(57)【要約】【課題】    被加熱材自体が磁心材料となり外部へ磁束が漏れ易い構成であったとしても、漏れ磁束を確実に低減して、被加熱材及び搬送手段間でのスパークの発生を抑制してアーク痕を防ぐことができ、優れた品位の製品を獲得すると共に生産性の向上に寄与する誘導加熱装置を提供する。【解決手段】    インダクタ６の開口部３に、被加熱厚板１を囲むようにして１ターンの短絡リングコイル９を設置する。短絡リングコイル９は銅などの導電性部材からなり、被加熱厚板１の搬送方向と平行に延びる上縁部１０及び下縁部１１を有している。短絡リングコイル９は内部の貫通磁束に対し逆起磁力を生じせしめ、被加熱厚板１を貫通する磁束を大幅に減少させる。これにより、仮に被加熱厚板１が強磁性体材料でも厚板１から外部への漏れ磁束を抑えることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱材を上下方向から挟んでこれを加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに前記被加熱材を搬送する搬送手段とを備えた誘導加熱装置において、
前記被加熱材を取り囲むようにして、導電性部材からなる１ターンの短絡リングコイルを設けたことを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記短絡リングコイルは前記被加熱材の厚さ方向に伸縮する板厚アジャスタ及び前記被加熱材の幅方向に伸縮する板幅アジャスタのうち、少なくともどちらか一方を具備したことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
前記短絡リングコイルは前記誘導加熱コイルとこれに直近の前記搬送手段との間に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
前記短絡リングコイルは前記被加熱材の搬送方向と平行な方向に延びる水平部を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
前記搬送手段として、前記被加熱材の上面に接する上部ロールと、前記被加熱材の下面に接する下部ロールを備え、
前記短絡リングコイルにおける水平部として、前記上部ロールに近接する上縁部と、前記下部ロールに近接する下縁部とを備え、
これら縁部のうち前記下縁部よりも前記上縁部の方を、前記被加熱材の搬送方向と平行な方向に長く延ばしたことを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、漏れ磁束対策を施した誘導加熱装置に係り、特に、被加熱材が強磁性体であっても漏れ磁束を低減することが可能な誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に熱間圧延ラインでは被加熱材（圧延材）を加熱炉で圧延可能温度にまで加熱し、粗圧延機にて粗圧延して粗バーと呼ばれる状態に成形する。さらに粗バーを仕上圧延機にかけることで所望の板厚や板幅を有する製品を得ている。このような熱間圧延ラインにおける加熱手段としては通常、加熱密度の高い誘導加熱装置が用いられている。誘導加熱装置は粗バーを再加熱することにより粗バー温度の低下防止や各部温度の均一化を実現しており、製品の品質を高いレベルで安定させることができる。
【０００３】
誘導加熱装置は、被加熱材を上下方向から挟んで誘導加熱コイルを配置し、この誘導加熱コイルに被加熱材を搬送する搬送手段を備えている。そして、誘導加熱コイルに高周波電流を流して被加熱材の搬送方向に沿って交番磁束を発生させ、被加熱材の内部に渦電流を生じさせてジュール熱により被加熱材を加熱するようになっている。このような装置の種類としては、粗バーの全幅加熱を行うバーヒータや、粗バーの端部のみを加熱するエッジヒータといったものが知られている。図８はエッジヒータの一例を示している。この装置では、被加熱材である被加熱厚板１を上下から挟むようにして誘導加熱コイル５２，５３を設け、これら誘導加熱コイル５２，５３の前後に被加熱厚板１を搬送する下部ロール５０を配置している。このエッジヒータでは誘導加熱コイル５２，５３に交流を通電することにより被加熱厚板１の両側端部を加熱することができる。
【０００４】
ところで、上記エッジヒータにおいて、誘導加熱コイル５２，５３に交流を通電した場合、誘導加熱コイル５２，５３に向かう主磁束５４だけでなく、周囲に湾曲した漏れ磁束５５も発生する。この時、誘導加熱コイル５２，５３近傍には被加熱厚板１搬送用の下部ロール５０が存在するので、漏れ磁束５５の一部は厚板１を通過するのではなく、下部ロール５０を通過することになる。この結果、そこに誘導電流が流れて下部ロール５０を加熱する。また、厚板１に耳波などの形状不良があると、厚板１の端部が下部ロール５０を離れる際、下部ロール５０と厚板１との間に電流が流れてスパークが起きる。これにより、製品となる厚板１及び下部ロール５０にアーク痕を付けるおそれがあった。厚板１や下部ロール５０にアーク痕が生じると、製品の品位劣化を招き、生産性が低下することになり、問題となっていた。
【０００５】
そこで従来より、特許文献１や特許文献２のように、誘導加熱コイルからの漏れ磁束を抑え、被加熱材及び搬送手段のアーク痕を防止する誘導加熱装置が提案されている。
【特許文献１】実開２０００−１５３１９号公報
【特許文献２】特開平８−１１５７８７号公報
【０００６】
ここで、漏れ磁束対策を講じた誘導加熱装置の従来例について、図９を用いて具体的に説明する。図９の誘導加熱装置では、被加熱厚板１を上下から挟むようにして誘導加熱コイル２を配置しており、被加熱厚板１が通過可能な開口部３に近接して被加熱厚板１の下面に接して厚板１を連続的に搬送する下部ロール４を回転自在に設けている。また、下部ロール４に対向して被加熱厚板１の上面に接して厚板１を上方から押える上部ロール８を設けている。さらに、誘導加熱コイル２の外周部には短冊ブロック状の鉄心５を設置している。なお、鉄心５と前記誘導加熱コイル２からインダクタ６を構成している。
【０００７】
鉄心５は比透磁率μｓが数百〜１０００程度の高比透磁率材料からなり、誘導加熱コイル２の端部をオーバハングしてこれを取り囲んでいる。この鉄心５が漏れ磁束を低減する役割を果たしている。さらに同様の働きをする部材として、シールド板７が配置されている。シールド板７は加熱を防ぐために銅等の導電率が高い非磁性材料からなり、インダクタ６の外周部を覆っている。より詳しくは、シールド板７は開口部３のみならず上下方向に伸びてインダクタ６外形寸法にまで及んでおり、開口部３を含めたインダクタ６端面全体をシールドするようになっている。
【０００８】
このような構成を有する誘導加熱装置によれば、鉄心５が誘導加熱コイル２の作る磁束の大部分を通す磁路を形成するので、漏れ磁束を少なくすることができる。したがって、誘導加熱コイル２の開口部３から外側への漏れ磁束を極力抑える効果があり、被加熱厚板１を貫通する磁路に、磁束を効率よく導くことが可能となる。このようにして殆どの磁束は鉄心５で封じ込めることができる。
【０００９】
ところで、鉄心５は短冊ブロック状であり、しかも開口部３が存在するため、一部の磁束は開口部３の外部へ漏れることがある。この開口部３からの漏れ磁束を封じ込めるための部材がシールド板７である。すなわち、シールド板７を貫通しようとする磁束に対して、シールド板７に逆磁束を生ずる電流が流れ、外部への漏れ磁束を低減することができる。なお、被加熱厚板１の材料としてはオーステナイト系のＳＵＳやキューリ点以上の高温鉄鋼材などの非磁性材料を用いている。このような材料を加熱している場合には、鉄心５及びシールド板７によって殆どの磁束を封じ込めることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、被加熱厚板１の材質によっては上記の鉄心５やシールド板７だけでは磁気の遮蔽効果が不十分となって、漏れ磁束が発生することがある。厚板１材料がキューリ点以下の鉄鋼材などの強磁性体材料となると、漏れ磁束の低減が難しくなる。強磁性体材料を誘導加熱コイルの間に通すということは、比透磁率μｓの高い材料を誘導加熱コイル２の中央に配することになるので、厚板１そのものが磁心材料に相当してしまう。したがって、厚板１をインダクタ６から搬出する際、厚板１内部の強磁束がインダクタ６の外部へと漏れることになる。この結果、前述したように厚板１と下部ロール４との間でスパークが発生するおそれがあり、両者にアーク痕が生じる悪影響があった。誘導加熱装置の大容量化が進む近年では、１０ＭＷ超級といった規模の装置まで実用化されているため、アーク痕による製品の品位及び歩留まりの低下は深刻さを増しており、漏れ磁束対策に万全を期すことが強く求められていた。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の持つ問題点を解決するために提案されたものであって、被加熱材自体が磁心材料となり外部へ磁束が漏れ易い構成であっても、漏れ磁束を確実に低減して、被加熱材及び搬送手段間でのスパークの発生を抑制してアーク痕を防ぐことができ、高品位の製品を獲得すると共に生産性の向上に寄与ことが可能な優れた誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、請求項１の発明は、被加熱材を上下方向から挟んでこれを加熱する誘導加熱コイルと、この誘導加熱コイルに前記被加熱材を搬送する搬送手段とを備えた誘導加熱装置において、前記被加熱材を取り囲むようにして、導電性部材からなる１ターンの短絡リングコイルを設けたことを特徴とする。
このような請求項１の発明では、短絡リングコイルがその内部の貫通磁束に対して逆起磁力を生じせしめる。このため、短絡リングコイルが被加熱材を取り囲むことで、被加熱材を貫通する磁束を減少させることができる。したがって、たとえ被加熱材がキューリ点以下の鉄鋼材のような強磁性材料であったとしても、被加熱材自体が磁心材料になることがなく、被加熱材の移動に伴う外部へと漏れ磁束を十分に抑えることが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導加熱装置において、前記短絡リングコイルは前記被加熱材の厚さ方向に伸縮する板厚アジャスタ及び前記被加熱材の幅方向に伸縮する板幅アジャスタのうち、少なくともどちらか一方を具備したことを特徴とする。
請求項２の発明では、被加熱材の厚さ寸法や幅寸法が変わった場合でも、その寸法変更に応じて短絡リングコイルの寸法をアジャスタによって調整することができる。したがって、短絡リングコイルと被加熱材との間隔を常に一定に保つことが可能である。これにより、短絡リングコイルは安定して磁気遮蔽効果を発揮でき、被加熱材を通じての漏れ磁束を確実に低減することができる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の誘導加熱装置において、前記短絡リングコイルは前記誘導加熱コイルとこれに直近の前記搬送手段との間に配置したことを特徴とする。
以上の請求項３の発明では、短絡リングコイルを誘導加熱コイルとこれに直近の搬送手段との間に配置したことで、被加熱材が搬送手段から離れる際に生じるスパークを防ぐことが可能であり、被加熱材及び搬送手段にアーク痕が付くことを回避できる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の誘導加熱装置において、前記短絡リングコイルは前記被加熱材の搬送方向と平行な方向に延びる水平部を形成したことを特徴とする。
上記請求項４の発明において、水平部を形成した短絡リングコイルは、被加熱材の搬送方向と直交して延びる垂直部を形成した短絡リングコイルに比べて、前記水平部が被加熱材から外側への漏れ磁束をより効率よく抑え込むことができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項４に記載の誘導加熱装置において、前記搬送手段として、前記被加熱材の上面に接する上部ロールと、前記被加熱材の下面に接する下部ロールを備え、前記短絡リングコイルにおける水平部として、前記上部ロールに近接する上縁部と、前記下部ロールに近接する下縁部とを備え、これら縁部のうち前記下縁部よりも前記上縁部の方を、前記被加熱材の搬送方向と平行な方向に長く延ばしたことを特徴とする。
本件出願人は、搬送手段として被加熱材の上面及び下面に接する上部ロール及び下部ロールを設けた場合、上部ロール近傍の磁束密度の方が下部ロール近傍のそれよりも大きく現れるという解析結果を得た。そこで、短絡リングコイルの縁部のうち、上縁部を下縁部よりも、被加熱材の搬送方向と平行な方向に延ばすことで、上部ロール近傍に強い磁束が存在してもこれを確実に抑え込むことができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明の誘導加熱装置によれば、短絡リングコイルを備えるという極めて簡単な構成により、磁気遮蔽効果の増強を図ることができ、被加熱材自体が磁心となり得るような強磁性体材料であっても、被加熱材と搬送手段との間に誘起されるスパークを抑制してアーク痕の発生を防ぐことが可能であり、製品の品位・歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良な形態（以下、実施形態）の一例を図１〜図４に従って具体的に説明する。本実施形態の誘導加熱装置は、図９に示した従来例に改良を加えたものであり、図１に示す本実施形態の構成は基本的に図９のものと同様である。このため、同一部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。
【００１９】
[１]構成
図１及び図２に示すように、本実施形態の構成上の特徴は、インダクタ６の開口部３に、被加熱厚板１を囲むようにして１ターンの短絡リングコイル９を設置した点にある。短絡リングコイル９は銅などの導電性部材からなり、被加熱厚板１の搬送方向と平行に延びる上縁部１０及び下縁部１１を有している。このうち、上部ロール８に近接する上縁部１０の方が、下部ロール４に近接する下縁部１１よりも水平方向（図１中の左右方向）に長く延びている。なお、本実施形態の上部ロール８は非磁性体材料からなる。
【００２０】
図３は短絡リングコイル９の正面図である。この図に示すように、短絡リングコイル９は枠状部材であり、上縁部１０、下縁部１１並びに左右の縁部１２を備えている。上縁部１０及び下縁部１１の中央には被加熱厚板１の搬送方向と平行に延びる溝部を形成している。そして、この溝部を覆うようにして板幅アジャスタ１３を取り付けている。板幅アジャスタ１３は短絡リングコイル９の幅方向（図３中の左右方向）に伸縮自在なフレキシブル銅帯からなる。さらに、短絡リングコイル９の左右の縁部１２にはエアーシリンダなどのアクチュエータ１４を設けており、このアクチュエータ１４が動作することで板幅アジャスタ１３が短絡リングコイル９の幅方向に伸縮するようになっている。
【００２１】
[２]作用効果
以上の構成を有する本実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、短絡リングコイル９が内部の貫通磁束に対し逆起磁力を生じせしめ、被加熱厚板１を貫通する磁束を大幅に減少させる。これにより、仮に被加熱厚板１が磁心となり得る強磁性体材料であったとしても、厚板１をインダクタ６から搬出する際、厚板１を通じて強磁束がインダクタ６の外部へと漏れる心配がない。しかも、短絡リングコイル９の上縁部１０及び下縁部１１は厚板１の搬送方向と平行に延びているので、短絡リングコイル９の上下縁部が厚板１の搬送方向と垂直な方向(図１に即していえば上下方向)に延びている場合に比べて、厚板１から外側への磁束漏れを効率よく抑え込むことができる。そして、このような短絡リングコイル９を誘導加熱コイル２とこれに直近のローラ４，８の間に配置したことで、被加熱厚板１の漏れ磁束を急速に減少させることができる。これにより、厚板１端部とローラ４，８との間で誘起されるスパークの発生を防止することができ、被加熱厚板１及びローラ４，８にアーク痕が付くことを回避できる。
【００２２】
また本実施形態では、被加熱厚板１の搬送手段として上部ロール８と下部ロール４とを設けているが、ロール近傍での厚板１に誘起される電圧には大きな違いがある。すなわち、下部ロール４近傍で厚板１に誘起される電圧は若干の高まり影響が見られるに過ぎない。これに対して上部ロール８近傍で厚板１に誘起される電圧は比較的大きな電圧値として残されたままである。
【００２３】
図４のグラフに示すように、短絡リングコイル９の開口高さが１８０ｍｍ程度の時、下部ロール４近傍の電圧が０．２ＰＵ強であるのに対して、上部ロール８近傍の電圧は０．７ＰＵと、約３倍の電圧値となっている（ここでは、短絡リングコイル９が無い場合の電圧を１ＰＵとしている）。このように上部ロール８近傍の磁束密度は下部ロール４近傍のそれよりも大きく現れることになる。そこで本実施形態では、短絡リングコイル９の上縁部１０を下縁部１１よりも大きく水平方向に延ばすことにより、短絡リングコイル９からの磁束が強くても、これを確実に低減させることができる。なお、上部ロール８近傍の磁束密度が大きいことから、上部ロール８は非磁性体材料から構成することがより望ましい。
【００２４】
さらに本実施形態においては、被加熱厚板１の幅寸法が変わったとしても、その寸法変更に応じて、アクチュエータ１４を動作させて板幅アジャスタ１３を幅方向に伸縮させ、短絡リングコイル９の幅寸法を拡げたり、縮めたりすることができる。このため、短絡リングコイル９と被加熱厚板１との距離を常に所望の長さに維持することができる。したがって、短絡リングコイル９は被加熱厚板１から大きく離れず、短絡リングコイル９の磁気遮蔽効果が損なわれる心配がない。また、短絡リングコイル９が被加熱厚板１に近づき過ぎることもないため、厚板１の搬送動作を安定して確保できる。
【００２５】
[３]他の実施の形態
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、例えば、図５に示す短絡リングコイル１５では、上縁部１６と下縁部１７とを分割し、左右の縁部１８の中央に板厚アジャスタ１９を取り付けて上下の縁部１６，１７をつなげている。板厚アジャスタ１９は短絡リングコイル９の厚さ方向（図５中の上下方向）に伸縮自在なフレキシブル銅帯からなる。さらに、短絡リングコイル９の上下の縁部１６，１７にエアーシリンダなどのアクチュエータ２０を取付け、このアクチュエータ２０が動作することで板厚アジャスタ１９が短絡リングコイル９の厚さ方向に伸縮するようになっている。
【００２６】
このような短絡リングコイル１５によれば、被加熱厚板１の厚さ寸法が変わった場合に対処することができる。すなわち、厚さ寸法の変更に合わせて、アクチュエータ２０により板厚アジャスタ１９を厚さ方向に伸縮させ、短絡リングコイル１５の厚さ寸法を厚くしたり薄くしたりすることができる。さらには、このような板厚アジャスタ１９と前記の板幅アジャスタ１３とを組み合わせて、短絡リングコイルの厚さ寸法と幅寸法の両方を調整可能としてもよい。また、アジャスタを構成する部材としてはフレキシブル銅帯に限らず、コイルの厚さ方向あるいは幅方向にスライド自在な構造を持つ短絡リングコイルであってもよい。
【００２７】
また、各部材の形状や寸法などは適宜変更可能であり、短絡リングコイルの形状としては、図６に示すようにアングル形の短絡リングコイル２１や、積層形の短絡リングコイル２２も包含する。なお、図６に示した水平形の短絡リングコイルが上記実施形態における短絡リングコイル９である。これらの短絡リングコイル２１、２２を備えた場合、図７のグラフに示すように、コイルの開口寸法を約２００ｍｍとする時、積層形のコイル２２(図７中では２層)は上記実施形態の短絡リングコイル９(図７中では平行)と同等の電流値特性を持つことができる。これは垂直形の短絡リングコイル２３よりも優れた値を示している。また、アングル形の短絡リングコイル２１(図７ではＬ字)は短絡リングコイル９よりもさらに高い電流値特性を持つことができ、優れた磁気遮蔽効果を発揮することができる。なお、短絡リングコイルの設置数や設置箇所も被加熱材の搬送ラインであれば適宜選択自由である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態における誘導加熱装置の構成を示す側面図。
【図２】本実施形態における短絡リングコイル周辺の拡大側面図。
【図３】本実施形態における短絡リングコイルの正面図。
【図４】本実施形態における上部ロール及び下部ロール近傍での被加熱厚板に誘起される電圧の違いを示すグラフ。
【図５】本発明の他の実施形態に係る短絡リングコイルの正面図。
【図６】本発明の他の実施形態に係る短絡リングコイルの側面図。
【図７】図６に示した短絡リングコイルと図１〜図３に示した短絡リングコイルの電流値特性を比較したグラフ。
【図８】従来の誘導加熱装置であるエッジヒータの側面図。
【図９】従来技術において漏れ磁束対策を講じた誘導加熱装置の構成を示す側面図。
【符号の説明】
【００２９】
１…被加熱厚板
２，５２，５３…誘導加熱コイル
３…開口部
４，５０…下部ロール
５…鉄心
６…インダクタ
７…シールド板
８…上部ロール
９，１５，２１，２２，２３…短絡リングコイル
１０，１６…上縁部
１１，１７…下縁部
１２，１８…左右の縁部
１３…板幅アジャスタ
１４，２０…アクチュエータ
１９…板厚アジャスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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