鉬絲爐升溫的控制方法

鎢,、鉬材料的電阻溫度系數(shù)相對(duì)較大,，低溫段電阻值較小，因此由鎢,、鉬材料做發(fā)熱體的電阻爐在冷態(tài)升溫過(guò)程中,，若不采用合適的控制方法極易產(chǎn)生過(guò)大的電流而損壞設(shè)備。本文分別介紹了手動(dòng)升溫,、單溫度閉環(huán)自動(dòng)升溫和溫度,、電流雙閉環(huán)自動(dòng)升溫三種升溫控制方法，以及如何有效地防止升溫過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大電流,。對(duì)于以上三種升溫方法,，本文分別針對(duì)在升溫過(guò)程中電壓、電流,、功率等物理量的相互關(guān)系進(jìn)行了分析,，討論了三種方法的控制性能及適應(yīng)的電爐類型。

前言

電爐是硬質(zhì)合金生產(chǎn)過(guò)程中的核心設(shè)備,，常用電爐的金屬發(fā)熱體有鎳鉻,、鐵鉻鋁、鎢,、鉬,。其中鎳鉻、鐵鉻鋁合金的電阻溫度系數(shù)較小（10-5級(jí)）,，在升溫和保溫過(guò)程**率較穩(wěn)定,，一般用于高工作溫度小于1 200 ℃和1 050 ℃電爐中。鎢,、鉬金屬發(fā)熱體與鎳鉻,、鐵鉻鋁合金發(fā)熱體有所不同，它們的主要物理性能和不同溫度下的電阻溫度系數(shù)見(jiàn)表1,。表1鎢,、鉬的熱物理性質(zhì)[1]

材料	電阻溫度系數(shù)/℃-1	熔點(diǎn)/℃	允許使用溫度/℃	不同溫度下的電阻率ρ/（Ω?mm2/m）
				20 ℃	500 ℃	1 200 ℃	1 400 ℃	1 600 ℃
鎢	5.510-3	3 390	2 300～2 500	0.055	0.184	0.396	0.461	0.527
鉬	5.510-3	2 520	1 600～2 000	0.048	0.179	0.374	0.435	0.496

由表1可見(jiàn)，鎢鉬熱元件的熔點(diǎn)高,，一般用于1 200～2 000 ℃的高溫電爐中,。盡管鎢鉬發(fā)熱體的熔點(diǎn)高，但電阻溫度系數(shù)大（10-3級(jí)）,，即電阻率隨溫度的升高而顯著增大,。例如鎢（鉬）在1 600 ℃時(shí)的電阻率是20 ℃時(shí)的9.5倍。電阻率隨溫度的變化導(dǎo)致在恒壓加熱升溫過(guò)程中鎢鉬絲的吸收功率變化較大,，因此在加熱升溫過(guò)程中,，對(duì)以鎢鉬金屬作發(fā)熱體的這種大電阻溫度系數(shù)電爐的控制比鎳鉻合金作發(fā)熱體的電爐的控制困難和復(fù)雜。

1 升溫的控制方法

目前對(duì)電爐升溫,、保溫過(guò)程中的電壓,、電流控制主要元件是可控硅，可控硅的致命缺陷是過(guò)流,、過(guò)壓能力差,。在鎢鉬絲電爐中，由于金屬絲在低溫段電阻率很小,，極易產(chǎn)生過(guò)流,，因此如何在保證生產(chǎn)工藝的前提下避免在低溫段出現(xiàn)過(guò)電流是至關(guān)重要的。根據(jù)筆者多年的研究和工程實(shí)踐,，對(duì)電阻溫度系數(shù)較大的鎢鉬絲電爐的升溫可采用手動(dòng)分段恒壓升溫,、自動(dòng)分段限壓升溫和限壓限流雙閉環(huán)升溫的三種方法，既能滿足不過(guò)電流又能達(dá)到升溫工藝的要求,。

1.1 升溫工藝曲線

圖1是電爐從冷態(tài)開(kāi)始升溫到工作溫度過(guò)程的一般工藝曲線,，即溫度與時(shí)間關(guān)系。對(duì)于具體的時(shí)間間隔長(zhǎng)短,、溫度值及溫度段數(shù)由電爐及產(chǎn)品所決定。

T/℃

 

t/h

 

500

 

1200

 

1400

 

1600

 

t1    t2      t3   t4   t5 t6   t7

 

 

 

 

 

 

圖1 升溫曲線

 

下面以鉬絲爐為例進(jìn)行敘述,。

設(shè)升溫過(guò)程可分成8個(gè)階段（其中4個(gè)階段是保溫）完成,；冷態(tài)環(huán)境溫度為20 ℃，電爐工作溫度為1 600 ℃,。爐前單相變壓器參數(shù)：功率 20 kVA,，電壓 380 V/75 V,，電流 52 A/278 A,。鉬絲20 ℃時(shí)的電阻值0.026 Ω。T ℃下?tīng)t絲的電阻值為：

RT=R20[1+α(T-20)]                                            (1)

T ℃時(shí)爐絲吸收的電功率為：

PT=RTI2T=U2T/RT                                             (2)

式中：R20為導(dǎo)體在20 ℃時(shí)的電阻，α為導(dǎo)體電阻溫度系數(shù),，T為溫度，IT,、UT分別為在T ℃時(shí)流過(guò)導(dǎo)體的電流和所加電壓,。

電爐的升溫工藝是升溫與保溫交替進(jìn)行的過(guò)程。電爐首先以一定的升溫速率和*段設(shè)定的目標(biāo)溫度值升溫,，由于爐體和爐內(nèi)產(chǎn)品的吸熱和熱擴(kuò)散,，到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)加熱功率和散熱速率達(dá)到平衡，電爐進(jìn)入保溫過(guò)程,，在保溫過(guò)程中控溫系統(tǒng)控制電爐以適當(dāng)?shù)墓β示S持溫度不變,。然后，進(jìn)一步加大升溫電壓,，使電爐的加熱功率提高,，電爐進(jìn)入下一升溫階段。

1. 2 手動(dòng)分段恒壓升溫

1. 2. 1控制框圖

US

 

UG

 

MAN燈亮

 

手動(dòng)

 

觸發(fā)電路

 

SCR調(diào)壓

 

爐前變壓器

 

電爐

 

溫度調(diào)節(jié)儀

 

調(diào)節(jié)單元

 

溫度調(diào)節(jié)儀

 

顯示單元

 

溫度傳感器

 

Ug

 

～

 

U1

 

U2

 

TPV

手動(dòng)分段恒壓升溫控制的基本原理如圖2所示,?？煽毓瑁⊿CR）調(diào)壓?jiǎn)卧邮茈娫措妷?em>Us，隨手動(dòng)給定信號(hào)UG大小不同,，觸發(fā)電壓信號(hào)Ug的移相角也不同,，使調(diào)節(jié)出的電壓U1不同，變壓器降壓后向電爐提供由UG大小決定的加熱電壓U2,；溫度傳感器采集電爐內(nèi)部的實(shí)際溫度TP息,，給溫度調(diào)節(jié)儀顯示溫度。然后操作者根據(jù)電爐的實(shí)際溫度高低和區(qū)間時(shí)間長(zhǎng)短調(diào)整給定信號(hào)UG大小,，從而再改變電爐的升溫功率,。

 

 

圖2   手動(dòng)恒壓升溫控制框圖

 

 

 

 

 

1. 2. 2控制過(guò)程

溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置手動(dòng)狀態(tài)MAN燈亮，按增▲鍵或減▼鍵給定每段一個(gè)固定輸出百分比值（0.0～100.0%）,，對(duì)應(yīng)溫度調(diào)節(jié)儀輸出一個(gè)給定信號(hào)電壓UG（0～10 V或4～20 mA）,，從而改變觸發(fā)電路的移相角（0～175°），使可控硅輸出電壓U1在這一段為（0～Us）中某一恒定不變值,，再通過(guò)變壓器變壓的U2也不變,。電爐在此區(qū)間不變電壓的作用下先升溫后保溫。以圖1中的升溫過(guò)程為例,，手動(dòng)升溫中具體的溫度,、電阻、電壓、電流,、功率對(duì)應(yīng)關(guān)系用表2和圖3說(shuō)明,。

表2 手動(dòng)升溫過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和變化

時(shí)間段	目標(biāo)溫度 TSV/℃	目標(biāo)電阻R/Ω	手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)儀輸出百分比/%	電壓U2/V	大電流I2max/A	吸收大功率 P/kW
t0	20	0.026
t0~ t1	500	0.095	8.0	6	230	1.4
t1~ t2	500	0.095		6	63	0.4
t2~ t3	1 200	0.200	26.7	20	210	4.2
t3~ t4	1 200	0.200		20	100	2.0
t4~ t5	1 400	0.223	53.3	40	200	8.0
t5~ t6	1 400	0.223		40	180	7.2
t6~ t7	1 600	0.252	60.0	45	202	9.08
t7	1 600		溫度調(diào)節(jié)儀置換為PID自動(dòng)控溫

 

  

 圖3 手動(dòng)恒壓升溫控制U2、 I2,、 P,、 T曲線

 

從表2和圖3可以清楚的看出，在加熱電壓U2不變的區(qū)間內(nèi)隨著溫度T的升高,，由于發(fā)熱體的電阻值大幅增加,，而使加熱電流I2、功率P不斷減小,，這時(shí)若想繼續(xù)升溫必須通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)增加加熱電壓,。

1. 2. 3控制性能

每個(gè)升溫區(qū)間開(kāi)始，改變加熱電壓,，對(duì)應(yīng)的電流,、功率都有一個(gè)向上沖擊，而后隨爐溫的增加爐絲電阻增大,，爐絲上的電流,、功率逐漸減小，冷態(tài)時(shí)這種現(xiàn)象更突出,，若手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)沒(méi)有控制好輸出百分比值,，則可能造成快速熔斷器或可控硅燒毀，縮短鎢鉬發(fā)熱體的使用壽命,。所以,，在實(shí)際操作時(shí)，手動(dòng)加熱一定要緩慢增加升溫電壓,，于是這種方法只適應(yīng)慢速烘爐升溫,。除此之外，由于升溫過(guò)程系統(tǒng)的溫度為開(kāi)環(huán)控制,，所以爐體溫度的波動(dòng)性較大,。

1. 3自動(dòng)分段限壓升溫

1. 3. 1控制框圖

UG

 

MAN燈滅

 

自動(dòng)

 

觸發(fā)電路

 

SCR調(diào)壓

 

爐前變壓器

 

電爐

 

可編程溫度調(diào)節(jié)儀

 

 

溫度傳感器

 

Ug

 

～

 

U1

 

U2

 

TPV

 

US

   自動(dòng)分段限壓升溫的控制原理基本與手動(dòng)控制相同，只是用可編程智能儀表[2]內(nèi)部的單片機(jī)程序代替人工進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,。

 

 

 

 

 

 

 

圖4   自動(dòng)恒壓升溫控制框圖

 

 

1. 3. 2控制過(guò)程

溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài),，MAN燈滅，每個(gè)溫度段都設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度值TSVn和執(zhí)行時(shí)間tn（n表示溫度段）及該段的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅百分比,。每一時(shí)刻的實(shí)測(cè)溫度TPV與可編程溫度調(diào)節(jié)儀的給定溫度通過(guò)其內(nèi)部比較器比較并進(jìn)行PID運(yùn)算后,，發(fā)出給定信號(hào)電壓UG到觸發(fā)電路，從而自動(dòng)改變脈沖的觸發(fā)信號(hào)Ug的相位,，使可控硅輸出電壓在（0～U1nmax）范圍內(nèi),，電爐接受變壓器變壓后的電壓（0～U2n max）升溫,、保溫。表3是溫度,、電阻、電壓,、電流,、功率對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3自動(dòng)升溫過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和變化

設(shè)定時(shí)間	設(shè)定目標(biāo)溫度 TSVn /℃	目標(biāo)電阻值Rn/Ω	設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅比例/%	PID自動(dòng)調(diào)節(jié)比例	電壓U2/V	電流I2/A	吸收功率P/kW
t0	20	0.026
t0~ t1	500	0.095	8	8%～0	6~0	230~0	1.4~0
t1~ t2	500	0.095	8	8%～0	6~0	63~0	0.4~0
t2~ t3	1 200	0.200	27	27%～0	20~0	210~0	4.2~0
t3~ t4	1 200	0.200	27	27%～0	20~0	100~0	2.0~0
t4~ t5	1 400	0.223	60	60%～0	45~0	225~0	10.0~0
t5~ t6	1 400	0.223	60	60%～0	45~0	201~0	9.0~0
t6~ t7	1 600	0.252	60	60%～0	45~0	201~0	9.0~0
t7	1 600	0.252	60	60%～0	45~0	178~0	8.0~0

 

1. 3. 3控制性能

升溫的溫度為閉環(huán)控制,。當(dāng)把每個(gè)溫區(qū)的目標(biāo)溫度值和執(zhí)行時(shí)間以及 PID自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅百分比適當(dāng)設(shè)定后,，整個(gè)升溫過(guò)程可全自動(dòng)完成，從而可以實(shí)現(xiàn)更為細(xì)膩和的升溫控制,。雖然在每個(gè)升溫區(qū)間開(kāi)始時(shí),，有電壓、電流和功率的向大突變趨勢(shì),，但由于引入了PID自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,，這種沖擊的現(xiàn)象得到了抑制。升溫段隨著溫度的增高,，電壓,、電流、功率在設(shè)定的幅值范圍內(nèi)不斷自動(dòng)調(diào)整,，從而溫度的跟隨性較好,。

1. 4限壓限流升溫

1. 4. 1控制框圖

限壓限流升溫的原理如圖5所示。與前兩種升溫控制方法不同,，這種方法采用雙閉環(huán)控制[3],，即在溫度負(fù)反饋回路之外，引入電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)回路,。

 

UG

 

信號(hào)處理和變換

 

電流檢測(cè)電路

 

觸發(fā)電路

 

SCR調(diào)壓

 

爐前變壓器

 

電爐

 

可編程溫度調(diào)節(jié)儀

 

 

溫度傳感器

 

Ug

 

～

 

U1

 

U2

 

TPV

 

US

 

I2

 

If

 

-Uf

 

U

圖5帶限壓限流升溫控制框圖

1. 4. 2控制過(guò)程

從主回路上取出加熱工作電流信號(hào)I2,，經(jīng)檢測(cè)、處理和變換,，輸出相應(yīng)的反饋信號(hào)電壓Uf,，它與工作電流基本上成線性關(guān)系，即工作電流大則反饋信號(hào)電壓也大,。觸發(fā)電路接受的移相電壓信號(hào)U=UG-Uf,。

在某個(gè)升溫段開(kāi)始，由于溫度低,，發(fā)熱體阻值R相對(duì)小,，則工作電流I2大，反饋電壓Uf也大,，移相電壓信號(hào)U減小,，則可控硅導(dǎo)通角減小,，使輸出電壓U2下降、電流I2下降,，起到了自動(dòng)限流作用,。隨著爐溫升高，發(fā)熱體阻值R增大,，工作電流I2減小,，反饋?zhàn)饔脺p小，U2上升,、I2電流上升,。根據(jù)設(shè)備的額定電流，通過(guò)調(diào)節(jié)限流電位器和可編程溫度調(diào)節(jié)儀的輸出限幅百分比,，可將電流限制為某一定值,。以限流取值200 A為例，則U,、I,、P、T曲線見(jiàn)圖6,。

              圖6   限壓限流升溫控制U2,、 I2、 P,、T曲線

1. 4. 3控制性能

由于系統(tǒng)引入雙閉環(huán)（溫度閉環(huán),、電流閉環(huán)）和程序控溫儀配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié),，對(duì)電流的自動(dòng)限制,，有效地提高了加熱效率。從圖6可見(jiàn),，隨爐溫溫度的增加,，加熱電壓在限制范圍內(nèi)增加、而電流基本上波動(dòng)不大,。隨著給定的溫度增加,，所需的功率自動(dòng)加大，可加快升溫速度,。在整個(gè)升溫過(guò)程中系統(tǒng)沒(méi)有沖擊電流,，這樣可延長(zhǎng)發(fā)熱體的使用壽命，避免電器元件的損壞,，溫度的跟隨性較好,。

2 三種升溫控制方式比較

多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，連續(xù)工作的電爐一般是空爐升溫,，因此對(duì)溫度的跟隨性能要求不高,；而間歇工作的電爐一般是滿爐升溫,，它對(duì)溫度的跟隨性能有嚴(yán)格的要求，所以可根據(jù)電爐的性質(zhì),，而決定選擇升溫控制方式,。

方式1：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),。需操作者實(shí)時(shí)監(jiān)視,；溫度跟隨性差，升溫時(shí)間較長(zhǎng),、有較大的電流沖擊，對(duì)鎢絲,、鉬絲的使用壽命有影響,。

方式2：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本略高,，升溫過(guò)程全自動(dòng),，溫度跟隨性好，但升溫時(shí)間需較長(zhǎng),。

方式1,、2只適應(yīng)于連續(xù)作業(yè)的電爐升溫，如連續(xù)高溫鉬絲碳化爐,、鎢鉬加熱爐,、氫氣燒結(jié)鉬絲爐等設(shè)備。

方式3：控制系統(tǒng)略復(fù)雜,，但升溫時(shí)間短,，控溫精度高，適應(yīng)于周期作業(yè)的電爐升溫,，如真空鎢絲爐,、真空鉬絲爐等，也能用于連續(xù)作業(yè)的電爐升溫[4],。

3 結(jié)束語(yǔ)

    粉末冶金爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),，在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，應(yīng)將制造成本,、安全性,、可靠性、可操作性綜合考慮,，從而合理選定控制方案,。