基于硅碳棒的電爐溫度控制研究

張世生

ZHANG Shi-sheng

（淄博職業(yè)學院 電氣自動化教育教學部，淄博 255314 ）

1 硅碳棒概述

硅碳棒是碳化硅的再結晶制品，是用高純度綠色六方碳化硅為主要原料，按一定料比加工制坯，經(jīng)2200℃高溫硅化再結晶燒結而制成的管狀、棒狀非金屬高溫電熱元件。由于硅碳棒使用溫度高，具有升溫快、壽命長、耐高溫、抗氧化、高溫變形小、安裝維修方便等特點，且有良好的化學穩(wěn)定性，與自動化電控系統(tǒng)配套，可得到精確的恒定溫度，還可按曲線自動調(diào)溫。使用硅碳棒加熱既方便，又安全可靠。現(xiàn)已廣泛應用于陶瓷、玻璃、電子、冶金、科學研究等高溫領域，成為輥道窯、隧道窯、冶煉爐、玻璃窯爐以及各類加熱設備的電加熱元件。在鋁及其合金的保溫爐、除氣爐、過濾爐中的應用更為普遍。

由于硅碳棒具有膨脹系數(shù)小、耐急冷急熱，有良好的化學穩(wěn)定性，與酸類物質(zhì)不起作用，使用溫度高，成本低等特點。在氦氣、空氣和氬氣中，最高工作溫度為1540℃。通常情況下，在爐溫1000℃時可連續(xù)工作半年左右。若對硅碳棒的性能了解不夠，使用不當硅碳棒也極易損壞，影響壽命。由于鋁及其合金的熔煉溫度一般在1000℃以下，若使用合理，壽命可達3000小時。除提高硅碳棒本身的質(zhì)量外，探索合理的控制方法是提高其使用壽命、降低成本、提高生產(chǎn)效率的重要途徑。

2 硅碳棒發(fā)熱特性

2.1 電氣特性

研究硅碳棒的電氣特性是明確硅碳棒的電阻隨溫度變化的關系，掌握其發(fā)熱規(guī)律。硅碳棒是碳化硅半導體材料結構，不同于金屬，其電阻值受溫度的影響變化比較大。常溫情況下，電阻值較高的，溫度升高但在600℃以下，其電阻系數(shù)呈負值；600℃左右，阻值最??；溫度再升高，電阻系數(shù)變?yōu)檎担娮柚党试龃筅厔?。其變化?guī)律，如圖1所示。

因此，在輸入電壓保持一定的條件下，冷態(tài)電阻大，輸入的功率小，具有自保護功能，保證硅碳棒的冷態(tài)升溫速度不至于過快；高溫時，電阻隨溫度增加而增加，輸入的功率與阻值成反比例變化，使硅碳棒具有自穩(wěn)定溫度的作用。

圖1 硅碳棒的電氣特征

2.2 加熱特性

硅碳棒表面負荷等于發(fā)熱功率除以發(fā)熱部表面積。表面負荷大，其氧化速度變快，縮短使用壽命，因此，在通電加熱時要嚴格控制在允許負荷范圍之內(nèi)，切忌超負荷使用。根據(jù)爐子的結構、氣氛和溫度正確的選擇元件的表面負荷是元件達到最高壽命的關鍵，一般使用硅碳棒極限表面負荷的1/2～1/3。

硅碳棒的加熱特性是在溫度不變的情況下，其電阻值隨時間的變化關系，研究加熱特性的目的是為了確定硅碳棒的壽命與那些因素有關，以確定如何延長其使用壽命。硅碳棒加熱特性如圖2所示，可見在某一溫度下，加熱時間越長，氧化硅生成越多，其電阻就越大；而加熱時間相同的情況下，溫度越高氧化硅生成越快，電阻的增加越大，硅碳棒電功率變小；當電阻值增加到原有阻值的3～4倍，其功率已很低，硅碳棒就失效了。鋁精煉設備中，電爐工作溫度在730℃左右，硅碳棒溫度在1000℃左右，硅碳棒壽命約半年。

圖2 硅碳棒加熱電氣特征

新硅碳棒工作時，表面溫度差在60℃以內(nèi)，其溫度差會隨著老化而變大，最大可能達到200℃。硅碳棒在使用前，應進行電阻值的測定，對硅碳棒進行配阻，應盡量使每相電阻值匹配一致，同一電爐中各硅碳棒的電阻值以相差不應大于2%為最好。多根硅碳棒一起使用時要并聯(lián)。若串聯(lián)易導致某一支硅碳棒電阻快速增加，壽命縮短。

硅碳棒使用一段時間后，由于電阻值增大，需要提高電壓，以達到原有功率，用以補償電阻增加的損失，因此其輸入電壓需要有一定的調(diào)節(jié)范圍；對于連續(xù)運行的窯爐，電壓調(diào)整范圍為0.7～2.5V（V是硅碳棒元件初期使用的電壓），需與變壓器配合。通過調(diào)節(jié)電壓，能延長碳化硅元件的使用壽命。若控制系統(tǒng)采用調(diào)功器自動調(diào)壓，可有效解決此問題。

3 硅碳棒加熱控制系統(tǒng)

3.1 加熱控制方式

1）儀表控制方式。通過設置儀表的輸出觸點，可使加熱器工作在開關狀態(tài)。這種方式只能粗略控制溫度，誤差較大，電流沖擊大，也不利于電網(wǎng)，其壽命短，產(chǎn)品質(zhì)量也受影響；使用儀表作為人機界面，操作不方便，管理功能差，難以滿滿足生產(chǎn)的需要，其使用范圍很受限制。在實際應用中，通常通過加大初裝功率，來延長硅碳棒使用壽命。一般使用壽命是在3～5個月以上，對于爐溫在1300℃以下時，使用壽命可以到4～8個月左右。

2）可編程控制器控制方式。使用可編程控制器控制，能使復雜的工業(yè)控制變得簡單、配置靈活，維護方便?？刂葡到y(tǒng)能實現(xiàn)溫度的采集、變換、顯示和PID控制，用觸摸屏作為人機界面，可靈活轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作模式，設置工作參數(shù)?？删幊炭刂破髂M量輸出控制調(diào)功器，自動調(diào)節(jié)加熱器電壓，對硅碳棒進行連續(xù)平滑控制，電流沖擊很小，可延長硅碳棒壽命，系統(tǒng)的可靠性和安全性高，已成為現(xiàn)代工業(yè)自動化控制的發(fā)展方向。

3）計算機自動控制方式。該技術具有可編程控制器控制的諸多優(yōu)點，其控制規(guī)模更大、界面豐富、軟件強大、精度高、通用性強，成本又不斷降低，因此在實時控制中，將得到越來越廣泛地應用。但現(xiàn)場控制困難、工作不夠穩(wěn)定、經(jīng)常遇到各種干擾、系統(tǒng)維護困難。

3.2 可控硅控制方式

1）移相控制。可控硅導通角隨外加控制電壓而變化，輸出電壓隨之變化，從而調(diào)整加熱器功率，移相范圍為0～180°。電壓調(diào)節(jié)平滑均勻，輸出穩(wěn)定，但因削波而存在高頻成分，對控制電路形成電磁干擾。對電網(wǎng)有污染，大功率時表現(xiàn)更為突出，不過對一般工業(yè)場合影響不大，所以對延長加熱元件壽命有好處。

2）周波控制。即通常所說的固態(tài)繼電器，加熱時，電壓不變化，實際是脈沖通斷信號，過零觸發(fā)簡單穩(wěn)定，通?？梢怨?jié)省一塊觸發(fā)板。它可以方便地調(diào)節(jié)電壓有效值，它對交流電壓的周波進行調(diào)功，多用于大慣性的加熱器負載。采用這種調(diào)功，即實現(xiàn)了溫度調(diào)功，又消除了相位調(diào)功時帶來的高次諧波污染電網(wǎng)。

3.3 基于PLC的硅碳棒加熱控制系統(tǒng)

硅碳棒加熱控制系統(tǒng)結構如圖3所示，電網(wǎng)電源經(jīng)斷路器隔離后，進行短路保護，送到可控硅電路，控制硅碳棒加熱。熱電偶不是直接插入鋁液，需加碳化硅管以進行保護。

控制電路選用溫度控制模塊，先將熱電偶傳感器測得信號送入可編程控制器，觸摸屏設置的溫度也送入PLC，經(jīng)PID運算，輸出信號送至調(diào)功器，控制硅碳棒加熱輸入電壓，改變功率。因采用PID閉環(huán)控制，可以不再過分考慮硅碳棒的電氣特性，控制更簡單了。

在PLC程序中，應注意的是PID程序不得放在子程序中，而是放在主程序中無條件運行，只需把PID的參數(shù)從子程序送到主程序，再把PID運算的結果傳回子程序，否則可導致PID輸出不穩(wěn)定。如果PID運算仍有問題，可自己設計PID程序。

圖3 控制系統(tǒng)結構圖

3.4 電爐焙燒控制

在硅碳棒新投入使用或烘爐過程中，需要一段時間陪燒，一般在80小時，以去除加熱器和爐窯內(nèi)的水分，滿足設備的膨脹要求，防止急劇加熱而損壞斷棒、注入鋁液導致爆炸，在操作上不要急劇升到高溫。結合爐窯升溫曲線要求和硅碳棒特性，可得PLC控制流程圖。陪燒過程，必須排氣。

在焙燒控制中，先將曲線分為幾個線性段，每一段有起始溫度、結束溫度和所需時間。利用線性子程序得到溫度設定值便可，曲線段可依次自動過渡，升溫時間到，進行報警，由人工退出，進入爐窯生產(chǎn)過程。每一段有起始溫度、結束溫度和所需時間是在觸摸屏中設置的如圖4所示。根據(jù)實際爐窯的焙燒工藝不同，設置不同參數(shù)。僅焙燒電爐，最好使用舊棒。

圖4 電爐焙燒控制

3.5 硅碳棒加熱保護

1）護套保護。在實際應用中，硅碳棒外加護套，制成加熱器。為避免硅碳棒與金屬液體直接接觸，而長期使用過程中，存在護套破裂，出現(xiàn)短路的可能，危機設備與人身安全，為此在加熱器內(nèi)會再裝一個熱電偶，用于測量加熱器溫度，避免加熱器過熱，起到保護作用。

2）加熱過程保護。不管何時加熱，在加熱開始時，在程序中，加一段時間的延時，控制調(diào)功器輸出電壓，使之平滑，緩慢上升，避免電流沖擊，保護硅碳棒。

3）超溫報警。不管是電爐超溫，還是加熱器超溫，都啟動報警程序，進行聲光報警，停止硅碳棒加熱，保護硅碳棒和電爐。

3.6 系統(tǒng)控制人機界面

觸摸屏堅固耐用，可滿足工業(yè)環(huán)境要求；能實現(xiàn)過程控制的可視化，快速啟動，快速投運；通過用戶名和密碼進行身份驗證，保證設備與數(shù)據(jù)的安全管理。用觸摸屏監(jiān)控硅碳棒加熱控制，可設計主界面、手動調(diào)功、生產(chǎn)運行、參數(shù)設置、焙燒預熱及報警等界面。

主界面用于不同權利用戶登陸和各界面切換，以確保系統(tǒng)運行責任；

手動調(diào)功用于設計人員對系統(tǒng)的調(diào)試和維護，手動啟停各個輸出，確保硬件正常；

生產(chǎn)運行用于生產(chǎn)人員的操作使用，按工藝要求自動控制各個輸出；

參數(shù)設置可進行手動參數(shù)、自動參數(shù)、參數(shù)最大值、報警溫度等的設置；

焙燒預熱界面用于硅碳棒初始預熱，電爐焙燒的啟停、復位控制；

報警界面顯示報警類型、時間并記錄，可與PLC輸出聲光報警配合，以加強效果。

4 結束語

硅碳棒質(zhì)地硬而脆，膨脹系數(shù)小、耐急冷急熱，有良好的化學穩(wěn)定性。600度以下具有負溫度系數(shù)，以上有正溫度系數(shù)，高溫區(qū)氧化加快的電氣特性。利用工業(yè)上成熟的可編程控制器控制技術，與可控硅配合控制硅碳棒的加熱過程，可實現(xiàn)精確的PID控制，同時保護硅碳棒和爐窯，能達到延長硅碳棒及爐窯壽命，節(jié)能增效和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。配以觸摸屏人機界面，可實時顯示硅碳棒及爐窯狀態(tài)、設置生產(chǎn)參數(shù)，方便操作控制。

[1]張世生.可編程控制器應用技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2009.

[2]黃運生.硅碳爐溫度與表面負荷的最優(yōu)控制[J].微計算機信息,2002,(12).

[3]張路寧.硅碳棒在鋁液保溫爐上的應用[J].冶金能源,2006,25.

[4]王振全.晶閘管調(diào)壓溫控裝置在熔鋁保溫爐中的應用[J].內(nèi)燃機配件,2002,5.