JP2000331775A

JP2000331775A - 円筒状あるいはリング状金属コイルの連続加熱装置および加熱方法

Info

Publication number: JP2000331775A
Application number: JP11142687A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Hirota; 芳明広田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁性の物質あるいは皮膜を表面にもたせた
金属を巻いて円筒状あるいはリング状にした複数の金属
コイルを連続して効率よく、均一に短時間で加熱する。【解決手段】金属コイル１５の内側を貫通する鉄心１
と一次コイル３を巻いた鉄心２とを金属コイル１５の外
で連結してトランスを構成するとともに、金属コイル１
５の巻き始めと巻き終わりの端部を導電部材で短絡して
二次閉回路を構成し、一次コイル３に通電することによ
り金属コイル１５を加熱する。金属コイルの内側を貫通
する鉄心１と一次コイル３を巻いた鉄心２とは着脱自在
とし、鉄心１を載置して金属コイル軸方向に移動自在に
するローラー５〜１０と、金属コイル１５を鉄心１が貫
通する位置まで搬入し、加熱完了後に払い出す搬送装置
１４とを備える。ローラー５〜１０で鉄心１を金属コイ
ル軸方向に移動させ、金属コイル１５の搬入、払い出し
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼板やアルミ板、
銅板等コイル状に巻いた円筒状金属コイルや、線材や棒
材をリング状に巻いたリング状金属コイルを、複数同時
に生産性を上げて効率よく連続的に加熱できる金属コイ
ルの連続加熱装置および加熱方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、コイル状にした金属は、バッ
チ炉に入れガスやパネルヒーターにより加熱することが
多い。バッチ加熱は、雰囲気が制御でき、高温に焼鈍で
きるほか、機械的な歪みを与えずに焼鈍できることか
ら、連続焼鈍装置では加熱できない特殊な材質のもの
や、品質が厳しいもの、バックリングなどで通板できな
いものなどに採用されている。

【０００３】しかし、コイルのバッチ焼鈍は、基本的に
は金属の塊を外部から加熱するため、加熱時間が非常に
長くなるとともに、温度偏差が大きくつきやすいため長
時間にわたって均熱化する必要があるほか、加熱効率が
極めて低い等の問題がある。また、線材などのルーズコ
イルでは、コイルの重なり部と非重なり部では伝熱の状
態が異なり温度分布がつきやすく、品質バラツキの原因
になっている。また、バッチで処理するため生産性が低
く、大量処理しにくいという問題がある。

【０００４】これらの問題を解決するため、通電加熱を
採用することが提唱されている。たとえば、特開平６−
１００６７号公報にはコイルの両端から通電すること
が、また特開平５−１７１２５９号公報には拡縮機構を
有する内外電極により直接通電することが記載されてい
る。また、電気を使って加熱する方法としては、特開昭
６１−１９０９７号公報にコイル内に鉄心を通し、誘導
加熱する方法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、通電加熱する
方法では、特開平６−１００６７号公報の場合、コイル
と電極の接触面が均一に当たりにくいため局部的に発熱
し、コイルに損傷を与えやすいという問題がある。ま
た、特開平５−１７１２５９号公報の場合は、圧延後の
板厚差に起因してコイル内に生じる微小な隙間でのスパ
ークが問題となる。また、両者とも塊状なため抵抗が小
さく、大電流を流さないと発熱しにくく、加熱速度が遅
いという問題がある。また、特開昭６１−１９０９７号
公報の場合は、誘導加熱が効果的に行われるのは、周波
数に応じた浸透深さまでの部分のみで、それ以外の部分
は、伝熱により熱が伝わるため加熱速度を制御すること
が難しいとともに、温度分布が大きくつきやすいという
問題がある。さらに、これらの加熱方法では、厚み、
幅、種類、重量の異なる金属コイルを効率よく迅速に処
理することは単独でも難しく、複数の金属コイルを同時
に処理することは更に困難である。

【０００６】そこで、本発明は、サイズ、種類、重量の
異なる複数の円筒状あるいはリング状金属コイルを効率
よく、均一に連続的に安定して加熱できる生産性の高い
加熱装置および加熱方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記の通
りである。

【０００８】（１）絶縁性の物質あるいは皮膜を表面に
もたせた金属を巻いて円筒状あるいはリング状にした金
属コイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄
心とを該金属コイルの外で連結してトランスを構成する
とともに、該金属コイルの巻き始めと巻き終わりの端部
を導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイル
に通電することにより該金属コイルを加熱する加熱装置
において、該金属コイルの内側を貫通する鉄心と一次コ
イルを巻いた鉄心とを着脱自在とし、該金属コイルの内
側を貫通する鉄心を載置して金属コイル軸方向に移動自
在にするローラーと、金属コイルを前記鉄心が貫通する
位置まで搬入し、加熱完了後に払い出す搬送装置とを備
えたことを特徴とする円筒状あるいはリング状金属コイ
ルの連続加熱装置。

【０００９】（２）前記（１）の連続加熱装置におい
て、前記導電部材の途中に電流遮断機、または、電圧、
電流、電力、位相のいずれか少なくとも一つの調整を行
う調整回路を設けたことを特徴とする円筒状あるいはリ
ング状金属コイルの連続加熱装置。

【００１０】（３）絶縁性の物質あるいは皮膜を表面に
もたせた金属を巻いて円筒状あるいはリング状にした金
属コイルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄
心とを該金属コイルの外で連結してトランスを構成する
とともに、該金属コイルの巻き始めと巻き終わりの端部
を導電部材で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイル
に通電することにより該金属コイルを加熱する加熱方法
において、各金属コイルの加熱条件に応じて、金属コイ
ルの内側を貫通する鉄心を金属コイルの軸方向に移動さ
せて加熱の完了した金属コイルを払い出し、および／ま
たは、あらたに金属コイルを前記鉄心が貫通する位置ま
で搬入してその内側に前記鉄心を貫通させることにより
連続的に通電加熱することを特徴とする円筒状あるいは
リング状金属コイルの連続加熱方法。

【００１１】（４）前記（３）の連続加熱方法におい
て、前記導電部材の途中で電流を遮断し、または、電
圧、電流、電力、位相のいずれか少なくとも一つの調整
を行って、各金属コイルの加熱温度を個別に調整するこ
とを特徴とする円筒状あるいはリング状金属コイルの連
続加熱方法。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
で説明する。

【００１３】図１は、本発明による円筒状あるいはリン
グ状金属コイルの加熱装置を示す平面図であり、まだ金
属コイル１５が加熱待ちで待機している状態を示す。コ
の字状の鉄心２には、一次電源４から受電する一次コイ
ル３が巻かれている。この鉄心２に対し、着脱自在な鉄
心１が図１の右から鉄心２に連結される。これにより、
鉄心１、２はリング状のトランスを構成する。

【００１４】鉄心１と鉄心２とを着脱するには、たとえ
ばローラー５、６、７、８、９、１０を図２に示すよう
な端部にツバのある形状とし、鉄心１を載置し、鉄心２
とのレベルを合わせた状態で、鉄心２側に引くととも
に、図３に示す様にローラー１１の端面で鉄心１を鉄心
２側にしっかり押しつければよい。

【００１５】加熱する場合には、初めに前後・上下に移
動自在なローラー１１と車輪１３のついた架台１２を動
かし、ローラー１１を鉄心１の下にいれ、ローラー５、
６、７、８、９、１０と同じ高さとする。ついで、搬送
装置１４の上に載せた金属コイル１５をリング状トラン
ス内に入れるため、モーター１６でローラー５〜７を、
モーター１７でローラー８〜１０を回転させ、図５に示
す様に鉄心１を軸方向に動かす。その後、金属コイル１
５を搬送装置１４に載せたまま、図５に示すように鉄心
１が貫通する位置まで搬入する。

【００１６】金属コイル１５は、たとえば図４に示す様
に車輪１８、１９のついた搬送装置１４の上にガイド２
０、２１で支えて設置する。ここでは、搬送装置１４と
して台車を使う例を示しているが、他にコンベアや移動
フック、クレーンなど特にこだわるものではなく、金属
コイル１５を流れる電流による誘導加熱の影響を小さく
するため、金属コイル１５の近傍はできるだけ非磁性材
とするのが望ましい。また、万が一金属コイル１５の絶
縁がなくなりショートするのを防ぐため、金属コイル１
５と接触する可能性が高いところは絶縁するのが望まし
い。さらに、金属コイル１５は加熱されて高温になるた
め、少なくとも金属コイル１５との接触部は断熱対策が
必要で、耐火物や耐火・断熱セラミックスなどのライニ
ングを施すと良い。

【００１７】金属コイル１５を図４に示す状態で搬送装
置１４に載せ、金属コイル１５の外側と内側の端部を導
電部材２２で短絡する。この導電部材２２は、単に端部
同士を短絡するだけでも良いし、途中に、電流のオン−
オフあるいは、電圧、電流、位相などの調整回路２３を
設け、加熱温度、力率などを制御しても良い。なお、こ
の導電部材２２ならびに調整回路２３は、図が煩雑にな
るのを避けるため図１、５、６、７、８では省略する。

【００１８】金属コイル１５は搬送装置１４に載せて移
動させ、空間部分に鉄心１を貫通させる。その後、鉄心
１はローラー５、６、７を逆転させることでもとの位置
に戻り、鉄心２に押し付けられ、図６に示す様に再びリ
ング状トランスを構成する。この状態で、一次電源４か
ら一次コイル３へ電圧を加えると、金属コイル１５には
２次電圧が誘起される。発生した２次電圧は、金属コイ
ル１５の端部と端部とを短絡することで２次電流が流
れ、この２次電流で金属コイル１５がジュール加熱され
る。したがって、金属コイル１５内部を貫通する鉄心１
は、金属コイル１５からの輻射熱の影響を受けるため、
少なくとも鉄心１の表面は断熱材などで保護するととも
に、場合によっては油や水などで鉄心１を強制冷却する
必要がある。

【００１９】これらの原理を更に詳しく説明するなら
ば、図６において、金属コイル１５内側の空間部分に
は、電磁鋼板等でつくられた鉄心１が貫通し、金属コイ
ル１５外で磁気回路が形成されるようにコの字状の鉄心
２の開口部に着脱自在に接続され、リング状のトランス
を構成する。コの字状の鉄心２には、電圧、電流等の調
整が可能な一次電源４に接続された一次コイル３を巻き
トランスの一次回路を形成する。一方、鉄心１が貫通し
た金属コイル１５は、表面に高抵抗の皮膜を形成する
か、あるいは巻くときに絶縁体を入れて一緒に巻くこと
により、板間の絶縁性を保つことができる。例えば、熱
延された金属などのように、表面に厚いスケール層がで
きそれが絶縁性を有する程の抵抗層になる場合や、電磁
鋼板などのように表層に絶縁皮膜を意図的に設ける場合
などのように、あらかじめコイル層間の抵抗が高い場
合、コイルに流れる電流は、隣り合う金属の表面を伝わ
らず、コイル内部を伝わることから、確実な１Ｔ電流と
なり、金属コイル１５は多数巻きの２次コイルを形成す
る。この金属コイル１５の両端、図４の例では、金属コ
イル１５の外周と内周の金属帯板を導電部材２２で短絡
することにより、２次回路を形成する。これにより、一
次電源４から一次コイル３に一次電圧を加えると、一次
コイル３の巻き数と金属コイル１５の巻き数の比に応じ
た２次電圧が直接金属コイル１５中に誘起される。誘起
された２次電圧により２次電流が金属コイル１５内を流
れることにより、金属コイル１５自体がジュール加熱さ
れる。

【００２０】本加熱方法では、金属コイル１５内の電流
は板幅方向でほぼ均一に流れるため発熱量は各部とも同
じになることから、均一な加熱が可能である。また、本
加熱方法では、一次コイルに加えられた電力は直接２次
コイルに誘起されるため、加熱効率が極めて高い。すな
わち、電力の誘起方法がトランス結合によることから、
ロスが極めて小さく、かつ金属コイル１５内に発生した
２次電流によるジュール損は、金属コイル端部間を短絡
する部分の抵抗によるジュール損程度しかなく、これら
の材質を低抵抗の銅等とすれば、ジュール損失を極めて
小さなものにすることができ、加熱効率を高くすること
ができる。また、コイル内に発生した２次電圧Ｖ₂は、
発生した２次電流Ｉ₂とコイル全体の抵抗Ｒｃの積を引
いた分だけが電極電圧Ｅ₂として生じる。すなわち、こ
れを式で示せば、電極電圧Ｅ₂＝Ｖ₂−Ｉ₂×Ｒｃ＝Ｉ₂×
Ｒｂ（電極、導電部材の抵抗の和）となる。ここで、Ｒ
ｂは銅を用いればｍΩオーダーにすることが容易であ
り、この場合には２次電流が１０の３乗オーダーであっ
ても高々Ｖオーダーにしかならず、仮に２次電流が大き
な値であった場合でも、極めて安全な設備となる。これ
は、たとえば、金属コイルとして１mm以下の普通鋼板10
t程度を800℃まで１時間で加熱する場合には、KVオーダ
ーの電圧をコイルの端部と端部に加えなければならず、
放電や感電など安全上の問題が大きく実現は難しくなる
が、本加熱方法では、コイル内部に発生する総電圧は同
じくKVオーダーであるが、端子に現れる電圧は、上記説
明の様に極めて小さな値とすることができる。

【００２１】次に、複数の金属コイルを連続的に処理す
る例を説明する。

【００２２】図７は、４つの金属コイル１５、２４、２
６、２８を加熱する例を示す。最初に上記で説明した様
に金属コイル１５をトランス内にセットし、一定時間加
熱を行う。続いて、前述した方法で搬送装置２５に載せ
た金属コイル２４をトランス内にセットし、さらに一定
時間加熱を続ける。鉄心１の移動、押しつけに使用する
ローラー１１は、金属コイルの移動時には、じゃまにな
らない位置に退避させる。これを繰り返し、最終的に図
７の例では、４つの金属コイル１５、２４、２６、２８
をトランス内にセットする。

【００２３】次に、金属コイルが所定の温度に加熱さ
れ、その金属コイルを取り出す場合について説明する。

【００２４】最初に加熱を始めた金属コイル１５が所定
の温度になり、取り出す方法を説明する。はじめに、ロ
ーラー１１を鉄心１の下でローラー５、６、７、８、
９、１０と同じレベルにする。つづいてローラー５、
６、７、８、９、１０を回転させ、鉄心１を図中左側へ
送り、金属コイル１５を貫通している鉄心１をはずす。
この状態で、金属コイル１５を図中下方へ動かすことに
より、加熱済み金属コイルを加熱装置から取り出す。そ
の後、残った金属コイルを右側へつめる様に移動させ左
側部分をあけることにより、新たに金属コイルを装入す
ることができ、上記方法で加熱を行う。これらの一連の
操作を繰り返すことにより、連続して複数の金属コイル
を加熱することができる。

【００２５】ここでは、金属コイルを順番に加熱する場
合について説明したが、任意の位置で加熱済みの金属コ
イルを取り出し、また、新たにその位置に新しい金属コ
イルを入れて加熱することもできる。

【００２６】また、本加熱装置では、金属コイル１５、
２４、２６、２８のサイズ、重量、種類がほぼ同じ場合
には、２次側の負荷がほぼ同じとなるため、電力の調整
は一次電源４で行うことができる。金属コイル１５、２
４、２６、２８のサイズ、重量（巻き数）が同じように
変化する場合には、一次コイル側にタップを設けておい
てタップを負荷に応じて切り換えることで効率の良い加
熱が可能である。しかし、各金属コイルのサイズ、種
類、加熱温度等が異なる場合には、一次側で個々の金属
コイルの加熱制御を行うのには限界がある。そのため、
個々の金属コイルの加熱制御を行うため、図４に示すよ
うに、短絡する導電部材２２の途中に電流遮断機、ある
いは電圧、電流、電力等を調整できる調整回路２３を設
ける。調整回路２３を設けることにより、負荷側の方で
電流を単純にon/offしても温度制御することができる
し、電圧、電流、電力等を制御してきめ細かく温度制御
することもできる。この様に金属コイル側で制御できれ
ば、金属コイルのサイズ、重量、種類、加熱温度等が異
なっていても独立して加熱制御することができる様にな
り、複数の金属コイルを一度に加熱処理する場合でも、
加熱温度を個別に制御できることから、たとえば所定温
度に加熱した後、一定温度に保持したりするなど操業の
自由度を大きく増すことができる。

【００２７】上記説明では、金属コイルは大気開放の状
態で説明しているが、設備全体あるいはコイル部分を炉
構造とし、鉄心等の設備に熱対策を施すことにより、雰
囲気制御しながら、熱放散を防止しながらの加熱もでき
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、金属コイルをそのまま
の形状で加熱でき、バッチ加熱の本質的な問題である加
熱温度分布の発生や、生産性および加熱効率が極めて低
いという問題を解決する。すなわち、電流により金属コ
イルの内部から加熱するため、加熱時間を自在に制御で
き、しかも温度分布、加熱効率が極めて良いため、加熱
品質が良く歩留まり落ちを少なくでき、省エネにも大き
く寄与する。また、種類、サイズ、昇温温度の異なる複
数のコイルを同時に個別に処理できることから、生産性
を著しく改善するとともに、生産の自由度もあげること
ができる。さらに、連続的に処理できることから、長大
な連続熱処理ラインを必要とせず、さらにバックリング
などの問題で連続熱処理ラインでは処理できないサイズ
のものも処理できるだけでなく、高温ローラーに発生す
るビルドアップによるキズの発生もないため高品質な加
熱が可能となる。また、本発明では、通電に要する電
圧、電流をコイルに直接誘起させるため、所要電圧が高
いときでも電極部での電圧は極めて小さくでき、かつ、
金属コイルは加熱長が長くなるため抵抗が大きくなり、
所要電流を小さくできることから、設備の安全性の面か
らも有利である。設備も極めてコンパクトにできること
や、加熱効率が高くて電源容量も小さくすることができ
ることから、コスト的にも非常に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による金属コイルの連続加熱装置の金属
コイルの待機時を示す平面図である。

【図２】本発明による金属コイルの連続加熱装置で用い
るローラーを示す側面図である。

【図３】本発明による金属コイルの連続加熱装置で用い
るローラーを示す側面図である。

【図４】本発明による金属コイルの連続加熱装置で用い
る金属コイルの搬送装置を示す図である。

【図５】本発明による金属コイルの連続加熱装置の金属
コイル装入時を示す平面図である。

【図６】本発明による金属コイルの連続加熱装置の金属
コイルの通電加熱時を示す平面図である。

【図７】本発明による金属コイルの連続加熱装置の複数
の金属コイルの通電加熱時を示す平面図である。

【図８】本発明による金属コイルの連続加熱装置の加熱
終了後の金属コイル取出時を示す平面図である。

【符号の説明】

１鉄心２鉄心３一次コイル４一次電源５ローラー６ローラー７ローラー８ローラー９ローラー１０ローラー１１ローラー１２架台１３車輪１４搬送装置１５金属コイル１６モーター１７モーター１８車輪１９車輪２０ガイド２１ガイド２２導電部材２３調整回路２４金属コイル２５搬送装置２６金属コイル２７搬送装置２８金属コイル２９搬送装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性の物質あるいは皮膜を表面にもた
せた金属を巻いて円筒状あるいはリング状にした金属コ
イルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心と
を該金属コイルの外で連結してトランスを構成するとと
もに、該金属コイルの巻き始めと巻き終わりの端部を導
電部材で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通
電することにより該金属コイルを加熱する加熱装置にお
いて、該金属コイルの内側を貫通する鉄心と一次コイル
を巻いた鉄心とを着脱自在とし、該金属コイルの内側を
貫通する鉄心を載置して金属コイル軸方向に移動自在に
するローラーと、金属コイルを前記鉄心が貫通する位置
まで搬入し、加熱完了後に払い出す搬送装置とを備えた
ことを特徴とする円筒状あるいはリング状金属コイルの
連続加熱装置。
【請求項２】請求項１記載の円筒状あるいはリング状
金属コイルの連続加熱装置において、前記導電部材の途
中に電流遮断機、または、電圧、電流、電力、位相のい
ずれか少なくとも一つの調整を行う調整回路を設けたこ
とを特徴とする円筒状あるいはリング状金属コイルの連
続加熱装置。
【請求項３】絶縁性の物質あるいは皮膜を表面にもた
せた金属を巻いて円筒状あるいはリング状にした金属コ
イルの内側を貫通する鉄心と一次コイルを巻いた鉄心と
を該金属コイルの外で連結してトランスを構成するとと
もに、該金属コイルの巻き始めと巻き終わりの端部を導
電部材で短絡して二次閉回路を構成し、一次コイルに通
電することにより該金属コイルを加熱する加熱方法にお
いて、各金属コイルの加熱条件に応じて、金属コイルの
内側を貫通する鉄心を金属コイルの軸方向に移動させて
加熱の完了した金属コイルを払い出し、および／また
は、あらたに金属コイルを前記鉄心が貫通する位置まで
搬入してその内側に前記鉄心を貫通させることにより連
続的に通電加熱することを特徴とする円筒状あるいはリ
ング状金属コイルの連続加熱方法。
【請求項４】請求項３記載の円筒状あるいはリング状
金属コイルの連続加熱方法において、前記導電部材の途
中で電流を遮断し、または、電圧、電流、電力、位相の
いずれか少なくとも一つの調整を行って、各金属コイル
の加熱温度を個別に調整することを特徴とする円筒状あ
るいはリング状金属コイルの連続加熱方法。