JPS6119096A - 多層コイル内径部の熱応力制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は多層コイルの内径部熱応力制御に関し、特にボ
ックス焼鈍後のストリップコイルの不均一温度分布に起
因したコイル内径部のゆるみを防止するため、誘導加熱
装置で昇温するととによりストリップコイル内径部の熱
応力を制御する方法に関する。

（従来技術） 多層コイル（以後ストリップコイルの例で説明する）は
大小様々あるが、大型のもので一例をあげると外径２５
４ｔ）ｗ、内径７１１ｍ＋、幅１４００■、線型ｉ１５
０　ｔｏｎといったものがある。このようなコイルは、
ボックス焼鈍炉により焼鈍処理した後、ストリップの機
械的性質の精整および形状矯正のため調質圧延機等によ
り軽圧下圧延を行なっており、これを調圧工程と称して
いる。

ところで、調圧工程にかける前の焼鈍済コイルは、これ
を側面からみると第６図に示すようにルーズ内径部Ａと
タイト外径部Ｂとが生じている。

これはコイルの焼鈍および冷却工程において避けること
ができない。すなわち、第７図に示すようにコイル１は
その軸線を竪にしスペーサー２等を介して多段に積重ね
て基板３上に載置し、これをインナーカバー４で覆った
後移動型のボックス炉本体５内に収めコイルの焼鈍を行
なう。ボックス炉内でコイルはその両端面および外周面
と内周面の三方から加熱され、焼鈍後は同じくコイル両
端面および外周面と内周面から放熱冷却されるので、焼
鈍および焼鈍後の冷却時におけるコイル内温度の挙動は
、第８図に示すようにコイルの半径方向厚みに関し、加
熱中においては曲線イの如く内径部から厚み１／３の近
傍に最冷点半径があり、また冷却中においては曲線口の
如く同じ＜ｌ／３の近傍に最温点半径がある状態となる
。かかる焼鈍工程において、コイル内ストリップ間には
焼鈍前の捲き取シ張力による初期面圧のほかにコイルの
加熱・冷却による熱応力が付加されることになシ、冷却
時において前記最冷（温）点半径より外径部ではコイル
外周部程ス）　ＩＪツブの収縮歪が大きいためタイトな
状態になり、他方最冷（温）点半径より内径部ではコイ
ル内周部程ストリップの収縮歪が大きくかつ内周への面
圧が解放されているためコイル内ス）　ＩＪツブ間の密
着力が弱ければコイル内ス）　ＩＪツブ間に空隙が生じ
ルーズな状態になるものである。

このルーズな内径部はコイル巻き戻し時における巻きゆ
るみ現象となって現われ、とのゆるみによりストリップ
間の相対的なずれすなわちスリップが発生する。スリッ
プによりストリップ表面にスリップ疵をつくシ出し、品
質を著しく損なう結果となる。

発明者等は焼鈍済コイルを調質圧延機にかける直前にコ
イル内径部のルーズ状態を解消し、スリップ疵を防止す
る手段について、先に特願昭５６−２６６１３号で誘導
加熱による昇温方法としてすでに提案した。

その内容の要旨とするところは、コイル焼鈍工程におけ
る前記したルーズ内径部を生ずるような歪挙動を是認し
た上で、調質圧延にはいる前の焼鈍済コイルの中心孔に
誘導加熱装置による昇温手段全適用してコイル内径部を
中心孔側から加熱昇温させることにより、核部の熱応力
に基づくストリップ間面圧を増大させ、もってコイル捲
き戻し時のコイルの捲きゆるみ等に起因するコイル内ス
トリップ間のスリップを防止する、にある。

第９図および第１０図にその実施例を示す、第９図に示
すように焼鈍冷却工程を終えたコイル１は先行コイルが
調質圧延のため捲き戻されている間、コンベヤーサドル
ｌｌ上におかれて待機している。この待機期間中第１０
図に示す誘導加熱機１２によってコイルｌはその内周部
から加熱される。すなわち、誘導加熱機１２は、油圧シ
リンダ１９によって移動自在な走行台車１８の基台１７
上に装着され、コイル１の中心孔に挿入し得る誘導加熱
用の励磁コイル１４を備えている。励磁コイル１４は絶
縁円筒フレーム１３に巻回されており、給電装置１６を
介して電源１５に接続される。

コンベヤーサドル１１上に待機中のコイル１の中心孔に
加熱コイル１４を挿入して誘導加熱を行なえば、コイル
１のルーズ内径部は昇温し、熱応力によりス）　ＩＪツ
ブ間面圧が発生し、捲き戻し時におけるコイルの捲きゆ
るみに起因するコイル内ストリップ間のスリ、プを完全
に防止することができる。

しかし、この誘導加熱装置の加熱方法には次の様な問題
点がある。

（１）励磁コイルが一台で構成されているため、ストリ
ップコイルの巻きと多形状が悪い場合はストリップコイ
ルの幅方向に温度むらが出来る。

（２）所要電力を１台の励磁コイルでまかなうため、流
れる電流が大きくなシ、銅損の低減のため銅体の幅を大
きくする必要があり、装置が大型化し、製作が難しい。

（３）励磁コイルの電圧値の制御が出来なかったので、
温度が高くなりすぎテンパーカラーが発生する場合があ
った。

（発明の目的） 本発明は上述の欠点を解消するもので加熱前時の内径部
と中央部の温度差から巻き戻し時に圧縮側の熱応力を得
るために必要な力ｎ熱容量を予測し、複数個の励磁コイ
ルからなる誘導加熱装置の電力（電圧又は電流）制御で
ストリップコイルの内径部を均一に加熱する制御方法を
提供することを目的とするものである。

（発明の概要） 上記目的を達成するだめの本発明方法は、多層コイルの
内径部を誘導加熱する方法において、前記多層コイル内
径部の幅方向に複数個の励磁コイルを配置して、加熱前
の前記多層コイル端面の半径方向の温度分布を測定し、
前記温度分布より前記多層コイルの必要昇温量を求め、
前記必要昇温量と加熱時間と前記多層コイルの内径寸法
と幅寸法から各励磁コイルの投入電力目標値（または電
圧または電流）を演算により求めて、誘導加熱装置の各
励磁コイルの投入電力（または電圧または電流）を前記
投入電力目標値に制御して多層コイルの内径部の熱応力
を制御することを特徴とするものである。

（発明の構成） 以下、本発明を図面により詳細に説明する。

第８図に示したコイル内温度の挙動に関し、これをスト
リップコイル熱応力発生のプロ、り概念図で示せば第２
図のようになる。現象の説明を簡単にするためコイルの
内径部、中央部、外径部の３点に大きくわけである。ボ
ックス焼鈍前のストリップコイルの温度は、内径部ＴＩ
＝中央部ＴＭ＝外径部Ｔ０となっている。焼鈍されると
ストリップコイルの温度ＴＸまたはＴｏと焼鈍温度ＴＢ
ＡＦとの差によって発生する熱は、ストリップコイルの
内外面を通じて中央部に伝達される。そのため焼鈍時加
熱後のストリップコイルの温度分布は’ｒｘ＞輻＜Ｔ０
／と凹状となる。しかし、焼鈍時加熱後冷却されるコイ
ルは、内外面から外気温度Ｔｎで冷却されていくため、
しだいに凸状の温度分布に変化してくる。この結果、温
度差の発生する内径部（Ｔｒ”＜ＴＭ’　）や外径部（
Ｔ０’　＜ＴＭ’　）では熱収縮が起とシ、特に内径部
では熱応力σｒ１が低下してくる。そのため、ス）　Ｉ
Ｊツブコイルの内径部ではコイル巻き取シ張力などによ
って発生していたストリップ面圧Ｐ！とともにガロ見ら
れていた熱応力σｒ１が低下するためストリップ層間の
摩擦力Ｆ１を減じる。すなわちストリップコイル内径部
がルーズリングｊ−になっている０図中、Ｇ１−８は熱
伝達特゛性、Ｈｌ、２は熱収縮特性、Ｋｌ、２は熱応力
特性（半径方向）、Δｔは熱収縮量、Ｕはス）　ＩＪツ
ブ面の摩擦係数である。

第３図に調質圧延工程で巻き戻される焼鈍済みのストリ
ップコイル内の温度分布と熱収縮量の関係と、半径方向
に作用する熱応力分布の一例を示す、焼鈍後の温度分布
の頂点は中央部にあシ、内・外径部が低くなった凸状分
布を示している（イ）。

この温度分布側から、ストリップコイル半径方向温度分
布特性ΔＴ　（ｒ）を２次曲線で表わすと例えば下記の
０式に示すようになる。

ΔＴ　（ｒ）＝−０，２Ｘ　１０−３（ｒ−７３６）”
　　　　　＝−−−−■但し、ｒ；ストリップコイル内
の任意の半径で、ＴＭ点のｒは７３６ いま、ストリップコイルを多重同心円として考え、公称
径を基に０式の温度外布特性ΔＴ　（ｒ）がら熱収縮量
Δｔを求めると、熱収縮によって発生する多重リング間
の微少空隙量Δｔが得られる（口）。

この熱収縮量Δｔの合計が、ストリップコイルを巻き戻
した際の巻きゆるみ量として現われるものである。

また、半匝方向の応力σ１は下記の０式で表わせる。

ζＥ　ｈ　ｎ σ１；Σ□ΔＴｎ　　　　　　　　　・曲・・・・■ｉ と＼でＥはヤング率、ζは熱膨張係数、ｈｎはｎ層目の
板厚、ｒｎはｎ層目の半径、ΔＴｎはｎ層と７１−１考
慮しながら熱応力分布を求めたのが（ハ）である。

この第３図（ハ）に示すように、コイル内半径点におけ
る熱応力値σ、が引張り側（正値および零値）になると
前記熱収縮量Δｔとの関係にょシ巻きゆるみが発生する
。従って、巻きゆるみを防止するには、コイル内半径点
における熱応力値が圧縮側（負値）になるようにすれば
よく、更に安全性を考慮して、当図（イ）における最大
温度とコイル内半径点における温度を等しくするように
すればよいという知見を得た。

前記知見を実現するための熱応力σ１□を制御する方法
の簡単なブロック概念図を第４図に示す。

加熱時の内径部と中央部の温度差ΔＴ、”Ｍから巻き戻
し時に圧縮側の熱応力を得るために必要な加熱容量を予
測し、誘導加熱装置（１，Ｈ，）でス）　ＩＪツブコイ
ルの内径部を加熱すればよい、 第５図に誘導加熱によるストリップコイルの温度軌跡を
示す。誘導加熱直後はストリップコイルの内面側（ｂ）
程温度は急激に高くなる。中央部（ｃ）や外面側体）は
遅れて昇温しだす。しかし、加熱後の時間経過に伴って
ストリップコイルの半径方向に熱拡散が行なわれ、内径
部は適正な温度分布が得られるようになる。このような
温度軌跡をとることから、実際の７Ｉｎ熱サイクルはス
トリップコイルの平均調質圧延時間内で加熱し、加熱場
所から巻き戻し機までの移送時間を冷却帯とした刀ｎ熱
サイクルをとる必要がある。本発明では例えば６分間加
熱し、３０分間冷却する加熱サイクルを採用し、合計３
６分間を加熱時間（Ｔ）として開発を進めた。

次に誘導加熱装置の電源成力Ｐと被ガロ熱材加熱部必要
昇温世ΔＴムとの関係について考えてみると、電源効率
をη１、加熱効率をη２、加熱時間をｔ□、被加熱材加
熱部の体積をＭ１被加熱材の内径をｄＷ１被加熱材の幅
をＷｖ　、比重及び比熱をρ、、Ｃｐとすれば、次のよ
うになる。

Ｈ 熱量Ｑ＝８６０Ｐη１η＊　　　　　　　　−・−＠Ｑ
＝ＭｐＭＣｐＡＴＡＩ　　　　　　　　・・・・・・・
・・■Ｍ＝ｆ（ｄＷＩＷＷ） ０．０式よりＰとΔＴムとの関係式■が導かれる。

また、電源成力Ｐと電源電圧Ｖとの間には、はぼ、 Ｐｃｘ−ｖ２　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
・・・■の関係式があることがシミュレーションの結果
により得られている。つま夛、 Ｐ　””　ｆ　（、ｄｙ　＊　ｗｗ　＊　ｔ　ｒΔＴム
）　　　　・・・・・・・・・■Ｖ　＝ｆ　’（ｄｖ　
＃　Ｗｗ　＊　ｔ　＋ΔＴＡ　）　　　　　−＝・■但
し、ｄＷは被加熱材内径、Ｗｖは被加熱材加熱部幅 と表わされ、励磁コイル条件が設定されれば、所要の必
要昇温量ΔＴＡに対応した、ＰとＶが計算できる。

父、励磁コイルが複数個の場合でも、各励磁コイル毎に
ほぼ、■、■式が成り立つ。つまり、ｎ段目の励磁コイ
ルにおいて、 ｐｎ＝’（ａｗｅｗｖ＋＋、ｔ１ΔＴＡ　）　　　’　
＝■ｖ、　＝　ｆ’（ｄｗ　、　ＷＷ！ｌ　、　＊１Δ
ＴＡ　）　　　　−（１Ｇとなる。温度計等によって把
握される加熱前の被加熱材必要昇温量ΔＴム、加熱時間
ｔい被加熱材加熱部幅Ｗ□等の条件から電源電力Ｐｎ％
電圧ｖｎの目標値を算出し、各励磁コイル電圧を前記電
圧の目標値に制御することにより、被加熱材つま９スト
リツプコイルの熱応力分布？：、制御することができる
。

以下、０式を用いて励磁コイル′成圧を制御することに
より、ストリップコイル内径部の熱応力分布を制御する
例を第１図で詳細に説明する。１は被加熱材のストリッ
プコイルで、■が最大幅の、ｈが最小幅のコイルである
。１４１〜１４ｄはストリップコイルの内径幅方向に設
けられる複数の励磁コイル（この場合４個であるが、増
減出来る）で、最大幅Ｈが加熱出来るように配置される
。

２０は励磁コイルに電流を流すことにより発生する磁束
の集中用及び励磁電流低減のだめの口形鉄心、２３ａ〜
２３ｄは励磁コイル１４ａ　〜１４ｄ用の電圧調整器、
１５は２３ａ〜２３ｄに電力を供給する電源、２１はス
トリップコイル端面の半径方向の温度分布を測定するス
キャン温度計、２２は電圧調整器２３ａ〜２３ｄに設定
電圧を出力するための演算装置である。

次に作用について述べる。調質圧延するため移送中の内
径部がルーズ状態のストリップコイルｌは誘導加熱装置
のところに来るとストリップコイル内径部に励磁コイル
１４ａ〜１４ｄを挿入する。

挿入は口形鉄心２０の分割面をはづし励磁コイル１４ａ
＝１４ｄを取付けた部分をコイル内径部に挿入し、再び
結合して口形鉄心とするものである。

温度計２１で誘導加熱前のストリップコイル端面の平径
方向の温度分布が走査型温度計により第３図（イ）のよ
うに測定され、その温度分布は演算装置２２に入力され
る。その演痺装置において、その温度分布より必要昇温
量を最大温度（ＴＶ）とコイル内半径における温度（Ｔ
ｒ）との差（ＴＭ−ＴＩ）によって求められる。そして
、この（ＴＭ−ＴＩ）を前記第７式〜第１０式のΔＴム
と等価とする。

゛また、演算装置２２には加熱毎に圧延計画に基づくス
トリップコイルのサイズ、ｄｌＦｌ”Ｗと加熱時間（１
）の情報が入力される。これらの値をもとに■、■式に
示される励振コイル毎の投入電圧目標値（投入電力目標
値に相当する）が計算され、電圧調整器２３ａ〜２３ｄ
にその投入電圧目標値が電圧設定され、励磁コイル１４
ａ−１４ｄの電圧を制御する。ストリップコイルは設定
電圧に開側ｊされた各励磁コイルにより加熱時間（１）
の間加熱される。加熱終了後ストリップコイルは誘導加
熱装置からはずされ、移送冷却されて、Ａ質圧延機の巻
き戻し機にセットされるが、ストリップコイル内径部に
は加熱によって圧縮側の熱応力が発生し、ルーズ状態か
らタイト状態になっておシ、巻き戻しによるスリップ疵
は発生しなくなっている。

ストリップコイルが１４ａ　、１４ｄにかからない最小
幅りの場合、励磁コイル１４ａ　、１４ｄの設定′電圧
は０となり、加熱時に電圧は印加されない、又、ストリ
ップのコイル幅がＨ，！：ｈの間の場合はそのつど必要
な設定電圧が計算され励振コイル１４ａ、１４ｄに必要
な電圧が印加される。

又、電圧制御は励磁コイル毎の龜か、値数励磁コイル単
位毎に行うことも可能である。

（発明の効果） 本発明は巻き戻し時において、ストリップコイルの内径
部に圧縮側の熱応力を得るだめに誘導カロ熱装置の励磁
コイルを複数個で構成し、各励磁コイルに印加される必
要な電圧を適正に予測制御するようにしたので、ストリ
ップ幅方向に温度むらのない均一加熱が可能となり、投
入電力も少なくなり、又励磁コイルも小型化出来、効果
大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図はス
トリップコイルの各部の温度の説明図、第３図はストリ
ップコイルの温度分布と熱収縮量の説明図、第４図は誘
導加熱による制御の説明用ブロック図、第５図は誘導加
熱と自然冷却による温度変化を示すグラフ、第６図はス
トリップコイルの各部の説明図、第７図はポック予焼鈍
の説明図、第８図はコイル各部の温分布の説明図、第９
図はｌ質圧延におけるコイル巻戻し部の説明図、第１０
図は従来例を示すブロック図である。 図面で、ｌはコイル、Ａは内径部、１４ａｓ１４ｂｓ・
・・・・・は励磁コイル、２２は演算装置、２３　ａ　
Ｔ　２３　ｂ・・・・・・は電圧調整器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多層コイルの内径部を誘導加熱する方法において、前記
   多層コイル内径部の幅方向に複数個の励磁コイルを配置
   して、加熱前の前記多層コイル端面の半径方向の温度分
   布を測定し、前記温度分布より前記多層コイルの必要昇
   温量を求め、前記必要昇温量と加熱時間と前記多層コイ
   ルの内径寸法と幅寸法から各励磁コイルの投入電力目標
   値（または電圧または電流）を演算により求めて、誘導
   加熱装置の各励磁コイルの投入電力（または電圧または
   電流）を前記投入電力目標値に制御して多層コイルの内
   径部の熱応力を制御することを特徴とする多層コイル内
   径部の熱応力制御方法。