周回するので、金属帯板１を加熱することができる。図２Ｂは、金属帯板１の板厚が厚い場合における電流の流れ状態を示すが、金属帯板１の板厚が薄い場合には斜めに横断せずに、金属帯板１の板厚全体に電流が流れる。
しかし、(a)金属帯板１の板幅方向端部を流れる誘導電流は、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａと裏面側の誘導コイル部材２ｂ（図１参照）を連結する導体２ｃ（図１参照）、又は、金属帯板の表面側の誘導コイルと裏面側の誘導コイルを電源に連結する導体２ｄ、導線２ｅ、導線２ｆ、導体２ｈ（図１参照）を流れる一次電流との間のリアクタンスを小さくしようとして、金属帯板１の板幅方向端部に片寄ってしまい、電流路の幅ｄ２が狭くなってしまうこと、(b) 導体２ｃ、導体２ｄ、導線２ｅ、導線２ｆ、導体２ｈを流れる一次電流により発生する磁束が、近接する金属帯板１の板幅方向端部を集中的に貫通すること、また、(c)金属帯板１の板幅方向端部では、金属帯板１の中央部に比べ、金属帯板１の長手方向（走行方向）の距離ｄ３の分、長時間加熱される（中央部の加熱される距離はｄ１×２、板幅方向端部の加熱される距離はｄ１×２＋ｄ３）こと等により、金属帯板１の板幅方向端部においては過加熱になり易い。
また、誘導コイル２が１組の場合、磁束は誘導コイル２の外に広がるので、金属帯板１の中央部では誘導電流５の電流密度が低下して、温度が上昇し難く、金属帯板１の板幅方向の中央部と端部の温度差が拡大し易い。
そこで、本明細書の実施の形態の誘導加熱装置においては、金属帯板１の板幅方向端部に流れる誘導電流５を、誘導電流５が流れる端部の全幅にわたって制御し、金属帯板１の板幅方向の温度分布を自在に制御するため、金属帯板１の板幅方向端部、及び、該端部を越えて金属帯板１を覆うことが可能な磁性体コアを、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａの金属帯板１への垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂの金属帯板１への垂直投影像の間の全幅にわたり、金属帯板１の板幅方向に進退可能に複数配置する。
誘導コイル部材２ａ、２ｂは、一本の導体で構成してもよいし、複数本の導体で構成してもよい。また、誘導コイル部材２ａ、２ｂの背面には、磁束を強化するため、背面用磁性体コアを載置してもよい。
図３Ａ〜３Ｄに、磁性体コア６の断面構造を示す。図３Ａに、比較のための磁性体コア６の断面構造を示し、図３Ｂに、実施の形態で用いる磁性体コア６の断面構造を示し、図３Ｃに、実施の形態で用いる別の磁性体コア６の断面構造を示す。図３Ｄに、実施の形態で用いるさらに別の磁性体コア６の断面構造を模式的に示す。
磁性体コア６の寸法は、特定の範囲に限定されない。金属帯板１の表面側と裏面側の誘導コイル部材２ａ，２ｂの間隔、金属帯板１の板幅、配置数に基づいて適宜設定すればよい。
磁性体コア６は、強磁性体で構成するが、強磁性体は、特定の材質の強磁性体に限定されない。強磁性体としては、例えば、フェライト、積層電磁鋼板、アモルファス合金等があるが、誘導加熱装置に付与する加熱能力、周波数等に応じて適宜選択すればよい。
金属帯板１の板幅方向端部を覆う比較のための磁性体コア６は、図３Ａに示すように、誘導コイル（図示なし）が励磁する磁束４’を吸収して（磁性体コア６'を貫通する矢印、参照）、金属帯板１の板幅方向端部への磁束集中を防ぎ、金属帯板１の板幅方向端部における過度の温度上昇を抑制する。しかし、磁性体コア６'を部分的に個別に配置した場合には、端部電流の抑制効果は限定的で、効果が小さいという問題がある。
図３Ｂに示す、実施の形態で用いる磁性体コア６においては、金属帯板１の板幅方向端部において、電流通過を効果的に抑制するため、金属帯板１との間隔ｄが狭く設定され、また、磁性体コア６が、金属帯板１の板幅方向端部を越えて金属帯板を覆い、誘導電流の分布を適切に制御できるように、金属帯板１の板幅方向の磁性体コアの長さＬが長く、かつ、磁性体コア６が、金属帯板の板幅の変化Ｗに即応できるように、金属帯板１を覆う部分の奥行が深く設定されている。
磁性体コア６は、金属帯板１の表面側の磁性体コア部材６ａと、裏面側の磁性体コア部材６ｂと、磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂの金属帯板１を覆う部分とは反対側の端部（図では、右側端部）を連結する磁性体コア部材６eを備えている。
加熱された金属帯板１からの輻射熱による温度上昇を抑制し、磁性体コア６を、安定して使用するために、磁性体コア６において受熱し易い表面部分を、図３Ｃに示すように、非磁性の断熱材６ｃで覆ってもよい。なお、断熱材６ｃの被覆のみでは、磁性体コア６の温度上昇を抑制できない場合は、磁性体コア６に水冷板（図示せず）を取り付けたり、磁性体コア６の近傍にガス冷却装置（図示せず）を設けたりして、磁性体コア６を冷却してもよい。
実施の形態の誘導加熱装置には、図３Ｂまたは図３Ｃに示す磁性体コア６を金属帯板１の板幅方向に進退移動させる移動部材９が設けられている。移動部材９による磁性体コア６の金属帯板１の板幅方向の移動は、例えば、磁性体コアを保持する台車を、軌道上で、電動シリンダ、エアシリンダー、モーターなどの駆動装置で移動させて行うが、磁性体コア６は、金属帯板１の板幅方向で迅速かつ円滑に移動できればよく、この限りで、磁性体コア６の移動部材は、特に特定されない。
図３Ｄに、実施の形態で用いる、さらに別の磁性体コア６の断面構造を模式的に示す。図３Ｄに示す磁性体コア６は、磁性体コア６の端部（図では、右側端部）が磁性体で連結されていない。磁性体コア６は、金属帯板１の表面側の磁性体コア部材６ａと、裏面側の磁性体コア部材６ｂとを備えている。磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂの間隔を維持するため、金属帯板１を覆う部分とは反対側の端部（図では、右側端部）が、非磁性で耐熱性の連結部材６ｄで連結されている。
図３Ｄに示す磁性体コア６においては、金属帯板１の表面と裏面に磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂをそれぞれ配置し、磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂを非磁性の連結部材６ｄで連結するものであるが、図３Ｂに示す、磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂを磁性体コア部材６eで連結する磁性体コア６と同様の電流抑制効果が得られている。この磁性体コア６は、金属帯板１の板幅が変更になった場合でも、移動部材９による金属帯板１の板幅方向の進退により、板幅変更に直ちに追従できるとともに、金属帯板１が蛇行して板幅方向端部の位置が大きくずれ、それが続く場合でも、直ちに位置ずれに追従することが可能となる。
図４に、実施の形態における磁性体コア６の配置態様を示す。誘導コイル部材２ａ、２ｂが金属帯板１の板幅方向に平行に配置されている。金属帯板１の板幅方向の端部、及び、該端部を越えて金属帯板１を覆うことが可能な磁性体コア６が、金属帯板１の板幅方向の両側に配置されている。磁性体コア６は、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａの金属帯板１への垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂの金属帯板１への垂直投影像の間の全幅にわたり配置されている。
磁性体コア６は、図３Ｂに示すように、金属帯板１の表面側の磁性体コア部材６ａと、裏面側の磁性体コア部材６ｂと、磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂの金属帯板１を覆う部分とは反対側の端部（図では、右側端部）を連結する磁性体コア部材６eを備えている。なお、磁性体コア部材６eに代えて図３Ｄに示すように、非磁性の連結部材６ｄを設けてもよい。また、図３Ｃに示すように、磁性体コア６を非磁性の断熱材６ｃで覆ってもよい。
磁性体コア部材６ａおよび磁性体コア部材６ｂは、金属帯板１の板幅方向端部を、誘導コイル部材２ａ側および誘導コイル部材２ｂ側では多く、誘導コイル部材２ａと誘導コイル部材２ｂとの間の中間部では少なく覆っている。磁性体コア部材６ａおよび磁性体コア部材６ｂの金属帯板１の板幅方向端部を覆う側は湾曲している。
磁性体コア部材６ａおよび磁性体コア部材６ｂは、移動部材９によって金属帯板１の板幅方向に進退移動し、板幅変更に追従できるとともに、金属帯板１の蛇行等による位置ずれに追従できる。
図５Ａ、５Ｂに、実施の形態における磁性体コア６の配置態様を示す。図５Ａに、誘導コイル部材２ａ、２ｂが金属帯板１の板幅方向に平行に配置されている場合を示し、図５Ｂに、誘導コイル部材２ａ、２ｂが金属帯板１の板幅方向端部に向かい傾斜して配置されている場合を示す。誘導コイル部材２ａが金属帯板１の板幅方向端部に向かい誘導コイル部材２ｂ側に傾斜して配置され、誘導コイル部材２ｂが金属帯板１の板幅方向端部に向かい誘導コイル部材２ａ側に傾斜して配置されている場合を示す。
図５Ａ、５Ｂに示すように、金属帯板１の板幅方向端部、及び、該板幅方向端部を越えて金属帯板１を覆うことが可能な磁性体コア６が、金属帯板１の板幅方向の両側に配置されている。磁性体コア６は、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａの金属帯板１への垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂの金属帯板１への垂直投影像の間の全幅にわたり配置されている。
磁性体コア６は、金属帯板１の長手方向（走行方向）において複数の磁性体コア６０に分割されている。金属帯板１の表面側の磁性体コア部材６ａは、複数の磁性体コア部材６０ａに分割されている。金属帯板１の裏面側の磁性体コア部材６ｂは、複数の磁性体コア部材６０ｂに分割されている。磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂの金属帯板１を覆う部分とは反対側の端部（図では、右側端部）を連結する磁性体コア部材６eは、複数の磁性体コア部材６０eに分割されている。複数の磁性体コア部材６０ａと複数の磁性体コア部材６０ｂには同数であり、複数の磁性体コア部材６０ａと複数の磁性体コア部材６０ｂの金属帯板１への垂直投影像が金属帯板１の走行する走行方向においてそれぞれ互いに重なるように配置されている。
分割された磁性体コア６０は、図３Ｂに示すように、金属帯板１の表面側の磁性体コア部材６０ａと、裏面側の磁性体コア部材６０ｂと、磁性体コア部材６ａと磁性体コア部材６ｂの金属帯板１を覆う部分とは反対側の端部（図では、右側端部）を連結する磁性体コア部材６０eを備えている。なお、磁性体コア部材６０eに代えて図３Ｄに示すように、非磁性の連結部材６０ｄを設けてもよい。また、図３Ｃに示すように、磁性体コア６０を非磁性の断熱材６０ｃで覆ってもよい。
複数の磁性体コア部材６０ａおよび複数の磁性体コア部材６０ｂは、移動部材９によって金属帯板１の板幅方向にそれぞれ進退移動し、板幅変更に追従できるとともに、金属帯板１の蛇行等による位置ずれに追従できる。また、移動部材９によって磁性体コア部材６０ａおよび磁性体コア部材６０ｂの金属帯板１の板幅方向端部を覆う側を結ぶ線を所定のプロファイルにすることができる。
複数の磁性体コア６０は、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａの金属帯板１への垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂの金属帯板１への垂直投影像の間の全幅において、隙間なく配置する必要はなく、所望の加熱温度分布となるように、適宜の数の磁性体コア６０を、所定の間隔をあけて配置してもよい。
磁性体コア部材６０ａおよび磁性体コア部材６０ｂの金属帯板１の板幅方向端部を覆う側を結ぶ線は湾曲している。複数の磁性体コア６０が、誘導コイル部材２ａと誘導コイル部材２ｂの間の中央域では、金属帯板１の板幅方向端部を覆うように配置され、誘導コイル部材２ａと誘導コイル部材２ｂの近接域では、金属帯板１の板幅方向端部を越えて金属帯板１の内部を覆うように配置されている。磁性体コア部材６０ａおよび磁性体コア部材６ｂは、金属帯板１の板幅方向端部を、誘導コイル部材２ａ側および誘導コイル部材２ｂ側では多く、誘導コイル部材２ａと誘導コイル部材２ｂとの間の中間部では少なく覆っている。
磁性体コア部材６０ａおよび磁性体コア部材６０ｂの板幅方向の進退制御により、金属帯板１の板幅方向端部に集中する誘導電流の流れる方向を徐々に抑制して、金属帯板の端部に流れる電流の電流密度と加熱時間を調整し、金属帯板１の板幅方向端部における過加熱を防止する。
また、金属帯板１の板面を周回する誘導電流の電流分布を自在に調整して、金属帯板１の板幅方向における発熱分布を適確に制御する。
例えば、金属帯板が１、誘導加熱装置の前段でラジアントチューブにより加熱され、金属帯板の端部が高温状態にある場合に、金属帯板の端部に流れる電流を抑制して発熱量を、金属帯板の中央部での発熱量よりも抑えて、誘導加熱装置の出側で、金属帯板の板幅方向の温度分布を均一にすることができる。
図５Ｂに示す磁性体コア６０の配置の場合、誘導コイル部材２ａ、２ｂ自体で、金属帯板１の板幅方向端部を流れる電流をある程度調整できるので、誘導コイル部材２ａ、２ｂ間に配置する磁性体コア６０の数は、図５Ａの場合に比べて少なくてもよい。
図６に、図５Ａを参照して説明した誘導コイル部材２ａと、誘導コイル部材２ｂと複数の磁性体コア６０を配置した場合における、金属帯板１に発生する誘導電流７の一周回態様を示す。金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａと、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂで発生し、金属帯板１の板幅方向端部の両側に配置した複数の磁性体コア６０により、金属帯板１の端部への集中が抑制された誘導電流７が、金属帯板１の板面内で、楕円状に、時計回りで周回する。このように、複数の磁性体コア６０により、金属帯板１の板幅方向端部に集中する誘導電流の流れる方向を徐々に抑制して、金属帯板１の端部に流れる電流の電流密度と加熱時間を調整し、金属帯板１の板幅方向端部における過加熱を防止する。
なお、図５Ｂを参照して説明した誘導コイル部材２ａと、誘導コイル部材２ｂと複数の磁性体コア６０を配置した場合においても、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａと、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂで発生し、金属帯板１の板幅方向端部の両側に配置した複数の磁性体コア６０により、金属帯板１の端部への集中が抑制された誘導電流７が、金属帯板１の板面内で、楕円状に、時計回りで周回する。また、図４を参照して説明した誘導コイル部材２ａと、誘導コイル部材２ｂと磁性体コア６を配置した場合においても、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａと、金属帯板１の裏面側の誘導コイル部材２ｂで発生し、金属帯板１の板幅方向端部の両側に配置した磁性体コア６により、金属帯板１の端部への集中が抑制された誘導電流７が、金属帯板１の板面内で、楕円状に、時計回りで周回する。
複数の磁性体コア６０の配置、及び、複数の磁性体コア６０の進退制御は、金属帯板１の板幅方向の両側で、必ずしも対称である必要はない。誘導加熱装置の入り側で、既に、金属帯板１に板幅方向で非対称な温度分布となっている場合や、蛇行等で磁場の分布が対称にならない場合には、金属帯板１の板幅方向で、複数の磁性体コア６０の配置を対称にする必要はなく、目的に応じて適宜変更すればよい。
また、誘導電流７の周回形態は、楕円状に限らず、磁性体コア６０の進入距離及び／又は配置数を適宜変更することにより、種々の形態をとり得る。
これまで、金属帯板１の表面側の誘導コイル部材２ａと裏面側の誘導コイル部材２ｂが連結した１組の誘導コイルの場合について説明したが、誘導コイルを複数組連続して設置した誘導加熱装置においても、上述した磁性体コア６、複数の磁性体コア６０は有効に機能することを、本発明者は確認した。
図７に、２組の誘導コイル２を並列に隣接して設置した場合における磁性体コア６０の一配置態様を示す。この場合、中央に位置する誘導コイル部材２ｂと、誘導コイル部材２ａには、同相の電流を流す必要がある。誘導コイル２を金属帯板１の走行方向に並べて設置し、隣接する誘導コイル２に同相の電流を流すと、中央部分の磁束密度が高くなり、相対的に板幅方向中央部で発熱する割合が大きくなり、板幅方向端部の過加熱の度合いを小さくすることが可能となり、より均一な加熱が可能となる。
また、１段目と２段目の誘導コイル２の出力を変えることにより、加熱速度を自在に制御できるので、異なる温度領域を異なる加熱速度で加熱することが可能となり、冶金的に要求される様々な加熱条件に適確に対応することが可能となる。
図８に、２組の誘導コイル２を直列接続で連結して設置した場合における磁性体コア６０の一配置態様を示す。誘導コイル２を直列に接続して配置することで、１段目と２段目の誘導コイル２に流れる電流が同じになり、１段目と２段目の誘導コイル２での発熱量を同じにすることが可能である。
図９Ａに、ＴＦ方式の誘導加熱装置の場合における誘導コイル２０および磁性体コア６０の一配置態様を示す。
誘導コイル２０は、金属帯板１の表面側および裏面側の両側に配置されている。金属帯板１の表面側の誘導コイル２０に流れる電流の方向と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル２０に流れる電流の方向は同じである。電流は、図中矢印方向に流れる。
金属帯板１の表面側の誘導コイル２０と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル２０は、それぞれ、誘導コイル部材２０ａ、誘導コイル部材２０ｂ、誘導コイル部材２０ｃ、誘導コイル部材２０ｄを備えている。誘導コイル部材２０ａと誘導コイル部材２０ｂは、金属帯板１に平行に配置されている。誘導コイル部材２０ａの両端部と誘導コイル部材２０ｂの両端部は、金属帯板１の板幅方向において、金属帯板１から突き出して設けられている。
誘導コイル部材２０ａの一端部と、誘導コイル部材２０ｂの一端部が誘導コイル部材２０ｃで連結され、誘導コイル部材２０ａの他の端部と誘導コイル部材２０ｂの他の端部は、誘導コイル部材２０ｄで連結されている。誘導コイル部材２０ｃは電気的接続手段の一例であり、誘導コイル部材２０ｄも電気的接続手段の一例である。
誘導コイル部材２０ａと誘導コイル部材２０ｂは、誘導コイル部材２０ａを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像と、誘導コイル部材２０ｂを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像が、金属帯板１の長手方向（走行方向）にて重ならないように配置されている。
金属帯板１の表面側の誘導コイル２０の誘導コイル部材２０ａを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル２０の誘導コイル部材２０ａを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像とは、金属帯板１の長手方向（走行方向）にて重なって配置されている。
金属帯板１の表面側の誘導コイル２０の誘導コイル部材２０ｂを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像と、金属帯板１の裏面側の誘導コイル２０の誘導コイル部材２０ｂを金属帯板１へ垂直投影したときの垂直投影像とは、金属帯板１の長手方向（走行方向）にて重なって配置されている。
複数の磁性体コア６０（複数の磁性体コア部材６０ａおよび複数の磁性体コア部材６０ｂ）を備える磁性体コア６は、図５Ａを参照して説明した複数の磁性体コア６０（複数の磁性体コア部材６０ａおよび複数の磁性体コア部材６０ｂ）を備える磁性体コア６と同じ構成であり、複数の磁性体コア部材６０ａおよび複数の磁性体コア部材６０ｂを金属帯板１の板幅方向にそれぞれ進退移動させる移動部材９も図５Ａを参照して説明した移動部材９と同じである。
図９Ｂには、図９Ａに示すように、磁性体コア６を設けた場合に、金属帯板１に発生する誘導電流７０の平面態様示す。図９Ｃには、図９Ａに示す磁性体コア６を設けない場合に、金属帯板１に発生する誘導電流７０ａの平面態様示す。
図９Ｃを参照すれば、誘導コイル部材２０ａ、２０ｂ直下の金属帯板１には、矢印方向に流れる環状の誘導電流７０ａが発生する。金属帯板１の板幅方向端部を流れる誘導電流７０ａは、（ａ）誘導コイル部材２０ａと誘導コイル部材２０ｂを連結する誘導コイル部材２０ｃ、又は、誘導コイル部材２０ｄを流れる一次電流との間のリアクタンスを小さくしようとして、金属帯板１の板幅方向端部に片寄ってしまい、電流路の幅ｄ２が狭くなってしまうこと、 （ｂ） 誘導コイル部材２０ｃ、又は、誘導コイル部材２０ｄ流れる一次電流により発生する磁束が、近接する金属帯板１の板幅方向端部を集中的に貫通すること、また、（ｃ）金属帯板１の板幅方向端部では、金属帯板１の中央部に比べ、金属帯板１の長手方向（走行方向）の距離の分、長時間加熱されること等により、金属帯板１の板幅方向端部においては過加熱になり易い。
図９Ｂを参照すれば、これに対して、複数の磁性体コア６０を設けているので、誘導コイル部材２０ａと、誘導コイル部材２０ｂで発生し、金属帯板１の板幅方向端部の両側に配置した複数の磁性体コア６０により、金属帯板１の端部への集中が抑制された誘導電流７０が、金属帯板１の板面内で、楕円状に周回する。このように、複数の磁性体コア６０により、金属帯板１の板幅方向端部に集中する誘導電流の流れる方向を徐々に抑制して、金属帯板１の端部に流れる電流の電流密度と加熱時間を調整し、金属帯板１の板幅方向端部における過加熱を防止する。
次に、実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。
（実施例１）
下記条件で電磁場解析を行って、効果を確認した。
対象素材：０．０６％Ｃの鋼板（板幅１ｍ、板厚１ｍｍ）。
誘導コイル：１５０ｍｍ幅の銅板を、鋼板を挟んで表裏平行に、鋼板への垂直投影を内寸で３００ｍｍ離して設置。鋼板と誘導コイルの間隔は１０ｍｍ。
磁性体コアＡ：誘導コイルと誘導コイルの間に配置する磁性体コア（フェライト製）。幅３０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、奥行き２００ｍｍ、懐高さ１００ｍｍ、奥行き１８０ｍｍ。７個（鋼板端部片側）を、１０ｍｍ間隔で、誘導コイルから１５ｍｍ離して配置。比透磁率２０００。
磁性体コアＢ：誘導コイルの背面に載せる磁束集中用の磁性体コア（フェライト製）。物性は、磁性体コアＡと同じ。
加熱：８００℃の非磁性域での加熱。
物性値
鋼板：比透磁率１［−］、導電率１０6［Ｓ／ｍ］
誘導コイル：比透磁率１［−］、導電率０［Ｓ／ｍ］
磁性体コア：比透磁率２０００［−］、導電率０［Ｓ／ｍ］
境界条件
外周部 対称境界
電流：１０ｋＨｚ 定電流
解析モデル
実施例：３００ｍｍの間隔を開けて板幅いっぱいに敷設した誘導コイル２ａ、２ｂを、鋼板１の表面側と裏面側に平行に設置し、二つの誘導コイル２ａ、２ｂの間の鋼板端部両側に、磁性体コアＡ１〜Ａ７を配置した。図１０に、実施例の解析モデルの構成を模式的に示す。
磁性体コアＡ１〜Ａ７の鋼板端部からの進入距離（ｍｍ）を変えて、誘導コイル２ａ（表面側）と誘導コイル２ｂ（裏面側）で生じる誘導電流７の周回形態を変え、鋼板端部の温度と鋼板中央部の温度を計算し、温度比＝鋼板端部の温度／鋼板中央部の温度を算出した。結果を表１に示す。
比較例１〜３：３００ｍｍの間隔を開けて板幅いっぱいに敷設した誘導コイル２ａ、２ｂを、鋼板１の表面側と裏面側に平行に設置し、二つの誘導コイル２ａ、２ｂの間の鋼板端部両側に磁性体コアは配置しなかった場合（比較例１）、誘導コイル２ａ近傍の鋼板１の一端部に磁性体コアＡ１を配置し、誘導コイル２ｂ近傍の鋼板１の他端部に磁性体コアＡ７を配置した場合（比較例２）および誘導コイル２ａ、２ｂ近傍の鋼板１の両端部に磁性体コアＡ１、Ａ７をそれぞれを配置した場合（比較例３）の鋼板端部の温度と鋼板中央部の温度を計算し、温度比＝鋼板端部の温度／鋼板中央部の温度を算出した。結果を表１に示す。図１１、図１２に、比較例２、３の解析モデルの構成を模式的に示す。
表１に示す温度比から、鋼板の板幅方向における温度分布が大きく改善され均一化されていることが解る。
上述した本明細書の実施の形態によれば、磁性、非磁性を問わず、また、板厚が薄い場合でも、金属帯板の板幅方向端部側を流れる誘導電流を制御し、金属帯板の板幅方向の温度分布を自在に制御することができる。
また、本明細書の実施の形態によれば、金属帯板が誘導加熱装置に進入する前に加熱され、金属帯板の温度分布に大きな偏差がある場合でも、金属帯板を加熱しながら、所望の温度分布に自在に修正することが可能となり、金属帯板の熱処理品質を向上させることができる。
さらに、本明細書の実施の形態によれば、輻射加熱では被加熱材が高温になるにつれ熱授受がし難くなるキュリー点を超える温度領域でも、加熱速度を落とすことなく加熱できるので、生産性を向上させることが可能になり、生産スケジュールの柔軟性が飛躍的に向上する。
２０１４年９月５日に出願された日本国特許出願２０１４−１８１７１０号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
以上、種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (6)

  1. 長手方向に走行する金属帯板を横切って前記走行する金属帯板に平行に設けられ、それぞれの両端部が前記走行する金属帯板の板幅方向において前記走行する金属帯板から突き出して設けられ、前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向において互いに重ならないように配置された第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材と、前記第１の誘導コイル部材の前記両端部の一方と前記第２の誘導コイル部材の前記両端部の一方を電気的に接続する第１の電気的接続手段と、前記第１の誘導コイル部材の前記両端部の他方と前記第２の誘導コイル部材の前記両端部の他方を電気的に接続する第２の電気的接続手段と、を有する誘導コイルと、
    前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の一方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の一端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第１の磁性体コア部材と、前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の前記一方の面とは反対側の他方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の前記一端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第２の磁性体コア部材と、を有する第１の磁性体コアと、
    前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の前記一方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の前記一端部と反対側の他端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第３の磁性体コア部材と、前記走行方向において、前記第１の誘導コイル部材および第２の誘導コイル部材の間に設けられ、前記走行する金属帯板の前記他方の面側に、前記走行する金属帯板の板幅方向の前記他端部を前記第１の誘導コイル部材側および第２の誘導コイル部材側では多く前記第１の誘導コイル部材と第２の誘導コイル部材との間の中間部では少なく覆って設けられた第４の磁性体コア部材と、を有する第２の磁性体コアと、
    を備える金属帯板の誘導加熱装置。
  2. 前記第１の誘導コイル部材は前記走行する金属帯板の前記一方の面側に設けられ、前記第２の誘導コイル部材は前記走行する金属帯板の前記他方の面側に設けられている請求項１記載の金属帯板の誘導加熱装置。
  3. 長手方向に走行する金属帯板を横切って前記走行する金属帯板に平行に設けられ、それぞれの両端部が前記走行する金属帯板の板幅方向において前記走行する金属帯板から突き出して設けられ、前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向において互いに重ならないように配置された第３の誘導コイル部材および第４の誘導コイル部材と、前記第３の誘導コイル部材の前記両端部の一方と前記第４の誘導コイル部材の前記両端部の一方を電気的に接続する第３の電気的接続手段と、前記第３の誘導コイル部材の前記両端部の他方と前記第４の誘導コイル部材の前記両端部の他方を電気的に接続する第４の電気的接続手段と、を有する第２の誘導コイルをさらに備え、
    前記第１の誘導コイル部材および前記第３の誘導コイル部材の前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向において互いに重なるように配置され、前記第２の誘導コイル部材および前記第４の誘導コイル部材の前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向において互いに重なるように配置され、
    前記第１の誘導コイル部材および前記第２の誘導コイル部材は前記走行する金属帯板の前記一方の面側に設けられ、前記第３の誘導コイル部材および前記第４の誘導コイル部材は前記走行する金属帯板の前記他方の面側に設けられている請求項１記載の金属帯板の誘導加熱装置。
  4. 前記第１の磁性体コア部材および前記第２の磁性体コア部材は、前記走行方向において互いに同数の複数の部材にそれぞれ分割され、前記第１の磁性体コア部材および前記第２の磁性体コア部材の分割された前記複数の部材は、前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向においてそれぞれ互いに重なるように配置され、
    前記第３の磁性体コア部材および前記第４の磁性体コア部材は、前記走行方向において互いに同数の複数の部材にそれぞれ分割され、前記第３の磁性体コア部材および前記第４の磁性体コア部材の分割された前記複数の部材は、前記走行する金属帯板への垂直投影像が前記金属帯板の走行する走行方向においてそれぞれ互いに重なるように配置されている請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の金属帯板の誘導加熱装置。
  5. 前記第１の磁性体コア部材および前記第２の磁性体コア部材の前記分割された複数の部材、および前記第３の磁性体コア部材および前記第４の磁性体コア部材の前記分割された複数の部材を、前記走行する金属帯板の板幅方向においてそれぞれ移動させる移動手段をさらに備える請求項４記載の金属帯板の誘導加熱装置。
  6. 前記誘導コイルと同じ構成の第２の誘導コイルと、第１の磁性体コアと同じ構成の第３の磁性体コアと、第２の磁性体コアと同じ構成の第４の磁性体コアをさらに備え、
    前記誘導コイルと前記第２の誘導コイルとが前記走行方向において並列に配置されている請求項２記載の金属帯板の誘導加熱装置。
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