(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状金属材料がその中を通過できるリング状磁性コアを有し、該リング状磁性コアの板状金属材料の幅方向両端部近辺に交流電流を流すコイルをそれぞれ巻くとともに、該リング状磁性コア片面側の近傍でかつ前記板状金属材料の幅方向両端部に電極を設ける構成とし、
該電極より交流電流を通じた際に、前記板状金属材料の長手方向に放射線状に広がろうとしながら前記電極間に流れる交流電流を、前記それぞれのコイルに流す交流電流によって、前記リング状磁性コアに、その断面において幅方向の一方側に時計周り方向の磁束および幅方向のもう一方側に反時計周り方向の磁束を発生させると共に、該発生した磁束により、前記板状金属材料に、前記リング状磁性コアで囲われたところでは前記電極間に流れる交流電流と打ち消し合い、前記リング状磁性コアで囲われていないところでは前記電極間に流れる交流電流と強め合うように誘導電流を発生させることで、前記電極間に流れる交流電流の放射線状の広がりを抑え、ジュール熱により前記板状金属材料を加熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
【請求項２】
板状金属材料がその中を通過できる一対のリング状磁性コアを有し、該一対のリング状磁性コア各々における板状金属材料の幅方向両端部近辺に交流電流を流すコイルをそれぞれ巻くとともに、二つのリング状磁性コアの間の近傍でかつ前記板状金属材料の幅方向両端部に電極を設ける構成とし、
該電極より交流電流を通じた際に、前記板状金属材料の長手方向に放射線状に広がろうとしながら前記電極間に流れる交流電流を、前記一対のリング状磁性コア各々における板状金属材料の幅方向両端部近辺に巻いたそれぞれのコイルに流す交流電流によって、前記一対のリング状磁性コア各々に、その断面において幅方向の一方側に時計周り方向の磁束および幅方向のもう一方側に反時計周り方向の磁束を発生させると共に、該発生した磁束により、前記板状金属材料に、前記リング状磁性コアで囲われたところでは前記電極間に流れる交流電流と打ち消し合い、前記リング状磁性コアで囲われていないところでは前記電極間に流れる交流電流と強め合うように誘導電流を発生させることで、前記電極間に流れる交流電流の放射線状の広がりを抑え、ジュール熱により前記板状金属材料を加熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
【請求項３】
請求項２記載の通電加熱装置を板状金属材料の進行方向に複数配置したことを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
【請求項４】
前記リング状磁性コアの板状金属材料の幅方向両端部近辺にそれぞれ巻いた交流電流を流すコイルは、同一回巻かれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の板状金属材料の通電加熱装置。
【請求項５】
コイルに流す交流電流と電極から板状金属材料に流す交流電流との位相差を制御可能としたこと、および／または、コイルに流す交流電流の電流密度を調整可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の板状金属材料の通電加熱装置。
【請求項６】
交流電流を流すコイルにタップを設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の板状金属材料の通電加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スラブや厚板、薄板などの板状の金属材料、たとえば鉄やアルミニウム、銅、ならびにそれらの合金を所要の温度分布で連続的に効率よく通電加熱できる通電加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属材料を加熱する場合、加熱・保温はガス加熱による輻射や電気ヒーターによる間接加熱がほとんどであった。しかし、これらの加熱方法は間接的に金属材料を表面から加熱するため、表面のみ温度が上がって内部伝熱律速となり急速な加熱ができないという問題があり、板厚や板幅などが変わるときには生産性に大きく制約を与えていた。
【０００３】
この問題を解決するため、通電加熱を採用することが提唱されている。たとえば、実開昭６１−８２９５４号公報には、鋼板に通電ロールを介して直接通電し、鋼板自体を発熱体として高温化することが、また、特開平１−１４２０３２号公報や特開平１−１８７７８９号公報には、環状トランスを貫通する金属帯板通路の前後に通電ロールを設け、金属帯板を加熱する方法が記載されている。このように金属帯板に直接電流を流し、ジュール熱で加熱する場合は、ガスや電気の間接加熱と比べ単位時間当たりの加熱能力が高く、板厚や板幅の変更に伴う生産性低下という問題をなくすことができるとともに、設備がコンパクトにできる点で優れている。
【０００４】
上記の様に進行方向に通電ロールを設け、比較的板厚の薄い金属材料が続けて供給される場合には、連続的に通電加熱できるため生産性が良いが、スラブや厚板などの様に長さが決められた金属材料の場合、先端部分と後端部分とにはどうしても通電ロールからはずれて加熱できない部分が生じ、歩留まり落ちが生じてしまうという問題がある。
【０００５】
また、たとえば厚板材などでは幅が大きく変化するとともに、幅自体が広いため通電ロールの胴長も長くなってしまい、ロールがたわみやすくなることに加え通電電流密度が大きくなるため、被加熱材と通電ロールとの間でスパークが発生しやすいという問題もある。
【０００６】
このような有限長材の先端部と後端部の加熱不足やスパーク発生の問題に対し、たとえば特開昭６１−３１５３１９号公報などにみられるように電極を被加熱材の先端と後端に密着させ、材料全体をバッチ的に加熱する方法や、特開平７−２２０８６４号公報のように被加熱材の先端と後端にダミー材をつけて加熱する方法などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電極を被加熱材の先端と後端に密着させ、材料全体を材料毎に加熱する方法では、たとえば厚鋼板などの場合のように材料の長さが数ｍ〜２０数ｍまで大きく変わる材料などでは、電極も材料の長さに合わせて大きく変化させなければならず、設備・スペース上の問題があった。また、全長にわたって加熱を行うには設備容量を大きくする必要があるとともに、加熱時間が長大になることから熱放散の影響が大きくなり、加熱効率が低下してしまうという問題、さらに長時間電極を被加熱材に接触し続けるため電極と被加熱材の間で溶着が起こりやすいという問題が生じる。また、ダミー材をつけて加熱する方法では、ダミー材の着脱工程、時間の増加、ダミー材そのものの材料代等が余分に必要となり、無駄が多い。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の課題を有利に解決するために、被加熱材の幅方向に流れる電流路が制御でき、長さ、幅、厚みによらず板状の被加熱金属材料を効率よく連続的に所要の温度パターンで加熱できる板状金属材料の通電加熱装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は下記（１）〜（６）の通りである。
【００１０】
（１）板状金属材料がその中を通過できるリング状磁性コアを有し、該リング状磁性コアの板状金属材料の幅方向両端部近辺に交流電流を流すコイルをそれぞれ巻くとともに、該リング状磁性コアの片面側の近傍でかつ前記板状金属材料の幅方向両端部に電極を設ける構成とし、該電極より交流電流を通じた際に、前記板状金属材料の長手方向に放射線状に広がろうとしながら前記電極間に流れる交流電流を、前記それぞれのコイルに流す交流電流によって、前記リング状磁性コアに、その断面において幅方向の一方側に時計周り方向の磁束および幅方向のもう一方側に反時計周り方向の磁束を発生させると共に、該発生した磁束により、前記板状金属材料に、前記リング状磁性コアで囲われたところでは前記電極間に流れる交流電流と打ち消し合い、前記リング状磁性コアで囲われていないところでは前記電極間に流れる交流電流と強め合うように誘導電流を発生させることで、前記電極間に流れる交流電流の放射線状の広がりを抑え、ジュール熱により前記板状金属材料を加熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
【００１１】
（２）板状金属材料がその中を通過できる一対のリング状磁性コアを有し、該一対のリング状磁性コア各々における板状金属材料の幅方向両端部近辺に交流電流を流すコイルをそれぞれ巻くとともに、二つのリング状磁性コアの間の近傍でかつ前記板状金属材料の幅方向両端部に電極を設ける構成とし、該電極より交流電流を通じた際に、前記板状金属材料の長手方向に放射線状に広がろうとしながら前記電極間に流れる交流電流を、前記一対のリング状磁性コア各々における板状金属材料の幅方向両端部近辺に巻いたそれぞれのコイルに流す交流電流によって、前記一対のリング状磁性コア各々に、その断面において幅方向の一方側に時計周り方向の磁束および幅方向のもう一方側に反時計周り方向の磁束を発生させると共に、該発生した磁束により、前記板状金属材料に、前記リング状磁性コアで囲われたところでは前記電極間に流れる交流電流と打ち消し合い、前記リング状磁性コアで囲われていないところでは前記電極間に流れる交流電流と強め合うように誘導電流を発生させることで、前記電極間に流れる交流電流の放射線状の広がりを抑え、ジュール熱により前記板状金属材料を加熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
【００１２】
（３）前記（２）の通電加熱装置を板状金属材料の進行方向に複数配置したことを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
【００１３】
（４）前記リング状磁性コアの板状金属材料の幅方向両端部近辺にそれぞれ巻いた交流電流を流すコイルは、同一回巻かれていることを特徴とする前記（１）〜（３）の板状金属材料の通電加熱装置。
【００１４】
（５）コイルに流す交流電流と電極から板状金属材料に流す交流電流との位相差を制御可能としたこと、および／または、コイルに流す交流電流の電流密度を調整可能としたことを特徴とする前記（１）〜（４）の板状金属材料の通電加熱装置。
【００１５】
（６）交流電流を流すコイルにタップを設けたことを特徴とする前記（１）〜（４）の板状金属材料の通電加熱装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の板状金属材料の通電加熱装置を示す図である。移動する板状金属材料１は、図２の正面図に示す様な磁気特性に優れた珪素鋼板等でできたリング状磁性コア５、６の開口部を通過する。リング状磁性コア５、６の間には、電源４に導電部材で接続された電極２、３を配置する。電極２、３は図１では一つずつになっているが、複数に分割しても良い。電極２、３の形状はローラーの様な回転体が良いが、電流が大きいときなどには摺り板形状などを用いればよく、特にその形状を規定するものではない。電極２、３の材質は鉄やステンレス鋼等の導電性に優れる金属、あるいはカーボンや導電性セラミックスなどのバルク材でも、また溶射等によるコーティング皮膜を形成したものでも良い。
【００１８】
リング状磁性コア５、６が無い場合、電極２、３からでた電流は、図３に示す電流１５のように放射状に広がって流れようとする。そのため、板状金属材料１の断面内の電流密度は電極２、３の近傍が最も高く、温度も高くなり、電極２、３から離れると電流密度は極端に小さくなり、温度上昇量も小さくなって温度分布の不均一が生じる。また、電流が板状金属材料１の長手方向に広がって流れるため、板状金属材料１が接触している搬送ロールにも迷走電流が流れ、ロールのベアリング等を焼損してしまう等の問題が生じる。そこで本発明の通電加熱装置では、電極２、３から放射状に広がろうとする電流を効果的に制御し、均一な温度分布を得る。
【００１９】
電極２、３間に流す電流を交流とし、磁気特性に優れた珪素鋼板等からなるリング状磁性コア５、６を電極２、３の前後に置くと、リング状磁性コア５、６間の板状金属材料１を流れる交流電流により電磁誘導でリング状磁性コア５、６に磁束が発生し、リング状磁性コア５、６の中を通過しようとする電流と逆位相の電流を板状金属材料１に誘起させることにより、リング状磁性コア５、６の外に流れようとする電流を制限することができる。電流路を定めることができれば、電流密度の不均一から生じる温度の不均一が解消できるとともに、板状金属材料１を通じて迷走電流がラインに流れるという問題もなくなる。
【００２０】
しかし、実際にはリング状磁性コア５、６を置いただけでは効果が小さく、リング状磁性コア５、６の外に流れ出る電流を完全には阻止できない。そこで、リング状磁性コア５、６にコイル１１、１２、１３、１４を巻き、電源７、８、９、１０により電流を流して強制的にリング状磁性コア５、６に磁束を発生させれば、板状金属材料１内にリング状磁性コア５、６で発生した磁束による誘起電流が発生し、電極２、３からの電流との相互作用により電極幅方向の電流パターンを変化させることができる。
【００２１】
図４〜９は、有限要素法により計算した結果を模式的に示す図である。
【００２２】
図４、５はリング状磁性コアを設置しないで電極２、３間で通電を行った例であり、図中の矢印は電流のベクトルを示す。図４は、電極２、３から流れた電流の向きと大きさを模式化して示すものである。電極３から流れた電流は、直進するものもあるが放射状に広がって流れるものもあり、電流密度は電極近傍が極めて高くなる。これを温度分布に直して示すのが図５である。図５は、発熱量が電流の２乗に比例することから、電流の２乗に応じたコンター図を示すが、電極近傍のみ密集し、温度差が大きくつく様子が明らかである。
【００２３】
以上に対し、電極２、３間で電流を通じ、リング状磁性コア６の両端側にコイル１２、１４を巻いて電流を流し、リング状磁性コア６内に磁束を発生させたときの様子を示すのが図６〜９である。図６は、リング状磁性コア６の中に発生した磁束のベクトルを示す断面図である。この例では、右側では時計回りの方向に磁束が発生し、左側では反時計回りの方向に磁束が発生している。このリング状磁性コア６に発生した磁束により、板状金属材料１には図７、８に示す誘導電流が発生する。図７は、電極２、３から出た電流とリング状磁性コア６に発生した磁束によって作られる誘導電流とで作られる電流分布の実部の様子を示す。電流は、リング状磁性コア６を境に電極３から電極２に向かう割合が増え、リング状磁性コア６の外に発生する電流は極めて小さくなる。また、図８は電流虚部の分布を示す。電流は、リング状磁性コア６を設けないで通電したときの電流分布と比べると、電極２、３間の電流の向きは一致するが、リング状磁性コア６部では全く逆向きの電流が発生する。そのため、電極３からでた電流はリング状磁性コア６部で打ち消されることになり、リング状磁性コア６の外には電流が流れにくくなり、電極２、３間方向に電流が流れるようになる。この時の発熱分布を計算した結果を示すのが図９であり、リング状磁性コア６の上側の部分はコンターも広く分布し、温度が均一化されているのがわかる。
【００２４】
以上の様に、幅方向電極２、３間で板状金属材料１を均一に加熱するためには電極２、３から放射状にでる電流を打ち消す様に電流を制御すればよい。特に、均一性を狙う場合には、電極２、３間に流す電流が交流であることを考えると、リング状磁性コア６に巻くコイルは、リング状磁性コアの両サイドに対称的に巻くのが望ましい。
【００２５】
また、逆に局部的に加熱する場合には、リング状磁性コア６にコイル１２、１４により発生させる磁場分布を変化させればよい。すなわち、リング状磁性コア６から板状金属材料１に発生させる誘導電流の大きさと向きを変えれば、電極電流と誘導電流との相互作用で生じるトータルの電流の大きさ、向きが変わるため、それによって生じる温度分布も変えることができる。磁場の変化は、コイル１２、１４に流す電流の電流密度の大きさと電極電流との位相差を電源８、１０で変化させることにより実現できる。同様に、磁場の変化は、リング状磁性コア６に巻くコイル１２、１４の巻き数を変化させることによっても実現できる。現実的には、厚み、幅、温度など負荷の状況に応じコイルに複数のタップを設け、タップを切り替えることにより磁場の強さを変化させることができる。タップの切り替えは、加熱する板状金属材料１の厚み、幅、種類により電極２、３に流す電流量が大きく変化することから、それに応じ切り替えれば良いし、あるいは局部的に温度を高めたい場合には温度分布を測定し、所要の加熱パターンが得られるように、タップを切り替えても良い。
【００２６】
以上、リング状磁性コアが一つの場合で説明したが、図１の様にもう一つリング状磁性コア５を設けた場合でも同様の効果が得られる。特に、板状金属材料１の進行方向にも流れる電流を阻止するためには、リング状磁性コアを二つ設けると効果的である。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について有限要素法により解析した結果に基づいて説明する。
【００２８】
図１の様な構成で、断面積１００ｃｍ2 の二つのリング状磁性コア５、６を１００ｍｍ離し、板厚１６ｍｍ、板幅５００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＳＵＳ３０４材を内に通し、リング状磁性コア５、６間に電極長さ１００ｍｍの電極２、３を配置し、３００Ａの電流を流すとともに、コイル１３、１４をＬ側、コイル１１、１２をＲ側とし、このコイル１１〜１４に位相と電流密度を変えて電流を流した場合の磁場、電流密度、温度分布を計算した。表１に５分後の電極幅方向の温度差を示す。
【００２９】
【表１】
0004160649.tif 000002
【００３０】
本発明例では、リング状磁性コアの外に流れる電流はごくわずかあるが、ほとんど無視できる程度に小さく、かつコイルの位相を変えることにより幅方向の温度差を変えることができる。たとえば、Ｌ、Ｒ側コイル電流と電極電流の位相差が０の場合には、電極間の断面内温度分布を１０℃程度にすることができ、位相差を変えることによりその差を大きくすることが可能である。表１の例は全てエッジ側の温度が高く中央がやや低くなる分布であるが、これを利用すれば板材のエッジ部の冷却が進みやすいのに対し、あらかじめエッジ部の温度を高く加熱することが可能となる。また、同様の効果はコイルの電流密度を変えることによっても得ることができる。表１では、コイル電流密度を６ＡＴ／ｍｍ2 と３ＡＴ／ｍｍ2  に変えることにより、位相差を９０度変えたものと同等の加熱が可能であることがわかる。
【００３１】
一方、比較例はリング状磁性コアが無く、単純に電極のみを配置した例であるが、加熱は電極近傍のみしか行われず、かつ電流は広く広がってしまう。したがって、電極から離れた所にロールなどがあり、アースされている場合には、そのロールから電流が流れ出す可能性が高く、設備、人心事故が起こる可能性もある。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、有限長の板状金属材料を電気により連続的、安定的に効率よく内部加熱できるため、加熱の生産性を向上させることが可能となる。また、温度を任意に変化させることが可能となるほか、温度を均一にすることも可能であり、温度偏差による材質ばらつきを減らすことができるだけでなく、温度を均一にするための均熱工程を省略することができる。さらに、電極加熱であるため雰囲気を高温にする必要がなく、耐火物などの設備費が不要になるほか、ロール等の搬送設備やバーナー等の加熱設備に要する修繕を大幅に減らすことが可能となる。操業中も通電による迷走電流を抑えることができることから、安全面でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の板状金属材料の通電加熱装置の平面図である。
【図２】本発明の板状金属材料の通電加熱装置の正面図である。
【図３】リング状磁性コアを用いない場合の電流を示す図である。
【図４】リング状磁性コアを用いない場合の電流を示す図である。
【図５】リング状磁性コアを用いない場合の温度分布を示す図である。
【図６】リング状磁性コア内に発生させる磁場分布を示す図である。
【図７】リング状磁性コア内に発生させた磁場により板状金属材料内を流れる電流の実部を示す図である。
【図８】リング状磁性コア内に発生させた磁場により板状金属材料内を流れる電流の虚部を示す図である。
【図９】リング状磁性コア内に発生させた磁場による板状金属材料の温度分布を示す図である。
【符号の説明】
１    板状金属材料
２    電極
３    電極
４    電極
５    リング状磁性コア
６    リング状磁性コア
７    電源
８    電源
９    電源
１０  電源
１１  コイル
１２  コイル
１３  コイル
１４  コイル
１５  電流
【図１】
0004160649.tif 000003
【図２】
0004160649.tif 000004
【図３】
0004160649.tif 000005
【図４】
0004160649.tif 000006
【図５】
0004160649.tif 000007
【図６】
0004160649.tif 000008
【図７】
0004160649.tif 000009
【図８】
0004160649.tif 000010
【図９】
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