(57)【要約】【課題】  帯状又は棒線状の金属材料を走行させつつ該材料に電流を通して直接通電加熱する方法においてスパークの発生を防止する。【解決手段】  走行する被加熱材の表面に歯車状の電極輪を接触追随させる。歯先を電極突起とし、間欠的に接触・押圧する。接触後通電し、離反直前に切電して間欠通電とする。ロール電極（導通点が移動且つ不安定）と異なり、導通点が固定された状態で通電が開閉されるので放電火花が発生しない。従ってスパークが発生しない。該電極輪を走行パスに沿って２台設け、両者の電極突起の位置を同期させ、その間を通電加熱する。スパークキズが無く品質が優れる。加熱効率は９０％以上が得られ高周波加熱に対して倍増する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状又は棒線状の金属材料を走行させつつ該材料に電流を通して直接通電加熱する方法において、該材料に接して通電する電極が、ホイールの外周面に多数の電極突起を等間隔で設けた歯車状の電極輪であり、該電極輪の該電極突起を直進走行する被加熱材に固定接触させつつ押圧して同一速度で追随させる際、一つの該突起が接触した後該突起から該被加熱材に通電し、該突起が回転により被加熱材から離反する直前に通電を切ることにより接触時及び離反時の火花の発生を抑制するとともに、該突起が離反以後、後続の電極突起を接触させて同様の作動を反復して間欠通電を連続させることを特徴とする直接通電加熱方法。
【請求項２】
被加熱材の走行パス上の２カ所に電極輪を設け、該両電極輪の電極突起を円周上同一位置に同期させ、該両電極輪から該両電極輪間の該被加熱材に通電して加熱することを特徴とする請求項１に記載の直接通電加熱方法。
【請求項３】
被加熱材の走行パス上の１カ所に電極輪を設け、該電極輪の下流側に転動しつつ常時接するロール電極を設け、該両電極から該両電極間の該被加熱材に通電して加熱することを特徴とする請求項１に記載の直接通電加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は長尺の金属材料の直接通電方式によって連続加熱する方法に関し、特に通電に伴う被加熱物と電気接点間に発生するスパーク（電気火花）を防止することに関している。
【背景技術】
【０００２】
棒線状又は帯状の金属、特に棒鋼・線材・薄板等の長尺の鋼材を走行させつつ連続的に加熱する際、種々の方法があるが該被加熱物に直接通電してジュール熱により高速・高能率で処理する場合がある。当該方法では加熱効率（＝必要熱量／消費熱量）は９５％以上が得られる。他方問題として電気接点と鋼材間にスパークが発生することがあり、鋼材表面に微小な溶融キズが付く。低級品ではあまり問題にされないが高級品たとえがバネ用鋼材では疲労破壊に影響するとして嫌われ、未だに適用されず誘導加熱が使用されている。この場合加熱効率は高々５０％である。
【０００３】
走行する被加熱材への通電に際して電極は摺動又はロール圧接により結合される。鋼の熱処理では摩耗と耐熱問題から後者が多用されている。ロール圧接において接触点は系外から見ると一点で固定されているが、ロール上の一点から見ると被加熱物へ接近・接触・離反・周回を通して接触点は時々刻々移動している。そのため夾雑物等があると通電状態が変動し、接触部かその周辺で放電現象が発生しやすい。一般的に放電は高電圧ほど起こり易く、大電流ほど局所溶融になり易い。スパーク防止には安定した電気的接触が不可欠である。
【０００４】
先行事例１として特許文献１には、前記直接通電加熱方法においてスパークを防止する方法が開示されている。それによると電気接点である通電ロールと鋼板との機械的接触が鋼板の両縁部に近い位置で不安定になってスパークが発生し、対策としてロールの熱変形を防止する策を講じて正常接触を維持している。問題点は、スパークは本来接触又は離反の過程で接触異常により瞬間的なアーク放電が発生したものである。本方法の場合、ロールによる噛み込み・噛み出しに際して接点と鋼材は移動しつつ接近・離反するので接触状態は常に変動して不安定であり異常接触を解決するには不充分である。
【０００５】
先行事例２として特許文献２には、前記同様通電加熱において通電ホイールを直接鋼材に接触させず該ホイールの外周面に植生した特殊な導電性ブラシ（複合カーボンファイバープレート）を介して多点接触を構成し、スパークの発生が防止可能となることが開示されている。当該方法の耐久試験を観察すると微細な火花が多数安定して発生しているがスパークにはならないこと、微細故に溶融キズにはならないこと、黒鉛繊維の大きな伝熱性からブラシは高温にならず、酸化消耗が少ないことが解る。問題は特殊な導電性ブラシの製造が困難でコストが極めて高く未だに普及していないことである。
【０００６】
直進する線材を走行方向２点に設置された通電ロールによる通電加熱の状況を細かく観察すると火花とスパークの発生状況は以下と判明した。
１）  スパークは線材表面状況特に酸化膜等異物の残存や剥離溜まりに強く影響される。
２）  押圧力が軽いとスパークが多い（接触抵抗の変動か接触位置の移動か）。
３）  下流側ロール（線材温度は約１０００℃）では上流側よりもスパークが小さく且つ少ない（押圧が安定するためか）。
４）  ロール材質として銅よりも黒鉛鋳鉄が良く、黒鉛の方がさらに良い。
５）  上流、下流ロールとも噛み込み側、噛み出し側両方に発生するが上下とも噛み出し      側に多い。接近時よりも離反時の方がアークが発生し易い。
６）  下流側では、常時微細な火花が多数見えるがスパークキズにはなっていない。
７）  負荷電流を交流から直流に変えても同様にスパークは発生する。大差ない。
８）  上流側では接触部の直下直近で局所赤熱し、その後熱拡散し均熱化し、赤熱点が変動移動するのが見える。接点が移動していること且つ接点で局所大電流密度となっていることが解る。
以上から幾何的には接触部は点又は線となるが実際には弾性的押圧によりスポット状の面を形成している。導通点はその中に多数存在していて時々刻々変動・移動しており接触の瞬間では状況により点接触による局所大電流による溶融火花が発生、他方離反の瞬間には微細なアーク放電が常時発生しており、それぞれその大きなものがスパークになると推測される。
【０００７】
従ってスパークの防止には先行事例と合わせて接触状態を確実且つ安定にすること、多点接触にして火花自体を微細・無害化すること等が求められるが、放電自体が起こらない状況を形成することがより望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】公開特許公報平０５−３４５９３１
【特許文献２】公開特許公報２００４−６３２９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
長尺状の金属を直進走行させつつ該金属に直接通電して連続的に加熱する際、通電電極として通常はロール状の２個の電極転動させて被加熱材に接触通電し、その間をジュール熱加熱させる。被加熱材の表面状態や電極表面の性状及び押圧状態等により接触部に火花が発生し、時々スパークとなって被加熱材表面に溶融キズを発生させ製品の品質低下をもたらす。本願発明は該スパークの発生を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
当課題を解決するため本発明者は、電極を被加熱材に接触させるに当たり、該電極を被加熱材と間欠的に反復押圧し、且つ接触瞬間と離反瞬間には切電し、その間のみ通電させることにより火花の発生ひいてはスパークの発生を防止できることを見いだし本発明を構成した。
【００１１】
第１発明は、帯状又は棒線状の金属材料を走行させつつ該材料に電流を通して直接通電加熱する方法において、該材料に接して通電する電極が、ホイールの外周面に多数の電極突起を等間隔で設けた歯車状の電極輪であり、該電極輪の該電極突起を直進走行する被加熱材に固定接触させつつ同一速度で押圧して追随させる際、一つの該突起が接触した後該突起から該被加熱材に通電し、該突起が回転により被加熱材から離反する直前に通電を切ることにより接触時及び離反時の火花の発生を抑制するとともに、該突起が離反以後、後続の電極突起を接触させて同様の作動を反復して間欠通電を連続させることを特徴とする直接通電加熱方法である。
【００１２】
第２発明は、被加熱材の走行パス上の２カ所に電極輪を設け、該両電極輪の電極突起を円周上同一位置に同期させ、該両電極輪から該両電極輪間の該被加熱材に通電して加熱することを特徴とする第１発明に記載の直接通電加熱方法である。
【００１３】
第３発明は、被加熱材の走行パス上の１カ所に電極輪を設け、該電極輪の下流側に回転しつつ常時接するロール電極を設け、該両電極から該両電極間の該被加熱材に通電して加熱することを特徴とする第１発明に記載の直接通電加熱方法である。
【００１４】
述語の定義は以下とする。
固定接触とは電極と被加熱材の接点が固定された状態を言う。ロール電極では接点が電極面上及び被加熱材面上の双方で移動している。
押圧とはある程度の圧下力により接触抵抗が安定した状態を言う。
接触時とは接触している状態ではなく接触した瞬間を言う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると長尺の鋼板、棒線を直進走行させて連続加熱するに当たり、該被加熱材への直接通電によって加熱する方法において、通電用の電極が間欠的に被加熱材に押厚される。押圧直後に通電され且つ該電極が該被加熱材から離反する直前に切電されるので接触・離反に伴う火花発生が抑制され、スパークキズの問題が解消される。
その結果従来多用されている高周波誘導加熱に代替可能になって加熱効率は倍増し、省エネルギーがなされる。
実施するに当たり設備費用は従来のロール電極方式と同水準であり、誘導加熱よりも有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本願発明の直接通電加熱方法を実施する装置の要所の概略図である。
【図２】本願発明の直接通電加熱方法を実施する装置の全体概略図である。
【図３】本願発明の直接通電加熱方法を実施する他の装置の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に従って本発明の直接通電方法を説明する。直進走行する被加熱材１に対して電極輪２が接触し回転して追随しつつ通電する。該電極輪２は主にホイール２１と、該ホイール２１の外周面に等間隔で設けられた導電性の電極突起３と、該電極突起３に個別に導通し該ホイール２１の側面に同心状等間隔で設けられ整流子４と、回転する該整流子４に対して摺動接触する固定台（図示せず）に固定されたブラシ５と、回転機構（図示せず）と、から成る。該ブラシは直流電動機のブラシと同様であり黒鉛質ブロック状である。電極輪の外形は歯車状である。
【００１８】
回転する電極突起３はｐ点で被加熱材１に接触しｑ点で離反する。その間両者は機械的接触状態にあり、同一速度で移動し、且つ該電極突起３は被加熱材１に対して弾性的押圧状態を維持する。突起先端の軌跡は僅かに円弧を描くので被加熱材が細い（薄い）場合は被加熱材の背面を押圧し、太い（厚い）場合は電極突起が弾性的に後退可能とするのが望ましい。何れにしろ突起は弾性的に上下だけでなく前後にも融通性がある方が固定接触が安定する。当業者にはその設計は特に困難ではない。電極突起３のピッチ（間隔）は長さｐｑ以上とする。先行する電極突起が離反すると直ちに（同時でも良い）後続する電極突起が接触して間欠的接触状態が維持される。
【００１９】
当該接触状態は従来のロール電極のそれとは本質的に異なる。前者は固定的押圧接触であるが、後者では接触点が被加熱材表面上、ロール表面上を時々刻々移動しており、導通の安定性という点で前者は格段に優れる。
【００２０】
整流子４は円周方向に適切な長さが設定してあり、当該電極突起３がｐ点に達して被加熱材１を押圧した直後、ｒ点において当該整流子４の前端（回転方向の前）がブラシ５の後端（上流側）に接触して通電開始となる。回転につれｓ点において該整流子４の後端が該ブラシ５の前端に達すると通電状態が切れる。整流子の円周方向長さ及びブラシの走行方向長さに対応してｒ点ｓ点の位置が前後する。切電後ｑ点において該電極突起２は被加熱材１から離反する。
【００２１】
従って通電開始の瞬間では電極突起３は既に被加熱材１に固定的に押圧されているので通電に伴う火花は発生しない。切電の瞬間においても同様に固定的押圧状態にあって火花は発生しない。固定的押圧状態においてのみ通電を開閉して火花現象を抑制することが本発明の核心である。
【００２２】
通電は一時的に切れるが電極突起３が離反後、後続の電極突起等が同等の作動を反復し間欠通電が構成される。間欠通電は厳密には被加熱材長さ方向に対して一種の回分式加熱となる。場合により不均一加熱が危惧されるが後述の加熱装置において加熱帯長さ／通電長さｒｓの比が大きいので従来のロール電極と同様実質的に連続通電・連続加熱となる。
【００２３】
図２に従って本発明の通電加熱方法を説明する。直進走行する被加熱材１に対して２台の電極輪２，９を設ける。両電極輪間が加熱帯となる。その長さは生産能率、非加熱材断面積、走行速度、加熱速度、比抵抗等を勘案して適切に設計する。当業者には特に問題は無い。一般的には１〜数ｍとなる。
【００２４】
走行を安定させるため且つ押圧力を形成するため該被加熱材の背面に滑りガイド８を設ける。両電極輪２，９は同期手段１０により常に電極突起が同一位相になるよう制御する。
同一位相とは上流下流の電極突起が同時にｐ点に位置することを言う。具体的手段として歯車列又はタイミングベルトが使用される。単相電源１１から両電極輪のブラシに導通配線する。所定電圧を負荷すると加熱帯の抵抗に対応した電流が流れ加熱される。測温して電流を調整する。従来同様の直接通電加熱が容易に得られる。
【００２５】
電極輪２，９には駆動力を与え被加熱材１の走行に追随させる。同期制御に関して、電極輪２と９の位置で走行速度は微妙に異なる（熱膨張分＋張力延伸による）ことを考慮しなければならない。例えば電極輪直径を修正する。
【００２６】
整流子４とブラシ５は大型直流電動機の整流子のように円滑に摺動するよう精密に製作しなければならない。ブラシ面で小さい火花は常時発生しているがスパークは発生しない。
間欠電流の形成に関して機械的方法の場合を説明したが、被加熱材の断面積が大きい場合、電流値が極めて大きくなり、回路の機械的な開閉はブラシ部位で放電が発生し易いので電子制御が好ましい。電極突起の位置をフィードバックして電子的に電流を間欠させる。この場合既述した整流機構は不要になる。
簡単な例として、電極突起の１サイクル時間を交流の１サイクルに一致させ、且つ該交流を整流器により半波整流にして同期させる。半端整流の切電時に突起の接触離反を行う。この場合整流子とブラシによる整流機構は不要になる。これらの具体設計は当業者にとって特に困難ではない。
サイリスタを使用した適切な回路を組めば種々のの操業条件の変更にも容易に対処することができる。
【実施例】
【００２７】
通電回路における電極の接触と離反におけるスパーク発生の確認試験を行った。通常の３０ｋＷ溶接機を使用し、両電極（銅製）を互いに強く押圧した状態で５００Ａまで急速に電圧を上げた。接点が赤熱したがスパークは発生しなかった。次ぎに鋼板に両電極を押圧下状態で通電し、５００Ａまで上げ、やはり赤熱したがスパークは発生しないことを確認した。電極を滑らせると大きなスパークが発生した。周知のように接点が移動すると火花が発生し易く、接点を固定していると火花が出ないことを確認した。
【００２８】
本願発明の通電加熱方法のより簡単な実施方法を説明する。
図３に示すように、図２の構造と同様であるが、下流側（高温側）の電極輪は従来と同様の黒鉛鋳鉄ロールにより押圧しつつ回転させる。１０００℃近辺では、常時微小な火花が発生しているがスパークにはなっていない。上流側の電極輪のみ本発明の間欠通電の電極輪を適用して有害なスパークキズを防止する。この場合、両電極の同期機構は不要になる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の直接通電加熱は従来の誘導加熱に代替することができ、加熱効率は倍増して省エネルギーに寄与する。
【符号の説明】
【００３０】
１：被加熱材    ２：電極輪    ２１：ホイール    ３：電極突起    ４：整流子    ５：ブラシ    ６：導通部    ７：非導通部    ８：摺動ガイド    ９：下流側電極輪    １０：同期手段    １１：単相電源  １２：ロール電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013107120.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月1日(2012.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
帯状又は棒線状の金属材料を直進走行させつつ該材料に電流を通して直接通電加熱する方法において、該材料に接して通電する電極が、ホイールの外周面に多数の電極突起を等間隔で設けた歯車状の電極輪であり、該電極輪の該電極突起を直進走行する被加熱材に固定接触させつつ押圧して同一速度で追随させる際、一つの該突起が接触した後該突起から該被加熱材に通電し、該突起が回転により該被加熱材から離反する直前に通電を切ることにより接触時及び離反時の火花の発生を抑制するとともに、該突起が離反以後、後続の電極突起を接触させて同様の作動を反復して間欠通電を連続させることを特徴とする直接通電加熱方法。