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 | 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 | 温度调节仪置换为PID自动控温 |
图3 手动恒压升温控制U2、 I2、 P、 T曲线
从表2和图3可以清楚的看出，在加热电压U2不变的区间内随着温度T的升高，由于发热体的电阻值大幅增加，而使加热电流I2、功率P不断减小，这时若想继续升温必须通过手动调节增加加热电压。
1. 2. 3控制性能
每个升温区间开始，改变加热电压，对应的电流、功率都有一个向上冲击，而后随炉温的增加炉丝电阻增大，炉丝上的电流、功率逐渐减小，冷态时这种现象更突出，若手动调节时没有控制好输出百分比值，则可能造成快速熔断器或可控硅烧毁，缩短钨钼发热体的使用寿命。所以，在实际操作时，手动加热一定要缓慢增加升温电压，于是这种方法只适应慢速烘炉升温。除此之外，由于升温过程系统的温度为开环控制，所以炉体温度的波动性较大。
1. 3自动分段限压升温
1. 3. 1控制框图
UG |
MAN灯灭
|
自动 |
触发电路 |
SCR调压 |
炉前变压器 |
电炉 |
可编程温度调节仪 |
温度传感器 |
Ug |
～ |
U1 |
U2 |
TPV |
US |
自动分段限压升温的控制原理基本与手动控制相同，只是用可编程智能仪表[2]内部的单片机程序代替人工进行调节控制。
图4 自动恒压升温控制框图
1. 3. 2控制过程
温度调节仪设置为自动状态，MAN灯灭，每个温度段都设定一个目标温度值TSVn和执行时间tn（n表示温度段）及该段的PID自动调节限幅百分比。每一时刻的实测温度TPV与可编程温度调节仪的给定温度通过其内部比较器比较并进行PID运算后，发出给定信号电压UG到触发电路，从而自动改变脉冲的触发信号Ug的相位，使可控硅输出电压在（0～U1nmax）范围内，电炉接受变压器变压后的电压（0～U2n max）升温、保温。表3是温度、电阻、电压、电流、功率对应关系。
表3自动升温过程中相关参数的设置和变化
设定时间 | 设定目标温度 TSVn /℃ | 目标电阻值Rn/Ω | 设定自动调节限幅比例/% | PID自动调节比例 | 电压U2/V | 电流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
升温的温度为闭环控制。当把每个温区的目标温度值和执行时间以及 PID自动调节限幅百分比适当设定后，整个升温过程可全自动完成，从而可以实现更为细腻和的升温控制。虽然在每个升温区间开始时，有电压、电流和功率的向大突变趋势，但由于引入了PID自动调节功能，这种冲击的现象得到了抑制。升温段随着温度的增高，电压、电流、功率在设定的幅值范围内不断自动调整，从而温度的跟随性较好。
1. 4限压限流升温
1. 4. 1控制框图
限压限流升温的原理如图5所示。与前两种升温控制方法不同，这种方法采用双闭环控制[3]，即在温度负反馈回路之外，引入电流负反馈调节回路。
UG |
信号处理和变换
|
电流检测电路
|
触发电路 |
SCR调压 |
炉前变压器 |
电炉 |
可编程温度调节仪 |
温度传感器 |
Ug |
～ |
U1 |
U2 |
TPV |
US |
I2 |
If |
-Uf |
U |
图5带限压限流升温控制框图
1. 4. 2控制过程
从主回路上取出加热工作电流信号I2，经检测、处理和变换，输出相应的反馈信号电压Uf，它与工作电流基本上成线性关系，即工作电流大则反馈信号电压也大。触发电路接受的移相电压信号U=UG-Uf。
在某个升温段开始，由于温度低，发热体阻值R相对小，则工作电流I2大，反馈电压Uf也大，移相电压信号U减小，则可控硅导通角减小，使输出电压U2下降、电流I2下降，起到了自动限流作用。随着炉温升高，发热体阻值R增大，工作电流I2减小，反馈作用减小，U2上升、I2电流上升。根据设备的额定电流，通过调节限流电位器和可编程温度调节仪的输出限幅百分比，可将电流限制为某一定值。以限流取值200 A为例，则U、I、P、T曲线见图6。
图6 限压限流升温控制U2、 I2、 P、T曲线
1. 4. 3控制性能
由于系统引入双闭环（温度闭环、电流闭环）和程序控温仪配合，实现了对温度的自动调节，对电流的自动限制，有效地提高了加热效率。从图6可见，随炉温温度的增加，加热电压在限制范围内增加、而电流基本上波动不大。随着给定的温度增加，所需的功率自动加大，可加快升温速度。在整个升温过程中系统没有冲击电流，这样可延长发热体的使用寿命，避免电器元件的损坏，温度的跟随性较好。
2 三种升温控制方式比较
多年现场经验表明，连续工作的电炉一般是空炉升温，因此对温度的跟随性能要求不高；而间歇工作的电炉一般是满炉升温，它对温度的跟随性能有严格的要求，所以可根据电炉的性质，而决定选择升温控制方式。
方式1：控制系统简单、经济。需操作者实时监视；温度跟随性差，升温时间较长、有较大的电流冲击，对钨丝、钼丝的使用寿命有影响。
方式2：控制系统简单、成本略高，升温过程全自动，温度跟随性好，但升温时间需较长。
方式1、2只适应于连续作业的电炉升温，如连续高温钼丝碳化炉、钨钼加热炉、氢气烧结钼丝炉等设备。
方式3：控制系统略复杂，但升温时间短，控温精度高，适应于周期作业的电炉升温，如真空钨丝炉、真空钼丝炉等，也能用于连续作业的电炉升温[4]。
3 结束语
粉末冶金炉控制系统设计时，在满足生产工艺的前提下，应将制造成本、安全性、可靠性、可操作性综合考虑，从而合理选定控制方案。
