硅碳棒与电气炉窑

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1、十七、硅碳棒与电气炉窑 张增安 ( 西安金戈磨料磨具有限责任公司7 1 0 6 0 0 ) 一、硅碳棒的主要性能 硅碳棒是碳化硅的再结晶制品，它具有S i C 再结晶制品一系列物理化学性质。硅碳棒的 主要成份是S i C ，尤其是发热体。通常含有9 8 以上S i C ，其余为各种杂质，主要是：硅( s i ) 、 二氧化硅( s i 、碳( C ) 以及铁、铅、镁等。 ( 1 ) 硅破棒的主要几项物理性能( 发热体部分) 密度与透气性，硅碳棒在某种程度上说是多孔的，这是由于制造工艺所决定的，它的 大部分气孔是彼此连通的，这就构成了贯穿棒体所有方向的开口气孔率。还有封闭的气孔， 并形成了封闭气

2、孔率。 气孔率的实际意义是很大的。它的机械强度、抗氧化能力、导热都与气孔率大小直接相 关。气孔率越大，氧化越快，使用寿命越短。 一般来讲，国内硅碳棒发热体的体积密度和气孔率是2 3 2 克立方厘米和3 0 ：国外大 约是两种日本、美国、德国) a 2 5 和6 ：b 2 8 和5 。 抗弯强度：硅碳棒的强度取决于一系列的工艺因素：坯料的颗粒组成、结合剂、成型方 法、成型压力以及烧成温度与烧成条件。 国内硅碳棒发热体的常温抗折强度一般是4 0 l f I P a ，国外分两种，一种约8 0 M P a ，另一种 约1 2 0 M P a 。在高温情况下，抗折强度更高，特别是1 2 0 0 “ C

3、 以上时，比常温大约提高一倍。 在高温恒温下，或在高温恒温施加一定的荷重时，硅碳棒随时间的发展而发生变形，这种现 象称为蠕变。在正常使用温度下硅碳棒的蠕变现象很少，如果超过硅碳棒正常使用温度， 蠕变现象增加。 热膨胀：硅碳棒的热膨胀在很广的温度范围内均匀地进行。它比碳化硅的热膨胀系数 ( 5 5 7 5 7 9 1 矿m ) 要小，这是由于热膨胀被气孔所补偿的缘故。一般约4 3 - 4 8 X l O - w 。 硅碳棒在使用过程中的氧化对膨胀有显著的影响，氧化时使体积发生显著的非可逆增 大，其反应如下： S i C + 2 0 2 = S i 0 2 + C 0 2 S i C 变成S i

4、O 。导致体积非可逆增大约1 1 倍。氧化程度愈大，则膨胀时突变也愈大。 硅碳棒应用实践证明，由于氧化，特别在超负荷情况下，硅碳棒在使用中膨胀并损坏， 这种现象特别在硅碳棒间断的应用中尤为显著。 导热性：硅碳棒的导热性高，气孔率对导热系数影响很大，气孔率越大导热系数越低。 在1 2 0 0 - 1 4 0 0 “ C 的使用温度下，其导热系数为l O 一1 4 千卡米小时度。 ( 2 ) 化学性能：从化学性质讲，硅碳棒与其它电热元件比较，其优点主要是具有良好的 化学稳定性，耐腐蚀性，它之所以具备这个独特的优点，这是因为硅碳棒在富氧的气氛中使 用，从8 0 0 “ ( 2 开始生成S i 0 2

5、 玻璃层，1 3 0 0 “ C 时保护层开始结晶出石英。相交引起了开裂，从 而氧化速度有所增加，到1 5 0 0 - - - 1 6 0 0 “ C 时，s i 0 2 保护层达到了一定的厚度，而当温度达到 1 6 2 7 以上时，由于发生了反应：2 S i O ：+ S i C - - S i ( h + C 0 2 以及S i 0 2 的蒸发，使S i 0 2 保护层受到 破坏因而碳化硅的氧化作用迅速进行，硅碳棒迅速损坏。因此，在1 6 0 0 “ C 以下，对硅碳 棒来讲，S i O ：保护层隔绝了S i C 与富氧气体接触，从而大大减慢了氧化反应的进行。大家知 道S i O i 对相

6、当多的介质都是一种化学稳定性很好的物质，这样S i 如层对硅碳棒就起到了保 护作用，就使硅碳棒能在1 5 0 0 1 2 下长期使用( 目前国内受窑炉技术、硅碳捧冷端技术等相关 因素影响，一般限制的上限温度) ，这种现象多少有些类似于室温下的金属铝。这两种材料 有价值的工程性都在于氧化物保护膜的很高的化学稳定性。另外需要说明的一点是在硅碳棒 表面生成S i o z 层过程中，棒体电阻也逐渐增加，这种现象称为硅碳棒的“老化”。 硅碳棒的老化快慢是其寿命的体现，一般来讲，硅碳棒寿命终止是指在使用过程中其 电阻值增长到初始值的四倍通常说的硅碳棒能用多长时间就是指的这个概念，目前，我公 司硅碳棒产品在

7、富氧气中连续使用寿命约为4 0 0 0 小时。当然影响硅碳棒寿命的因素很多， 其主要因素是使用温度的高低，连续和间隔使用，负荷密度的大小及负荷分配的均衡性，炉 内气氛等。 由于S i R 保护层的作用，硅碳棒的抗酸能力很强，抗碱性较差，在高温下，易被熔融 碱和碱金属硫酸盐侵蚀。因此，根据试验和实际经验总结，除硅碳棒在干燥空气中可使用 1 5 0 0 外，在下列气氛中应降低使用温度，水蒸汽、氮气、氨气、硫磺气氛中应控制在1 3 0 0 以下，在氢气、氯气气氛中，应控制在1 2 0 0 “ C 以下。真空中1 1 0 0 “ ( 2 以下。 ( 3 ) 硅碳捧的电气性能 硅碳棒电阻温度系数。硅碳棒

8、的结构属于碳化硅高温半导体材料结构，它的电阻温度 系数不同于金属导体，微量的杂质影响硅碳棒冷态电阻，使硅碳棒的电阻温度系数在0 - 8 0 0 时呈负值( 电阻值 随硅碳棒发热温度升高而减少) 。8 0 0 C 以上电阻温度数呈正值( 电阻值随硅碳棒发热温度的 升高而增大) 。般情况下，在i 0 0 0 、1 5 0 0 X 之间，电阻温度系数变化不是很大( 约1 5 以内) ， 达到1 6 2 7 以后，电阻温度系数突然呈指数增长( 也就是S i C 迅速分解) 。由于硅碳棒含有 的杂质的品种不同，电阻温度系数呈正值的温度转变点也有差别，如国外的硅碳棒转变点大 都为6 0 0 “ C 左右。

9、厕时，硅碳捧的电阻温度特性曲线离散性很大，虽然都是上面所说的大概 趋势，但相同规格产品，其曲线都不完全吻合( 特别是8 0 0 “ C 以前) 。 硅碳棒高温电阻 由于硅碳棒电阻温度特性的离散性，而且这种特性主要在8 0 0 以前差异较大，8 0 0 “ ( 2 以后差异较小，而且，8 0 0 “ C 以上时电阻温度系数受温度影响较小，相当于半导体特性中的 饱和段，所以检测硅碳棒电阻时最好测定在1 0 0 0 “ C 时的电阻( 我公司控制标准是1 0 5 0 “ C 左 右) 。所以现在硅碳棒上标注的电阻，都是在1 0 5 0 “ C 左右时的电阻，它与冷态电阻之间没有 规律可循。 硅碳棒表

10、面负荷密度，是指硅碳棒发热部表面单位面积所承受的电功率用w c m 表示。 在相同炉温条件下，表面负荷密度值选择大，则硅碳棒可以用的少，但温度调节范围狭窄， 使用寿命短，反之，硅碳棒用的多，使用寿命长，而且温度调节范围大，因此硅碳棒表面负 荷密度与使用寿命成反比。棒体表面承受的功率与窑炉结构形式，炉膛温度、传热方式、炉 内气氛诸因素有关。说明书中各种硅碳棒规定了在相应炉膛温度下的允许负荷。 发热部与冷端部电阻率比系数，是指硅碳棒通电升到高温时，通过测量计算的发热部 与冷端部的电阻率之比的系数：行业标一准是G D 为1 2 ，G c 为5 。 = 、硅碳棒在电气炉窑中的应用 工业炉窑，按常用热源

11、的性质可分为火焰炉和电炉，电炉又分为箱式电炉和连续电炉。 电炉的加热方式一般按加热元件和使用温度的不同又分为电阻丝加热电炉，硅碳棒电炉，硅 钥棒电炉，石墨加热电炉、中频炉、高频炉等。以适合不同的加工方式。硅碳棒电炉一般应 用在使用温度为6 0 0 一1 5 0 0 场合。 1 设计中硅破棒的选用方法 硅碳棒优点为热辐射性能好，热能利用高，便于控温且控温精度高，控制设备简单且投 资较小，便于安装、维修、更换等。缺点为阻值随温度变化，由于“老化”原因随着使用阻 值不断增大，脆而易断等。正是由于以上的优点，使硅碳棒加热方式广泛使用在国民经济的 各种行业一般情况下，硅碳棒选用方法如下： 在确定了电炉总

12、功率后，根据炉膛尺寸可确定硅碳棒发热部长度。 按炉膛温度，气氛确定硅碳棒的表面负荷密度( 查炉内温度与表面负荷密度关系图) 。 表面负荷密度实际选用值要小于极限值，建议取三分之二左右。工程上可采用粗略的经验 办法，如康泰尔公司说明中推荐，炉温1 2 0 0 以上，取6 W c m ，以下取1 2 W c m 。 根据前面确定的总功率，发热部长度，表面负荷密度，就可计算出总发热面积。 参考说明书中的标准规格先依发热部长度为依据，初步确定硅碳棒直径。冷端长度 为炉墙厚+ 5 0 m ，硅碳棒规格就确定了，同时每支棒的发热部表面积= n 直径发热部长度， 则：需要总支数= 总发热面积发热部面积。支数

13、也初步确定了。 一般情况下，再把总支数凑成6 的倍数( 三相供电) 或2 的倍数( 单相) ，以便于供电接 线。 如果总支数不合适( 太多或太少) 可改用直径太些或小些棒后重新计算( 重复( 4 ) ，( 5 ) 步骤) 。般总支数不合适主要是两个方面：( 1 ) 是支数太多，炉膛装不下或支数太少，捧间 距太大，不能保证炉内温度均匀性。棒间距一般应控制在6 0 m m - 2 0 0 m m 之间( 2 ) 是总电阻与 供电设各功率、调压范围、电流额定值不匹配。 2 电炉中硅棒的配组和接线 根据欧姆定律可知：在串联电路中，电路总功率等于各电阻上功率之和，各电阻上电 流相等，且每个电阻上的功率正

14、比于各自电阻值，表达式为： I R = I R l + I I 2 I 岛。 在并取电路中，各电阻上电压相等，且每个电阻上的功率与其电阻值成反比，表达式： U 2 R = u 2 R 1 + U P u U P 。 因此，当几根棒串联时，一旦棒与棒之间电阻相差较大，功率以及与它直接联系的表面 温度也相差大。这样，就形成恶性循环，电阻大的硅碳棒因其温度高、氧化快、电阻上升越 快，这进一步加大了它与别的棒的温差，这使它很快损坏，这不但影响硅碳棒的使用寿命， 而且也影响了炉内温度的均匀性。所以，标准规定，在同一串联支路中，电阻值不能相差太 大，限制在0 卜0 2o 范围，这称为配阻。同时建议串联支路

15、中，硅碳棒支数不要过多，两 支最好，支数多了，配阻要求更严格。 在并联电路中，则不同，电阻小者，功率大，温度高由于其相对老化快，电阻上升快， 功率随之下降，这在一定程度上避免了因电阻差而引起的个别棒过早老化损坏的问题使硅碳 棒电阻随着使用而趋于一致。所以在电炉中，应尽可能多利用并联方式。 在实际电炉的联结方式中，一般采用既有串联，又有并联的方式。 在三相电路中，每一组可按上面的任一种方式，但要注意，三相的总电阻应尽可能平衡。 在硅碳棒作星形连接时，中心点一般不引出接线，而让它悬浮这样一方面可节省接一根线的 麻烦，另一方面减小三相电阻不平衡造成的各相间温度差别( 减少不平衡性) 。 3 硅碳棒电

16、炉的供电方式 出于以下几个原因。硅碳棒电炉必须有调压装置。 ( 1 ) 为了便于调节炉温。 ( 2 ) 为了适应硅碳棒电阻较小的特点。 ( 3 ) 为了适应硅碳棒电阻范围大的特点。 ( 4 ) 为了适应硅碳棒电阻温度特性的需要。 ( S ) 硅碳棒使用中会逐渐“老化”，电阻上升，标准规定允许硅碳棒电阻上升为原值 的四倍，所以需要调压手段来适应。 一般常用调压装置有：带抽头的自祸变压器：感应变压器：磁性变压器：可 控硅调压装置。 在实际应用中，目前流行是可控硅调压、调功方式。以便于实现温度控制a 国外流行自藕变压器与可控制硅调压方式的组合，这样既适应了硅碳棒的特点，又便于 实现温控自动化及保持很高的控制情度。 三、硅碳棒使用中常见故障及原因 硅碳棒在实际使用中出现的问题类型很多，各种各样，但无非是产品质量和使用不当的 两个方面原因。 一般常出现的质量原因是两方面，焊接工艺不过关导致焊接处脱接，冷端工艺不过