劉忠波，王征，張建宇，張林文，田葦，施啟銳，章華

（云南云鋁澤鑫鋁業(yè)有限公司，云南 曲靖 655500）

我們公司目前使用的Pyrotek除氣箱主要放置在靜置爐和履帶式鑄機(jī)之間，除氣的工作原理是：將16m3/h流量的氬氣氣體通過(guò)2個(gè)石墨轉(zhuǎn)子注入到鋁液中，石墨轉(zhuǎn)子安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，變頻電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，將注入的氬氣分散成微小的氣泡并均勻地在鋁液中擴(kuò)散，在小氣泡上升過(guò)程中，鋁液中吸附的氫氣及氧化渣隨著小氣泡的上升，將氧化渣及氫氣帶出熔體，從而有效地去除鋁液中的氫氣及氧化渣。同時(shí)石墨轉(zhuǎn)子在熔體中攪拌，可以使熔體中的合金元素更加均勻，攪拌可使氬氣氣泡與鋁液的接觸面增大，在相同的時(shí)間內(nèi)吸附的氫氣更多。

除氣箱在使用過(guò)程中，鋁液的保溫主要通過(guò)除氣箱加熱系統(tǒng)進(jìn)行保溫，加熱系統(tǒng)也可用于除氣箱內(nèi)襯的預(yù)熱，但它不適合用于對(duì)鋁液的升溫。加熱系統(tǒng)主要由螺紋硅碳棒加熱器、碳化硅硅碳棒保護(hù)套管、測(cè)溫?zé)犭娕?、調(diào)功器四部分組成，加熱器安裝在碳化硅硅碳棒保護(hù)套管內(nèi)，并浸沒(méi)在鋁液中，加熱效率高。由于螺紋硅碳棒加熱器采用螺紋狀加工而成，中間間隔小，在頻繁的啟停中，不斷受電流及震動(dòng)的沖擊，易老化斷裂，壽命短。螺紋硅碳棒制造工藝復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，因此規(guī)范硅碳棒使用方法及將螺紋硅碳棒加熱器改造為U型碳化硅硅碳棒，可以有效延長(zhǎng)硅碳棒使用壽命。

1 碳化硅硅碳棒的發(fā)展趨勢(shì)

碳化硅硅碳棒，是以高純度的綠色SiC為主要原料，經(jīng)2200℃高溫再結(jié)晶制成的非金屬發(fā)熱體，最高使用溫度為1350℃，其電阻隨使用溫度和時(shí)間而變化。通過(guò)向碳化硅中加入粘合劑，粘合劑占碳化硅重量的0.8～1.2%，再采用連續(xù)高溫?zé)Y(jié)工藝[1]，可使碳化硅電阻值偏差縮小，紅熱均勻度偏差縮小，燒成成品率提高，耗能大大降低。

目前，國(guó)外的SiC電熱元件的最高使用溫度已達(dá)到1650℃，在1600℃時(shí)可長(zhǎng)期使用。我國(guó)的碳化硅電熱元件在生產(chǎn)成品率和產(chǎn)品質(zhì)量上與國(guó)外存在較大的差距，主要存在問(wèn)題是碳化硅電熱元件的燒結(jié)工藝和及電阻離散性大和力學(xué)性能差等問(wèn)題[2]。

SiC硅碳棒的主要優(yōu)點(diǎn)是熱輻射能力強(qiáng)、升溫快、熱態(tài)時(shí)抗氧化性強(qiáng)[3]，硅碳棒加熱的方式被廣泛的應(yīng)用于鋁行業(yè)中，在鋁行業(yè)加熱系統(tǒng)運(yùn)用中，主要有棒狀、U型、L型及螺旋型等，電氣連接方式主要采用星形或三角形連接。

2 碳化硅硅碳棒老化的原因分析

碳化硅硅碳棒老化的過(guò)程主要是由于電阻值的增加導(dǎo)致壽命降低的過(guò)程，由于碳化硅硅碳棒在除氣箱中長(zhǎng)期加熱，溫度達(dá)到800℃以上，硅碳棒長(zhǎng)期使用能與氧氣和水蒸氣發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

SiC+2O2=SiO2+CO2SiC+4H2O=SiO2+CO2+4H2

隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，硅碳棒中SiO2含量逐漸增加，電阻值隨之增加，從而加速硅碳棒的老化。同時(shí)水蒸氣過(guò)多，會(huì)促進(jìn)SiC氧化，氧化過(guò)程中產(chǎn)生的H2與空氣中的O2結(jié)合又生成H2O，導(dǎo)致產(chǎn)生惡性循環(huán)，從而降低硅碳棒的使用壽命。硅碳棒在1350℃以上時(shí)，硅碳棒會(huì)與氮?dú)夥磻?yīng)生成一系列的氮硅化合物，加快老化速度。隨著加熱溫度的變化，碳化硅硅碳棒會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)（如表1所示），導(dǎo)致硅碳棒老化損壞。

表1 碳化硅硅碳棒對(duì)應(yīng)溫度發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

3 提高碳化硅硅碳棒使用壽命的方法

3.1 采用正確安裝方法安裝硅碳棒

安裝硅碳棒需按照（圖1）的位置安裝好加熱器，安裝時(shí)，要在護(hù)板2和保護(hù)套法蘭上端面之間、護(hù)板1和保護(hù)套法蘭下端面之間、護(hù)板1和加熱器底板之間的位置分別放10mm的保溫棉[4]，加熱器和保護(hù)套管安裝好后，用兆歐表測(cè)試加熱體和保護(hù)套之間絕緣電阻，絕緣值不能低于2兆歐，硅碳棒絕緣值測(cè)試合格后方可合閘通電。

圖1 除氣箱硅碳棒正確安裝方法

3.2 使用前應(yīng)對(duì)硅碳棒外觀進(jìn)行檢查

由于硅碳棒在運(yùn)輸途中或搬運(yùn)過(guò)程中有可能出現(xiàn)碰撞導(dǎo)致硅碳棒表面受損，因此在更換硅碳棒前應(yīng)對(duì)硅碳棒表面外觀進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保硅碳棒表面無(wú)裂紋。

3.3 硅碳棒使用前充分預(yù)熱，使用正確的加熱操作方法

安裝硅碳棒之前，需先除氣箱碳化硅保護(hù)套內(nèi)部清掃干凈，需保證碳化硅保護(hù)套不能有開(kāi)裂現(xiàn)象，同時(shí)保護(hù)套內(nèi)部不能有鋁液或鋁渣殘留在保護(hù)套內(nèi)，因?yàn)楸Ｗo(hù)套內(nèi)若出現(xiàn)鋁液會(huì)導(dǎo)致硅碳棒短路燒壞，硅碳棒在安裝前需進(jìn)行至少24小時(shí)均勻預(yù)熱，若預(yù)熱方式不正確或者采用其他加熱方式對(duì)硅碳棒進(jìn)行預(yù)熱會(huì)使硅碳棒的局部溫度過(guò)熱導(dǎo)致硅碳棒斷裂，嚴(yán)重影響其使用壽命。

硅碳棒在更換完成后不能馬上打開(kāi)電源進(jìn)行加熱，由于急劇加熱會(huì)使SiO2保護(hù)膜被破壞，因此，在通電前應(yīng)利用鋁液溫度先對(duì)硅碳棒進(jìn)行預(yù)熱，使硅碳棒內(nèi)的水分去除，再讓硅碳棒緩慢升溫，緩慢從低溫過(guò)渡到高溫。加熱初期，設(shè)定溫度盡量調(diào)小，待溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后再逐漸調(diào)高設(shè)定溫度，可有效保證SiO2保護(hù)膜不被破壞，這樣硅碳棒就不會(huì)因?yàn)榧眲∩郎囟鴮?dǎo)致斷裂。

3.4 接線夾的正確使用

硅碳棒的接線端接線夾應(yīng)選用用不銹鋼接線夾，采用不銹鋼接線夾可解決高溫環(huán)境下嚴(yán)重變形導(dǎo)致接觸不良問(wèn)題，同時(shí)接線夾的厚薄要適中，太厚會(huì)使夾子與硅碳棒的接觸不良，太薄會(huì)因?yàn)檠趸撈ざ鵁龎腫5]，為了保證接線夾與硅碳棒接觸良好，在安裝硅碳棒時(shí)應(yīng)在硅碳棒的冷端包一層錫箔紙或涂抹導(dǎo)電膏，讓接線夾與硅碳棒緊密接觸增加導(dǎo)電性，接線夾螺栓壓得不能太緊，太緊會(huì)導(dǎo)致硅碳棒高溫時(shí)膨脹損壞硅碳棒，安裝完成后如圖2所示，在安裝完硅碳棒接線夾后需要進(jìn)行接線夾與硅碳棒之間電阻值測(cè)量，需要保證安裝接線夾與未安裝接線夾時(shí)阻值基本一致為宜。

圖示2 碳化硅螺紋硅碳棒接線夾

3.5 控制加熱溫度，降低老化速度

硅碳棒隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸老化，硅碳棒會(huì)逐漸氧化變成SiO2，SiO2的生成會(huì)導(dǎo)致硅碳棒的阻值越來(lái)越大，導(dǎo)致硅碳棒在原來(lái)的調(diào)功器上通電后就馬上燒壞，且硅碳棒老化一般是從800℃開(kāi)始，且溫度越高，氧化反應(yīng)越快[6]。因此硅碳棒在除氣箱中使用時(shí)，應(yīng)該盡量降低硅碳棒的表面溫度，保證硅碳棒設(shè)定溫度不超過(guò)800℃，以減慢硅碳棒的老化速度。

3.6 硅碳棒應(yīng)避免極冷或極熱

硅碳棒暴露在空氣中會(huì)在表面形成一層SiO2保護(hù)膜，SiO2保護(hù)膜可以防止硅碳棒進(jìn)一步氧化，由于SiO2在270℃左右會(huì)發(fā)生晶相變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致SiO2膜被破壞，同時(shí)硅碳棒的表面溫度急劇上升或者下降，都會(huì)破壞保護(hù)膜，加快硅碳棒老化速度[6]。因此在使用硅碳棒時(shí)，盡量讓硅碳棒處于正常保溫狀態(tài)，避免硅碳棒極熱或極冷，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

4 采用先進(jìn)的控制技術(shù)進(jìn)行電氣控制

4.1 采用帶有自動(dòng)功率分配功能的調(diào)功器

硅碳棒發(fā)熱部位所承受的電功率會(huì)隨溫度的變化而變化，若硅碳棒調(diào)功器的功率選擇不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致硅碳棒通電后很快燒斷，在硅碳棒加熱控制中，需要使用帶有自動(dòng)功率分配功能的調(diào)功器對(duì)硅碳棒進(jìn)行加熱控制。

硅碳棒加熱系統(tǒng)采用帶有自動(dòng)功率分配功能調(diào)功器控制，調(diào)功器功率元件采用雙向可控硅元件，控制電路采用單片機(jī)智能控制電路，啟動(dòng)方式采用軟啟動(dòng)控制方式可減少功率對(duì)硅碳棒的沖擊。加熱器的控制，有自動(dòng)和手動(dòng)控制模式；自動(dòng)控制時(shí)采用PID閉環(huán)控制，調(diào)功器帶有欠壓、過(guò)流保護(hù)、故障報(bào)警功能。

帶有自動(dòng)功率分配功能的調(diào)功器在硅碳棒加熱過(guò)程中，可以根據(jù)除氣箱設(shè)定溫度進(jìn)行電功率調(diào)節(jié)，可以動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)每根硅碳棒功率的自動(dòng)平均分配，除氣箱保護(hù)套管內(nèi)的熱電偶將套管內(nèi)的實(shí)際溫度傳給PLC，PLC采用PID運(yùn)算后，將設(shè)定溫度與實(shí)際溫度作比較，從而輸出一個(gè)控制4—20mA電流信號(hào)給電源調(diào)功器，通過(guò)電源調(diào)功器對(duì)輸出功率進(jìn)行分配調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)溫度高低的調(diào)節(jié)控制，因此選擇合適的調(diào)功器可以延長(zhǎng)硅碳棒使用壽命。

4.2 采用誤差控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度控制

為了延長(zhǎng)硅碳棒使用壽命，電氣控制系統(tǒng)采用誤差控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)除氣箱內(nèi)溫度控制，通過(guò)硅碳棒對(duì)除氣箱內(nèi)鋁液進(jìn)行輻射加熱，利用熱電偶采集加熱溫度，將除氣箱硅碳棒保護(hù)套內(nèi)溫度信號(hào)送入PLC控制器進(jìn)行處理，同時(shí)在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，通過(guò)誤差控制借助溫控儀和調(diào)功器來(lái)調(diào)整實(shí)時(shí)溫度，達(dá)到滿足系統(tǒng)溫度穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4.3 硅碳棒由螺紋狀改為U形碳化硅硅碳棒

由于硅碳棒加熱體材質(zhì)種類很多，綜合考慮選用具有耐高溫、抗氧化升溫快、壽命長(zhǎng)，且有良好的化學(xué)穩(wěn)定性的碳化硅硅碳棒。由于目前除氣箱多采用螺紋硅碳棒（圖示3），在使用過(guò)程中易斷裂，因此我們選用U形碳化硅硅碳棒（圖示4）來(lái)代替螺紋硅碳棒，可提高硅碳棒使用壽命。

圖示3 改造前使用碳化硅螺紋硅碳棒

圖示4 改造后使用碳化硅U型硅碳棒

5 采用U型碳化硅硅碳棒的優(yōu)點(diǎn)

由于U型碳化硅硅碳棒使用溫度高、具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、升溫快、壽命長(zhǎng)、高溫變形小、安裝維修方便等特點(diǎn)，且有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，抗酸能力強(qiáng)。

（1）改造前每根螺紋硅碳棒使用壽命為1個(gè)月，由螺紋硅碳棒改造為U型硅碳棒后，每根U型硅碳棒使用壽命可達(dá)5個(gè)月。

（2）直接經(jīng)濟(jì)效益

改造前：人工成本：更換1根硅碳棒需2人，2人互相配合需2小時(shí)（15元/小時(shí)），每個(gè)月需更換硅碳棒3根。2人×2小 時(shí)/人×15元/人×3根/月×12月=2160元。材料成本：每根硅碳棒單價(jià)5000元/根，3根/月×12月×5000元/根=18萬(wàn)元。

改造后：每5個(gè)月需更換硅碳棒1根，每根硅碳棒單價(jià)5000元/根，改造其他費(fèi)用2000元。2人×2小時(shí)/人×15元/人×2.4根/年+5000元/根×2.4根+2000元=14144元。

每年共節(jié)約：180000元-14144元=165856元

（3）社會(huì)、環(huán)境效益

由于在更換硅碳棒過(guò)程中容易燙傷及觸電，硅碳棒使用方法不正確會(huì)導(dǎo)致硅碳棒損壞，規(guī)范碳化硅硅碳棒使用方法及進(jìn)行硅碳棒改造后，碳化硅硅碳棒使用壽命明顯延長(zhǎng)，同時(shí)減少燙傷及觸電事故的發(fā)生，還可以避免因除氣箱加熱體故障導(dǎo)致影響鋁合金正常生產(chǎn)。