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摘要：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?。?0-5級(jí)），在升溫和保溫過(guò)程中功率較穩(wěn)定，一般用于zui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 |
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 | zui大電流I2max/A | 吸收zui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 |
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。
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