JPH0632285B2 - 金属管の誘導加熱方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属管の誘導加熱方法に係わり、特に管材の偏
肉に起因する加熱後の管断面方向での温度差（以下偏熱
と呼ぶ）を減少し、均等な加熱を実現するための誘導加
熱方法及びその実施に使用する装置に関する。

〔従来技術〕

金属管の加熱は連続炉とバッチ炉とに大きく分類され、
連続炉をさらに送管機構で分けると、ディスクローラ式
（バレル炉），ハースローラ式（ローラハース炉）及び
ウォーキングビーム式に分類される。これらはいずれも
炉内輻射及び対流により管に熱を伝える方法であるの
で、管の温度は炉壁又は対流温度以上にはなり得ず、少
々の偏肉がある処理材でも均一に加熱を行うことができ
る。

しかしながら加熱に長い時間を要し、周囲雰囲気に曝さ
れる時間が長いので、表面の酸化，金属組織の調整及び
物理的性質の安定性の面で問題が多かった。

これに対して最近誘導加熱コイルにより金属管の加熱を
短時間で、しかも清浄な雰囲気で行う方法が提案されて
いる。しかしながらこの方法は以前の方法と異なり、電
磁誘導により金属管に渦電流を発生させ、これによるジ
ュール熱により加熱する原理を利用しているので、周方
向に大きな偏肉があるとき、その薄肉部は他に比べて過
度な高温度になる可能性があり、温度の制御が非常に難
しく、温度条件が厳しい金属管の製造には適さなかっ
た。

誘導加熱方法で金属管の温度制御を難しくしている要因
の大きなものは、加熱コイルと金属管との中心軸のずれ
（以下偏芯という）と金属管の周方向の偏肉とである。
偏芯による偏熱については金属管に回転を加えながら加
熱すれば、金属管の全周にわたって均等に伝熱が行なわ
れるので解消される。周方向の偏肉については、現状の
製管技術レベルではある程度避け得ないので、誘導加熱
を行う場合の問題は、如何にして偏肉による偏熱を低減
するかにかかっている。

誘導加熱方法において、偏肉がある金属管の偏熱の発生
を低減させる方法として、誘導加熱電源の周波数を低く
して浸透深さを大きくする（特開昭52−14486号，特開
昭53−10141 号）か、肉厚計で周方向の肉厚分布を計測
するか、温度計で周方向の温度分布を計測する（特開昭
53−114712号，特開昭55−128539号）という方法を用い
て、各々偏熱を最小限に抑えようとする提案がなされて
いる。

前者の方法のうち、１つは加熱コイルの外に、これとは
別の周波数で励磁される均熱コイルを設け，それを移動
して厚肉部を加熱するというものであり、もう１つは高
温域と低音域とで各別の周波数を使用して偏熱を防ぐと
いうものである。

後者の２つの方法のうち１つは肉厚計により厚肉部を検
出し、厚肉部を常にコイル内で上面にして偏熱を防ぐも
のであり、他の１つは温度又は肉厚の偏りを検出し、そ
れにより誘導コイルを偏芯させ、偏熱を防ぐものであ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前者の方法においては、周波数を低くし、浸透深さを大
きくする必要があるが、周波数を低くすると加熱コイル
から管への熱伝達効率が落ちるため、周波数をある程度
高くせざるを得ず、実際には浸透深さをあまり大きくす
ることはできなかった。また２種類の周波数が必要な場
合は別電源が必要となり、設備費も高価となる。

さらに後者においては、実際の制御が温度計及び肉厚計
の精度の問題、鋼管の周方向の各種温度分布に対する制
御性の問題、加熱コイル位置修正装置の応答性の遅れ等
から難しい。

さらに偏肉には大きく分けて金属管の内外径の芯ずれの
ような偏芯性偏肉と、金属管の外周が真円形をなし、内
周が外周と同芯の略楕円形をなし、対向部の肉厚が同じ
傾向の対向性偏肉とがあるが、従来方法のうち後者の方
法では、この対向性偏肉については対処できなかった。

本発明の第１の目的は安価な設備で格別の温度制御を必
要とすることなく偏肉の存在する金属管を加熱する際に
偏肉に起因して生じる偏熱を低減するにある。

また本発明の第２の目的は金属管をその縦走方向の各部
に対し、短い縦走距離で加熱，強制冷却を複数回施すこ
とで短時間加熱により効果的な偏熱防止を図れるように
するにある。

更に本発明の第３の目的は金属管の誘導加熱コイルと金
属管の縦走方向の下流側の冷媒噴射器とを組合せること
で、簡単な設備を利用して安価に、しかも既存の製管ラ
インに容易に適用可能とするにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の発明に係る金属管の誘導加熱方法は、金属管を縦
走させつつ金属管に対する誘導加熱と、強制冷却とを交
互に施す過程で、金属管の温度を検出し、検出温度に基
づき金属管の偏熱を低減すべく、金属管に対する誘導加
熱出力，金属管に噴射される冷媒量を制御することを特
徴とする。

第２の発明に係る金属管の誘導加熱装置は、金属管の縦
送方法に所定の間隙を隔てて配設され、夫々その搬送域
を囲繞する複数の環状の誘導加熱コイルと各誘導加熱コ
イル間を通じて金属管表面に冷媒を噴射する冷媒噴射器
とを有する少なくとも１個の誘導加熱器と、該誘導加熱
器の出側で測定した金属管の温度に基づき金属管の偏熱
を低減すべく前記誘導加熱コイル出力，冷媒噴射器から
の金属管に噴射される冷媒量を制御する制御装置とを備
えることを特徴とする。

第３の発明に係る金属管の誘導加熱装置は、金属管の縦
走方向に沿って、交互に複数組配設された金属管の搬送
域を囲繞する環状の誘導加熱コイル及び誘導加熱コイル
よりも金属管の縦走方向の下流側に位置し、金属管に冷
媒を噴射する冷媒噴射器と、金属管の温度を検出し、検
出温度に基づき誘導加熱コイル出力、前記冷媒噴射器か
らの金属管に噴射される冷媒量を制御する制御装置とを
備えることを特徴とする。

〔作用〕 円周方向に偏肉のある金属管を誘導加熱した後、円周方
向に均質に強制冷却すると、薄肉部は冷えやすく、厚肉
部は冷えにくい。従って強制冷却することにより、誘導
加熱により引起される偏熱が打ち消されることとなり、
管の温度を円周方向に均質化することができる。

〔発明の原理〕

以下本発明の原理を図面に基づき具体的に説明する。

第１図は本発明の原理を説明するために描かれた、円周
方向に偏肉がある金属等の模式的断面図である。単位長
さの金属管の断面を周方向にｎ等分し、各々その分割片
に１，２，…ｉ−１，ｉ，ｉ＋１，…ｎと番号を付す。
t_max は全体の最大肉厚であり、t_min は同最小肉厚であ
る。tiは分割片i の肉厚であり、riは分割片ｉの平均半
径である。又Ｑ_1iは分割片ｉの外部から冷却による対流
伝達熱量、Ｑ_2i，Ｑ_3iは各々分割片ｉと両隣の分割片ｉ
−１，同ｉ＋１との管内熱伝導熱量、Ｑ_4iは断熱熱量と
する。

強制冷却により薄肉部の冷却効果が厚肉部より大きい理
由は以下のとおりである。

いま初期条件として、偏肉のある金属管が全体にわたり
均熱状態にあるとする。そこにＱ_1iなる対流伝達熱量に
より冷却を加えて、分割片ｉの温度θ_i が単位時間Δｔ
秒後θ_i′になったとすれば、伝熱理論より差分近似内
的を求めると、下記の如くなる。

但し Ｃ：金属管の比熱 mi：分割片ｉの質量 λ：金属管の熱伝導率 λ_Ａ：冷媒の熱伝導率 θ_Ａ：冷媒の温度 Ｎｕ：ヌセルト数 上記(2)〜(5)式より、外部から冷却を円周方向に均等に
加えたとき、Ｑ_1iは分割片番号に関係なく一定であり、
Ｑ_2i，Ｑ_3iは初期状態が均熱であるのでＱ_2i＝Ｑ_3i＝０
である。従って(1)式より となる。(6)式より単位時間Δｔあたりの温度降下量
θ_i′−θ_i は分割片質量miに依存する。つまり分割片
質量miが小さい薄肉部は、対流熱伝達熱量Ｑ_1iが同じ場
合、厚肉部に比べて温度降下量θ_i′−θ_i が大きくな
る。即ち薄肉部の方が厚肉部より温度降下が大きくなる
ので、薄肉部の温度が高い偏熱がある金属管を強制冷却
すると偏熱が減少することになる。

〔実施例１〕 第２図は本実施例に使用した誘導加熱器の模式的断面図
であり、誘導加熱器１は誘導加熱コイル２と冷媒噴射器
３とからなり、誘導加熱コイル２は導体をスパイラル状
に金属管より大なる径にて巻いて形成されている。冷媒
噴射器３はケース3a，ノズル3b及び冷媒導入口3cからな
り、ケース3aは円筒状をなした外円筒と、その両端面に
外円筒と同外径で内径が金属管６より稍大きい２つの中
空円板と、円板内径より稍大きな外径の円筒状をなした
内円筒とで構成され、内円筒の内面には前記誘導加熱コ
イル２が設けられている。内円筒と外円筒と２枚の円板
とて囲まれた空間には、冷媒分配室3dが設けられ、内円
筒から誘導加熱コイル２のターン間の間隙に向け、冷媒
噴射孔を設けたノズル3bが複数庫、金属管を円周方向に
均質に強制冷却せしめるように配設してある。さらに該
ケース3aの外周面には複数の冷媒導入口3cが形成してあ
り、冷媒４は図示しない冷媒供給装置から冷媒導入口3
c，冷媒分配室3dを経てノズル3bを通過して金属管６の
外周面へ円周方向に均質に噴射する。このようにして金
属管６は冷媒４により円周方向に均質に強制冷却される
こととなる。

これによって金属管６にはその縦走方向における各部に
誘導加熱コイル２による加熱と、冷媒４による強制冷却
が短い縦走距離の間で多数回交互に加えられることとな
る。

なお実施に使用した金属管は材質SUS304，外径15.9mm，
厚肉側内厚1.2 mm，薄肉側肉厚1.0 mm，長さ100 mmのも
のを使用し、誘導加熱用高周波発送装置は15kW 75kHzの
高周波出力を印加できるものを使用した。さらに冷媒は
空気を利用した。

実験方法は金属管６を誘導加熱装置１内に装入し、所定
の高周波出力を印加し、一定時間加熱後冷却した。

第３図及び第４図は以上の効果を実証すべく行った実験
の結果を表わすグラフであり、縦軸には温度を、また横
軸には時間をとった。

第３図は加熱と強制冷却とを同時的に行い、所定時間経
過後に強制冷却を行ったものであり、第４図は第３図と
同じ時間加熱のみを行った後、自然冷却を行ったもので
ある。図中実線は厚肉部の温度変化、破線は薄肉部の温
度変化を表わす。第３図と第４図との比較から明らかな
如く、加熱に続く強制冷却により薄肉部の温度降下が促
進されている。

さらに第３図の如く加熱と強制冷却とを同時的に行った
場合は、薄肉部と厚肉部との温度逆転が発生し、加熱終
了後の温度差は、第４図とは逆に厚肉部の温度が薄肉部
の温度より80℃高くなっている。従ってこの温度差を０
℃になるように強制冷却の風量，風速等を適宜に設定す
れば、偏熱を低減する誘導加熱が可能となることが判明
した。

〔実施例２〕 第５図は第２の実施例を示す配置図である。金属管６は
図示しない搬送装置により白抜矢符に示す方向に、加熱
コイル２とその下流側に配置された冷媒噴射器３とを３
台タンデムに配置した誘導加熱器１，１，１内を縦走す
る。誘導加熱コイル２は前述の実施例のものと同一構造
であり、冷媒噴射器３は円筒状をなし、冷媒４は前述の
実施例のようにケースに形成された冷媒導入口より導入
され、冷媒分配室を経てノズルから金属管６へ向けて噴
射される。従って金属管６は搬送速度と誘導加熱器１の
配置とにより定められるサイクルタイムで加熱と強制冷
却とを交互的に繰返される。

第６図は加熱と強制冷却とを各々３回ずつ交互的に行っ
た結果を示すグラフであり、縦軸に温度を、また横軸に
は時間をとっている。但し本実施例では加熱中の強制冷
却は行なわなかった。

なお比較の対象として加熱と自然冷却とを上記同一サイ
クルタイムでも行った（図示せず）。

結果は自然冷却を行った場合は、厚肉部の薄肉部とで偏
熱が30℃あったが、加熱と強制冷却とを交互的に行った
本実施例においては偏熱は５℃しかなかった。

なお、以上２つの実施例では強制冷却を金属等６の外面
より行っているが、内面より冷却してもよい。内面より
の冷却法としては、例えば周知の内面からの焼入れ用冷
媒ヘッドを用いればよい。また内外面同時に冷却しても
よい。

第７図は本発明の制御方法の一例を示すブロック図であ
る。金属管６は冷媒噴射器を有する誘導熱装置Ａ内を金
属管搬送装置Ｆにより白抜矢符に示す方向に縦走され、
加熱及び冷却される。そして下流側の測温装置Ｇにより
所定時間毎に計測が行なわれ、そのデータが情報処理装
置Ｅに入力される。

なお縦走のとき加熱コイルと金属管６との偏芯及び曲り
対策のため金属管６を回転させる場合は、情報処理装置
Ｅに入力された同一肉厚傾向部分の測温値の平均を情報
処理装置Ｅにて算出し、それを測温値として使用する。

このようにして入力された測温値が設定温度と差があれ
ば電力制御装置Ｃ又は速度制御装置Ｄにフィードバック
をかけ、誘導加熱装置Ａの出力又は金属管搬送装置Ｆの
速度を調整する。

第８図は所要加熱温度より加熱に要する高周波出力kW
を算出するためのグラフであり、縦軸に温度を、また横
軸には高周波出力を縦走速度で除した数値をとってい
る。またａ，ｂ，ｃは金属管断面積を表わし、ａ＜ｂ＜
ｃである。

第８図に示すように所要加熱温度と管断面積ｂ（本実
施例ではｂとした）とが定められると、高周波出力kWと
縦走速度Ｖとの比の値kW／Ｖが決定する。縦走速度Ｖは
通常予め管の寸法、材質等により定められているので、
これより所要加熱温度に対する所要高周波出力kWが決
定する（第８図矢符参照）。

第９図は縦軸を薄肉部温度θ₁ と厚肉部温度θ₂ との差
即ち偏熱Δθ（Δθ＝θ₁ −θ₂ ）とし、横軸を冷却量
Ａｒを縦走速度Ｖで除した数値Ａｒ／Ｖとした最適冷却
量を求めるためのグラフである。また金属管断面積ａ，
ｂ，ｃは前述と同様でａ＜ｂ＜ｃである。第９図に示す
ように誘導加熱装置Ａ出側での温度差Δθは冷却量Ａｒ
と縦走速度Ｖとの比の値Ａｒ／Ｖの関数であり、測温装
置ＧにてΔθを測定し零（０）となるように情報処理装
置Ｅを介して冷却制御装置Ｂにて冷却量Ａｒを制御すれ
ば、偏熱Δθをより少なくできる。

また測温と同時的に厚み計Ｈにて肉厚測定とを行い、薄
肉部温度θ₁ が厚肉部温度θ₂ より高いとき（θ₁ ＞θ
₂ ）冷却量Ａｒを増加させ、その逆のとき（θ₁ ＞θ
₂ ）冷却量Ａγを減少させるとさらに偏熱Δθを少なく
できる。

なお本実施例では冷媒として空気を使用したが、本発明
はこれに限るものではなく、不活性ガス及びミスト等を
使用してもよい。

また、測温装置Ｇと厚み計Ｈとの設置場所は必ずしも図
示例の如く誘導加熱装置Ａの下流側に設ける必要はな
く、コイルとコイルとの間に設置し、制御の応答性を早
めるようにすることも可能である。

〔効果〕

第１の本発明にあっては、検出した金属管の温度に基づ
き誘導加熱出力，冷媒量を制御して金属管におけるその
縦走方向の各部に対し、適正な加熱と強制冷却とを交互
に行なうこととしているから、偏肉が存在する金属管の
偏熱を低減して得て均等な加熱を実現出来ることとな
る。

また第２の本発明にあっては、複数の誘導加熱コイル
と、各誘導加熱コイルの間を通じて金属管に冷媒を噴射
する冷媒噴射器とを組合せることで、前記第１の発明の
効果に加えて、設置が小型化出来ると共に、短時間加熱
で効果的に均等加熱が可能となり、スケールロスの低
減，誘導加熱コイル自体の冷却を図れる効果がある。

更に第３の本発明にあっては、前記第１の効果に加えて
金属管の縦走方向において金属管の温度に基づいて出力
を制御される誘導加熱コイルと、その下流側にあって金
属管温度に基づいて冷媒量を制御される冷媒噴射器とを
交互に多段に備えるから、既存設備を利用して製管ライ
ンにそのまま適用出来て設備コストが安価に済む等、優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明する図面、第２図は加熱と
強制冷却とを同時的に行える本発明の実施例の模式的断
面図、第３図，第４図は強制冷却を行った場合の効果を
示すグラフ、第５図は加熱と強制冷却とを交互的に行え
る本発明の第２の実施例を示す配置図、第６図は第２の
実施例の効果を示すグラフ、第７図は本発明の制御方法
を示すブロック図、第８図は高周波出力を求めるための
グラフ、第９図は最適冷却量を求めるためのグラフであ
る。 １……誘導加熱器、２……誘導加熱コイル、３……冷媒
噴射器、４……冷媒、６……金属管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属管を縦走させつつ金属管に対する誘導
   加熱と、強制冷却とを交互に施す過程で、金属管の温度
   を検出し、検出温度に基づき金属管の偏熱を低減すべ
   く、金属管に対する誘導加熱出力，金属管に噴射される
   冷媒量を制御することを特徴とする金属管の誘導加熱方
   法。
2. 【請求項２】金属管の縦送方向に所定の間隙を隔てて配
   設され、夫々その搬送域を囲繞する複数の環状の誘導加
   熱コイルと各誘導加熱コイル間を通じて金属管表面に冷
   媒を噴射する冷媒噴射器とを有する少なくとも１個の誘
   導加熱器と、該誘導加熱器の出側で測定した金属管の温
   度に基づき金属管の偏熱を低減すべく前記誘導加熱コイ
   ル出力，冷媒噴射器からの金属管に噴射される冷媒量を
   制御する制御装置とを備えることを特徴とする金属管の
   誘導加熱装置。
3. 【請求項３】金属管の縦走方向に沿って、交互に複数組
   配設された金属管の搬送域を囲繞する環状の誘導加熱コ
   イル及び誘導加熱コイルよりも金属管の縦走方向の下流
   側に位置し、金属管に冷媒を噴射する冷媒噴射器と、金
   属管の温度を検出し、検出温度に基づき誘導加熱コイル
   出力、前記冷媒噴射器からの金属管に噴射される冷媒量
   を制御する制御装置とを備えることを特徴とする金属管
   の誘導加熱装置。