張世生

ZHANG Shi-sheng

（淄博職業(yè)學(xué)院 電氣自動(dòng)化教育教學(xué)部，淄博 255314 ）

1 硅碳棒概述

硅碳棒是碳化硅的再結(jié)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(jié)晶燒結(jié)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(zhǎng)、耐高溫、抗氧化、高溫變形小、安裝維修方便等特點(diǎn)，且有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，與自動(dòng)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(dòng)調(diào)溫。使用硅碳棒加熱既方便，又安全可靠?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、電子、冶金、科學(xué)研究等高溫領(lǐng)域，成為輥道窯、隧道窯、冶煉爐、玻璃窯爐以及各類加熱設(shè)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(yīng)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(xué)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(diǎn)。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(shí)可連續(xù)工作半年左右。若對(duì)硅碳棒的性能了解不夠，使用不當(dāng)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(dá)3000小時(shí)。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(guān)系，掌握其發(fā)熱規(guī)律。硅碳棒是碳化硅半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，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(fù)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?shì)。其變化規(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(hù)功能，保證硅碳棒的冷態(tài)升溫速度不至于過快；高溫時(shí)，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(fù)荷等于發(fā)熱功率除以發(fā)熱部表面積。表面負(fù)荷大，其氧化速度變快，縮短使用壽命，因此，在通電加熱時(shí)要嚴(yán)格控制在允許負(fù)荷范圍之內(nèi)，切忌超負(fù)荷使用。根據(jù)爐子的結(jié)構(gòu)、氣氛和溫度正確的選擇元件的表面負(fù)荷是元件達(dá)到最高壽命的關(guān)鍵，一般使用硅碳棒極限表面負(fù)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(shí)間的變化關(guān)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(guān)，以確定如何延長(zhǎng)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(shí)間越長(zhǎng)，氧化硅生成越多，其電阻就越大；而加熱時(shí)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(dāng)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(shè)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(shí)，表面溫度差在60℃以內(nèi)，其溫度差會(huì)隨著老化而變大，最大可能達(dá)到200℃。硅碳棒在使用前，應(yīng)進(jìn)行電阻值的測(cè)定，對(duì)硅碳棒進(jìn)行配阻，應(yīng)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(yīng)大于2%為最好。多根硅碳棒一起使用時(shí)要并聯(lián)。若串聯(lián)易導(dǎo)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(shí)間后，由于電阻值增大，需要提高電壓，以達(dá)到原有功率，用以補(bǔ)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(duì)于連續(xù)運(yùn)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(zhǎng)碳化硅元件的使用壽命。若控制系統(tǒng)采用調(diào)功器自動(dòng)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(shè)置儀表的輸出觸點(diǎn)，可使加熱器工作在開關(guān)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(jī)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(shí)際應(yīng)用中，通常通過加大初裝功率，來延長(zhǎng)硅碳棒使用壽命。一般使用壽命是在3～5個(gè)月以上，對(duì)于爐溫在1300℃以下時(shí)，使用壽命可以到4～8個(gè)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(fù)雜的工業(yè)控制變得簡(jiǎn)單、配置靈活，維護(hù)方便?？刂葡到y(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫度的采集、變換、顯示和PID控制，用觸摸屏作為人機(jī)界面，可靈活轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作模式，設(shè)置工作參數(shù)。可編程控制器模擬量輸出控制調(diào)功器，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器電壓，對(duì)硅碳棒進(jìn)行連續(xù)平滑控制，電流沖擊很小，可延長(zhǎng)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(dòng)化控制的發(fā)展方向。

3）計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制方式。該技術(shù)具有可編程控制器控制的諸多優(yōu)點(diǎn)，其控制規(guī)模更大、界面豐富、軟件強(qiáng)大、精度高、通用性強(qiáng)，成本又不斷降低，因此在實(shí)時(shí)控制中，將得到越來越廣泛地應(yīng)用。但現(xiàn)場(chǎng)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(hù)困難。

3.2 可控硅控制方式

1）移相控制。可控硅導(dǎo)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(duì)控制電路形成電磁干擾。對(duì)電網(wǎng)有污染，大功率時(shí)表現(xiàn)更為突出，不過對(duì)一般工業(yè)場(chǎng)合影響不大，所以對(duì)延長(zhǎng)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(shí)，電壓不變化，實(shí)際是脈沖通斷信號(hào)，過零觸發(fā)簡(jiǎn)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(duì)交流電壓的周波進(jìn)行調(diào)功，多用于大慣性的加熱器負(fù)載。采用這種調(diào)功，即實(shí)現(xiàn)了溫度調(diào)功，又消除了相位調(diào)功時(shí)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(jié)構(gòu)如圖3所示，電網(wǎng)電源經(jīng)斷路器隔離后，進(jìn)行短路保護(hù)，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(jìn)行保護(hù)。

控制電路選用溫度控制模塊，先將熱電偶傳感器測(cè)得信號(hào)送入可編程控制器，觸摸屏設(shè)置的溫度也送入PLC，經(jīng)PID運(yùn)算，輸出信號(hào)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(jiǎn)單了。

在PLC程序中，應(yīng)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(yùn)行，只需把PID的參數(shù)從子程序送到主程序，再把PID運(yùn)算的結(jié)果傳回子程序，否則可導(dǎo)致PID輸出不穩(wěn)定。如果PID運(yùn)算仍有問題，可自己設(shè)計(jì)PID程序。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)間陪燒，一般在80小時(shí)，以去除加熱器和爐窯內(nèi)的水分，滿足設(shè)備的膨脹要求，防止急劇加熱而損壞斷棒、注入鋁液導(dǎo)致爆炸，在操作上不要急劇升到高溫。結(jié)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(gè)線性段，每一段有起始溫度、結(jié)束溫度和所需時(shí)間。利用線性子程序得到溫度設(shè)定值便可，曲線段可依次自動(dòng)過渡，升溫時(shí)間到，進(jìn)行報(bào)警，由人工退出，進(jìn)入爐窯生產(chǎn)過程。每一段有起始溫度、結(jié)束溫度和所需時(shí)間是在觸摸屏中設(shè)置的如圖4所示。根據(jù)實(shí)際爐窯的焙燒工藝不同，設(shè)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(hù)

1）護(hù)套保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中，硅碳棒外加護(hù)套，制成加熱器。為避免硅碳棒與金屬液體直接接觸，而長(zhǎng)期使用過程中，存在護(hù)套破裂，出現(xiàn)短路的可能，危機(jī)設(shè)備與人身安全，為此在加熱器內(nèi)會(huì)再裝一個(gè)熱電偶，用于測(cè)量加熱器溫度，避免加熱器過熱，起到保護(hù)作用。

2）加熱過程保護(hù)。不管何時(shí)加熱，在加熱開始時(shí)，在程序中，加一段時(shí)間的延時(shí)，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(hù)硅碳棒。

3）超溫報(bào)警。不管是電爐超溫，還是加熱器超溫，都啟動(dòng)報(bào)警程序，進(jìn)行聲光報(bào)警，停止硅碳棒加熱，保護(hù)硅碳棒和電爐。

3.6 系統(tǒng)控制人機(jī)界面

觸摸屏堅(jiān)固耐用，可滿足工業(yè)環(huán)境要求；能實(shí)現(xiàn)過程控制的可視化，快速啟動(dòng)，快速投運(yùn)；通過用戶名和密碼進(jìn)行身份驗(yàn)證，保證設(shè)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(shè)計(jì)主界面、手動(dòng)調(diào)功、生產(chǎn)運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、焙燒預(yù)熱及報(bào)警等界面。

主界面用于不同權(quán)利用戶登陸和各界面切換，以確保系統(tǒng)運(yùn)行責(zé)任；

手動(dòng)調(diào)功用于設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，手動(dòng)啟停各個(gè)輸出，確保硬件正常；

生產(chǎn)運(yùn)行用于生產(chǎn)人員的操作使用，按工藝要求自動(dòng)控制各個(gè)輸出；

參數(shù)設(shè)置可進(jìn)行手動(dòng)參數(shù)、自動(dòng)參數(shù)、參數(shù)最大值、報(bào)警溫度等的設(shè)置；

焙燒預(yù)熱界面用于硅碳棒初始預(yù)熱，電爐焙燒的啟停、復(fù)位控制；

報(bào)警界面顯示報(bào)警類型、時(shí)間并記錄，可與PLC輸出聲光報(bào)警配合，以加強(qiáng)效果。

4 結(jié)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(xué)穩(wěn)定性。600度以下具有負(fù)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(shù)，與可控硅配合控制硅碳棒的加熱過程，可實(shí)現(xiàn)精確的PID控制，同時(shí)保護(hù)硅碳棒和爐窯，能達(dá)到延長(zhǎng)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(jī)界面，可實(shí)時(shí)顯示硅碳棒及爐窯狀態(tài)、設(shè)置生產(chǎn)參數(shù)，方便操作控制。

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