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摘要：鎢、鉬材料的電阻溫度系數相對較大，低溫段電阻值較小，因此由鎢、鉬材料做發熱體的電阻爐在冷態升溫過程中，若不采用合適的控制方法極易產生過大的電流而損壞設備。本文分別介紹了手動升溫、單溫度閉環自動升溫和溫度、電流雙閉環自動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系進行了分析，討論了三種方法的控制性能及適應的電爐類型。
前言
電爐是硬質合金生產過程中的核心設備，常用電爐的金屬發熱體有鎳鉻、鐵鉻鋁、鎢、鉬。其中鎳鉻、鐵鉻鋁合金的電阻溫度系數較小（10-5級），在升溫和保溫過程中功率較穩定，一般用于zui高工作溫度小于1 200 ℃和1 050 ℃電爐中。鎢、鉬金屬發熱體與鎳鉻、鐵鉻鋁合金發熱體有所不同，它們的主要物理性能和不同溫度下的電阻溫度系數見表1。
表1鎢、鉬的熱物理性質[1]
| 材料 | 電阻溫度系數/℃-1 | 熔點/℃ | 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，鎢鉬熱元件的熔點高，一般用于1 200～2 000 ℃的高溫電爐中。盡管鎢鉬發熱體的熔點高，但電阻溫度系數大（10-3級），即電阻率隨溫度的升高而顯著增大。例如鎢（鉬）在1 600 ℃時的電阻率是20 ℃時的9.5倍。電阻率隨溫度的變化導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，對以鎢鉬金屬作發熱體的這種大電阻溫度系數電爐的控制比鎳鉻合金作發熱體的電爐的控制困難和復雜。
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，極易產生過流，因此如何在保證生產工藝的前提下避免在低溫段出現過電流是至關重要的。根據筆者多年的研究和工程實踐，對電阻溫度系數較大的鎢鉬絲電爐的升溫可采用手動分段恒壓升溫、自動分段限壓升溫和限壓限流雙閉環升溫的三種方法，既能滿足不過電流又能達到升溫工藝的要求。
1.1 升溫工藝曲線
圖1是電爐從冷態開始升溫到工作溫度過程的一般工藝曲線，即溫度與時間關系。對于具體的時間間隔長短、溫度值及溫度段數由電爐及產品所決定。
| 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行敘述。
設升溫過程可分成8個階段（其中4個階段是保溫）完成；冷態環境溫度為20 ℃，電爐工作溫度為1 600 ℃。爐前單相變壓器參數：功率 20 kVA，電壓 380 V/75 V，電流 52 A/278 A。鉬絲20 ℃時的電阻值0.026 Ω。T ℃下爐絲的電阻值為：
RT=R20[1+α（T-20）] （1）
T ℃時爐絲吸收的電功率為：
PT=RTI2T=U2T/RT （2）
式中：R20為導體在20 ℃時的電阻，α為導體電阻溫度系數，T為溫度，IT、UT分別為在T ℃時流過導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行的過程。電爐首先以一定的升溫速率和*段設定的目標溫度值升溫，由于爐體和爐內產品的吸熱和熱擴散，到達設定溫度時加熱功率和散熱速率達到平衡，電爐進入保溫過程，在保溫過程中控溫系統控制電爐以適當的功率維持溫度不變。然后，進一步加大升溫電壓，使電爐的加熱功率提高，電爐進入下一升溫階段。
1. 2 手動分段恒壓升溫
1. 2. 1控制框圖
| US |
| UG |
| MAN燈亮 |
| 手動 |
| 觸發電路 |
| SCR調壓 |
| 爐前變壓器 |
| 電爐 |
| 溫度調節儀 |
| 調節單元 |
| 溫度調節儀 |
| 顯示單元 |
| 溫度傳感器 |
| Ug |
| ～ |
| U1 |
| U2 |
| TPV |
圖2 手動恒壓升溫控制框圖
1. 2. 2控制過程
溫度調節儀設置手動狀態MAN燈亮，按增▲鍵或減▼鍵給定每段一個固定輸出百分比值（0.0～100.0%），對應溫度調節儀輸出一個給定信號電壓UG（0～10 V或4～20 mA），從而改變觸發電路的移相角（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，手動升溫中具體的溫度、電阻、電壓、電流、功率對應關系用表2和圖3說明。
表2 手動升溫過程中相關參數的設置和變化
| 時間段 | 目標溫度 TSV/℃ | 目標電阻R/Ω | 手動調節溫度調節儀輸出百分比/% | 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 | | 溫度調節儀置換為PID自動控溫 | |||
圖3 手動恒壓升溫控制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不變的區間內隨著溫度T的升高，由于發熱體的電阻值大幅增加，而使加熱電流I2、功率P不斷減小，這時若想繼續升溫必須通過手動調節增加加熱電壓。
1. 2. 3控制性能
每個升溫區間開始，改變加熱電壓，對應的電流、功率都有一個向上沖擊，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，冷態時這種現象更突出，若手動調節時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，縮短鎢鉬發熱體的使用壽命。所以，在實際操作時，手動加熱一定要緩慢增加升溫電壓，于是這種方法只適應慢速烘爐升溫。除此之外，由于升溫過程系統的溫度為開環控制，所以爐體溫度的波動性較大。
1. 3自動分段限壓升溫
1. 3. 1控制框圖
| UG |
| MAN燈滅 |
| 自動 |
| 觸發電路 |
| SCR調壓 |
| 爐前變壓器 |
| 電爐 |
| 可編程溫度調節儀 |
| 溫度傳感器 |
| Ug |
| ～ |
| U1 |
| U2 |
| TPV |
| US |
圖4 自動恒壓升溫控制框圖
1. 3. 2控制過程
溫度調節儀設置為自動狀態，MAN燈滅，每個溫度段都設定一個目標溫度值TSVn和執行時間tn（n表示溫度段）及該段的PID自動調節限幅百分比。每一時刻的實測溫度TPV與可編程溫度調節儀的給定溫度通過其內部比較器比較并進行PID運算后，發出給定信號電壓UG到觸發電路，從而自動改變脈沖的觸發信號Ug的相位，使可控硅輸出電壓在（0～U1nmax）范圍內，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、功率對應關系。
表3自動升溫過程中相關參數的設置和變化
| 設定時間 | 設定目標溫度 TSVn /℃ | 目標電阻值Rn/Ω | 設定自動調節限幅比例/% | PID自動調節比例 | 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
升溫的溫度為閉環控制。當把每個溫區的目標溫度值和執行時間以及 PID自動調節限幅百分比適當設定后，整個升溫過程可全自動完成，從而可以實現更為細膩和的升溫控制。雖然在每個升溫區間開始時，有電壓、電流和功率的向大突變趨勢，但由于引入了PID自動調節功能，這種沖擊的現象得到了抑制。升溫段隨著溫度的增高，電壓、電流、功率在設定的幅值范圍內不斷自動調整，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控制[3]，即在溫度負反饋回路之外，引入電流負反饋調節回路。
| UG |
| 信號處理和變換 |
| 電流檢測電路 |
| 觸發電路 |
| SCR調壓 |
| 爐前變壓器 |
| 電爐 |
| 可編程溫度調節儀 |
| 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控制過程
從主回路上取出加熱工作電流信號I2，經檢測、處理和變換，輸出相應的反饋信號電壓Uf，它與工作電流基本上成線性關系，即工作電流大則反饋信號電壓也大。觸發電路接受的移相電壓信號U=UG-Uf。
在某個升溫段開始，由于溫度低，發熱體阻值R相對小，則工作電流I2大，反饋電壓Uf也大，移相電壓信號U減小，則可控硅導通角減小，使輸出電壓U2下降、電流I2下降，起到了自動限流作用。隨著爐溫升高，發熱體阻值R增大，工作電流I2減小，反饋作用減小，U2上升、I2電流上升。根據設備的額定電流，通過調節限流電位器和可編程溫度調節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
由于系統引入雙閉環（溫度閉環、電流閉環）和程序控溫儀配合，實現了對溫度的自動調節，對電流的自動限制，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增加、而電流基本上波動不大。隨著給定的溫度增加，所需的功率自動加大，可加快升溫速度。在整個升溫過程中系統沒有沖擊電流，這樣可延長發熱體的使用壽命，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
多年現場經驗表明，連續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格的要求，所以可根據電爐的性質，而決定選擇升溫控制方式。
方式1：控制系統簡單、經濟。需操作者實時監視；溫度跟隨性差，升溫時間較長、有較大的電流沖擊，對鎢絲、鉬絲的使用壽命有影響。
方式2：控制系統簡單、成本略高，升溫過程全自動，溫度跟隨性好，但升溫時間需較長。
方式1、2只適應于連續作業的電爐升溫，如連續高溫鉬絲碳化爐、鎢鉬加熱爐、氫氣燒結鉬絲爐等設備。
方式3：控制系統略復雜，但升溫時間短，控溫精度高，適應于周期作業的電爐升溫，如真空鎢絲爐、真空鉬絲爐等，也能用于連續作業的電爐升溫[4]。
3 結束語
粉末冶金爐控制系統設計時，在滿足生產工藝的前提下，應將制造成本、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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