JP2003138315A

JP2003138315A - 鋼材の高周波誘導加熱装置

Info

Publication number: JP2003138315A
Application number: JP2001331868A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Nakamura; 充中村; Osamu Kada; 修加田; Masahiro Toda; 正弘戸田; Koichi Morishita; 弘一森下; Haruhiko Segawa; 治彦瀬川; Motohide Mori; 元秀森; Kohei Segawa; 幸平瀬川; Yasuo Hirose; 泰雄廣瀬; Shoji Iwaki; 昭二岩城
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】鋼材中心部を液相線直下の温度まで確実に昇
温すると共に、表層部は非溶融状態を維持することがで
き、最も好適な状態で鋼材を次の熱間加工へ供給するこ
とができる高周波誘導加熱装置を提供すること。【解決手段】加熱装置本体内の高周波加熱コイル中に
鋼材を通して加熱する誘導加熱装置において、前記加熱
装置本体の端部に、加熱装置本体と鋼材３との間に冷却
媒体を流入させる冷却装置４を配置した。好ましくは加
熱装置本体の出側に、鋼材表面温度検出手段を設けると
共に、この検出温度に基づき加熱量、冷却媒体量及び移
動速度のいずれか単独もしくは組合せを制御する手段を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼材の高周波誘導
加熱装置、特に熱間鍛造、熱間圧延、熱間転造等の熱間
加工へ供給する鋼材をかなり高い温度にまで加熱するこ
とができる誘導加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、鋼材の誘導加熱装置は、熱間鍛
造、熱間圧延、熱間転造等の熱間加工へ加工素材を供給
する際に、加工素材を所定温度まで加熱する手段として
広く用いられている。特に、熱間鍛造は、比較的複雑な
形状の大物の各種機械部品を鍛造する手段として採用さ
れてきたが、最近では変形抵抗を低減しかつ成形性を高
める目的で、できるだけ高温に加工素材を加熱して鍛造
加工を施すことが要望されてきている。

【０００３】従来においても、無酸化雰囲気中にて加工
素材の液相線直下近傍の温度まで素材表層部を高周波加
熱してから熱間鍛造を実施すると、非常に加工変形特性
が良好でかつ加工エネルギーも削減可能なことが開示さ
れている（特許第２５０５９９９号、特許第２５５９３
１９号公報参照）。この高周波誘導加熱装置を用いた素
材加熱では、素材の中心まで液相線直下まで昇温しよう
とすると、誘導加熱は素材の表層部を加熱し表層から内
部への熱伝導となるため、表層を液相線以上の温度まで
加熱する必要があり、表層部の溶融が生じてしまう。素
材の溶融は、送りローラの搬送不良、素材の重量減を発
生させ、その結果、鍛造作業の中断や鍛造製品の欠肉発
生を招くという問題を引き起こす。

【０００４】加工素材の表層部と内部との温度差を小さ
くする方法としては、（１）低周波誘導加熱、（２）誘
導加熱均熱帯の延長、の２つの手段が考えられるが、前
者は加熱装置（電源、制御盤、加熱コイル本体）の改造
が必要でかつ加熱時間の延長を招き、後者は加熱装置延
長のためその前後設備の改造が必要とされ、いずれにし
ろ大幅な誘導加熱設備の改造と生産性の低下が問題とな
っている。なお、特許第２５５９３１９号公報において
も、鋼材表層部を加熱する際にアルゴン、窒素等の無酸
化性ガスにより冷却しながら加熱することが記載されて
いるが、具体的にどのように冷却するか或いはその設備
構成を明確に開示していないため、実現性が乏しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みてなされたもので、鋼材の中心部を液相線直下の温
度まで確実に昇温すると共に、表層部は非溶融状態を維
持することができ、最も好適な状態で鋼材を次の熱間加
工へ供給することが可能な高周波誘導加熱装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の要旨は次の通りである。（１）加熱装置本体内の高周波加熱コイル中に鋼材を通
して加熱する誘導加熱装置において、前記加熱装置本体
の端部に、加熱装置本体と鋼材との間に冷却媒体を流入
させる冷却装置を配置したことを特徴とする高周波誘導
加熱装置。（２）鋼材及び加熱装置本体は相対的に移動可能であ
り、冷却装置は冷却媒体を鋼材の高温側から低温側へ流
入させるように構成されていることを特徴とする（１）
記載の誘導加熱装置。（３）冷却媒体が、空気、窒素ガス、アルゴンガスのい
ずれかもしくはその混合であることを特徴とする（１）
又は（２）記載の誘導加熱装置。（４）加熱装置本体の出側に鋼材表面温度検出手段を設
けると共に、この検出温度に基づき加熱量、冷却媒体量
及び移動速度のいずれか単独もしくは組合せを制御する
手段を設けたことを特徴とする（１）〜（３）のいずれ
か１項記載の誘導加熱装置。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、熱間鍛造素材加熱用の高
周波誘導加熱装置の一例を示すものであり、図では３個
の加熱装置本体をライン上に間隔をおいて配列したもの
を例としているが、誘導加熱装置自体は通常用いられる
ものと変わるところはない。すなわち、図示の如く内部
にそれぞれ高周波加熱コイル２ａ、２ｂ、２ｃを有する
３個の第１〜第３加熱装置本体１ａ、１ｂ、１ｃを定間
隔に直列に配置し、コイル中心を矢印方向に鋼材（鋼材
ビレット）３が互いに接触状態で連続して搬送・装入さ
れる。鋼材３の搬送は、加熱装置の入側、各加熱装置本
体間及び出側に配置した複数の搬送ローラ１０や搬送ベ
ルトにより適宜行われる。第３加熱装置本体１ｃの出側
には、所定温度まで加熱されて抽出される鋼材３の表面
に向って冷却媒体（ここでは空気）を吹き付けてその表
層部を冷却するための冷却装置４が設置されている。冷
却装置４の後方には図示していないが、鋼材が熱間鍛造
機の加工工具（金型）へ送給するためのシュート部が設
置されている。

【０００８】冷却装置４の具体例としては、図２に示す
如く、冷却本管５に接続する環状（完全な環状でなく１
部を切り欠いた）の冷却ヘッダー６と、該冷却ヘッダー
６の内径側に等間隔に配置した複数個（図では６個）の
冷却ノズル７とから構成される。冷却ノズル７は図２
（ａ）に示すように、鋼材３の入側において、冷却ヘッ
ダー６の中心に向ってかつ鋼材の表面に対し一定の角度
をもって設置され、環状冷却ヘッダー６の中心ラインに
そって送給されてくる鋼材３の送り方向と対向するよう
に冷却媒体（空気）を流して鋼材の表面を冷却する。冷
却装置４はできるだけ加熱装置本体の端部に近接して設
置することが望ましいが、加熱コイルにより加熱されな
いようにすることが必要である。また、冷却ヘッダー６
の径或いは形状は、鋼材の断面サイズや形状に応じて適
宜交換すればよく、また、冷却ノズルの個数も任意に変
更することができる。このため冷却装置全体をカセット
方式にして加熱装置側に取換自在にしておけば便利であ
る。

【０００９】また、図１の誘導加熱装置においては、第
１加熱装置本体１ａと第２加熱装置本体１ｂの間、第２
加熱装置本体１ｂと第３加熱装置本体１ｃの間、及び冷
却装置４の出側に、それぞれ鋼材３の表層温度を測定す
る温度計８ａ、８ｂ、８ｃが設置されるとともに、誘導
加熱装置全体の出側にそのライン上で加熱を終えた鋼材
の中心部の温度を計測する温度計９が設置されている。
温度計としては非接触で温度が計測できる放射温度計な
どを用いる。なお、中間の表層温度を計測する温度計８
ａ、８ｂについては省略することもできる。

【００１０】実際の操業に際しては、図１の装置におい
て、例えば断面円形の鋼材（ビレット）３は第１加熱装
置本体１ａの入側から常温（室温）の状態で順次供給さ
れ、搬送ローラ１０により後行材が先行材を押す形で搬
送されながら、通過する高周波加熱コイル２ａ、２ｂ、
２ｃによって表層部が段階的に誘導加熱される。素材表
層部の加熱によって、表層から内部への熱伝導により素
材全断面が加熱されて行くことになる。このような加熱
過程において、鋼材の中心部まで液相線直下の温度に加
熱するには、表層部をそれ以上の温度に加熱する必要が
あり、特に、熱間鍛造では素材径が比較的大きく（通
常、φ４０mm以上）なるため、熱伝導特性から表層部を
液相線を超える温度まで加熱しないと内部まで熱エネル
ギーが到達しないという問題があった。

【００１１】そこで本発明においては、図１及び図２に
示す如く、加熱装置出側に設置した表層冷却装置４（冷
却ノズル７）により、加熱の出側から入側に向って（鋼
材の高温側から低温側へ向って）冷却媒体（空気）を噴
射して鋼材表層を冷却するようにした。ノズル７から鋼
材表層に吹き付けられた空気は、鋼材に衝突してから鋼
材表層にそって鋼材進行方向とは逆方向に冷却能を弱め
ながら流れてゆく。図３は本発明の加熱過程と表層部冷
却過程を概念的に示すもので、一旦加熱の中間過程では
素材表層温度と中心温度が大きく乖離するが、冷却装置
からの空気噴射による表層冷却が有効になるに従い、表
層温度と中心温度の差が縮小し始め、最終的には中心温
度が液相線直下の温度まで上昇する。このとき表層温度
は液相線温度を超えることはない。表層冷却をしない
と、表層温度は破線に示す温度となって中心温度が液相
線直下に到達する前に液相線温度を超えてしまう。

【００１２】なお、上述した加熱・冷却過程では、常時
各温度計８ａ、８ｂ、８ｃ、９にて素材表層温度及び中
心温度を測定しながら、目標温度との対比において加熱
制御を行うことになる。鋼材の温度コントロールのフロ
ーを図４に示す。図４において、まず、鋼材はその成分
等により物性値が異なることから、当該鋼材の物性値に
より液相線温度Ｔ₀を予め確認しておく。次に、この液
相線温度と予測される操業変動に基づき素材表層部の上
限温度Ｔ₁と素材中心部必要最低温度Ｔ₂（大体Ｔ₀−
２０℃程度）人為的に設定してから、使用する加熱装置
の能力などを考慮して当該鋼材の標準加熱温度パターン
の計算と設定を行う。即ち、ここでは、各加熱コイル間
の表層温度及び最終加熱コイル出側表層温度と、最終加
熱コイル出側における断面中心温度が設定され、これに
対応した加熱パターンが決定され、加熱装置及び冷却装
置の出力値を決める。図４における各温度の定義は次の
通りである。Ｔ₁：第３加熱装置出側での表層設定温度Ｔ₂：第３加熱装置出側での中心設定温度Ｔ₃：第２加熱装置−第３加熱装置間での表層測定温度Ｔ₄：第３加熱装置出側での表層測定温度Ｔ₅：第３加熱装置出側での中心測定温度Ｔ₆：第１加熱装置−第２加熱装置間での表層測定温度断面中心温度の実測値Ｔ₅が中心部必要最低温度Ｔ₂及
び最終加熱コイル出側表層温度の実測値Ｔ₄が表層部の
上限温度Ｔ₁と対比され、それがＴ₄≦Ｔ₁及びＴ₅≧
Ｔ₂の条件を満たせば、当該鋼材の加熱パターンは満足
すべきものとみなされ、そのまま次工程（例えば、鍛造
工程）へ送られる。

【００１３】しかし、実測値がＴ₄≦Ｔ₁及びＴ₅≧Ｔ
₂の条件を満たさない場合には、そのケース毎に温度制
御を変える必要がある。即ち、条件を満たさないケース
としては、Ｔ₄＞Ｔ₁及びＴ₅≧Ｔ₂、Ｔ₄＞Ｔ₁
及びＴ₅＜Ｔ₂、Ｔ₄＜Ｔ ₁及びＴ₅＜Ｔ₂が考えら
れ、また、それぞれの不足温度分或いは過剰温度分が算
出される。これに対し本発明においては、素材加熱装置
の搬送速度、加熱コイル電圧量及び表層冷却風量のいず
れか単独、もしくはこれらの２以上の組合せからなる任
意の加熱パターンを選択することにより、加熱制御を行
い鋼材の温度をコントロールする。例えば、のケース
では、搬送速度を早めるか、誘導加熱コイルの電圧量を
下げるか、もしくはこれらの任意の組合せで、鋼材の表
層及び中心の温度を下げることにより対処し、のケー
スでは搬送速度を早めるか、誘導加熱コイルの電圧量を
下げるか、冷却装置の風量を上げるか、もしくはこれら
の任意の組合せで、鋼材の表層温度Ｔ₄を下げながら鋼
材中心温度Ｔ₅を上げることにより対処する。のケー
スでは、搬送速度を遅くするか、誘導加熱コイルの電圧
量を上げるか、冷却装置の風量を下げるか、もしくはこ
れらの任意の組合せで、鋼材の表層温度を上げることに
より対処する。本発明のこのような制御方式の採用は、
鋼材の加熱速度変化、鋼材寸法変化及び鋼材毎の液相線
温度変化に対して設備を変更することなく、対処し得る
ことを可能にしている。

【００１４】また、上記の制御フローでは中間の表層温
度実測値Ｔ₃、Ｔ₆は特に用いなかったが、場合によっ
てはこれらの実測値も制御対象にすれば、より細かい温
度制御を行うことも可能である。この場合、第１及び第
２加熱装置本体１ａ、１ｂの出側にも冷却装置をそれぞ
れ配置しておき、各加熱装置毎に鋼材表層を冷却するこ
とが好ましい。このようにすれば、鋼材表層をなだらか
に加熱することができ、断面サイズの大きな鋼材に対し
て有効である。

【００１５】なお、図示の例では３個の加熱装置本体を
直列に設置した例を示したが、本発明ではこれ限ること
なく単一、２個或いはそれ以上の配置であっても差し支
えない。後続する熱間加工の種類や鋼材の種別及びサイ
ズ（特に、断面サイズ）、さらには生産性を考慮して加
熱装置本体の数を選択すればよい。例えば、小断面のビ
レットを鋼材とする場合には、単一もしくは２個の加熱
装置本体で加熱することで十分目的を達成することが可
能である。

【００１６】また、上記の説明では熱間鍛造に供する素
材加熱の例をして記述したが、本発明はこれに限らず、
圧延における高周波誘導加熱及び燃焼バーナー加熱によ
る液相線直下温度での棒鋼・線材の熱間圧延、転造にお
ける同じく高周波誘導加熱及び燃焼バーナー加熱による
液相線直下温度での歯車の熱間転造においても同様に、
表層から中心までの距離がある鋼材形状を加熱する場合
に、表層を溶融させることなく、鋼材中心まで液相線直
下温度まで加熱する設備に適用することができる。

【００１７】

【実施例】熱間鍛造用素材を加熱する場合を例として本
発明を適用した場合を以下に実施例として示す。［実施条件］熱間鍛造用素材：鋼種Ｓ４８、径６７．５φ×長さ１９
７mm、液相線温度１２８０℃、目標素材中心部最低温度
（Ｔ₂）１２６０℃ 加熱装置：図１に示す３分割タイプの高周波誘導加熱、
仕様は表１に、また運転条件を表２に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】［実施結果］上記の条件で鋼材を加熱した
ところ、鋼材の温度推移は図５に示す通りであった。な
お、図５では比較として全く素材表層の冷却を行わない
例を合わせて示す。図から分かるように、鋼材の表層を
エアスプレー冷却（風速では１０ｍ／ｓ）すると、表層
は１２７５℃まで温度が抑制されると共に中心は１２５
０℃となるのに対し、冷却しない場合には中心は１２５
０℃となっても表層は１３７０℃となり、溶融が認めら
れた。従って、エアスプレー冷却すると鋼材表層部の溶
融を防止しながら均一冷却が可能であり、鋼材の表層と
中心の温度差は冷却をしない例が１２０℃であったの
が、本発明では２５℃まで縮小している。なお、本発明
では表２に示すように、素材サイクルタイム（鍛造工程
での１個当りの材料を加工するに要する時間）が１１．
６秒となっているが、従来の冷却しない場合のサイクル
タイムが１５〜１６秒程度であったので短縮されてお
り、結果的に鍛造工程の生産性の向上に寄与しているこ
とも確認された。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した本発明に係る高周波誘導加
熱装置によれば、鋼材表層部を非溶融状態に維持しなが
ら鋼材の中心部を液相線直下の温度まで確実に昇温する
ことができ、最も好適な状態で鋼材を次の熱間加工へ供
給することが可能となり、次の熱間加工での操業性、歩
留り及び生産性の向上に寄与するところ大である。しか
も、設備面においても従前の加熱装置を特に大幅に改造
することなく冷却装置を配設することができる利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る誘導加熱装置の一実施例を示す全
体概略図。

【図２】図１における冷却装置の具体例を示す図で、
（ａ）は一部断面側面図、（ｂ）は正面図。

【図３】本発明を適用して鋼材を加熱したときの素材温
度と加熱時間との関係を示す概略図。

【図４】本発明装置を用いて鋼材の加熱とその制御を行
った場合の制御フロー図。

【図５】本発明の実施例における鋼材（Ｓ４８）の加熱
開始から加熱終了までの温度と時間との関係をシミュレ
ートした図。

【符号の説明】

１ａ〜１ｃ加熱装置本体２ａ〜２ｃ高
周波加熱コイル３鋼材４冷却装置５冷却本管６冷却ヘッダ
ー７冷却ノズル８ａ〜８ｃ表
層温度計９中心部温度計１０搬送ロー
ラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村充北海道室蘭市仲町12番地新日本製鐵株式会社室蘭製鐵所内 (72)発明者加田修千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者戸田正弘千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者森下弘一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者瀬川治彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者森元秀愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者瀬川幸平愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (72)発明者廣瀬泰雄愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (72)発明者岩城昭二愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内Ｆターム(参考） 3K059 AA09 AB04 AB19 AB20 AB26 AC33 AD03 4K034 AA03 BA08 CA01 CA03 DA06 DB02 DB03 DB04 FA01 FB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱装置本体内の高周波加熱コイル中に
鋼材を通して加熱する誘導加熱装置において、前記加熱
装置本体の端部に、加熱装置本体と鋼材との間に冷却媒
体を流入させる冷却装置を配置したことを特徴とする高
周波誘導加熱装置。
【請求項２】鋼材及び加熱装置本体は相対的に移動可
能であり、冷却装置は冷却媒体を鋼材の高温側から低温
側へ流入させるように構成されていることを特徴とする
請求項１記載の高周波誘導加熱装置。
【請求項３】冷却媒体が、空気、窒素ガス、アルゴン
ガスのいずれかもしくはその混合であることを特徴とす
る請求項１又は２記載の高周波誘導加熱装置。
【請求項４】加熱装置本体の出側に鋼材表面温度検出
手段を設けると共に、この検出温度に基づき加熱量、冷
却媒体量及び移動速度のいずれか単独もしくは組合せを
制御する手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３の
いずれか１項記載の高周波誘導加熱装置。