硅鉬棒電阻爐溫度控制系統的設計

邱秀金 楊勇軍 姜宏偉 李 武 王茂春

(中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900)

0 引言

中國工程物理研究院有一條特種陶瓷生產線，主要從事泡沫陶瓷、熔鑄坩堝、氧化鋯噴條、陶瓷球等的研究與生產工作。該生產線關鍵設備之一——16 kW硅鉬棒電阻爐(以下簡稱“硅鉬棒爐”)是20世紀70年代末從江蘇宜興鳳凰電爐有限公司購買的。該爐溫度控制系統由分立元件組成，且使用年限長，導致控制元件嚴重老化。該系統存在控制精度低、響應速度慢、穩定性差和故障率高等缺點，已經無法滿足現代精密陶瓷燒結工藝要求。為此，中國工程物理研究院組織技術力量為該爐重新設計并制造了一套溫度控制系統。

1 系統主回路設計

經充分調研，決定保留原溫度控制系統主回路中的硅鉬棒加熱件和電阻爐專用變壓器，棄用原主回路中的其他元件和整個控制系統。新溫度控制系統采用先進且成熟的智能儀表控制技術，共有爐溫和主回路電流兩個負反饋回路。硅鉬棒電阻爐溫度控制系統框圖如圖1 所示［1］。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of the system

硅鉬棒爐溫度控制系統主回路的功能是將電能轉換為熱能，熱能將放置于爐內的毛坯燒制成產品。該回路主要由快速熔斷器、主接觸器、可控硅及其保護回路、專用變壓器和硅鉬棒加熱件組成，其電路如圖2所示。

圖2 主回路電路圖Fig.2 Main loop circuit

1.1 熱功率計算與加熱件的選取

硅鉬棒爐相關參數的計算大多采用熱功率公式。人們通過長期實踐總結出箱式電爐的功率與其爐膛的容積存在著一定的關系，即爐膛容積越大，裝爐量越多，消耗的熱量也越多，需要的功率越大［2］。

根據上述分析，可以配置該爐的功率，具體關系如式(1)所示:

式中:P為電爐功率，kW;K為經驗系數，無量綱;V為爐膛有效容積，m3。

在不同溫度下，電阻爐的經驗系數K的取值范圍如表1所示。

表1 不同溫度下K的取值范圍Tab.1 The value range of K at different temperature

對于箱式電爐，K取上限;對于井式電爐，K取下限;對于要求快速升溫或使用頻次高的電爐，K取上限。遵循這一原則，經驗系數K取200。

根據測量尺寸計算得到的硅鉬棒爐的有效容積約為0.0198 m3。將上述數據代入式(1)，計算得到電爐電功率應為14.64 kW。考慮到10%的裕度，電爐電功率取為16 kW。

硅鉬棒爐的加熱件由八根U型硅鉬棒串聯組成，硅鉬棒的冷端與熱端焊接面是硅鉬棒的薄弱點，因此要小心安裝，防止損傷該焊接面。

硅鉬棒具有以下兩個特性。

第一個特性是硅鉬棒的主要成分二硅化鉬在高溫氧化環境中使用時能在表面形成一層石英玻璃保護膜。該膜能阻止二硅化鉬的氧化，在700℃以下，二硅化鉬不能形成保護膜，因此要求二硅化鉬必須盡快通過室溫至 700 ℃ 這一溫區［3－4］。

第二個特性是硅鉬棒的電阻修正系數隨著溫度的升高而明顯增大。

電阻修正系數的計算公式為:

式中:Ct為電阻修正系數，無量綱;ρt為t℃時硅鉬棒的電阻率，Ω·m;ρ20為20℃時硅鉬棒的電阻率，Ω·m。

在使用過程中必須注意硅鉬棒的兩個特性，并據此編制合理的工藝程序［5］。

不同溫度時的硅鉬棒電阻修正系數如表2所示［5］。

表2 不同溫度下的電阻修正系數Tab.2 Correction coefficient of resistance furnace at different temperature

從式(2)和表2可以得知，在溫度較高時的硅鉬棒加熱件的阻值較低溫時高。因此，要確保設備安全、可靠運行，低溫時必須將主回路的電壓和電流控制在允許范圍內。

1.2 可控硅

加熱主回路的核心器件是一對反并聯的平板型單向可控硅，通過調節可控硅導通角，可以調節加熱件兩端電壓和電爐的熱功率。可控硅的技術參數有數十項之多［6］，本文僅講述正向峰值電壓VDRM、反向峰值電壓VRRM和額定通態平均電流ITAV三個關鍵參數的選擇原則。

分析加熱主回路可知，本系統中可控硅承受的最大峰值電壓UM約為537 V，可控硅的正反峰值電壓應為UM的2～3倍，考慮裕量，電壓選為1400 V。

由主回路可知，該硅鉬棒爐加熱主回路電源輸入電壓為380 V，根據下式可以算出可控硅回路［7］的電流有效值為42.11 A。

將此有效值代入式(4)，可以算出平均通態電流為23.22 A。考慮裕量，平均通態電流選為50 A。

1.3 可控硅保護電路

當可控硅損壞、觸發電路故障、電源故障和負載故障中的一種及一種以上情況發生時，可控硅均可能出現過電流。由于在過載倍數相同的情況下，快速熔斷器比普通熔斷器的熔絲熔斷時間短很多，即如果選擇得當，過電流時快速熔斷器的熔絲先于可控硅熔斷，可控硅受到保護而完好無損。

快速熔斷器有兩種接入方式:第一種是一組反并聯的可控硅串接一支快速熔斷器(如圖2所示);第二種是每一支可控硅串接一支快速熔斷器。如果每一支可控硅串接一支快速熔斷器，考慮到在實際運行時有可能出現一支快速熔斷器熔斷而另外一支快速熔斷器及可控硅完好的故障，此時當觸發電路發送觸發脈沖至可控硅，熔斷器完好的可控硅有電流流過;而熔斷器損壞的可控硅沒有電流流過，即流過電爐變壓器的電流為脈動直流。變壓器的直流電阻是非常小的，根據歐姆定律可知，此時流過變壓器的電流非常大，這將導致變壓器出現致命性的損傷。鑒于此，我們采用了一組反并聯的可控硅串接一支快速熔斷器的接入模式。

雷擊、交流電源接通及斷開、快速熔斷器熔斷和可控硅關斷，均有可能導致可控硅兩端的電壓超過其額定電壓或者電壓變化率超過可控硅的斷態電壓臨界上升率，如果沒有一定的保護，將可能引發可控硅損壞、產品報廢等事故。目前，有兩種比較有效且成熟的可控硅過電壓保護技術。第一種是并聯一組氧化鋅壓敏電阻，這種保護具有伏安特性曲線陡峭、泄漏小、功耗低和響應速度快等優點。第二種是并聯電阻電容(如圖2所示)，盡管這種保護的響應速度較前者慢，但是由于其能有效防止陽極電壓上升率過大導致的可控硅誤導通的發生，且能抑制可控硅運行期間產生的高次諧波，因此本系統仍然采用阻容保護［8］。

系統調試幾次后，出現加熱主回路斷路的特征現象，檢查確認是由于壓接鋁排的螺釘變松引起的電弧將鋁排熔化導致的。對此，更換連接鋁排并用不銹鋼螺釘重新壓接好。為了杜絕類似故障的發生，壓接時配齊了平墊和彈墊［9］。

2 控制回路設計

2.1 繼電控制圖解析

硅鉬棒爐繼電控制回路主要實現加熱主回路接觸器的斷開和接通，以及這兩種狀態的指示和爐膛超溫報警指示，繼電控制回路電路如圖3所示。

圖3 繼電控制回路圖Fig.3 Relay control circuit

熔斷器FU3和FU4構成繼電控制回路電源保護，旋鈕開關SA1控制電源的接通和斷開。旋鈕開關SA1扳至接通位置，電源指示燈HL1由滅變亮。主回路接觸器的線圈額定電壓為380 V，按下按鈕SB1，接觸器KM1吸合并自鎖，指示燈 HL2由滅變亮;按下按鈕SB2，接觸器KM1斷開。設備運行期間，為了確保爐溫在溫度控制器和可控硅觸發器失控時不會超過燒結工藝溫度或最高爐溫，將溫度控制器中超溫無源常閉報警接點引入接觸器控制回路。當測量出爐溫達到報警閾值后，繼電器KA1的常閉接點由接通狀態變為斷開狀態，接觸器KM1斷開，加熱回路停止加熱。與此同時，KA1的常開接點由斷開狀態變為接通狀態，報警指示燈亮、報警電鈴響警告操作人員，操作人員確認報警后報警電鈴不再響，但報警指示燈仍保持報警狀態直至爐溫降至報警閾值以下。

2.2 溫度控制器解析

硅鉬棒爐溫度控制電路主要由雙鉑銠熱電偶、日本導電FP21智能溫度控制器和上海亞太儀表公司NZKD系列可控硅觸發器組成，具體電路如圖4所示。

圖4 系統控制電路圖Fig.4 Control circuit of the system

溫度控制電路的核心是FP21智能溫度控制器，它將熱電偶采集的溫度信號與設定好的工藝溫度進行比較，據此計算后發送4～20 mA電流信號至可控硅觸發器;觸發器根據該電流信號計算后發出一對觸發脈沖至圖2中反并聯的單向可控硅。為了確保觸發脈沖與主回路的電源電壓同步，使觸發脈沖信號與主回路電源之間保持固定的相位關系，即觸發脈沖出現在單向可控硅承受正向電壓的時間內才有效。因此，觸發器的電源是與主回路完全一致的單相380 V交流電壓，而非溫度控制器所用的單相220 V電壓［6］。此外，為了保證控制品質，電流互感器將加熱主回路的電流反饋給觸發器［10］。

FP21溫度控制器的操作界面非常友好，便于用戶進行相關設置。根據說明書提示，僅需要完成如下基本設置即可采用其控制硅鉬棒爐溫度:溫度單位選擇℃;傳感器類型選擇雙鉑銠熱電偶;程序時間單位選擇min;輸出的作用方式選擇反作用。此外，根據工藝要求和設備的實際情況，可以設置PID比例帶、PID微分時間、PID積分時間和PID限幅等高級參數，確保硅鉬棒爐溫度控制的響應速度更快、控制精度更高。熱電偶選擇與安裝可參考文獻［11］。

3 系統的性能

調試完成后，該溫度控制系統運行穩定，性能有較大改善，主要表現在控溫效果和高溫時的最大熱功率兩方面。

3.1 控溫效果

硅鉬棒爐溫度控制系統的關鍵器件為日本導電FP21型智能溫度控制器。該控制器具有本質的魯棒性、優化控制特征和智能化等三大優點，且控制系統采用爐溫和電流雙閉環負反饋，極有利于提高控溫效果。總的來講，該系統具有以下優點:①采用連續電流控制，能實現產品燒結全過程控溫;②整個燒結過程控溫精度較高，大于400℃的爐溫誤差為±1 K;③整個燒結過程主回路輸出波動小，有效提高了元器件的使用壽命。

3.2 高溫時的最大熱功率

在首次調試過程中，發現該硅鉬棒爐1100℃左右的最大功率能達到額定功率16 kW;隨著爐溫的升高，硅鉬棒的電阻率迅速增加，所以在恒定的電壓下硅鉬棒爐的熱功率持續下降，當爐溫為1600℃時，最大功率約為13.5 kW。

分析影響硅鉬棒爐熱功率的因素后，采取如下措施提高該硅鉬棒爐高溫時的最大功率值:①提高主回路各接觸面的光潔度和潔凈度;②在主回路各接觸面的表層均勻地涂上一層導電膏，填充接觸面間的孔洞和縫隙，降低回路接觸電阻;③為解決普通鐵螺釘受熱容易生銹、掉渣并最終導致接觸電阻增大的缺陷，將主回路連接螺釘改為不銹鋼螺釘，且配齊平墊和彈墊。

實踐證明，經上述處理后，1600℃時的最大功率提高到15.5 kW左右，非常接近最大熱功率設計值。

4 結束語

運行幾年來，該硅鉬棒電阻爐因故障率低、操作簡單和控制精度高而深受現場操作人員的歡迎。由于該溫度控制系統具有結構簡單、一次投資少、運行成本低且維護簡單等優點，因此，在陶瓷和硬質合金等行業具有一定的推廣應用價值。

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