改进高温梭式电窑硅碳棒连接方式

曹甜珍

（湖北黄冈应急管理职业技术学院，湖北黄冈 438000）

0 引言

某高校使用一种高温梭式电窑为学习陶艺的学生和教师烧制陶艺作品，电窑由窑室和窑车两大部分组成，窑室内两边装有两排硅碳棒。由于梭式电窑结构紧凑、占地面积小、对烧成制品适应性强，能适应不同尺寸、形状和材质制品的烧成，对于学校的教学来说，高效节能高温梭式电窑是学习陶艺的学生和教师烧制陶艺作品必不可少的一种烧成设备。

1 问题提出

该校高温梭式电窑窑室内装有长度为1.66 m的12根等直径的硅碳棒，均布在炉膛两侧面，每年需要烧制学生和老师创作的陶瓷作品20多窑。该高温梭式电窑在使用一年后就出现故障，表现在高温阶段升温缓慢。故障之初加温1000℃以上升温困难，后来加温至800℃以上升温也变得很困难，无法完成正常的烧制工作。必须指出的是硅碳棒电热元件不能在400～700℃范围内长时间使用，否则硅碳棒会因低温的强烈氧化作用而粉化。

通过仔细检查，发现硅碳棒表面完好，没有出现裂纹，也没有因氧化作用而粉化，连线接头处也接触良好，检查程序控制及设置也不存在问题。检查硅碳棒的连接方式发现其为4根硅碳棒串联为一组，三组共12根采用三角形连接方式（图1）。

图1 硅碳棒4种连接方式

2 故障分析

硅碳棒与金属电热元件不同，硅碳棒是一种非金属电热元件，使用温度高，具有耐高温、安装维修方便等特点，且有良好的化学稳定性。与自动化电控系统配套，可得到精确的恒定温度，又可根据生产工艺的需要按曲线自动调温。其电阻率的变化随温度的变化而改变，并且电阻率的变化呈非线性。传统工艺制造的硅碳棒电阻率随温度变化存在一个800℃的拐点。硅碳棒的电阻特性是电阻率在室温时电阻率将很大，随着温度的升高电阻率迅速降低，到800℃时电阻率最低，而后随着温度继续升高，电阻率缓慢升高，并且随温度的升高电阻率升高愈大。高温氧化气氛下，硅碳棒元件的表面生成一层致密的石英（SiO2）保护层以防止硅碳棒继续氧化。当硅碳棒温度大于1700℃，熔点为1710℃的二硅化钼保护层熔融，由于表面张力的作用，二硅化钼熔聚成滴，而失去保护作用。硅碳棒在氧化气氛下，再继续使时，SiO2保护层重新生成。因而硅碳棒在温度较低时（20℃）电阻率数值具有不确定性。硅碳棒的电阻随温度升高而呈非线性变化，碳棒有较大的电阻率，在空气中加热部表面温度1100℃时，电阻率为0.073 5～0.685 2Ωm/mm2。

发生故障的高温梭式电窑在使用初期能正常工作，而后期出现高温难以上升。分析原因应该和硅碳棒阻值的变化以及连接方式有关。发生故障的高温梭式电窑的硅碳棒的连接方式为4根硅碳棒串联为一组，三组共12根硅碳棒采用三角形连接方式（图1）。每根硅碳棒的电阻并不完全一样，通过分析，认为串联时会出现负载不平衡，导致电阻高的硅碳棒负载较集中，使某一根硅碳棒的电阻快速增加，寿命变短。硅碳棒一般应该并、串联接线结合使用较好，在采用串联连接方式时通常以2根硅碳棒为限。出现故障的电窑共有12根硅碳棒，用三相交流电源供电，一相有4根硅碳棒，采用4根硅碳棒串联连接方式（图1a）），显然一旦通电就会出现负载不平衡现象，若其中1根硅碳棒损坏还会影响其他硅碳棒的使用，必然会提高电窑的故障率，从而大大地缩短电窑的使用寿命。

3 改进方法及效果

为了排除故障，通过理论分析及计算，且现场分别采用4种连接方式试验改造，将这4种连接方案逐一通电进行试验，并从中确定最优方案，现将发热功率理论计算进行比较如下：

3.1 串—角连接方案（图1a））

将12根硅碳棒分为三组，每组4根硅碳棒。4根硅碳棒采用先串联后，再三角形连接，单根棒的电阻为r，电路总电阻为R=4r/3，总功率P：

式中

P——功率，kW

U——电压，V

r——单根硅碳棒的电阻，Ω

3.2 并—角连接方案（图1b））

将12根硅碳棒分为三组，每组4根硅碳棒。4根硅碳棒采用两两先并联，后串联的三角形连接，单根棒的电阻为r，电路总电阻为R=r/3，方案2总功率提高较大，总功率P：

3.3 串—星连接方案（图1c））

将12根硅碳棒分为三组，每组4根硅碳棒。4根硅碳棒采用先串联，后再星形连接，单根棒的电阻为r，电路总电阻为R=4r，方案3总功率会降低。总功率P：

3.4 并—星连接方案（图1d））

将12根硅碳棒分为三组，每组4根硅碳棒。4根硅碳棒采用两两先并联，后串联再星形连接，单根棒的电阻为r，电路总电阻为R=r，方案4总功率提高25%。总功率P：

通过试验和理论分析及计算，发现若采用第二种方案，通电后功率将增加过大，影响整个电窑电路的安全，使用时会带来一定的安全隐患。若采用第三种方案，功率比原来的还小，高温阶段升温比原来的连接方式还要缓慢。而第一种方案本来就是发生故障的连接方式，所以首先就将其排除。综上所述，从硅碳棒的连接方式和发热功率两方面综合考虑，选择第四种方案较合适。也就是将该校高温梭式电窑由先前的硅碳棒串—角连接（图1a））改为硅碳棒并—星连接（图1d）），高温梭式电窑硅碳棒改进后的实际现场的接线图（图2），电窑总功率比以前提高25%。通过改进硅碳棒的连接方式该高温梭式电窑恢复正常工作，能按设定的程序达到预定的烧制要求，从而满足学习陶艺的学生和教师的正常教学中陶瓷作品烧制需要。

图2 碳棒的接线图

4 结语

通过对改进后的高温梭式电窑通电试验，发现高温梭式电窑采用硅碳棒加热时，其连接可采用串并联结合组成一组。初期由于新的硅碳棒未氧化其阻值小可采用方案一，即串—角连接（图1a））；中后期由于电阻变大，功率下降，高温阶段上升缓慢，甚至上升不到设置的温度，这时硅碳棒的接法可改为方案4，即并—星连接（图1d）），这是因为对于同一规格的硅碳棒来说，它的总功率与连接方式有关，方案1比方案4的功率要大。由于硅碳棒阻值会随着使用时间的推移而逐渐变大，所以输出电压要有调压的空间，这样才能达到足够的热功率，保证电窑温度达到设定值。单相硅碳棒超过2根时应采用并串联组成一组的形式连接较合理。若其中一根硅碳棒出现故障时，还可以利用其余的硅碳棒继续工作，如果将一组硅碳棒全部串联在一起，一旦其中一根硅碳棒出现故障后，整个电路将会被破坏。如果将一组硅碳棒全部并联在一起时，总电阻的分支电阻对电路的影响比串联时要小，这样会使各分支电阻渐趋均衡增长，因为电阻小的元件上会产生大的电流，使电阻增加。而串联时正好相反，分支电阻将会加重，硅碳棒的电阻一旦超值就不能使用，从而影响高温电窑的正常工作。

综上所述，一旦高温梭式电窑出现高温升温缓慢故障，排除故障时应该首先主要从硅碳棒自身阻值的变化和连接方式这两方面去考虑。当然也不排除硅碳棒失效，窑温控制程序等其他问题。