KR101121530B1 - 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는, 가열 처리 대상의 금속재의 양 에지부에서의 승온을 소정의 값으로 제어 가능한 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 제공하는 것이다. 가열 처리 대상의 금속재(100)의 한쪽의 에지부를 가열하는 제1 C형 인덕터(11) 및 금속재(100)의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 제2 C형 인덕터(21)와, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)에 급전하는 인버터(30)의 출력 전압을 감시하는 전압 감시 장치(140)와, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 가열 코일에 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 제1 및 제2 전류 감시 장치(120, 220)와, 동일 시각에 있어서의 출력 전압과 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 금속재(100)의 가열 처리 중에 있어서의 제1 및 제2 임피던스치가 소정치가 되도록 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 리얼타임으로 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다.
금속재, C형 인덕터, 전류 감시 장치, 전압 감시 장치, 제어 장치

Description

유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법{INDUCTION HEATER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 금속재의 유도 가열 장치에 관한 것이며, 특히 금속재의 에지부를 가열하는 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법에 관한 것이다.
처리 대상인 소정의 온도로 가열된 피가열재(예를 들어 강판 등의 금속재)를 압연기로 처리함으로써, 원하는 판 두께의 제품이 생산되고 있다. 최근에는, 금속재의 양 에지부에 있어서의 온도 강하에 대한 폭 방향 온도의 균일화로 인해, 금속재의 양 에지부를 가열하는 유도 가열 장치, 예를 들어 C형 에지 히터를, 생산 라인에 설치하는 것이 일반화되어 있다. C형 에지 히터의 C형 인덕터의 철심과 가열 처리 대상의 금속재와의 겹침 부분의 치수(이하에 있어서,「랩량」이라 함)를 규정하고, 이 규정된 랩량이 되도록, 금속재의 양 에지부에 배치되는 C형 에지 히터의 위치가 설정된다.
그러나, 반송 과정에 있어서 금속재가 어느 한쪽의 사이드로 어긋나거나, 가열로의 온도 불균일 등에 의해, 금속재의 양 에지부의 온도 상태는 반드시 동일하지 않고, 금속재의 양 에지부를 균등하게 승온할 수 없는 경우도 있었다.
또한, 유도 가열 장치에 의해 금속재에 발생한 와전류가 유기(誘起) 전류를 발생시키고, 이 유기 전류가 금속재에 아크 손상을 일으키는 아크 스폿이 발생하는 경우가 있다. 아크 스폿은, 양 에지부에 발생하는 유도 전류의 언밸런스에 의해 조장된다.
금속재의 양 사이드에 배치된 C형 인덕터와 일대일로 배치되는 각 인버터의 출력 주파수와 출력 전류를 계산함으로써, 금속재의 양 에지부를 균등하게 가열하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 상기 제안된 기술에서는, 양 에지부의 승온을 균등하게 하는 수단으로서, 출력 전력을 조정하거나, C형 에지 히터의 대차 위치를 조정한다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평11-144853호 공보
그러나, 상기한 방법은 인버터와 C형 인덕터가 일대일의 관계로 구성된 경우에만 적용 가능하고, 1대의 인버터로부터 복수대의 C형 인덕터에 급전하는 경우에는 적용할 수 없다. 아크 스폿을 저감시키기 위해, 금속재의 양 사이드에 설치하는 C형 인덕터에 공급되는 전력이 균등해지도록, 인버터는 1대로 하는 것이 일반적이다. 또한, 상기한 방법에서는 인버터로부터의 출력 전류를 감시하고 있고, C형 인덕터의 가열 코일에 흐르는 인덕터 전류를 감시하고 있는 것은 아니다. C형 인덕터의 전력 제어를 목적으로 하는 것이면, 인버터의 출력 전류가 아니라 C형 인덕터에 흐르는 인덕터 전류를 직접 검출하는 것이 필요하다.
상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 가열 처리 대상의 금속재의 양 에지부에서의 승온을 소정의 값으로 제어 가능한 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, (가) 가열 처리 대상인 금속재의 한쪽의 에지부를 가열하는 제1 C형 인덕터 및 금속재의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 제2 C형 인덕터와, (나) 제1 및 제2 C형 인덕터에 급전하는 인버터와, (다) 인버터의 출력 전압을 감시하는 전압 감시 장치와, (라) 제1 및 제2 C형 인덕터의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 제1 및 제2 전류 감시 장치와, (마) 금속재의 가열 처리 개시 직후의 출력 전압과 제1 및 제2 인덕터 전류로부터 제1 및 제2 임피던스치의 초기치를 각각 산출하고, 또한, 금속재의 가열 처리 중의 동일 시각에 있어서의 출력 전압과 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 금속재의 가열 처리 중에 있어서의 제1 및 제2 임피던스치가 초기치와 각각 동일하게 되도록, 금속재에 대한 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 리얼타임으로 제어하는 제어 장치를 구비하는 유도 가열 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 제1 및 제2 C형 인덕터를 갖는 유도 가열 장치의 제어 방법이며, (가) 제1 C형 인덕터에 의해 가열 처리 대상인 금속재의 한쪽의 에지부를 가열하고, 제2 C형 인덕터에 의해 금속재의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 스텝과, (나) 제1 및 제2 C형 인덕터에 급전하는 인버터의 출력 전압을 감시하는 스텝과, (다) 금속재의 가열 처리 중에 제1 및 제2 C형 인덕터의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 스텝과, (라) 금속재의 가열 처리 개시 직후의 출력 전압과 제1 및 제2 인덕터 전류로부터 제1 및 제2 임피던스치의 초기치를 각각 산출하는 스텝과, (마) 금속재의 가열 처리 중의 동일 시각에 있어서의 출력 전압과 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 금속재의 가열 처리 중에 있어서의 제1 및 제2 임피던스치가 초기치와 각각 동일하게 되도록, 금속재에 대한 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 리얼타임으로 제어하는 스텝을 포함하는 유도 가열 장치의 제어 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 가열 처리 대상의 금속재의 양 에지부에서의 승온을 소정의 값으로 제어 가능한 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 제공할 수 있다.
다음에, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 번호를 부여하고 있 다. 또한, 이하에 나타낸 실시 형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것이며, 본 발명의 실시 형태는 구성 부품의 구조, 배치 등을 하기의 것에 특정하는 것은 아니다. 본 발명의 실시 형태는 특허 청구 범위에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 가열 처리 대상의 금속재(100)의 한쪽의 에지부를 가열하는 제1 C형 인덕터(11) 및 금속재(100)의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 제2 C형 인덕터(21)와, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)에 급전하는 인버터(30)와, 인버터(30)의 출력 전압을 감시하는 전압 감시 장치(140)와, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 제1 및 제2 전류 감시 장치(120, 220)와, 동일 시각에 있어서의 출력 전압과 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 금속재(100)의 가열 처리 중에 있어서의 제1 및 제2 임피던스치가 소정치가 되도록, 금속재(100)에 대한 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 리얼타임으로 제어하는 제어 장치(50)를 구비한다.
도 1에 도시한 유도 가열 장치(1)는, 가열 처리 대상의 금속재(100)의 양측에 제1 C형 인덕터(11)와 제2 C형 인덕터(21)를 갖는 C형 에지 히터이다. 또한, 제1 C형 인덕터(11)는, 생산 라인의 인버터(30)측(이하에 있어서,「드라이브 사이드」라 함)에 배치된「드라이브 사이드 C형 인덕터」이다. 제2 C형 인덕터(21)는, 금속재(100)를 사이에 두고 드라이브 사이드와 대향하는 측(이하에 있어서,「워크 사이드」라 함)에 배치된「워크 사이드 C형 인덕터」이다. 즉, 유도 가열 장치(1) 는, 금속재(100)의 드라이브 사이드의 에지부와, 드라이브 사이드의 에지부에 대향하는 워크 사이드의 에지부를 가열한다.
제1 C형 인덕터(11)는, 개구부(110)를 사이에 두고 상하의 철심(11a, 11b)과, 철심(11a, 11b)에 각각 감아 돌려진 가열 코일(11c, 11d)을 갖는다. 마찬가지로, 제2 C형 인덕터(21)는, 개구부(210)를 사이에 두고 상하의 철심(21a, 21b)과, 철심(21a, 21b)에 각각 감아 돌려진 가열 코일(21c, 21d)을 갖는다.
금속재(100)는 제1 C형 인덕터(11)와 제2 C형 인덕터(21) 사이에 배치되고, 지면(紙面)에 수직인 방향(이하에 있어서,「반송 방향」이라 함)으로 금속재(100)는 반송된다. 이때, 제1 C형 인덕터(11)의 개구부(110)와 제2 C형 인덕터(21)의 개구부(210)를 금속재(100)의 양 에지부가 각각 통과한다.
도 2의 (a)에 제1 C형 인덕터(11)의 단면 구조도를 도시하지만, 제2 C형 인덕터(21)도 같은 구조이다. 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, C형 인덕터의 철심과 금속재의 겹침 부분의 길이를 나타내는 것이 랩량이다. 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 금속재(100)의 에지부와, 철심(11a, 21a)의 안쪽의 에지부가 합치할 때의 랩량을 0㎜으로 한다. 즉, 랩량이 0㎜일 때에, 제1 C형 인덕터(11, 21)의 철심과 금속재(100)와의 겹침 부분의 면적은 최대이다. 또한, 제1 C형 인덕터(11)의 철심(11a)과 금속재(100)와의 랩량을「제1 랩량 L1」로 하고, 제2 C형 인덕터(21)의 철심(21a)과 금속재(100)와의 랩량을「제2 랩량 L2」로 한다.
인버터(30)에 의해, 제1 C형 인덕터(11)와 제2 C형 인덕터(21)는 급전된다. 제1 C형 인덕터(11)의 가열 코일(11c, 11d)과 제2 C형 인덕터(21)의 가열 코 일(21c, 21d)에 전류를 흘림으로써 상하 방향으로 자속이 발생한다. 이 자속을 금속재(100)에 쇄교시킴으로써, 금속재(100)에 와전류가 유기된다. 와전류에 대한 금속재(100)의 저항에 의해 줄 열이 발생하고, 금속재(100)의 양 에지부가 가열된다.
도 1에 도시한 유도 가열 장치(1)에서는, 인버터(30)의 출력부에 계기용 변압기(40)가 접속되어 있다. 또한, 역률 조정용 콘덴서(13)와 제1 C형 인덕터(11)사이에 계기용 변류기(12)가 접속되고, 역률 조정용 콘덴서(23)와 제2 C형 인덕터(21) 사이에 계기용 변류기(22)가 접속되어 있다.
전압 감시 장치(140)는, 계기용 변압기(40)에 의해 검출되는 인버터(30)의 출력 전압 Vi(i=0, 1, 2, …, n)를 감시한다. 또한, 제1 전류 감시 장치(120)는, 계기용 변류기(12)에 의해 검출되는 제1 C형 인덕터(11)의 가열 코일(11c, 11d)에 흐르는 제1 인덕터 전류 Idsi(i=0, 1, 2, …, n)를 감시한다. 제2 전류 감시 장치(220)는, 계기용 변류기(22)에 의해 검출되는 제2 C형 인덕터(21)의 가열 코일(21c, 21d)에 흐르는 제2 인덕터 전류 Iwsi(i=0, 1, 2, …, n)를 감시한다.
여기서, 출력 전압 V0은 금속재(100)의 가열 처리 개시 직후의 인버터(30)의 출력 전압이다. 또한, 제1 인덕터 전류 Ids0은, 금속재(100)의 가열 처리 개시 직후에 제1 C형 인덕터(11)의 가열 코일(11c, 11d)에 흐르는 제1 인덕터 전류이고, 제2 인덕터 전류 Iws0은, 제2 C형 인덕터(21)의 가열 코일(21c, 21d)에 흐르는 인덕터 전류이다.
한편, 출력 전압 V1, V2, …, Vn은, 금속재(100)를 가열 처리 중인 인버 터(30)의 출력 전압이며, 금속재(100)가 유도 가열 장치(1) 중을 반송됨에 따라서 측정되는 값이며, 일정한 위치 간격 혹은 일정한 시간 간격으로 측정된 값이다. 마찬가지로, 제1 인덕터 전류 Ids1, Ids2, …, Idsn 및 제2 인덕터 전류 Iws1, Iws2, …, Iwsn은, 금속재(100)를 가열 처리 중인 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 인덕터 전류를 측정한 값이다. 출력 전압 Vi와, 제1 인덕터 전류 Idsi 및 제2 인덕터 전류 Iwsi는 동시에 측정된 값이다.
제1 C형 인덕터(11)의 지지체(10)에는 모터(14)에 의해 구동되는 차륜(15)이 설치되고, 제2 C형 인덕터(21)의 지지체(20)에는 모터(24)에 의해 구동되는 차륜(25)이 설치되어 있다. 이로 인해, 제1 C형 인덕터(11, 21)는 모터(14, 24)에 의해 구동되어, 레일(70) 상을 금속재(100)의 폭 방향, 즉 반송 방향으로 수직인 방향(이하에 있어서, 단순히「폭 방향」이라 함)으로 이동 가능하다. 지지체(10, 20)가 레일(70) 상을 이동함으로써, 제1 C형 인덕터(11)와 제2 C형 인덕터(21)의 폭 방향의 위치가 각각 조정된다. 제1 C형 인덕터(11, 21)의 위치의 변화에 따라서 제1 랩량 L1과 제2 랩량 L2는 변화된다. 지지체(10, 20)는 서로 독립하여 이동 가능하기 때문에, 제1 랩량 L1과 제2 랩량 L2는 각각 독립하여 조정 가능하다.
제1 C형 인덕터(11, 21)의 폭 방향의 위치는, 모터(14, 24)의 동작을 각각 제어하는 모터 드라이브 장치(61, 62)에 의해 조정된다. 제어 장치(50)는, 모터 드라이브 장치(61, 62)를 제어함으로써, 금속재(100)에 대한 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 리얼타임으로 제어한다.
도 3은, 제어 장치(50)에 입력하는 신호의 흐름을 도시하는 개념도이다. 도 3 등의 개념도에서는 금속재(100)의 상면도를 도시한다. 출력 전압 Vi가 전압 감시 장치(140)로부터 제어 장치(50)로 송신되고, 제1 전류 감시 장치(120)로부터 제1 인덕터 전류 Idsi가 제어 장치(50)로 송신되고, 제2 전류 감시 장치(220)로부터 제2 인덕터 전류 Iwsi가 제어 장치(50)로 송신된다(i=0, 1, 2, …, n). 이하에, 제1 C형 인덕터(11) 및 제2 C형 인덕터(21)의 위치의 제어 방법을 설명한다.
우선, 금속재(100)의 가열 처리 개시 직후의 출력 전압 V0이, 전압 감시 장치(140)로부터 제어 장치(50)로 송신된다. 동시에, 금속재(100)의 가열 처리 개시 직후의 제1 인덕터 전류 Ids0 및 제2 인덕터 전류 Iws0이, 제1 전류 감시 장치(120) 및 제2 전류 감시 장치(220)로부터 각각 제어 장치(50)로 송신된다.
제어 장치(50)는, 출력 전압 V0과 제1 인덕터 전류 Ids0으로부터 제1 임피던스치의 초기치 Zds0을 산출한다. 또한, 출력 전압 V0과 제2 인덕터 전류 Iws0으로부터 제2 임피던스치의 초기치 Zws0을 산출한다. 제1 임피던스치의 초기치 Zds0 및 제2 임피던스치의 초기치 Zws1은 제어 장치(50)에 기록된다.
그 후, 금속재(100)를 가열 처리 중인 출력 전압 V1, V2, …, Vn, 제1 인덕터 전류 Ids1, Ids2, …, Idsn 및 제2 인덕터 전류 Iws1, Iws2, …, Iwsn이, 금속재(100)가 유도 가열 장치(1) 중을 반송됨에 따라서, 제어 장치(50)로 순차 송신된다. 즉, 출력 전압 Vi, 제1 인덕터 전류 Idsi 및 제2 인덕터 전류 Iwsi는, 유도 가열 장치(1) 중에서 가열되어 있는 각 위치에 있어서의 측정치이다. 출력 전압 V1, V2, …, Vn은 전압 감시 장치(140)로부터 제어 장치(50)로 송신된다. 제1 인덕터 전류 Idsi, Ids2, …, Idsn 및 제2 인덕터 전류 Iws1, Iws2, …, Iwsn은 제1 전류 감시 장치(120) 및 제2 전류 감시 장치(220)로부터 각각 제어 장치(50)로 송신된다.
제어 장치(50)는, 출력 전압 V1, V2, …, Vn과 제1 인덕터 전류 Ids1, Ids2, …, Idsn을 이용하여, 제1 임피던스치 Zds1, Zds2, …, Zdsn을 각각 리얼타임으로 산출한다. 그리고, 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 임피던스치의 초기치 Zds0과 제1 임피던스치 Zds1, Zds2, …, Zdsn과의 차분으로서, 임피던스 차분 dZds1, dZds2, …, dZdsn을 각각 산출한다. 따라서, 임피던스 차분 dZds1, dZds2, …, dZdsn은, 가열 처리 개시 직후의 임피던스치와, 유도 가열 장치(1)에 의해 가열 중인 각 위치에 있어서의 임피던스치와의 차분이다.
제어 장치(50)는, 임피던스 차분 dZds1, dZds2, …, dZdsn이 각각 산출된 시점에서, 예를 들어 도 5에 나타낸 랩량 보정 함수에 적용시켜, 임피던스 차분 dZds1, dZds2, …, dZdsn마다 대응하는 랩량 차분 dL1을 제1 랩량 L1에 대해 결정한다. 랩량 보정 함수는 임피던스치와 랩량의 관계를 나타내는 함수이다.
제어 장치(50)는, 임피던스 차분 dZds1, dZds2, …, dZdsn에 대응하는 랩량 차분 dL1이 각각 산출된 시점에 있어서의 제1 C형 인덕터(11)의 현재 위치와, 랩량 차분 dL1로부터 구해지는 새로운 제1 랩량 L1에 의해, 새로운 위치 설정치 P1을 결정한다. 새로운 위치 설정치 P1은, 제어 장치(50)로부터 모터 드라이브 장치(61)로 송신된다. 새로운 위치 설정치 P1을 수신한 모터 드라이브 장치(61)로부터 모터(14)로 송신되는 드라이브 제어 신호 Sd에 따라서, 제1 C형 인덕터(11)가 새로운 위치 설정치 P1로 이동한다. 즉, 임피던스 차분 dZds1, dZds2, …, dZdsn에 각각 대응하는 랩량 차분 dL1만큼 제1 랩량 L1이 조정되어, 제1 C형 인덕터(11)의 위치가 변경된다. 이에 의해, 제1 임피던스치 Zdsi가 초기치 Zds0과 일치한다.
마찬가지로 하여, 제2 랩량 L2가 조정되어, 제2 C형 인덕터(21)의 위치가 변경된다. 즉, 출력 전압 V1, V2, …, Vn과 제2 인덕터 전류 Iws1, Iws2, …, Iwsn을 이용하여, 제2 임피던스치 Zws1, Zws2, …, Zwsn이 리얼타임으로 산출되고, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 임피던스치의 초기치 Zws0과 제2 임피던스치 Zws1, Zws2, …, Zwsn과의 임피던스 차분 dZws1, dZws2, …, dZwsn이 각각 산출된다.
제어 장치(50)는, 임피던스 차분 dZws1, dZws2, …, dZwsn이 각각 산출된 시점에서, 임피던스 차분 dZws1, dZws2, …, dZwsn에 각각 대응하는 랩량 차분 dL2를 제2 랩량 L2에 대해 산출한다. 그리고, 랩량 차분 dL2가 산출된 시점에 있어서의 제2 C형 인덕터(21)의 현재 위치와 랩량 차분 dLd로부터 구해지는 새로운 제2 랩량 L2에 의해 결정되는 새로운 위치 설정치 P2가, 제어 장치(50)로부터 모터 드라이브 장치(62)로 송신된다. 새로운 위치 설정치 P2를 수신한 모터 드라이브 장치(62)로부터 모터(24)로 송신되는 드라이브 제어 신호 Sw에 따라서, 제2 C형 인덕터(21)가 이동한다. 이에 의해, 제2 임피던스치 Zwsi가 초기치 Zws0과 일치한다.
도 5에 나타낸 랩량 보정 함수는, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 특성이나 금속재(100)의 전기 특성에 의해 정해진다. 이로 인해, 특히 금속재(100)의 재질마다, 각 금속재의 랩량과 임피던스치를 실측 등에 의해 미리 파악하고, 각각의 랩량 보정 함수를 제어 장치(50)에 등록해 두는 것이 바람직하다.
기본적으로는, 드라이브 사이드에 배치되는 제1 C형 인덕터(11)의 제1 임피던스치 Zds1, Zds2, …, Zdsn과, 워크 사이드에 배치되는 제2 C형 인덕터(21)의 제2 임피던스치 Zws1, Zws2, …, Zwsn은 항상 동등해지도록 제어하는 것이 바람직하다. 드라이브 사이드와 워크 사이드에 균등하게 전력을 공급함으로써, 금속재(100)의 양 사이드부의 승온량이 균일해지는 것과, 아크 스폿의 발생이 저감되는 것의 상승 효과가 발생하기 때문이다.
그러나, 다른 제어 방법도 가능하다. 예를 들어, 금속재(100)의 양 사이드부에서 승온 특성이 상이하고 있는 것을 미리 알고 있는 경우에, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)를 소정의 위치에 배치하여, 양 사이드부의 균열을 달성하는 방법 등이 채용 가능하다.
도 6은, 랩량 변화시의 폭 방향 승온 분포를 나타내는 그래프이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, C형 에지 히터의 승온 특성은, 금속재(100)의 에지부의 승온량이 높고, 금속재(100)의 중앙부에 가까울수록 낮아지는 곡선이다. 또한, 온도 관리점은 에지부로부터 25㎜의 지점의 승온량으로 규정한다. 따라서, 도 6에 나타낸 그래프에 있어서도, 금속재(100)의 에지부로부터 25㎜의 지점의 승온치를 동일하게 한 경우의 랩량 변화시의 폭 방향의 온도 분포를 표현하고 있다.
C형 에지 히터에 의한 가열은, 랩량을 크게 하면 에지부의 승온량이 높아지고, 랩량을 작게 하면 에지부의 승온량은 작아지는 특성을 이용하고 있다. 예를 들어, 어느 한쪽의 에지부를 보다 승온시키고자 한 경우에는, 그 한쪽의 랩량을 크게 설정하도록 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 설정하면 된다. 여기서 주의해야만 하는 것은, 양 에지부의 임피던스치가 일치하지 않음으로써, 아크 스폿이 증가하는 경우가 있는 점이다. 이로 인해, 아크 손상이 허용되지 않고 고품질인 금속재(100)를 생산하는 경우에는, 상기와 같은, 어느 한쪽의 에지부를 보다 승온하는 방법을 적용해야 하는 것은 아니다.
도 7은, 가열 처리 대상의 금속재(100)의 판 폭 변경시에 있어서의 제어 방법을 도시하는 도면이다. 일반적인 C형 에지 히터에 있어서는, 유도 가열 장치(1)에 설정된 판 폭 값과 재료의 위치 어긋남(재료 트래킹)이나 판 폭 변 위치의 트래킹 제어에 의해 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 설정한다. 그러나, 트래킹 제어 어긋남에 의해 위치 설정이 지연되거나, 지나치게 빠른 경우도 있을 수 있다. 이 위치 제어의 백업 제어로서, 상기에 설명한 임피던스치를 사용하여 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 제어하는 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치의 제어 방법을 사용하는 것이 가능하다.
트래킹 제어의 백업 제어에 있어서도, 도 7에 도시한 바와 같이, 전술한 제1 임피던스치 Zdsi와 제2 임피던스치 Zwsi의 산출 결과를 그대로 사용한다. 가열 처리를 계속한 상태로 판 폭 변경이 발생하면, 순간적으로 양 에지부의 임피던스치가 거의 동일한 타이밍에서 동일한 변화량으로 변화된다. 이 상태가 발생한 경우에, 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치의 제어 방법에 의한 위치 재설정을 행한다. 이 제어에 의해 트래킹 제어 어긋남에 대한 영향을 최소한으로 억제한 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치 재설정을 행할 수 있다. 또한, 트래킹 제어 어긋남의 발생을 오퍼레이터에게 알릴 수도 있다. 또한, 제1 임피던스치 Zdsi와 제2 임피던스치 Zwsi의 차분이 0인 경우에는 트래킹 제어 어긋남은 없고, 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치의 제어 방법에 의한 위치 설정을 행할 필요는 없다.
또한, 예를 들어 도 8에 도시한 바와 같이, 반송 중에 금속재(100)의 위치가 드라이브 사이드로 어긋나는 위치 어긋남이 발생하여, 금속재(100)가 파선으로 나타낸 상태가 되는 경우를 생각할 수 있다. 이와 같은 상태로 가열을 계속해도, 양 에지부의 승온은 언밸런스하게 된다. 이때, 제1 인덕터 전류 Idsi 및 제2 인덕터 전류 Iwsi가 변화되어, 그 결과, 제1 임피던스치 Zdsi 및 제2 임피던스치 Zwsi도 변화된다. 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)에 따르면, 제1 임피던스치 Zdsi 및 제2 임피던스치 Zwsi의 변화량을 상시 감시하여, 금속재(100)의 양 에지부의 임피던스치를 항상 동일하게 유지하도록, 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치를 제어한다. 이에 의해, 양 에지부의 승온을 밸런스시키는 것과 동시에, 아크 스폿 저감의 상승 효과를 발휘할 수 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)에 따르면, 가열 처리 중에 있어서 금속재(100)의 양 에지부의 제1 및 제2 임피던스치와 초기치와의 임피던스 차분을 리얼타임으로 산출하여, 임피던스치가 초기치에 일치하도록 제1 및 제2 C형 인덕터(11, 21)의 위치가 제어된다. 그 결과, 가열 처리 대상의 금속재(100)의 양 에지부에서의 승온을 소정의 값으로 제어 가능한 유도 가열 장치 및 유도 가열 장치의 제어 방법을 제공할 수 있다.
<변형예>
도 9에, C형 에지 히터를 열간 압연 라인에 설치하는 경우의 구성예를 도시한다. 일반적으로 열간 압연 라인에서는, 금속재(100)의 반송 방향을 따라 드라이브 사이드와 워크 사이드에 각각 복수대의 C형 인덕터가 배치된다. 도 9는, 드라이브 사이드의 입구측과 출구측에 각각 배치된 드라이브 사이드 입구측 C형 인덕터(111)와 드라이브 사이드 출구측 C형 인덕터(112) 및 워크 사이드의 입구측과 출구측에 각각 배치된 워크 사이드 입구측 C형 인덕터(211)와 워크 사이드 출구측 C형 인덕터(212)가, 1대의 C형 에지 히터에 장전된 예를 나타내고 있다. 이들 모든 C형 인덕터는 1대의 인버터(30)에 의해 급전된다.
아크 스폿의 발생을 저감시키기 위해, 대향하는 각각의 C형 인덕터를 역위상 결선하여 유도 전류를 상쇄하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 평8-69866호 공보 참조). 예를 들어 도 9에 도시한 구성의 경우에는, 워크 사이드 입구측 C형 인덕터(211) 및 드라이브 사이드 출구측 C형 인덕터(112)는 드라이브 사이드 입구측 C형 인덕터(111)와 역위상 결선되고, 워크 사이드 출구측 C형 인덕터(212)는 드라이브 사이드 입구측 C형 인덕터(111)와 동위상 결선된다.
그러나, 반송되는 금속재(100)의 위치가 어느 한쪽의 사이드로 어긋난 경우, 이 상쇄 효과는 희미해지게 된다. 이때, 상기에 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치(1)의 제어 방법을 적용함으로써, 안정적으로 아크 스폿의 발생을 저감시키는 것이 가능하다.
도 9에 도시한 예에서는, 출력 전압 Vi가 전압 감시 장치(140)로부터, 드라 이브 사이드 입구측 C형 인덕터(111)의 인덕터 전류가 제1 인덕터 전류 IEdsi로서 제1 입구측 전류 감시 장치(120A)로부터, 드라이브 사이드 출구측 C형 인덕터(112)의 인덕터 전류가 제1 인덕터 전류 IDdsi로서 제1 출구측 전류 감시 장치(120B)로부터 각각 제어 장치(50)로 송신된다(i=0, 1, …, n). 또한, 워크 사이드 입구측 C형 인덕터(211)의 인덕터 전류가 제2 인덕터 전류 IEwsi로서 제2 입구측 전류 감시 장치(220A)로부터, 워크 사이드 출구측 C형 인덕터(212)의 인덕터 전류가 제2 인덕터 전류 IDwsi로서 제2 출구측 전류 감시 장치(220B)로부터 각각 제어 장치(50)로 송신된다(i=0, 1, …, n).
상기와 같이 드라이브 사이드와 워크 사이드에 각각 복수대의 C형 인덕터를 배치한 C형 에지 히터에 있어서는, 입구측과 출구측의 C형 인덕터의 거리는 짧고, 입구측과 출구측의 C형 인덕터의 임피던스치에 차이가 나타나는 정도의 극단적인 금속재(100)의 위치 어긋남이 일어나는 것은 통상 있을 수 없다. 이로 인해, 입구측 혹은 출구측 중 어느 한 쪽의 C형 인덕터의 인덕터 전류에 의해 임피던스를 산출하면 된다.
단, C형 인덕터 자신에 특성차가 발생하는 것 등을 고려하여, 도 10에 도시한 바와 같이, (입구측 C형 인덕터 전류+출구측 C형 인덕터 전류)/2로 산출되는 평균치를 인덕터 전류에 사용해도 된다. 도 10은, 드라이브 사이드의 제1 인덕터 전류에 대해 입구측 C형 인덕터 전류와 출구측 C형 인덕터 전류의 평균치를 사용하여 모터 드라이브 장치(61)를 제어하는 경우를 도시하고 있지만, 워크 사이드도 마찬 가지로 입구측 C형 인덕터 전류와 출구측 C형 인덕터 전류의 평균치를 사용하여 모터 드라이브 장치(62)를 제어해도 된다.
상기와 같이, 본 발명은 실시 형태에 의해 기재하였지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라고 이해해서는 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 명백해질 것이다. 즉, 본 발명은 여기서는 기재하고 있지 않은 다양한 실시 형태 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 특허 청구 범위에 관한 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
본 발명의 유도 가열 장치는, 가열 처리 대상의 금속재의 양 에지부를 가열하는 에지 히터뿐만 아니라, 유도 가열 장치와 금속재의 설정 위치를 규정하여, 그 설정 위치를 제어하는 유도 가열 장치에 이용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치의 C형 인덕터의 구조를 도시하는 모식적인 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서의 신호의 흐름을 도시하는 개념도.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 의한 C형 인덕터의 위치 설정 방법을 설명하기 위한 모식도.
도 5는 랩량 보정 함수의 예를 나타내는 그래프.
도 6은 랩량 변화시의 폭 방향 승온 분포를 나타내는 그래프.
도 7은 금속재의 판 폭 변경시에 있어서의 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 의한 C형 인덕터의 위치 설정 방법을 설명하기 위한 모식도.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 관한 유도 가열 장치에 있어서 금속재의 위치 어긋남이 발생한 상태를 도시하는 모식도.
도 9는 본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 유도 가열 장치에 있어서의 신호의 흐름을 도시하는 개념도.
도 10은 본 발명의 실시 형태의 변형예에 관한 유도 가열 장치에 의한 C형 인덕터의 위치 설정 방법의 예를 설명하기 위한 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
Idsi : 제1 인덕터 전류
Iwsi : 제2 인덕터 전류
P1, P2 : 위치 설정치
Vi : 출력 전압
1 : 유도 가열 장치
10, 20 : 지지체
11 : 제1 C형 인덕터
21 : 제2 C형 인덕터
11a, 11b, 21a, 21b : 철심
11c, 11d, 21c, 21d : 가열 코일
12, 22 : 계기용 변류기
13, 23 : 역률 조정용 콘덴서
14, 24 : 모터
15, 25 : 차륜
30 : 인버터
40 : 계기용 변압기
50 : 제어 장치
61, 62 : 모터 드라이브 장치
70 : 레일
100 : 금속재
110, 210 : 개구부
111, 112, 211, 212 : C형 인덕터
120 : 제1 전류 감시 장치
120A : 제1 입구측 전류 감시 장치
120B : 제1 출구측 전류 감시 장치
140 : 전압 감시 장치
220 : 제2 전류 감시 장치
220A : 제2 입구측 전류 감시 장치
220B : 제2 출구측 전류 감시 장치

Claims (6)

  1. 유도 가열 장치로서,
    가열 처리 대상인 금속재의 한쪽의 에지부를 가열하는 제1 C형 인덕터 및 상기 금속재의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 제2 C형 인덕터와,
    상기 제1 및 제2 C형 인덕터에 급전하는 인버터와,
    상기 인버터의 출력 전압을 감시하는 전압 감시 장치와,
    상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 제1 및 제2 전류 감시 장치와,
    상기 금속재의 가열 처리 개시 직후의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류로부터 제1 및 제2 임피던스치의 초기치를 각각 산출하고, 또한, 상기 금속재의 가열 처리 중의 동일 시각에 있어서의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 상기 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 상기 금속재의 가열 처리 중에 있어서의 상기 제1 및 제2 임피던스치가 상기 초기치와 각각 동일하게 되도록, 상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 리얼타임으로 제어하는 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는,
    상기 금속재의 가열 처리 중의 상기 제1 및 제2 임피던스치와 상기 제1 및 제2 임피던스치의 상기 초기치와의 각각의 임피던스 차분을 리얼타임으로 산출하고,
    상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 나타내는 랩량과 상기 임피던스 차분의 관계를 나타내는 함수를 이용하여, 상기 제1 및 제2 임피던스치가 상기 초기치가 되는 랩량 차분을 결정하고, 상기 랩량 차분을 이용하여 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 새로운 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
  3. 제1 및 제2 C형 인덕터를 갖는 유도 가열 장치의 제어 방법으로서,
    상기 제1 C형 인덕터에 의해 가열 처리 대상인 금속재의 한쪽의 에지부를 가열하고, 상기 제2 C형 인덕터에 의해 상기 금속재의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 스텝과,
    상기 제1 및 제2 C형 인덕터에 급전하는 인버터의 출력 전압을 감시하는 스텝과,
    상기 금속재의 가열 처리 중에 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 스텝과,
    상기 금속재의 가열 처리 개시 직후의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류로부터 제1 및 제2 임피던스치의 초기치를 각각 산출하는 스텝과,
    상기 금속재의 가열 처리 중의 동일 시각에 있어서의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 상기 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 상기 금속재의 가열 처리 중에 있어서의 상기 제1 및 제2 임피던스치가 상기 초기치와 각각 동일하게 되도록, 상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 리얼타임으로 제어하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 제어하는 스텝은,
    상기 금속재의 가열 처리 중의 상기 제1 및 제2 임피던스치와 상기 제1 및 제2 임피던스치의 상기 초기치와의 각각의 임피던스 차분을 리얼타임으로 산출하는 스텝과,
    상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 나타내는 랩량과 상기 임피던스 차분의 관계를 나타내는 함수를 이용하여, 상기 제1 및 제2 임피던스치가 상기 초기치가 되는 랩량 차분을 결정하고, 상기 랩량 차분을 이용하여 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 새로운 위치를 결정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
  5. 가열 처리 대상인 금속재의 한쪽의 에지부를 가열하는 제1 C형 인덕터 및 상기 금속재의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 제2 C형 인덕터와,
    상기 제1 및 제2 C형 인덕터에 급전하는 인버터와,
    상기 인버터의 출력 전압을 감시하는 전압 감시 장치와,
    상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 제1 및 제2 전류 감시 장치와,
    동일 시각에 있어서의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 상기 금속재의 가열 처리 중에 있어서의 상기 제1 및 제2 임피던스치가 소정치가 되도록, 상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 리얼타임으로 제어하는 제어 장치
    를 구비하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 금속재의 가열 처리 개시 직후의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류로부터 상기 제1 및 제2 임피던스치의 초기치를 각각 산출하고,
    상기 금속재의 가열 처리 중의 상기 제1 및 제2 임피던스치와 상기 제1 및 제2 임피던스치의 상기 초기치와의 각각의 임피던스 차분을 리얼타임으로 산출하고,
    상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 나타내는 랩량과 상기 임피던스 차분의 관계를 나타내는 함수를 이용하여, 상기 제1 및 제2 임피던스치가 상기 초기치가 되는 랩량 차분을 결정하고, 상기 랩량 차분을 이용하여 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 새로운 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
  6. 제1 및 제2 C형 인덕터를 갖는 유도 가열 장치의 제어 방법으로서,
    상기 제1 C형 인덕터에 의해 가열 처리 대상인 금속재의 한쪽의 에지부를 가열하고, 상기 제2 C형 인덕터에 의해 상기 금속재의 다른 쪽의 에지부를 가열하는 스텝과,
    상기 제1 및 제2 C형 인덕터에 급전하는 인버터의 출력 전압을 감시하는 스텝과,
    상기 금속재의 가열 처리 중에 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 가열 코일에 각각 흐르는 제1 및 제2 인덕터 전류를 감시하는 스텝과,
    동일 시각에 있어서의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류에 의해 제1 및 제2 임피던스치를 산출하고, 상기 금속재의 가열 처리 중에 있어서의 상기 제1 및 제2 임피던스치가 소정치가 되도록, 상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 리얼타임으로 제어하는 스텝
    을 포함하고,
    상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 제어하는 스텝은,
    상기 금속재의 가열 처리 개시 직후의 상기 출력 전압과 상기 제1 및 제2 인덕터 전류로부터 상기 제1 및 제2 임피던스치의 초기치를 각각 산출하는 스텝과,
    상기 금속재의 가열 처리 중의 상기 제1 및 제2 임피던스치와 상기 제1 및 제2 임피던스치의 상기 초기치와의 각각의 임피던스 차분을 리얼타임으로 산출하는 스텝과,
    상기 금속재에 대한 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 위치를 나타내는 랩량과 상기 임피던스 차분의 관계를 나타내는 함수를 이용하여, 상기 제1 및 제2 임피던스치가 상기 초기치가 되는 랩량 차분을 결정하고, 상기 랩량 차분을 이용하여 상기 제1 및 제2 C형 인덕터의 새로운 위치를 결정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치의 제어 방법.
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