JPH06346139A - 通電加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 通電加熱装置に用いられる通電ロールの熱応
力による塑性変形および該通電ロールの内部よりもその
表面の軸方向の熱膨張が大きいことに起因するロールプ
ロフィールの悪化を防止しうるようにした通電加熱装置
を提供する。 【構成】 連続送給される被加熱材１に通電し、被加熱
材を加熱するための通電加熱装置において、被加熱材の
高温領域で被加熱材に接触する通電ロール３がヒートパ
イプを径方向に２段に内蔵した金属シェル、２段に内蔵
したヒートパイプのうち内部側のヒートパイプで移送さ
れた熱を金属シェルの端部で冷却するための冷却器およ
び軸で構成されたことを特徴とする通電加熱装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通電加熱装置に関す
る。さらに詳しくは、たとえば帯状鋼板などに焼入れ、
焼なましなどの熱処理を施す際に用いられる通電加熱装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、帯状鋼板などに焼入れ、焼なまし
などの熱処理を施すための通電加熱装置として、連続送
給される帯状鋼板をその送給路に沿って所定間隔を隔て
て配置された通電ロールに接触させ、これら両通電ロー
ル間に電圧を印加して帯状鋼板を通電加熱するための通
電加熱装置が知られている。

【０００３】前記通電加熱装置において、加熱出側の通
電ロールは、通電加熱によって高温になった帯状鋼板に
よって加熱されるが、このとき、通電ロールの軸方向の
長さは、帯状鋼板の幅よりも長いので、通電ロールの中
央近傍の接触部分が直接かつ集中的に加熱され、該通電
ロールの両末端近傍の非接触部分は、それほど加熱され
ない。したがって、通電ロールには、その製造時の直径
寸法が完全であっても、稼働中に軸方向に温度偏差が生
じ、直径偏差（以下、サーマルクラウンという）が発生
する。

【０００４】このように、通電ロールにサーマルクラウ
ンが発生したばあいには、通電ロールと帯状鋼板との
間、とくに両者の間隙が大きくなる帯状鋼板のエッジ部
分で接触不良が生じ、両者間でスパークが発生し、通電
ロールの表面および帯状鋼板の表面にスパーク疵が入
り、とくに通電ロールのスパーク疵は、以降継続的に帯
状鋼板に転写疵を生じさせてしまうという問題がある。
そしてこの結果、通電ロールの寿命の低下や帯状鋼板の
品質低下などがひきおこされる原因となっていた。

【０００５】そこで、前記通電ロールのサーマルクラウ
ンに起因する通電ロールと被加熱材との間でのスパーク
の発生を防止するために、通電ロール内にヒートパイプ
が装着された均温ロールが用いられた通電加熱装置が提
案されている（特開平５−６２７６２号公報）。

【０００６】前記均温ロールを用いたばあいには、確か
に該均温ロール上で発生するサーマルクラウンの発生を
防止することができるが、稼働中に均温ロールの表面温
度と内部温度との差によって熱応力が発生し、かかる熱
応力によって該均温ロールの塑性変形や、該均温ロール
の内部よりもその表面の軸方向の熱膨張が大きいことに
起因するロールプロフィールの悪化などの問題が発生し
ている。

【０００７】前記問題を解決するための手段として、均
温ロール内部に設けられた冷却部をなくし、該均温ロー
ルの表面温度と内部温度との差を小さくすることが考え
られているが、該均温ロールが稼働中に加熱され、ヒー
トパイプの作動温度よりも該均温ロールの温度のほうが
高くなり、該ヒートパイプが有効に作動しなくなるとい
う問題が依然残されていた。

【０００８】また、ローラを冷却する手段として、ロー
ラ内にヒートパイプを埋設し、該ヒートパイプをローラ
外で直接冷却媒体内に浸漬する手段が提案されている
（実開平１−７９２９７号公報）。しかしながら、かか
る手段において、冷却媒体として水を用いたばあいに
は、必要なロール表面温度を確保することができず、ま
た油を用いたばあいには、冷却能力が低いため、熱を充
分に奪うことができず、ヒートパイプの作動温度領域内
に温度を調整することができなくなるという問題があ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術に鑑みてなされたものであり、通電加熱装置に用いら
れる通電ロールの熱応力による塑性変形および該通電ロ
ールの内部よりもその表面の軸方向の熱膨張が大きいこ
とに起因するロールプロフィールの悪化を防止しうるよ
うにした通電加熱装置を提供することを目的とするもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、連
続送給される被加熱材に通電し、該被加熱材を加熱する
ための通電加熱装置において、前記被加熱材の高温領域
で該被加熱材に接触する通電ロールがヒートパイプを径
方向に２段に内蔵した金属シェル、前記２段に内蔵した
ヒートパイプのうち内部側のヒートパイプで移送された
熱を前記金属シェルの端部で冷却するための冷却器およ
び軸で構成されたことを特徴とする通電加熱装置に関す
る。

【００１１】

【作用および実施例】本発明の通電加熱装置は、前記し
たように、連続送給される被加熱材に通電し、該被加熱
材を加熱するための通電加熱装置であり、前記被加熱材
の高温領域で該被加熱材に接触する通電ロールがヒート
パイプを径方向に２段に内蔵した金属シェル、前記２段
に内蔵したヒートパイプのうち内部側のヒートパイプで
移送された熱を前記金属シェルの端部で冷却するための
冷却器および軸で構成されたことを特徴とするものであ
る。

【００１２】本発明においては、通電ロールにヒートパ
イプが径方向に２段に内蔵された金属シェルが用いられ
ているので、高温の被加熱材によって該通電ロールの接
触部分が直接かつ集中的に加熱されたばあいであって
も、該ヒートパイプによって熱が通電ロールの非接触部
分に実質的に移動し、通電ロールの軸方向における温度
偏差がごくわずかに抑えられ、その結果、通電ロールの
サーマルクラウンの発生が効果的に防止される。

【００１３】また、本発明においては、前記２段に内蔵
したヒートパイプのうち内部側のヒートパイプで移送さ
れた熱を前記金属シェルの端部で冷却するため、通電ロ
ールの内部とその表面の温度差にもとづく膨張差が小さ
くなり、通電ロールの幅方向におけるロールプロフィー
ルの変化が抑制される。

【００１４】また、さらに本発明においては、冷却器と
ヒートパイプ間の金属シェルの厚さ、該冷却器の冷却長
さなどを調整することにより、必要な通電ロールの表面
温度を確保することができる。なお、通電ロールの表面
温度の微調整は、冷却器内に導入される冷媒の流量およ
びその温度を調整することによって行なうことができ
る。

【００１５】以下、本発明の通電加熱装置を図面にもと
づいて説明する。

【００１６】図１は、本発明の通電加熱装置の一実施態
様を示す概略説明図である。

【００１７】図１において、被加熱材である帯状鋼板１
の下面には、通電ロール２、３が配置されている。通電
ロール２、３の上部には、帯状鋼板１を介してそれぞれ
押えロール４、５が配置されている。

【００１８】押えロール４は、ゴム材などがライニング
された非導電性のロールであり、また押えロール５は、
軸９の外周に断熱層が積層され、該断熱層上に金属製ま
たは非金属性のシェルが積層された非導電性のロールで
ある。通電ロール２、３は、導電性のロールである。

【００１９】通電ロール２、３および押えロール４、５
は、それぞれ軸６、７、８、９を中心に回転自在であ
り、通電ロール２、３は、帯状鋼板１の矢印Ａ方向への
連続送給に同調してモータにより回転駆動されるばあい
もある。また、押えロール４、５は、たとえばそれぞれ
シリンダ１０、１１などからなる加圧手段によってそれ
ぞれ軸８、９が加圧され、帯状鋼板１に圧着されてい
る。

【００２０】通電ロール２と通電ロール３の間には、帯
状鋼板１の外周囲に環状トランス１２が配置されてい
る。該環状トランス１２は、たとえば磁路として好適な
性質を有するケイ素鋼板を矩形環状に形成して所定の長
さに積層した環状鉄心１３と、該環状鉄心１３の内外周
に沿って巻回させた一次コイル１４とによって構成され
ている。該環状鉄心１３の環内に、帯状鋼板１が挿通さ
れている。また、環状トランス１２の一次コイル１４
は、パワーコントロールスイッチを有する交流電源１５
に接続されている。

【００２１】通電ロール２、３には、たとえばそれぞれ
軸６、７などに受電部を有し、該受電部にそれぞれ摺動
子１６、１７が摺接されている。摺動子１６と摺動子１
７の間には、導電部材（ブスバー）１８が架設され、通
電ロール２と通電ロール３とが電気的に接続されてい
る。

【００２２】導電部材１８には、所定の幅および厚さを
有する銅材などの良導電材が用いられる。

【００２３】通電ロール２と通電ロール３の間における
帯状鋼板１の電気抵抗Ｒ₁ と導電部材１８の電気抵抗Ｒ
₂ との関係は、Ｒ₁ ＞＞Ｒ₂ となるように設定される。
導電部材１８は、環状トランス１２および帯状鋼板１の
上下にほぼ等間隔で近接して配置され、通電ロール２、
３の近傍で一体に結合され、摺動子１６、１７に接続さ
れている。

【００２４】以上、帯状鋼板１の外周囲に環状トランス
１２を配置し、給電する方法について説明したが、本発
明においては、通電ロール２、３間に直接外部より電気
を供給してもよい。

【００２５】図２は、本発明の通電加熱装置において、
加熱出側の通電ロール３の軸方向における概略縦断面図
である。

【００２６】図２において、通電ロール３は、その径方
向にヒートパイプ１９、２０が２段に内蔵された金属シ
ェル２１、前記２段に内蔵したヒートパイプ１９、２０
のうち内部側のヒートパイプ２０で移送された熱を金属
シェル２１の端部で冷却するための冷却器２２、２３お
よび軸２４、２５で構成されている。

【００２７】通電ロール３において、金属シェル２１に
２段に内蔵されたヒートパイプ１９、２０は、該金属シ
ェル２１において軸方向に沿って複数本設けられてい
る。

【００２８】ヒートパイプ１９、２０は、密閉管体内に
熱媒が封入されたものであり、熱媒が密閉管体の高温側
で蒸発し、生成した蒸気が該密閉管体の低温側で冷却さ
れ、凝縮して液体に戻るという機能を有するものであ
り、凝縮液は、毛細管作用または遠心力により、高温側
に戻る。このとき、高温側では、蒸発に必要な潜熱が熱
媒に供給され、低温側でその熱が放出される。

【００２９】なお、ヒートパイプ１９、２０に用いられ
る熱媒は、帯状鋼板などの被加熱材の目的とする加熱温
度によって異なる。かかる熱媒の具体例としては、たと
えば水、ナフタリン、ナトリウムなどがあげられる。前
記熱媒には、最適な作動温度範囲があり、たとえば水の
ばあいで３００℃程度まで、ナフタリンのばあいで３０
０〜４００℃程度まで、ナトリウムのばあいで１０００
℃程度までである。

【００３０】前記金属シェル２１に設けられるヒートパ
イプ１９、２０の数は、該金属シェル２１の外径などに
よって異なるので一概には決定することができず、通
常、サーマルクラウンが発生しない範囲内で適宜選定さ
れることが好ましい。

【００３１】前記２段に内蔵されたヒートパイプ１９、
２０のうち外部側のヒートパイプ１９の金属シェル２１
の表面からの深さは、あまりにも浅いばあいには、通電
に必要な通電ロール３と被加熱材とのあいだの接触圧に
より、金属シェル２１の表面が塑性変形するようにな
り、またあまりにも深いばあいには、幅方向の均温効果
が大幅に低下し、サーマルクラウンの発生、ひいてはス
パークの発生を招くようになるため、通常５〜３０ｍｍ
程度であることが好ましい。

【００３２】また、本発明においては、サーマルクラウ
ンの発生を効果的に防止するために、ヒートパイプ１９
の長さは、金属シェル２１の胴長と同一であるか、また
は該金属シェル２１の胴長に近い長さであることが好ま
しい。

【００３３】前記２段に内蔵されたヒートパイプ１９、
２０のうち内部側のヒートパイプ２０の位置は、できる
だけヒートパイプ１９に近いほうが熱応力が小さくなる
ので望ましいが、あまりにも近づけるとシェルの有効厚
さが小さくなり、剛性が低下するため、ヒートパイプ１
９とヒートパイプ２０との間隔は１０ｍｍ以上であるこ
とが好ましい。また、あまり遠ざけると熱応力が増加す
るため、ヒートパイプ１９とヒートパイプ２０との間隔
は１００ｍｍ以下であることが好ましい。

【００３４】また、本発明においては、サーマルクラウ
ンの発生を効果的に防止するために、ヒートパイプ２０
の長さは、金属シェル２１の幅と同一であるか、または
該金属シェル２１の幅に近い長さであることが好まし
い。

【００３５】軸２４、２５は、たとえば金属シェル２１
と焼ばめにて嵌合することによって形成することができ
る。軸２４、２５の外径は、充分な機械的強度を有し、
かつ通電に必要な圧下力にて軸７がたわみ、幅方向の圧
下力の分布が不均一となってとくに中央付近が圧下力不
足とならないようにするために、２００〜４００ｍｍ程
度であることが好ましい。

【００３６】金属シェル２１の内部には、中空部を設け
ていないばあいには、熱が内部のほうから冷却している
軸端のほうへ移動し、ロールの表面とその内部との温度
差によって過大な熱応力が発生するようになるので、図
２に示されるように、中空部２６を設けることが好まし
い。中空部２６の内径は、軸２４、２５の外径から必然
的に決まり、通常２００〜４００ｍｍ程度となる。

【００３７】金属シェル２１の冷却部には、冷却器２
２、２３が設けられる。該金属シェル２１の冷却部にお
ける部分拡大図を図３に示す。

【００３８】図３において、金属シェル２１の外部側の
ヒートパイプ１９部と冷却器２２との間隙ｍは、通電ロ
ールの使用時に該金属シェル２１の胴端部の温度が冷却
部の影響で低下し、サーマルクラウンが発生しないよう
にするために、２０ｍｍ以上になるように調整すること
が好ましい。

【００３９】また、内部側のヒートパイプ２０の末端と
軸２４の内面との間隙ｎは、軸の温度上昇を抑制し、軸
の偏膨張による帯状鋼板と通電ロール間の接触圧変動を
許容範囲内に収める観点から３０ｍｍ以上であることが
好ましい。

【００４０】本発明においては、冷却器２２と内部側の
ヒートパイプ２０間のシェル厚ｑ、冷却長ｐ（冷却器２
２と内部側のヒートパイプ２０とが重なり合った部分）
および冷却器２２の温度をそれぞれ調節することによ
り、通電ロールの表面温度を所定の温度に調整すること
ができる。前記シェル厚ｑおよび冷却長ｐは、目的とす
る通電ロールの表面温度に応じて適宜調整すればよい
が、通常、シェル厚ｑが１０〜３０ｍｍ程度、冷却長ｐ
が１００〜３００ｍｍ程度である。

【００４１】前記冷却器２２としては、たとえば金属シ
ェルと接触する面にスパイラル状の冷却溝を設けた冷却
リングを焼ばめにより金属シェルに嵌合したものなどが
あげられるが、本発明はかかる例示のみに限定されるも
のではない。なお、冷却器２２で金属シェル２１の冷却
部２７を冷却する際には、用いられる被加熱材の種類に
もよるが、冷却部２７の温度が通常２０〜４０℃程度と
なるように調整される。

【００４２】なお、図３においては、金属シェル２１の
冷却部２７について説明したが、図２における冷却器２
３の冷却部においても前記と同様であればよい。

【００４３】前記のように構成された通電ロール３が用
いられた本発明の通電加熱装置においては、図１に示さ
れるように、交流電源１５から環状トランス１２の一次
コイル１４に一次電圧が印加されると、一次コイル１４
の環内に挿入された帯状鋼板１が二次コイルとして機能
するので、該帯状鋼板１に二次電圧が誘起される。

【００４４】通電ロール２と通電ロール３の間は、導電
部材１８によって電気的に接続されているので、通電ロ
ール２、３を介して帯状鋼板１および導電部材１８によ
って短絡回路が形成され、帯状鋼板１に発生した二次電
流は、導電部材１８を帰線として流れることになる。帯
状鋼板１に誘起された二次電圧は、帯状鋼板１における
電圧降下と導電部材１８における電圧降下とによって消
費されるが、「帯状鋼板１の電気抵抗＞＞導電部材１８
の電気抵抗」となるように設定されているので、二次電
圧のほとんどが帯状鋼板１の加熱のために消費され、導
電部材１８における損失がきわめて少ない。したがっ
て、これにより、帯状鋼板１がきわめて効率よく通電加
熱される。

【００４５】通電加熱の際、高温となった帯状鋼板１に
よって通電ロール３が加熱されるが、このとき、通電ロ
ール３の中央附近が直接かつ集中的に加熱されるので、
かかる中央附近がヒートパイプ１９、２０の高温側に相
当する。また、通電ロール３の両端近傍は、それほど加
熱されないので、ヒートパイプ１９、２０の低温側に相
当する。

【００４６】したがって、ヒートパイプ１９、２０内の
熱媒の蒸発・凝縮作用によって高温側の熱が実質的に低
温側に移動される。熱媒の蒸発・凝縮は、ごく小さい温
度差でも起こる相変化過程であり、これによって、通電
ロール３の軸方向における温度偏差がごくわずかに抑え
られる。このことにより、通電ロール３には、サーマル
クラウンが発生することがほとんどない。

【００４７】また、通電加熱の際、高温となった帯状鋼
板１によって通電ロール３の表面が加熱されるが、この
とき、従来の通電ロールでは、前記したように、ヒート
パイプの所定の作動温度範囲内におさめるために軸内部
にたとえば水などの媒体を導入して冷却する必要があ
り、通電ロールの表面とその内部の温度差によって通電
ロールのロール幅方向におけるロールプロフィールの変
化が発生するという問題がある。これに対して、本発明
においては、軸７内部に水などの冷却媒体を導入する必
要がないので、通電ロール３の表面とその内部との温度
差が、従来の通電ロールと比べて小さくなるため、通電
ロール３の熱応力による塑性変形が抑制され、しかも通
電ロール３のロール幅方向におけるロールプロフィール
の変化が抑制される。

【００４８】さらに、本発明においては、軸７内部に水
などの冷却媒体を導入しないので、通電ロール３の稼動
中に該通電ロール３の表面温度が上昇するが、金属シェ
ル内で２段に内蔵したヒートパイプ１９、２０のうち、
内部側のヒートパイプ２０で移送された熱を冷却器２
２、２３で冷却することができるため、ヒートパイプ１
９、２０の加熱温度を所定の作動温度に調整することが
でき、したがって必要ロール表面温度を確保することが
できる。

【００４９】このように、本発明においては、通電ロー
ル３の径方向に２段にヒートパイプ１９、２０が内蔵さ
れており、前記２段に内蔵されたヒートパイプ１９、２
０のうち内部側のヒートパイプ２０で移送された熱が冷
却器２２、２３で冷却されることにより、サーマルクラ
ウンの発生が抑制されると同時に、ロール軸方向におけ
るロールプロフィールの変化も抑制されるため、通電ロ
ール３と帯状鋼板１との間でのスパークの発生を効果的
に防止することができる。

【００５０】つぎに本発明の通電加熱装置を実施例にも
とづいて詳細に説明するが、本発明はかかる実施例のみ
に限定されるものではない。

【００５１】実施例１ 図３に示されるような通電ロールを用意した。該通電ロ
ールは、直径４５０ｍｍ、内孔径２５０ｍｍ、幅１５０
０ｍｍのニッケル・クロム・モリブデン鋼製シェルから
なり、該シェルの表面から深さ１０ｍｍの位置および深
さ７０ｍｍの位置に、冷却媒体がナフタレンであるヒー
トパイプを幅方向に等間隔でそれぞれ４０本および２０
本装着した。

【００５２】なお、金属シェル２１の外部側のヒートパ
イプ１９部と冷却器２２との間隙ｍが３０ｍｍ、内部側
のヒートパイプ２０の末端と軸２４の内面との間隙ｎが
６０ｍｍ、冷却器２２と内部側のヒートパイプ間のシェ
ル厚ｑが１０ｍｍ、冷却長ｐが１５０ｍｍとなるように
調整した。

【００５３】えられた通電ロールを図１に示された通電
加熱装置の通電ロール３として用い、該通電ロールの中
央部分の表面温度が４００℃となるように冷却器２２、
２３に導入する水の温度と流量を調整し、帯状鋼板を用
いて３０分間稼働させたところ、通電ロールの内孔の内
面の中央部分の温度は３５０℃となり、スパークレスの
通電を行なうことができた。

【００５４】つぎに、前記通電ロールの軸の内壁部分の
熱応力とロールプロフィール（ロール幅方向の凹凸部分
の最大の差）を調べたところ、熱応力は１０ｋｇ／ｍｍ
² 、ロールプロフィールは１μｍであった。

【００５５】比較例１ 従来の通電ロールとして、直径４５０ｍｍ、内孔径２５
０ｍｍ、幅１５００ｍｍのニッケル・クロム・モリブデ
ン鋼製シェルからなり、該シェルの表面から深さ１０ｍ
ｍの位置に、冷却媒体がナフタレンであるヒートパイプ
を幅方向に等間隔で４０本装着した。

【００５６】えられた通電ロールを図１に示された通電
加熱装置の通電ロール３として用い、該通電ロールの中
央温度が４００℃となるように軸の内孔内に導入する水
の温度と流量を調整し、帯状鋼板を用いて３０分間稼動
させたところ、軸の孔の内面の中央部分の表面温度が８
０℃となった。

【００５７】つぎに、実施例１と同様にして熱応力とロ
ールプロフィールを調べたところ、熱応力は１００ｋｇ
／ｍｍ² 、ロールプロフィールは２０μｍであり、帯状
鋼板のエッジ付近からスパークが発生した。

【００５８】実施例１および比較例１の結果から、軸に
孔を設けて冷媒通路を形成し、該冷媒通路に冷却媒体を
導入して通電ロールの表面温度を調整する従来の比較例
１の通電ロールと比べて、本発明の実施例１におけるよ
うに、ヒートパイプを径方向に２段に内蔵した金属シェ
ルを用い、内部側のヒートパイプで移送された熱を金属
シェルの胴部に設けられた冷却器で冷却する通電ロール
を用いたばあいには、軸内の熱応力が低減されるととも
にロールプロフィールの変化が小さくなることがわか
る。

【００５９】

【発明の効果】本発明の通電加熱装置には、径方向にヒ
ートパイプが２段に内蔵された金属シェルからなる通電
ロールが用いられており、被加熱材から通電ロールの接
触部分への直接かつ集中的な伝熱が該通電ロールの非接
触部分へヒートパイプによって実質的に移動されるの
で、該通電ロールのサーマルクラウンの発生を抑制する
ことができるという効果が奏される。

【００６０】また、本発明において、通電ロールの必要
なロール表面温度を内部側のヒートパイプで容易に調整
することができ、ヒートパイプの作動温度を金属シェル
の端部に設けられた冷却器で調整することができるの
で、前記通電ロールの軸の内部には、ヒートパイプの作
動温度を調節するための冷却媒体を導入する必要がな
く、しかも通電ロールの表面とその内部の温度差が小さ
くなり、かかる温度差にもとづく熱応力が低減されると
ともにロール幅方向のプロフィールの変化も抑制される
という効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の通電加熱装置の一実施態様を示す概略
説明図である。

【図２】本発明の通電加熱装置に用いられる通電ロール
の軸方向における概略縦断面図である。

【図３】図２に示された通電ロールの金属シェルの冷却
部における部分拡大図である。

【符号の説明】

１ 帯状鋼板（被加熱材） ３ 通電ロール ７ 軸 １９、２０ ヒートパイプ ２１ 金属シェル ２２、２３ 冷却器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続送給される被加熱材に通電し、該被
   加熱材を加熱するための通電加熱装置において、前記被
   加熱材の高温領域で該被加熱材に接触する通電ロールが
   ヒートパイプを径方向に２段に内蔵した金属シェル、前
   記２段に内蔵したヒートパイプのうち内部側のヒートパ
   イプで移送された熱を前記金属シェルの端部で冷却する
   ための冷却器および軸で構成されたことを特徴とする通
   電加熱装置。