延長碳化硅硅碳棒使用壽命的方法

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之間，除氣的工作原理是：將16m3/h流量的氬氣氣體通過2個石墨轉子注入到鋁液中，石墨轉子安裝在旋轉機構上，變頻電機帶動旋轉機構旋轉，將注入的氬氣分散成微小的氣泡并均勻地在鋁液中擴散，在小氣泡上升過程中，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。同時石墨轉子在熔體中攪拌，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，在相同的時間內吸附的氫氣更多。

除氣箱在使用過程中，鋁液的保溫主要通過除氣箱加熱系統進行保溫，加熱系統也可用于除氣箱內襯的預熱，但它不適合用于對鋁液的升溫。加熱系統主要由螺紋硅碳棒加熱器、碳化硅硅碳棒保護套管、測溫熱電偶、調功器四部分組成，加熱器安裝在碳化硅硅碳棒保護套管內，并浸沒在鋁液中，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，不斷受電流及震動的沖擊，易老化斷裂，壽命短。螺紋硅碳棒制造工藝復雜，且價格昂貴，因此規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，可以有效延長硅碳棒使用壽命。

1 碳化硅硅碳棒的發展趨勢

碳化硅硅碳棒，是以高純度的綠色SiC為主要原料，經2200℃高溫再結晶制成的非金屬發熱體，最高使用溫度為1350℃，其電阻隨使用溫度和時間而變化。通過向碳化硅中加入粘合劑，粘合劑占碳化硅重量的0.8～1.2%，再采用連續高溫燒結工藝[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，國外的SiC電熱元件的最高使用溫度已達到1650℃，在1600℃時可長期使用。我國的碳化硅電熱元件在生產成品率和產品質量上與國外存在較大的差距，主要存在問題是碳化硅電熱元件的燒結工藝和及電阻離散性大和力學性能差等問題[2]。

SiC硅碳棒的主要優點是熱輻射能力強、升溫快、熱態時抗氧化性強[3]，硅碳棒加熱的方式被廣泛的應用于鋁行業中，在鋁行業加熱系統運用中，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程主要是由于電阻值的增加導致壽命降低的過程，由于碳化硅硅碳棒在除氣箱中長期加熱，溫度達到800℃以上，硅碳棒長期使用能與氧氣和水蒸氣發生如下化學反應：

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

隨著使用時間的延長，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。同時水蒸氣過多，會促進SiC氧化，氧化過程中產生的H2與空氣中的O2結合又生成H2O，導致產生惡性循環，從而降低硅碳棒的使用壽命。硅碳棒在1350℃以上時，硅碳棒會與氮氣反應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，碳化硅硅碳棒會發生一系列化學反應（如表1所示），導致硅碳棒老化損壞。

表1 碳化硅硅碳棒對應溫度發生化學反應

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，要在護板2和保護套法蘭上端面之間、護板1和保護套法蘭下端面之間、護板1和加熱器底板之間的位置分別放10mm的保溫棉[4]，加熱器和保護套管安裝好后，用兆歐表測試加熱體和保護套之間絕緣電阻，絕緣值不能低于2兆歐，硅碳棒絕緣值測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 使用前應對硅碳棒外觀進行檢查

由于硅碳棒在運輸途中或搬運過程中有可能出現碰撞導致硅碳棒表面受損，因此在更換硅碳棒前應對硅碳棒表面外觀進行仔細檢查，確保硅碳棒表面無裂紋。

3.3 硅碳棒使用前充分預熱，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套內部清掃干凈，需保證碳化硅保護套不能有開裂現象，同時保護套內部不能有鋁液或鋁渣殘留在保護套內，因為保護套內若出現鋁液會導致硅碳棒短路燒壞，硅碳棒在安裝前需進行至少24小時均勻預熱，若預熱方式不正確或者采用其他加熱方式對硅碳棒進行預熱會使硅碳棒的局部溫度過熱導致硅碳棒斷裂，嚴重影響其使用壽命。

硅碳棒在更換完成后不能馬上打開電源進行加熱，由于急劇加熱會使SiO2保護膜被破壞，因此，在通電前應利用鋁液溫度先對硅碳棒進行預熱，使硅碳棒內的水分去除，再讓硅碳棒緩慢升溫，緩慢從低溫過渡到高溫。加熱初期，設定溫度盡量調小，待溫度穩定一段時間后再逐漸調高設定溫度，可有效保證SiO2保護膜不被破壞，這樣硅碳棒就不會因為急劇升溫而導致斷裂。

3.4 接線夾的正確使用

硅碳棒的接線端接線夾應選用用不銹鋼接線夾，采用不銹鋼接線夾可解決高溫環境下嚴重變形導致接觸不良問題，同時接線夾的厚薄要適中，太厚會使夾子與硅碳棒的接觸不良，太薄會因為氧化脫皮而燒壞[5]，為了保證接線夾與硅碳棒接觸良好，在安裝硅碳棒時應在硅碳棒的冷端包一層錫箔紙或涂抹導電膏，讓接線夾與硅碳棒緊密接觸增加導電性，接線夾螺栓壓得不能太緊，太緊會導致硅碳棒高溫時膨脹損壞硅碳棒，安裝完成后如圖2所示，在安裝完硅碳棒接線夾后需要進行接線夾與硅碳棒之間電阻值測量，需要保證安裝接線夾與未安裝接線夾時阻值基本一致為宜。

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

硅碳棒隨著使用時間的延長會逐漸老化，硅碳棒會逐漸氧化變成SiO2，SiO2的生成會導致硅碳棒的阻值越來越大，導致硅碳棒在原來的調功器上通電后就馬上燒壞，且硅碳棒老化一般是從800℃開始，且溫度越高，氧化反應越快[6]。因此硅碳棒在除氣箱中使用時，應該盡量降低硅碳棒的表面溫度，保證硅碳棒設定溫度不超過800℃，以減慢硅碳棒的老化速度。

3.6 硅碳棒應避免極冷或極熱

硅碳棒暴露在空氣中會在表面形成一層SiO2保護膜，SiO2保護膜可以防止硅碳棒進一步氧化，由于SiO2在270℃左右會發生晶相變化，內部結構發生變化會產生膨脹和收縮，此時會導致SiO2膜被破壞，同時硅碳棒的表面溫度急劇上升或者下降，都會破壞保護膜，加快硅碳棒老化速度[6]。因此在使用硅碳棒時，盡量讓硅碳棒處于正常保溫狀態，避免硅碳棒極熱或極冷，從而延長其使用壽命。

4 采用先進的控制技術進行電氣控制

4.1 采用帶有自動功率分配功能的調功器

硅碳棒發熱部位所承受的電功率會隨溫度的變化而變化，若硅碳棒調功器的功率選擇不當，會導致硅碳棒通電后很快燒斷，在硅碳棒加熱控制中，需要使用帶有自動功率分配功能的調功器對硅碳棒進行加熱控制。

硅碳棒加熱系統采用帶有自動功率分配功能調功器控制，調功器功率元件采用雙向可控硅元件，控制電路采用單片機智能控制電路，啟動方式采用軟啟動控制方式可減少功率對硅碳棒的沖擊。加熱器的控制，有自動和手動控制模式；自動控制時采用PID閉環控制，調功器帶有欠壓、過流保護、故障報警功能。

帶有自動功率分配功能的調功器在硅碳棒加熱過程中，可以根據除氣箱設定溫度進行電功率調節，可以動態地實現每根硅碳棒功率的自動平均分配，除氣箱保護套管內的熱電偶將套管內的實際溫度傳給PLC，PLC采用PID運算后，將設定溫度與實際溫度作比較，從而輸出一個控制4—20mA電流信號給電源調功器，通過電源調功器對輸出功率進行分配調節，從而實現溫度高低的調節控制，因此選擇合適的調功器可以延長硅碳棒使用壽命。

4.2 采用誤差控制技術實現溫度控制

為了延長硅碳棒使用壽命，電氣控制系統采用誤差控制技術來實現除氣箱內溫度控制，通過硅碳棒對除氣箱內鋁液進行輻射加熱，利用熱電偶采集加熱溫度，將除氣箱硅碳棒保護套內溫度信號送入PLC控制器進行處理，同時在已經設定的溫度值基礎上進行比較，通過誤差控制借助溫控儀和調功器來調整實時溫度，達到滿足系統溫度穩定運行的要求。

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種類很多，綜合考慮選用具有耐高溫、抗氧化升溫快、壽命長，且有良好的化學穩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），在使用過程中易斷裂，因此我們選用U形碳化硅硅碳棒（圖示4）來代替螺紋硅碳棒，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點

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、高溫變形小、安裝維修方便等特點，且有良好的化學穩定性，抗酸能力強。

（1）改造前每根螺紋硅碳棒使用壽命為1個月，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5個月。

（2）直接經濟效益

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（15元/小時），每個月需更換硅碳棒3根。2人×2小 時/人×15元/人×3根/月×12月=2160元。材料成本：每根硅碳棒單價5000元/根，3根/月×12月×5000元/根=18萬元。

改造后：每5個月需更換硅碳棒1根，每根硅碳棒單價5000元/根，改造其他費用2000元。2人×2小時/人×15元/人×2.4根/年+5000元/根×2.4根+2000元=14144元。

每年共節約：180000元-14144元=165856元

（3）社會、環境效益

由于在更換硅碳棒過程中容易燙傷及觸電，硅碳棒使用方法不正確會導致硅碳棒損壞，規范碳化硅硅碳棒使用方法及進行硅碳棒改造后，碳化硅硅碳棒使用壽命明顯延長，同時減少燙傷及觸電事故的發生，還可以避免因除氣箱加熱體故障導致影響鋁合金正常生產。