改進(jìn)高溫梭式電窯硅碳棒連接方式

曹甜珍

（湖北黃岡應(yīng)急管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡 438000）

0 引言

某高校使用一種高溫梭式電窯為學(xué)習(xí)陶藝的學(xué)生和教師燒制陶藝作品，電窯由窯室和窯車兩大部分組成，窯室內(nèi)兩邊裝有兩排硅碳棒。由于梭式電窯結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、對(duì)燒成制品適應(yīng)性強(qiáng)，能適應(yīng)不同尺寸、形狀和材質(zhì)制品的燒成，對(duì)于學(xué)校的教學(xué)來說，高效節(jié)能高溫梭式電窯是學(xué)習(xí)陶藝的學(xué)生和教師燒制陶藝作品必不可少的一種燒成設(shè)備。

1 問題提出

該校高溫梭式電窯窯室內(nèi)裝有長度為1.66 m的12根等直徑的硅碳棒，均布在爐膛兩側(cè)面，每年需要燒制學(xué)生和老師創(chuàng)作的陶瓷作品20多窯。該高溫梭式電窯在使用一年后就出現(xiàn)故障，表現(xiàn)在高溫階段升溫緩慢。故障之初加溫1000℃以上升溫困難，后來加溫至800℃以上升溫也變得很困難，無法完成正常的燒制工作。必須指出的是硅碳棒電熱元件不能在400～700℃范圍內(nèi)長時(shí)間使用，否則硅碳棒會(huì)因低溫的強(qiáng)烈氧化作用而粉化。

通過仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)硅碳棒表面完好，沒有出現(xiàn)裂紋，也沒有因氧化作用而粉化，連線接頭處也接觸良好，檢查程序控制及設(shè)置也不存在問題。檢查硅碳棒的連接方式發(fā)現(xiàn)其為4根硅碳棒串聯(lián)為一組，三組共12根采用三角形連接方式（圖1）。

圖1 硅碳棒4種連接方式

2 故障分析

硅碳棒與金屬電熱元件不同，硅碳棒是一種非金屬電熱元件，使用溫度高，具有耐高溫、安裝維修方便等特點(diǎn)，且有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。與自動(dòng)化電控系統(tǒng)配套，可得到精確的恒定溫度，又可根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要按曲線自動(dòng)調(diào)溫。其電阻率的變化隨溫度的變化而改變，并且電阻率的變化呈非線性。傳統(tǒng)工藝制造的硅碳棒電阻率隨溫度變化存在一個(gè)800℃的拐點(diǎn)。硅碳棒的電阻特性是電阻率在室溫時(shí)電阻率將很大，隨著溫度的升高電阻率迅速降低，到800℃時(shí)電阻率最低，而后隨著溫度繼續(xù)升高，電阻率緩慢升高，并且隨溫度的升高電阻率升高愈大。高溫氧化氣氛下，硅碳棒元件的表面生成一層致密的石英（SiO2）保護(hù)層以防止硅碳棒繼續(xù)氧化。當(dāng)硅碳棒溫度大于1700℃，熔點(diǎn)為1710℃的二硅化鉬保護(hù)層熔融，由于表面張力的作用，二硅化鉬熔聚成滴，而失去保護(hù)作用。硅碳棒在氧化氣氛下，再繼續(xù)使時(shí)，SiO2保護(hù)層重新生成。因而硅碳棒在溫度較低時(shí)（20℃）電阻率數(shù)值具有不確定性。硅碳棒的電阻隨溫度升高而呈非線性變化，碳棒有較大的電阻率，在空氣中加熱部表面溫度1100℃時(shí)，電阻率為0.073 5～0.685 2Ωm/mm2。

發(fā)生故障的高溫梭式電窯在使用初期能正常工作，而后期出現(xiàn)高溫難以上升。分析原因應(yīng)該和硅碳棒阻值的變化以及連接方式有關(guān)。發(fā)生故障的高溫梭式電窯的硅碳棒的連接方式為4根硅碳棒串聯(lián)為一組，三組共12根硅碳棒采用三角形連接方式（圖1）。每根硅碳棒的電阻并不完全一樣，通過分析，認(rèn)為串聯(lián)時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)載不平衡，導(dǎo)致電阻高的硅碳棒負(fù)載較集中，使某一根硅碳棒的電阻快速增加，壽命變短。硅碳棒一般應(yīng)該并、串聯(lián)接線結(jié)合使用較好，在采用串聯(lián)連接方式時(shí)通常以2根硅碳棒為限。出現(xiàn)故障的電窯共有12根硅碳棒，用三相交流電源供電，一相有4根硅碳棒，采用4根硅碳棒串聯(lián)連接方式（圖1a）），顯然一旦通電就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載不平衡現(xiàn)象，若其中1根硅碳棒損壞還會(huì)影響其他硅碳棒的使用，必然會(huì)提高電窯的故障率，從而大大地縮短電窯的使用壽命。

3 改進(jìn)方法及效果

為了排除故障，通過理論分析及計(jì)算，且現(xiàn)場(chǎng)分別采用4種連接方式試驗(yàn)改造，將這4種連接方案逐一通電進(jìn)行試驗(yàn)，并從中確定最優(yōu)方案，現(xiàn)將發(fā)熱功率理論計(jì)算進(jìn)行比較如下：

3.1 串—角連接方案（圖1a））

將12根硅碳棒分為三組，每組4根硅碳棒。4根硅碳棒采用先串聯(lián)后，再三角形連接，單根棒的電阻為r，電路總電阻為R=4r/3，總功率P：

式中

P——功率，kW

U——電壓，V

r——單根硅碳棒的電阻，Ω

3.2 并—角連接方案（圖1b））

將12根硅碳棒分為三組，每組4根硅碳棒。4根硅碳棒采用兩兩先并聯(lián)，后串聯(lián)的三角形連接，單根棒的電阻為r，電路總電阻為R=r/3，方案2總功率提高較大，總功率P：

3.3 串—星連接方案（圖1c））

將12根硅碳棒分為三組，每組4根硅碳棒。4根硅碳棒采用先串聯(lián)，后再星形連接，單根棒的電阻為r，電路總電阻為R=4r，方案3總功率會(huì)降低。總功率P：

3.4 并—星連接方案（圖1d））

將12根硅碳棒分為三組，每組4根硅碳棒。4根硅碳棒采用兩兩先并聯(lián)，后串聯(lián)再星形連接，單根棒的電阻為r，電路總電阻為R=r，方案4總功率提高25%。總功率P：

通過試驗(yàn)和理論分析及計(jì)算，發(fā)現(xiàn)若采用第二種方案，通電后功率將增加過大，影響整個(gè)電窯電路的安全，使用時(shí)會(huì)帶來一定的安全隱患。若采用第三種方案，功率比原來的還小，高溫階段升溫比原來的連接方式還要緩慢。而第一種方案本來就是發(fā)生故障的連接方式，所以首先就將其排除。綜上所述，從硅碳棒的連接方式和發(fā)熱功率兩方面綜合考慮，選擇第四種方案較合適。也就是將該校高溫梭式電窯由先前的硅碳棒串—角連接（圖1a））改為硅碳棒并—星連接（圖1d）），高溫梭式電窯硅碳棒改進(jìn)后的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的接線圖（圖2），電窯總功率比以前提高25%。通過改進(jìn)硅碳棒的連接方式該高溫梭式電窯恢復(fù)正常工作，能按設(shè)定的程序達(dá)到預(yù)定的燒制要求，從而滿足學(xué)習(xí)陶藝的學(xué)生和教師的正常教學(xué)中陶瓷作品燒制需要。

圖2 碳棒的接線圖

4 結(jié)語

通過對(duì)改進(jìn)后的高溫梭式電窯通電試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫梭式電窯采用硅碳棒加熱時(shí)，其連接可采用串并聯(lián)結(jié)合組成一組。初期由于新的硅碳棒未氧化其阻值小可采用方案一，即串—角連接（圖1a））；中后期由于電阻變大，功率下降，高溫階段上升緩慢，甚至上升不到設(shè)置的溫度，這時(shí)硅碳棒的接法可改為方案4，即并—星連接（圖1d）），這是因?yàn)閷?duì)于同一規(guī)格的硅碳棒來說，它的總功率與連接方式有關(guān)，方案1比方案4的功率要大。由于硅碳棒阻值會(huì)隨著使用時(shí)間的推移而逐漸變大，所以輸出電壓要有調(diào)壓的空間，這樣才能達(dá)到足夠的熱功率，保證電窯溫度達(dá)到設(shè)定值。單相硅碳棒超過2根時(shí)應(yīng)采用并串聯(lián)組成一組的形式連接較合理。若其中一根硅碳棒出現(xiàn)故障時(shí)，還可以利用其余的硅碳棒繼續(xù)工作，如果將一組硅碳棒全部串聯(lián)在一起，一旦其中一根硅碳棒出現(xiàn)故障后，整個(gè)電路將會(huì)被破壞。如果將一組硅碳棒全部并聯(lián)在一起時(shí)，總電阻的分支電阻對(duì)電路的影響比串聯(lián)時(shí)要小，這樣會(huì)使各分支電阻漸趨均衡增長，因?yàn)殡娮栊〉脑蠒?huì)產(chǎn)生大的電流，使電阻增加。而串聯(lián)時(shí)正好相反，分支電阻將會(huì)加重，硅碳棒的電阻一旦超值就不能使用，從而影響高溫電窯的正常工作。

綜上所述，一旦高溫梭式電窯出現(xiàn)高溫升溫緩慢故障，排除故障時(shí)應(yīng)該首先主要從硅碳棒自身阻值的變化和連接方式這兩方面去考慮。當(dāng)然也不排除硅碳棒失效，窯溫控制程序等其他問題。