一臺5kW的電子束熔煉爐的改造項目，作者承擔電氣及儀表設計任務。試運行結(jié)果表明：功率提高到2OkW ，采用新器件和新技術(shù)，系統(tǒng)在爐溫檢測及控制方面，
電爐性能和指標顯著提高，減輕操作人員的勞動強人為因素造成的不利影響產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度提高。
1 溫控系統(tǒng)的技術(shù)要求
爐子最高工作溫度3 500℃ ；長期工作溫度3200℃ 。
爐子加熱方式：高速電子束流轟擊原料棒。
加熱功率：2O kW。
控溫方式：PID 自整定調(diào)節(jié)。
穩(wěn)態(tài)控制誤差：±2℃(3 200℃ 時)
2 溫度檢測
2．1測溫裝置
對于電子束區(qū)熔爐，如果利用熱電偶測溫，將熱電偶固定在原料棒表面，由于電子束直接作用于原料棒表面，電子束將首先與熱電偶發(fā)生能量交換，從而難以測量到試樣的真實溫度。采用紅外測溫儀表測溫是比較可行的方法，它適合于1 500℃ 以上爐溫的非接觸式測溫，響應快，并可與儀表組合成溫度測控系統(tǒng)，實現(xiàn)對爐溫的自動控制。
2．2 測溫補償
電子束熔煉設備的原料棒及電子槍位于真空室中，紅外溫度儀要通過觀察窗測溫，由于熔煉過程中組分揮發(fā)沉積于觀察窗上，從而給測量結(jié)果帶來較大的誤差，同時觀察窗玻璃也會影響測溫的準確性。
避免熔煉過程中組分揮發(fā)沉積于觀察窗影響測量的準確性，采取了以下措施：① 在爐體合適的位置上開測量窗，并通過加長測量筒的長度使紅外測溫儀鏡頭遠離蒸發(fā)源，減弱組分沉積效應，②給測量窗玻璃內(nèi)壁貼透紅外線保護膜，每500 h裝料更換保護膜，以減少沉積組分的影響，③ 通過試驗獲得組分沉積對紅外測溫儀影響的規(guī)律，并依此對紅外測溫儀的溫度信號進行補償，④ 測定觀察窗玻璃和保護膜的吸收系數(shù)，并對紅外測溫儀的溫度信號進行補償。經(jīng)過上述措施減少了測量誤差，提高了測量的準確性。
3 溫度控制系統(tǒng)
電子束熔煉爐屬于變壓器類負荷，對于負荷的溫度控制，國內(nèi)傳統(tǒng)方法采用下列幾種：①采用多抽頭變壓器加切換開關；② 接飽和電抗器；③ 在變壓器一側(cè)采用感應調(diào)壓器、移圈調(diào)壓器進行平滑調(diào)壓。使用上述方法對爐溫進行控制，爐溫穩(wěn)定度低，能耗高，響應慢，效果較差，對于爐溫控制要求較高的電子柬熔煉爐不適用。試驗證明采用晶閘管調(diào)壓技術(shù)，獲得好的溫度控制效果，是變壓器類負荷溫度控制的最佳選擇。
3.1 溫度控制系統(tǒng)組成
由于電子束區(qū)熔爐電子槍的燈絲為鎢絲，而鎢絲在冷態(tài)時電阻率很低(20℃時僅為O．056 Q·mm2／m)，只能通過變壓器降壓后對其供電。電子束區(qū)熔爐的溫度與陰極電流成正比，而陰極電流又與燈絲的熱電子數(shù)目成正比，通過燈絲電流取樣，電路對燈絲電流取樣并將其輸入PI調(diào)節(jié)器，運算后送燈絲支路控制晶閘管門極觸發(fā)電路，組成一個溫度閉環(huán)控制回路。
高壓支路采用三組反并聯(lián)晶閘管與變壓器初級串聯(lián)，用相控觸發(fā)電路控制晶閘管門極，連續(xù)改變晶閘管的導通角，從而平滑調(diào)節(jié)變壓器初級電壓，再通過紅外測溫儀測量爐子溫度，并將其電信號經(jīng)過溫度補償后輸入到溫度調(diào)節(jié)器，溫度調(diào)節(jié)器通后運算，輸出信號控制晶閘管門極觸發(fā)電路，組成另一個溫度閉環(huán)控制回路。通過以上雙閉環(huán)溫度控制回路實現(xiàn)功率、溫度的準確控制，通過調(diào)節(jié)燈絲和加速支路的粗細調(diào)節(jié)精密電位器實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。圖1為控制系統(tǒng)框圖。
3．2 存在的技術(shù)難題
(1)在溫度較高時爐內(nèi)會產(chǎn)生金屬蒸氣，熔池的溫度越高，金屬蒸氣徑向漂移速度越大；熔池液面中心溫度越高、溫度梯度越大蒸發(fā)量越大。金屬蒸發(fā)量、速度和密度嚴重影響到高壓電流、電壓及陰極電流的穩(wěn)定性，進而影響到爐子功率、溫度的穩(wěn)定性。
(2)熔煉爐放電，高壓回路產(chǎn)生高頻沖擊波對溫控系統(tǒng)和整個控制系統(tǒng)性能的影響。
(3)由于鎢絲電阻系數(shù)的非線性，負荷電阻的大小受溫度的影響很大，鎢的冷態(tài)電阻僅為熱態(tài)電阻的十幾分之一，若不采取措施，冷沖電流可達額定電流的十幾倍，影響晶閘管調(diào)壓器的可靠性和使用壽命。
(4)晶閘管在觸發(fā)導通時，由于觸發(fā)相位不對稱或反并聯(lián)晶閘管參數(shù)不對稱，或者觸發(fā)脈沖不可靠，使晶閘管調(diào)壓器輸出不對稱，產(chǎn)生較大的直流分量，使變壓器鐵芯飽和引起涌流而燒壞快速熔斷器和晶閘管。
(5)在高壓油箱內(nèi)部，由于高壓電源的特殊結(jié)構(gòu)，不可避免地存在寄生電容，引入共模干擾信號，導致束流的紋波指標下降。
3．3 解決辦法
(1)金屬蒸發(fā)量、速度和密度主要與熔池液面的溫度和溫度梯度有關，所以直接對溫度采樣，并進行溫度閉環(huán)控制，以穩(wěn)定高壓電流、電壓；因陰極電流與燈絲的熱電子數(shù)目成正比，通過燈絲電流取樣電路對燈絲電流取樣，并對其進行閉環(huán)控制，以穩(wěn)定陰極電流。由于雙閉環(huán)快速控制調(diào)節(jié)作用，較好的抑制了爐內(nèi)金屬蒸氣對爐子功率、溫度的影響。
(2)在電子槍和其它位置加裝電容器和放電間隙。
(3)選擇具有輸出限幅功能的溫度調(diào)節(jié)器，在冷態(tài)時，可通過溫度調(diào)節(jié)器來限制晶閘管調(diào)壓器的輸出幅值，將冷沖電流限制在額定電流以內(nèi)；同時，在相控觸發(fā)電路中，設計過電流保護電路，當晶閘管電流超過額定電流的1．5倍時，過流截止環(huán)節(jié)動作，有效地保護晶閘管。
(4)盡量選擇參數(shù)一致或相近的晶閘管作為反并聯(lián)組件，相控觸發(fā)電路采用寬脈沖觸發(fā)和脈沖列觸發(fā)技術(shù)，其核心電路采用高精度、高可靠性的厚膜集成電路，以保證觸發(fā)脈沖穩(wěn)定、可靠，使晶閘管調(diào)壓器輸出波形基本對稱，直流分量接近為零。
(5)考慮電磁兼容EMC設計問題。由于高壓電源的特殊結(jié)構(gòu)，不可避免地存在寄生電容，在高壓電源的設計中，采用雙層屏蔽措施及等電位電磁屏蔽措施，多點接地，減小系統(tǒng)紋波，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3．4 主要器件選型
紅外測溫儀：美國Raytek公司3ilML5型號，測溫范圍：600～3 500℃ ，距離系數(shù)300：1，響應波長1.0 m，單激光瞄準測量精度為05 。晶閘管：通過調(diào)研，日本SHIMADEN(島電)公司生產(chǎn)的PAC35P型三相晶閘管調(diào)節(jié)器可滿足電子束區(qū)熔爐要求，管式爐核心電路采用的是該公司專門設計的厚膜電路，不僅有過電流保護設計，還具備軟啟動功能，性價比高，晶閘管調(diào)壓器的具體選型為：PAC35P006137一NO。溫度調(diào)節(jié)器的選擇應具有PID 自整定調(diào)節(jié)功能和輸出限幅功能，SHIMADEN 公司的SR73系列溫調(diào)節(jié)器具備這一功能，具體選型為SR73—111—90—00000。經(jīng)過運行至今無故障，性能穩(wěn)定可靠。
4 運行結(jié)果
經(jīng)過化料和拉單晶，試用結(jié)果表明，該套系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制誤差為±2℃(3200℃ 時)，達到電子束熔煉爐控溫精度等指標的要求，溫度控制系統(tǒng)運行正常。拉出的鉬一鈮單晶的純度、晶粒度、密度等指標明顯提高，見表1和表2。表1中數(shù)據(jù)說明，電子束熔煉后金屬鉬中的氣體含量大幅度降低，表2說明電子束熔煉的鉬的密度基本達到了鉬的理論密度。拉鉬單晶時，由于在熔池中形成了穩(wěn)定的圓錐型的溫度梯度場，
生成由下而上的、向中心傾斜的、致密的、粗大的柱狀晶粒。
改造后的電子束熔爐不但在溫度控制方面性能良好，同時在配套設備中采用PLC控制，溫度、控制器和重要數(shù)據(jù)都通過總線與主計算機相連，箱式爐實現(xiàn)全過程控制計算機控制、顯示、存儲和打印。溫控系統(tǒng)還設手動控制，系統(tǒng)設有3種故障聲光報警及連鎖：
① 水壓、水溫報警并斷開“加熱電源”和“升溫控制”，關閉主閥停止擴散泵；② 真空報警；③加熱升溫控制系統(tǒng)故障報警并斷開“升溫控制”。
自動化程度高，工作穩(wěn)定可靠，爐子的監(jiān)控與操作大為簡化，降低了勞動強度。
電子束熔煉爐溫度控制的雙閉環(huán)控制回路方案。對以變壓器為負荷的電子束熔煉爐溫度控制采用晶閘管調(diào)壓技術(shù)是最佳選擇。管式電爐分析了該方案在實施過程中的幾個技術(shù)難題，給出了相應的解決措施。結(jié)果說明系統(tǒng)在爐溫檢測及控制方面，但是其性能和指標顯著提高，減少人為因素造成的不利影響，產(chǎn)品的質(zhì)量也大幅度提高，為研制電子束熔煉爐提供了理論基礎。
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