JP4332203B2 - 誘導加熱コイルの絶縁構造 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板を通板させながら連続加熱するために用いられる誘導加熱コイルの絶縁構造に関するものである。

鋼板の連続焼鈍炉等や鋼板の合金めっき設備の合金化炉には、鋼板を急速に加熱するために誘導加熱コイルが用いられている。このような誘導加熱コイルは鋼板を表裏両面から均一に加熱できるように、内部に鋼板の通路を備えた筒状のコイル導体からなるものであり、その表面は耐熱性のある絶縁材により覆われている。

このための絶縁材として、従来は断熱キャスタブル耐火物や、アルミナクロス等の高温耐熱繊維に代表されるアルミナ系セラミックスなどが使用されていた。例えば特許文献１は本願発明とは異なり熱間鍛造される材料の誘導加熱用コイルに関するものではあるが、誘導加熱コイルの内表面を多孔質耐火性骨材を配合した不定形耐火物で覆った絶縁構造が開示されている。また特許文献２は本願発明と同一用途の誘導加熱コイルを、アルミナ系セラミックスにより絶縁することを開示している。ただしアルミナ系セラミックスの詳細については記載されていない。

ところがこのような従来の誘導加熱コイルの絶縁構造は、専ら耐熱性と絶縁性に主眼を置いて選択されたものであって、使用中の金属微粒子の侵入による絶縁低下は防止できないことが判明した。例えば、鋼板の亜鉛めっきラインにおいては炉内の雰囲気中に微細な亜鉛ヒュームが浮遊しており、長期間運転を継続すると電磁力により誘導加熱コイルの絶縁表面に亜鉛ヒュームが引き寄せられて付着する。そしてその一部が絶縁材の粒子間隙やクラック等を貫通してコイル表面に達し、コイルと接地しているシールド板との間やコイル間を短絡させるに至る場合があることが判明した。

なおコイル素線の表面にも、あらかじめワニスやエナメル等の絶縁塗料が塗布されているが、炉内温度が４５０℃を超えるとこれらの絶縁塗料は焼失して銅線の表面が露出してしまう。このため、亜鉛ヒュームが侵入すると誘導加熱コイルの絶縁低下を防ぐことができない。

このような誘導加熱コイルの絶縁低下が発生するとラインストップをまねき、大きな損失となる。このため、その解決策が強く求められていた。またこのようなトラブルを回避するために、定期的に点検絶縁劣化状況を把握し、修理する必要があった。
特開２００５−１５６１２４号公報 特開２００６−１６９６０３号公報

従って本発明の目的は、上記した従来の問題点を解決し、鋼板を通板させながら連続加熱する誘導加熱コイルを、数百℃の高温使用条件下においても初期と同等以上の絶縁特性を保ち、しかも亜鉛ヒュームなどの金属微粒子の侵入による絶縁低下を著しく進みにくくして誘導加熱コイルの使用寿命を延長させることができる誘導加熱コイルの絶縁構造を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本願請求項１の発明は、鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルの鋼板に面する側の表面にセラミッククロスを被覆する際に、セラミッククロスの誘導コイル側および／または鋼板側にセラミック短繊維とセラミック微粒子とを含むセラミック質表面硬化材による耐熱絶縁層を形成することを特徴とするものである。

なお請求項２に記載のように、鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルを、ソレノイド型とすることができる。

また請求項３に記載のように、セラミック質表面硬化材が、アルミナまたはアルミナ−シリカ質の微粒子と、アルミナ−シリカ質のセラミック短繊維と、コロイダルシリカと、有機接着剤を含むものであることが好ましい。

また請求項４に記載のように、セラミック短繊維が、セラミックファイバーのバルクを解繊したものであることが好ましい。

また請求項５に記載のように、セラミック質表面硬化材をセラミッククロスの表面に吹き付け塗布し、耐熱絶縁層を形成することが好ましい。

また請求項６に記載のように、鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルは、鋼板の連続焼鈍炉またはめっき設備の合金化炉に設置されたものとすることができる。

本発明の誘導加熱コイルの絶縁構造によれば、誘導加熱コイルの鋼板に面する側の表面にセラミッククロスを被覆する際に、セラミッククロスの誘導コイル側および／または鋼板側にセラミック短繊維とセラミック微粒子とを含むセラミック質表面硬化材による耐熱絶縁層を形成する。単にコイル表面をセラミッククロスで絶縁した場合には、そのメッシュ部分を貫通して金属微粒子が内部に侵入する可能性があるが、本発明の構造においてはセラミック質表面硬化材に含まれるセラミック短繊維がメッシュに絡まり、さらにセラミック微粒子がそのセラミック短繊維に付着して完全に封鎖する。このために亜鉛ヒュームなどの金属微粒子が表面に付着しても絶縁材層を貫通することができず、コイル表面に達することはない。このため従来のように誘導加熱コイルの絶縁低下を生ずることはない。

しかも本発明の耐熱絶縁層は、耐熱性及び絶縁性に優れたセラミッククロスと、セラミック短繊維を含むセラミック質表面硬化材とによって構成されているから、５００℃〜１２００℃の高温条件下においても長期間にわたって安定した耐熱性及び絶縁性を発揮することができる。この結果、本発明によれば誘導加熱コイルの絶縁低下に起因するラインストップをなくすることができる。

請求項２に記載のように、鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルが、ソレノイド型である場合には、少なくとも鋼板に面する内周面のみをこの構造とすればよい。亜鉛ヒュームなどの金属微粒子は、鋼板が通板される炉内に存在するからである。しかし、誘導加熱コイルの内外両面をこの耐熱絶縁層によって被覆しても良いことはいうまでもない。

なお、セラミッククロスをシリカ質またはアルミナ−シリカ質でボロンを含有しないセラミック長繊維としておけば、加熱された際にボロンが溶出して周囲のセラミッククロス内部に拡散浸透し劣化させることもなく、安定した耐熱性及び絶縁性を発揮することができる。これらセラミッククロスの実用耐熱温度は、シリカ質で８００℃以上、アルミナ質で１０００℃以上あり、８００℃以上に加熱可能な高温用誘導加熱装置にも使用可能である。

請求項３に記載のように、セラミック質表面硬化材が、アルミナまたはアルミナ−シリカ質の微粒子と、アルミナ−シリカ質のセラミック短繊維と、コロイダルシリカとを含むものとすれば、安定した耐熱性及び絶縁性を発揮することができるうえ、セラミック粒子とセラミック短繊維とが同材質であるから相互間の付着性が良好であり、金属微粒子の貫通防止効果を高めることができる。

請求項４に記載のように、セラミック短繊維がセラミックファイバーのバルクを解繊したものであれば、製造コストを引き下げることができる。

請求項５に記載のように、セラミック質表面硬化材をセラミッククロスの表面に吹き付けて塗布すれば、塗装作業性がよく、広い面積にわたって均一な厚さに塗布することができる。

請求項６に記載のように、鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルを、鋼板の連続焼鈍炉またはめっき設備の合金化炉に設置されたものとすれば、連続焼鈍ラインや合金めっきラインの安定性を高めることができる。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本実施形態の一例における誘導加熱コイルの中央断面図で、セラミッククロス４の鋼板側にセラミック短繊維を含むセラミック質表面硬化材７による耐熱絶縁層を形成させた場合であり、１はコイル導体１ａとコイルフレーム１ｂとからなる誘導加熱コイル、２は誘導加熱コイル１を支持するベースである。この実施形態では誘導加熱コイル１は中央に鋼板Ｓを垂直に通す鋼板通路３を備えたソレノイド型である。しかし水平通板ができるように水平設置してもよい。

本発明の一例の図１（ａ）を用いて説明する。この誘導加熱コイル１の鋼板Ｓに面する側の表面、すなわち鋼板通路３に臨む表面は、セラミッククロス４とセラミック質表面硬化材７とからなる耐熱絶縁層により覆われている。すなわち、誘導加熱コイル１の鋼板通路３に臨む表面には、セラミッククロス４が固定具５，６によって固定されている。このセラミッククロス４の中央部は、シーラントを用いてコイルフレーム１ｂに接着しておくことが好ましい。そしてこのセラミッククロス４の表面には、セラミック質表面硬化材７が吹き付けられて均一厚さに塗布されている。

セラミッククロス４は従来から誘導加熱コイルの絶縁に使用されていたものであり、シリカ質やアルミナ−シリカ質のものがある。シリカ質のものについては、例えば日本グラスファイバー株式会社製のエヌシリカファイバー、アルミナ−シリカ質のものについては、例えばニチアス製のＴＯＭＢＯ No.８３５０ルビロンがある。更には耐熱性と絶縁性に優れたアルミナ−シリカ質のセラミック長繊維の織布を用いることが好ましい。耐熱性の点で最も好ましいのは、アルミナが７０〜８０％、シリカが３０〜２０％の組成である。なおこの組成中に、ボロンを含有しないことが好ましい。ボロンは高温で溶出してセラミック繊維を劣化させるおそれがあるためである。ここで長繊維とは、アルミナやシリカ等を主成分とする直径が数μｍ〜１０μｍ程度の非常に細いセラミック繊維をより合わせで糸としたもので、例えばアルミナの場合は５〜１０ｃｍの長さ、シリカの場合は５０ｃｍ或いはそれ以上の長さのもので、これを編んで布状のセラミッククロスとし得るセラミック繊維を指す。

セラミッククロス４の織り方には平織り、綾織り、朱子織りなど様々な種類があるが、本発明においては織り方の差による作用効果の差は認められないので、織り方は何れであっても差し支えない。またその厚さは０．３〜１．２ｍｍ程度でよい。このようなアルミナ−シリカ質のセラミッククロスとしては、例えば日本グラスファイバー株式会社から、超高温耐熱ファイバー「アルミナセブン」の商品名で市販されているものを使用することができる。

しかし前記したように、このセラミッククロス４のみでは金属微粒子の貫通を確実に防止することができないため、本発明ではその表面にセラミック短繊維を含むセラミック質表面硬化材７が塗布されている。このセラミック質表面硬化材７は、例えばアルミナまたはアルミナ−シリカ質の微粒子と、アルミナ−シリカ質のセラミック短繊維と、コロイダルシリカと、有機接着剤を含むものである。アルミナ−シリカ質の組成はアルミナが質量％で４０〜９５％、シリカが６０〜５％であるものをいい、微粒子のサイズとしては円相当直径で０．１〜５０μm程度である。セラミック短繊維としては、直径が数μｍ〜１０μｍ程度で長さが数μｍ〜５００μｍ程度のもので、バルクを解繊したものを用いることが好ましい。尚、バルクとはアルミナやシリカ等の原料を溶融加工して繊維化する過程で未繊維化の球状粒子（一般的にショットと呼ばれる）を除いて原綿状とした製品を言う。また有機接着剤としてはセルロース系の糊を用いることができる。

このようなセラミック質表面硬化材７は、例えば新日化サーマルセラミックス株式会社から、「サーモプレグ」の商品名で市販されているものを使用することができる。このセラミック質表面硬化材７は、セラミックファイバーの表面を硬化させてファイバーの飛散を防止することを目的とした商品であり、最高使用温度が１４００℃に達する耐熱性を備えている。

セラミッククロス４の表面にこのようなセラミック質表面硬化材７を塗布すると、図２に示すようにセラミッククロス４のメッシュにセラミック短繊維８が絡みつき、さらにセラミック粒子９が付着して、セラミッククロス４のメッシュを確実に塞ぐ。これらは全て同材質であるから、接着性も良好である。このために養生して硬化させた後には、亜鉛ヒュームなどの金属微粒子の侵入を完全に防止することができる。なおその塗装は塗装ガンによる吹付けにより行うことができるから、誘導加熱コイル１が筒状体である場合にも、内部まで容易に塗装可能である。セラミック質表面硬化材７は図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようにセラミッククロス４の鋼板側に塗布してもセラミッククロス４の誘導コイル側に塗布しても効果は同じであり、施工上の都合等によりいずれかを選択しても構わないし、誘導コイル側と鋼板側の両方に塗布すればより好ましい。但しセラミッククロス４の鋼板側にセラミック質表面硬化材７を塗布する場合、トラブルによる鋼板との接触によるセラミック質表面硬化材７の脱落防止としてセラミックなどの耐熱ボードやシートを被覆することが好ましい。同様に誘導加熱コイルが鋼板の水平パスに設置されている場合にも、鋼板の上側のセラミッククロス４の鋼板側に塗布されたセラミック質表面硬化材７の脱落防止として同様の措置をとることが望ましい。尚、これらの絶縁構造に加えて、従来より使用されている高温耐熱塗料（例えばオオタケセラム株式会社製「パイロコート」など）やセラミック接着剤（例えば新日化サーマルセラミックス株式会社製「サーモダイン」など）をコイル導体１b〜セラミック質表面硬化材７の間や最表層のセラミック質表面硬化材７上面、あるいは最表層のセラミッククロス上面に塗布してあっても構わない。

以上に説明したように、本発明の誘導加熱コイルの絶縁構造によれば、誘導加熱コイル１の鋼板通路３に面する表面をセラミッククロス４とセラミック質表面硬化材７とによって完全に覆い、数百〜４００℃の使用温度条件下において誘導加熱コイル１を絶縁保護することができるのみならず、鋼板通路３中に浮遊している亜鉛ヒュームなどの金属微粒子の侵入も完全に防止し、絶縁性の低下を防止することができる。このため誘導加熱コイル１の絶縁低下に起因するラインストップを確実に防止することができ、実ラインに採用したところ、図４のように本発明による誘導加熱コイルは設置後３ヶ月を経過しても絶縁抵抗は７ＭΩを維持していることが確認されている一方、従来のセラミッククロスのみで覆われた誘導加熱コイルは設置後２ヶ月程度で絶縁抵抗２ｋΩを下回るようになっており絶縁劣化が著しい。

上記した本発明の絶縁構造の効果を確認するため、以下の実験を行った。
（実験１：コーティング性試験）
本発明において使用したセラミック質表面硬化材である「サーモプレグ」と、これと化学成分は同じであるが短繊維を含まないセラミック接着剤である「サーモダイン」とを用い、冷却銅板およびアルミナクロス（前記した「アルミナセブン」）へのコーティング性能を比較した。なお「サーモダイン」は「サーモプレグ」と同じ新日化サーマルセラミックス株式会社の製品であり、化学組成はともにアルミナ＋シリカが９５％以上、最高使用温度が１４００℃である。

１００ｍｍ×１００ｍｍの水冷式銅板の表面に「サーモプレグ」と「サーモダイン」とを約１．５ｍｍの厚さになるよう刷毛によってそれぞれ塗布し、養生して２種類の試験片を製作した。これらの試験片に、３Ｌ／分の冷却水を通水して冷却しながら、６５０℃に保持した電気炉内に入れて２０分間加熱し、その後、室内で２０分間強制空冷する操作をワンセットとして５回繰り返し、試験片の表面の亀裂や脱落の発生状況を目視により確認した。

その結果、水冷式銅板の表面に「サーモダイン」を塗布した試験片は、養生終了段階において既に微細な亀裂が多発しており、１回目の加熱・冷却により部分的な膨れや剥離が発生した。これに対して水冷式銅板の表面に「サーモプレグ」を塗布した試験片は、養生終了段階においては亀裂や剥離は全く発生せず、５回の加熱・冷却を繰り返した後にも亀裂や剥離は全く認められなかった。

次にアルミナクロスの表面に「サーモプレグ」と「サーモダイン」とを約１．５ｍｍの厚さになるよう刷毛によってそれぞれ塗布し、養生して２種類の試験片を製作した。これらの試験片を６５０℃に保持した電気炉内に入れて２０分間加熱し、その後、室内で２０分間強制空冷する操作を５回繰り返し、亀裂や脱落の発生状況を目視で確認した。

その結果、アルミナクロスの表面に「サーモダイン」を塗布した試験片は、養生終了段階において既に微細な亀裂が多発し、１回目の加熱・冷却により部分的な膨れが発生した。これに対して「サーモプレグ」を塗布した試験片は、養生終了段階においてはもちろん、５回の加熱・冷却を繰り返した後にも亀裂や剥離は全く認められなかった。

このコーティング性試験の結果、短繊維を含む「サーモプレグ」は銅板に対してもアルミナクロスに対しても接着性が良好であり、加熱や冷却を繰り返しても亀裂や剥離を発生させないので、亜鉛ヒュームなどの金属微粒子の侵入を効果的に防止できるものと考えられる。

（実験２：耐電圧試験）
図３に示すように、電圧極１０の先端に４種類の試験片１１を取り付け、その表面に銅板製の接地極１２を接触させ、電圧極１０に印加する交流電圧を次第に高めながら接地極１２に流れる電流を検出し、４種類の試験片１１の耐電圧性能を試験した。電源は商用電源であり、これを２０００Ｖまで昇圧して使用した。なお試験条件は温度２４℃、湿度５２％である。

試験片１１は、銅板の表面に「サーモプレグ」のみを塗布したもの、銅板の表面にアルミナクロスと「サーモプレグ」を塗布したもの、銅板の表面に「サーモダイン」のみを塗布したもの、銅板の表面にアルミナクロスと「サーモダイン」を塗布したものの４種類である。

その結果、銅板の表面に「サーモプレグ」のみを塗布した試験片は１０００Ｖ付近にて充電電流が急増し、絶縁破壊された。しかし銅板の表面にアルミナクロスと「サーモプレグ」を塗布した本発明品は、２０００Ｖまで昇圧しても充電電流は７ｍＡ程度であり、試験中の電流値も安定しており、十分な耐電圧特性を示した。これに対して銅板の表面に「サーモダイン」のみを塗布した試験片は１３００Ｖで絶縁破壊した。また銅板の表面にアルミナクロスと「サーモダイン」を塗布した試験片は、２０００Ｖまで昇圧したときの充電電流は２０ｍＡ程度であり、かつ試験中の電流値は４〜１７ｍＡの範囲で変動し、やや不安定であった。

なお、１０００Ｖにおける抵抗値は上記の順に、１０ＭΩ、１３ＭΩ、２７ＭΩ、４０ＭΩであった。この結果から、総合的な耐電圧特性はアルミナクロスと「サーモプレグ」の組み合わせであった。

（実験３：亜鉛ヒューム存在下での耐電圧試験）
実際の補修された誘導加熱コイルの絶縁構造に近くなるように、アルミナクロスに「サーモダイン」を塗布したものとアルミナクロスに「サーモプレグ」を塗布したものとを２層に重ねて前記と同様の方法で耐電圧試験を行ったところ、２７００Ｖでも充電電流は８.３ｍＡであって優れた耐電圧特性を示した。なお試験条件は温度２６℃、湿度４６％である。

そこで亜鉛ヒュームを試験片の上面に散布した状態で同様に２７００Ｖまで昇圧したところ、充電電流は１２ｍＡまで上昇したが試験中も不安定な点はなく、亜鉛ヒューム存在下においても優れた耐電圧特性を持つことが確認された。

（実験４：耐熱性試験）
本発明を適用したシリカ質、アルミナ−シリカ質、ボロン無しのアルミナ−シリカ質によるセラミッククロスを、誘導加熱コイルと同様の材質の水冷銅板に貼り付け、更にこれにサーモプレグを塗布して、温度５００〜１２００℃×７２ｈｒ加熱して使用した結果を表１に示す。尚、絶縁評価は前述の実験２と同様の装置で、商用電源を２００Ｖまで昇圧し高電圧を印加しても、充電電圧が７ｍＡ程度と良好な耐電圧特性を有した場合に○、耐電圧特性が不良で絶縁破壊が発生した場合を×とした。また強度評価は、コイルにセラミッククロスを貼り付けた後に、高温処理中に垂れ下がり等を発生せずにその形態を保持できる場合を○、その形態を保持で着ない場合を×とした。

表１より、いずれの材料も６００℃までは良好な絶縁性や強度を示したが、８００℃以上の高温では、材料の絶縁性や強度低下がシリカ質、アルミナ−シリカ質の順で良好で、ボロン無しアルミナ−シリカ質が最も良好であった。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本実施形態における誘導加熱コイルの中央断面図である。 セラミッククロスのメッシュをセラミック短繊維とセラミック粒子が封鎖する様子を示す説明図である。 耐電圧実験に使用した器具の説明図である。 ４００℃における本発明と従来品のコイル−フレーム間の絶縁状況の比較図である。

１ 誘導加熱コイル
１ａ コイル導体
１ｂ コイルフレーム
２ ベース
３ 鋼板通路
４ セラミッククロス
５ 固定具
６ 固定具
７ セラミック質表面硬化材
８ セラミック短繊維
９ セラミック粒子
１０ 電圧極
１１ 試験片
１２ 接地極
Ｓ 鋼板

Claims (6)

1. 鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルの鋼板に面する側の表面にセラミッククロスを被覆する際に、セラミッククロスの誘導加熱コイル側および／または鋼板側にセラミック短繊維とセラミック微粒子とを含むセラミック質表面硬化材による耐熱絶縁層を形成することを特徴とする誘導加熱コイルの絶縁構造。
2. 鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルが、ソレノイド型であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイルの絶縁構造。
3. セラミック質表面硬化材が、アルミナまたはアルミナ−シリカ質の微粒子と、アルミナ−シリカ質のセラミック短繊維と、コロイダルシリカと、有機接着剤を含むものであることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイルの絶縁構造。
4. セラミック短繊維が、セラミックファイバーのバルクを解繊したものであることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイルの絶縁構造。
5. セラミック質表面硬化材をセラミッククロスの表面に吹き付け塗布し、耐熱絶縁層を形成したことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイルの絶縁構造。
6. 鋼板を誘導加熱する誘導加熱コイルが、鋼板の連続焼鈍炉またはめっき設備の合金化炉に設置されたものであることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱コイルの絶縁構造。

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