JP4011087B2 - 誘導加熱装置の防熱板および誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鋼板製造の１工程である熱間圧延ラインにて、粗圧延により得られたシートバー等の加熱に適用する誘導加熱装置の防熱板および誘導加熱装置に関するものである。

例えば、鋼片を熱間圧延する際に、従来は、とくに粗圧延後の仕上げ圧延工程において、以下に述べるような種々のトラブルが生じていた。
すなわち、
ａ）鋼片先端における、粗圧延機内での低速圧延で生じた温度低下部の品質不良、
ｂ）鋼片後端における、仕上げ圧延機前までの放熱で生じた温度低下部の品質不良、
ｃ）加熱炉内のスキッドビーム部の昇温不足で生じた温度低下部の品質不良、
などである。

上記問題を解決するため、熱間仕上げ圧延機の入側搬送ラインにおいて、粗圧延して得られるシートバーを、誘導加熱装置を用いて加熱することによって、熱補償を行うことが提案されている。
すなわち、熱間仕上げ圧延に先だって、図７（ａ）および図７（ｂ）に概略を示すように、被加熱材であるシートバー１をその幅並びに厚み方向に誘導加熱コイル３で包み、シートバー１の全部もしくは一部にシートバーの長手方向に貫通する交番磁界を誘導加熱コイル３から印加してシートバー１内に生起する誘導電流により、この領域を加熱する処理を行うのである。図７（ｂ）において、誘導加熱コイル内の磁束の流れを点線で示すように、誘導加熱コイル３により発生した高周波磁束はシートバー１を圧延方向へ貫き、誘導加熱コイル３の端部を経て誘導加熱コイル３背面に廻る流れとなり、当該シートバーの部分が加熱される。なお、図中５は、シートバー１を搬送するためのテーブルローラである。

このように、誘導加熱装置２の誘導加熱コイル３による誘導電流を利用してシートバーを加熱するとき、シートバー１の幅射熱のために誘導加熱コイル３が高温となり、焼損しやすくなるので、これを防止することが必要となる。そこで、シートバー１の幅射熱を遮蔽して誘導加熱コイル近傍の温度上昇を緩和するために、図７（ｂ）に示すように、誘導加熱コイル２とシートバー１との間に耐熱性の防熱板４を設置する方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、耐火性無機質繊維板と耐火断熱レンガを層状に重ねた構造のものが開示されている。
特公平６−３１６８２号公報

しかしながら、上記従来技術による防熱板を具えた誘導加熱装置によりシートバーの誘導加熱を行う場合に、次のような新たな問題が生じていた。すなわち、１０００℃程度のシートバー１からの輻射熱で防熱板の温度が上昇し、搬送方向の両端で固定支持された防熱板４が、図８（ａ）の点線で示すように、その表裏面の温度差による熱膨張差でシートバー側に張り出すように湾曲変形する現象である。そして、変形の程度が大きいときには、防熱板４には図８（ｂ）のようにひびが入り、さらに剥離、落下に至り、ついには防熱板自体が破損することがあった。防熱板のこのような変形や破損の傾向は、搬送方向における防熱板の長さが大きくなるほど、したがって誘導加熱コイルの長さが増すほど顕著に顕れる現象であった。

そこで、本発明は、従来技術が抱えている上述したような問題を解決するための新規な提案であり、誘導加熱を行う被加熱材からの輻射熱による変形や破損が起こりにくい誘導加熱装置の防熱板を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、発明者らは、誘導加熱コイルの防熱板が具えるべき条件について研究を重ねた結果、防熱板を高熱伝導性の不定形耐火物とし、この耐火物に冷却管を内包するように埋設して、防熱板の拔熱を積極的に図ることが効果的であるとの結論に達し、本発明を完成した。すなわち、
本発明は、熱間仕上げ圧延機の入側搬送ラインにてシートバーを搬送するテーブルローラの間に設置された誘導加熱コイルの内側に配置され、誘導加熱コイル内に搬送される被加熱材からの輻射熱を遮る、誘導加熱装置の防熱板において、
熱伝導度が５Ｗ／（ｍ℃）以上である不定形耐火物と、該不定形耐火物に内包される、管軸が被加熱材の搬送方向に沿ってまっすぐに並列配置された複数本から構成される冷却管とを有してなることを特徴とする誘導加熱装置の防熱板である。
上記発明における冷却管は、給排水口間で分岐したものであることが好ましい。
さらにまた、上記発明における冷却管は、高熱伝導性不定形耐火物にてモールド成形してなるものであることが好ましい。
また、本発明は、上記記載の防熱板を備えた誘導加熱装置である。

本発明によれば、誘導加熱されたシートバーなどの被加熱材からの輻射熱を、効果的に遮蔽して、誘導加熱コイルを保護でき破損を防止できる。したがって、本発明によれば、搬送ラインで安定した誘導加熱が可能になり、連続圧延による圧延材材質の均一化と生産性の向上が安定して得られる。

以下、本発明に至るまでの経緯を含めて説明する。
本発明では、防熱板の主材を板状に成形した不定形耐火物とする。不定形耐火物は、本発明のように、冷却管を内包させる場合に、モールド成形が容易であり、しかも冷却管との密着度も高められるので、拔熱が効果的に行われ輻射熱による耐火物の温度上昇を抑制できるからである。そしてまた、本発明では、冷却による防熱板からの拔熱を効果的に行わしめるため、不定形耐火物を高熱伝導性のものとすることが必要である。

図１は、冷却管を内包した不定形耐火物（厚み：２５ｍｍ、搬送方向における長さ：９００ｍｍ）をシートバー温度１０００℃の輻射熱環境下で１時間放置し、耐火物の表裏面の温度差に及ぼす不定形耐火物の熱伝導度の影響について調査した結果である。図１から示されるように、通常の耐火物材料であるＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２を主成分とするもの、すなわち熱伝導度０．５〜２．０Ｗ／ｍ℃のものを用いると、耐火物の表裏面の温度差は５００〜８００℃にも達するが、熱伝導度を高めると急激に表裏面の温度差は低下する。
図２は、上記実験において測定した、不定形耐火物の変形量δに及ぼす不定形耐火物の熱伝導度の影響について調査した結果である。図２から、不定形耐火物の熱伝導度は不定形耐火物のたわみの変形量δに対しても顕著に影響することがわかる。そして、熱伝導度０．５〜２．０Ｗ／ｍ℃であるＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２を主成分とする通常の耐火物材料では、変形量δは５〜２０ｍｍである。

発明者らの調査によれば、不定形耐火物の変形量δを３ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下に抑制できれば、防熱板にはひびが入らず、防熱板として十分機能し、実用上まったく問題がないことを知見した。すなわち図２から、不定形耐火物の熱伝導度を５．０Ｗ／ｍ℃以上、好ましくは７．０Ｗ／ｍ℃以上とした高熱伝導特性を有する不定形耐火物、例えば炭化珪素を主成分とする不定形耐火物を用いることにより、不定形耐火物の変形量δを所定の値以下に抑えることが可能になる。このことを言い換えれば、図１からわかるように、不定形耐火物の表裏面の温度差を３００℃以下、好ましくは２００℃以下に抑制することに相当する。

また、冷却効果を均一かつ十分に発揮させるためには、冷却管を複数本としてこれら冷却管を管軸が搬送方向になるように並列配置することが望ましい。
発明者らは、さらに不定形耐火物に内包される冷却管の配置についても実験した。図３は、厚み：３０ｍｍ、熱伝導率７〜１１Ｗ／ｍ℃の高熱伝導性不定形耐火物を、シートバー温度１０００℃の輻射熱環境下で、冷却管に通水しながら保持したときに到達する不定形耐火物の裏面温度に及ぼす、耐火物の厚みおよび図３で定義する冷却管間隔の影響について調べた結果をまとめたものである。
図３に示すように、不定形耐火物の裏面温度は不定形耐火物に内包された冷却管の間隔と不定形耐火物の厚みとの比で整理できること、そしてこの耐火物の裏面温度を誘導加熱コイルの耐熱温度である３００℃以下まで低下させるには前記の比、（冷却管の間隔）／（耐火物の厚み）の値を３以下にすることが望ましいことがわかる。

以上述べた防熱板４は、例えば、図４の平面図、図５（図４のＡ−Ａ断面）の側面図で示すようなものとなる。すなわち、搬送方向に平行かつ並列的に配置した冷却管１２を高熱伝導性の不定形耐火物１１に内包して設け、この不定形耐火物１１を取り付け縁金具１３内におさまるように板状にモールド成形される。これら冷却管に冷却媒体（通常は冷却水）を通すため、例えば図５で示すように、防熱板の長手方向両端部の幅方向中央に給排水口１５を設ける。こうして、給排水口１５の一端から導入した冷却媒体は、分岐した複数の冷却管１２を経由して、他端の給排水口１５から排出される。
こうした構成の防熱板は、例えばその長手方向の両端部に設けたボルト穴１４を通じて誘導加熱装置２に固定されて、被加熱材からの輻射熱を遮蔽して誘導加熱コイル３を保護する。

なお、冷却管１２は、防熱板における不定形耐火物を支持する役割も担うことになるが、シートバーの誘導加熱中には、この冷却管も誘導加熱され、支持強度の低下が懸念される。冷却管の温度上昇を抑制するには、誘導電流の減少が必要となる。冷却管を流れる誘導電流を小さくするには、冷却管の断面積を小さくすること、すなわち管径を小さくしたり、管厚を小さくしたりすることが求められる。しかし一方で、このことに余りに重点をおくと、冷却管の強度（曲げ強度）を低下させることとなり、支持材としての機能を低下させることとなる。
したがって、冷却管の寸法仕様は、これら両観点から、防熱板の長さ、材質等を考慮に入れて検討したうえ、適正なものを選択することが肝要となる。

以下、本発明を具体的に説明する。
図６に示す、粗圧延機の出側と仕上げ圧延機の入側との間における搬送ラインに、本発明に従う内部水冷式の防熱板を具えた誘導加熱装置（コイルの内幅２０００ｍｍ、内高さ２４０ｍｍ、コイル長６００ｍｍ）２基を１．２ｍの間隔を空けて搬送方向に直列に設けた。防熱板には、６本の金属製水冷管（管径：８ｍｍ、管厚：１ｍｍ）を幅方向（搬送方向に直角の方向）に間隔６０ｍｍで並列配置し、水冷管の周囲を炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とするキャスタブルにてモールド成形した。乾燥、焼成後の不定形耐火物は、厚みが３０ｍｍであり、炭化珪素（ＳｉＣ）７０％を含有し、熱伝導度が９Ｗ／ｍ℃の高熱伝導性のものであった。

上記搬送ラインに、粗圧延機で圧延したシートバー１（幅１３００ｍｍ、厚み３０ｍｍ、０．５％Ｓｉ鋼）を、テーブルローラにて１ｍ／ｓで通板し、誘導加熱装置により、その長手方向に交番磁界（投入電力５０００ｋＷ、周波数２０００Ｈｚ）を印加して加熱した。次いで、加熱後のシートバーを後続の７スタンドからなる仕上げ圧延機に供給し、板厚２ｍｍまで仕上げ圧延した。上記の条件では、加熱長さが２．４ｍ（２×０．６ｍ＋１．２ｍ）であるので、１ｍ／ｓで通板するときの加熱時間は合計２．４秒間となる。

以上の条件でシートバーを誘導加熱し、防熱板の表面温度、変形および損傷の程度を観察した。その結果、防熱板のコイル側表面温度は最高１５０℃にしかならず、また、表裏面温度差に起因した不定形耐火物の変形もなく、防熱板の破損は生じなかった。
この条件で、約６か月間継続して操業したが、その期間中に、防熱板の変形、破損はみられず、防熱板として十分な機能を発揮することがわかった。そして、本発明の防熱板を誘導加熱装置に具えることにより、シートバーからの輻射熱による誘導加熱コイルの損傷は皆無になることを確認した。

不定形耐火物の表裏面温度差に及ぼす耐火物の熱伝導度の影響を示すグラフである。 不定形耐火物の変形量に及ぼす耐火物の熱伝導度の影響を示すグラフである。 不定形耐火物の裏面温度と冷却管の間隔／不定形耐火物の厚みとの関係を示すグラフである。 防熱板における冷却管の配管例を示す図である。 冷却管の両端における取り付けの例を示す図である。 実施例に用いた誘導加熱装置を示す図である。 誘導加熱方法の概略を示す模式図である。 誘導加熱装置の防熱板に発生する変形の状況を示す模式図である。

符号の説明

１ シートバー（被加熱材）
２ 誘導加熱装置
３ 誘導加熱コイル
４ 防熱板
５ テーブルローラ
１１ 不定形耐火物
１２ 冷却管
１３ 取り付け縁金具
１４ ボルト穴
１５ 給排水口

Claims (4)

1. 熱間仕上げ圧延機の入側搬送ラインにてシートバーを搬送するテーブルローラの間に設置された誘導加熱コイルの内側に配置され、該誘導加熱コイル内に搬送される被加熱材からの輻射熱を遮る、誘導加熱装置の防熱板において、熱伝導度が５Ｗ／（ｍ℃）以上である不定形耐火物と、該不定形耐火物に内包される、管軸が被加熱材の搬送方向に沿ってまっすぐに並列配置された複数本から構成される冷却管とを有してなることを特徴とする誘導加熱装置の防熱板。
2. 上記冷却管は、給排水口間で分岐したものであることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置の防熱板。
3. 冷却管を高熱伝導性不定形耐火物にてモールド成形したことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置の防熱板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の防熱板を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。

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