(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルの内側に耐熱材を配置して上記耐熱材の内側に被加熱物が通過可能な加熱通路を形成し、上記被加熱物を上記加熱通路に沿って案内するための金属製で管状のスキッドレールを上記耐熱材の表面より突出させて配置し、上記加熱通路内に上記被加熱物を搬送しながら誘導加熱する誘導加熱装置において、
上記スキッドレールの肉厚を、上記スキッドレールの材質と上記コイルに通電する電流の発振周波数で定まる電流浸透深さ以下とし、上記被加熱物と対向する側を除く上記肉厚の一部に薄肉部を設け、上記薄肉部を上記スキッドレールの内側に突出するように形成したことを特徴とする誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば鉄鋼用熱間圧延ラインのような搬送ラインの途中に設置されて、ライン上に流れる被加熱物を連続的に加熱する誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば特開平１１−１２３４３８号公報に示された、鉄鋼用熱間圧延ラインに設置されている誘導加熱装置の側面図である。図８は図７の誘導加熱装置の要部を示す側面断面図であり、図９は図８の誘導加熱装置を被加熱物の搬送方向に見たＩＸ−ＩＸ部の断面図である。
図７において、１は被加熱物で、鉄鋼用熱間圧延ラインにおいて前段の粗圧延機で粗圧延された鋼帯である。２は被加熱物１を矢印の方向に搬送するテーブルローラ、３は誘導加熱装置である。
【０００３】
誘導加熱装置３の構成を図８及び図９によって説明する。４は被加熱物１の幅方向を周回するように長円形状に巻回されたコイルで、軸を被加熱物１の搬送方向に向けて配置されている。図８ではコイル４を一組だけ示しているが、通常は図７のように、軸方向で複数個に分割された複数組のコイルから構成され、電源供給装置（図示せず）から電流が供給されるようになっている。５は被加熱物１とコイル４の間に配置され断面が円形のパイプ材からなるスキッドレールである。このスキッドレール５は、被加熱物１の搬送方向に延設した案内部５ａと、その両端部にあって被加熱物１から離れる方向に延びる一対の足部５ｂとで略Ｕ字状に構成されており、これが被加熱物１の幅方向に複数個並設されている。６は冷却水配管で、スキッドレール５の足部５ｂに接続されており、冷却装置（図示せず）から冷却水をスキッドレール５内に供給するようになっている。７はスキッドレール５の足部５ｂの途中に介装した電気絶縁部材で、スキッドレール５に誘導された電流が冷却水配管６に流れるのを防止するためのものである。８はスキッドレール５間に設けた耐熱材である。スキッドレール５の案内部５ａと耐熱材８とに囲まれた内部空間に被加熱物１が通過可能な加熱通路９が形成されている。
【０００４】
次に動作について説明する。粗圧延された板状の被加熱物１は、テーブルローラ２によって案内されて次工程に送られる間に放熱して温度が低下する。そこで、途中に設けた誘導加熱装置３のコイル４の内側に形成した加熱通路９内を通過させて被加熱物１を誘導加熱し、搬送中の温度低下を補償する。
この時、被加熱物１の先端部が反っている場合には、被加熱物１がコイル４や耐熱材８に当たるおそれがあるが、スキッドレール５の案内部５ａが被加熱物１の搬送方向に沿って延在しているために、被加熱物１の端部が耐熱材８やコイル４に当たる前に案内部５ａに当たることで、耐熱材８やコイル４が損傷するのを防止でき、被加熱物１をスムーズに搬送することができる。
【０００５】
被加熱物１の案内部材であるスキッドレール５は、被加熱物１の端部が当たりながら通過した場合でも損傷しないだけの機械的な強度が必要である。また、耐熱性、耐水性も要求されるのでスキッドレール５は通常金属管で構成されている。従って、スキッドレール５内には、コイル４からの磁束によって誘起される起電力による熱損失が発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の誘導加熱装置は以上のように構成されているので、スキッドレールに要求される強度を確保するためにスキッドレールの強度を上げようとすれば１本当たりの外形を大きくするか、本数を増やす必要があった。しかし、いずれの場合にもスキッドレールの合計断面積が大きくなることから誘起される起電力による熱損失が増大するので、誘導加熱装置の効率の低下に繋がり、また、熱損失が増えれば過熱によりスキッドレールの耐用年数が低下するという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、損失の増大および過熱を抑えたスキッドレールを装備した誘導加熱装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る誘導加熱装置は、コイルの内側に耐熱材を配置して耐熱材の内側に被加熱物が通過可能な加熱通路を形成し、被加熱物を加熱通路に沿って案内するための金属製で管状のスキッドレールを耐熱材の表面より突出させて配置し、加熱通路内に被加熱物を搬送しながら誘導加熱する誘導加熱装置において、
スキッドレールの肉厚を、スキッドレールの材質とコイルに通電する電流の発振周波数で定まる電流浸透深さ以下とし、被加熱物と対向する側を除く肉厚の一部に薄肉部を設け、薄肉部をスキッドレールの内側に突出するように形成したものである。
【０００９】
【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による誘導加熱装置の側面断面図、図２は図１の誘導加熱装置を被加熱物の搬送方向に見たＩＩ−ＩＩ部の断面図である。また、図３は図２の要部拡大図である。図において、１０は被加熱物、１１は被加熱物１０を搬送するためのテーブルローラ、１２は被加熱物１０の幅方向を周回し軸を被加熱物１０の搬送方向に向けて配置したコイルである。コイル１２には電流供給装置（図示せず）から電流が供給されるようになっている。１３はコイル１２の内側にあって被加熱物１０の幅方向に複数個並設された断面が矩形状の金属管からなるスキッドレールである。スキッドレール１３の断面形状の詳細は、図３に示すように、スキッドレール１３の材質とコイル１２に通電する電流の発振周波数で定まる後述の式（１）に示す電流浸透深さ以下の肉厚（図中Ｔの部分）とし、被加熱物１０と対向する側を除く一部に、即ち、被加熱物１０と接触する恐れの無い側にこの肉厚Ｔより厚さを薄くした薄肉部１３ａ設け、更に、この薄肉部１３ａをスキッドレール１３の内部に凸状に突出するように形成している。
【００１０】
１４は冷却水配管、１５は接続管で、これらを通じ冷却装置（図示せず）からスキッドレール１３内へ冷却水が供給され、スキッドレール１３がコイル１２からの誘導電流により加熱昇温するのを防止するようになっている。１６はコイル１２を被加熱物１０の熱輻射から保護する耐熱材である。耐熱材１６と被加熱物１０との隙間は、スキッドレール１３と被加熱物１０との隙間より若干大きくなるように設定している。つまり、スキッドレール１３の表面を耐熱材１６よりやや内側に突出させている。１７はスキッドレール１３および耐熱材１６の内側に形成された被加熱物１０を通過させるための加熱通路である。
【００１１】
次に動作について説明する。テーブルローラ１１により搬送されて被加熱物１０が加熱通路１７内に搬入されてくると、コイル１２に供給した電流により被加熱物１０に誘導電流が流れ被加熱物１０が加熱される。
被加熱物１０が加熱通路１７内を通過するとき、被加熱物１０の先端部が反っている場合には、被加熱物１０の先端部が耐熱材１６やコイル１２に当たる前にスキッドレール１３に当たるので、耐熱材１６やコイル１２が損傷することなく、被加熱材１０をスムーズに搬送することができる。
【００１２】
以上までの動作は従来の技術の図８及び図９で説明したものと同様であるが、本発明はスキッドレール１３の断面形状に特徴を有するものである。以下にこの作用について説明する。
図４はスキッドレール１３に流れる誘導電流を説明する図である。コイル１２によって発生した磁束の一部がスキッドレール１３の断面を貫通するが、その貫通する磁束をφとすれば、磁束φによりスキッドレール１３には磁束φの貫通面積に比例した起電力Ｖが誘起され、誘導電流Ｉが流れる。誘導電流Ｉは、スキッドレール１３の材質の比抵抗、比透磁率および電流の周波数によって断面内での分布が異なるが、表面に近いほど大きい。この現象において、表面部に一様な電流密度で流れる電流帯の幅を仮想したものを電流浸透深さと呼んでいる。比抵抗をρ［μΩ−ｃｍ］、発振周波数をｆ［Ｈｚ］、比透磁率をμSとすれば、 電流浸透深さδ［ｍｍ］は式（１）のようになる。
電流浸透深さδ＝５０．３×〔ρ／（μS×ｆ）〕1/2・・・（１）
【００１３】
誘導電流Ｉが流れる部分の経路の抵抗を断面周回抵抗と呼びＲで表すと、ある電流浸透深さのもとで断面周回抵抗Ｒはスキッドレール１３の断面周長にほぼ比例する。そこで、スキッドレール１３の肉厚を電流浸透深さδ以下にすれば、断面周回抵抗Ｒは（断面周長）／（肉厚）にほぼ比例することになる。
断面周回抵抗Ｒの回路に誘導電流Ｉが流れることによって、スキッドレール１３内には、式（２）のような損失Ｐが発生し熱損失となる。
損失Ｐ＝ＲＩ2＝Ｖ2／Ｒ ・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【００１４】
スキッドレール１３の断面の外形寸法（短辺と長辺）が同じである場合、（内部に突出させた部分を無視すれば）磁束φの貫通面積が変わらないので起電力Ｖは一定である。そこで、断面周回抵抗Ｒを大きくすれば、スキッドレール１３内の損失Ｐを下げることができる。
スキッドレール１３の断面の外形寸法を変えないで、断面周回抵抗Ｒを大きくし、しかも強度をあまり犠牲にしない手段として、本実施の形態では、図３に示すような断面形状にしたものである。
【００１５】
即ち、スキッドレール１３の肉厚Ｔを電流浸透深さ以下とし、被加熱物１０と対向しない、即ち、被加熱物１０と接触する恐れの無い側にこの肉厚Ｔより厚さを薄くした薄肉部１３ａ設け、更に、薄肉部１３ａをスキッドレール１３の内側に凸状に突出させている。このような構成により、薄肉部１３ａ部分によって断面周回抵抗Ｒを大きすることができ、強度的には薄肉部１３ａ以外の肉厚Ｔ部分で必要な強度を確保することができる。
【００１６】
薄肉部１３ａの肉厚ｔを薄くしていき内側に突出させる長さ（以下折り込み量と称す。図３参照）を増やしていくと断面周長が長くなると共に薄肉部１３ａの抵抗が非常に大きくなるので、図４に示すように、誘導電流Ｉは薄肉部１３ａに入る手前で分流し、一部は肉厚Ｔ部の内側を通って流れる。このため、薄肉部１３ａの電流密度が低下するので、薄肉部１３ａでの局所加熱が抑制され、また、電流経路が長くなるので断面周回抵抗Ｒが大きくなる。更に、肉厚Ｔ部においては電流の向きが内外で逆になるが、肉厚Ｔを電流浸透深さよりも薄くしているためにこの部分の電流は相互に打ち消しあって、損失を大幅に低減できる。
また、薄肉部１３ａを内側に突出させることによって、磁束φの貫通面積が小さくなるので、起電力Ｖを下げる効果もある。
【００１７】
図５はこの実施の形態による誘導加熱装置のスキッドレール１３の一実施例として、外形寸法を高さ３０ｍｍ×幅２０ｍｍ、肉厚Ｔを５ｍｍとし、薄肉部１３ａの肉厚ｔと折り込み量を変え、断面周回抵抗Ｒを大きくしていった場合のスキッドレール１３の損失と断面係数の変化を表したものである（発振周波数１５００Ｈｚ、材質ＳＵＳ３０４(比抵抗８０μΩ―ｃｍ)）。横軸は肉厚Ｔと肉厚ｔのそれぞれの部分における（断面周長）／（肉厚）を合計したものであり、断面周回抵抗Ｒに比例するものである。
【００１８】
肉厚ｔを薄くするに従い損失及び断面係数は小さくなる。ｔを１ｍｍまで薄くし次に折り込み量を増やして（断面周長）／（肉厚）を更に大きくしていくと、損失は引き続き大きく低下していくが、強度に関係する断面係数はこれ以上低下しない。
【００１９】
薄肉部ｔを設けることにより、その部分の電流密度が高くなるので局所加熱の恐れがあるが、折り込み量を増やすことによりそれを回避することができる。
図６はこの実施の形態による誘導加熱装置のスキッドレール１３の一実施例として、スキッドレール１３の外形寸法を、高さ３０ｍｍ×幅２０ｍｍ、肉厚Ｔを５ｍｍ、薄肉部１３ａの肉厚ｔを１ｍｍとし、折り込み量を変えた場合のスキッドレール１３全体の損失と薄肉部１３ａの局所発熱密度の関係を表したものである（発振周波数１５００Ｈｚ、材質ＳＵＳ３０４（比抵抗８０μΩ―ｃｍ）とする）。
【００２０】
図からわかるように、折り込み量を増やすに従い、断面周回抵抗Ｒが大きくなることから、全体の損失Ｐが低下しているが、それ以上に薄肉部１３ａでの局所発熱密度は小さくなっている。
【００２１】
以上のように、本実施の形態によれば、スキッドレールの被加熱物と接触する恐れのない側に薄肉部を設け、更に、この薄肉部をスキッドレール内部に突出するように形成したことにより、薄肉部の抵抗が大きくなり、また、誘導電流は薄肉部へ入る手前で厚肉部の内周側にも分流するので、スキッドレールの強度をあまり低下させることなく、スキッドレール内の誘導電流による熱損失を低減させることができ、更に、薄肉部での局部加熱も抑えることができる。
【００２２】
なお、スキッドレールは、薄肉部を被加熱物の反対側であるコイル側に設けたものについて説明したが、これに限定するものではなく、薄肉部の箇所は被加熱物と対向する側を除く部分、即ち、被加熱物と接触する恐れのない部分であればどこでも良い。
また、スキッドレールの断面形状は矩形に限定されるものではなく、丸管や多角形の管でもその一部に薄肉部を設ければ同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、誘導加熱装置のスキッドレールの肉厚を、スキッドレールの材質とコイルに通電する電流の発振周波数で定まる電流浸透深さ以下とし、被加熱物と対向する側を除く一部の肉厚を更に薄くした薄肉部を設け、この薄肉部をスキッドレールの内側に突出するように形成したので、スキッドレール内での損失を低減することができ、誘導加熱装置の加熱効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の誘導加熱装置を示す断面図である。
【図２】  図１のＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【図３】  図２の要部拡大断面図である。
【図４】  この発明の実施の形態１のスキッドレールの作用を説明する図である。
【図５】  この発明の実施の形態１のスキッドレールの（断面周長）／（肉厚）に対するスキッドレールの損失及び断面係数の関係を示す図である。
【図６】  この発明の実施の形態１のスキッドレールの折り込み量に対する損失及び局所発熱密度の関係を示す図である。
【図７】  誘導加熱装置を示す全体図である。
【図８】  従来の誘導加熱装置の側面断面図である。
【図９】  図８のＩＸ−ＩＸから見た断面図である。
【符号の説明】
１０  被加熱物
１２  コイル
１３  スキッドレール
１３ａ  薄肉部
１６  耐熱材
１７  加熱通路
【図１】
0003819201.tif 000002
【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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