一臺(tái)5kW的電子束熔煉爐的改造項(xiàng)目，作者承擔(dān)電氣及儀表設(shè)計(jì)任務(wù)。試運(yùn)行結(jié)果表明：功率提高到2OkW ，采用新器件和新技術(shù)，系統(tǒng)在爐溫檢測(cè)及控制方面，
電爐性能和指標(biāo)顯著提高，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)人為因素造成的不利影響產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度提高。
1 溫控系統(tǒng)的技術(shù)要求
爐子最高工作溫度3 500℃ ；長(zhǎng)期工作溫度3200℃ 。
爐子加熱方式：高速電子束流轟擊原料棒。
加熱功率：2O kW。
控溫方式：PID 自整定調(diào)節(jié)。
穩(wěn)態(tài)控制誤差：±2℃(3 200℃ 時(shí))
2 溫度檢測(cè)
2．1測(cè)溫裝置
對(duì)于電子束區(qū)熔爐，如果利用熱電偶測(cè)溫，將熱電偶固定在原料棒表面，由于電子束直接作用于原料棒表面，電子束將首先與熱電偶發(fā)生能量交換，從而難以測(cè)量到試樣的真實(shí)溫度。采用紅外測(cè)溫儀表測(cè)溫是比較可行的方法，它適合于1 500℃ 以上爐溫的非接觸式測(cè)溫，響應(yīng)快，并可與儀表組合成溫度測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的自動(dòng)控制。
2．2 測(cè)溫補(bǔ)償
電子束熔煉設(shè)備的原料棒及電子槍位于真空室中，紅外溫度儀要通過(guò)觀察窗測(cè)溫，由于熔煉過(guò)程中組分揮發(fā)沉積于觀察窗上，從而給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的誤差，同時(shí)觀察窗玻璃也會(huì)影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性。
避免熔煉過(guò)程中組分揮發(fā)沉積于觀察窗影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，采取了以下措施：① 在爐體合適的位置上開(kāi)測(cè)量窗，并通過(guò)加長(zhǎng)測(cè)量筒的長(zhǎng)度使紅外測(cè)溫儀鏡頭遠(yuǎn)離蒸發(fā)源，減弱組分沉積效應(yīng)，②給測(cè)量窗玻璃內(nèi)壁貼透紅外線保護(hù)膜，每500 h裝料更換保護(hù)膜，以減少沉積組分的影響，③ 通過(guò)試驗(yàn)獲得組分沉積對(duì)紅外測(cè)溫儀影響的規(guī)律，并依此對(duì)紅外測(cè)溫儀的溫度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，④ 測(cè)定觀察窗玻璃和保護(hù)膜的吸收系數(shù)，并對(duì)紅外測(cè)溫儀的溫度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)上述措施減少了測(cè)量誤差，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
3 溫度控制系統(tǒng)
電子束熔煉爐屬于變壓器類(lèi)負(fù)荷，對(duì)于負(fù)荷的溫度控制，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)方法采用下列幾種：①采用多抽頭變壓器加切換開(kāi)關(guān)；② 接飽和電抗器；③ 在變壓器一側(cè)采用感應(yīng)調(diào)壓器、移圈調(diào)壓器進(jìn)行平滑調(diào)壓。使用上述方法對(duì)爐溫進(jìn)行控制，爐溫穩(wěn)定度低，能耗高，響應(yīng)慢，效果較差，對(duì)于爐溫控制要求較高的電子柬熔煉爐不適用。試驗(yàn)證明采用晶閘管調(diào)壓技術(shù)，獲得好的溫度控制效果，是變壓器類(lèi)負(fù)荷溫度控制的最佳選擇。
3.1 溫度控制系統(tǒng)組成
由于電子束區(qū)熔爐電子槍的燈絲為鎢絲，而鎢絲在冷態(tài)時(shí)電阻率很低(20℃時(shí)僅為O．056 Q·mm2／m)，只能通過(guò)變壓器降壓后對(duì)其供電。電子束區(qū)熔爐的溫度與陰極電流成正比，而陰極電流又與燈絲的熱電子數(shù)目成正比，通過(guò)燈絲電流取樣，電路對(duì)燈絲電流取樣并將其輸入PI調(diào)節(jié)器，運(yùn)算后送燈絲支路控制晶閘管門(mén)極觸發(fā)電路，組成一個(gè)溫度閉環(huán)控制回路。
高壓支路采用三組反并聯(lián)晶閘管與變壓器初級(jí)串聯(lián)，用相控觸發(fā)電路控制晶閘管門(mén)極，連續(xù)改變晶閘管的導(dǎo)通角，從而平滑調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)電壓，再通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量爐子溫度，并將其電信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后輸入到溫度調(diào)節(jié)器，溫度調(diào)節(jié)器通后運(yùn)算，輸出信號(hào)控制晶閘管門(mén)極觸發(fā)電路，組成另一個(gè)溫度閉環(huán)控制回路。通過(guò)以上雙閉環(huán)溫度控制回路實(shí)現(xiàn)功率、溫度的準(zhǔn)確控制，通過(guò)調(diào)節(jié)燈絲和加速支路的粗細(xì)調(diào)節(jié)精密電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。圖1為控制系統(tǒng)框圖。
3．2 存在的技術(shù)難題
(1)在溫度較高時(shí)爐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生金屬蒸氣，熔池的溫度越高，金屬蒸氣徑向漂移速度越大；熔池液面中心溫度越高、溫度梯度越大蒸發(fā)量越大。金屬蒸發(fā)量、速度和密度嚴(yán)重影響到高壓電流、電壓及陰極電流的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到爐子功率、溫度的穩(wěn)定性。
(2)熔煉爐放電，高壓回路產(chǎn)生高頻沖擊波對(duì)溫控系統(tǒng)和整個(gè)控制系統(tǒng)性能的影響。
(3)由于鎢絲電阻系數(shù)的非線性，負(fù)荷電阻的大小受溫度的影響很大，鎢的冷態(tài)電阻僅為熱態(tài)電阻的十幾分之一，若不采取措施，冷沖電流可達(dá)額定電流的十幾倍，影響晶閘管調(diào)壓器的可靠性和使用壽命。
(4)晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，由于觸發(fā)相位不對(duì)稱(chēng)或反并聯(lián)晶閘管參數(shù)不對(duì)稱(chēng)，或者觸發(fā)脈沖不可靠，使晶閘管調(diào)壓器輸出不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生較大的直流分量，使變壓器鐵芯飽和引起涌流而燒壞快速熔斷器和晶閘管。
(5)在高壓油箱內(nèi)部，由于高壓電源的特殊結(jié)構(gòu)，不可避免地存在寄生電容，引入共模干擾信號(hào)，導(dǎo)致束流的紋波指標(biāo)下降。
3．3 解決辦法
(1)金屬蒸發(fā)量、速度和密度主要與熔池液面的溫度和溫度梯度有關(guān)，所以直接對(duì)溫度采樣，并進(jìn)行溫度閉環(huán)控制，以穩(wěn)定高壓電流、電壓；因陰極電流與燈絲的熱電子數(shù)目成正比，通過(guò)燈絲電流取樣電路對(duì)燈絲電流取樣，并對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制，以穩(wěn)定陰極電流。由于雙閉環(huán)快速控制調(diào)節(jié)作用，較好的抑制了爐內(nèi)金屬蒸氣對(duì)爐子功率、溫度的影響。
(2)在電子槍和其它位置加裝電容器和放電間隙。
(3)選擇具有輸出限幅功能的溫度調(diào)節(jié)器，在冷態(tài)時(shí)，可通過(guò)溫度調(diào)節(jié)器來(lái)限制晶閘管調(diào)壓器的輸出幅值，將冷沖電流限制在額定電流以?xún)?nèi)；同時(shí)，在相控觸發(fā)電路中，設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)電路，當(dāng)晶閘管電流超過(guò)額定電流的1．5倍時(shí)，過(guò)流截止環(huán)節(jié)動(dòng)作，有效地保護(hù)晶閘管。
(4)盡量選擇參數(shù)一致或相近的晶閘管作為反并聯(lián)組件，相控觸發(fā)電路采用寬脈沖觸發(fā)和脈沖列觸發(fā)技術(shù)，其核心電路采用高精度、高可靠性的厚膜集成電路，以保證觸發(fā)脈沖穩(wěn)定、可靠，使晶閘管調(diào)壓器輸出波形基本對(duì)稱(chēng)，直流分量接近為零。
(5)考慮電磁兼容EMC設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于高壓電源的特殊結(jié)構(gòu)，不可避免地存在寄生電容，在高壓電源的設(shè)計(jì)中，采用雙層屏蔽措施及等電位電磁屏蔽措施，多點(diǎn)接地，減小系統(tǒng)紋波，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3．4 主要器件選型
紅外測(cè)溫儀：美國(guó)Raytek公司3ilML5型號(hào)，測(cè)溫范圍：600～3 500℃ ，距離系數(shù)300：1，響應(yīng)波長(zhǎng)1.0 m，單激光瞄準(zhǔn)測(cè)量精度為05 。晶閘管：通過(guò)調(diào)研，日本SHIMADEN(島電)公司生產(chǎn)的PAC35P型三相晶閘管調(diào)節(jié)器可滿足電子束區(qū)熔爐要求，管式爐核心電路采用的是該公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的厚膜電路，不僅有過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì)，還具備軟啟動(dòng)功能，性?xún)r(jià)比高，晶閘管調(diào)壓器的具體選型為：PAC35P006137一NO。溫度調(diào)節(jié)器的選擇應(yīng)具有PID 自整定調(diào)節(jié)功能和輸出限幅功能，SHIMADEN 公司的SR73系列溫調(diào)節(jié)器具備這一功能，具體選型為SR73—111—90—00000。經(jīng)過(guò)運(yùn)行至今無(wú)故障，性能穩(wěn)定可靠。
4 運(yùn)行結(jié)果
經(jīng)過(guò)化料和拉單晶，試用結(jié)果表明，該套系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制誤差為±2℃(3200℃ 時(shí))，達(dá)到電子束熔煉爐控溫精度等指標(biāo)的要求，溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行正常。拉出的鉬一鈮單晶的純度、晶粒度、密度等指標(biāo)明顯提高，見(jiàn)表1和表2。表1中數(shù)據(jù)說(shuō)明，電子束熔煉后金屬鉬中的氣體含量大幅度降低，表2說(shuō)明電子束熔煉的鉬的密度基本達(dá)到了鉬的理論密度。拉鉬單晶時(shí)，由于在熔池中形成了穩(wěn)定的圓錐型的溫度梯度場(chǎng)，
生成由下而上的、向中心傾斜的、致密的、粗大的柱狀晶粒。
改造后的電子束熔爐不但在溫度控制方面性能良好，同時(shí)在配套設(shè)備中采用PLC控制，溫度、控制器和重要數(shù)據(jù)都通過(guò)總線與主計(jì)算機(jī)相連，箱式爐實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控制計(jì)算機(jī)控制、顯示、存儲(chǔ)和打印。溫控系統(tǒng)還設(shè)手動(dòng)控制，系統(tǒng)設(shè)有3種故障聲光報(bào)警及連鎖：
① 水壓、水溫報(bào)警并斷開(kāi)“加熱電源”和“升溫控制”，關(guān)閉主閥停止擴(kuò)散泵；② 真空?qǐng)?bào)警；③加熱升溫控制系統(tǒng)故障報(bào)警并斷開(kāi)“升溫控制”。
自動(dòng)化程度高，工作穩(wěn)定可靠，爐子的監(jiān)控與操作大為簡(jiǎn)化，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。
電子束熔煉爐溫度控制的雙閉環(huán)控制回路方案。對(duì)以變壓器為負(fù)荷的電子束熔煉爐溫度控制采用晶閘管調(diào)壓技術(shù)是最佳選擇。管式電爐分析了該方案在實(shí)施過(guò)程中的幾個(gè)技術(shù)難題，給出了相應(yīng)的解決措施。結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)在爐溫檢測(cè)及控制方面，但是其性能和指標(biāo)顯著提高，減少人為因素造成的不利影響，產(chǎn)品的質(zhì)量也大幅度提高，為研制電子束熔煉爐提供了理論基礎(chǔ)。
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