延长碳化硅硅碳棒使用寿命的方法

刘忠波，王征，张建宇，张林文，田苇，施启锐，章华

（云南云铝泽鑫铝业有限公司，云南 曲靖 655500）

我们公司目前使用的Pyrotek除气箱主要放置在静置炉和履带式铸机之间，除气的工作原理是：将16m3/h流量的氩气气体通过2个石墨转子注入到铝液中，石墨转子安装在旋转机构上，变频电机带动旋转机构旋转，将注入的氩气分散成微小的气泡并均匀地在铝液中扩散，在小气泡上升过程中，铝液中吸附的氢气及氧化渣随着小气泡的上升，将氧化渣及氢气带出熔体，从而有效地去除铝液中的氢气及氧化渣。同时石墨转子在熔体中搅拌，可以使熔体中的合金元素更加均匀，搅拌可使氩气气泡与铝液的接触面增大，在相同的时间内吸附的氢气更多。

除气箱在使用过程中，铝液的保温主要通过除气箱加热系统进行保温，加热系统也可用于除气箱内衬的预热，但它不适合用于对铝液的升温。加热系统主要由螺纹硅碳棒加热器、碳化硅硅碳棒保护套管、测温热电偶、调功器四部分组成，加热器安装在碳化硅硅碳棒保护套管内，并浸没在铝液中，加热效率高。由于螺纹硅碳棒加热器采用螺纹状加工而成，中间间隔小，在频繁的启停中，不断受电流及震动的冲击，易老化断裂，寿命短。螺纹硅碳棒制造工艺复杂，且价格昂贵，因此规范硅碳棒使用方法及将螺纹硅碳棒加热器改造为U型碳化硅硅碳棒，可以有效延长硅碳棒使用寿命。

1 碳化硅硅碳棒的发展趋势

碳化硅硅碳棒，是以高纯度的绿色SiC为主要原料，经2200℃高温再结晶制成的非金属发热体，最高使用温度为1350℃，其电阻随使用温度和时间而变化。通过向碳化硅中加入粘合剂，粘合剂占碳化硅重量的0.8～1.2%，再采用连续高温烧结工艺[1]，可使碳化硅电阻值偏差缩小，红热均匀度偏差缩小，烧成成品率提高，耗能大大降低。

目前，国外的SiC电热元件的最高使用温度已达到1650℃，在1600℃时可长期使用。我国的碳化硅电热元件在生产成品率和产品质量上与国外存在较大的差距，主要存在问题是碳化硅电热元件的烧结工艺和及电阻离散性大和力学性能差等问题[2]。

SiC硅碳棒的主要优点是热辐射能力强、升温快、热态时抗氧化性强[3]，硅碳棒加热的方式被广泛的应用于铝行业中，在铝行业加热系统运用中，主要有棒状、U型、L型及螺旋型等，电气连接方式主要采用星形或三角形连接。

2 碳化硅硅碳棒老化的原因分析

碳化硅硅碳棒老化的过程主要是由于电阻值的增加导致寿命降低的过程，由于碳化硅硅碳棒在除气箱中长期加热，温度达到800℃以上，硅碳棒长期使用能与氧气和水蒸气发生如下化学反应：

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

随着使用时间的延长，硅碳棒中SiO2含量逐渐增加，电阻值随之增加，从而加速硅碳棒的老化。同时水蒸气过多，会促进SiC氧化，氧化过程中产生的H2与空气中的O2结合又生成H2O，导致产生恶性循环，从而降低硅碳棒的使用寿命。硅碳棒在1350℃以上时，硅碳棒会与氮气反应生成一系列的氮硅化合物，加快老化速度。随着加热温度的变化，碳化硅硅碳棒会发生一系列化学反应（如表1所示），导致硅碳棒老化损坏。

表1 碳化硅硅碳棒对应温度发生化学反应

3 提高碳化硅硅碳棒使用寿命的方法

3.1 采用正确安装方法安装硅碳棒

安装硅碳棒需按照（图1）的位置安装好加热器，安装时，要在护板2和保护套法兰上端面之间、护板1和保护套法兰下端面之间、护板1和加热器底板之间的位置分别放10mm的保温棉[4]，加热器和保护套管安装好后，用兆欧表测试加热体和保护套之间绝缘电阻，绝缘值不能低于2兆欧，硅碳棒绝缘值测试合格后方可合闸通电。

图1 除气箱硅碳棒正确安装方法

3.2 使用前应对硅碳棒外观进行检查

由于硅碳棒在运输途中或搬运过程中有可能出现碰撞导致硅碳棒表面受损，因此在更换硅碳棒前应对硅碳棒表面外观进行仔细检查，确保硅碳棒表面无裂纹。

3.3 硅碳棒使用前充分预热，使用正确的加热操作方法

安装硅碳棒之前，需先除气箱碳化硅保护套内部清扫干净，需保证碳化硅保护套不能有开裂现象，同时保护套内部不能有铝液或铝渣残留在保护套内，因为保护套内若出现铝液会导致硅碳棒短路烧坏，硅碳棒在安装前需进行至少24小时均匀预热，若预热方式不正确或者采用其他加热方式对硅碳棒进行预热会使硅碳棒的局部温度过热导致硅碳棒断裂，严重影响其使用寿命。

硅碳棒在更换完成后不能马上打开电源进行加热，由于急剧加热会使SiO2保护膜被破坏，因此，在通电前应利用铝液温度先对硅碳棒进行预热，使硅碳棒内的水分去除，再让硅碳棒缓慢升温，缓慢从低温过渡到高温。加热初期，设定温度尽量调小，待温度稳定一段时间后再逐渐调高设定温度，可有效保证SiO2保护膜不被破坏，这样硅碳棒就不会因为急剧升温而导致断裂。

3.4 接线夹的正确使用

硅碳棒的接线端接线夹应选用用不锈钢接线夹，采用不锈钢接线夹可解决高温环境下严重变形导致接触不良问题，同时接线夹的厚薄要适中，太厚会使夹子与硅碳棒的接触不良，太薄会因为氧化脱皮而烧坏[5]，为了保证接线夹与硅碳棒接触良好，在安装硅碳棒时应在硅碳棒的冷端包一层锡箔纸或涂抹导电膏，让接线夹与硅碳棒紧密接触增加导电性，接线夹螺栓压得不能太紧，太紧会导致硅碳棒高温时膨胀损坏硅碳棒，安装完成后如图2所示，在安装完硅碳棒接线夹后需要进行接线夹与硅碳棒之间电阻值测量，需要保证安装接线夹与未安装接线夹时阻值基本一致为宜。

图示2 碳化硅螺纹硅碳棒接线夹

3.5 控制加热温度，降低老化速度

硅碳棒随着使用时间的延长会逐渐老化，硅碳棒会逐渐氧化变成SiO2，SiO2的生成会导致硅碳棒的阻值越来越大，导致硅碳棒在原来的调功器上通电后就马上烧坏，且硅碳棒老化一般是从800℃开始，且温度越高，氧化反应越快[6]。因此硅碳棒在除气箱中使用时，应该尽量降低硅碳棒的表面温度，保证硅碳棒设定温度不超过800℃，以减慢硅碳棒的老化速度。

3.6 硅碳棒应避免极冷或极热

硅碳棒暴露在空气中会在表面形成一层SiO2保护膜，SiO2保护膜可以防止硅碳棒进一步氧化，由于SiO2在270℃左右会发生晶相变化，内部结构发生变化会产生膨胀和收缩，此时会导致SiO2膜被破坏，同时硅碳棒的表面温度急剧上升或者下降，都会破坏保护膜，加快硅碳棒老化速度[6]。因此在使用硅碳棒时，尽量让硅碳棒处于正常保温状态，避免硅碳棒极热或极冷，从而延长其使用寿命。

4 采用先进的控制技术进行电气控制

4.1 采用带有自动功率分配功能的调功器

硅碳棒发热部位所承受的电功率会随温度的变化而变化，若硅碳棒调功器的功率选择不当，会导致硅碳棒通电后很快烧断，在硅碳棒加热控制中，需要使用带有自动功率分配功能的调功器对硅碳棒进行加热控制。

硅碳棒加热系统采用带有自动功率分配功能调功器控制，调功器功率元件采用双向可控硅元件，控制电路采用单片机智能控制电路，启动方式采用软启动控制方式可减少功率对硅碳棒的冲击。加热器的控制，有自动和手动控制模式；自动控制时采用PID闭环控制，调功器带有欠压、过流保护、故障报警功能。

带有自动功率分配功能的调功器在硅碳棒加热过程中，可以根据除气箱设定温度进行电功率调节，可以动态地实现每根硅碳棒功率的自动平均分配，除气箱保护套管内的热电偶将套管内的实际温度传给PLC，PLC采用PID运算后，将设定温度与实际温度作比较，从而输出一个控制4—20mA电流信号给电源调功器，通过电源调功器对输出功率进行分配调节，从而实现温度高低的调节控制，因此选择合适的调功器可以延长硅碳棒使用寿命。

4.2 采用误差控制技术实现温度控制

为了延长硅碳棒使用寿命，电气控制系统采用误差控制技术来实现除气箱内温度控制，通过硅碳棒对除气箱内铝液进行辐射加热，利用热电偶采集加热温度，将除气箱硅碳棒保护套内温度信号送入PLC控制器进行处理，同时在已经设定的温度值基础上进行比较，通过误差控制借助温控仪和调功器来调整实时温度，达到满足系统温度稳定运行的要求。

4.3 硅碳棒由螺纹状改为U形碳化硅硅碳棒

由于硅碳棒加热体材质种类很多，综合考虑选用具有耐高温、抗氧化升温快、寿命长，且有良好的化学稳定性的碳化硅硅碳棒。由于目前除气箱多采用螺纹硅碳棒（图示3），在使用过程中易断裂，因此我们选用U形碳化硅硅碳棒（图示4）来代替螺纹硅碳棒，可提高硅碳棒使用寿命。

图示3 改造前使用碳化硅螺纹硅碳棒

图示4 改造后使用碳化硅U型硅碳棒

5 采用U型碳化硅硅碳棒的优点

由于U型碳化硅硅碳棒使用温度高、具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、升温快、寿命长、高温变形小、安装维修方便等特点，且有良好的化学稳定性，抗酸能力强。

（1）改造前每根螺纹硅碳棒使用寿命为1个月，由螺纹硅碳棒改造为U型硅碳棒后，每根U型硅碳棒使用寿命可达5个月。

（2）直接经济效益

改造前：人工成本：更换1根硅碳棒需2人，2人互相配合需2小时（15元/小时），每个月需更换硅碳棒3根。2人×2小 时/人×15元/人×3根/月×12月=2160元。材料成本：每根硅碳棒单价5000元/根，3根/月×12月×5000元/根=18万元。

改造后：每5个月需更换硅碳棒1根，每根硅碳棒单价5000元/根，改造其他费用2000元。2人×2小时/人×15元/人×2.4根/年+5000元/根×2.4根+2000元=14144元。

每年共节约：180000元-14144元=165856元

（3）社会、环境效益

由于在更换硅碳棒过程中容易烫伤及触电，硅碳棒使用方法不正确会导致硅碳棒损坏，规范碳化硅硅碳棒使用方法及进行硅碳棒改造后，碳化硅硅碳棒使用寿命明显延长，同时减少烫伤及触电事故的发生，还可以避免因除气箱加热体故障导致影响铝合金正常生产。