JPS637678B2 - - Google Patents

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、特にボツクス焼鈍後のストリツプコイルの不
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ことによ
りストリツ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（以後ストリツプコイルの例で説明
する）は大小種々あるが、大型のもので一例をあ
げると外径2540mm、内径711mm、幅1400mm、総重
量50tonといつたものがある。このようなコイル
は、ボツクス焼鈍炉により焼鈍処理した後、スト
リツ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つており、
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で覆つた後移動型のボツクス炉
本体５内に収めコイルの焼鈍を行なう。ボツクス
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ロの如く同じく1/3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、コイル内ストリツプ間には焼鈍前
の捲き取り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
り、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トリツプの収縮歪が大
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ツプの
収縮歪が大きくかつ内周への面圧が解放されてい
るためコイル内ストリツプ間の密着力が弱ければ
コイル内ストリツプ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つて現われ、このゆるみに
よりストリツプ間の相対的なずれすなわちストリ
ツプが発生する。スリツプによりストリツプ表面
にスリツプ疵をつくり出し、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
ツ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
段を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、該部の熱応力に基づくスト
リツプ間面圧を増大させ、もつてコイル捲き戻し
時のコイルの捲きゆるみ等に起因するコイル内ス
トリツプ間のスリツプを防止する、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１１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によつてコイル１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によつ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
応力によりストリツプ間面圧が発生し、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
内ストリツプ間のスリツ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
トリツプコイルの巻きとり形状が悪い場合はス
トリツプコイルの幅方向に温度むらが出来る。
即ち、巻き形状が悪くてストリツプコイル最内
層が次の２層目と一様に接触しておらず、かゝ
る状態で単一コイルで幅方向均一加熱すると、
ストリツプコイル幅方向中央に比べて幅方向端
部が過度に加熱される。またストリツプコイル
は最内層と次の２層目を、幅方向両端部におけ
るほゞ120゜間隔の各３点において溶接し、コイ
ル内巻部が竹の子状に突出することがない様に
するが、かゝるコイル内巻部を誘導加熱すると
該両端部に加熱電流が集中し、該両端部が過熱
される。

(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り、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つたの
で、温度が高くなりすぎテンパーカラーが発生
する場合があつた。

（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加熱容量を予測
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）制御でストリツプコイルの
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ための本発明方法は、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
れをストリツプコイル熱応力発生のブロツク概念
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点に大きくわけてある。ボツクス焼鈍前のスト
リツプコイルの温度は、内径部T_I中央部T_M
外径部T_Oとなつている。焼鈍されるとストリツ
プコイルの温度T_IまたはT_Oと焼鈍温度T_BAFとの
差によつて発生する熱は、ストリツプコイルの内
外面を通じて中央部に伝達される。そのため焼鈍
時加熱後のストリツプコイルの温度分布はT_I′＞
T_M′＜T_O′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T_n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。T_I″，T_M″，T_O″は、冷却中並び
に調圧工程にかけるまでのストリツプ内径部、中
央部、および外径部の温度を示す。この結果、温
度差の発生する内径部（T_I″＜T_M″）や外径部
（T_O″＜T_M″）では熱収縮が起こり、特に内径部
では熱応力σ_r1が低下してくる。そのため、スト
リツプコイルの内径部ではコイル巻き取り張力な
どによつて発生していたストリツプ面圧P_Iととも
に加えられていた熱応力σ_r1が低下するためスト
リツプ層間の摩擦力F₁を減じる。すなわちスト
リツプコイル内径部がルーズリング層になつてい
る。図中、G₁〜₈は熱伝達特性、H₁，₂は熱収縮特
性、K₁，₂は熱応力特性（半径方向）、Δlは熱収縮
量、μはストリツプ面の摩擦係数である。焼鈍中
の温度T_I′，T_M′，T_O′はT_I′＝T_I＋G₁（T_BAF−
T_I′），T_M′＝T_M＋G₃（T_I′−T_M′）＋G₄（T_O′−
T_M′），T_O′＝T_O＋G₂（T_BAF−T_O′）で表わされ、
冷却中の温度T_I″，T_M″，T_O″もこれに準ずる。
内、外径部の熱応力σ_r1，σ_r0はσ_r1＝（T_I″−
T_M″）・H₁・K₁，σ_r0＝（T_O″−T_M″）・H₂・K₂で
あり、内、外径部のストリツプ層間摩擦力F_I，F_O
は、この熱応力に、コイル巻き戻し張力などによ
つて発生する内、外径部ストリツプ面圧P_I，P_Oを
加えた圧力に摩擦係数μを乗じたもの即ちF_I＝μ
（σ_r1＋P_I），F_O＝μ（σ_r0＋P_O）である。

第３図に調質圧延工程で巻き戻される焼鈍済み
のストリツ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り、
内・外径部が低くなつた凸状分布を示している
(イ)。この温度分布例から、ストリツプコイル半径
方向温度分布特性ΔT（ｒ）を２次曲線で表わす
と例えば下記の式に示すようになる。

ΔT（ｒ）＝−0.2×10^-3（ｒ−736）²…… 但し、ｒ；ストリツプコイル内の任意の半径
で、T_M点のｒは736 いま、ストリツプコイルを多重同心円として考
え、公称径を基に式の温度分布特性ΔT（ｒ）
から熱収縮量Δlを求めると、熱収縮によつて発
生する多重リング間の微少空隙量Δｇが得られる
(ロ)。

この熱収縮量Δlの合計が、ストリツプコイル
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、半径方向の応力σ_rは下記の式で表わせ
る。

σ_r＝〓ζEh_o／r_oΔT_o …… こゝでＥはヤング率、ζは熱膨張係数、h_oはｎ
層目の板厚、r_oはｎ層目の半径、ΔT_oはｎ層と
n^-1層間の温度差、 上記式から温度とともに変化するヤング率Ｅ
を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_rが引張り側（正値および零値）
になると前記熱収縮量Δlとの関係により巻きゆ
るみが発生する。従つて、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σ_r1を制御す
る方法の簡単なブロツク概念図を第４図に示す。
この図は第２図のうち、内径部と中央部での自然
冷却及び熱応力発生までを抜粋し、それに誘導加
熱装置I.H.を追加したものである。誘導加熱装置
I.H.は第１図のスキヤン温度計２１、演算装置２
２、電圧調整器２３、励磁コイル１４等から構成
される。加熱時の内径部と中央部の温度差
ΔT_I″_-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
（I.H.）でストリツプコイルの内径部を加熱すれ
ばよい。この必要な加熱容量は、第３図イのT_M
〜T_I部分をT_Mからの水平線に昇温させるに必要
な加熱エネルギに相当する。

第５図に誘導加熱によるストリツプコイルの温
度軌跡を示す。誘導加熱直後はストリツプコイル
の内面側(b)程温度は急激に高くなる。中央部(c)や
外面側(a)は遅れて昇温しだす。しかし、加熱後の
時間経過に伴つてストリツ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、実際の加熱サイクルはストリツプコイル
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加熱サイ
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36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電力Ｐと被加熱材加熱
部必要昇温量ΔT_A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_H、被加熱材加熱部の体積をＭ、被加熱材の内径
をd_W、被加熱材の幅をW_W、比重及び比熱をρ
ｇ、C_Pとすれば、次のようになる。

熱量Ｑ＝860Pη₁η₂t_H／60 …… Ｑ＝Mρ_gC_PΔT_A …… Ｍ＝ｆ（d_W，W_W） ，式よりＰとΔT_Aとの関係式が導かれる。

ΔT_A＝ＫＰ／Ｍ 但し、Ｋ＝860t_H／60・η₁η₂／ρ_gC_P…… また、電源電力Ｐと電源電圧Ｖとの間には、ほ
ぼ、 Ｐ∝V² …… の関係があることがシミユレーシヨンの結果によ
り得られている。つまり、 Ｐ＝ｆ（d_W，W_W，ｔ，ΔT_A） …… Ｖ＝f′（d_W，W_W，ｔ，ΔT_A） …… 但し、d_Wは被加熱材内径、W_W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ΔT_Aに対応した、ＰとＶが計算
できる。

又、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、 P_o＝ｆ（d_W，W_Wo，t_o，ΔT_A） …… V_o＝f′（d_W，W_Wo，t_o，ΔT_A） …… となる。温度計等によつて把握される加熱前の被
加熱材必要昇温量ΔT_A、加熱時間t_o、被加熱材加
熱部幅W_Wo等の条件から電源電力P_o、電圧V_o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、被加熱材つまりス
トリツプコイルの熱応力分布を制御することがで
きる。

以下、式を用いて励磁コイル電圧を制御する
ことにより、ストリツ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
被加熱材のストリツプコイルで、Ｈが最大幅の、
ｈが最小幅のコイルである。１４ａ〜１４ｄはス
トリツ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ための口
形鉄心、２３ａ〜２３ｄは励磁コイル１４ａ〜１
４ｄ用の電圧調整器、１５は２３ａ〜２３ｄに電
力を供給する電源、２１はストリツプコイル端面
の半径方向の温度分布を測定するスキヤン温度
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ツプコイル１
は誘導加熱装置のところに来るとストリツプコイ
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ツプコイ
ル端面の半径方向の温度分布が走査型温度計２１
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。その演算装置にお
いて、その温度分布より必要昇温量を最大温度
（T_M）とコイル内半径における温度（T_I）との差
（T_M−T_I）によつて求められる。そして、この
（T_M−T_I）を前記第７式〜第10式のΔT_A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
づくストリツプコイルのサイズ、d_W，W_Wと加熱
時間（ｔ）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１４ａ〜１４ｄ
の電圧を制御する。ストリツプコイルは設定電圧
に制御された各励磁コイルにより加熱時間（ｔ）
の間加熱される。加熱終了後ストリツプコイルは
誘導加熱装置からはずされ、移送冷却されて、調
質圧延機の巻き戻し機にセツトされるが、ストリ
ツプコイル内径部には加熱によつて圧縮側の熱応
力が発生し、ルーズ状態からタイト状態になつて
おり、巻き戻しによるスリツプ疵は発生しなくな
つている。

ストリツプコイルが１４ａ，１４ｄにかからな
い最小幅ｈ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、ストリツプのコイル幅がＨと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、前述のようにコイル内巻部は溶接されてお
り、誘導加熱で局部加熱されるので、端部に位置
する励磁コイルは中央部に位置する励磁コイルよ
り加熱容量を減少させる（端部は平均値の2/3位、
中央は平均値の5/3位にする）。

又、電圧制御は励磁コイル毎のほか、複数励磁
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、ストリツプコイ
ルの内径部に圧縮側の熱応力を得るために誘導加
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、ストリツ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ツク図、第
２図はストリツプコイルの各部の温度の説明図、
第３図はストリツ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
ブロツク図、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図はストリツプコイ
ルの各部の説明図、第７図はボツクス焼鈍の説明
図、第８図はコイル各部の温分布の説明図、第９
図は調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ツク図である。 図面で、１はコイル、Ａは内径部、１４ａ，１
４ｂ，……は励磁コイル、２２は演算装置、２３
ａ，２３ｂ……は電圧調整器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。