KR101102609B1 - 유도 가열 장치 - Google Patents

Abstract

얇은 금속판이더라도 자성, 비자성을 불문하고 가열 온도 분포를 제어할 수 있고, 판 폭 변경, 사행에 추종 가열할 수 있는 유도 가열 장치 및 유도 가열 방법을 제공한다.

유도 코일(2)의 내측을 통과하는 금속판(1)을 유도 가열하는 장치로서, 금속판(1)의 표면측과 이면측의 유도 코일을 구성하는 도체(2a, 2b)를 각각 금속판(1)에 수직 투영하였을 때의 수직 투영상에 있어서, 표면측과 이면측의 도체(2a, 2b)가 금속판(1)의 길이 방향에 대해서 서로 어긋나도록 도체(2a, 2b)를 배치하는 동시에 금속판(1)의 표면측과 이면측의 적어도 어느 하나에 도체(2a, 2b)의 단부를 경사지게 또는 호상(弧狀)으로 배치하고 또한, 유도 코일(2)의 외측에 자성체 코어(10)를 배치한다.

유도 가열 장치, 도체, 유도 코일, 자성체 코어

Description

유도 가열 장치 {INDUCTION HEATING DEVICE}

본 발명은 철과 알루미늄 등의 철 및 비철 금속판의 유도 가열 장치에 관한 것이다. 특히, 금속판이 박판이거나 후판이든지 관계없이, 비자성 상태에서도 금속판을 효율적으로 가열하는 유도 가열 장치에 있어서, 금속판의 단부의 과열을 억제하거나 또는 온도를 높은 정밀도로 제어하는 유도 가열 장치에 관한 것이다.

금속의 고주파 전류에 의한 유도 가열은 담금질을 비롯한 열처리를 하기 위하여 널리 사용되고 있다. 강판과 알루미늄판 등의 철, 비철 박판도 제조 과정에서 재질을 제어할 목적으로 가열 속도를 높이고, 생산성의 향상이나 제조량을 자유롭게 조정할 목적 등으로 종래의 가스 가열이나 전기 가열에 의한 간접 가열을 대신하는 가열 방식으로서 사용되고 있다.

금속판을 유도 가열하는 경우에는 크게 두 가지 방식이 있다. 하나는 금속판의 주위를 둘러싼 유도 코일에 고주파 전류를 흘려서, 발생한 자속이 금속판의 길이 방향을 관통하면서, 금속판의 단면 내에 유도 전류를 발생시켜 가열하는 이른바 LF(종단 자속 가열) 방식이라 불리는 유도 가열 방식이고, 다른 하나는 금속판을 1차 코일이 감긴 인덕터라 불리는 양자성체의 사이에 배치하고, 1차 코일에 전류를 통하게 하여 발생시킨 자속을 인덕터를 통과하게 함으로써, 인덕터 사이를 흐르는 자속을 금속판이 횡단하듯이 통과함으로써, 금속판의 평면에 유도 전류가 발생하여 유도 가열하는 TF(횡단 가열 방식) 방식이다.

LF 방식의 유도 가열은 온도 분포의 균일성이 좋기는 하나, 발생하는 유도 전류는 판 단면 내를 순환하지만, 전류 침투 깊이의 관계로부터 판 두께가 얇은 경우에는 전원의 주파수를 높이지 않으면 유도 전류가 발생하지 않고, 또한 비자성재 혹은 자성재라도 퀴리점 온도를 넘는 것은 전류의 침투 깊이가 깊어지기 때문에, 판 두께가 얇은 것은 가열을 할 수 없다고 하는 과제가 있다.

한편, TF 방식의 유도 가열은 자속이 금속판의 평면을 관통하기 때문에, 판 두께와 자성, 비자성의 구별 없이 가열할 수 있다고 하는 특징과, 자기 저항이 작은 인덕터를 사용함으로써 누설 자속을 적게 할 수 있고, 금속판의 표리(表裏)에 대항하는 인덕터 사이에 자속을 집중시킬 수 있기 때문에, 가열 효율이 높다고 하는 특징이 있다.

그 반면, 온도 분포의 불균일이 발생하기 쉽다는 문제나, 금속판이 대향하는 인덕터의 중심에 없는 경우, 자성재는 어느 한 쪽의 인덕터에 흡인되어 온도 편차가 더 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다.

한편, TF 방식의 유도 가열의 경우, 금속판의 판 폭 변경이나 연속 통판 라인에 사행(蛇行)이 발생한 경우에 대응이 어렵다고 하는 결점이 있다.

이러한 과제를 해결하기 위하여, 특허 문헌 1에서는 스트립판의 진행 방향의 표면, 이면의 싱글 턴의 코일을 어긋나게 배치하는 것이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에서는 피가열재에 면한 유도 가열 코일의 장축이 만곡하 도록 마름모꼴 형상의 유도 코일이 제안되어 있다.

특허 문헌 3은 본 발명자에 의한 금속판을 주회하는 유도 코일을 진행 방향으로 시프트시키는 유도 코일을 제안하고 있다.

〔특허 문헌 1〕일본 공개 특허 공보 2002-43042호

〔특허 문헌 2〕일본 공개 특허 공보 2002-151245호

〔특허 문헌 3〕일본 공개 특허 공보 2005-209608호

〔특허 문헌 4〕국제 특허 공개 공보 2006/088067호

〔특허 문헌 5〕국제 특허 공개 공보 2006/088068호

도 1은 종래의 LF 방식의 유도 가열을 나타내는 모식도이다. 피가열재인 금속판(1)의 주위를 고주파 전원(3)에 접속된 유도 코일(2)로 에워싸고, 1차 전류(5)를 통하게 함으로써, 금속판(1)의 내부를 자속(4)이 관통하여 자속(4)의 주위에 유도 전류가 발생하고, 발생한 유도 전류에 의하여 금속판(1)이 가열된다. 도 2는 유도 전류가 금속판(1)의 단면 내에 발생하는 모습을 나타내는 단면 모식도이다.

금속판(1)을 관통하는 자속(4)에 의해, 금속판(1)의 단면에는 유도 코일(2)에 흐르는 1차 전류(5)와 역방향인 방향으로 유도 전류(6)가 흐른다. 이 유도 전류(6)는 금속판(1)의 표면으로부터 (1) 식에서 나타내는 전류 침투 깊이의 범위에 집중되어 흐른다.

δ[㎜]=5.03×10⁺⁵ (ρ/μrf) ^0.5···(1)

이 때, ρ: 비저항[Ωm], μr: 비투자율[-], f: 가열 주파수[Hz]

발생한 유도 전류(6)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 판 단면의 표리에서 역방향으로 흐르기 때문에, 전류 침투 깊이(δ)가 깊어지면, 판 표리의 유도 전류가 서로 상쇄하는 결과, 판 단면 내를 전류가 흐르지 않게 된다.

금속은 온도의 상승에 따라 ρ가 상승하기 때문에, δ는 온도 상승과 함께 깊어진다. 또한, 강자성이나 상자성의 자성재는 온도가 상승하여 퀴리점에 가까워짐에 따라 μr이 감소하고, 퀴리점을 넘으면 μr은 1이 된다.

또한, 비자성재도 μr은 1이다. μr이 작아지면, (1) 식보다 비자성재 또는 자성재의 경우에는 퀴리점 직전부터 퀴리점을 넘는 온도역에서는 전류 침투 깊이(δ)가 깊어져서, 얇은 판 두께의 피가열재에서는 가열을 할 수 없게 된다.

예를 들면, 가열 주파수가 10 [KHz]인 경우, 상온에서 각종 금속의 전류 침투 깊이(δ)는 비자성의 알루미늄에서 약 1 [㎜], SUS304에서 약 4.4 [㎜], 자성재인 강에서는 약 0.2 [㎜]인데 비해, 자성재인 강이 퀴리점을 넘은 750℃에서는 전류 침투 깊이(δ)는 약 5 [㎜]가 된다.

판 내에 발생하는 표리 전류가 서로 상쇄되지 않으려면, 판 두께로는 최악의 경우에도 10 [㎜] 이상이 필요하고, 효율적으로 파워를 넣으려면 15 [㎜] 정도의 두께가 필요하게 된다.

일반적으로, 열 처리는 10 수㎛의 박(箔)과 같은 박판에서부터 100 ㎜를 초과하는 후판에 이르기까지 여러 가지 두께의 것을 대상으로 하고 있다.

예를 들면, 사용량이 많은 금속판의 대표적인 소재인 자동차나 가전품에 사용되는 강판은 통상 냉간 압연이 끝난 3[㎜] 전후보다 얇은 판 두께가 많고, 특히 2[㎜] 이하인 경우가 많다. 이들 재료를 LF식으로 가열하려면 가열 주파수를 수 100[KHz] 이상으로 올릴 필요가 있으나, 대용량이고 높은 주파수의 전원 제작 등의 하드 상의 한계가 있어서, 공업적 규모로 실현하기 어려운 경우가 있다.

특허 문헌 1의 방법은 판의 상하에 유도 코일을 배치한 1종의 TF 방식으로 생각되는데, 금속판의 진행 방향에서 발생하는 자속은 교호적으로 역방향으로 발생하지만, 상하 코일이 어긋나 있기 때문에, 상하 코일에서 발생하는 자속이 서로 상쇄하는 영역과 자속이 스트립판을 비스듬하게 횡단하는 영역이 교호적으로 이루어져 있어 자속이 집중하는 것을 막을 수 있게 되는 것으로 생각된다.

그 때문에, 종래의 TF 방식에서는 에지부에 자속이 집중되어, 에지가 과열되는 문제를 완화하는 효과가 발현되는 것으로 생각되지만, 자속이 서로 상쇄되는 영역이 생기는 것과, 싱글 턴이기 때문에 스트립판에 파워를 넣어 전계 강도를 올리려면 코일에 흐르는 전류값을 크게 하여야 하므로, 코일의 동손이 증가하는 등, 효율이 저하하기 쉽다는 문제가 있다.

효율을 높이려면 특허 문헌 1의 실시예에 개시되어 있는 바와 같이, 상하의 싱글 턴 코일을 스트립판에 근접시킬 필요가 있으나, 통판하고 있는 스트립판은 형상이 변형되어 있거나 진동하거나 하기 때문에, 광폭으로 긴 구간을 통판하면서 가열하기에는 어려움이 있다.

또한, 특허 문헌 2의 방법은 금속의 면과 대향하도록 금속의 반송 방향에 있어서, 폭 방향 중앙에서 가장 넓은 유도 가열 코일을 구비하고, 금속 재료의 반송 방향에 따른 코일 폭의 합계를 실질적으로 균일하게 하는 방법이지만, 이 방법은 금속재와 마주 보게 한 유도 코일로부터의 누설 자속에 의해 가열하는 방법이 되기 때문에, 유도 코일과의 거리가 떨어지면 자속이 금속을 관통한다는 보증은 없고, 금속과 근접시키지 않으면 가열이 일어나기 어려우며, 또한 금속의 형상이 나빠서 유도 코일과의 거리가 변화하는 경우에는 큰 온도 편차가 발생한다.

또한, 유도 코일을 유도 코일의 폭이 진행 방향에서 실질적으로 동일한 폭이 되도록 마름모꼴 형상의 코일로 하고 있으나, 이 형상으로는 판 폭이 변화하였을 때에는 대응을 할 수 없다. 회전 기구를 설치하도록 하고 있는데, 회전시켰을 경우에는 진행 방향으로 가열 시간이 동일하게 되지 않기 때문에, 균일한 온도가 되지 않고, 공업 규모로 대전류를 흘려보내는 가열 장치의 회전 기구를 실현하기에는 큰 어려움이 따른다.

상기 두 특허 문헌 모두 유도 코일이 금속을 둘러싼 폐(閉) 루프 내의 가열은 아니기 때문에, 자속이 확실히 금속을 관통한다는 보증은 없고, 유도 코일과의 거리의 영향을 받기 쉬우며, 유도 코일의 턴수를 변경할 수 없기 때문에 자속 밀도를 제어하기가 어렵다.

이에 대하여, 특허 문헌 3은 상기 가열 장치의 결점을 해소하기 위하여, 금속판을 둘러싼 유도 코일을 금속판의 진행 방향으로 어긋나게 함으로써, 금속판 표리에 면한 유도 코일 바로 아래의 금속판 내에 표리 유도 코일에서 발생하는 유도 전류가 서로 간섭하지 않도록 독립된 전류를 발생시킴으로써, 전류의 침투 깊이 이하의 판 두께의 금속판에서도 비자성의 금속판에서도, 또한, 철 등의 자성재에 있어서의 퀴리점 이상의 온도에서의 비자성역에 있어서도 가열할 수 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 유도 코일이 금속판을 유도 코일 내에 밀폐시켜 주회(周回)하므로, 자속은 반드시 금속판과 쇄교하기 때문에, 유도 코일과 금속판이 비교적 떨어져 있더라도 용이하게 가열할 수 있다고 하는 실용상의 큰 이점도 있다.

그런데, 금속판 중앙에서 발생한 유도 전류는 금속판 단부(端部)를 흐를 때에 전류가 집중되어 고전류 밀도가 되기 쉽고, 표리의 유도 코일을 떨어져 있게 함으로써, 단부를 흐르는 유도 전류의 시간이 길어지기 때문에, 판 단부가 과열되기 쉽고, 온도 편차가 작은 분포를 얻기 위한 조건(표리 유도 코일의 어긋나는 양, 유도 코일의 폭 등)이 좁다는 문제가 있다.

상기 세 가지 방식 모두 비자성 가열을 실시할 수 있으나, 가열 온도 분포를 정밀하게 제어하기가 어렵고, 금속판의 변형 등에 의하여 기존 로(爐)의 도중에 설치하는 경우에는 로벽의 단열재와의 접촉을 방지하기 위하여 금속판과 유도 코일과의 간격을 좁히기가 어렵다. 또한, 금속판의 판 폭 변경이나 사행 등에 대한 대응도 어렵다.

이에, 본 발명자는 특허 문헌 4 및 특허 문헌 5에 있어서, 판 단부를 흐르는 전류를 제어하기 위하여, 판 단부에 있어서 유도 코일을 경사시키는 등의 방법에 의하여 판 단부를 흐르는 전류 밀도, 가열 시간을 제어하는 방법을 제안하는 동시에, 사행이나 판 폭 변경에 대응하는 방법에 대하여 제안하였다. 특허 문헌 4 및 5의 방법에서는 전술한 세 가지 방식에 비하여, 큰 폭으로 온도 분포 제어가 가능하나, 조건에 따라서는 금속 판 단부와 중앙부의 온도 편차를 충분히 해소할 수 없는 경우도 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 LF 방식과 TF 방식이 안고 있는 금속판의 유도 가열의 과제를 해결함으로써, 유도 코일을 사용하여 자성재에 한정하지 않고 비자성재나 비자성 영역에 있어서도 또한, 판 두께가 10 ㎜ 이하인 금속판에서도 금속판과 유도 코일의 갭을 충분히 유지하면서, 상기 특허 문헌 4 및 5에 기재되어 있는 유도 가열 장치 이상으로 온도 제어성이 우수한 동시에 폭 변경이나 사행 등에도 효과적으로 대응하는 것이 가능하고, 효율적으로 가열할 수 있는 유도 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 요지는 아래와 같다.

(1) 주회하는 유도 코일의 내측을 통과하는 금속판을 유도 가열하는 유도 가열 장치로서,

금속판의 표면측과 이면측의 유도 코일을 구성하는 도체를, 각각 상기 금속판에 수직 투영하였을 때의 수직 투영상에 있어서,

상기 금속판의 폭 방향의 중앙부에 있어서는 상기 표면측과 이면측의 도체가 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 겹치지 않게 어긋나게 배치되는 동시에,

상기 금속판의 폭 방향의 적어도 어느 한 단부에 있어서는, 상기 표면측과 이면측의 도체의 적어도 어느 하나에 상기 금속판의 폭 방향에 대하여 경사를 가지도록 배치되고, 또는 상기 표면측과 이면측의 도체가 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치되고,

또한, 상기 경사를 가지도록 배치된 상기 도체의 외측, 또는 상기 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치된 상기 단부의 도체와 상기 중앙부의 도체를 한데 묶는 도체의 외측에, 상기 금속판의 단부를 끼고 상기 금속판의 표면측으로부터 이면측에 걸쳐서 배치된 자성체 코어를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.

(2) 상기 금속판의 폭 방향의 중앙부에 있어서는, 상기 표면측과 이면측의 도체가, 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 겹치지 않도록 어긋나게 배치되는 동시에, 상기 금속판의 폭 방향의 적어도 어느 하나의 단부에 있어서는, 상기 표면측과 이면측의 도체의 적어도 어느 하나에 상기 금속판의 폭 방향에 대하여 경사지도록 배치되거나, 또는 상기 표면측과 이면측의 도체가 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치됨으로써, 유도 가열 시에 상기 금속판의 면 내에 있어서,

상기 도체의 배치 형상에 대응한 유도 전류의 통로와 함께 형성되는, 상기 경사를 가지도록 배치된 상기 도체의 외측, 또는 상기 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치된 상기 단부의 도체와 상기 중앙부의 도체를 한데 묶는 도체의 외측에 있어서의 유도 전류의 마이너 루프에 대하여,

그것을 상쇄하는 자속의 흐름을 발생시키는 자성체 코어가 상기 금속판의 단부를 끼고 상기 금속판의 표면측으로부터 이면측에 걸쳐서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 유도 가열 장치.

(3) 상기 도체의 수직 투영상의 형상이 상기 중앙부에 있어서의 상기 표면측과 이면측의 도체를 평행하게 배치한 육각형, 사다리꼴, 평행사변형, 또는 장방형, 또는 원형 또는 타원형, 또는 평행선 형상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 유도 가열 장치.

(4) 상기 자성체 코어가 상기 금속판의 단부를 상하로 덮도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 유도 가열 장치.

(5) 상기 자성체 코어가 평판 형상 또는 단면이 コ자 모양인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4)의 어느 하나에 기재된 유도 가열 장치.

(6) 상기 자성체 코어의 상기 금속판에 대한 위치를 가변으로 한 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5)의 어느 하나에 기재된 유도 가열 장치.

(7) 상기 표면측 또는 이면측의 도체의 적어도 어느 하나가 상기 금속판의 폭 방향으로 이동할 수 있는 동시에, 상기 자성체 코어가 상기 도체와 연동하여 이동하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 기재된 유도 가열 장치.

본 발명에서 말하는 "금속판의 길이 방향"이란 금속판의 통과 방향(반송 라인과 동일한 방향)이다.

본 발명에 의한 유도 가열은 판 두께가 두꺼운 재료나 자성 영역의 박판의 가열을 가능하게 할 뿐만 아니라, 종래의 유도 가열 방식에서는 불가능하였던 비저항이 작고 비자성의 알루미늄이나 구리 등의 비철 금속판의 가열, 철 등의 자성재에 있어서의 퀴리점 이상의 온도에서의 비자성 영역에서의 가열을 가능하게 한다.

또한, 유도 코일과 함께 사용하는 자성체 코어에 의해, 금속판 단부의 과열을 억제 또는 방지할 수 있다.

또한, 자성체 코어의 위치나 표리의 자성체 코어의 금속판 단부와의 중첩을 조정함으로써, 가열 온도 분포도 용이하게 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 본 유도 가열 장치의 전공정(前工程)으로부터 발생된 온도 편차의 해소나, 후공정에서의 온도 특성을 고려하여, 소망하는 온도 분포를 이루어 가열하는 것 등, 요구되는 야금 특성에 맞춘 가열 속도, 온도 분포로 가열함으로써, 고품질의 제품을 안정적으로 만드는 동시에 조업 변동에 따른 품질에 대한 영향을 해소하는 것이 가능하게 된다.

또한, 가스 가열식 로에서 문제가 되는 열 관성의 영향이 없기 때문에, 판 두께나 판 폭, 재료 종류의 변경에 의하여, 로의 온도를 변경하여야 하는 경우에도, 가열 속도를 자재로 제어할 수 있기 때문에, 통판 속도를 변경할 필요도 없어진다. 그 때문에, 가스 가열식 로에서는, 통상 로 온도 변경시에 로가 안정될 때까지 필요한 묶음재가 불필요하게 될 뿐만 아니라, 통판 속도를 떨어뜨리지 않고 생산이 계속되기 때문에, 생산성 저하를 회피하는 동시에 조업 계획의 자유도가 큰 폭으로 향상된다.

또한, 본 발명의 유도 가열 장치는 판 두께·판 폭의 변경에 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 사행 등의 변동 요인에도 유연하게 대응하여, 소망하는 온도 분포를 얻을 수 있고, 판 폭에 따른 유도 코일 세트를 복수(複數)로 구비하지 않아도 되므로 설비비도 저렴하게 할 수 있다.

도 1은 종래의 LF식 유도 가열을 나타내는 모식도이다.

도 2는 종래의 LF식 유도 가열의 금속 박판의 단면에 흐르는 유도 전류를 설명하는 단면 모식도이다.

도 3은 표리 유도 코일을 어긋나게 배치하는 유도 가열을 설명하는 평면 모식도이다.

도 4는 도 3의 A-A 단면의 전류의 발생 방법을 설명하는 단면 모식도이다.

도 5의 a 및 b는 도 3의 유도 가열로 금속판에 발생하는 유도 전류를 설명하는 모식도이다.

도 6은 표리 유도 코일을 중앙에서 어긋나게 하여, 금속판 단부측 근방에서 유도 코일을 경사지게 하는 유도 가열 방식을 설명하는 평면 모식도이다.

도 7은 도 6의 코일 배치에서 금속판에 발생하는 유도 전류의 모습을 나타내는 평면 모식도이다.

도 8은 본 발명에 의한 유도 가열 장치를 설명하는 평면 모식도이다.

도 9의 a, 도 9의 b는 도 8의 본 발명에 의한 유도 가열 장치에 있어서 자성체 코어의 효과를 설명하는 단면 모식도이다.

도 10은 본 발명의 유도 가열 장치예에서 자성체 코어가 금속판 단부를 덮는 범위가 변화하는 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 11은 본 발명의 자성체 코어와 금속판과의 관계를 설명하는 단면 모식도이다.

도 12는 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 자성체 코어를 경사지게 한 유도 코일에 수직으로 배치하지 않는 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 13은 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표면의 유도 코일만이 판 단부를 비스듬히 마주보는 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 14는 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표리 유도 코일이 판 단부를 비스듬히 마주보는 경우에 적용한 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 15는 도 14의 금속판(1)에 발생하는 유도 전류를 설명하는 평면 모식도이다.

도 16은 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표리 유도 코일의 한 변만이 판 단부를 비스듬히 마주보는 경우에 적용한 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 17은 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표리면의 유도 코일 원호상으로 금속판 단부측에 배치하는 경우에 적용한 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 18의 a는 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표리면의 유도 코일을 금속판 단부 근방에서 진행 방향에 배치한 경우에 적용한 예를 나타내는 평면 모식도로서, 표리 유도 코일이 단부측에서 겹친 경우의 예이다.

도 18의 b는 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표리면의 유도 코일을 금속판 단부 근방에서 진행 방향에 배치한 경우에 적용한 예를 나타내는 평면 모식도로서, 표리 유도 코일이 단부측에서 겹쳐지지 않는 경우의 예이다.

도 19는 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 표리면의 유도 코일 및 금속판 단부의 밖에 자성체 코어를 배치한 예를 나타내는 평면 모식도이다.

도 20은 본 발명의 유도 가열 장치에서, 금속판 단부 근방에서 배치한 자성체 코어에 의하여 가열 온도 분포를 제어하는 방법을 설명하는 평면 모식도이다.

도 21은 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 자성체 코어를 이동 가능하게 하는 예를 나타내는 측면도이다.

도 22의 a, b는 본 발명의 유도 가열 장치예에서, 금속판의 폭이 변경되었을 때, 사행에 대한 대응을 설명하는 도면이다.

도 23은 실시예의 평판의 코어 형상을 설명하는 모식도이다.

도 24는 실시예의 コ자 모양의 코어의 형상을 설명하는 모식도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 실시 상태

이하에서는 본 발명의 실시의 형태에 대하여 설명을 간단하게 하기 위하여 1T(턴)의 경우에 대하여 도면을 사용하여 설명하지만, 1 턴에 한정되는 것은 아니며 복수의 턴인 경우에도 가능하다.

도 8은 본 발명의 유도 가열 장치의 일례를 나타내는 평면 모식도이고, 도 9의 a, 도 9의 b는 금속판 단부 근방의 A-A 단면의 모식도이다. 이하의 본 발명의 설명에서 사용하는 유도 코일이란, 전기 양도체로 구성되는 파이프나 선재, 판(板) 등에서 피가열재를 1주(周) 이상 감은, 도체에 의하여 형성되는 코일의 총칭으로서 사용하고, 피가열재를 에워싼 형상은 장방형이든 원형이든 특히 규정하는 것은 아니다. 도체의 재질은 구리나 알루미늄 등의 전기 전도성이 양호한 재질이 좋다.

본 발명에서는, 먼저 도 3에 나타내는 바와 같이, 유도 코일의 내측을 통과하는 금속판(1)의 표면측과 이면측의 유도 코일을 구성하는 도체(2a 및 2b)를 각각 상기 금속판에 수직 투영하였을 때에, 표면측과 이면측의 상기 도체의 수직 투영상이 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 어긋나도록 상기 도체를 배치한다.

고주파 전원(3)으로부터 코일 전류(5)가 흐름으로써, 도 4의 측단면도(도 3의 A-A 단면)에 나타내는 바와 같이(설명을 간단히 하기 위하여, 도체(2a)만으로 설명한다), 금속판(1)에는 비스듬하게 자속(4)이 관통하고, 그 자속에 의해 유도 전류(6a)가 발생한다. 따라서, 비스듬하게 전류 패스가 퍼짐으로써 생긴 유도 전류(6a)의 침투 깊이가 판 두께(t) 보다 크더라도, 유도 전류는 흐르게 된다.

유도 코일(2a와 2b)은 금속판 진행 방향으로 어긋나게 배치되기 때문에, 표면측의 도체(2a)와 이면측의 도체(2b)에서 발생한 유도 전류(6a와 6b)는 간섭하지 않고, 금속판(1) 전체에서는 도 5의 a에 나타내는 것 같은 환상 전류가 발생하며, 금속판(1)이 비자성재이더라도 가열하는 것이 가능하게 된다. 도 5의 b는 도 5의 a의 A-A 단면을 도시한다.

그런데, 금속판 단부를 흐르는 전류(6c)는 표리의 도체(2a와 2b)를 한데 묶는 도체(8), 혹은 표리의 도체(2a와 2b)와 전원을 한데 묶는 도체(7)를 흐르는 1차 전류와의 사이의 리액턴스를 작게 하기 위하여, 판의 단부로 치우쳐버리기 때문에 전류로(電流路)가 좁아져서, 도체(7) 및 도체(8)를 흐르는 1차 전류에 의하여 발생하는 자속이 거리가 가장 짧은 금속판 단부를 집중적으로 관통하여 버리는 등에 의하여 금속판 단부의 전류 밀도가 높아지고, 금속판 단부는 중앙부에 비하여 가열 시간이 d3의 거리만큼 많이 가열됨으로써, 금속판 단부는 과열이 되기 쉽다.

그 때문에, 본 발명에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 금속판 단부를 향한 유도 코일을 구성하는 표면측의 도체(2a)와 이면측의 도체(2b)의 적어도 어느 하나가, 단부를 향하여 감에 따라서 경사지게 횡단하는 형상으로 하고, 단부에 있어서 금속판의 폭 방향에 대하여 경사지게 배치한다. 도 6의 도체(2a, 2b) 상의 화살표는 코일 전류의 방향을 나타낸다. 도 6에서는 금속판 양단부에서 표면측과 이면측의 도체가 모두 경사져 있다. 금속판에의 수직 투영상의 형상이 육각형인 예를 나타내고 있다. 이와 같은 유도 코일의 형상으로 하면, 금속판(1)에는 면 내에 도체의 배치 형상에 대응한, 도체의 배치 형상과 대략 동일한 형상의 환상 전류가 발생하고, 도 7의 굵은 실선으로 나타내는 환상 전류로가 생성된다. 이때, 환상 전류로 상의 화살표는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 따라서, 먼저 설명한 도 5의 경우에 비하여 금속판 단부에서 전류로가 좁아지기 어렵기 때문에, 또한 이 예에서는 표리의 유도 코일을 구성하는 도체끼리가 금속판 단부 근방에서 가까워지기 때문에, 금속판 단부를 흐르는 유도 전류에 의한 가열 시간을 짧게 할 수 있고, 도 3과 같이 표리 유도 코일을 평행하게 어긋나게 하였을 뿐인 경우보다, 금속판 단부의 과열을 피할 수 있다.

그런데, 주전류는 도 7의 굵은 실선으로 에워싼 부분을 흐르지만, 일부 전류는 금속판 단부에서 반전하여, 도 7에 나타내는 바와 같은 유도 전류의 마이너 루프(9)가 생기는 것이 실험과 분석 결과 밝혀졌다. 그 때문에, 온도 편차를 엄격하게 관리하여야 하는 가열이 요구되는 경우에는, 이 마이너 루프(9)의 전류를 무시할 수 없는 경우가 있고, 금속판 단부를 전류가 도는 것에 의한, 금속판 단부의 온도 상승에 의한 과열이 문제가 되는 경우가 있다.

이에, 본 발명에서는 도 8과 같이 경사진 유도 코일의 외측에 자성체 코어(10)를 설치한다.

도 9의 a 및 b는 도 8의 A-A 단면에 있어서, 유도 코일을 구성하는 도체(2a)에 흐르는 1차 전류에 의하여 발생하는 자속이 통과하는 경로의 모습을 설명하는 단면 모식도이고, (a)와 (b)는 1차 전류의 방향의 차이에 의한 자속분포의 모습을 나타낸다. 자성체 코어(10)는 상기 경사를 가지도록 배치된 도체의 외측에 금속판의 단부를 끼고 금속판의 표면측에서 이면측에 걸쳐서 배치된다. 그 형상은 특별히 한정하지 않지만, 도 9에서는 단면이 ㄷ자 모양인 자성체 코어를 사용한 예를 나타내고 있고, 도 9의 a에 나타내는 바와 같이, 금속판(1)의 단부에 있어서 유도 코일을 구성하는 도체(2a)의 외측에 설치함으로써, 도체(2a)를 흐르는 1차 전류에서 발생한 자속(11)은 자성체 코어(10)의 근방에서는 금속판(1)의 단부를 일부 관통하는 통상의 자속(11a)과, 자기 저항이 작은 자성체 코어(10)를 통과하는 대다수의 자속(11b)로 나누어진다. 자성체 코어(10)에 들어간 자속(11b)은 도체(2a)와 반대의 면을 향하여 나가기 때문에, 도체(2a)에서 금속판 단부에 발생시키는 유도 전류와 반대 방향의 유도 전류를 발생시키려고 한다. 따라서, 도체(2a)를 흐르는 1차 전류에 의하여 금속판에 발생한 유도 전류 중에서, 금속판 단부를 흐르는 마이너 루프를 형성하는 유도 전류와 자성체 코어에 의하여 발생하는 유도 전류는 서로 상쇄되고, 그 결과, 자성체 코어(10)가 없는 경우에 금속판 단부를 흐르는 전류는 감소하여 판 단부의 과열이 억제된다. 또한, 도 9의 b와 같이, 일차 전류의 방향이 바뀌어도, 도 9의 a의 경우와 같은 작용 효과를 제공한다.

자성체 코어는 일반적으로 사용되는 비투자율이 크고, 또한 비저항이 커서 발열하기 어려운 것이면 좋고, 예를 들면, 전자 강판이나 비정질 금속판을 적층하 거나, 페라이트 코어를 사용하면 좋다.

상기 원리로부터 분명한 바와 같이, 자성체 코어(10)가 판 단부를 덮는 면적을 증감시키면, 금속판 단부를 흐르는 유도 전류의 전류 밀도를 제어할 수 있다. 즉, 도 10에 나타내는 바와 같이, 폭(w1)에서 폭(w2)에 자성체 코어(10)가 판 단부를 덮는 면적을 늘리면, 금속판의 과열을 억제할 수 있고, 판 단부 온도가 판 중앙보다 높아지는 온도 분포로부터 판 폭 전체에 걸쳐서 균등한 온도 분포로도, 또한, 반대로 금속판 단부의 온도가 금속판 중앙부보다 낮은 온도 분포로도 할 수 있다. 또한, 유도 코일과 반대측을 향한 자성체 코어(10)의 위치를 바꾸는 것으로도, 유도 코일에서 발생하는 유도 전류와 간섭하는 위치가 변화하므로, 가열 온도 분포를 변경할 수 있다.

또한, 유도 코일과 금속판을 사이에 두고 반대측을 향한 자성체 코어(10)와 금속판(1)과의 거리를 가깝게 하거나 멀게 하는 것에 의해서도, 가열 온도 분포를 변경할 수 있다. 즉, 도 11에 나타내는 금속판(1)과의 거리(H) 또는 금속판(1)의 단부로부터 자성체 코어가 내측으로 들어가는 거리(G)에 대하여, 금속판(1)에 자성체 코어(10)를 근접하게 하면(H를 좁게 또는 G를 좁게), 국소적으로 자속을 금속판에 관통시킬 수 있기 때문에, 부분적으로 온도 변화를 강하게 할 수 있고, 반대로 자성체 코어(10)를 금속판(1)로부터 멀어지게(H를 넓게 또는 G를 넓게) 함으로써 비교적 넓은 범위에 자속이 미치게 할 수 있어서 완만한 온도 변화로 할 수 있다.

자성체 코어(10)는, 도 8과 같이 유도 코일과 직각으로 배치하는 방법 이외에, 도 12와 같이 금속판 단부에 직각인 방향에서도 효과가 있고, 특히 각도에 제 약이 있는 것은 아니지만, 유도 코일에서 발생하는 자속이 수직으로 자성체 코어 단면을 향하는 도 8이 효과적이다.

또한, 자성체 코어(10)가 전자 강판이나 비정질 금속 판을 적층한 코어를 사용하는 경우에는, 자속이 이들 적층재의 평면측을 관통함으로써 유도 전류를 일으키지 않도록, 자속이 판 두께 방향에 관통하도록 배치하기 쉽고(도 9의 a, b의 단면에 나타내는 코어 형상에서 깊이 방향(판의 반송 방향과 동일한 방향)으로 적층하여 배치한다), 자성체 코어의 가열·소손(燒損)을 피할 수 있는 등의 이점이 있다.

본 발명의 다른 형태로서, 예를 들어 도 13은 표측의 도체(2a)만이 금속판 단부를 비스듬히 마주보고, 이 경사하는 유도 코일의 외측에 자성체 코어(10)를 배치한, 금속판에의 표리 도체의 수직 투영상의 형상이 사다리꼴인 예이다. 또한, 도 14는 표리 유도 코일을 금속판(1)에 비스듬하게 배치하고, 그 외측에 자성체 코어(10)를 배치한, 금속판에의 표리 도체의 수직 투영상의 형상이 평행선 형상인 예이다. 도 15는 도 14에서 자기 코어(10)가 없을 때에 좌측 금속판 단부 근방의 유도 코일의 배치와 유도 코일에 의하여 금속판(1)에 발생하는 유도 전류의 분포를 설명하는 모식도이고, 농담(濃淡)은 전류 밀도의 분포를 나타내고, 화살표는 발생하는 유도 전류의 벡터를 나타낸다. 유도 코일(2a 및 2b)을 금속판(1)에 대하여 경사시킴으로써, 금속판 단부에서 유도 전류가 금속판 단부를 향하기 전에 쇼트 패스하고, 금속판 단부의 전류 밀도가 상승하는 것이 억제되는 방법이지만, 이 경우에도 표리 도체를 경사시키면 도체의 외측에는 마이너 루프를 형성하는 유도 전류가 유입/유출되어, 금속판 단부의 온도를 상승시키지만, 유도 코일의 외측에 자성체 코어를 배치함으로써, 마이너 루프를 형성하는 유도 전류를 상쇄하여 금속판 단부의 과열을 더 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 16은 표리 도체 각각의 한 변이 금속판(1)의 단부를 향하여 비스듬히 바라보고, 그 비스듬히 바라보는 유도 코일의 외측에 자성체 코어(10)를 배치한, 금속판에의 표리 도체의 수직 투영상의 형상이 평행사변형인 예인데, 경사부의 외측을 흐르는 유도 전류(마이너 루프)를 억제할 수 있다.

또한, 도 17은 금속판의 폭 방향이 적어도 어느 한 단부에 있어서 표면측과 이면측의 도체가 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치되고, 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치된 상기 단부의 도체와 상기 중앙부의 도체를 한데 묶는 도체의 외측에 자성체 코어(10)를 배치한 예이다. 특히, 도 17에서는 금속판의 양단부에 있어서 표리 도체가 겹치고 있고, 금속판에의 표리 도체의 수직 투영상의 형상이 원 형상이 된 예를 나타내고 있다. 전술한 예와 마찬가지로 금속판 단부를 흐르는 마이너 루프를 형성하는 유도 전류를 억제할 수 있다. 도 18의 a는 표리 도체를 금속판의 중앙부에서는 진행 방향으로 어긋나게 하고, 금속판의 단부에서 다시 겹치도록 배치하여, 금속판에 대한 표리 도체의 수직 투영상의 형상을 장방형 형상으로 한 예이고, 자성체 코일(10)은 유도 코일에 있어서의 중앙부와 단부를 한데 묶고 있는 도체의 외측에 배치되어 있다. 이 경우에도, 전술한 예와 마찬가지로 금속판 단부를 흐르는 마이너 루프를 형성하는 유도 전류를 억제할 수 있다.

어느 배치에 있어서도, 도 18의 b와 같이 표리 도체 코일은 판 단부에서 겹쳐져 있어도 겹쳐져 있지 않아도 상관없지만, 표리 유도 코일이 겹친 경우에는 비자성재의 경우 겹친 부분에서는 유도 전류가 발생하지 않기 때문에, 금속판 단부의 온도는 저하하는 경향이 있다.

또한, 본 발명의 다른 형태로서 도 19와 같이 자성체 코어(10)를 금속판(1)의 단부를 에워싸지 않는 상태로 배치하여도 무방하다. 즉, 유도 코일에서 발생한 자속은 자기 저항이 작은 자성체 코어(10)를 지나, 자성체 코어(10)가 금속판(1)을 에워싼 경우와 마찬가지로, 유도 코일과 반대측의 금속판 단부에 자속을 흘려보낼 수 있고, 금속판 단부를 흐르는 유도 코일에서 발생한 전류와 간섭하도록 역방향의 전류를 발생시켜, 금속판 단부의 과가열을 억제하는 것이 가능하다. 다만, 과열 억제는 자성체 코어(10)가 금속판(1)을 에워싸도록 배치하는 것이 효과적이다.

다음으로, 본 발명에 있어서의 가열 온도 분포를 제어하는 방법에 대하여 설명한다. 본 발명에서는, 먼저 도 11에서 설명한 바와 같이, 금속판 단부 근방을 흐르는 유도 전류를 억제하기 위하여, 금속판 단부 근방의 유도 코일에서 발생하는 자속을 자성체 코어에서 모아 유도 코일과는 반대측의 금속판 면으로 돌려보내고, 금속판 단부 근방의 유도 코일에서 발생하는 자속에 의하여 발생하는 유도 전류와 역방향의 유도 전류를 발생시킴으로써 금속판 단부측을 흐르는 마이너 루프를 형성하는 유도 전류를 감소시킨다. 따라서, 목적으로 하는 가열 온도 분포, 특히, 금속판 단부의 온도 분포를 제어하려면, 금속판 단부를 흐르는 전류를 억제하기 위하여, 자성체 코어(10)에서 보충하는 자속의 양을 변경하거나 또는 보충한 자속을 되 돌려보내는 장소, 밀도를 변경하면 좋다. 도 20은 경사하는 유도 코일(2a)이 금속판(1) 위에 배치되고, 자성체 코어(10)를 어떻게 배치하는 지를 설명하기 위한 부분 평면 모식도로서, 먼저 도시한 도 11은 도 20의 A-A 단면에도 상당하는 모식도이기도 하다. 자성체 코어(10)에서 보충하는 자속의 양을 변경하려면 자성체 코어(10)의 자속이 들어가는 단면의 면적(자성체 코어의 폭과 두께)을 변경하는 방법이나, 자성체 코어(10)와 유도 코일과의 거리를 변경하는 것(도 20에 있어서의 L), 유도 코일의 외측의 금속판을 자성체 코어(10)가 덮는 면적을 변경하는 것(도 20에 있어서의 d와 w의 곱에 비례) 등에 의하여, 자성체 코어(10) 내에 들어가는 자속의 양을 변경할 수 있다.

또한, 자성체 코어(10) 내에 들어간 자속을 금속판으로 되돌려보내는 방법에 의한 가열 온도 분포의 제어 방법으로서는, 유도 코일과 반대측의 자성체 코어(10)의 면적의 증감(도 20에 있어서의 d와 w의 곱에 비례: 반드시 표면과 이면의 d와 w는 같을 필요는 없다), 자성체 코어(10)의 금속판 단부로부터의 위치를 바꾸는 것(도 20의 P 또는 도 11의 G), 자성체 코어(10)와 금속판(1)과의 거리(도 11의 H) 등을 변경함으로써, 자성체 코어(10)에서 발생시키는 역방향의 유도 전류의 크기를 제어하면, 금속판 단부에서의 발열 분포를 변화시킬 수 있다.

또한, 도 21에는 자성체 코어(10)가 금속판 단부와의 수평거리(도 20의 L)를 연속적으로 제어하는 예를 나타내고 있고, 레일(13) 위에 설치한 받침대(12) 위에 자성체 코어(10)를 탑재하고, 대좌(bedplate)(12)를 구동 장치(14)로 움직이면, 자성체 코어(10)를 자유롭게 움직일 수 있어서, 자성체 코어(10)가 금속판(1)을 덮는 면적을 자유자재로 제어할 수 있다. 따라서, 본 유도 가열 장치의 후단에 습도 계측 장치를 설치하여 유도 가열을 실시하면, 소망하는 온도 분포로 제어하는 것이 가능하게 된다. 즉, 가열 후의 금속판 단부의 온도 분포가 높으면, 자성체 코어로 금속판 단부를 가리는 면적을 늘리도록 자성체 코어(10)를 금속판 내측으로 밀어넣으면 되고, 반대로 금속판 단부의 온도가 낮으면 자성체 코어(10)를 금속판 단부로부터 멀어지는 방향에 꺼내면 된다.

또한, 도 21의 기구는, 예를 들면 금속판(1)이 사행하였을 때에, 적정한 위치에 자성체 코어(10)를 배치하기 위한 방법도 되고, 이동 거리를 길게 할 수 있다면, 판 폭이 변경될 때에도 적정한 위치에 세팅할 수도 있다. 이들 자성체 코어(10)를 움직이기 위한 부재는 자장이 높은 장소에 놓이기 때문에, 가능한 한 강도가 있는 수지나 세라믹스 등의 비도전체로 구성하는 것이 좋고, 어쩔 수 없이 금속을 사용하는 경우에는 SUS304 등의 비자성재의 금속을 사용하며, 발열이 염려되는 경우에는 냉각 구조로 할 필요가 있다. 또한, 금속판이 사행하였을 경우에는 미리 세트한 유도 코일로부터의 위치가 어긋남으로써 금속판 양 단부의 온도의 과부족이 발생하지만, 이와 같은 경우에도 자성체 코어(10)를 금속판(1)의 사행에 맞추어 이동시킴으로써, 소망하는 가열 온도 분포로 할 수 있다. 이 온도 조정을 위하여 본 유도 장치의 전후의 어딘가에 사행 검지 장치 또는 모니터 장치를 설치하고, 정확한 금속판의 주행 위치를 파악하는 동시에, 가열 온도 분포를 파악하여 소망하는 온도 분포를 얻기 위하여, 적어도 본 장치의 출측, 가능하면 본 장치의 입측에도 온도 분포를 계측하는 장치를 설치하여 적절한 가열을 할 수 있도록, 자성체 코 어의 위치 제어를 하면 효과적이다.

이와 같이 자성체 코어(10)를 금속판 단부에 대하여 자유롭게 넣고 뺄 수 있게 되면, 금속판 단부의 온도를 자유롭게 제어할 수 있게 된다. 투입하는 전력, 주파수, 금속판의 비투자율 등도 다르지만, 온도 제어의 효과가 발생하는 것은 통상 판 단부로부터 50 ㎜ 전후에서, 금속판 단부를 덮는 면적이 넓어지면, 금속판(1)에 발생하는 유도 전류는 반전하는 전류 루프(9)를 억제할 뿐만 아니라, 유도 코일 바로 아래에 발생하는 주 전류의 금속판 단부에 흘러들어가는 전류도 감소시켜, 결과적으로 금속판 중앙부의 승온량보다 금속판 단부 쪽의 승온량을 줄일 수도 있다. 이것은, 예를 들면 강판이나 알루미늄판 등의 열처리에 사용하는 가스 가열로에서 금속판을 가열할 때, 통상 로벽으로부터의 복사(輻射)의 영향이나 반송 롤에 의한 판 중앙부의 발열(removal of heat) 등에 의하여, 금속판 단부의 온도가 높은 온도 분포로 되어 있는 경우가 많지만, 최종적으로 유도 가열 장치로 소정의 온도까지 금속판을 가열하는 경우에는 금속판의 단부가 과열이 되지 않도록, 금속판 단부의 승온량을 억제한 히트 패턴으로 유도 가열을 하면, 품질상 좋은 경우 등에 유효한 가열 방법이 된다.

다음으로, 도 22의 a, b에 판 폭 변경에 따라 유도 코일과 자성체 코어의 양쪽 모두가 움직이는 예를 나타낸다. 도 22의 a는 먼저 판 폭(w1)의 상태에서 유도 코일(2a와 2b)이 진행 방향으로 어긋나게 배치되고, 양 유도 코일의 일단만이 금속판(1)의 단부를 향하여 경사하여, 금속판(1)에는 평행사변형의 형상으로 유도 코일이 투영되는 형상을 나타내며, 양 코일의 경사하는 외측에는 자성체 코어(10)가 설치된다.

이 상태로부터, 판 폭이 w2로 확대된 상태를 도 22의 b에 나타낸다. 경사하는 도체가 금속판 단부와 교차하는 위치의 상대 관계를 유지하면서, 유도 코일(2a 및 2b)을 판 폭 방향으로 넓히도록 유도 코일이 움직이는 동시에, 자성체 코어도 금속판 단부와의 상대 위치 관계를 유지하면서 연동하여 이동한다. 금속판 단부와의 상대 위치 관계를 유지한다고 하지만, 자성체 코어(10)의 위치는 먼저 말한 바와 같이 금속판(1)의 가열 전 상태가 판 폭에서 변화하는 경우나, 또는 후속 공정에서의 온도 이력을 고려하여, 도 21의 장치 등을 이용하여 다소의 위치 조정을 하는 것이 좋다. 또한, 금속판(1)의 위치 검지 장치나 가열 온도 분포를 측정하는 습도 계측 장치로부터의 정보를 기초로, 유도 코일 위치, 자성체 코어의 위치를 제어하면 안정적으로 고품위의 유도 가열을 할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 가열 장치 및 가열 방법은 판 두께에 상관없이, 그리고 자성·비자성을 불문하고 높은 정밀도로 가열을 할 수 있게 된다. 사용하는 가열 전원 주파수는 일반적인 LF식 유도 가열과 마찬가지로 극단적으로 낮은 주파수에서는 금속판에 발생하는 유도 전류가 분산하기 쉬워져서 가열 효율이 낮아지지만, 통상 사용되는 수 KHz 이상의 주파수이면, 높은 효율로 가열이 가능하고, 박판에서도 100 KHz를 초과하는, 특히 높은 주파수를 사용하지 않아도 되므로, 취급하기 쉽고, 전원이 저렴한 비교적 낮은 주파수를 사용할 수 있다. 또한, 고주파수로 가열하면 임피던스가 커지기 때문에, 코일 전압이 고전압화하기 쉬워, 전원이나 케이블의 내압화가 문제가 되지만, 이 문제도 회피하는 것이 용이하고, 하드 상의 제 약이 큰 폭으로 완화된다.

본 발명에 의한 유도 가열 장치는 사이즈, 품종을 가리지 않고, 한 대의 장치로 광범위하게 대응할 수 있고, 또한, 가열 온도 분포도 지금까지의 유도 가열 장치에서 문제가 되었던 판 단부의 과가열을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 금속판 단부의 온도만을 낮게 하여 가열할 수 있는 등 판 폭 전체에 걸친 자유로운 제어가 가능하고, 온도 분포를 정밀하게 목표로 하는 온도 분포로 제어할 수 있는, 종래에는 없었던 특징을 가진 우수한 금속판의 가열 장치이다.

(실시예 1)

본 발명의 효과를 확인하기 위하여, 두께 0.5 ㎜ × 폭 800 ㎜의 비자성 강인 SUS304를 통판하면서 가열하는 실험을 실시하였다.

사용한 전원은 10 KHz, 최대 100 KW의 고주파 전원으로, 공진 주파수를 조정하기 위한 정합용 콘덴서를 유도 코일의 인덕턴스에 맞추어 용량을 증감하고, 정합을 취하도록 하였다. 사용한 유도 코일은 폭 150 ㎜, 판 두께 10 ㎜의 동판에, 외형 10 ㎜, 내경 8 ㎜의 수냉 동파이프를 강판과 반대측(외측)에 납땜한 수냉 동판제로, 1T의 유도 코일로 실험을 하였다. 본 실시예에 있어서 도체는 동판과 동 파이프의 양쪽 모두를 가리킨다. 피가열재인 SUS304 판과 유도 코일과의 갭은 200 ㎜, 표리 유도 코일의 중앙부 판 진행 방향의 간격은 350 ㎜로 하였다.

유도 코일은 도 16의 형상으로 하고, 강판의 표리면에서 강판 진행 방향으로 중앙에서 200 ㎜ 어긋나게 하는 동시에, 경사하는 유도 코일은 양단 에지에 α=20 ˚로 향하게 하였다.

자성체 코어는 무방향성 전자 강판을 사용하였다. 실험은 피가열재에 K 열전대를 용착하여 통판하면서 가열하고, 판 중앙의 온도와 판 에지와의 온도 차(에지 온도-중앙부 온도)로 평가하였다.

실험은 도 16에 나타내는 표리의 도체(2a 및 2b)가 α=20˚의 경사 각도를 이루는 유도 코일을 사용하고, 경사를 가지도록 배치된 도체의 외측에 자성체 코어(10)를 구비한 유도 가열 장치를 사용하였다.

실시예로서는, 금속판(1)의 단부로부터 5 ㎝ 떨어진 위치에 폭 10 ㎝, 두께 2 ㎝, 높이 40 ㎝ 평판 형상(도 23)의 자성체 코어를 둔 본 발명에 의한 실시예 A, 비스듬히 마주보는 유도 코일의 중앙부 외측에 폭 5 ㎝, 두께 2 ㎝, 높이 50 ㎝, 깊이 20 ㎝의 コ자 형상을 한(도 24) 자성체 코어를 강판 단부로부터 10 ㎝ 넣어 가열한 실시예 B, 자성체 코어를 강판 단부로부터 5 ㎝의 위치에 넣은 이외에는, 실시예 B와 동일한 조건으로 한 실시예 C, 마찬가지로 자성체 코어를 강판 단부 위치에 배치한 실시예 D를 실시하였다.

또한, 비교예로서 자성체 코어를 사용하지 않는 이외에는, 실시예 A 내지 C와 동일한 조건으로 한 비교예 E, 유도 코일을 경사시키지 않고 도 3과 같이 평행하게 배치한 비교예 F, 도 1과 같이 표리 유도 코일이 겹치는 LF식 유도 가열에 의한 비교예 G를 실시하여, 실시예와 비교하였다.

통판 속도는 실시예, 비교예 모두 7 m/min이다.

결과를 표 1에 나타낸다. 실험은 가열 후의 온도가 다르기 때문에, 강판 최 대 승온량 온도와 최저 승온 온도의 차이를 최대 승온량 온도로 나눈, 온도 편차비로 비교하였다(온도 편차비=(최대 승온량 온도-최저 승온량 온도)÷최대 승온량 온도).

이번 실험은 종래의 LF식 유도 가열 장치에 의한 실험 G에서는 전혀 가열을 할 수 없었다. 또한, 비교예 E 및 F는 비자성 가열은 할 수 있으나, 비교예 E와 F를 비교하면, 강판 단부에 경사시킨 비교예 E가 평행하게 유도 코일을 배치한 비교예 F보다 온도 편차는 줄어들었지만, 판 단부의 온도 상승량은 많아서 과열이 되었고, 판 단부도 변형되어 엣지 웨이브 형상이 되었다. 한편, 본 발명에 의한 실시예 A, B, C, D는 온도 편차가 작아지는 것을 확인하였다. 실시예 A와 같이. 강판 단부 외에 자성체 코어를 두기만 하여도 비교예 E와 비교할 때, 단부 온도 억제 효과가 있고, 비교예 B와 같이 자성체 코어가 강판을 많이 둘러싸는 경우에는 강판 단부의 온도 억제 효과는 크고, 강판 단부 쪽이 판 중앙부보다 온도가 낮은 가열이 되어, 금속판 단부를 에워싸는 면적을 줄인 실시예 C의 경우에는 온도 분포가 가장 좋고, 또한 금속판 단부에 자성체 코어를 둔 실시예 D의 경우에는 비교예 B, C 정도의 단부 온도의 억제 효과는 없지만, 큰 폭으로 단부 온도 편차를 억제할 수 있는 것을 확인하였다. 상기 실험으로부터, 자성체 코어가 강판을 에워싸는 면적 또는 거리의 차이에 의하여 가열 온도 분포를 제어할 수 있는 것을 분명하게 확인하였다. 또한, 본 실험에서는 강판과 유도 코일과의 거리를 200 ㎜나 떨어지게 하였지만 문제없이 가열할 수 있었다.

(실시예 2)

유도 코일을 도 8의 형상으로 하고, 자기 코어의 유무에 의한 가열 온도 분포의 차이를 측정하였다. 유도 코일은 실시예 1과 같이 폭 150 ㎜의 것을, 판 중앙부의 표리 도체가 평행한 부분의 긴 변(금속판 진행 방향 외측 변)의 길이를 50 ㎝, 양 단부로 향하는 도체의 경사를 표리 모두 45˚로 하고, 표리 유도 코일은 SUS304판의 진행 방향으로 수직 투영하였을 때의 내측의 변 사이의 거리가 20 ㎝가 되도록 떨어지게 배치하였다. 실시예 1에서 사용한 폭 5 ㎝, 두께 2 ㎝, 높이 50 ㎝, 깊이 20 ㎝의 コ자 모양의 자기 코어를, 도체 코일의 사변 중앙부에 직각으로 금속판 단부로부터 내측으로 50 ㎜(긴 쪽의 변 기준) 넣고, 금속판 단부를 에워싸도록 배치하여 가열한 본 발명의 실시예 H와 비교예로서 자기 코어를 사용하지 않고 가열한 비교예 I를 비교하였다. 가열 조건은 실시예 1과 동일하다.

그 결과, 비교예 I의 경우에 온도 편차비가 2.01이었던 것이 자기 코어를 넣은 실시예 H의 경우에는 1.2로 개선된 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 3)

폭이 150 ㎜인 유도 코일을 표리에서 200 ㎜ 떨어지게 하고, 45˚경사시킨 도 14와 같은 배치로 하고, 자기 코어를 SUS304 판 단부에 배치한 경우와, 배치하지 않는 경우에 대한 온도 편차 비를 비교하였다. 사용한 자기 코어는 실시예 1 및 실시예 2와 동일한 것으로, SUS304 단부를 횡단하는 점으로부터 100 ㎜ 떨어진 위치에 50 ㎜ 밀어넣은 경우의 본 발명에 의한 실시예 J와, 자기 코어를 사용하지 않는 비교예 K를 비교하였다. 자기 코어를 사용하지 않는 비교예 K의 경우에 온도 편차비가 3.2이었던 것이, 자기 코어를 사용한 실시예 J의 경우에 온도 편차비는 1.9까지 개선되는 것을 확인하였다.

(실시예 4)

유도 코일을 도 18의 a의 형상으로 하고, 자기 코어의 유무에 의한 가열 온도 분포의 차를 측정하였다. 유도 코일은, 실시예 1과 마찬가지로 150 ㎜ 폭의 것을, 판 중앙부의 표리 도체가 평행한 부분의 긴 변(금속판 진행 방향 외측의 변)의 길이를 50 ㎝, SUS304 양 단부로부터 150 ㎜의 위치에 판 단부와 평행하게 코일 도체를 배치하고, 표리 유도 코일은 SUS304 판의 진행 방향으로 수직 투영하였을 때의 내측 변 사이의 거리가 40 ㎝ 떨어지도록 배치하였다. 실험은 실시예 1에서 사용한 폭 5 ㎝, 두께 2 ㎝, 높이 50 ㎝, 깊이 20 ㎝의 コ자 모양의 자기 코어를, 표리 유도 코일의 도체가 SUS304 단부를 횡단하는 위치로부터 50 ㎜ 떨어진 위치에, 50 ㎜ 금속판의 내측으로 금속판 단부를 에워싸도록 배치하여 가열하였다. 자기 코어를 사용한 본 발명에 의한 실시예 L과 비교예로서 자기 코어를 사용하지 않고 가열을 실시한 비교예 M을 비교하였다. 가열 조건은 실시예 1과 같다.

그 결과, 비교예 M의 경우 온도 편차비가 2.7이었던 것이, 자기 코어를 넣은 실시예 1의 경우에는 1.5로 온도 편차가 큰 폭으로 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (7)

1. 주회하는 유도 코일의 내측을 통과하는 금속판을 유도 가열하는 유도 가열 장치로서,

   금속판의 표면측과 이면측의 유도 코일을 구성하는 도체를, 각각 상기 금속판에 수직 투영하였을 때의 수직 투영상에 있어서,

   상기 금속판의 폭 방향의 중앙부에 있어서는 상기 표면측과 이면측의 도체가, 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 겹치지 않게 어긋나게 배치되는 동시에,

   상기 금속판의 폭 방향의 적어도 어느 한 단부에 있어서는, 상기 표면측과 이면측의 도체의 적어도 어느 하나가 상기 금속판의 폭 방향에 대하여 경사를 가지도록 배치되거나 또는 상기 표면측과 이면측의 도체가 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치되고,

   또한, 유도 코일로 둘러싸인 공간을 제외한 영역으로서, 상기 경사를 가지도록 배치된 상기 도체의 외측 또는 상기 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치된 상기 단부의 도체와 상기 중앙부의 도체를 한데 묶는 도체의 외측에, 상기 금속판의 단부를 끼고 상기 금속판의 표면측으로부터 이면측에 걸쳐서 배치된 자성체 코어를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속판의 폭 방향의 중앙부에 있어서는, 상기 표면측 과 이면측의 도체가, 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 겹치지 않도록 어긋나게 배치되는 동시에, 상기 금속판의 폭 방향의 적어도 어느 하나의 단부에 있어서는 상기 표면측과 이면측의 도체의 적어도 어느 하나가 상기 금속판의 폭 방향에 대하여 경사지게 배치되거나 또는 상기 표면측과 이면측의 도체가 상기 금속판의 길이 방향에 대하여 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치됨으로써, 유도 가열 시에 상기 금속판의 면 내에 있어서,

   상기 도체의 배치 형상에 대응한 유도 전류의 통로와 함께 형성되는, 상기 경사를 가지도록 배치된 상기 도체의 외측 또는 상기 서로 적어도 일부가 겹치도록 배치된 상기 단부의 도체와 상기 중앙부의 도체를 한데 묶는 도체의 외측에 있어서의 유도 전류의 마이너 루프에 대하여,

   그것을 상쇄하는 자속의 흐름을 일으키게 하는 자성체 코어가 상기 금속판의 단부를 끼고 상기 금속판의 표면측으로부터 이면측에 걸쳐서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도체의 수직 투영상의 형상이 상기 중앙부에 있어서의 상기 표면측과 이면측의 도체를 평행하게 배치한 육각형, 사다리꼴, 평행사변형, 혹은 장방형, 또는 원형 혹은 타원형, 또는 평행선 형상인 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자성체 코어가 상기 금속판의 단부를 상하로 덮도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자성체 코어가 평판상 또는 단면이 コ자 모양인 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자성체 코어의 상기 금속판에 대한 위치를 가변으로 한 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면측 또는 이면측의 도체의 적어도 어느 하나가 상기 금속판의 폭 방향으로 이동할 수 있는 동시에 상기 자성체 코어가 상기 도체와 연동하여 이동하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 장치.

Images