钨钼丝炉升温的控制方法

1、鸨铝丝炉升温的控制方法潘长珍胡柱礼(湖南安全技术职业学院湖南长沙410083)摘要：鸨、铝材料的电阻温度系数相对较大，低温段电阻值较小，因此由鸨、铝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。关键词温度调节仪；PID限幅调节；双闭环控制Methods to Control the Heat

2、ing Process in Furnace with W and Mo Wire Pan Changzhen Hu Zhuli(Hunan Vocatinal Institute of Safety and Technolgy Hunan changsha 410083)Abstract: Because the temperature coefficients of resistivity of W and Mo are relatively high, if did not taking proper methods to control the over-strong, current

3、 will destroy the furnace with W (Mo) heating element during the period of heating from low temperature. In this letter, we introduce three methods to control the heating process namely manual heating, automatic temperature closed loop heating, and temperature-current double closed-loops heating, al

4、l of which can prevent the system from over-strong current. During the heating process, we systematically investigate the relationship of physical elements, such as voltage, current and power. We also discuss the performance of these three methods and the furnaces that suitable to these methods.Keyw

5、ords: temperature regulator; PID amplitude limiting regulator;Two closed loop control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馍铭、铁铭铝、鸨、铝。其中馍铭、铁铭铝合金的电阻温度系数较小（10-5级），在升温和保温过程中功率较稳定，一般用于最高工作温度小于1 200 C和1 050 C电炉中。鸨、铝金属发热体与馍铭、铁铭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鸨、铝的热物理性质1材料电阻温度系数/C-1熔点/C允许使用温度/C不同温度下的电阻率p/（Q

6、mm2/m）20 500 1 200 1 400 1 600 鸨5.5 X 10-33 3902 300 2 5000.0550.1840.3960.4610.527铝5.5 X 10-32 5201 600 2 0000.0480.1790.3740.4350.496由表1可见，鸨铝热元件的熔点高，一般用于1 2002 000 C的高温电炉中。尽管鸨铝发热体的熔点高，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。例如鸨（铝）在 1 600 C时的电阻 率是20 C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鸨铝丝的吸收功率变化较大，因此在加热升温过程中，对以鸨铝

7、金属作发热体的这种大电阻温度系数电炉的控制比馍铭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。在鸨铝丝电炉中，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 鸨铝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。

8、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。图1升温曲线卜面以铝丝炉为例进行叙述。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 C,电炉工作温度为1 600 C。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。电目丝20 C时的电阻 值0.026 Qo T C下炉丝的电阻值为：T C时炉丝吸收的电功率为:Pt=RtI2t=U2t/RtRt=R2o1+ o(T-20)(2)式中：R20为导体在20 C时的电阻，”为导体电阻温度系数，T为温度，IUt分别为在T C时流过导体 的电流和所加电压。电炉的升温工

9、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第一段设定的目标温度 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Ui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

10、实际温度Tpv信息，给温度调节仪显示温Ug大小，从而再改变电炉的升温图2手动恒压升温控制框图度。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 功率。0.01.2. 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（100.0%）,对应温度调节仪输出一个给定信号电压Ug （010 V或420 mA）,从而改变触发电路的移相角（0175°）,使可控硅输出电压 U1在这一段为（05）中某一恒定不变值，再通过变压器变压的3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

11、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/ C目标电阻R/Q手动调节温度调节 仪输出百分比/%电压u2/v最大电流l2maXA吸收最大功率P/kWt0200.026t0t15000.0958.062301.4t1t25000.0956630.4t2t31 2000.20026.7202104.2t3t41 2000.200201002.0t4t51 4000.22353.3402008.0t5t61 4000.223401807.2t6t71 6000.25260.0452029.08t71 600温度调节仪置换为 PID自动控温t/h从表2和图3可

12、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 12、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，缩短鸨铝发热体的使用寿命。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

13、自动分段限压升温1.3. 1控制框图自动分段限压升温的控制原理基本与手动控制相同, 工进行调节控制。只是用可编程智能仪表内部的单片机程序代替人图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（。Uin max）范围内，电炉接受变压器变压后的电压（。U2n max）升温、保温。表3

14、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 /C目标电阻值Rn/Q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/kWt0200.026t0 t15000.09588%06023001.40t1 t25000.09588%0606300.40t2 t31 2000.2002727% 020021004.20t3 t41 2000.2002727% 020010002.00t4 t51 4000.2236060% 0450225010.00t5 t61 4000.2236060% 045020109

15、.00t6 t71 6000.2526060% 045020109.00t71 6000.2526060% 045017808.001.3. 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精确的升温控制。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3,即在温1.4. 1控制框图限压限流升温的原理如图5所

16、示。与前两种升温控制方法不同，这种方法采用双闭环控制度负反馈回路之外，引入电流负反馈调节回路。图5带限压限流升温控制框图Uf,它与工作U = U G-U f。Uf也大，移相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，反馈电压电压信号U减小，则可控硅导通角减小，使输出电压 5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

17、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。Ue/V Iw/At3 t4 t3t6 t7J/。1500IODO500.t/h图6限压限流升温控制 u、 12、 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

18、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，对鸨丝、铝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，如连续高温铝丝碳化炉、鸨铝加热炉、氢气烧结铝丝炉等 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，如真空鸨丝炉、真空铝丝炉等