钼丝炉升温的控制方法
钨、钼材料的电阻温度系数相对较大，低温段电阻值较小，因此由钨、钼材料做发热体的电阻炉在冷态升温过程中，若不采用合适的控制方法极易产生过大的电流而损坏设备。本文分别介绍了手动升温、单温度闭环自动升温和温度、电流双闭环自动升温三种升温控制方法，以及如何有效地防止升温过程中产生过大电流。对于以上三种升温方法，本文分别针对在升温过程中电压、电流、功率等物理量的相互关系进行了分析，讨论了三种方法的控制性能及适应的电炉类型。
前言
电炉是硬质合金生产过程中的核心设备，常用电炉的金属发热体有镍铬、铁铬铝、钨、钼。其中镍铬、铁铬铝合金的电阻温度系数较小（10-5级），在升温和保温过程**率较稳定，一般用于高工作温度小于1 200 ℃和1 050 ℃电炉中。钨、钼金属发热体与镍铬、铁铬铝合金发热体有所不同，它们的主要物理性能和不同温度下的电阻温度系数见表1。表1钨、钼的热物理性质[1]
材料 | 电阻温度系数/℃-1 | 熔点/℃ | 允许使用温度/℃ | 不同温度下的电阻率ρ/（Ω∙mm2/m） | ||||
20 ℃ | 500 ℃ | 1 200 ℃ | 1 400 ℃ | 1 600 ℃ | ||||
钨 | 5.510-3 | 3 390 | 2 300～2 500 | 0.055 | 0.184 | 0.396 | 0.461 | 0.527 |
钼 | 5.510-3 | 2 520 | 1 600～2 000 | 0.048 | 0.179 | 0.374 | 0.435 | 0.496 |
由表1可见，钨钼热元件的熔点高，一般用于1 200～2 000 ℃的高温电炉中。尽管钨钼发热体的熔点高，但电阻温度系数大（10-3级），即电阻率随温度的升高而显著增大。例如钨（钼）在1 600 ℃时的电阻率是20 ℃时的9.5倍。电阻率随温度的变化导致在恒压加热升温过程中钨钼丝的吸收功率变化较大，因此在加热升温过程中，对以钨钼金属作发热体的这种大电阻温度系数电炉的控制比镍铬合金作发热体的电炉的控制困难和复杂。
1 升温的控制方法
目前对电炉升温、保温过程中的电压、电流控制主要元件是可控硅，可控硅的致命缺陷是过流、过压能力差。在钨钼丝电炉中，由于金属丝在低温段电阻率很小，极易产生过流，因此如何在保证生产工艺的前提下避免在低温段出现过电流是至关重要的。根据笔者多年的研究和工程实践，对电阻温度系数较大的钨钼丝电炉的升温可采用手动分段恒压升温、自动分段限压升温和限压限流双闭环升温的三种方法，既能满足不过电流又能达到升温工艺的要求。
1.1 升温工艺曲线
图1是电炉从冷态开始升温到工作温度过程的一般工艺曲线，即温度与时间关系。对于具体的时间间隔长短、温度值及温度段数由电炉及产品所决定。
T/℃ |
t/h |
500 |
1200 |
1400 |
1600 |
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
|
图1 升温曲线
下面以钼丝炉为例进行叙述。
设升温过程可分成8个阶段（其中4个阶段是保温）完成；冷态环境温度为20 ℃，电炉工作温度为1 600 ℃。炉前单相变压器参数：功率 20 kVA，电压 380 V/75 V，电流 52 A/278 A。钼丝20 ℃时的电阻值0.026 Ω。T ℃下炉丝的电阻值为：
RT=R20[1+α(T-20)] (1)
T ℃时炉丝吸收的电功率为：
PT=RTI2T=U2T/RT (2)
式中：R20为导体在20 ℃时的电阻，α为导体电阻温度系数，T为温度，IT、UT分别为在T ℃时流过导体的电流和所加电压。
电炉的升温工艺是升温与保温交替进行的过程。电炉首先以一定的升温速率和*段设定的目标温度值升温，由于炉体和炉内产品的吸热和热扩散，到达设定温度时加热功率和散热速率达到平衡，电炉进入保温过程，在保温过程中控温系统控制电炉以适当的功率维持温度不变。然后，进一步加大升温电压，使电炉的加热功率提高，电炉进入下一升温阶段。
1. 2 手动分段恒压升温
1. 2. 1控制框图
US |
UG |
MAN灯亮
|
手动 |
触发电路 |
SCR调压 |
炉前变压器 |
电炉 |
温度调节仪 |
调节单元 |
温度调节仪 |
显示单元 |
温度传感器 |
Ug |
～ |
U1 |
U2 |
TPV |
手动分段恒压升温控制的基本原理如图2所示。可控硅（SCR）调压单元接受电源电压Us，随手动给定信号UG大小不同，触发电压信号Ug的移相角也不同，使调节出的电压U1不同，变压器降压后向电炉提供由UG大小决定的加热电压U2；温度传感器采集电炉内部的实际温度TP息，给温度调节仪显示温度。然后操作者根据电炉的实际温度高低和区间时间长短调整给定信号UG大小，从而再改变电炉的升温功率。
图2 手动恒压升温控制框图
1. 2. 2控制过程
温度调节仪设置手动状态MAN灯亮，按增▲键或减▼键给定每段一个固定输出百分比值（0.0～100.0%），对应温度调节仪输出一个给定信号电压UG（0～10 V或4～20 mA），从而改变触发电路的移相角（0～175°），使可控硅输出电压U1在这一段为（0～Us）中某一恒定不变值，再通过变压器变压的U2也不变。电炉在此区间不变电压的作用下先升温后保温。以图1中的升温过程为例，手动升温中具体的温度、电阻、电压、电流、功率对应关系用表2和图3说明。
表2 手动升温过程中相关参数的设置和变化
时间段 | 目标温度 TSV/℃ | 目标电阻R/Ω | 手动调节温度调节仪输出百分比/% | 电压U2/V | 大电流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 |
