JP5651311B2 - 連続加熱炉における誘導加熱方法および連続加熱炉 - Google Patents

Description

本発明は、ビレットヒータのように、被加熱物を連続的に投入して加熱を行う連続加熱炉に係り、特に誘導加熱を用いて加熱を行う連続加熱炉における誘導加熱方法、および誘導加熱炉に関する。

被加熱物である鉄系材料のビレットを連続的に投入して加熱するビレットヒータでは、ビレットを常温から１２５０℃程度まで連続送り状態で加熱を行う。このようなビレットヒータでは従来、トラブルにより送りを停止したり、加熱を停止した場合、ビレットを所望する温度に加熱して送り出すまでの間、無駄焼きされる材料が多く、加熱停止状態から適切な昇温サイクルの回復までの時間の短縮が課題とされてきた。

誘導加熱を用いた加熱装置は被加熱物の急速加熱に適しているため、ビレットヒータにも採用されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示されているビレットヒータは、第１の誘導加熱コイル、第２の誘導加熱コイル、第１のインバータ、第２のインバータ、温度計測手段、および制御装置を備える。ビレットが搬送される搬送経路上に配置された第１の誘導加熱コイルは、第１のインバータに接続され、所望する加熱温度よりも若干低い温度にまで加熱される。第１の誘導加熱コイルの後段には、第２のインバータに接続された第２の誘導加熱コイルが配置されている。第２の誘導加熱コイルは、ビレットの加熱状態のバラツキを抑制するための補助加熱部としての役割を担う。第１の誘導加熱コイルと第２の誘導加熱コイルとの間には、温度計測手段が配置され、第１の誘導加熱コイルから排出されたビレットの温度を計測し、計測された温度に基づいて第２のインバータによる制御電力が定められる。

特開平７−２４９４７８号公報

引用文献１に開示されているインバータは共振型のインバータであるため、共振コンデンサの占めるスペースが大きく、装置の小型化を図る上ではインバータを非共振型のものとすることが望ましい。しかし、鉄系材料であるビレットは、キューリー点を跨ぐことにより、強磁性から常磁性へ性質移転が成される。ここで、非共振型のインバータを採用した場合、キューリー点以下の強磁性体としての加熱状態と、キューリー点以上の常磁性体としての加熱状態とでは、キューリー点以下における加熱状態の方が誘導加熱コイルにおけるコイルインダクタンスが２倍程度も高い値となる。このため、誘導加熱コイルに所定の電流を流すには高い電圧が必要となり、定格電圧では所定の電流を流すことができなくなってしまうことがあり、結果として投入電力が低下し、加熱効率が悪く、昇温サイクルの回復が遅れる、あるいは所定の温度まで昇温させることができないという事態が生ずることがあった。

そこで本発明では、非共振型のインバータを接続した誘導加熱コイルを用いた連続加熱炉であっても、ビレットを常温から所定温度まで加熱することができ、かつその昇温サイクルを短くすることのできる連続加熱炉における誘導加熱方法、および連続加熱炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る連続加熱炉における誘導加熱方法は、前記誘導加熱コイルには、被加熱物の性質移転に伴ってインダクタンスが変化する負荷回路を有するインバータを接続し、前記インバータからの出力電圧と前記インバータの定格電圧とを比較し、前記出力電圧が前記定格電圧以下である場合に、前記出力電圧を前記定格電圧まで引き上げる制御を行うと共に、各インバータの出力電圧が前記定格電圧に保たれている状態において、各インバータからの出力電流が設定電流を確保することのできる最も高い周波数で、各インバータの運転を行うことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する連続加熱炉における誘導加熱方法において前記設定電流を定格電流とすると良い。
このような構成とすることにより定格電圧、定格電流において、実現可能な範囲で最も高い電力を得ることができる。

また、上記のような特徴を有する連続加熱炉における誘導加熱方法において前記各インバータは、前記複数の誘導加熱コイルに流す電流の周波数を同期させるようにすると良い。
このような構成とすることにより、隣接配置した誘導加熱コイルを接続されたインバータは、電流同期制御を行うことが可能となり、相互誘導の影響を回避しつつ各誘導加熱コイルに供給する電流の調整を行うことができるようになる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る連続加熱炉は、被加熱物が搬送される通路に沿って近接配置される複数の誘導加熱コイルと、前記複数の誘導加熱コイルのそれぞれに個別に接続され、被加熱物の性質移転に伴ってインダクタンスが変化する負荷回路を有するインバータと、複数の前記インバータをそれぞれ制御する制御部とを有し、前記制御部は、各誘導加熱コイルに投入される出力電流と出力電圧をそれぞれ検出し、複数の前記インバータのそれぞれの出力電圧と定格電圧とを比較し、前記出力電圧が前記定格電圧以下である場合に、前記出力電圧を前記定格電圧まで引き上げる旨の信号を前記各インバータへ出力すると共に、前記出力電圧を前記定格電圧とした際に、前記各インバータからの出力電流が設定電流となる最大の周波数をそれぞれ算出し、算出された周波数で前記各インバータを運転することを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する連続加熱炉において前記制御部は、前記設定電流を定格電流に設定して運転するものとすることができる。
このような構成とすることにより、定格電圧、定格電流において、実現可能な範囲で最も高い電力を得ることができる。

また、上記のような特徴を有する連続加熱炉において、前記制御部は、前記各インバータが前記複数の誘導加熱コイルに流す電流の周波数を同期させるようにすると良い。
このような構成とすることにより、隣接配置した誘導加熱コイルを接続されたインバータは、電流同期制御を行うことが可能となり、相互誘導の影響を回避しつつ各誘導加熱コイルに供給する電流の調整を行うことができるようになる。

上記のような特徴を有する連続加熱炉における誘導加熱方法によれば、非共振型のインバータを接続した誘導加熱コイルを用いた連続加熱炉であっても、ビレットを常温から所定温度まで加熱することができ、かつその昇温サイクルを短くすることができる。
また、上記のような特徴を有する連続加熱炉によれば、上記方法を実施することができ、上記方法の効果を奏することが可能となる。

実施形態に係る連続加熱炉の構成を示す図である。

以下、本発明に係る連続加熱炉における誘導加熱方法、および連続加熱炉に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、連続加熱炉の一実施形態として、ビレットヒータを例に挙げて説明する。
図１は、実施形態に係るビレットヒータ１０の構成を示すブロック図である。実施形態に係るビレットヒータ１０は、搬送路１２と誘導加熱コイル２０，２２、インバータ２４，２６、外殻３２、及び制御部２８を基本として構成される。

搬送路１２は、被加熱物であるビレット３４を連続的に投入される炉の役割を担う。搬送路１２には、ビレット３４を搬送するためのスキッドレール１４が配置されており、スキッドレール１４は、搬送路１２の入口から出口まで延設されている。搬送路１２の入口側にはピンチローラ１６が配置されており、コンベア１８等によって搬送路１２の入口まで搬送されたビレット３４をスキッドレール１４上を滑らせるようにして搬送路へと押し込む。

このような構成とすることによりビレット３４は、後続のビレット３４による押し出し力によりスキッドレール１４上を滑り、出口側まで押し出される。スキッドレール１４は、中空構造とし、内部に冷却水や冷却ガス等の冷媒を循環させるようにすることが望ましい。このような構成とすることにより、スキッドレール１４が熱により破損、変形することを防止することができる。

誘導加熱コイル２０，２２は、搬送路１２の外周にソレノイド状に巻回されるコイルである。実施形態に係るビレットヒータ１０では、搬送路１２の入口側に設けた第１の誘導加熱コイル２０と、搬送路１２の出口側に設けた第２の誘導加熱コイル２２とを有する。各誘導加熱コイル（第１の誘導加熱コイル２０、第２の誘導加熱コイル２２）は、銅管により構成され、内部に冷却水や冷却ガス等の冷媒を循環させる構造とすると良い。このような構成とすることにより、誘導加熱コイル２０，２２自体が高温に加熱されてしまうことを避けることができる。

インバータ２４，２６は、上述した誘導加熱コイル２０，２２に投入する電力の調整を行う電力調整手段であり、実施形態に係るビレットヒータ１０では各誘導加熱コイル２０，２２に対して個別にインバータ２４，２６が接続されている。従って、第１の誘導加熱コイル２０には第１のインバータ２４が接続され、第２の誘導加熱コイル２２には第２のインバータ２６が接続されている。実施形態に係るビレットヒータ１０は、被加熱物の性質変化、すなわちビレット３４の性質が強磁性から常磁性に移転する性質移転に伴ってインダクタンスが変化する負荷回路を有するインバータを採用する。これにより、制御部から共振コンデンサを省くことができると共に、共振回路を構成する必要が無いため、運転状態において電流の周波数切り換えを容易に行うことが可能となる。このような非共振型のインバータの一例として、ＰＷＭインバータを挙げることができる。なお本実施形態では、第１のインバータ２４、第２のインバータ２６は単一の電源部３０に接続される構成としている。

外殻３２は、上述した搬送路１２、誘導加熱コイル２０，２２を覆う外装であり、断熱、磁束遮蔽等の作用を担う。
制御部２８は、各誘導加熱コイル２０，２２に対する電力の供給量を算出し、算出された電力を各誘導加熱コイル２０，２２に供給するために各インバータ２４，２６への制御信号を出力する役割を担う。制御部２８には、各誘導加熱コイル２０，２２に備えられた電流計（不図示）や電圧計（不図示）からの検出信号ａが入力される。

前記電圧計からの検出信号より、各インバータ２４，２６による出力電圧と定格電圧とを比較し、インバータ２４，２６が定格電圧以下である場合には、インバータ２４，２６の出力電圧を定格電圧まで引き上げる旨の信号を各インバータへ２４，２６に出力する。電圧制御信号の出力により定格電圧で運転されているインバータ２４，２６における電流計からの検出信号により得られる電流値と、所定の熱量を得るために設定した電流値（設定電流値）とを比較する。比較の結果、検出信号により得られた電流値が設定電流値よりも小さかった場合には、電流値が設定電流値に合致するように制御を行う。

電圧Ｖと電流Ｉの関係は、数式１で示すことができる。

ここで、ｆは周波数、Ｌはコイルインダクタンスである。従ってＬは数式上においては定数として取り扱う事ができるため、Ｉを設定電流にまで向上させるには、周波数ｆを低減させれば良い。これによりインピーダンス（２πｆＬ）の値が低下し、数式１の関係を満たすには、低下したインピーダンス分、他の変数を向上させる必要が生じ、変数である電流Ｉを向上させることができることとなる。

また、電力と電流、及び周波数の関係は、

と示すことができる。μｓは比透磁率、ρは固有抵抗であり、いずれも被加熱物の温度帯域を定めた場合には定数として扱うことができる。このような関係から、電流Ｉが設定電流であっても、周波数が低下した場合には電力は大幅に低下してしまうことが解る。具体的には、周波数が１／２になった場合、電力は１／√２になってしまうということである。

このため、急速加熱時などに最大電力を得たい場合には、各インバータ２４，２６が定格電圧において最大電流を流す事のできる最高周波数で運転する必要がある。なお、数式２からも読み取れるように、電流Ｉが１／２になった場合には電力は１／４になってしまうため、電流Ｉを下げるよりも周波数を下げた方が電力への影響は少ないということができる。

加熱制御に関しては、複数（本実施形態においては２つ）の誘導加熱コイル（第１の誘導加熱コイル２０と第２の誘導加熱コイル２２）に供給する電流の周波数を同期させるように、インバータ２４，２６に対して制御信号ｂを送る。周波数を同期させることで電流波形を一致若しくは所定のズレ量を保つように制御することが可能となる。このような制御は、出力電流の周波数を瞬時的に変化させることで行うことができ、近接配置した第１の誘導加熱コイル２０と第２の誘導加熱コイル２２との間における相互誘導の影響を回避することが可能となる。これにより、各インバータ２４，２６において、誘導加熱コイル２０，２２に投入する電流の制御を精度良く行うことが可能となり、任意の昇温カーブを描く加熱制御を実現できる。

次に、上記のような構成のビレットヒータ１０によるビレット３４の加熱について説明する。まず第１に、搬送路１２の入口側から出口側にかけてビレット３４を投入する際の加熱工程について説明する。
搬送路１２にビレット３４が投入されるとまず、第１の誘導加熱コイル２０によりビレット３４の加熱が成される。搬送路１２に投入されたビレット３４は常温であるため強磁性体としての性質を持つ。このため負荷回路におけるコイルインダクタンスＬの値が高く、定格電圧運転時に第１の誘導加熱コイル２０に対して設定電流を入力することが困難となってしまうことがある。

このような場合には、第１の誘導加熱コイル２０に供給する電流の周波数を低く（例えば４００Ｈｚ）設定し、設定電流を流すことができるようにする。これにより低温のビレット３４を非共振型の第１のインバータ２４を介して加熱する場合であっても、効率良く加熱、昇温させることが可能となる。

第１の誘導加熱コイル２０によりキューリー点（約７７０℃）以上に加熱されたビレット３４は常磁性体となるため、第２のインバータ２６の負荷回路におけるコイルインダクタンスＬの値が小さくなる。このため第２の誘導加熱コイル２２では、定格電圧、定格電流での運転が可能となり、ビレット３４を所望加熱温度（約１２５０℃）まで加熱することができる。ここで、数式２に示したように、周波数の低下は誘導加熱コイルに供給する電力の低下を招くこととなる。このため、第１のインバータ２４と第２のインバータ２６は、第１のインバータ２４が定格電圧で運転する上で、設定電流を流すことのできる最も高い周波数で運転する。第２のインバータ２６におけるコイルインダクタンスＬは低いため、周波数を第１のインバータ２４の運転周波数に合わせた場合であっても、第２のインバータ２６では定格電圧、定格電流での運転も可能となる。
これにより、インバータの小型化を図ることができると共にビレット３４を所望温度まで短時間に昇温させることが可能となる。

第２に、ビレット３４が搬送路に投入された状態で搬送、および誘導加熱コイル２０，２２への電力の供給が停止され、再加熱が成される場合の加熱工程について説明する。このような場合、搬送路１２内に残されたビレット３４は常温に戻ってしまうこととなる。このため、再加熱時に搬送路１２内に配置されたビレット３４の性状はすべて強磁性であり、インバータ２４，２６におけるコイルインダクタンスＬは高い値を示すこととなる。再加熱時における課題は、無駄焼き材を極力減らす事であり、このためにはできるだけ早く通常の加熱状態における加熱サイクルを取り戻す必要がある。

よって、第１のインバータ２４と第２のインバータ２６はそれぞれ、第１の誘導加熱コイル２０と第２の誘導加熱コイル２２に対し、定格電圧で定格電流を投入する必要がある。このため第１のインバータ２４と第２のインバータ２６は定格電圧、定格電流で運転することのできる最大周波数で運転を開始し、第２の誘導加熱コイル２２内に搬入されるビレット３４の温度がキューリー点以上となった時点で、第１のインバータ２４は第１の誘導加熱コイル２０に供給する電流を設定電流へと引き下げて運転を行うようにする。

このような加熱工程を経ることにより、加熱再開されたビレットヒータ１０においても、無駄焼き材を極力少なくし、短時間で加熱サイクルを取り戻すことができる。
なお上記説明ではキューリー点において出力電流の周波数を切り換えるような説明にも採ることができるが、各インバータ２４，２６からの出力電流の周波数は、設定電流、あるいは定格電流において出力電力が最大になるように、逐次変化させて運転することが望ましい。

１０………ビレットヒータ、１２………搬送路、１４………スキッドレール、１６………ピンチローラ、１８………コンベア、２０………第１の誘導加熱コイル（誘導加熱コイル）、２２………第２の誘導加熱コイル（誘導加熱コイル）、２４………第１のインバータ（インバータ）、２６………第２のインバータ（インバータ）、２８………制御部、３０………電源部、３２………外殻、３４………ビレット。

Claims (6)

1. 複数の誘導加熱コイルを配置した連続加熱炉における誘導加熱方法であって、
   前記誘導加熱コイルには、被加熱物の性質移転に伴ってインダクタンスが変化する負荷回路を有するインバータを接続し、
   前記インバータからの出力電圧と前記インバータの定格電圧とを比較し、前記出力電圧が前記定格電圧以下である場合に、前記出力電圧を前記定格電圧まで引き上げる制御を行うと共に、
   各インバータの出力電圧が前記定格電圧に保たれている状態において、各インバータからの出力電流が設定電流を確保することのできる最も高い周波数で、各インバータの運転を行うことを特徴とする連続加熱炉における誘導加熱方法。
2. 前記設定電流を定格電流としたことを特徴とする請求項１に記載の連続加熱炉における誘導加熱方法。
3. 前記各インバータは、前記複数の誘導加熱コイルに流す電流の周波数を同期させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の連続加熱炉における誘導加熱方法。
4. 誘導加熱コイルを配置した連続加熱炉であって、
   被加熱物が搬送される通路に沿って近接配置される複数の誘導加熱コイルと、
   前記複数の誘導加熱コイルのそれぞれに個別に接続され、被加熱物の性質移転に伴ってインダクタンスが変化する負荷回路を有するインバータと、
   複数の前記インバータをそれぞれ制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、各誘導加熱コイルに投入される出力電流と出力電圧をそれぞれ検出し、複数の前記インバータのそれぞれの出力電圧と定格電圧とを比較し、前記出力電圧が前記定格電圧以下である場合に、前記出力電圧を前記定格電圧まで引き上げる旨の信号を前記各インバータへ出力すると共に、
   前記出力電圧を前記定格電圧とした際に、前記各インバータからの出力電流が設定電流となる最大の周波数をそれぞれ算出し、算出された周波数で前記各インバータを運転することを特徴とする連続加熱炉。
5. 前記制御部は、前記設定電流を定格電流に設定して運転することを特徴とする請求項４に記載の連続加熱炉。
6. 前記制御部は、前記各インバータが前記複数の誘導加熱コイルに流す電流の周波数を同期させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の連続加熱炉。
   

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