JP4369332B2 - トランスバース型誘導加熱装置及びトランスバース型誘導加熱システム - Google Patents
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Description
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及びトランスバース型誘導加熱装置を複数台用いたトランスバース型誘導加熱システムに関する。
従来、被圧延材の板幅中央部を再加熱する手段として、板全幅を加熱するソレノイド型誘導加熱装置がある。（例えば、特開平１０−１２８４２４号公報を参照。）
こ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。
特開平１０−１２８４２４号公報（第５頁、図１）
こ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。
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、仕上げ圧延前に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り、加熱設備の設置場所が制約される問題点があった。
また、板全幅が加熱されるため、板幅中央部のみを加熱しようとした場合、無駄な電力が消費されるという問題があった。
また、鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台複数台のトランスバース型誘導加熱装置を設置した場合に、上流側の誘導加熱装置を被圧延材の板先端が通過後に電源がトリップすることがあった。
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、仕上げ圧延前に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り、加熱設備の設置場所が制約される問題点があった。
また、板全幅が加熱されるため、板幅中央部のみを加熱しようとした場合、無駄な電力が消費されるという問題があった。
また、鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台複数台のトランスバース型誘導加熱装置を設置した場合に、上流側の誘導加熱装置を被圧延材の板先端が通過後に電源がトリップすることがあった。
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、被圧延材板幅中央部の板表面と板厚み中央をほぼ均一に加熱し、板表面の過昇温をなくした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するものである。
また、鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台複数台のトランスバース型誘導加熱装置を設置したトランスバース型誘導加熱システムであって、被圧延材の板先端が上流側の誘導加熱装置を通過後に電源がトリップするのを防止できるトランスバース型誘導加熱システムを提供することを目的とするものである。
また、鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台複数台のトランスバース型誘導加熱装置を設置したトランスバース型誘導加熱システムであって、被圧延材の板先端が上流側の誘導加熱装置を通過後に電源がトリップするのを防止できるトランスバース型誘導加熱システムを提供することを目的とするものである。
この発明に係るトランスバース型誘導加熱装置は、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、上記被圧延材の板厚をｔｗ（ｍ）としたときに、
下記式（１）の電流浸透深さδが下記式（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、上記被圧延材の板幅中央部の板表面と板厚み中央がほぼ均一に加熱されるものである。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ………（１）
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２）
下記式（１）の電流浸透深さδが下記式（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、上記被圧延材の板幅中央部の板表面と板厚み中央がほぼ均一に加熱されるものである。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ………（１）
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２）
また、この発明に係るトランスバース型誘導加熱システムは、上述したトランスバース型誘導加熱装置を上記鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台設置したトランスバース型誘導加熱システムであって、複数台の上記トランスバース型誘導加熱装置のインダクタにそれぞれ個別に交流電源を接続して、上記個別の交流電源の加熱周波数を鉄鋼熱延ラインの上流からＦ１、Ｆ２、・・・Ｆｎとし、かつ、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 ”の関係式を満足するように設定されているものである。
この発明によるにトランスバース型誘導加熱装置によれば、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、前掲の式（１）の電流浸透深さδが前掲の式（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、被圧延材板幅中央部の板表面／板厚み中央をほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
また、この発明によるにトランスバース型誘導加熱システムによれば、被圧延材の板先端が上流側の誘導加熱装置を通過後に電源がトリップするのを防止できる。
また、この発明によるにトランスバース型誘導加熱システムによれば、被圧延材の板先端が上流側の誘導加熱装置を通過後に電源がトリップするのを防止できる。
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とこのトランスバース型誘導加熱装置によって誘導加熱される被圧延材の板幅方向距離と平均昇温値の関係を示す図である。
図２は、図１（ａ）に示した本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱装置において、浸透深さ（δ）に対する板厚（ｔｗ）の比率（ｔｗ／δ）と板厚み中央の発熱密度に対する板表面の発熱密度の比率（板表面／板中央発熱密度）との関係を示す図、図３は、図２の要部を拡大した図である。
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。
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とこのトランスバース型誘導加熱装置によって誘導加熱される被圧延材の板幅方向距離と平均昇温値の関係を示す図である。
図２は、図１（ａ）に示した本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱装置において、浸透深さ（δ）に対する板厚（ｔｗ）の比率（ｔｗ／δ）と板厚み中央の発熱密度に対する板表面の発熱密度の比率（板表面／板中央発熱密度）との関係を示す図、図３は、図２の要部を拡大した図である。
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。
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、被圧延材１の板幅端部から鉄心２ａ，３ａまでの距離を少なくとも１５０ｍｍ以上離して、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。
なお、「被圧延材１の板幅端部から鉄心２ａ，３ａまでの距離」とは、被圧延材１の板面と平行する方向において、被圧延材１の板幅端部と鉄心２ａまたは鉄心３ａの外周面までの距離（即ち、図１のＡあるいはＡ′で示した距離）のことである。
これにより、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含む鉄心幅領域分を加熱することが実験によって確認できた。
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、被圧延材１の板幅端部から鉄心２ａ，３ａまでの距離を少なくとも１５０ｍｍ以上離して、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。
なお、「被圧延材１の板幅端部から鉄心２ａ，３ａまでの距離」とは、被圧延材１の板面と平行する方向において、被圧延材１の板幅端部と鉄心２ａまたは鉄心３ａの外周面までの距離（即ち、図１のＡあるいはＡ′で示した距離）のことである。
これにより、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含む鉄心幅領域分を加熱することが実験によって確認できた。
なお、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。
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。
下記式（１）は、本実施の形態１によるトランスバース型誘導加熱装置において、誘導加熱による電流浸透深さδ（ｍ）の計算式を示す。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ……… （１）
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）、πは円周率である。
式（１）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第２図及び第３図に示されている。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ……… （１）
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）、πは円周率である。
式（１）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第２図及び第３図に示されている。
ここで、板厚み中央発熱密度に対する板表面発熱密度の比は、被圧延材１の板厚ｔｗと電流浸透深さδを用いて、下記の式（３）のように表すことが出来る。
板表面発熱密度／板厚み中央発熱密度
＝ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ………（３）
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、板厚み中央発熱密度に対する板表面発熱密度の比（即ち、板表面発熱密度／板厚み中央発熱密度）を１．０３以下にすることにより、板厚み方向でほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
板表面発熱密度／板厚み中央発熱密度
＝ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ………（３）
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、板厚み中央発熱密度に対する板表面発熱密度の比（即ち、板表面発熱密度／板厚み中央発熱密度）を１．０３以下にすることにより、板厚み方向でほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
この関係を満足するためには、被圧延材１の板厚ｔｗと電流浸透深さδとの関係が下記の式（２）を満足するよう周波数を選択すればよい。
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２）
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４１３Ｈｚ、ｔｗ＝３０ｍｍでは２８７Ｈｚ、ｔｗ＝４０ｍｍでは１６１Ｈｚより低い適切な加熱周波数を選定すれば、板厚み中央発熱密度に対する板表面発熱密度の比は１．０３以下となり、板厚み方向でほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２）
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４１３Ｈｚ、ｔｗ＝３０ｍｍでは２８７Ｈｚ、ｔｗ＝４０ｍｍでは１６１Ｈｚより低い適切な加熱周波数を選定すれば、板厚み中央発熱密度に対する板表面発熱密度の比は１．０３以下となり、板厚み方向でほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
図４は、トランスバース型の誘導加熱装置とソレノイド型の誘導加熱装置の板厚み方向に対する発熱密度分布を説明するための図である。
図において、５はソレノイド型誘導加熱装置の特性を、６はトランスバース型の誘導加熱装置の特性を示している。
ソレノイド型誘導加熱装置は、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、トランスバース型誘導加熱装置は、適切な周波数を選定することにより、特性６に示すように板厚み方向距離に対して発熱分布をほぼ均一にすることができる。
図において、５はソレノイド型誘導加熱装置の特性を、６はトランスバース型の誘導加熱装置の特性を示している。
ソレノイド型誘導加熱装置は、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、トランスバース型誘導加熱装置は、適切な周波数を選定することにより、特性６に示すように板厚み方向距離に対して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（例えば、２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に対応しても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（２）を満たすことができる。
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（２）を満たすことができる。
以上説明したように、本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱装置は、鉄心２ａ、３ａと、この鉄心２ａ、３ａにそれぞれ巻回されたコイル２ｂ、３ｂとからなるインダクタ２、３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１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、上記被圧延材の板厚をｔｗ（ｍ）としたときに、下記式（１）の電流浸透深さδが下記式（２）を満足させるように、交流電源４の加熱周波数が設定されている。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ………（１）
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２）
その結果、本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱装置、被圧延材板幅中央部の板表面／板厚み中央をほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ………（１）
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２）
その結果、本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱装置、被圧延材板幅中央部の板表面／板厚み中央をほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温を防止することができる。
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と動作を説明するための図である。
図５（ａ）に示すように、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。
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と動作を説明するための図である。
図５（ａ）に示すように、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，１０ａ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。
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。
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。
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（急激に）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。
板表面は平均昇温値２０°Ｃの設定に対して一時に（急激に）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、トランスバース型の誘導加熱装置とソレノイド型の誘導加熱装置による加熱前後の板温度履歴を示す図である。
ソレノイド型誘導加熱装置では昇温設定温度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、トランスバース型誘導加熱装置では数秒以内で収束する。
図６は、トランスバース型の誘導加熱装置とソレノイド型の誘導加熱装置による加熱前後の板温度履歴を示す図である。
ソレノイド型誘導加熱装置では昇温設定温度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、トランスバース型誘導加熱装置では数秒以内で収束する。
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（上インダクタ）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（下インダクタ）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。
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（上インダクタ）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（下インダクタ）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。
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。
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。
図８は、被圧延材８と上側のインダクタ９の鉄心及び下側のインダクタ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４におけるトランスバース型誘導加熱装置の構成を示す図である。
図において、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。
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９は、この発明の実施の形態４におけるトランスバース型誘導加熱装置の構成を示す図である。
図において、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。
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、実施の形態４におけるトランスバース型誘導加熱装置において、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す図である。
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。
図１１は、実施の形態４におけるトランスバース型誘導加熱装置において、（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。
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。
図１１は、実施の形態４におけるトランスバース型誘導加熱装置において、（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。
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。
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。
実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５におけるトランスバース型誘導加熱システムの構成と動作を説明するための図である。
本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱システムは、鉄鋼圧延ラインの上流から下流に向かって、実施の形態１による構成を有したトランスバース型誘導加熱装置を複数台配置していることを特徴とする。
なお、図１２は、鉄鋼圧延ラインの上流側に第１の誘導加熱装置１９を、下流側に第２の誘導加熱装置２０を配置した場合を示している。
また、図１２（ａ）は、被圧延材１７の先端部（板先端）が第１の誘導加熱装置１９のインダクタ１９ａ間を通過し始める時、図１２（ｂ）は、被圧延材１７の最後尾（板尾端）が第１の誘導加熱装置１９のインダクタ１９ａ間を通過し始める時を示している。
図１２は、この発明の実施の形態５におけるトランスバース型誘導加熱システムの構成と動作を説明するための図である。
本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱システムは、鉄鋼圧延ラインの上流から下流に向かって、実施の形態１による構成を有したトランスバース型誘導加熱装置を複数台配置していることを特徴とする。
なお、図１２は、鉄鋼圧延ラインの上流側に第１の誘導加熱装置１９を、下流側に第２の誘導加熱装置２０を配置した場合を示している。
また、図１２（ａ）は、被圧延材１７の先端部（板先端）が第１の誘導加熱装置１９のインダクタ１９ａ間を通過し始める時、図１２（ｂ）は、被圧延材１７の最後尾（板尾端）が第１の誘導加熱装置１９のインダクタ１９ａ間を通過し始める時を示している。
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第１の誘導加熱装置１９，第２の誘導加熱装置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。
被圧延材１７の進行方向にライン上流から第１の誘導加熱装置１９，第２の誘導加熱装置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）の周波数が下記の式（４）を満たすように設定する。
Ｆ１ ＞ Ｆ２×Ｋ ＞ ・・・ ＞ Ｆｎ×Ｋｎ−１ ……… （４）
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。
従って、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。
Ｆ１ ＞ Ｆ２×Ｋ ＞ ・・・ ＞ Ｆｎ×Ｋｎ−１ ……… （４）
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。
従って、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。
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。
以上説明したように、本実施の形態によるトランスバース型誘導加熱システムは、実施の形態１に記載のトランスバース型誘導加熱装置を上記鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台設置したトランスバース型誘導加熱システムであって、複数台のトランスバース型誘導加熱装置のインダクタにそれぞれ個別に交流電源を接続して、上記個別の交流電源の加熱周波数を鉄鋼熱延ラインの上流からＦ１、Ｆ２、・・・Ｆｎとし、かつ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”の関係式を満足するように設定されているので、鉄鋼熱延ライン上流側の交流電源の周波数を下流側の交流電源の周波数より高くすることができ、上流側の誘導加熱装置を被圧延材の板先端が通過後に電源がトリップするのを防止できる。
この発明は、被圧延材板幅中央部の板表面／板厚み中央をほぼ均一に加熱でき、板表面の過昇温をなくしたトランスバース型誘導加熱装置あるいはトランスバース型誘導加熱システムの実現に有用である。
１、 被圧延材 ２、３ インダクタ
２ａ、３ａ、９ａ、１０ａ 鉄心
２ｂ、３ｂ、９ｂ、９ｃ、１０ｂ、１０ｃ コイル
７ａ、７ｂ 搬送コイル
８ 被圧延材
１７ 被圧延材
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 搬送ロール
１９ 第１の誘導加熱装置
２０ 第２の誘導加熱装置
１９ａ、２０ａ インダクタ
２ａ、３ａ、９ａ、１０ａ 鉄心
２ｂ、３ｂ、９ｂ、９ｃ、１０ｂ、１０ｃ コイル
７ａ、７ｂ 搬送コイル
８ 被圧延材
１７ 被圧延材
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 搬送ロール
１９ 第１の誘導加熱装置
２０ 第２の誘導加熱装置
１９ａ、２０ａ インダクタ
Claims (9)
- 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、上記被圧延材の板厚をｔｗ（ｍ）としたときに、
下記式（１）の電流浸透深さδが下記式（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、上記被圧延材の板幅中央部の板表面と板厚み中央がほぼ均一に加熱されることを特徴とするトランスバース型誘導加熱装置。
δ ＝ ｛ρ／（μ・ｆ・π）｝１／２ ………（１）
1.0 ＜ ｛ cosh（ｔw／δ) ＋ cos（ｔw／δ) ｝／2 ＜ 1.03 ………（２） - 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請求項１に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 上記各コイルを直列に接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 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請求項１〜３のいずれか１項に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 上記各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請求項１〜４のいずれか１項に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 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請求項５に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 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請求項１〜６のいずれか１項に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 上記各インダクタの鉄心幅を上記被圧延材の板幅から３００ｍｍを減じた値以下とし、かつ、上記被圧延材の板面と平行する方向において、上記被圧延材の板幅端部と上記鉄心の外周面の間の距離を１５０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項６に記載のトランスバース型誘導加熱装置。
- 請求項１に記載のトランスバース型誘導加熱装置を上記鉄鋼熱延ラインの上流から下流に複数台設置したトランスバース型誘導加熱システムであって、
複数台の上記トランスバース型誘導加熱装置のインダクタにそれぞれ個別に交流電源を接続して、上記個別の交流電源の加熱周波数を鉄鋼熱延ラインの上流からＦ１、Ｆ２、・・・Ｆｎとし、かつ、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
の関係式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システム。
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