JPH0612709B2 - 誘導加熱炉の炉内雰囲気制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，圧延またはプレス等の加工を熱間で実施する
工程において，鋼材を急速にかつ短時間のうちに所定の
高温度に加熱する誘導加熱炉に関するもので，さらに詳
言すれば，誘導加熱炉内における鋼材表面スケールの発
生および溶融等を効果的に防止することを目的としたも
のである。

〔従来の技術〕

鋼材を短時間の内に所定の高温度まで急速加熱する誘導
加熱炉において，炉内雰囲気の酸素ガス含有量および鋼
材加熱時の表面温度による酸化量が変化する様子を第５
図に示す。

この第５図において，曲線a4は炉内酸素ガス濃度が20％
の場合の変化特性を，曲線a5は炉内酸素ガス濃度が１％
の場合の変化特性を，そして曲線a6は炉内酸素ガス濃度
が0.1％以下の場合の変化特性をそれぞれ示している。

この第５図から明らかなように，鋼材を少なくとも1250
℃以上に加熱する場合，炉内酸素ガス濃度を低下させる
ことにより，鋼材の酸化減量を著しく減らすことがで
き，これによって歩留り向上およびスケール発生に起因
する製品表面欠陥を大幅に防止することが可能となる。

また，鋼材の表面に酸化物であるスケールが発生する
と，この酸化物であるスケールはその融点が低く，1300
℃程度で溶融するので，この溶融したスケールは誘導加
熱炉の操業性を損なうばかりでなく，鋼材の表面欠陥，
耳割れ発生等の多くの問題を生じる不都合があった。

それゆえ，誘導加熱炉の炉内雰囲気の制御，すなわち炉
内の酸素ガス濃度の制御は重要な意味を持ち，不活性ガ
ス等の雰囲気ガスを炉内に封入して鋼材表面の酸化を防
止する対策が提案され，いくつかの手段が報告されてい
る。

例えば，実公昭５８−２４３９７号公報，実開昭４８−
１１３７４１号公報さらには実開昭４８−９１５５５号
公報等があるが，これらの従来技術に示された手段は，
不活性ガスの炉内への送入方法であり，また炉下部のシ
ール構造に関するものであるが，基本的には，炉外から
不活性ガスを炉内に送入し，炉内雰囲気を或る設定され
たレベルに維持するものとなっている。

〔発明が解消しようとする問題点〕

しかしながら，これらの上記した従来の手段では，次の
ような不都合な問題がある。

すなわち，炉内への鋼材の装入，注出時においては，炉
を開放する必要があるので，炉内への外気の侵入を阻止
することができず，炉内の雰囲気は，炉の開閉操作の度
にそのかなりの量が外気と置換されてしまう，すなわち
炉の開閉操作の度に大量の酸素ガスが外部から炉内に侵
入することになる。

この大量の酸素ガスを炉内に侵入させたまま炉内に不活
性ガスを送入し，もって炉内の酸素ガス濃度を低下させ
るには，極めて大量の不活性ガスを必要とすることにな
る。

ちなみに，炉内の初期の酸素ガス濃度を１０％とし，こ
の酸素ガス濃度を低下させるのに必要な送入不活性ガス
の量は，実験の結果によると第６図のようになる。

すなわち，この第６図の曲線a7から明らかなように，炉
内の酸素ガス濃度を初期酸素ガス濃度の５％とするため
には，炉内空間の約５倍の容量の不活性ガスが必要とな
るのである。

また，誘導加熱炉の特徴は，鋼材を短時間の内の所定の
高温度まで急速加熱することにあるのであるから，炉内
雰囲気の調整は当然のこととして短時間の内に達成され
なければならず，もしこの炉内雰囲気の調整に長時間を
要するようでは，炉の生産性を確保することは不可能と
なる。

このようなことから，短時間の内に，鋼材の装入，抽出
を繰り返す誘導加熱炉においては，不活性ガスの炉内へ
の押し込みだけによる炉内雰囲気の置換だけでは，炉内
雰囲気調整の速度に限界のあることが明らかである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は，上記した従来例における問題点を解消すべく
創案されたもので，誘導加熱炉により鋼材を急速加熱す
るに際し，有効な炉内雰囲気制御を達成するために，炉
内ガスの吸引操作と不活性ガスを使用した雰囲気ガスの
炉内への押し込み操作とを組合わせるべく構成したもの
で，以下本発明を，本発明の一実施例を示す図面を参照
しながら説明する。

本発明による誘導加熱炉の炉内雰囲気制御装置は，鋼材
15を雰囲気ガス中で再加熱する誘導加熱炉の炉体１内に
加熱鋼材15を挿入しそして密閉した後に炉内ガスを吸引
・排出する吸引装置12と，この吸引装置12による炉内ガ
ス吸引排出操作後に不活性ガスを使用した雰囲気ガスを
炉体１内に供給するガス供給装置８と，炉体１内の酸素
ガス濃度を分析検出する分析計６と，この分析計６の分
析結果信号S1に従って炉体１内の酸素ガス濃度を予め設
定された一定値以下にすべく前記ガス供給装置８の炉体
１内に対する雰囲気ガス供給量を制御する制御器７とを
具備して構成されている。

分析計６は，炉体１内のガスを常時サンプリング採取し
て，この採取したガス中の酸素ガスの濃度を分析検出し
ており，この酸素ガスの濃度の検出値は，信号S1として
常時制御器７に出力されている。

制御器７はマイクロコンピュータ等により構成されたも
ので，分析計６からの信号S1に従って，ガス供給装置８
の炉体１内への雰囲気ガスの供給量を制御するものとな
っている。

〔作用〕

本発明による炉内雰囲気制御装置は，上記の如き構成と
なっているものであるが，次にこの本発明装置の基本的
作用を順に説明する。

分析計６は，炉体１に開口形成された採取口５から炉内
ガスをサンプリング採取して炉内ガス中の酸素ガス濃度
を連続して分析検出して，この検出信号S1を制御器７に
出力している。

この状態から，鋼材15を積載したスキッド部３が上昇し
て鋼材15を炉体１内に装入すると同時に炉体１を密閉す
る。

炉体１の密閉が達成されると加熱コイル２に電流が供給
されて鋼材15の誘導加熱動作が開始されるが，この誘導
加熱炉の加熱動作の開始と同時に制御器７に制御開始信
号S2が出力される。

すなわち，扉閉信号により制御器７に制御開始信号S2を
出力するのである。

この制御開始信号S2の入力により制御器７は信号S1に従
った制御信号S3をガス供給装置８および吸引装置12に出
力する。

制御器７からの制御信号S3の入力よって，まずガス供給
装置８は雰囲気ガスの炉体１内への供給路を遮断するの
に対し，吸引装置12が作動して炉体１内のガスを吸引排
出する。

この吸引装置12の所望時間の作動後，吸引装置12を停止
させると同時にガス供給装置８を作動させて，炉体１内
に雰囲気ガスを送入して炉体１内を復圧し，以後分析計
６による分析値，すなわち酸素ガス濃度が予め設定され
た目標濃度以下となるように制御信号S3によってガス供
給装置８から炉体１内への雰囲気ガスの投入量をコント
ロールし，もって一定酸素ガス濃度以下での鋼材15の誘
導加熱操作を達成する。

〔実施例〕

第１図図示実施例の場合，炉体１の側壁に，炉内ガスの
吸引および炉体１内への雰囲気ガスの投入を行うための
吸引・投入口４が開口されていると共に，炉体１の頂壁
に炉体ガスの採取口５が開口形成されている。

採取口５を炉体１の頂壁に形成したのは，炉内温度が炉
外温度よりもかなり高いレベルにあることから，炉内ガ
スがドラフト効果により，炉内において上昇方向の流れ
となることから，炉内上部の雰囲気の方が代表性がある
と考えられるからである。

ただし，これは一般的に言えることであって，設備の特
殊性により，任意に決定しても差支えないことは云うま
でもない。

採取口５から採取された炉内ガスは，分析計６に導入さ
れ，炉内ガス中の成分を分析把握する。

本発明装置の目的は，炉体１内をできる限り非酸化状態
とすることにあるから，炉内酸素ガス濃度をコントロー
ルする必要があり，それゆえ分析計６としては一般的な
酸素ガス連続分析計（例えば，ジルコニア式）が最適で
ある。

炉内酸素ガス濃度の管理目標値としては，第５図に示し
た酸化減量特性から，1250℃以上の加熱に対して酸素ガ
ス濃度が１％以下となるのが望ましい。

この分析計６による酸素ガス濃度の分析・検出値は信号
S1として制御器７に入力される。

吸入・投入口４に対してはガス供給装置８と吸入装置12
とが並列に接続されており，ガス供給装置８は雰囲気ガ
スである不活性ガス源９と流量調節弁10とそして流量計
11とから構成されており，吸引装置12は真空ポンプ13と
切換弁14とから構成されている。

この第１図図示実施例は，次の如き順序で操作される。

まず，鋼材15をスキッド部３に積載して上昇させ，もっ
て鋼材15を炉体１内に装入する。

次いで，下部扉（図示省略）を上昇位置で停止させると
扉閉信号が発信され，流量調節弁10を閉状態にすると共
に切換弁14を開状態とし，さらに真空ポンプ13を起動す
る。

この扉開信号は，直接流量調節弁10，切換弁14そして真
空ポンプ13に入力されるようにしても良いのであるが，
第１図図示実施例の場合，制御器７に対して始動指令信
号S2として入力され，制御器７はこの信号S2の入力に従
って，制御信号S3を流量調節弁10，切換弁14そして真空
ポンプ13に出力する。

この制御信号S3は，指令信号S2の入力に従って発信され
た当初においては，流量調節弁10に対しては“閉”信号
として出力され，切換弁14に対しては“閉”信号として
出力され，そして真空ポンプ13に対して起動信号として
出力される。

真空ポンプ13による炉内ガスの吸引・排出が進んで分析
計６による酸素ガス濃度の分析値が，予め設定した目標
値以下となりかつ誘導加熱炉が定常操業に入った段階
で，制御器７からの信号S3により，真空ポンプ13を停止
させると共に切換弁14を“閉”状態とし，さらに流量調
節弁10を全開状態とする。

この流量調節弁10の全開によって不活性ガス源９から炉
体１内に窒素ガス等の雰囲気ガスが一気に供給されて，
炉体１内を復圧させると共に，炉体１内の復圧後は分析
計６による分析値が予め設定された目標値となるよう流
量調節弁10の開度を調節して不活性ガス源９から炉体１
内への雰囲気ガスの投入量をコントロールする。

なお，切換弁14の開閉を制御器７からの信号S3によって
行う場合を説明したが，この切換弁14の開閉および真空
ポンプ13の起動・停止制御は，炉体１内部容積が一定で
あることから，タイマーにより扉閉信号の発信時点を起
点として制御するようにすることも可能である。

所で，上記した一連の制御動作中において，適当な一定
時間の間，炉内ガスを吸引し続けても，炉内ガス中の酸
素ガス濃度が低下しないか，あるいは或る量以上の雰囲
気ガスを炉体１内に投入しても，炉内ガスの酸素ガス濃
度が低下しないような場合には，誘導加熱炉のシール性
に重大な問題が発生していると考えられるので，警報あ
るいはＣＲＴ表示等によりオペレータに知らせることが
でき，根本的な対策を早期に実施することが可能とな
る。

次に，一つの実施結果例を示す。

第２図に示す如く，炉体１の炉内寸法は，長さR1が1250
0mm，また幅R3が450mm，そして高さR2が1800mmで，この
炉体１内に装入・加熱される鋼材15の寸法は，長さK1が
12200mm，幅K3が215mmそして高さK2が1300mmである。

それゆえ，鋼材15の体積を除いた炉体１内の容積は6.7m
³となる。

また，鋼材15に対する加熱パターンは，３０分加熱，５
分均熱であり，鋼材15の表面温度変化特性曲線a1は，第
３図に示す如き形態となる。

なお，鋼材15は，誘導加熱炉の電力原単位の削減等を目
的にホットチャージされており，また鋼材15の表面温度
は炉体１の炉壁に取付けた放射温度計によって常時連続
して測温されている。

この具体例では，鋼材15の加熱温度が，鋼材15の表面で
1300℃と高いので，第５図から明らかなように，酸化減
量を充分に小さい値に抑えるために，炉内ガス中の酸素
ガス濃度を１％以下に制御管理する必要がある。

鋼材15の加熱開始時（第３図において装入完時であり，
第４図においてはt1時である）には，下部扉開による炉
体１内への外気の侵入で炉内の酸素ガス濃度が高くなっ
ている。

本具体例では，約５分の炉内ガス吸引時間（第４図にお
いて，時点t1から時点t2までの間）で炉内ガス中におけ
る酸素ガス濃度を１％以下にしている。

第３図に示した鋼材表面温度変化曲線a1から明らかな如
く，加熱開始後５分では，鋼材15の表面温度は1100℃程
度であるので，これ以上早く炉内ガスを吸引して酸素ガ
ス濃度を早く下げる必要が少ないことから，上記した吸
引速度時間程度に設定している。

第４図から明らかなように，炉内ガス吸引完了後（時点
t2後），炉内圧を大気圧＋α（αは＋１mmH₂O程度）の
正圧に復圧させる必要から雰囲気ガスである窒素ガスが
大量にかつ急速に炉内に投入されている。

炉内の復圧が達成された時点t3以後は，炉内ガス中の酸
素ガスの分析値に従って雰囲気ガスの炉内への投入量制
御が始まり，定常操業となっている。

また，鋼材15の表面温度が1250℃以上の酸化し易い高温
域において，炉内ガス中の酸素ガス濃度が0.5〜１％の
範囲内にコントロールされていることが酸素ガス濃度曲
線a3が明確に示している。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く，本発明による誘導加熱炉
の炉内雰囲気制御装置は，極めて短時間の内に炉内ガス
中の酸素ガス濃度を充分に低い目標値以下に低下させる
ことができるので，誘導加熱炉の特徴である短時間の内
の鋼材の急速加熱を充分に生かすことができ，これによ
って炉の高い生産性を確保することができる。

また，炉内ガス中における酸素ガス濃度を目標値以下に
するのに消費される雰囲気ガスの量を従来の場合に比べ
て遥かに少なくすることができ，これによって雰囲気ガ
スの消費量を少なくすることができると共に，雰囲気ガ
スに関する設備を小型・簡単化することができることに
よる経済的効果が高い。

さらに，炉内ガスの吸引・排出による炉内ガス中の酸素
ガス濃度の低下程度は，ほぼ一定した特性となることが
予め知られているので，この酸素ガス濃度の低下速度を
監視することによって，炉の気密性の不良を早期にかつ
確実に検出することができ，これによって良好な鋼材加
熱を達成することができる等，ようするに短時間に炉内
のガス置換が可能であり，置換するに必要な投入ガス量
を低減可能であり，押し込みガス置換では炉内が冷却さ
れて炉の加熱効率が低下するが押し込みガス量の少ない
本発明装置においては炉効率の向上を計ることができる
等多くの優れた効果を発揮するものとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は，本発明装置の構成の一実施例を示す説明図で
ある。 第２図は，本発明装置の機能を実施するための具体例を
示す炉体の斜視図である。 第３図は，誘導加熱炉による鋼材表面温度の特性を示す
線図である。 第４図は，本発明装置による制御動作の一例を示す不活
性ガスの炉体内への供給量変化曲線図および炉内の酸素
ガス濃度変化特性線図である。 第５図は，炉内温度と鋼材の表面酸化減量との関係を示
す線図である。 第６図は，炉内の酸素ガス濃度と炉内ガスの置換量との
関係を示す線図である。 符号の説明 １；炉体，２；加熱コイル，３；スキッド部，４；吸入
・投入口，５；採取口，６；分析計，７；制御器，８；
ガス供給装置，９；不活性ガス源，10；流量調節弁，1
1；流量計，12；吸引装置，13；真空ポンプ，14；切換
弁，15；鋼材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼材を雰囲気ガス中で再加熱する誘導加熱
   炉内に加熱鋼材を挿入しそして密閉した後に前記炉内ガ
   スを吸引排出する吸引装置と，該吸引装置による炉内ガ
   ス吸引排出操作後に不活性ガスの雰囲気ガスを前記炉内
   に供給するガス供給装置と，前記炉内の酸素ガス濃度を
   分析検出する分析計と，該分析計の分析結果信号に従っ
   て前記炉内の酸素ガス濃度を予め設定された一定値以下
   にすべく前記ガス供給装置の炉内に対する雰囲気ガス供
   給量を制御する制御器とを具備して成る誘導加熱炉の炉
   内雰囲気制御装置。