基于硅碳棒的电炉温度控制研究

张世生

ZHANG Shi-sheng

（淄博职业学院 电气自动化教育教学部，淄博 255314 ）

1 硅碳棒概述

硅碳棒是碳化硅的再结晶制品，是用高纯度绿色六方碳化硅为主要原料，按一定料比加工制坯，经2200℃高温硅化再结晶烧结而制成的管状、棒状非金属高温电热元件。由于硅碳棒使用温度高，具有升温快、寿命长、耐高温、抗氧化、高温变形小、安装维修方便等特点，且有良好的化学稳定性，与自动化电控系统配套，可得到精确的恒定温度，还可按曲线自动调温。使用硅碳棒加热既方便，又安全可靠。现已广泛应用于陶瓷、玻璃、电子、冶金、科学研究等高温领域，成为辊道窑、隧道窑、冶炼炉、玻璃窑炉以及各类加热设备的电加热元件。在铝及其合金的保温炉、除气炉、过滤炉中的应用更为普遍。

由于硅碳棒具有膨胀系数小、耐急冷急热，有良好的化学稳定性，与酸类物质不起作用，使用温度高，成本低等特点。在氦气、空气和氩气中，最高工作温度为1540℃。通常情况下，在炉温1000℃时可连续工作半年左右。若对硅碳棒的性能了解不够，使用不当硅碳棒也极易损坏，影响寿命。由于铝及其合金的熔炼温度一般在1000℃以下，若使用合理，寿命可达3000小时。除提高硅碳棒本身的质量外，探索合理的控制方法是提高其使用寿命、降低成本、提高生产效率的重要途径。

2 硅碳棒发热特性

2.1 电气特性

研究硅碳棒的电气特性是明确硅碳棒的电阻随温度变化的关系，掌握其发热规律。硅碳棒是碳化硅半导体材料结构，不同于金属，其电阻值受温度的影响变化比较大。常温情况下，电阻值较高的，温度升高但在600℃以下，其电阻系数呈负值；600℃左右，阻值最小；温度再升高，电阻系数变为正值，电阻值呈增大趋势。其变化规律，如图1所示。

因此，在输入电压保持一定的条件下，冷态电阻大，输入的功率小，具有自保护功能，保证硅碳棒的冷态升温速度不至于过快；高温时，电阻随温度增加而增加，输入的功率与阻值成反比例变化，使硅碳棒具有自稳定温度的作用。

图1 硅碳棒的电气特征

2.2 加热特性

硅碳棒表面负荷等于发热功率除以发热部表面积。表面负荷大，其氧化速度变快，缩短使用寿命，因此，在通电加热时要严格控制在允许负荷范围之内，切忌超负荷使用。根据炉子的结构、气氛和温度正确的选择元件的表面负荷是元件达到最高寿命的关键，一般使用硅碳棒极限表面负荷的1/2～1/3。

硅碳棒的加热特性是在温度不变的情况下，其电阻值随时间的变化关系，研究加热特性的目的是为了确定硅碳棒的寿命与那些因素有关，以确定如何延长其使用寿命。硅碳棒加热特性如图2所示，可见在某一温度下，加热时间越长，氧化硅生成越多，其电阻就越大；而加热时间相同的情况下，温度越高氧化硅生成越快，电阻的增加越大，硅碳棒电功率变小；当电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。铝精炼设备中，电炉工作温度在730℃左右，硅碳棒温度在1000℃左右，硅碳棒寿命约半年。

图2 硅碳棒加热电气特征

新硅碳棒工作时，表面温度差在60℃以内，其温度差会随着老化而变大，最大可能达到200℃。硅碳棒在使用前，应进行电阻值的测定，对硅碳棒进行配阻，应尽量使每相电阻值匹配一致，同一电炉中各硅碳棒的电阻值以相差不应大于2%为最好。多根硅碳棒一起使用时要并联。若串联易导致某一支硅碳棒电阻快速增加，寿命缩短。

硅碳棒使用一段时间后，由于电阻值增大，需要提高电压，以达到原有功率，用以补偿电阻增加的损失，因此其输入电压需要有一定的调节范围；对于连续运行的窑炉，电压调整范围为0.7～2.5V（V是硅碳棒元件初期使用的电压），需与变压器配合。通过调节电压，能延长碳化硅元件的使用寿命。若控制系统采用调功器自动调压，可有效解决此问题。

3 硅碳棒加热控制系统

3.1 加热控制方式

1）仪表控制方式。通过设置仪表的输出触点，可使加热器工作在开关状态。这种方式只能粗略控制温度，误差较大，电流冲击大，也不利于电网，其寿命短，产品质量也受影响；使用仪表作为人机界面，操作不方便，管理功能差，难以满满足生产的需要，其使用范围很受限制。在实际应用中，通常通过加大初装功率，来延长硅碳棒使用寿命。一般使用寿命是在3～5个月以上，对于炉温在1300℃以下时，使用寿命可以到4～8个月左右。

2）可编程控制器控制方式。使用可编程控制器控制，能使复杂的工业控制变得简单、配置灵活，维护方便。控制系统能实现温度的采集、变换、显示和PID控制，用触摸屏作为人机界面，可灵活转换系统工作模式，设置工作参数。可编程控制器模拟量输出控制调功器，自动调节加热器电压，对硅碳棒进行连续平滑控制，电流冲击很小，可延长硅碳棒寿命，系统的可靠性和安全性高，已成为现代工业自动化控制的发展方向。

3）计算机自动控制方式。该技术具有可编程控制器控制的诸多优点，其控制规模更大、界面丰富、软件强大、精度高、通用性强，成本又不断降低，因此在实时控制中，将得到越来越广泛地应用。但现场控制困难、工作不够稳定、经常遇到各种干扰、系统维护困难。

3.2 可控硅控制方式

1）移相控制。可控硅导通角随外加控制电压而变化，输出电压随之变化，从而调整加热器功率，移相范围为0～180°。电压调节平滑均匀，输出稳定，但因削波而存在高频成分，对控制电路形成电磁干扰。对电网有污染，大功率时表现更为突出，不过对一般工业场合影响不大，所以对延长加热元件寿命有好处。

2）周波控制。即通常所说的固态继电器，加热时，电压不变化，实际是脉冲通断信号，过零触发简单稳定，通常可以节省一块触发板。它可以方便地调节电压有效值，它对交流电压的周波进行调功，多用于大惯性的加热器负载。采用这种调功，即实现了温度调功，又消除了相位调功时带来的高次谐波污染电网。

3.3 基于PLC的硅碳棒加热控制系统

硅碳棒加热控制系统结构如图3所示，电网电源经断路器隔离后，进行短路保护，送到可控硅电路，控制硅碳棒加热。热电偶不是直接插入铝液，需加碳化硅管以进行保护。

控制电路选用温度控制模块，先将热电偶传感器测得信号送入可编程控制器，触摸屏设置的温度也送入PLC，经PID运算，输出信号送至调功器，控制硅碳棒加热输入电压，改变功率。因采用PID闭环控制，可以不再过分考虑硅碳棒的电气特性，控制更简单了。

在PLC程序中，应注意的是PID程序不得放在子程序中，而是放在主程序中无条件运行，只需把PID的参数从子程序送到主程序，再把PID运算的结果传回子程序，否则可导致PID输出不稳定。如果PID运算仍有问题，可自己设计PID程序。

图3 控制系统结构图

3.4 电炉焙烧控制

在硅碳棒新投入使用或烘炉过程中，需要一段时间陪烧，一般在80小时，以去除加热器和炉窑内的水分，满足设备的膨胀要求，防止急剧加热而损坏断棒、注入铝液导致爆炸，在操作上不要急剧升到高温。结合炉窑升温曲线要求和硅碳棒特性，可得PLC控制流程图。陪烧过程，必须排气。

在焙烧控制中，先将曲线分为几个线性段，每一段有起始温度、结束温度和所需时间。利用线性子程序得到温度设定值便可，曲线段可依次自动过渡，升温时间到，进行报警，由人工退出，进入炉窑生产过程。每一段有起始温度、结束温度和所需时间是在触摸屏中设置的如图4所示。根据实际炉窑的焙烧工艺不同，设置不同参数。仅焙烧电炉，最好使用旧棒。

图4 电炉焙烧控制

3.5 硅碳棒加热保护

1）护套保护。在实际应用中，硅碳棒外加护套，制成加热器。为避免硅碳棒与金属液体直接接触，而长期使用过程中，存在护套破裂，出现短路的可能，危机设备与人身安全，为此在加热器内会再装一个热电偶，用于测量加热器温度，避免加热器过热，起到保护作用。

2）加热过程保护。不管何时加热，在加热开始时，在程序中，加一段时间的延时，控制调功器输出电压，使之平滑，缓慢上升，避免电流冲击，保护硅碳棒。

3）超温报警。不管是电炉超温，还是加热器超温，都启动报警程序，进行声光报警，停止硅碳棒加热，保护硅碳棒和电炉。

3.6 系统控制人机界面

触摸屏坚固耐用，可满足工业环境要求；能实现过程控制的可视化，快速启动，快速投运；通过用户名和密码进行身份验证，保证设备与数据的安全管理。用触摸屏监控硅碳棒加热控制，可设计主界面、手动调功、生产运行、参数设置、焙烧预热及报警等界面。

主界面用于不同权利用户登陆和各界面切换，以确保系统运行责任；

手动调功用于设计人员对系统的调试和维护，手动启停各个输出，确保硬件正常；

生产运行用于生产人员的操作使用，按工艺要求自动控制各个输出；

参数设置可进行手动参数、自动参数、参数最大值、报警温度等的设置；

焙烧预热界面用于硅碳棒初始预热，电炉焙烧的启停、复位控制；

报警界面显示报警类型、时间并记录，可与PLC输出声光报警配合，以加强效果。

4 结束语

硅碳棒质地硬而脆，膨胀系数小、耐急冷急热，有良好的化学稳定性。600度以下具有负温度系数，以上有正温度系数，高温区氧化加快的电气特性。利用工业上成熟的可编程控制器控制技术，与可控硅配合控制硅碳棒的加热过程，可实现精确的PID控制，同时保护硅碳棒和炉窑，能达到延长硅碳棒及炉窑寿命，节能增效和提高产品质量的目的。配以触摸屏人机界面，可实时显示硅碳棒及炉窑状态、设置生产参数，方便操作控制。

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