硅碳棒

非金属高温电热元件

硅碳棒是用高纯度绿色六方碳化硅为主要原料，按一定料比加工制坯，经2200℃高温硅化再结晶烧结而制成的棒状、管状非金属高温电热元件。氧化性气氛中正常使用温度可达1450℃，连续使用可达2000小时。

基本介绍

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。

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。使用硅碳棒加热既方便，又安全可靠。现已广泛应用于电子、磁性材料、粉末冶金、陶瓷、玻璃、半导体、分析化验、科学研究等高温领域，成为隧道窑、辊道窑、玻璃窑炉、真空炉、马弗炉、冶炼炉以及各类加热设备的电加热元件。

理化性质

物理性质

元件质地：硬而脆，耐急冷急热，高温下不易变形，其它物理性能如下：

导热系数：20大卡/米·小时·度。

线膨胀系数：5×10-6（1/℃）。

化学性质

硅碳棒有良好的化学稳定性，抗酸能力强。在高温条件下碱性物质对其有侵蚀作用。

硅碳棒元件在1000℃以上长期使用能与氧气和水蒸气发生如下作用：

①SiC+2O2→SiO2+CO2 ②SiC+4H2O=SiO2+4H2+CO2

致使元件中SiO2含量逐渐增多，电阻随之缓慢增加，为之老化。如水蒸气过多，会促进SiC氧化，由②式反应产生的H2与空气中的O2结合H2O再反应产生恶性循环。降低元件寿命。氢气（H2）能使元件机械强度降低。氮气（N2）在1200℃以下能防止SiC氧化1350℃以上与SiC发生反应，使SiC分解氯气（Cl2）能使Sic完全分解。

注意事项

1、硅碳棒质地硬而脆，受到剧烈震动和撞击容易断裂。因此运输时要格外小心，搬运时要轻拿轻放。

2、硅碳棒发热部的长度应该等于炉膛的宽度。如果发热部伸入炉墙内，容易烧损炉墙。

3、硅碳棒冷端部的长度应该等于炉墙厚度加上冷端伸出炉墙的长度。一般冷端部伸出长度为50～150mm，以便冷却冷端部及连接卡具。

4、穿硅碳棒的炉子的内径应是冷端部外径的1.4～1.6倍，炉孔过小或孔内填充物塞得过紧，高温时会阻碍硅碳棒自由伸缩而导致断棒。安装时，应该使硅碳棒能够自由转动360度。

5、硅碳棒与被加热物及炉墙的距离应大于或等于发热部直径的3倍。硅碳棒与硅碳棒之间的中心距应不小于其发热部直径的4倍。

6、硅碳棒冷端部与主电路用铝辫或铝箔连接。冷端部的夹具要卡紧。

7、新建炉或长时间不使用的电炉在使用前要进行烘炉，应采用旧棒或其它热源烘炉。

8、硅碳棒存放时要防止受潮。因为受潮后容易使冷端部铝层分解、脱落，导致冷端部与卡具接触电阻增大，而且硅碳棒通电后容易崩裂。

9、硅碳棒在使用前要进行配阻。先阻值相同或接近的硅碳棒连接在一起。

10、为硅碳棒配备调压装置。送电初期电压为其正常工作电压的一半，稳定一段时间以后再逐渐提高电压。这样硅碳棒就不会因为急剧升温而导致断裂。

11、硅碳棒连续使用寿命长；间断使用寿命短。

12、硅碳棒使用时要选择合理的表面负荷密度和使用温度。使用温度应不大于1650℃；在有害气体环境中使用更要防止硅碳棒与有害气体发生化学反应。

13、更换硅碳棒时，应选用和炉内运行的硅碳棒的电阻相接近的硅碳棒，必要时更换整炉硅碳棒，这样有利于提高硅碳棒的使用寿命，卸不来的硅碳棒，如果电阻值合适，还可以在电炉运行中后期换上使用。

14、防止硅碳棒溅上熔融金属，溅上熔融金属容易导致断棒。

15、防止碱、碱土金属和碱性氧化物腐蚀硅碳棒。

16、经常观察电流表、电压表及温度表的读数是否正常；冷端部夹具是否松运、氧化发黑或打火；硅碳棒是否断裂；硅碳棒发热部红热是否均匀。

使用寿命

硅碳棒的使用寿命是指硅碳棒从安装到设备上使用时起，到不能正常工作为止的期限。然而，按硅碳棒的行规，其使用寿命是指：硅碳棒在使用中，它的电阻值老化（增大）至初始值的4倍所需的时间。这里我们看到硅碳棒的寿命并没有一个明确的时限，只是一个相对值，而且现在许多厂家对这个概念并不太清楚，或者不关注，只是关心硅碳棒用到弯曲、断损或不发热所需的时间，显然这是不科学的。要保证硅碳棒有一定的使用寿命，首先，硅碳棒的质量要有保证，不能还没怎么老化就出现弯曲、断损，或者没用多久就老化得不再发热，这都是质量不好所致；其次，使用要科学，质量相同而使用得科学，硅碳棒使用寿命自然就会明显延长。

科学使用

硅碳棒的负荷及支数的选取

硅碳棒的负荷是指硅碳棒允许承受的功率，它是由硅碳棒的负荷密度决定，负荷密度则是指硅碳棒发热体单位发热面积所允许的最大功率，通常用W/cm2来计量。负荷密度的大小直接决定了棒的负荷和支数，而炉温的高低又直接影响负荷密度的大小，炉温越高，负荷密度就越小。而在相同的炉温下，负荷密度越大，硅碳棒老化就越快，这样负荷密度的选取就显得尤为重要。以供料道为例，首先要搞清楚每个温区所需要的最大功率及最高温度，通过计算或查阅硅碳棒样本，得到该温度对应的负荷密度，同时根据料道的尺寸确定好棒的直径（常用35mm的）、发热部长度、冷端长度，用发热体的发热面积乘以负荷密度，算出每支棒的最大功率（也可能直接从样本中查得），再参考类似的成功经验，确定好每支棒实际的准确功率（负荷），对应的负荷密度便是最科学的，最终根据该区段的功率计算出所需硅碳棒的支数。

热态电阻的选取

硅碳棒是一种纯阻性非金属电热元件，其电阻和金属电热元件不同，它的电阻冷态较大，随着温度的上升而变化，800℃为拐点，低于800℃为负阻特性，高于800℃为正阻特性。基于此电阻特性，硅碳棒在出厂所标注的电阻值为在1100℃下用伏安法测出的热态电阻值，因此硅碳棒只能按热态电阻值来选用。实践证明，热态电阻应该偏上选取，宁大勿小。不论哪家的样本，一种规格的硅碳棒的电阻都是个范围，就按照其中值偏上取，不论是3段棒还是5段棒，都是几段发热体和冷端焊接而成的，其冷端和发热体工艺不同，分别生产。按照机械部标准，冷端电阻率不得超过发热体电阻率的1/12，而对于每根硅碳棒焊好后冷端到底达到发热体（或整根棒）电阻的多大比例，则很大程度上取决于发热体电阻的大小（冷端并不标电阻值，只分合格与不合格）。如果发热体电阻小到一定程度（和冷端一个数量级），冷端就会发红，这显然是不利的，既会烧坏炉壁也无谓地耗电，也自然而然地增长了硅碳棒的实际加热时间（棒的最大功率是一定的），只会缩短棒的使用寿命。

硅碳棒型号和规格的选择

硅碳棒型号是指3段棒、5段棒、U型棒、H型棒和枪型棒等。简单地说，对均化性要求高的场合应该用5段棒，反之用3段棒；需要单端接线时选用H型棒或U型棒；料盆用枪型棒。硅碳棒的规格指直径、发热体长度、冷端长度、连桥长度、中心距等。就直棒（3段棒和5段棒）而言，冷端长度取决于炉墙的厚度；发热体的长度必须和料液槽宽度相对应，一般不小于料液槽宽度。

硅碳棒的联接

目前，电加热供料道上所有的硅碳棒大都采取一组全并联，然后统一接在变压器二次，这是最科学合理的接法，利于硅碳棒均匀分担负荷。也有的厂家采取两支或3支串联，是不合理的。

硅碳棒供电设备的设计

电加热供料道最常见的控制方式是用可控硅反并联控制变压器一次，变压器二次和对应的一组硅碳棒相连。就变压器的设计面言，与其他电炉变压器相同，其容量设计必须留有一定的余量。供料道用的变压器一般设计成单相380 V进线电压，二次电压和所接的硅碳棒的电阻和功率相匹配。前面已经提到，硅碳棒在使用过程中会老化，电阻会增大，在寿命期限内甚至会增大至初始电阻的4倍。因此，变压器的二次必须有几个电压档位可调，每个档设计成恒功率，最低档电压按硅碳棒的初始电阻设计，其余几个档电压则按电阻老化以后设计，最高档电压应为最低档的2倍。这样，硅碳棒用一段时间后电阻增大，不能满足加热所需的功率，就把电压调高一档，加热功率又可满足，以此类推，也就保证了硅碳棒的使用寿命。这种设计最规范，在前些年的供料道上随处可见，二次电压常设计成4个档，分别为60V、80V、100V和120V。

炉温的检测与控制

温度检测一般都采用热电偶，但是所用的热电偶一定要与所测的温度相对应，绝不能用镍铬—镍硅（K分度）热电偶来测1200℃上下的炉温，而必须用铂铑—铂（S分度）或双铂铑（B分度）热电偶，否则热电偶的使用寿命要比硅碳棒短得多，就得频繁换热电偶，对硅碳棒的使用不利。另外，热电偶的安装位置要避开硅碳棒，热电偶的自由端至少要高出炉顶150mm，确保测温的准确性。温度控制往往是热电偶和智能温控仪表结合起来，通过调整可控硅的输出电压来调节变压器的一次电压，进而调节硅碳棒的加热功率，达到对炉温的自动恒温控制。只要温控仪的控制参数（P、I、D）调整合适（有些仪表就带有自整定功能），控温精度完全可以满足工艺要求，尽量不要采用手动控制。另外，热电偶和控温仪表之间一定要用分度号与热电偶相同的补偿导线连接，否则测量误差巨大，远不如用铜导线。

硅碳棒的安装和更换

（1）硅碳棒安装时两端应套保温棉做的套管，将硅碳棒和电极砖隔开，否则硅碳棒和电极砖会被玻璃挥发物粘死。套管耐热温度一定要适应供料道的温度，如果耐热温度过低，套管熔融后反而会腐蚀硅碳棒，还会将棒黏住，难以更换硅碳棒。

（2）装棒孔一定要对正，确保棒装上后能够360°自由转动，绝不能将棒卡死。

（3）硅碳棒和料道盖板以及料液面之间必须保证一定的安全距离，棒离盖板太近会导致二者局部过热；棒离料液面太近，又会使玻璃挥发物对棒的腐蚀加重，棒若变形弯曲还容易和液面接触，使玻璃液带电。

（4）换棒时原则上应该整组更换，避免新旧棒混用。然而在实践中大部分厂家都不愿这样做，既麻烦又费棒，比较可行的办法是在温度能够保证的前提下，把断棒抽出，堵好棒孔而不装新棒，下次断棒时依此类推。到温度达不到要求时则把整组剩余的棒全部抽出，换上一组新棒，如果变压器已调到高压档，则应调回最低档后再送电加热。把换下来的未断的棒保存好，下次和旧棒配起来一起使用（当然，拆下来前最好测出当时每支棒的电压、电流，算出每支棒的电阻后标到标棒一端，以便按电阻值配组）。

炉内气氛的影响

在高温条件下碳化硅（硅碳棒的主要成份）能和许多介质反应，也就是说这些介质会对硅碳棒产生不同程度的腐蚀，这里结合玻璃行业的特点谈谈氧气（空气）、水蒸汽及三氧化二硼的影响。

（1）氧气的影响。

在高温下碳化硅会缓慢氧化，生成二氧化硅和二氧化碳，棒的电阻逐渐增加，即老化。一般情况下二氧化硅会在棒表面形成一层保护膜防止氧气的进一步进入，继续氧化，而在供料道上玻璃挥发物会破坏保护膜，棒会继续氧化，因此棒必须和料液面保持一定的安全距离。

（2）水蒸汽的影响。

高温下，微量的水蒸汽会对硅碳棒产生明显的氧化作用，反应方程式如下：

SiC+ 4H2O →SiO2+ CO2+ 4H。

所产生的氢气也会侵蚀硅碳棒，严重的情况会使棒发热体龟裂、膨松，缩短棒的寿命。因此有水蒸汽产生的炉膛要求预留排气口，特别是新炉烤窑一定要特别注意。

烤窑

新窑建成或者旧窑大修后必须要进行烤窑，然后才能放料生产。在条件允许的情况下，最好用其他热源烤窑，如果一定要用硅碳棒时，则建议采用旧棒。如前所述，高温下水蒸汽对硅碳棒极为不利，新建的料道必然含有大量的水分，况且硅碳棒有可能长期大功率工作，表面温度比较高。不论用旧棒还是新棒烤窑，开始送电时，应将控制系统置于“手动”状态，缓慢调节加到棒上的电压，最多加到额定电压的一半，预热一段时间，待电压、电流正常后再逐渐升高电压。当需要加速升温，用火焰枪辅助加热时，切不可让火焰直接烧硅碳棒，否则棒会很快被氧化。

窑炉和料道温度的协调

电加热供料道上硅碳棒加热的目的主要是为了控制或者调节各个区段的温度，使料盆处达到成型温度，简单地说是控制降温。如果大窑温度不够导致料道入口温度偏低，硅碳棒有可能长期不停加热，硅碳棒的寿命当然长不了；反之，料道入口温度过高，硅碳棒又会长期不加热，硅碳棒的寿命自然会长，但这两种情况都不正常，需要调温时都会很难调节。所以，料道入口的温度和料盆成型温度必须协调，要统筹兼顾，供料道才能正常工作。

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