JP5298576B2 - 鋼材の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の熱処理方法に関し、詳しくは、鋼材を誘導加熱装置で熱処理する、特に、厚鋼板をソレノイド型誘導加熱装置で熱処理するのに好適な、鋼材の熱処理方法に関する。

従来のソレノイド型誘導加熱装置は、ホットストリップミルの粗バー加熱装置にみられるように、材料進行方向に加熱用インダクタコイル（略してインダクタ）を直列に配置し、一定周波数で一方向の材料移動中に加熱を完了するものが主体であった。ホットストリップミルでは、長尺の材料がテーブルローラで搬送され、そのローラで材料が速度制御されるので、材料進入速度に合わせた投入電力制御が簡単に実施できることが特徴であった。

一方、厚鋼板のような比較的短尺の材料に対して誘導加熱装置を用いて熱処理する技術としては、特許文献１に、ソレノイド型誘導加熱装置の前後に搬送装置を設けて、この搬送装置で鋼材を誘導加熱装置内に１往復以上通して加熱（リバース加熱）すること、また、加熱終了パスに近づくにつれて各加熱パス時の誘導加熱装置の投入電力を順次減少させることが開示されている。

また、特許文献２に、鋼材寸法に応じてソレノイド型誘導加熱装置の投入電力を加減して鋼材の表層のみを加熱すること、あるいは２つ以上間隔を空けて並べたソレノイド型誘導加熱装置内に鋼材を通して間欠加熱することが開示されている。
このように厚鋼板においては、設備長が短く省スペースの誘導加熱装置を用いて、リバース加熱することにより、高い昇熱速度と均熱性を同時に得られることが特徴である。
特開２００２−２２６９１２号公報 特開２００３−０８２４１２号公報

前述のように、ホットストリップミルのソレノイド型誘導加熱装置による粗バー加熱では、一方向搬送であるから、例えば材料の搬送速度を上げることで簡単に加熱処理の生産性を向上させることができる。
厚鋼板をソレノイド型誘導加熱装置でリバース加熱する熱処理においても生産性を向上させることが求められる。しかし、前記特許文献１には生産性向上について記載されていない。前記特許文献２では、同文献記載の発明が生産性を阻害しないものである旨記載されているが、さらなる生産性向上のための指針は述べられていない。

発明者らは、さらなる生産性向上のために、リバース加熱での熱処理において厚鋼板の搬送方向転換時の誘導加熱装置からの離間距離をゼロに近づけることを検討したが、そのようにすると、加熱が不安定になるという課題が生じることがわかった。
そこで、本発明は、誘導加熱装置による鋼材の安定加熱状態を確保しつつ生産性向上を可能にする鋼材の熱処理方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた本発明は以下のとおりである。
１．誘導加熱装置で鋼材を加熱して熱処理する方法において、該鋼材を前記誘導加熱装置の上流側から下流側への順方向に搬送しながら前記加熱を行い、該加熱の終了後、前記鋼材を前記順方向とは反対の方向である逆方向に搬送しながら前記加熱を行うにあたり、前記鋼材の搬送方向転換時の前記誘導加熱装置との離間距離を、前記鋼材を搬送する搬送テーブルの起動応答特性（因子１）、前記誘導加熱装置のインバータ起動応答特性（因子２）、該インバータによるインダクタの起動への材料（鋼材）磁気の影響範囲（因子３）、および前記インバータによるインダクタの起動前の待機電流磁場からの漏洩磁束の鋼材への影響範囲（因子４）の各々に基づく必要最小限の転向離間距離のうち最大のものとして決定した正の下限値以上とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。

２．前記鋼材を前記逆方向に搬送しながら前記加熱を行った後、引き続き前記順方向に搬送しながら前記加熱を行うことを特徴とする前項１に記載の鋼材の熱処理方法。
３．前記鋼材の搬送方向転換を複数回繰り返して前記加熱を複数回行うことを特徴とする前項１または２に記載の鋼材の熱処理方法。

４．前記下限値を１ｍとしたことを特徴とする前項１〜３のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法。
５．前記誘導加熱装置をソレノイド型誘導加熱装置とし、前記下限値を該ソレノイド型誘導加熱装置の開口部短径の６倍としたことを特徴とする前項１〜３のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法。

本発明によれば、誘導加熱装置を用いて厚鋼板のような比較的短尺の鋼材を熱処理するときでも、省スペース・省インダクタを実現しながら、起動・停止・逆転のサイクル中に発生する速度変動や電磁障害による鋼材の不安定加熱および投入電力制御に対する速度変動外乱を回避でき、高精度な温度制御を実現することができる。

図１は、誘導加熱装置による厚鋼板の熱処理方法を示す概略図である。誘導加熱装置1はソレノイド型のものであり、複数のインダクタコイル2を、図示しない圧延機の出側搬送ライン内に直列に配置してなる。鋼材または材料でもある厚鋼板10を、搬送テーブル3で誘導加熱装置1の上流側から下流側への方向である順方向に搬送し、材料10が誘導加熱装置1を通り抜ける間に誘導加熱装置1で加熱し、次いで材料10を搬送テーブル3で順方向とは反対の方向である逆方向に搬送し、材料10が誘導加熱装置1を通り抜ける間に誘導加熱装置1で再び加熱し、あるいはさらに、これを繰り返すことによって熱処理される。このような加熱方法をリバース加熱という。なお、材料10を最初に誘導加熱装置1に順方向に通すときの加熱を省略する場合もある。

誘導加熱装置1で材料10をリバース加熱するときは、回路保護のためにインダクタコイル2に待機電流を流しておき、材料10の先端が誘導加熱装置1に進入するとインダクタコイル2の電流を待機電流から所定の加熱電力を付与する電流（加熱電流）へ上げて材料10を加熱し、材料10の後端が誘導加熱装置1を抜けると、インダクタコイル2の電流を加熱電流から待機電流まで下げて、材料10の搬送を停止した後、逆方向に搬送して再び誘導加熱装置1に進入させて加熱するというサイクルを繰り返す。

設備長を短くした省スペース・省インダクタの誘導加熱装置を用いて、厚鋼板をリバース加熱するときに、高い昇熱速度と均熱性を同時に得るには、リバース加熱における前記サイクルの中で効率的な電力制御ができるように誘導加熱装置と材料との離間距離を適切に設定しなければならない。なお、離間距離は、図１に示すように、材料10が誘導加熱装置1の上流側にある場合は、材料10先端と誘導加熱装置1の最上流段のインダクタコイル2の最上流端との間の距離であり、材料10が誘導加熱装置1の下流側にある場合は、材料10後端と誘導加熱装置1の最下流段のインダクタコイル2の最下流端との間の距離である。

また、放冷を少なくして生産性を上げるためには搬送方向転換時の材料と誘導加熱装置との離間距離を小さくするのが有効であるが、この搬送方向転換時の材料と誘導加熱装置との離間距離（以下、略して転向離間距離という）を小さくしすぎると電磁障害により材料10を安定して加熱できなくなる。
というのは、転向離間距離が小さすぎると誘導加熱装置のインバータによるインダクタの起動（待機電流から加熱電流への切替え）への材料（鋼材）磁気の影響や、材料に対する待機電流通電時の漏洩磁束の影響が強くなりすぎて、インダクタの起動が乱されたり、材料の先端あるいは後端が過加熱されやすくなり、さらには、搬送テーブルのテーブルローラなどの導体と材料との間でスパークが生じ、材料やテーブルローラに疵が生じることもある。

これらの問題は、転向離間距離を所定の下限値以上とすることにより解決できる。
この所定の下限値は、前記問題を生じさせない必要最小限の値であることが最適であり、そのためには、前記下限値を、搬送テーブルの起動応答特性（因子1）、誘導加熱装置のインバータ起動応答特性（因子2）、該インバータによるインダクタの起動への材料（鋼材）磁気の影響範囲（因子3）、および前記インバータによるインダクタの起動前の待機電流磁場からの漏洩磁束の鋼材への影響範囲（因子4）に基づいて決定することが好ましい。以下これらの因子を用いた前記下限値の決定方法について説明する。

因子1としては、搬送テーブルのテーブルローラと材料がスリップすることなく同期して加速できる最大応答の時定数τを用いるとよい。速度安定までに前記時定数τの３倍（3τ）以上の時間を確保する必要があると考えられるから、材料加熱時の実用限界速度がVmaxである場合、因子1に基づく必要最小限の転向離間距離は、（Vmax /2）×3τなる式で算出するとよい。

因子2としては、起動用インバータ（インジェクタ）が起動するまでの実用限界待ち時間ｔmaxを用い、因子2に基づく必要最小限の転向離間距離は、Vmax×ｔmaxなる式で算出するとよい。
因子3、因子4は、実験あるいは計算で求めたそれぞれの影響範囲の通材方向長さをそのまま因子3、因子4に基づく必要最小限の転向離間距離とすればよい。なお、ソレノイド型誘導加熱装置で厚鋼板をリバース加熱する場合について、発明者らが検討した結果によると、因子3に基づく必要最小限の転向離間距離は、誘導加熱装置の開口部短径の６倍とすれば、インダクタの起動を安定化できて好適である。

以上の要領で求めた因子1〜4の各々に基づく必要最小限の転向離間距離のうち最大のものを前記下限値とする。
特許文献１の実施例に記載されたソレノイド型誘導加熱装置、すなわち、間口は幅4700ｍｍ、高さ200ｍｍで、長さが１ｍのドーナツ型コイルの中を厚鋼板を通過させて加熱するものを用いて、厚鋼板をリバース加熱する場合について、前記要領で具体的に求めた因子1〜4の各々に基づく必要最小限の転向離間距離Lminは、次のとおりであった。
・因子1に基づくもの：τ＝200ｍｓ、Vmax＝２ｍ/ｓであることから、Lmin＝（Vmax /2）×3τ＝0.6ｍ。
・因子2に基づくもの：tmax＝500ｍｓであることから、Lmin＝Vmax×ｔmax＝１ｍ。
・因子3に基づくもの：誘導加熱装置の開口部短径＝150ｍｍであることから、Lmin＝150ｍｍ×６＝0.9ｍ。
・因子4に基づくもの：コイルに待機電流（10kA,1500Hz）を通電した状態での漏洩磁束の測定結果から、Lmin＝１ｍ。

よって、この場合、前記下限値は１ｍとすればよい。
以上の説明では、ソレノイド型誘導加熱装置で厚鋼板をリバース加熱する場合への本発明適用形態を主な内容としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、鋼材が厚鋼板以外の例えば形鋼、鋼管等である場合や、また、誘導加熱装置がソレノイド型以外のものである場合にも、同様に適用されうることはいうまでもない。

厚鋼板（熱間圧延後に直接焼入れまたは加速冷却されたもの）を、特許文献１の実施例のような強磁束密度（0.3テスラ以上）のインダクタを有する、図１に示した形態のソレノイド型誘導加熱装置でリバース加熱する熱処理（この場合、焼戻しである）操業において、本発明の実施例として転向離間距離が前記要領に従って決定した下限値１ｍを下回らないように管理して操業を行った。その結果、かかる管理を行わずに操業していた従来の実績と比較して、加熱不安定やスパーク等によるトラブル発生頻度は約90％減となり、生産性（製品スループット）は約70％増となった。

誘導加熱装置による厚鋼板の熱処理方法を示す概略図である。

符号の説明

1 誘導加熱装置（ソレノイド型誘導加熱装置）
2 インダクタコイル
3 搬送テーブル
10 厚鋼板（鋼材または材料でもある）

Claims (5)

1. 誘導加熱装置で鋼材を加熱して熱処理する方法において、該鋼材を前記誘導加熱装置の上流側から下流側への順方向に搬送しながら前記加熱を行い、該加熱の終了後、前記鋼材を前記順方向とは反対の方向である逆方向に搬送しながら前記加熱を行うにあたり、前記鋼材の搬送方向転換時の前記誘導加熱装置との離間距離を、前記鋼材を搬送する搬送テーブルの起動応答特性（因子１）、前記誘導加熱装置のインバータ起動応答特性（因子２）、該インバータによるインダクタの起動への鋼材磁気の影響範囲（因子３）、および前記インバータによるインダクタの起動前の待機電流磁場からの漏洩磁束の鋼材への影響範囲（因子４）の各々に基づく必要最小限の転向離間距離のうち最大のものとして決定した正の下限値以上とすることを特徴とする鋼材の熱処理方法。
2. 前記鋼材を前記逆方向に搬送しながら前記加熱を行った後、引き続き前記順方向に搬送しながら前記加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼材の熱処理方法。
3. 前記鋼材の搬送方向転換を複数回繰り返して前記加熱を複数回行うことを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の熱処理方法。
4. 前記下限値を１ｍとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法。
5. 前記誘導加熱装置をソレノイド型誘導加熱装置とし、前記下限値を該ソレノイド型誘導加熱装置の開口部短径の６倍としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の熱処理方法。

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