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摘要：介绍电子束熔炼炉温度控制的双闭环控制回路方案。对以变压器为负荷的电子束熔炼炉温度控制采用晶闸管调压技术是最佳选择。分析了该方案在实施过程中的几个技术难题，给出了相应的解决措施。运行结果表明，该系统在炉温检测及控制方面，其性能和指标显著提高，减少人为因素造成的不利影响，产品的质量也大幅度提高。为研制电子束熔炼炉提供了理论基础。
关键词：电子束熔炼炉；双闭环控制；晶闸管调压器；温度调节器
完成一台5kW的电子束熔炼炉的改造项目，作者承担电气及仪表设计任务。试运行结果表明：功率提高到2OkW ，由于采用新器件和新技术，该系统在炉温检测及控制方面，其性能和指标显著提高，减轻操作人员的劳动强人为因素造成的不利影响，产品的质量大幅度提高。
1 温控系统的技术要求
（1)炉子最高工作温度3 500℃ ；长期工作温度3200℃ 。
（2)炉子加热方式：高速电子束流轰击原料棒。
（3)加热功率：2O kW。
（4)控温方式：PID 自整定调节。
（5)稳态控制误差：±2℃(3 200℃ 时)
2 温度检测
2．1测温装置
对于电子束区熔炉，如果利用热电偶测温，将热电偶固定在原料棒表面，由于电子束直接作用于原料棒表面，电子束将首先与热电偶发生能量交换，从而难以测量到试样的真实温度。采用红外测温仪表测温是比较可行的方法，它适合于1 500℃ 以上炉温的非接触式测温，响应快，并可与仪表组合成温度测控系统，实现对炉温的自动控制。
2．2 测温补偿
电子束熔炼设备的原料棒及电子枪位于真空室中，红外温度仪要通过观察窗测温，由于熔炼过程中组分挥发沉积于观察窗上，从而给测量结果带来较大的误差，同时观察窗玻璃也会影响测温的准确性。
为了避免熔炼过程中组分挥发沉积于观察窗影响测量的准确性，采取了以下措施：① 在炉体合适的位置上开测量窗，并通过加长测量筒的长度使红外测温仪镜头远离蒸发源，减弱组分沉积效应，②给测量窗玻璃内壁贴透红外线保护膜，每500 h装料更换保护膜，以减少沉积组分的影响，③ 通过试验获得组分沉积对红外测温仪影响的规律，并依此对红外测温仪的温度信号进行补偿，④ 测定观察窗玻璃和保护膜的吸收系数，并对红外测温仪的温度信号进行补偿。经过上述措施减少了测量误差，提高了测量的准确性。
3 温度控制系统
电子束熔炼炉属于变压器类负荷，对于负荷的温度控制，国内传统方法采用下列几种：①采用多抽头变压器加切换开关；② 接饱和电抗器；③ 在变压器一侧采用感应调压器、移圈调压器进行平滑调压。使用上述方法对炉温进行控制，炉温稳定度低，能耗高，响应慢，效果较差，对于炉温控制要求较高的电子柬熔炼炉不适用。试验证明采用晶闸管调压技术，获得好的温度控制效果，是变压器类负荷温度控制的最佳选择。
3.1 温度控制系统组成
由于电子束区熔炉电子枪的灯丝为钨丝，而钨丝在冷态时电阻率很低(20℃时仅为O．056 Q·mm2／m)，只能通过变压器降压后对其供电。电子束区熔炉的温度与阴极电流成正比，而阴极电流又与灯丝的热电子数目成正比，通过灯丝电流取样，电路对灯丝电流取样并将其输入PI调节器，运算后送灯丝支路控制晶闸管门极触发电路，组成一个温度闭环控制回路。
高压支路采用三组反并联晶闸管与变压器初级串联，用相控触发电路控制晶闸管门极，连续改变晶闸管的导通角，从而平滑调节变压器初级电压，再通过红外测温仪测量炉子温度，并将其电信号经过温度补偿后输入到温度调节器，温度调节器通后运算，输出信号控制晶闸管门极触发电路，组成另一个温度闭环控制回路。通过以上双闭环温度控制回路实现功率、温度的准确控制，通过调节灯丝和加速支路的粗细调节精密电位器实现对温度的调节。图1为控制系统框图。 （图片） 3．2 存在的技术难题
(1)在温度较高时炉内会产生金属蒸气，熔池的温度越高，金属蒸气径向漂移速度越大；熔池液面中心温度越高、温度梯度越大蒸发量越大。金属蒸发量、速度和密度严重影响到高压电流、电压及阴极电流的稳定性，进而影响到炉子功率、温度的稳定性。
(2)熔炼炉放电，高压回路产生高频冲击波对温控系统和整个控制系统性能的影响。
(3)由于钨丝电阻系数的非线性，负荷电阻的大小受温度的影响很大，钨的冷态电阻仅为热态电阻的十几分之一，若不采取措施，冷冲电流可达额定电流的十几倍，影响晶闸管调压器的可靠性和使用寿命。
(4)晶闸管在触发导通时，由于触发相位不对称或反并联晶闸管参数不对称，或者触发脉冲不可靠，使晶闸管调压器输出不对称，产生较大的直流分量，使变压器铁芯饱和引起涌流而烧坏快速熔断器和晶闸管。
(5)在高压油箱内部，由于高压电源的特殊结构，不可避免地存在寄生电容，引入共模干扰信号，导致束流的纹波指标下降。
3．3 解决办法
(1)金属蒸发量、速度和密度主要与熔池液面的温度和温度梯度有关，所以直接对温度采样，并进行温度闭环控制，以稳定高压电流、电压；因阴极电流与灯丝的热电子数目成正比，通过灯丝电流取样电路对灯丝电流取样，并对其进行闭环控制，以稳定阴极电流。由于双闭环快速控制调节作用，较好的抑制了炉内金属蒸气对炉子功率、温度的影响。
(2)在电子枪和其它位置加装电容器和放电间隙。
(3)选择具有输出限幅功能的温度调节器，在冷态时，可通过温度调节器来限制晶闸管调压器的输出幅值，将冷冲电流限制在额定电流以内；同时，在相控触发电路中，设计过电流保护电路，当晶闸管电流超过额定电流的1．5倍时，过流截止环节动作，有效地保护晶闸管。
(4)尽量选择参数一致或相近的晶闸管作为反并联组件，相控触发电路采用宽脉冲触发和脉冲列触发技术，其核心电路采用高精度、高可靠性的厚膜集成电路，以保证触发脉冲稳定、可靠，使晶闸管调压器输出波形基本对称，直流分量接近为零。
(5)考虑电磁兼容EMC设计问题。由于高压电源的特殊结构，不可避免地存在寄生电容，在高压电源的设计中，采用双层屏蔽措施及等电位电磁屏蔽措施，多点接地，减小系统纹波，提高了系统的稳定性。
3．4 主要器件选型
红外测温仪：美国Raytek公司3ilML5型号，测温范围：600～3 500℃ ，距离系数300：1，响应波长1.0 m，单激光瞄准测量精度为05 。晶闸管：通过调研，日本SHIMADEN(岛电)公司生产的PAC35P型三相晶闸管调节器可满足电子束区熔炉要求，核心电路采用的是该公司专门设计的厚膜电路，不仅有过电流保护设计，还具备软启动功能，性价比高，晶闸管调压器的具体选型为：PAC35P006137一NO。温度调节器的选择应具有PID 自整定调节功能和输出限幅功能，SHIMADEN 公司的SR73系列温调节器具备这一功能，具体选型为SR73—111—90—00000。经过运行至今无故障，性能稳定可靠。
4 运行结果
经过化料和拉单晶，试用结果表明，该套系统的稳态控制误差为±2℃(3200℃ 时)，达到电子束熔炼炉控温精度等指标的要求，温度控制系统运行正常。拉出的钼一铌单晶的纯度、晶粒度、密度等指标明显提高，见表1和表2。表1中数据说明，电子束熔炼后金属钼中的气体含量大幅度降低，表2说明电子束熔炼的钼的密度基本达到了钼的理论密度。拉钼单晶时，由于在熔池中形成了稳定的圆锥型的温度梯度场，
生成由下而上的、向中心倾斜的、致密的、粗大的柱状晶粒。
5 结束语
改造后的电子束熔炉不但在温度控制方面性能良好，同时在配套设备中采用PLC控制，温度、控制器和重要数据都通过总线与主计算机相连，实现全过程控制计算机控制、显示、存储和打印。温控系统还设手动控制，系统设有3种故障声光报警及连锁：① 水压、水温报警并断开“加热电源”和“升温控制”，关闭主阀停止扩散泵；② 真空报警；③加热升温控制系统故障报警并断开“升温控制”。自动化程度高，工作稳定可靠，炉子的监控与操作大为简化，降低了劳动强度。
参考文献
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3/5/2008
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