JP2003129130A - 厚鋼板の熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、板厚方向および板幅方向の温
度分布の均一化を図り、さらに加熱歪による変形が発生
しない厚鋼板の熱処理装置を提供することにある。 【解決手段】複数台のソレノイド型誘導加熱装置を直列
に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレノイド
型誘導加熱装置出側に内部冷却式のテーブルロールと内
部冷却式の押えロールを上下対向して設置することを特
徴とする厚鋼板の熱処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は厚鋼板の焼入れ、焼
鈍し、焼戻しなどの熱処理プロセスにおいて用いられる
厚鋼板の熱処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】厚鋼板の焼入れ、焼鈍、焼戻しなどの熱
処理プロセスにおいて、厚鋼板を急速加熱するために誘
導加熱装置を用いる場合、ステンレスを除き被処理材は
常温で強磁性体であることから、鋼板表層部に誘導電流
が発生し、表層部が鋼板内部に比べて急激に加熱される
ため以下のような点に配慮する必要がある。 （１）鋼板表裏面の加熱温度差を最小化することによ
り、加熱歪による変形を防止する必要がある。被処理材
が加熱歪によりソレノイド型誘導加熱装置（以下インダ
クター）内で変形した場合、装置を破損させるおそれが
ある。

【０００３】これは、材料搬送手段としてのテーブルロ
ール間にソレノイド型インダクターを直列配置して連続
加熱した場合、表裏面の加熱温度差による材料の歪とそ
れに伴う変形を防止しないと、下流のインダクターを通
過できなくなるばかりか、品質に重大な欠陥を発生させ
てしまうからである。この加熱歪をレベラー等の矯正機
を配置して、除去する技術も検討したところ、以下のよ
うな問題点がある。 インダクター間がレベラー機長分長くなり、薄物材で
温度低下を招く。 レベラーは一般に上ロールより下ロールの数が多いた
め、表裏温度差を付けたまま次の加熱に入る。 レベラーをインダクター毎に配置すると設備費が増大
して不経済になる。 （２）板中央と板エッジの加熱温度差を最小化すること
により、板幅方向の温度分布を均一にする必要がある。
図５は板断面コーナー部（板厚、板幅方向共に）も表層
部分に誘導電流（回り込み電流）が発生することを示す
もので、これによれば、コーナー部には板厚、板幅の両
方から誘導電流が流れるためジュール発熱が起こって、
エッジ部が温度上昇することになる。一般的に、エッジ
部から２０〜１００ｍｍ程度すなわち板厚の２〜５倍程
度に相当する幅のエッジ部で温度上昇が発生し、品質に
大きな悪影響を与える。

【０００４】厚鋼板を誘導加熱装置を用いて熱処理する
際に、被処理材を均一加熱するための技術に関しては、
従来以下のような提案がなされている。

【０００５】特開昭４８−２５２３７号には、ソレノイ
ド型誘導加熱装置を直列に複数個配置した時の板長手方
向の先後端の温度不均一防止について対策が示されてい
る。

【０００６】また、特開昭４８―６４５３４号には、キ
ュリー点以下の加熱であれば低周波数誘導加熱と高周波
数誘導加熱の交互加熱により不等厚断面材料の均一な昇
温が可能であることが示されている。

【０００７】一方、特開昭４８―２５２３９号には、幅
方向不均一加熱の対策として、板エッジの限られた部分
に冷却水を噴射して板エッジの高温部を冷却する方法が
示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術には次のような問題がある。

【０００９】まず、特開昭４８−２５２３７号の方法で
は、板断面全体の熱処理を均一に行うことができず、加
熱歪による板変形や板厚方向での温度分布の発生を防止
することができない。

【００１０】また、特開昭４８―６４５３４号の方法で
は、キュリー点以下の加熱であれば低周波数誘導加熱と
高周波数誘導加熱の交互加熱により不等厚断面材料の均
一な昇温が可能であるとしているが、被加熱材料板厚が
薄い場合は十分な昇温ができない問題がある。これは約
５０〜２００Ｈｚの商用周波数付近の低周波数誘導加熱
の場合、下式（１）に示すように、入熱電力が周波数に
比例して低下しさらに十分な磁界を得るためには電流を
莫大にとる必要があること、加熱周波数が低いと加熱で
きる板厚の下限値が存在すること（例えば加熱周波数２
００Ｈｚの場合、下限値は約１７ｍｍとなる）から、工
業的に成立する加熱装置とすることは難しい。したがっ
てこの技術では多種の厚みを有する厚鋼板の熱処理は困
難である。

【００１１】 Ｐ＝ π・μ・ｆ・Ｈ^２・Ｓ・Ｌ・Ｑ ・・・（１） ここで、Ｐ：加熱吸収電力、μ：透磁率、ｆ：周波数、
Ｈ：磁界の強さ、Ｓ：材料断面積、Ｌ：材料長、Ｑ：吸
収係数を示す。

【００１２】特開昭４８―２５２３９号の方法では、板
エッジに適正な量の冷却水を噴射すればそれなりの効果
が得られると考えられるが、厚鋼板の熱処理では被加熱
材の板厚と加熱周波数との関係によって過加熱されるエ
ッジ幅や過加熱量が変化し、これに応じてそのエッジ部
分にのみ過不足なく冷却水を噴射することは困難であ
り、水量が多ければ過冷却が生じ、冷却水を噴射するエ
ッジ幅が適切でなければ幅方向温度分布が改善されない
などの問題を生じる。また冷却水を噴射することによる
表面品質の悪化、材質の急変といった問題、水を用いる
ことによる誘導加熱装置の絶縁管理の問題や、材料及び
搬送ロールの絶縁性低下から搬送ロールにスパーク疵が
発生するなどの問題もある。

【００１３】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題点を解決し、板厚方向および板幅方向の温度分布の
均一化を図り、さらに加熱歪による変形が発生しない厚
鋼板の熱処理装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の厚鋼
板の熱処理装置は以下のような特徴を有する。

【００１５】（１）複数台のソレノイド型誘導加熱装置
を直列に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレ
ノイド型誘導加熱装置出側に内部冷却式のテーブルロー
ルと内部冷却式の押えロールを上下対向して設置するこ
とを特徴とする厚鋼板の熱処理装置。

【００１６】（２）複数台のソレノイド型誘導加熱装置
を直列に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレ
ノイド型誘導加熱装置出側に内部冷却式の上下ロールか
らなるエッジ冷却用ピンチロールを設置することを特徴
とする厚鋼板の熱処理装置。

【００１７】（３）複数台のソレノイド型誘導加熱装置
を直列に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレ
ノイド型誘導加熱装置出側に内部冷却式の厚鋼板端面冷
却用竪ロールを設置することを特徴とする厚鋼板の熱処
理装置。

【００１８】（４）内部冷却式のエッジ冷却用ピンチロ
ールは、幅方向に移動可能とし、厚鋼板のエッジ部を板
厚の２〜５倍に相当する幅で拘束することを特徴とする
上記（２）に記載の厚鋼板の熱処理装置。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の厚鋼板の熱処理装
置の一実施形態を示すもので、図１（ａ）は側面図、図
１（ｂ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う矢視図であ
る。

【００２０】図１の冷却装置は、上ロールである内部水
冷式押えロール１と、下ロールである内部水冷式テーブ
ルロール２とを有している。前記内部水冷式押えロール
１は軸受け３ａ、３ｂに、前記内部水冷式テーブルロー
ル２は軸受け４ａ、４ｂに各々支持されている。また、
前記軸受け３ａ、３ｂは昇降装置５に保持され、この昇
降装置５により軸受け３ａ、３ｂを昇降させることによ
り内部水冷式押えロール１を昇降させ、内部水冷式押え
ロール１と内部水冷式テーブルロール２間の間隔および
内部水冷式押えロール１の圧下量を調整できるようにし
ている。

【００２１】前記内部水冷式押えロール１には軸受け３
ｂを通じて冷却水が給水され、この冷却水は押えロール
１内部を流れてロールを冷却した後、軸受け３ａより排
水される。

【００２２】また、前記内部水冷式テーブルロール２に
も軸受け４ｂを通じて冷却水が給水され、この冷却水は
テーブルロール２内部を流れてロールを冷却した後、軸
受け４ａより排水される。

【００２３】前記昇降装置５ａ、５ｂは、内部水冷式押
えロール１を厚鋼板７の上面部に押当て、上ロールと下
ロールとで厚鋼板７をピンチングするためのもので、通
常エアーシリンダーで駆動される。

【００２４】次に、上記実施形態の厚鋼板の熱処理装置
の動作および作用を説明する。

【００２５】厚鋼板の焼入れ、焼鈍、焼戻しなどの熱処
理プロセスにおいて、厚鋼板を直列式のインダクターで
連続加熱する。

【００２６】各インダクター出側に図１に示す内部水冷
式押えロール１と内部水冷式テーブルロール２による冷
却装置で材料を全幅ロール圧下しながら冷却する。

【００２７】ロール圧下しながら冷却することにより、
鋼板表裏面の加熱温度差を最小化できて、加熱歪による
変形を防止できる。また、板中央と板エッジの加熱温度
差を低減させる効果も有している。

【００２８】図２は、厚鋼板の板厚と、その板厚を有す
る厚鋼板を均熱するのに必要な均熱時間との関係を、内
部水冷式押えロールと内部水冷式テーブルロールによる
冷却装置でロール圧下しながら冷却する場合と、冷却装
置を用いない場合とによって調べた結果を示すものであ
る。ここで、均熱時間とは、温度の高い鋼板表層部と温
度の低い鋼板内部が、伝熱により板厚方向で同じ温度に
なるまでに要する時間である。これによれば、上述した
冷却装置でロール圧下しながら冷却する場合は、ロール
接触伝熱により鋼板表面を表裏同一に冷却できるから、
板厚５０ｍｍの厚鋼板で、自然空冷での必要な均熱時間
が２０秒かかるところを約２秒間短縮することができ
る。その結果、熱処理時間の短縮化あるいはインダクタ
ー間距離を短くできることによる設備のコンパクト化が
可能となる。

【００２９】さらに、鋼板表層温度を強制的に低下させ
ることにより、次のインダクターでの加熱の上昇分を大
きく設定できるため、急速加熱を行うことも可能とな
る。

【００３０】また、図３は厚鋼板のある幅方向位置にお
ける幅中央位置との鋼板温度の温度差の関係を調べた結
果を示すもので、鋼板のエッジ部に近づくほど幅中央位
置との鋼板温度差が大きくなるが、上下からロール圧下
しながら冷却することで、ロール接触伝熱により、特に
エッジ部に近づくほど幅方向温度差の低減効果が得られ
る。

【００３１】図４は本発明の厚鋼板の熱処理装置の他の
実施形態を示すもので、図４（ａ）は側面図、図４
（ｂ）は図４（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う矢視図である。

【００３２】図４の冷却装置は、上部エッジ冷却用およ
び下部エッジ冷却用のロール８、９からなるピンチロー
ルＡを有している。前記上部エッジ冷却用ロール８は軸
受け１０ａ、１０ｂに、前記下部エッジ冷却用ロール９
は軸受け１１ａ、１１ｂに各々支持されている。また、
前記軸受け１０ａ、１０ｂは昇降装置５に保持され、こ
の昇降装置５により軸受け１０ａ、１０ｂを昇降させる
ことにより上部エッジ冷却用ロール８を昇降させ、上部
エッジ冷却用および下部エッジ冷却用のロール８、９間
の間隔および上部エッジ冷却用ロールの圧下量を調整で
きるようにしている。また、昇降装置５は架構１３に支
持され、架構１３は固定基部１４上を、架構を鋼板幅方
向に移動可能とする移動機構１２により移動する。図４
（ｂ）は、板幅方向の片端部を示したものであるが、他
の片端部も同様の構造を有している。

【００３３】このようなピンチロールＡは、直列に配置
された複数台のインダクターの各出側に鋼板送り方向に
１組以上配設される。ここでは１組配設しているが２組
以上配設してもよい。なお、本実施形態では、内部水冷
式押えロール１と内部水冷式のテーブルロール２とがイ
ンダクターの間にすでに対向配置されており、さらに上
部エッジ冷却用および下部エッジ冷却用のロール８、９
からなるピンチロールＡが配置される。ピンチロールＡ
は対向配置されている内部水冷式押えロール１と内部水
冷式のテーブルロール２と後段のインダクターとの間に
配置したが、前段のインダクターと対向配置されている
内部水冷式押えロール１と内部水冷式のテーブルロール
２との間に配置してもよい。

【００３４】前記内部水冷式上部エッジ冷却用ロール８
には軸受け１０ｂを通じて冷却水が給水され、この冷却
水は上部エッジ冷却用ロール８内部を流れてロールを冷
却した後、軸受け１０ａより排水される。

【００３５】また、前記内部水冷式下部エッジ冷却用ロ
ール９にも軸受け１１ｂを通じて冷却水が給水され、こ
の冷却水は下部エッジ冷却用ロール９内部を流れてロー
ルを冷却した後、軸受け１１ａより排水される。

【００３６】前記昇降装置５ａ、５ｂは、上部エッジ冷
却用ロール８を厚鋼板７のエッジ上部に押当て、上ロー
ルと下ロールとで厚鋼板７をピンチングするためのもの
で、通常エアーシリンダーで駆動される。

【００３７】前記移動機構１２は、架構１３を幅方向に
移動して、上部エッジ冷却用ロール８および下部エッジ
冷却用ロール９が厚鋼板のエッジ部を板厚の２〜５倍に
相当する幅で拘束するためのものである。

【００３８】次に、上記実施形態の厚鋼板の熱処理装置
の動作および作用を説明する。

【００３９】厚鋼板の焼入れ、焼鈍、焼戻しなどの熱処
理プロセスにおいて、厚鋼板を直列式のインダクターで
連続加熱する。

【００４０】各インダクター出側に図４に示す内部水冷
式のエッジ冷却用ロールを表面用、裏面用として対向し
て配置し、エッジ過加熱部分にのみエッジ冷却用ロール
を接触させ、接触伝熱によりエッジ冷却を行う。

【００４１】内部冷却式のエッジ冷却用ロールは、厚鋼
板板幅に応じて幅方向に移動可能とし、厚鋼板のエッジ
部を板厚の２〜５倍に相当する幅で拘束することが好ま
しい。この時、エッジ冷却の範囲であるエッジ冷却用ロ
ールと厚鋼板の板幅のラップ長さは、幅方向温度計で過
加熱部分の幅を計測してもよいし、材料毎にラップ量を
決めておいても構わないし、また２次元の熱伝導方程式
を解いてエッジ部の過加熱部分を推定してもよい。接触
伝熱で冷却するためロールの冷却を十分に行い、材料に
対し十分な温度差を確保しておくことが必要である。

【００４２】本発明では、過加熱された鋼板を冷却する
ことにより温度の均一化を図っているが、下記のように
インダクターの特性を工夫することで、幅方向を均一に
加熱する方策も考えられる。しかしながら、いずれもデ
メリットを有し実現性に乏しい。 板厚／浸透深さ（ｔ／δ）を一定にするため、加熱さ
れる材料の板厚毎に加熱周波数を変更する。

【００４３】製造範囲を大きくとるには、共振周波数を
変更するため、大容量誘導加熱装置のインピーダンス整
合用の電力コンデンサー、インバータ発振電圧を変更す
る必要があり、装置設計が困難である。 加熱周波数を変更できない場合、周波数の異なる加熱
装置を多数用意する必要があり、インダクター台数が大
幅に増えてしまう。また、合理的な配置ができなくなっ
たり、複数の加熱周波数を組み合わせてエッジ温度分布
を制御する場合は非常に複雑な計算を大量に行う必要が
あり、システムコストが上昇する。 磁気集束子(フラックスダイバータ)等の補助コイルに
よるエッジ部分の減磁などは、インダクターを複雑な構
造にするばかりかトータル加熱効率を低下させる。また
大電力向きではない。

【００４４】図６は本発明の厚鋼板の熱処理装置の他の
実施形態を示すもので、図６（ａ）は正面図、図６
（ｂ）は平面図である。

【００４５】図６の冷却装置は、２本の厚鋼板端面冷却
用竪ロール１５を有している。前記竪ロール１５は軸受
け１６ａ、１６ｂに支持されている。前記軸受け１６
ａ、１６ｂは架構１３に支持され、架構１３は固定基部
１４上を、架構を鋼板幅方向に移動可能とする移動機構
１２により移動する。図６は、板幅方向の片端部を示し
たものであるが、他の片端部も同様の構造を有してい
る。

【００４６】前記内部水冷式厚鋼板端面冷却用竪ロール
１５には軸受け１６ａを通じて冷却水が給水され、この
冷却水は竪ロール１５内部を流れてロールを冷却した
後、軸受け１６ｂより排水される。

【００４７】前記移動機構１２は、架構１３を幅方向に
移動して、厚鋼板端面冷却用竪ロール１５が厚鋼板７の
端面に接するように押込むためのものである。

【００４８】次に、上記実施形態の厚鋼板の熱処理装置
の動作および作用を説明する。

【００４９】厚鋼板の焼入れ、焼鈍、焼戻しなどの熱処
理プロセスにおいて、厚鋼板を直列式のインダクターで
連続加熱する。

【００５０】各インダクター出側に図６に示す内部冷却
式の厚鋼板端面冷却用竪ロールを厚鋼板端面に接触させ
て冷却する。

【００５１】厚鋼板を誘導加熱する場合、図５によれば
板の端面まで幅方向中央と同一浸透深さで加熱されるこ
とが判っている。これは、板端面では板幅方向、板厚方
向の両方より加熱されるので、鋼板内のどの部分より温
度が高いことを意味しており、過加熱を防止するために
端面冷却が必要であることを示している。したがって、
堅ロールを厚鋼板端面に接触させての抜熱は大きな効果
が得られる。

【００５２】図６に示す実施形態では、同時にこの堅ロ
ールを２本以上鋼板進行方向に直列に並べ、厚鋼板端面
を押さえてサイドガイドとしての役割（材料センタリン
グ機能）をも持たせることができる。現実のインダクタ
ーにおいて、ソレノイド幅に対し十分に幅広な厚鋼板を
加熱する場合、幅方向無限遠方条件が成立しないので、
インダクター端部の磁束（幅方向および上下方向）も端
部加熱に寄与することを考慮しなければならない。

【００５３】図７は厚鋼板の両端部の磁路長が左右で異
なるために鋼板に偏熱を生じることを示す説明図であ
る。このような偏熱を防ぐためセンタリング機能が厚鋼
板の誘導加熱において必要である。

【００５４】以上述べたように、本発明では図１に示す
ような内部冷却式のテーブルロールと内部冷却式の押え
ロールを上下対向して設置した装置、図４に示すような
内部冷却式の上下ロールからなるエッジ冷却用ピンチロ
ールを設置した装置、および図６に示すような内部冷却
式の厚鋼板端面冷却用竪ロールを設置した装置を、目的
に応じて、組み合わせて用いてもよいし、単独で用いて
もよい。

【００５５】

【発明の効果】高効率な誘導加熱装置を用いて板厚方向
および板幅方向の温度分布の均一化を図り、薄物から厚
物まで、材料の加熱歪による変形、反り、蛇行を発生さ
せないで加熱終了時点で板厚・板幅方向で極めて精度の
良い一様加熱が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の厚鋼板の熱処理装置の一実施形態を示
すもので、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１
（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う矢視図

【図２】厚鋼板の板厚と、その板厚を有する厚鋼板を均
熱するのに必要な均熱時間との関係を示すグラフ

【図３】厚鋼板のある幅方向位置と、幅中央位置での鋼
板温度とある幅方向位置での鋼板温度の温度差との関係
を調べた結果を示すグラフ

【図４】本発明の厚鋼板の熱処理装置の他の実施形態を
示すもので、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は図４
（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う矢視図

【図５】板断面コーナー部（板厚、板幅方向共に）も表
層部分に誘導電流（回り込み電流）が発生することを示
す説明図

【図６】本発明の厚鋼板の熱処理装置の他の実施形態を
示すもので、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は平面図

【図７】厚鋼板の両端部の磁路長が左右で異なるために
鋼板に偏熱を生じることを示す説明図

【符号の説明】

１ 押えロール ２ テーブルロール ３ａ 軸受け ３ｂ 軸受け ４ａ 軸受け ４ｂ 軸受け ５ 昇降装置 ５ａ 昇降装置 ５ｂ 昇降装置 ６ ソレノイド型誘導加熱装置（インダクター） ７ 厚鋼板 ８ エッジ冷却用ロール ９ エッジ冷却用ロール １０ａ 軸受け １０ｂ 軸受け １１ａ 軸受け １１ｂ 軸受け １２ 移動機構 １３ 架構 １４ 固定基部 １５ 厚鋼板端面冷却用竪ロール １６ａ 軸受け １６ｂ 軸受け

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 多賀根 章 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 藤林 晃夫 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 渡辺 厚 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 3K059 AB19 AB26 AB28 AC33 AC37 AC51 AC54 AD05 AD34 CD52 CD64 CD75

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数台のソレノイド型誘導加熱装置を直
   列に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレノイ
   ド型誘導加熱装置出側に内部冷却式のテーブルロールと
   内部冷却式の押えロールを上下対向して設置することを
   特徴とする厚鋼板の熱処理装置。
2. 【請求項２】 複数台のソレノイド型誘導加熱装置を直
   列に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレノイ
   ド型誘導加熱装置出側に内部冷却式の上下ロールからな
   るエッジ冷却用ピンチロールを設置することを特徴とす
   る厚鋼板の熱処理装置。
3. 【請求項３】 複数台のソレノイド型誘導加熱装置を直
   列に配置した厚鋼板の熱処理装置において、各ソレノイ
   ド型誘導加熱装置出側に内部冷却式の厚鋼板端面冷却用
   竪ロールを設置することを特徴とする厚鋼板の熱処理装
   置。
4. 【請求項４】 内部冷却式のエッジ冷却用ピンチロール
   は、幅方向に移動可能とし、厚鋼板のエッジ部を板厚の
   ２〜５倍に相当する幅で拘束することを特徴とする請求
   項２に記載の厚鋼板の熱処理装置。