CN1220571A - 合金化系统、加热装置、阻抗匹配装置和阻抗变换方法 - Google Patents

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Abstract

一种镀锌钢板合金化系统,该合金化系统使用感应加热线圈,其中在感应加热线圈与高频电源之间设置了一个阻抗匹配装置。该阻抗匹配装置包括一个匹配变换器和一个切换装置,所说变换器具有一组中间触点以任意地选择一个匝数比,所说切换装置用于有选择地转换中间触点,从而即使当钢板负载阻抗变化时也能获得最大的电源输出,从而能够设定形成钢板合金层所需的适合加热温度。

Description

合金化系统、加热装置、 阻抗匹配装置和阻抗变换方法
本发明涉及一种感应加热型镀锌钢板合金化系统、一种高频加热装置、一种阻抗匹配装置、和一种阻抗变换方法。更具体地说，本发明涉及用作或用于镀锌钢板的一种合金化系统，特别是用于形成镀锌钢板合金层的感应加热电源的一个输出控制器中的装置。
如图5所示，在为钢板1镀锌的镀锌锅2上方设置有热浸渍镀锌钢板的一个连续合金化处理炉。亦即，在镀锌锅2上方，依序沿向上方向设置有一个挤锌口3、一个加热炉4、一个保温炉5、和一个冷却区6。钢板1在通过镀锌锅2之后其表面镀锌。在由挤锌口3控制使钢板1具有预定的镀覆重量之后，它通过包括加热炉4、保温炉5、和冷却区6的合金化处理炉。在这个过程中，使镀层合金化。作为获得形成镀锌钢板的合金层的热周期的一种手段，可以使用一种感应加热型加热炉。
经过合金化处理的这种镀锌钢板与普通的镀锌钢板相比具有更好的可焊性、可加工性、可涂饰性和耐腐蚀性。因此，它常常用作家用电器和汽车的外壳钢板。
锌镀层需要进行合金化处理以获得铁锌合金层成分，这种成分对于同时确保镀层附着力和可压锻性是特别理想的。镀层附着力和可压锻性是重要的质量因素，因为前者特征可防止在加工过程中镀层的粉末化剥落，这种现象称之为粉化，而后者则使合金层具有低的滑动阻力，从而减小在成形过程中的负荷。具体地说，在经过合金化处理之后，钢板表面的镀层成分应当主要是δ1相，同时减小具有较高滑动阻力的ζ相，和较硬、较脆的г相，后者会降低耐粉化性，如图6所示。
合金层的构成是由加热、保温、和冷却的热处理周期确定的，如图7(a)和7(b)所示，它必须满足下列要求：(1)加热：迅速加热以抑制ζ相。(2)保温：控制保持温度和保持时间，使得最低温度为T1或更高，保持时间为t1或更长，以抑制ζ相，最高温度为T2或较低，保持时间为t2或更短，以抑制Г相。(3)冷却：迅速冷却以抑制ζ相。
众所周知感应加热适合作为获得上述要求中迅速加热和高精度加热温度(=保持温度)的手段。已经有人提出各种用于合金化的感应加热器(例如，日本待审查专利申请Nos.294091/92、228528/92、和320852/93)。
适合的保持温度(T2-T1)和适合的保持时间(t1-t2)随镀层重量而变化，而且随钢板的钢种类的不同而变化。
图8表示一种感应加热器的电路构造的一个示例。
被加热的材料8通过一个螺管线圈7，在螺管线圈上施加频率从几个kHz到100kHz的高频电流以在材料8中产生涡流，从而加热材料8。通过感应加热在材料8中沿宽度方向产生的热分布和温度分布随材料8的类型和宽度以及感应加热的频率而变化。感应加热源的振荡频率与构成谐振电路的加热线圈和电容器的频率几乎是同步的。因此，加热线圈中的高频电流的频率由谐振电容器的电容和螺管线圈的电感确定。螺管线圈的电感由其形状和匝数确定。
加热炉中用于感应加热的装置的构造如图8所示，这种装置可以用图9所示等效电路替代。从图9所示电源输出侧测得的负载阻抗由公式(1)利用线圈电感L、电容器的电容C和合并电阻R给出：
Z(L/CR)    (1)
因此，从电源输出侧测得的负载阻抗根据被加热材料的形状和种类、以及高频电源电路和电容器的电容不同而变化。关于电压V、电流I和阻抗Z的公式(2)成立。
V=ZI    (2)
高频电源的输出P由公式(3)利用电压V、电流I和功率因数cosθ给出：
P=VIcosθ    (3)
因此，高频电源根据公式(2)表示的电压和电流产生公式(3)表示的功率。
高频电源产生的电压和电流的最大值由电源的容量确定。电源的输出电压和输出电流的相互关系如图10所示。公式(3)和图10表示电源输出的最大值在阻抗为Za、电压V=Vmax和电流I=Imax。当阻抗为大于Za的Zb时，输出的最大值受到最大电压值Vmax的限制。相反，当阻抗为小于Za的Zc时，输出的最大值受到电流最大值Imax的限制。
所以，采用图8所示感应加热器的构造，当被加热材料的形状和种类改变时负载的阻抗也改变。结果，限制了电源的最大输出。这有可能使之无法达到合金化处理所需的加热温度。因此，需要有一种方法，它能够比较容易和适当地进行阻抗匹配。还需要一种镀锌钢板合金化系统，这种系统对于各种形状的被加热材料能够给出接近电源最大输出值的一个输出值，并且能够在所需的加热温度下进行合金化处理。
鉴于上述早期技术的缺陷，提出本发明。本发明的一个目的是提出镀锌钢板的合金化处理系统，该系统装备有可以容易和适当地进行阻抗匹配以产生利用感应加热器形成镀锌钢板的合金层所需的适合加热温度的一个装置。
本发明实现上述目的的主要技术方案的特征在于：(1)包括利用一个阻抗匹配装置变换高频电源负载侧的阻抗的一种方法，所说阻抗匹配装置具有一个匹配变换器，该变换器按照一组不同的匝数比设有多个中间触点(抽头)，该装置还包括一个具有低电感和能够通过高频大电流的抽头选择装置。
根据以下的详细描述和附图可以完全理解本发明，这些附图仅仅是解释性的，而不是对本发明限制性的，其中：
图1为根据本发明的第一实施例构成的一个装置的构造图；
图2为用于变换图1所示电路抽头的一个短路开关的构造图；
图3为与用于图1所示电路中的一个匹配变换器相结合的短路开关的构造图；
图4为与用于图1所示电路的匹配变换器相结合的短路开关的另一种构造图；
图5为表示根据早期技术构成的镀锌钢板连续合金化设备的原理示意图；
图6为表示经过合金化处理之后镀锌钢板的表面结构的示意图；
图7(a)和7(b)为表示合金化系统中热处理周期的适合条件范围的特性曲线图；
图8为表示根据一种早期技术构成的一种感应加热器的构造/电路示意图；
图9为表示根据一种早期技术构成的一种感应加热器的构造的等效电路示意图；
图10为表示按照负载阻抗电压与电流之间相互关系的特性曲线图；和
图11为表示根据一种早期技术构成的感应加热器构造的等效电路示意图。
如图11所示，在常规的阻抗匹配装置中使用了用于匹配阻抗的一个匹配变换器11。令位于高频电源侧的匹配变换器11初级线圈的匝数为n1，位于负载侧的匹配变换器11的次级线圈的匝数为n2，从匹配变换器11的次级线圈侧测得的负载的阻抗为Z2，从高频电源侧测得的负载阻抗为Z1。则Z1可由公式(4)表示：
Z1=(n1/n2)2Z2    (4)因此，使用匹配变换器11，并选择适合的匝数比以便从电源获得最大的输出，从而可以变换负载侧的阻抗。但是，利用常规装置却不容易变换匝数比。
在这些情况下，本发明利用匹配变换器次级线圈的几种匝数，并增加采用切换装置转换接点的功能。在图1中表示了根据其具体实施例构成的一个电路构造。
图1表示具有一组中间触点(抽头)以便任意选择匝数比的一个切换装置12。利用这种切换装置12进行转换使得能够在四个量级n21、n22、n23和n24上选择匹配变换器次级线圈的匝数n2。但是，对于次级线圈的匝数和端头数没有限制。
令可以从电源中获取最大输出的阻抗为Za。如果在感应加热过程中，钢板的阻抗小于Za，则将匝数n2切换到n21、n22、n23或n24，从而使n1/n2大于初始设定条件中的比值。相反，如果阻抗大于Za，则将匝数n2切换到n21、n22、n23或n24，使得n1/n2小于初始设定条件的比值。这样，可以选择接近Za的阻抗值，尽管它的值可能不是与Za精确相等的。因此，有可能充分使用电源的输出容量，利用一种电源就能够实现对不同宽度、厚度或类型的钢板的感应加热。
作为切换装置12的一个实例，可以使用一个分流器开关101(日本待审查专利申请No.148063/96)，如图2所示。这个分流器开关101通过借助于一个气缸在图2中向上和向下移动一个可移动电极102打开和关闭静止电极103、103之间的间隙。参照标号104表示一个相连的导体，106表示一根引导轴、107表示一个轴承、108表示一个气缸安装板、109表示一个底板、110表示一个弹簧、111表示一个冷却水管嘴、112表示一个压板、113表示一个空气喷嘴。
使用图2所示的一个分流器101作为一个中间触点。由于在匹配变换器11的次级线圈侧有一组中间端点，所以使用的如图2所示的分流器开关101的数量与中间端点的数量相同。
匹配变换器11可以与图2所示分流器开关101形成一体。图3和图4中表示了这种一体化装置的一个示例。这种一体型匹配变换器30具有5个相连端，使用5个开关装置执行端点的切换。所以，当使用图3和图4所示的匹配变换器30时，可以将匹配变换器次级线圈的匝数转换到一个最佳值。
本实施例应用于热浸渍镀锌钢板的连续合金化处理炉。但是，本发明并不局限于此。例如，本发明可以应用于使用感应加热线圈的加热装置。
如以上参照实施例所详述的，本发明的第一方面提供了一种感应加热型镀锌钢板合金化系统，该合金化系统使用感应加热线圈，其中在感应加热线圈与高频电源之间设置了阻抗匹配装置，阻抗匹配装置包括一个匹配变换器，该变换器具有一组中间触点以便任意选择匝数比，和一个切换装置，其用于在中间触点之间选择转换。因此，即使在钢板的负载阻抗改变时，也能获得最大的电源输出。所以，能够有效地产生各种厚度、宽度和种类的钢板。
本发明的第二方面提供了一种用于加热系统中的使用感应加热线圈的高频加热装置，其中在感应加热线圈与高频电源之间设置了一个阻抗匹配装置，该阻抗匹配装置包括一个匹配变换器和一个切换装置，所说匹配变换器具有一组中间触点以任意地选择匝数比，和所说切换装置用于选择转换中间触点。因此，即使当被加热材料的负载阻抗变化时，也能获得最大的电源输出。所以，能够有效地加热各种材料。
本发明的第三方面提供一种阻抗匹配装置，该装置包括一个匹配变换器和一个切换装置，所说变换器具有一组中间触点以任意地选择匝数比，所说切换装置能够选择转换中间触点，具有低电感，并且能够通过高频大电流。因此，即使在阻抗变化时，也能获得最大电源输出，从而能够在电源容量的最大输出状态下进行处理。
本发明的第四方面提供了一种阻抗变换方法，该方法包括利用一个阻抗匹配装置变换高频电源负载侧阻抗的步骤，所说阻抗匹配装置包括一个匹配变换器和一个切换装置，所说变换器具有一组中间触点以任意地选择匝数比，所说切换装置能够选择转换中间触点，具有低电感，并且能够通过高频大电流。因此，即使当阻抗变化时，也能获得最大电源输出，从而能够在电源容量的最大输出状态下进行处理。
虽然已经描述了本发明，但是很显然本发明还可以有很多种变化方式。这种变化不能被认为是脱离了本发明的构思和范围，所有这类对于本领域技术人员来说是显而易见的变化都包括在下述权利要求书的范围内。

Claims (9)

1、一种感应加热型镀锌钢板合金化系统，该系统包括：
一个感应加热线圈；
一个电源；
一个阻抗匹配装置，其设置在所说感应加热线圈与所说电源之间，所说阻抗匹配装置包括：
一个匹配变换器，其具有一组中间触点以任意地选择一个匝数比，和
一个切换装置，其用于有选择地切换所说的中间触点以选择所需的匝数比，使得即使当钢板的负载阻抗变化时也能获得最大的电源输出。
2、一种加热系统，它包括：
一个感应加热线圈；
一个高频加热装置，其包括设置在所说感应加热线圈与高频电源之间的一个阻抗匹配装置，所说阻抗匹配装置包括：
一个匹配变换器，其具有一组中间触点，以任意地选择一个匝数比，和
一个切换装置，其用于有选择地切换所说中间触点以选择所需的匝数比，使得即使当被加热材料的负载阻抗变化时也能获得最大电源输出。
3、一种阻抗匹配装置，它包括：
一个匹配变换器，其具有一组中间触点，以任意地选择一个匝数比；和
一个切换装置，其用于有选择地切换所说中间触点以选择所需的匝数比。
4、一种阻抗变换方法，该方法包括：
提供一个匹配变换器，该变换器具有一组中间触点，以任意地选择一个匝数比；
提供一个切换装置，其用于有选择地切换所说中间触点；和
通过利用所说切换装置选择所需的匝数比变换高频电源负载侧的阻抗。
5、如权利要求1所述的系统，其特征在于所说电源是高频电源。
6、如权利要求3所述的装置，其特征在于所说切换装置具有低电感。
7、如权利要求3所述的装置，其特征在于所说切换装置通过高频大电流。
8、一种为钢板镀锌的系统，它包括：
一个镀锌锅；
一个感应型加热炉，在所说镀锌锅中将钢板镀锌之后，所说加热炉加热钢板，所说加热炉包括：一个感应加热线圈，一个电源，和一个阻抗匹配装置，其设置在所说感应加热线圈与所说电源之间；
一个保温炉，其将被加热钢板的温度保持在预定温度下预定长时间；和
一个冷却区，其用于冷却所说钢板。
9、如权利要求8所述的系统，其特征在于所说阻抗匹配装置包括：
一个匹配变换器，其具有一组中间触点以任意地选择一个匝数比；和
一个切换装置，其用于有选择地切换所说中间触点以选择所需的匝数比，使得即使在钢板负载阻抗变化时也能获得最大电源输出。
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