(57)【要約】【課題】被圧延材の長手方向の中央部を連続的に加熱し、被圧延材の表面が過昇温になるのを防止する。【解決手段】被圧延材１を交流電源４から電力が供給されるインダクタ２，３により加熱するトランスバース型誘導加熱装置において、インダクタ２，３の被圧延材１の板幅方向の鉄心幅を被圧延材１の板幅より小さくして被圧延材１の板幅中心線上に配置し、電流浸透深さをδ（ｍ）、被圧延材１の比抵抗をρ（Ω−ｍ）、被圧延材１の透磁率をμ（Ｈ／ｍ）、交流電源４の加熱周波数をｆ（Ｈｚ）、円周率をπ及び被圧延材１の板厚をｔｗ（ｍ）としたときに、式（１）の電流浸透深さδが式（２）を満足させるように交流電源４の加熱周波数を設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心と、この鉄心に巻回されたコイルとからなるインダクタを鉄鋼熱延ラインの粗圧延機と仕上げ圧延機との間で被圧延材を挟んで対向するように配置して、搬送ロールにより搬送される上記被圧延材を交流電源から電力が供給される上記インダクタにより加熱するトランスバース型誘導加熱装置において、上記インダクタの上記被圧延材の板幅方向の鉄心幅を上記被圧延材の板幅より小さくして上記被圧延材の板幅中心線上に配置し、電流浸透深さをδ（ｍ）、上記被圧延材の比抵抗をρ（Ω−ｍ）、上記被圧延材の透磁率をμ（Ｈ／ｍ）、上記交流電源の加熱周波数をｆ（Ｈｚ）、円周率をπ及び上記被圧延材の板厚をｔｗ（ｍ）としたときに、
【数１】
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式（１）の電流浸透深さδが式（２）を満足させるように上記交流電源の加熱周波数が設定されていることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項２】
請求項１において、上記インダクタの磁極が複数で構成されていることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれか一項において、上記各コイルを直列に接続したことを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項において、上記各インダクタは昇降手段により上記被圧延材の板厚の方向にそれぞれ移動可能に構成されていることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項において、上記インダクタを上記被圧延材の進行方向に少なくとも２組配置して、上記搬送ロールを上記インダクタ間に配置したことを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項６】
請求項５において、上記各インダクタの鉄心は上記被圧延材の板幅中心線上に配置されていることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項７】
請求項５又は請求項６のいずれか一項において、上記搬送ロールは表面を電気絶縁部材でコーティングされていることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【請求項８】
請求項１において、上記鉄鋼熱延ラインの上流から下流に向かって上記インダクタを複数台配置して上記各インダクタにそれぞれ個別に上記交流電源を接続して、上記交流電源の加熱周波数を上記鉄鋼熱延ラインの上流からＦ１、Ｆ２、・・・Ｆｎとし、Ｋ＝１．０５〜１．２０としたときに、上記各交流電源の加熱周波数が、
Ｆ１＞Ｆ２×Ｋ＞・・・＞Ｆｎ×Ｋｎ−１・・・（３）
式（３）の関係を満足するように設定されていることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄鋼熱延ラインに配置されるトランスバース型誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のソレノイド型誘導加熱装置においては、表皮効果によって表面のみが高温になっているのを、板内部に熱エネルギーが十分に拡散して表面の温度が板厚中央より低くなるように所定の時間をとり、板厚方向の温度分布が適切になるようにする（例えば、特許文献１参照）。
さらに、トランスバース型誘導加熱装置においては、仕上圧延機の入側で被圧延材の先端部又は尾端部の幅方向にインダクタを移動させて被圧延材の全範囲を加熱すると共に、インダクタを被圧延材の幅方向端部に移動させて幅方向端部を連続的に加熱するように構成されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１２８４２４号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】
特開平１−３２１００９号公報（第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のソレノイド型誘導加熱装置では、加熱周波数が高くなるほど誘導電流が被圧延材の表面に集中して流れ、表面の過昇温が大きくなる。また、板厚が厚いほど、内部に対する表面の過昇温が大きくなる。このため、板厚方向の温度分布を適切にする十分な時間が必要となるという問題点があった。
さらに、トランスバース型では、被圧延材の板幅方向の端部及び板の先端部、尾端部のみの加熱を目的としたものであり、板先端部、板尾端部の板幅方向の加熱を行うためにインダクタを板幅中央部に移動させているので、被圧延材の長手方向の板幅中央部を連続的に加熱できないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、被圧延材の長手方向の板幅中央部を連続的に加熱すると共に、被圧延材の表面が過昇温になるのを防止することができるトランスバース型誘導加熱装置を提供することを目的としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるトランスバース型誘導加熱装置は、インダクタを被圧延材を挟んで対向するように配置して、搬送ロールにより搬送される被圧延材を交流電源から電力が供給されるインダクタにより加熱するトランスバース型誘導加熱装置において、インダクタの被圧延材の板幅方向の鉄心幅を被圧延材の板幅より小さくして被圧延材の板幅中心線上に配置し、電流浸透深さをδ（ｍ）、被圧延材の比抵抗をρ（Ω−ｍ）、被圧延材の透磁率をμ（Ｈ／ｍ）、交流電源の加熱周波数をｆ（Ｈｚ）、円周率をπ及び被圧延材の板厚をｔｗ（ｍ）としたときに、式（４）の電流浸透深さδが式（５）を満足させるように交流電源の加熱周波数が設定されたものである。
【数２】
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【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるトランスバース型誘導加熱装置の構成図、図２は図１における（板厚）／（浸透深さ）比率と（板表面）／（板中央発熱密度）比との関係を示す説明図、及び図３は図２を拡大した説明図である。
図１から図３において、鉄鋼熱延ラインの粗圧延機（図示せず）と仕上げ圧延機（図示せず）との間で搬送ロール（図示せず）により被圧延材１が搬送されている。そして、被圧延材１を挟んで対向するように一対（１組）のインダクタ２，３が上下に配置されている。インダクタ２，３は、それぞれ被圧延材１の板幅方向の鉄心幅が被圧延材１の板幅より小さい鉄心２ａ，３ａと、鉄心２ａ，３ａに巻回されたコイル２ｂ，３ｂとで構成されている。各コイル２ｂ，３ｂには交流電源４から高周波電力が供給され、鉄心２ａ，３ａより発生する磁束で被圧延材１が誘導加熱される。
【０００８】
ところで、インダクタ２，３の鉄心幅は加熱パターンにより決定されるが、被圧延材１の板幅から３００ｍｍを減じた値以下とし、さらにインダクタ２，３を被圧延材１の板幅中心線上に配置することにより、板幅端部の過昇温がほぼ解消されると共に、図１（ｂ）に示すように板幅中央部を加熱することが実験によって確認できた。ここで、インダクタ２，３を被圧延材１の中心線上に配置するということは、インダクタ２，３の中心が板幅中心線と一致するように配置することも含めて、鉄心２ａ，３ａの一部が板幅中心線上に存在するように板幅の中央部にインダクタ２，３を配置することである。
鉄鋼熱延ラインでは被圧延材１の板幅が６００〜１９００ｍｍというように範囲が大きい。従って、インダクタ２，３の鉄心２ａ，３ａの鉄心幅は、３００〜７００ｍｍの範囲に設定するのがよい。
式（６）は誘導加熱による電流浸透深さδ（ｍ）の計算式を示す。
【０００９】
【数３】
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【００１０】
ここで、ρは被圧延材１の比抵抗（Ω−ｍ）、μは比圧延材１の透磁率（Ｈ／ｍ）、ｆは交流電源４の加熱周波数（Ｈｚ）、及びπは円周率である。
式（６）による電流浸透深さδと被圧延材１の板厚ｔｗとの比率と、板表面と板厚み中央部との発熱密度比率の関係が図２及び図３に示されている。
加熱前における板厚み方向の温度分布は放熱の影響により板表面の温度が板厚み中央より低くなっている。そこで、（板表面）／（板厚み中央）の発熱密度比を１．０５以下にすることにより、板表面を適正に加熱することが可能となる。この関係を満足するための条件は、図３から被圧延材１の板厚ｔｗと電流浸透深さδとの関係が式（７）となる周波数を選択すればよい。
【００１１】
【数４】
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【００１２】
鉄鋼熱延ラインにおいて所定の加熱温度で処理される被圧延材１の比抵抗ρは大よそ１２０μΩ−ｃｍ前後で、比透磁率が１である。従って、被圧延材１の板厚ｔｗに対する加熱周波数は、ｔｗ＝２５ｍｍでは４３９Ｈｚ、ｔｗ＝３０ｍｍでは３０５Ｈｚ、ｔｗ＝４０ｍｍでは１７１Ｈｚより低い適切な加熱周波数を選定すれば、板表面の過昇温を防止して加熱することができる。
【００１３】
図４はトランスバース型とソレノイド型の板厚み方向に対する発熱密度分布を示す説明図である。ソレノイド型は特性５に示すように理論的に板厚中心で発熱密度が０になり、板表面に発熱が集中する。これに対して、トランスバース型は適切な周波数を選定することにより、特性６に示すように発熱分布をほぼ均一にすることができる。
実施の形態１において、インダクタ２，３を被圧延材１の板幅中心線上に一対（１組）を配置したものについて説明したが、被圧延材１の進行方向に複数組のインダクタ２，３を板幅方向で同一位置もしくは左右にスライドした位置に配置することにより、板幅の異なる被圧延材１に対応して最適な加熱パターンで加熱することができる。
また、実施の形態１において、インダクタ２，３は磁極がそれぞれ１極のものについて説明したが、２極以上の複数にしても同様の効果を期待することができる。
さらに実施の形態１において、交流電源４が高周波電力を発生するものについて説明したが、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数電源としても式（５）を満たすことができる。
【００１４】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２におけるトランスバース型誘導加熱装置の構成図である。図５（ａ）において、鉄鋼熱延ラインの粗圧延機（図示せず）と仕上げ圧延機（図示せず）との間で搬送ロール７ａ，７ｂにより被圧延材８が搬送されている。そして、被圧延材８を挟んで対向するようにそれぞれ２個（複数）の磁極を備えた一対のインダクタ９，１０が配置されている。インダクタ９，１０はそれぞれ被圧延材８の板幅方向の鉄心幅が被圧延材８の板幅より小さい鉄心９ａ，１０ａと、各磁極に巻回されたコイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃとで構成されている。各コイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃには交流電源（図示せず）から高周波電力が供給され、各鉄心９ａ，１０ａ０の磁極より発生する磁束で被圧延材８が誘導加熱される。インダクタ９，１０の鉄心幅は実施の形態１と同様に被圧延材８の板幅から３００ｍｍを減じた値以下として、鉄心９ａ，１０ａを被圧延材８の板幅中心線上に配置する。
【００１５】
このような構成において、交流電源（図示せず）の周波数（即ち、加熱周波数）を１５０Ｈｚ、被圧延材８の板厚４０ｍｍ、搬送速度６０ｍｐｍ、平均昇温量２０°Ｃの設定条件で加熱したとき、図５（ｃ）に示すように加熱中の板表面と板厚み中央とがほぼ均一に昇温する。
ここで、ソレノイド型誘導加熱装置においてソレノイドコイルで被圧延材をトランスバース型と同一条件で加熱した場合、被圧延材がソレノイドコイルを通過中は板厚み中央ではほとんど昇温しないで板表面が大きく昇温する。板表面は平均昇温値２０°Ｃの設定に対して一時に約２．６倍の５２°Ｃの過昇温となる。
被圧延材８の発熱分布は、図５（ｂ）に示すようにインダクタ９，１０と対向する部位から広がり、場合によってはインダクタ９，１０の前後に配置された搬送ロール７ａ，７ｂにまで達する。このため、被圧延材８に流れる電流が搬送ロール７ａ，７ｂとの接触点においてスパークが発生する可能性がある。これを防止するために、搬送ロール７ａ，７ｂの表面を例えばセラミック塗料等の電気絶縁部材でコーティングして、被圧延材８に流れる電流が搬送ロール７ａ，７ｂに流れ込むのを防止する。
図６はトランスバース型とソレノイド型による加熱前後の板温度履歴を示す説明図である。ソレノイド型では昇温設定温度２０°Ｃに板表面及び板厚み中央が収束するのに搬送速度６０ｍｐｍのときに２０秒以上、距離換算で２０ｍを要する。これに対して、トランスバース型では数秒以内で収束する。
【００１６】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３におけるトランスバース型誘導加熱装置のコイル結線を示す説明図である。図７において、交流電源４は実施の形態１のものと同様のものであり、被圧延材８及びインダクタ９，１０は実施の形態２のものと同様のものである。
図７（ａ）において、各インダクタ９，１０のコイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃは直列に結線され、交流電源４及び整合コンデンサ１１に接続されている。
また、図７（ｂ）では被圧延材８の上側に配置されたインダクタ９のコイル９ｂ，９ｃ，が直列接続され、下側に配置されたインダクタ１０のコイル１０ｂ，１０ｃが直列接続されている。そして、被圧延材８の上側のコイル９ｂ，９ｃと下側のコイル１０ｂ，１０ｃとが交流電源４に並列接続されている。
【００１７】
図７（ａ）に示すようにインダクタ９，１０のコイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃが全て直列接続されている場合は、インダクタ９，１０が被圧延材８の上下に対称配置されていなくても全てのコイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃに流れる電流が同一となり、各インダクタ９，１０の電気損失が等しくなる。
一方、図７（ｂ）に示すようにインダクタ９のコイル９ｂ，９ｃとインダクタ１０のコイル１０ｂ，１０ｃとが並列接続されている場合は、被圧延材８に近い側のコイルのインピーダンスが小さくなって多くの電流が流れるので、被圧延材８に近い側のインダクタの電気損失が大きくなる。
【００１８】
図８は、被圧延材８と上インダクタ９の鉄心及び下インダクタ１０の鉄心とのギャップに対する電気損失を示す説明図である。図８において、（ａ）は上下インダクタ９，１０の鉄心と被圧延材８とのギャップ９０ｍｍで等しい場合であり、（ｂ）は上インダクタ９の鉄心と被圧延材８とのギャップが５０ｍｍ、下インダクタ１０の鉄心と被圧延材８とのギャップが１３０ｍｍでコイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃの接続が図７（ａ）に示すものであり、（ｃ）は上下インダクタ９，１０と被圧延材８とのギャップは（ｂ）と同様で、コイル９ｂ，９ｃとコイル１０ｂ，１０ｃとを並列接続した図７（ｂ）に示すものである。
【００１９】
図８は、いずれも被圧延材８の平均昇温量が等しくなる条件で比較したものである。上下の各インダクタ９，１０の鉄心９ａ，１０ａと被圧延材８とのギャップが等しい場合は、図８（ａ）に示すように各インダクタ９，１０の電気損失が等しい。これに対して、図７（ａ）に示すように上側のコイル９ｂ，９ｃと下側のコイル１０ｂ，１０ｃとを直列接続した場合は、インダクタ９，１０が被圧延材８に対して対称配置されていなくても、全てのコイル９ｂ、９ｃ、１０ｂ、１０ｃに流れる電流が同じであるので、各インダクタ９，１０の電気損失がほぼ等しい。また、図７（ｂ）に示すように上側コイル９ｂ，９ｃと下側コイル１０ｂ，１０ｃとを並列接続した場合は、図８（ｃ）に示すようにギャップが小さい上インダクタ９側の損失が大きくなり、図７（ａ）のように接続した場合より損失が大きくなる。
【００２０】
以上のように、上側コイル９ｂ，９ｃと下側コイル１０ｂ，１０ｃとを並列接続すると被圧延材８に近い側のコイル９ｂ，９ｃに多くの電流が流れて近い側のインダクタ９の電気損失が大きくなりコイルの冷却能力が不足するので、コイルに流せる電流が制限されて被圧延材８の昇温値が制限される可能性がある。
これに対して、図７（ａ）に示すように全てのコイル９ｂ，９ｃ，１０ｂ，１０ｃを直列接続することにより各インダクタ９，１０の電気損失をほぼ等しくすることができる。
【００２１】
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４を示す構成図である。図９において、被圧延材１、インダクタ２，３及び交流電源４は実施の形態１のものと同様のものである。
図９において、被圧延材１の板幅方向に移動可能な台車１２が配置されている。各インダクタ２，３は被圧延材１を挟んで対向するように昇降手段１３，１４を介して台車１２に配置され、それぞれ個別に昇降可能である。インダクタ２，３のコイル２ａ，３ａは台車１２上に配置された整合コンデンサ１５，１６を介して交流電源４に接続されている。なお、整合コンデンサ１５，１６は台車１２から分離して設置してもよい。
【００２２】
このように構成されたトランスバース型誘導加熱装置においては、被圧延材１の上下に配置されたインダクタ２，３を昇降手段１３，１４により昇降することにより、各インダクタ２，３と被圧延材１とのギャップを任意に調整できる。
図１０は被圧延材１と上下に配置されたインダクタ２，３の鉄心２ａ，３ａとのギャップを変化させた場合の板厚み方向の昇温分布を示した説明図である。上下のギャップが異なると上下のコイル２ｂ，３ｂが直列接続か並列接続に拘わらず、ギャップが小さい側の板面の昇温が大きくなる傾向がある。
【００２３】
図１１は（上ギャップ）／（下ギャップ）の比率に対する（板上表面発熱密度）／（板下表面発熱密度）の比率を示す説明図である。図１１において、上下のギャップが異なるとギャップの小さい側の板表面の昇温が大きくなる。このように、上下のギャップが異なる場合には被圧延材１の厚み方向で昇温が異なることになるので、被圧延材１の板厚に応じて上下ギャップが同じになるように昇降手段１３，１４で各インダクタ２，３の位置を調整することにより、板上下面で昇温を合わせることができる。
インダクタ２，３を通過する前の被圧延材１の板厚み方向温度分布は、加熱炉内におけるガス加熱による焼き込み具合や被圧延材１を支持するスキッドレール（図示せず）への抜熱、あるいは加熱炉抽出後の搬送途上での搬送ロール（図示せず）への抜熱等に起因して、被圧延材１の下面側の温度が上面側より低い傾向にある。このような被圧延材１の上下面の温度差は板の品質のばらつきや、機械加工性に影響を及ぼす可能性がある。
しかし、上記構成によれば上下の各インダクタ２，３を昇降手段１２，１３で昇降させて各インダクタ２，３と被圧延材１とのギャップを調整して、下側のギャップを上側のギャップより小さくすることにより、板下面を板上面より高く昇温できるので、板の上下面を均一な温度にすることができる。
【００２４】
実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５における説明図で、被圧延材の進行方向に複数台のトランスバース型誘導加熱装置を設置したものである。図１２（ａ）は板先端通過時、図１２（ｂ）は板尾端通過時である。
図１２において、被圧延材１７が搬送ロール１８ａ〜１８ｃにより図示左方から図示右方へ搬送されている。被圧延材１７の進行方向にライン上流から誘導加熱装置１９，２０が配置されている。そして、誘導加熱装置１９，２０はそれぞれ個別の交流電源（図示せず）を有する。ライン上流側の誘導加熱装置１９に接続された交流電源（図示せず）の周波数をＦ１とし、ライン下流側の誘導加熱装置２０に接続された交流電源（図示せず）の周波数をＦ２とする。さらに上流側からｎ台目の交流電源（図示せず）の周波数をＦｎとして、Ｋ＝１．０５〜１．２０としたときに上流側交流電源（図示せず）と下流側交流電源（図示せず）の周波数が式（８）を満たすように設定する。
Ｆ１＞Ｆ２×Ｋ＞・・・＞Ｆｎ×Ｋｎ−１・・・・・（８）
【００２５】
トランスバース型誘導加熱装置は被圧延材１７が上下インダクタ１９ａ，２０ａ間に存在しない無負荷状態ではインピーダンスが大きくなるので、負荷の共振周波数に追従して運転するインバータを交流電源として使用している場合は、図１２に示すように負荷時よりも周波数が低下する。被圧延材１７が上流から搬送されていた先端部がインダクタ１９ａ，２０ａを通過する際に上流側の誘導加熱装置１９の加熱周波数を下流側の誘導加熱装置２０の加熱周波数より低く設定すると、板先端通過後の誘導加熱装置１９と板先端部通過中の下流の誘導加熱装置２０の加熱周波数が一瞬ではあるが一致する。このため、隣接の誘導加熱装置１９，２０間で磁気干渉が発生して、加熱温度が安定しないとか、電源がトリップする可能性がある。
しかし、ライン上流側の交流電源（図示せず）の周波数を下流側の交流電源（図示せず）の周波数より高くすることにより、上流側の誘導加熱装置１９を被圧延材１７の板先端が通過後に電源がトリップするのを防止することができる。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、インダクタの被圧延材の板幅方向の鉄心幅を被圧延材の板幅より小さくして被圧延材の板幅中心線上に配置し、式（１）の電流浸透深さδが式（２）を満足させるように加熱周波数を選択することにより、被圧延材の長手方向の中央部を連続的に加熱すると共に、板表面が過昇温することなく加熱することができる。
【００２７】
【数５】
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【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１におけるトランスバース型誘導加熱装置の構成図である。
【図２】図１における（板厚）／（浸透深さ）比率と（板表面）／（板中央発熱密度）比との関係を示す説明図である。
【図３】図２を拡大した説明図である。
【図４】トランスバース型とソレノイド型の板厚み方向に対する発熱密度分布を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２におけるトランスバース型誘導加熱装置の構成図である。
【図６】トランスバース型とソレノイド型による加熱前後の板温度履歴を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態３におけるトランスバース型誘導加熱装置のコイル結線を示す説明図である。
【図８】図７において、被圧延材と上インダクタの鉄心及び下インダクタの鉄心とのギャップに対する電気損失を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態４を示す構成図である。
【図１０】被圧延材とインダクタの鉄心とのギャップを変化させた場合の板厚み方向の昇温分布を示した説明図である。
【図１１】（上ギャップ）／（下ギャップ）の比率に対する（板上表面発熱密度）／（板下表面発熱密度）の比率を示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態５における説明図である。
【符号の説明】
１，８，１７  被圧延材、
２，３，９，１０，１９ａ，２０ａ  インダクタ、
２ａ，３ａ，９ａ，１０ａ  鉄心、
２ｂ，３ｂ，９ｂ，９ｃ，１０ｂ、１０ｃ  コイル、
７ａ，７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  搬送ロール、１２，１３  昇降手段、
１９，２０  誘導加熱装置。
【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】
2004303575.tif 000012
【図６】
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【図７】
2004303575.tif 000014
【図８】
2004303575.tif 000015
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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