鉬絲爐升溫的控制方法

鎢、鉬材料的電阻溫度系數(shù)相對較大，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)升溫過程中，若不采用合適的控制方法極易產(chǎn)生過大的電流而損壞設(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程中產(chǎn)生過大電流。對于以上三種升溫方法，本文分別針對在升溫過程中電壓、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)見表1。表1鎢、鉬的熱物理性質(zhì)[1]

由表1可見，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程中鎢鉬絲的吸收功率變化較大，因此在加熱升溫過程中，對以鎢鉬金屬作發(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

目前對電爐升溫、保溫過程中的電壓、電流控制主要元件是可控硅，可控硅的致命缺陷是過流、過壓能力差。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)開始升溫到工作溫度過程的一般工藝曲線，即溫度與時(shí)間關(guān)系。對于具體的時(shí)間間隔長短、溫度值及溫度段數(shù)由電爐及產(chǎn)品所決定。

圖1 升溫曲線

下面以鉬絲爐為例進(jìn)行敘述。

設(shè)升溫過程可分成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 ℃下爐絲的電阻值為：

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)入保溫過程，在保溫過程中控溫系統(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

手動(dòng)分段恒壓升溫控制的基本原理如圖2所示。可控硅（SCR）調(diào)壓單元接受電源電壓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中的升溫過程為例，手動(dòng)升溫中具體的溫度、電阻、電壓、電流、功率對應(yīng)關(guān)系用表2和圖3說明。

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

 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)間開始，改變加熱電壓，對應(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，由于升溫過程系統(tǒng)的溫度為開環(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

   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)測溫度TPV與可編程溫度調(diào)節(jié)儀的給定溫度通過其內(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、功率對應(yīng)關(guān)系。

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

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)間開始時(shí)，有電壓、電流和功率的向大突變趨勢，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。

圖5帶限壓限流升溫控制框圖

1. 4. 2控制過程

從主回路上取出加熱工作電流信號(hào)I2，經(jīng)檢測、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)升溫段開始，由于溫度低，發(fā)熱體阻值R相對小，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)了對溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，對電流的自動(dòng)限制，有效地提高了加熱效率。從圖6可見，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)升溫過程中系統(tǒng)沒有沖擊電流，這樣可延長發(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)場經(jīng)驗(yàn)表明，連續(xù)工作的電爐一般是空爐升溫，因此對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、有較大的電流沖擊，對鎢絲、鉬絲的使用壽命有影響。

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

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

    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。