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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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