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硅碳棒在粉末冶金行业的应用

本文介绍了硅碳棒和电加热密切相关的电气性能，并结合粉末冶金行业电炉的结构阐述了硅碳棒的选型、安装、接线、控制，对比分析了两种控制系统的特点，引导大家科学使用硅碳棒。

发布时间：

2025-11-15

来源：

硅碳棒是一种非金属电热元件,广泛应用于冶金、电子、化工等各领域,在粉末冶金行业,硅碳棒主要被用于高温区的加热。待烧的产品经过窑炉的预热区输送到高温区，经过高温烧结再输送到冷却区，高温区是产品烧成的关键区段。下面结合粉末冶金行业的特点对硅碳棒的性能及使用作简单介绍。

1 硅碳棒的性能

硅碳棒的性能一般分为化学性能、物理性能和电气性能，这里主要介绍与电加热密切相关的电气性能。

1.1 硅碳棒的热态电阻及电阻-温度曲线

硅碳棒是电阻性的加热元件，它的电阻随其表面温度的变化而变化,硅碳棒的电阻-温度曲线如图1所示。

图1 硅碳棒电阻-温度曲线

正由于其电阻值不是恒定值,因此硅碳棒出厂时所标注的阻值均为热态电阻,即硅碳棒表面升至1050±50℃时的电阻值。由于在高温的情况下硅碳棒会和氧气、氮气、氢气、水蒸气等多种介质反应，因此硅碳棒在使用过程中热态电阻会逐渐增大即老化。按行业规范,在寿命期限内,硅碳棒的热态电阻可增大至初始值的4倍，这就要求硅碳棒电炉的控制系统有调压功能，以弥补硅碳棒电阻增大后带来的加热功率的减小。

1.2 硅碳棒表面负荷密度

硅碳棒表面负荷密度指硅碳棒发热体表面单位面积上允许承受的功率,常用W/cm²表示，它决定硅碳棒最大的发热功率。而炉温的高低又直接决定负荷密度的大小，炉温越高负荷密度就越小，在棒表面温度1450℃的情况下，不同的炉温对应的最大负荷密度见下表：

棒表面温度	炉膛温度℃	允许最大负荷W/Cm²
1450	1000	31
	1100	24
	1200	21
	1250	18
	1300	14
	1350	10
	1400	6

这是硅碳棒在干燥空气中使用的数据，如果在氢气、水蒸气等还原性气氛中使用，负荷密度须大打折扣。实际上在具体设计时，负荷密度本身就要留有余量，必须参考同类炉子的实际情况。

1.3 硅碳棒端部电阻比率

端部电阻比率是指一支硅碳棒通电升至高温时,冷端的电阻占硅碳棒全电阻的百分比。它取决于冷端与发热体的电阻率之比(GD 棒为1/12,GC棒为1/5),代表硅碳棒冷端耗能的多少,电阻比率越大,冷端耗能越多。冷端电阻大到一定程度,冷端就会发红,这样,冷端耗能自然会超标,而且还可能会烧坏炉壁。因此,按我国标准,冷端红属于质量问题。

2 电炉的型式及硅碳棒的选用

2.1 粉末冶金电炉的型式

粉末冶金行业的炉子一般都是隧道式窑炉，有推板式和网带式两种。两种都有一个马弗，马弗往往是由若干段拼接而成。马弗里面通氨水裂解气体保护，也有通氢氮混合气体的。待烧的产品在马弗里面缓缓地移动，经过预热区、高温区、冷却区，最后到出口，预热区和冷却区用电阻丝加热，高温区用硅碳棒加热。硅碳棒在马弗的外面上下水平布置，见图2：

图2 硅碳棒安装示意图

由于马弗罐是一段一段拼接起来的，接口处无法密封，马弗里面的氢氮气体会通过接口处的缝隙扩散到硅碳棒所处的空间，硅碳棒长期在含有氢氮气体的环境工作，会被慢慢腐蚀老化。硅碳棒的端头被侧护板密封在钢壳内，保证炉膛里的气体不会通过装棒孔泄出，这样炉膛里的气体就只能从窑炉的入口和出口进入大气，方便进行处理。

2.2 硅碳棒的选型

此类电加热隧道窑的高温区，一般走分成三到五个区，每个区设计成12支或者18支硅碳棒，硅碳棒在马弗的上下均匀分布，三相供电。硅碳棒一般都选用等直径三段棒，硅碳棒发热体的长度往往大于马弗的宽度，和炉膛的宽度相对应，棒的总长则与炉体的宽度相对应。对于棒的直径，考虑各种因素，一般选φ35的棒，当硅碳棒的发热长度小于或等于500mm时，也可选φ30的棒，如果希望发热功率大一些也可选φ40的棒。也就是说炉温一定则允许的负荷密度就一定，直径越大硅碳棒发热面积就越大，硅碳棒的发热功率也就越大，反之亦然。对于硅碳棒电阻的选择，则应考虑选择这种规格硅碳棒的电阻范围的中值偏上的阻值，既方便生产供货，又能减少硅碳棒冷端的耗能。

2.3 硅碳棒的安装接线

硅碳棒是一种陶瓷性加热元件，质脆易断，在使用中会热胀冷缩，安装时要求装棒孔和棒之间必须要有合适的间隙，保证硅碳棒装上后能360度自由转动，进而保证硅碳棒在使用中能自由地热胀冷缩，否则如果间隙太小或卡死，硅碳棒很快会炸裂。

硅碳棒接线时，一定要先用专用的夹子把硅碳棒专用软铝带的一端夹到硅碳棒端头的喷铝处，铝带的另一端和导线或者别的硅碳棒连接。和硅碳棒的连接一定要采用这样的软连接。

2.4 硅碳棒的更换

由于硅碳棒在使用的过程中会逐渐老化，电阻增大，当硅碳棒出现断损换棒时，最好整组换，记好旧棒的电阻，旧的和旧的一起用。如果新旧棒混用，一定要配阻，保证一组棒发热一致。如果换一组新棒，通电前一定要把硅碳棒的工作电压向低调回到合适的档位，防止新棒超负载，而且通电时还要软启动。

3 硅碳棒加热的控制系统

粉末冶金电加热隧道窑实际上是把工艺烧成曲线在空间展开，各个区段的功率、温度必须按最大产能严密科学地设计。每个区段都是一套独立的控制系统。这里主要介绍一下高温区的硅碳棒加热电气控制系统，该系统常见的有两种，一种是传统规范的控制系统，带一台降压变压器，这种控制系统非常科学，许多进口炉子都是这种设计。另一种是简化的系统，不带变压器，国内目前的炉子大量采用这种。下面分别介绍一下这两种系统。

3.1传统规范的控制系统

最传统规范的电气控制系统一般由温控表、三相电力调整器、变压器、硅碳棒、热电偶等组成，系统主回路见图3：系统采用热电偶检测温度，将热电偶的毫伏信号输送给温控表，由温控表（通过4-20mA信号）和电力调整器结合起来实现对温度的自动控制。

图3 系统主回路

图中的三相电力调整器由六个可控硅组成，设计成移相触发，其输出电压可在0~380V之间连续调节，便于对炉温进行连续控制。由于硅碳棒不允许在送电时直接加全压，要求逐渐增加其工作电压，否则硅碳棒会在短时间炸裂，为此在电炉开始送电时用电位器W逐渐增加电压，实现软启动。此电位器还可用来限制最高输出电压，限制最大加热功率。

系统中的自耦变压器有三个作用，第一，给硅碳棒提供合适的工作电压。因为硅碳棒电阻小，不能直接加380/220V电压，需要将电压降到适合它工作的电压等级。第二，能有效地应对硅碳棒容易老化的特点。变压器的二次设计成多档恒功率输出，当硅碳棒老化，加热功率不够时，可以升高一个档位的电压，使硅碳棒又能达到设计功率，如此反复操作，自然就延长了硅碳棒的使用寿命。第三，有了变压器降压，硅碳棒就能够并联使用（见图4.1）。

图4.1 硅碳棒接法一

并联的优点是显而易见的，其一，并联的几支棒独立运行，如果断一根，不会影响其他棒的发热，而该区的温度一般都能维持，可以不立即换棒，以应生产之急。其二，几支棒同时并联在同一电压下工作，会使几支棒的电阻逐渐趋于一致。由于硅碳棒的生产工艺和电阻—温度特性所致，几支棒的实际电阻是不完全相同的，而并联的情况下，每支棒的功率和它的电阻成反比，电阻小的棒功率大，老化得就快；电阻大的棒功率小，老化得就慢，这样几支棒的电阻自然就趋于一致，这也就延长了硅碳棒的使用寿命。

3.2 简化的控制系统

把图3中的变压器省掉，用电力调整器直接给硅碳棒供电，就构成简化的加热系统。该系统同样通过温控表和电力调整器结合起来实现对炉温的自动控制，通过电位器进行软启动。而要给硅碳棒提供合适的工作电压，则只能通过调整电位器或者温控表的“上限限幅”的参数来限制系统的输出电压，这就要求制造厂家在设备出厂前调整好。

为了弥补硅碳棒老化带来的功率不足，硅碳棒的工作电压又必须留有一定的余量，前已叙及硅碳棒的电阻在寿命极限内可老化到初始值的4倍，虽然现在采用的等直径棒老化得慢，也须按2倍来考虑，这样的话，整个电炉的功率因数就会大幅度下降，而且需现场维修人员精心操作。至于硅碳棒的接法，由于电力调整器输出电压最高可达380V，而硅碳棒的电阻不可能做得太大，每相的硅碳棒只能按照串并来连接，见图4.2。

图4.2 硅碳棒接法二

这样接当然不如全并联。如果一定要按图4.1并联，电力调整器的输出电压会被压得很低，加热主回路的电流会很大，整个系统的功率因数会跟低，这两点是绝对不允许的！

4总结

综上所述，粉末冶金窑炉的高温区是粉末冶金烧结的重要环节,要想使窑炉运行安全可靠,硅碳棒有较长的使用寿命,必须做到以下几点:

(1)要统筹兼顾,合理分配各个区的功率，科学设定各个区的温度;

(2)科学合理地选用硅碳棒;

(3)科学设计硅碳棒加热的控制系统。

（联系电话13991870365）

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