JPH11238570A - 板状金属材料の通電加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動する板状金属材料を先端から尾端まで安
全に自在な温度に制御性良く連続して加熱する。 【解決手段】 板状金属材料１の幅方向両端部に通電加
熱用電極２、３を設けるとともに、電極２、３近傍に板
状金属材料１を囲むようにリング状磁性コア５、６を設
ける。リング状磁性コア５、６には、電流を流すコイル
１１〜１４を巻き、電流密度、位相を変えられる電源７
〜１０を設けるとともに、コイル１１〜１４のタップを
負荷に応じて選択可能とする。コイル１１〜１４に交流
電流を流しながら、電極２、３から板状金属材料１に交
流電流を流すことにより、ジュール熱で板状金属材料１
を加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スラブや厚板、薄
板などの板状の金属材料、たとえば鉄やアルミニウム、
銅、ならびにそれらの合金を所要の温度分布で連続的に
効率よく通電加熱できる通電加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属材料を加熱する場合、加熱・
保温はガス加熱による輻射や電気ヒーターによる間接加
熱がほとんどであった。しかし、これらの加熱方法は間
接的に金属材料を表面から加熱するため、表面のみ温度
が上がって内部伝熱律速となり急速な加熱ができないと
いう問題があり、板厚や板幅などが変わるときには生産
性に大きく制約を与えていた。

【０００３】こ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、特開昭６１−８
２９５４号公報には、鋼板に通電ロールを介して直接通
電し、鋼板自体を発熱体として高温化することが、ま
た、特開平１−１４２０３２号公報や特開平１−１８７
７８９号公報には、環状トランスを貫通する金属帯板通
路の前後に通電ロールを設け、金属帯板を加熱する方法
が記載されている。このように金属帯板に直接電流を流
し、ジュール熱で加熱する場合は、ガスや電気の間接加
熱と比べ単位時間当たりの加熱能力が高く、板厚や板幅
の変更に伴う生産性低下という問題をなくすことができ
るとともに、設備がコンパクトにできる点で優れてい
る。

【０００４】上記の様に進行方向に通電ロールを設け、
比較的板厚の薄い金属材料が続けて供給される場合に
は、連続的に通電加熱できるため生産性が良いが、スラ
ブや厚板などの様に長さが決められた金属材料の場合、
先端部分と後端部分とにはどうしても通電ロールからは
ずれて加熱できない部分が生じ、歩留まり落ちが生じて
しまうという問題がある。

【０００５】また、たとえば厚板材などでは幅が大きく
変化するとともに、幅自体が広いため通電ロールの胴長
も長くなってしまい、ロールがたわみやすくなることに
加え通電電流密度が大きくなるため、被加熱材と通電ロ
ールとの間でスパークが発生しやすいという問題もあ
る。

【０００６】このような有限長材の先端部と後端部の加
熱不足やスパーク発生の問題に対し、たとえば特開昭６
１−２６８６２０号公報などにみられるように電極を被
加熱材の先端と後端に密着させ、材料全体をバッチ的に
加熱する方法や、特開昭６３−２６４０３０号公報のよ
うに被加熱材の先端と後端にダミー材をつけて加熱する
方法などが提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、電極を被加熱
材の先端と後端に密着させ、材料全体を材料毎に加熱す
る方法では、たとえば厚鋼板などの場合のように材料の
長さが数ｍ〜２０数ｍまで大きく変わる材料などでは、
電極も材料の長さに合わせて大きく変化させなければな
らず、設備・スペース上の問題があった。また、全長に
わたって加熱を行うには設備容量を大きくする必要があ
るとともに、加熱時間が長大になることから熱放散の影
響が大きくなり、加熱効率が低下してしまうという問
題、さらに長時間電極を被加熱材に接触し続けるため電
極と被加熱材の間で溶着が起こりやすいという問題が生
じる。また、ダミー材をつけて加熱する方法では、ダミ
ー材の着脱工程、時間の増加、ダミー材そのものの材料
代等が余分に必要となり、無駄が多い。

【０００８】そこで、本発明は、上記の課題を有利に解
決するために、被加熱材の幅方向に流れる電流路が制御
でき、長さ、幅、厚みによらず板状の被加熱金属材料を
効率よく連続的に所要の温度パターンで加熱できる板状
金属材料の通電加熱装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記
（１）〜（６）の通りである。

【００１０】（１）板状金属材料がその中を通過できる
リング状磁性コアを有し、該リング状磁性コアに交流電
流を流すコイルを少なくとも１巻き以上巻くとともに、
該リング状磁性コアの片面側の近傍でかつ前記板状金属
材料の幅方向両端部に電極を設け、該電極より交流電流
を通じジュール熱により前記板状金属材料を加熱するこ
とを特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。

【００１１】（２）板状金属材料がその中を通過できる
一対のリング状磁性コアを有し、該リング状磁性コアそ
れぞれに交流電流を流すコイルを少なくとも１巻き以上
巻くとともに、二つのリング状磁性コアの間の近傍でか
つ前記板状金属材料の幅方向両端部に電極を設け、該電
極より交流電流を通じジュール熱により前記板状金属材
料を加熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱
装置。

【００１２】（３）前記（２）の通電加熱装置を板状金
属材料の進行方向に複数配置したことを特徴とする板状
金属材料の通電加熱装置。

【００１３】（４）リング状磁性コアの板状金属材料の
幅方向両端部近辺に交流電流を流すコイルをそれぞれ設
け、かつ同一回巻いたことを特徴とする前記（１）〜
（３）の板状金属材料の通電加熱装置。

【００１４】（５）コイルに流す交流電流と電極から板
状金属材料に流す交流電流との位相差を制御可能とした
こと、および／または、コイルに流す交流電流の電流密
度を調整可能としたことを特徴とする前記（１）〜
（４）の板状金属材料の通電加熱装置。

【００１５】（６）交流電流を流すコイルにタップを設
けたことを特徴とする前記（１）〜（５）の板状金属材
料の通電加熱装置。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００１７】図１は、本発明の板状金属材料の通電加熱
装置を示す図である。移動する板状金属材料１は、図２
の正面図に示す様な磁気特性に優れた珪素鋼板等ででき
たリング状磁性コア５、６の開口部を通過する。リング
状磁性コア５、６の間には、電源４に導電部材で接続さ
れた電極２、３を配置する。電極２、３は図１では一つ
ずつになっているが、複数に分割しても良い。電極２、
３の形状はローラーの様な回転体が良いが、電流が大き
いときなどには摺り板形状などを用いればよく、特にそ
の形状を規定するものではない。電極２、３の材質は鉄
やステンレス鋼等の導電性に優れる金属、あるいはカー
ボンや導電性セラミックスなどのバルク材でも、また溶
射等によるコーティング皮膜を形成したものでも良い。

【００１８】リング状磁性コア５、６が無い場合、電極
２、３からでた電流は、図３に示す電流１５のように放
射状に広がって流れようとする。そのため、板状金属材
料１の断面内の電流密度は電極２、３の近傍が最も高
く、温度も高くなり、電極２、３から離れると電流密度
は極端に小さくなり、温度上昇量も小さくなって温度分
布の不均一が生じる。また、電流が板状金属材料１の長
手方向に広がって流れるため、板状金属材料１が接触し
ている搬送ロールにも迷走電流が流れ、ロールのベアリ
ング等を焼損してしまう等の問題が生じる。そこで本発
明の通電加熱装置では、電極２、３から放射状に広がろ
うとする電流を効果的に制御し、均一な温度分布を得
る。

【００１９】電極２、３間に流す電流を交流とし、磁気
特性に優れた珪素鋼板等からなるリング状磁性コア５、
６を電極２、３の前後に置くと、リング状磁性コア５、
６間の板状金属材料１を流れる交流電流により電磁誘導
でリング状磁性コア５、６に磁束が発生し、リング状磁
性コア５、６の中を通過しようとする電流と逆位相の電
流を板状金属材料１に誘起させることにより、リング状
磁性コア５、６の外に流れようとする電流を制限するこ
とができる。電流路を定めることができれば、電流密度
の不均一から生じる温度の不均一が解消できるととも
に、板状金属材料１を通じて迷走電流がラインに流れる
という問題もなくなる。

【００２０】しかし、実際にはリング状磁性コア５、６
を置いただけでは効果が小さく、リング状磁性コア５、
６の外に流れ出る電流を完全には阻止できない。そこ
で、リング状磁性コア５、６にコイル１１、１２、１
３、１４を巻き、電源７、８、９、１０により電流を流
して強制的にリング状磁性コア５、６に磁束を発生させ
れば、板状金属材料１内にリング状磁性コア５、６で発
生した磁束による誘起電流が発生し、電極２、３からの
電流との相互作用により電極幅方向の電流パターンを変
化させることができる。

【００２１】図４〜９は、有限要素法により計算した結
果を模式的に示す図である。

【００２２】図４、５はリング状磁性コアを設置しない
で電極２、３間で通電を行った例であり、図中の矢印は
電流のベクトルを示す。図４は、電極２、３から流れた
電流の向きと大きさを模式化して示すものである。電極
３から流れた電流は、直進するものもあるが放射状に広
がって流れるものもあり、電流密度は電極近傍が極めて
高くなる。これを温度分布に直して示すのが図５であ
る。図５は、発熱量が電流の２乗に比例することから、
電流の２乗に応じたコンター図を示すが、電極近傍のみ
密集し、温度差が大きくつく様子が明らかである。

【００２３】以上に対し、電極２、３間で電流を通じ、
リング状磁性コア６の両端側にコイル１２、１４を巻い
て電流を流し、リング状磁性コア６内に磁束を発生させ
たときの様子を示すのが図６〜９である。図６は、リン
グ状磁性コア６の中に発生した磁束のベクトルを示す断
面図である。この例では、右側では時計回りの方向に磁
束が発生し、左側では反時計回りの方向に磁束が発生し
ている。このリング状磁性コア６に発生した磁束によ
り、板状金属材料１には図７、８に示す誘導電流が発生
する。図７は、電極２、３から出た電流とリング状磁性
コア６に発生した磁束によって作られる誘導電流とで作
られる電流分布の実部の様子を示す。電流は、リング状
磁性コア６を境に電極３から電極２に向かう割合が増
え、リング状磁性コア６の外に発生する電流は極めて小
さくなる。また、図８は電流虚部の分布を示す。電流
は、リング状磁性コア６を設けないで通電したときの電
流分布と比べると、電極２、３間の電流の向きは一致す
るが、リング状磁性コア６部では全く逆向きの電流が発
生する。そのため、電極３からでた電流はリング状磁性
コア６部で打ち消されることになり、リング状磁性コア
６の外には電流が流れにくくなり、電極２、３間方向に
電流が流れるようになる。この時の発熱分布を計算した
結果を示すのが図９であり、リング状磁性コア６の上側
の部分はコンターも広く分布し、温度が均一化されてい
るのがわかる。

【００２４】以上の様に、幅方向電極２、３間で板状金
属材料１を均一に加熱するためには電極２、３から放射
状にでる電流を打ち消す様に電流を制御すればよい。特
に、均一性を狙う場合には、電極２、３間に流す電流が
交流であることを考えると、リング状磁性コア６に巻く
コイルは、リング状磁性コアの両サイドに対称的に巻く
のが望ましい。

【００２５】また、逆に局部的に加熱する場合には、リ
ング状磁性コア６にコイル１２、１４により発生させる
磁場分布を変化させればよい。すなわち、リング状磁性
コア６から板状金属材料１に発生させる誘導電流の大き
さと向きを変えれば、電極電流と誘導電流との相互作用
で生じるトータルの電流の大きさ、向きが変わるため、
それによって生じる温度分布も変えることができる。磁
場の変化は、コイル１２、１４に流す電流の大きさと電
極電流との位相差を電源８、１０で変化させることによ
り実現できる。同様に、磁場の変化は、リング状磁性コ
ア６に巻くコイル１２、１４の巻き数を変化させること
によっても実現できる。現実的には、厚み、幅、温度な
ど負荷の状況に応じコイルに複数のタップを設け、タッ
プを切り替えることにより磁場の強さを変化させること
ができる。タップの切り替えは、加熱する板状金属材料
１の厚み、幅、種類により電極２、３に流す電流量が大
きく変化することから、それに応じ切り替えれば良い
し、あるいは局部的に温度を高めたい場合には温度分布
を測定し、所要の加熱パターンが得られるように、タッ
プを切り替えても良い。

【００２６】以上、リング状磁性コアが一つの場合で説
明したが、図１の様にもう一つリング状磁性コア５を設
けた場合でも同様の効果が得られる。特に、板状金属材
料１の進行方向にも流れる電流を阻止するためには、リ
ング状磁性コアを二つ設けると効果的である。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について有限要素法に
より解析した結果に基づいて説明する。

【００２８】図１の様な構成で、断面積１００ｃｍ² の
二つのリング状磁性コア５、６を１００ｍｍ離し、板厚
１６ｍｍ、板幅５００ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＳＵＳ
３０４材を内に通し、リング状磁性コア５、６間に電極
長さ１００ｍｍの電極２、３を配置し、３００Ａの電流
を流すとともに、コイル１３、１４をＬ側、コイル１
１、１２をＲ側とし、このコイル１１〜１４に位相と電
流密度を変えて電流を流した場合の磁場、電流密度、温
度分布を計算した。表１に５分後の電極幅方向の温度差
を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】本発明例では、リング状磁性コアの外に流
れる電流はごくわずかあるが、ほとんど無視できる程度
に小さく、かつコイルの位相を変えることにより幅方向
の温度差を変えることができる。たとえば、Ｌ、Ｒ側コ
イル電流と電極電流の位相差が０の場合には、電極間の
断面内温度分布を１０℃程度にすることができ、位相差
を変えることによりその差を大きくすることが可能であ
る。表１の例は全てエッジ側の温度が高く中央がやや低
くなる分布であるが、これを利用すれば板材のエッジ部
の冷却が進みやすいのに対し、あらかじめエッジ部の温
度を高く加熱することが可能となる。また、同様の効果
はコイルの電流を変えることによっても得ることができ
る。表１では、コイル電流を６ＡＴ／ｍｍ² と３ＡＴ／
ｍｍ² に変えることにより、位相差を９０度変えたもの
と同等の加熱が可能であることがわかる。

【００３１】一方、比較例はリング状磁性コアが無く、
単純に電極のみを配置した例であるが、加熱は電極近傍
のみしか行われず、かつ電流は広く広がってしまう。し
たがって、電極から離れた所にロールなどがあり、アー
スされている場合には、そのロールから電流が流れ出す
可能性が高く、設備、人心事故が起こる可能性もある。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、有限長の板状金属材料
を電気により連続的、安定的に効率よく内部加熱できる
ため、加熱の生産性を向上させることが可能となる。ま
た、温度を任意に変化させることが可能となるほか、温
度を均一にすることも可能であり、温度偏差による材質
ばらつきを減らすことができるだけでなく、温度を均一
にするための均熱工程を省略することができる。さら
に、電極加熱であるため雰囲気を高温にする必要がな
く、耐火物などの設備費が不要になるほか、ロール等の
搬送設備やバーナー等の加熱設備に要する修繕を大幅に
減らすことが可能となる。操業中も通電による迷走電流
を抑えることができることから、安全面でも有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の板状金属材料の通電加熱装置の平面図
である。

【図２】本発明の板状金属材料の通電加熱装置の正面図
である。

【図３】リング状磁性コアを用いない場合の電流を示す
図である。

【図４】リング状磁性コアを用いない場合の電流を示す
図である。

【図５】リング状磁性コアを用いない場合の温度分布を
示す図である。

【図６】リング状磁性コア内に発生させる磁場分布を示
す図である。

【図７】リング状磁性コア内に発生させた磁場により板
状金属材料内を流れる電流の実部を示す図である。

【図８】リング状磁性コア内に発生させた磁場により板
状金属材料内を流れる電流の虚部を示す図である。

【図９】リング状磁性コア内に発生させた磁場による板
状金属材料の温度分布を示す図である。

【符号の説明】

１ 板状金属材料 ２ 電極 ３ 電極 ４ 電極 ５ リング状磁性コア ６ リング状磁性コア ７ 電源 ８ 電源 ９ 電源 １０ 電源 １１ コイル １２ コイル １３ コイル １４ コイル １５ 電流

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状金属材料がその中を通過できるリン
   グ状磁性コアを有し、該リング状磁性コアに交流電流を
   流すコイルを少なくとも１巻き以上巻くとともに、該リ
   ング状磁性コアの片面側の近傍でかつ前記板状金属材料
   の幅方向両端部に電極を設け、該電極より交流電流を通
   じジュール熱により前記板状金属材料を加熱することを
   特徴とする板状金属材料の通電加熱装置。
2. 【請求項２】 板状金属材料がその中を通過できる一対
   のリング状磁性コアを有し、該リング状磁性コアそれぞ
   れに交流電流を流すコイルを少なくとも１巻き以上巻く
   とともに、二つのリング状磁性コアの間の近傍でかつ前
   記板状金属材料の幅方向両端部に電極を設け、該電極よ
   り交流電流を通じジュール熱により前記板状金属材料を
   加熱することを特徴とする板状金属材料の通電加熱装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の通電加熱装置を板状金属
   材料の進行方向に複数配置したことを特徴とする板状金
   属材料の通電加熱装置。
4. 【請求項４】 リング状磁性コアの板状金属材料の幅方
   向両端部近辺に交流電流を流すコイルをそれぞれ設け、
   かつ同一回巻いたことを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか記載の板状金属材料の通電加熱装置。
5. 【請求項５】 コイルに流す交流電流と電極から板状金
   属材料に流す交流電流との位相差を制御可能としたこ
   と、および／または、コイルに流す交流電流の電流密度
   を調整可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいず
   れか記載の板状金属材料の通電加熱装置。
6. 【請求項６】 交流電流を流すコイルにタップを設けた
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の板状金
   属材料の通電加熱装置。