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與自動化電控系統配套,可得到精確的恒定溫度,又可根據生產工藝的需要按曲線自動調溫。使用硅碳棒加熱既方便,又安全可靠。現已廣泛應用于電子、磁性材料、粉末冶金、陶瓷、玻璃、半導體、分析化驗、科學研究等高溫領域,成為隧道窯、輥道窯、玻璃窯爐、真空爐、馬弗爐、冶煉爐以及各類加熱設備的電加熱元件。

元件質地:硬而脆,耐急冷急熱,高溫下不易變形,其它物理性能如下:

導熱系數:20大卡/米·小時·度。

線膨脹系數:5×10(m/℃)。

化學性質

硅碳棒有良好的化學穩定性,抗酸能力強。在高溫條件下堿性物質對其有侵蝕作用。

硅碳棒元件在1000℃以上長期使用能與氧氣和水蒸氣發生如下作用:

①SiC+2O2→SiO2+CO2 ②SiC+4H2O=SiO2+4H2+CO2

致使元件中SiO2含量逐漸增多,電阻隨之緩慢增加,為之老化。如水蒸氣過多,會促進SiC氧化,由②式反應產生的H2與空氣中的O2結合H2O再反應產生惡性循環。降低元件壽命。氫氣(H2)能使元件機械強度降低。氮氣(N2)在1200℃以下能防止SiC氧化1350℃以上與SiC發生反應,使SiC分解氯氣(Cl2)能使Sic完全分解。

2、硅碳棒發熱部的長度應該等于爐膛的寬度。如果發熱部伸入爐墻內,容易燒損爐墻。

3、硅碳棒冷端部的長度應該等于爐墻厚度加上冷端伸出爐墻的長度。一般冷端部伸出長度為50~150mm,以便冷卻冷端部及連接卡具。

4、穿硅碳棒的爐子的內徑應是冷端部外徑的1.4~1.6倍,爐孔過小或孔內填充物塞得過緊,高溫時會阻礙硅碳棒自由伸縮而導致斷棒。安裝時,應該使硅碳棒能夠自由轉動360度。

5、硅碳棒與被加熱物及爐墻的距離應大于或等于發熱部直徑的3倍。硅碳棒與硅碳棒之間的中心距應不小于其發熱部直徑的4倍。

6、硅碳棒冷端部與主電路用鋁辮或鋁箔連接。冷端部的夾具要卡緊。

7、新建爐或長時間不使用的電爐在使用前要進行烘爐,應采用舊棒或其它熱源烘爐。

8、硅碳棒存放時要防止受潮。因為受潮后容易使冷端部鋁層分解、脫落,導致冷端部與卡具接觸電阻增大,而且硅碳棒通電后容易崩裂。

9、硅碳棒在使用前要進行配阻。先阻值相同或接近的硅碳棒連接在一起。

10、為硅碳棒配備調壓裝置。送電初期電壓為其正常工作電壓的一半,穩定一段時間以后再逐漸提高電壓。這樣硅碳棒就不會因為急劇升溫而導致斷裂。

11、硅碳棒連續使用壽命長;間斷使用壽命短。

12、硅碳棒使用時要選擇合理的表面負荷密度和使用溫度。使用溫度應不大于1650℃;在有害氣體環境中使用更要防止硅碳棒與有害氣體發生化學反應。

13、更換硅碳棒時,應選用和爐內運行的硅碳棒的電阻相接近的硅碳棒,必要時更換整爐硅碳棒,這樣有利于提高硅碳棒的使用壽命,卸不來的硅碳棒,如果電阻值合適,還可以在電爐運行中后期換上使用。

14、防止硅碳棒濺上熔融金屬,濺上熔融金屬容易導致斷棒。

15、防止堿、堿土金屬和堿性氧化物腐蝕硅碳棒。

16、經常觀察電流表、電壓表及溫度表的讀數是否正常;冷端部夾具是否松運、氧化發黑或打火;硅碳棒是否斷裂;硅碳棒發熱部紅熱是否均勻。

硅碳棒的負荷是指硅碳棒允許承受的功率,它是由硅碳棒的負荷密度決定,負荷密度則是指硅碳棒發熱體單位發熱面積所允許的最大功率,通常用W/cm來計量。負荷密度的大小直接決定了棒的負荷和支數,而爐溫的高低又直接影響負荷密度的大小,爐溫越高,負荷密度就越小。而在相同的爐溫下,負荷密度越大,硅碳棒老化就越快,這樣負荷密度的選取就顯得尤為重要。以供料道為例,首先要搞清楚每個溫區所需要的最大功率及最高溫度,通過計算或查閱硅碳棒樣本,得到該溫度對應的負荷密度,同時根據料道的尺寸確定好棒的直徑(常用35mm的)、發熱部長度、冷端長度,用發熱體的發熱面積乘以負荷密度,算出每支棒的最大功率( 也可能直接從樣本中查得) ,再參考類似的成功經驗,確定好每支棒實際的準確功率( 負荷) ,對應的負荷密度便是最科學的,最終根據該區段的功率計算出所需硅碳棒的支數。

熱態電阻的選取

硅碳棒是一種純阻性非金屬電熱元件,其電阻和金屬電熱元件不同,它的電阻冷態較大,隨著溫度的上升而變化,800℃為拐點,低于800℃為負阻特性,高于800℃為正阻特性。基于此電阻特性,硅碳棒在出廠所標注的電阻值為在1100℃下用伏安法測出的熱態電阻值,因此硅碳棒只能按熱態電阻值來選用。實踐證明,熱態電阻應該偏上選取,寧大勿小。不論哪家的樣本,一種規格的硅碳棒的電阻都是個范圍,就按照其中值偏上取,不論是3段棒還是5段棒,都是幾段發熱體和冷端焊接而成的,其冷端和發熱體工藝不同,分別生產。按照機械部標準,冷端電阻率不得超過發熱體電阻率的1/12,而對于每根硅碳棒焊好后冷端到底達到發熱體( 或整根棒) 電阻的多大比例,則很大程度上取決于發熱體電阻的大小( 冷端并不標電阻值,只分合格與不合格)。如果發熱體電阻小到一定程度(和冷端一個數量級) ,冷端就會發紅,這顯然是不利的,既會燒壞爐壁也無謂地耗電,也自然而然地增長了硅碳棒的實際加熱時間( 棒的最大功率是一定的) ,只會縮短棒的使用壽命。

硅碳棒型號和規格的選擇

硅碳棒型號是指3段棒、5段棒、U型棒、H型棒和槍型棒等。簡單地說,對均化性要求高的場合應該用5段棒,反之用3段棒; 需要單端接線時選用H型棒或U型棒; 料盆用槍型棒。硅碳棒的規格指直徑、發熱體長度、冷端長度、連橋長度、中心距等。就直棒(3段棒和5段棒) 而言,冷端長度取決于爐墻的厚度; 發熱體的長度必須和料液槽寬度相對應,一般不小于料液槽寬度。

硅碳棒的聯接

目前,電加熱供料道上所有的硅碳棒大都采取一組全并聯,然后統一接在變壓器二次,這是最科學合理的接法,利于硅碳棒均勻分擔負荷。也有的廠家采取兩支或3支串聯,是不合理的。

硅碳棒供電設備的設計

電加熱供料道最常見的控制方式是用可控硅反并聯控制變壓器一次,變壓器二次和對應的一組硅碳棒相連。就變壓器的設計面言,與其他電爐變壓器相同,其容量設計必須留有一定的余量。供料道用的變壓器一般設計成單相380 V進線電壓,二次電壓和所接的硅碳棒的電阻和功率相匹配。前面已經提到,硅碳棒在使用過程中會老化,電阻會增大,在壽命期限內甚至會增大至初始電阻的4倍。因此,變壓器的二次必須有幾個電壓檔位可調,每個檔設計成恒功率,最低檔電壓按硅碳棒的初始電阻設計,其余幾個檔電壓則按電阻老化以后設計,最高檔電壓應為最低檔的2倍。這樣,硅碳棒用一段時間后電阻增大,不能滿足加熱所需的功率,就把電壓調高一檔,加熱功率又可滿足,以此類推,也就保證了硅碳棒的使用壽命。這種設計最規范,在前些年的供料道上隨處可見,二次電壓常設計成4個檔,分別為60V、80V、100V和120V。

爐溫的檢測與控制

溫度檢測一般都采用熱電偶,但是所用的熱電偶一定要與所測的溫度相對應,絕不能用鎳鉻-鎳硅(K分度) 熱電偶來測1200℃上下的爐溫,而必須用鉑銠-鉑(S分度) 或雙鉑銠(B分度) 熱電偶,否則熱電偶的使用壽命要比硅碳棒短得多,就得頻繁換熱電偶,對硅碳棒的使用不利。另外,熱電偶的安裝位置要避開硅碳棒,熱電偶的自由端至少要高出爐頂150mm,確保測溫的準確性。溫度控制往往是熱電偶和智能溫控儀表結合起來,通過調整可控硅的輸出電壓來調節變壓器的一次電壓,進而調節硅碳棒的加熱功率,達到對爐溫的自動恒溫控制。只要溫控儀的控制參數(P、I、D) 調整合適(有些儀表就帶有自整定功能) ,控溫精度完全可以滿足工藝要求,盡量不要采用手動控制。另外,熱電偶和控溫儀表之間一定要用分度號與熱電偶相同的補償導線連接,否則測量誤差巨大,遠不如用銅導線。

硅碳棒的安裝和更換

1、硅碳棒安裝時兩端應套保溫棉做的套管,將硅碳棒和電極磚隔開,否則硅碳棒和電極磚會被玻璃揮發物粘死。套管耐熱溫度一定要適應供料道的溫度,如果耐熱溫度過低,套管熔融后反而會腐蝕硅碳棒,還會將棒黏住,難以更換硅碳棒。

2、裝棒孔一定要對正,確保棒裝上后能夠360°自由轉動,絕不能將棒卡死。

3、硅碳棒和料道蓋板以及料液面之間必須保證一定的安全距離,棒離蓋板太近會導致二者局部過熱;棒離料液面太近,又會使玻璃揮發物對棒的腐蝕加重,棒若變形彎曲還容易和液面接觸,使玻璃液帶電。

4、換棒時原則上應該整組更換,避免新舊棒混用。然而在實踐中大部分廠家都不愿這樣做,既麻煩又費棒,比較可行的辦法是在溫度能夠保證的前提下,把斷棒抽出,堵好棒孔而不裝新棒,下次斷棒時依此類推。到溫度達不到要求時則把整組剩余的棒全部抽出,換上一組新棒,如果變壓器已調到高壓檔,則應調回最低檔后再送電加熱。把換下來的未斷的棒保存好,下次和舊棒配起來一起使用( 當然,拆下來前最好測出當時每支棒的電壓、電流,算出每支棒的電阻后標到標棒一端,以便按電阻值配組)。

爐內氣氛的影響

在高溫條件下碳化硅( 硅碳棒的主要成份) 能和許多介質反應,也就是說這些介質會對硅碳棒產生不同程度的腐蝕,這里結合玻璃行業的特點談談氧氣( 空氣)、水蒸汽及三氧化二硼的影響。

1、氧氣的影響。

在高溫下碳化硅會緩慢氧化,生成二氧化硅和二氧化碳,棒的電阻逐漸增加,即老化。一般情況下二氧化硅會在棒表面形成一層保護膜防止氧氣的進一步進入,繼續氧化,而在供料道上玻璃揮發物會破壞保護膜,棒會繼續氧化,因此棒必須和料液面保持一定的安全距離。

2、水蒸汽的影響。

高溫下,微量的水蒸汽會對硅碳棒產生明顯的氧化作用,反應方程式如下:

SiC+ 4H2O →SiO2+ CO2+ 4H。

所產生的氫氣也會侵蝕硅碳棒,嚴重的情況會使棒發熱體龜裂、膨松,縮短棒的壽命。因此有水蒸汽產生的爐膛要求預留排氣口,特別是新爐烤窯一定要特別注意。

烤窯

新窯建成或者舊窯大修后必須要進行烤窯,然后才能放料生產。在條件允許的情況下,最好用其他熱源烤窯,如果一定要用硅碳棒時,則建議采用舊棒。如前所述,高溫下水蒸汽對硅碳棒極為不利,新建的料道必然含有大量的水分,況且硅碳棒有可能長期大功率工作,表面溫度比較高。不論用舊棒還是新棒烤窯,開始送電時,應將控制系統置于"手動"狀態,緩慢調節加到棒上的電壓,最多加到額定電壓的一半,預熱一段時間,待電壓、電流正常后再逐漸升高電壓。當需要加速升溫,用火焰槍輔助加熱時,切不可讓火焰直接燒硅碳棒,否則棒會很快被氧化。

窯爐和料道溫度的協調

電加熱供料道上硅碳棒加熱的目的主要是為了控制或者調節各個區段的溫度,使料盆處達到成型溫度,簡單地說是控制降溫。如果大窯溫度不夠導致料道入口溫度偏低,硅碳棒有可能長期不停加熱,硅碳棒的壽命當然長不了; 反之,料道入口溫度過高,硅碳棒又會長期不加熱,硅碳棒的壽命自然會長,但這兩種情況都不正常,需要調溫時都會很難調節。所以,料道入口的溫度和料盆成型溫度必須協調,要統籌兼顧,供料道才能正常工作。