Выбор камерных печей СНО с карбид-кремниевыми нагревателями

Структура статьи:

• Термины и определения.
• Введение.
• Особенности карбидкремниевых нагревателей.
• Технология изготовления и свойства.
• Проблема разброса параметров.
• Система управления печами с карбидкремниевыми нагревателями.
• Прямое включение в сеть (наихудший вариант).
• Фазовое регулирование (ограниченный вариант).
• Правильная система управления: наш подход.
• Экономическое обоснование.
• Альтернативное решение.

Сейчас на рынке имеется достаточно много предложений печей с карбид-кремниевыми нагревателями. Цены на модели могут существенно различаться, даже при схожих характеристиках.

Почему так?

Термины и определения

Фазовое регулирование — способ регулировки мощности путем "срезания" части синусоиды напряжения (как диммер для света).

Гальваническая развязка — полная электрическая изоляция между сетью и цепями управления для безопасности.

ТКС — показатель изменения сопротивления при нагреве. Отрицательный ТКС — сопротивление падает, положительный — растет.

Легирование — введение добавок в материал для изменения его электрических свойств.

Просадка напряжения — кратковременное падение напряжения в сети при включении мощного оборудования.

Реакционное спекание — метод изготовления нагревателей спеканием порошка при высокой температуре.

Последовательно-параллельное включение — схема соединения нагревателей, сочетающая последовательные и параллельные цепи.

Введение

В статье мы рассмотрим, в чем разница предложений, почему цена на эти печи может различаться при одинаковых технических характеристиках. Приведем пример систем управления, применяемых для карбидокремниевых нагревателей. Небольшая статья будет полезна при подборе оборудования.

Особенности карбидкремниевых нагревателей

Для начала, немного остановимся на характеристиках и особенностях применяемых нагревателей.

Технология изготовления и свойства

Карбидкремниевые электронагреватели изготавливают методом реакционного спекания (или спекания связки) порошка карбида кремния и связующего (часто на основе кремния или углерода) при высоких температурах. Они состоят из рабочей части, которая разогревается до высоких температур, и выводов, которые пропитаны кремнием. Выводы представляют собой зону с более низким удельным сопротивлением, часто достигаемым за счет дополнительного легирования или изменения состава материала для обеспечения хорошего электрического контакта.

Проблема разброса параметров

Сопротивление карбидокремниевых нагревателей имеет нелинейную зависимость от температуры. При нагреве от комнатной температуры до ~600-800 °C сопротивление значительно падает (область с отрицательным ТКС - температурным коэффициентом сопротивления). После достижения минимума, при дальнейшем росте температуры до 1600 °C, сопротивление снова возрастает (область с положительным ТКС). Конкретное значение изменения сопротивления зависит от типа и состава нагревателя (альфа- или бета- SiC, тип легирования).

Самое существенное значение для рассматриваемой нами темы имеют различия в примесях материала нагревателей и незначительные изменения технологии изготовления. Это приводит к разбросу начального сопротивлений нагревателей и разбросу хода старения.

Высокотемпературные печи 1400°C – 1700°C

К разряду высокотемпературных печей относят печи, в которых можно создать температуру выше 1300 °С. Такие печи изготавливаются с применением более жаростойкой термоизоляцией.

Электропечи сопротивления камерные СНО с карбидкремниевыми нагревателями

Электропечи сопротивления камерные периодического действия типа СНО предназначенные для проведения термообработки различных материалов в агрессивной воздушной среде.

Система управления печами с карбидкремниевыми нагревателями

Прямое включение в сеть (наихудший вариант)

Теперь о различиях подходах к проектированию системы управления таких нагревателей. Самый плохой вариант, тем не менее часто встречающийся - это просто включить последовательно 2-3 нагревателя в сеть 220/380. Такое включение часто встречается на небольших печах. Например, печах для фьюзинга. Нагреватели управляются через мощный симистор с минимальной шириной импульса. Если управление выполнено подобным способом, то при коммутации нагрузки возникают ударные токи порядка 150-200 А. Причем такое регулирование мощности производителем нагревателей категорически не допускается.

Аппараты защиты такие ударные токи выдерживают, однако это приводит к перекосам фаз и вызывает существенную просадку напряжения в сети. Что отрицательно сказывается на остальном оборудовании и нервах главного энергетика организации. Еще огромный минус — очень небольшой срок службы нагревателей.

Фазовое регулирование (ограниченный вариант)

Второй вариант - это также последовательное включение блока нагревателей, но регулированием мощности по углу открытия тиристора (симистора) - фазовое регулирование (или регулированием по фазе).

Этот вариант включения производитель допускает, но с ограничением максимальной температуры печи 800-1100°С, в зависимости от количества включенных последовательно нагревателей. Здесь казалось бы плюсов больше. Но, как было уже сказано выше, нагреватели имеют отличия в составе, разное сопротивление и разный ход старения. Даже если покупаются единовременно, одной партией.

Если при установке нагревателей, сопротивления были более-менее подобраны (что делается далеко не всегда), и печь какое-то время прекрасно работает без поломок, то в процессе работы выгорание нагревателей не равномерно, что рано или поздно приводит сначала к перегреву и перегоранию одного нагревателя. При его замене подобрать сопротивление под уже изношенные нагреватели практически невозможно, это приводит к повышению нагрузки на работавшие нагреватели (их сопротивление гораздо выше), и в конечном итоге срок их службы сокращается еще сильнее, а дальше - замкнутый круг.

Замена при такой схеме требуется всему блоку нагревателей, чтобы они отработали свой срок службы. Кроме того, такие нагреватели очень хрупкие и при попытке подбора разнородных нагревателей их легко повредить. Как показывает практика, при графике работы печей 16 часов, 5 дней в неделю, замена блока требуется не реже одного раза в два месяца.

По актуальным данным на 2024 год, модель КЭНАПС 14-250 стоит в среднем 6 000 — 7 000 рублей. Таким образом, стоимость замены блока нагревателей составляет около 36 000 рублей.

Не считая стоимости простоя оборудования и сопутствующих расходов. И так примерно каждые 2 месяца. При различии техпроцессов и времени работы цена обслуживания может существенно меняться. Если у вас есть печь с таким нагревателем, посчитайте стоимость годового обслуживания.

Такие печи, как правило, небольшие по объему и штучного изготовления. Это оборудование имеет малую себестоимость. По цене такая схема управления не сильно отличается от управления печью с нагревателем из фехраля. Конечная стоимость при этом существенно завышена, чем пользуются производители этих печей, выдавая изделия с такими системами управления за новые разработки.

Правильная система управления: наш подход

При проектировании системы управления мы четко следуем рекомендациям производителей.

В нашем оборудовании все нагреватели включены либо параллельно, либо последовательно-параллельно не более 2 нагревателей в последовательной цепи, что позволяет использовать их до предельных заявленных температур.

При этом нагревательные блоки разделены на секции по 2-6 нагревателей и подключены к собственной обмотке трансформатора с регулируемым напряжением через силовой тиристорный модуль. То есть на каждую секцию нагревателей напряжение подбирается отдельно, что исключает перегрузку сети при любом разбросе сопротивлений устанавливаемых нагревателей. Еще при параллельном включении, сопротивление замененного нагревателя никак не влияет на работу секции в целом, то есть ресурс работавших нагревателей сохраняется. Все это дополняется плавным фазовым регулированием мощности с помощью тиристорного модуля.

При такой системе управления нагреватели имеют полный ресурс заявленный производителем, а за счет возможности установки необходимого напряжения, мощность печи не снижается при старении нагревателей. Ну и в качестве бонуса — гальваническая развязка от сети и пониженное рабочее напряжение открытых элементов, то есть безопасность эксплуатации.

Ключевые преимущества нашей системы

Преимущества:

• Максимальный срок службы нагревателей за счет работы в рекомендованном производителем режиме.
• Независимость секций друг от друга, что позволяет менять отдельные нагреватели без ущерба для остальных.
• Стабильная мощность на протяжении всего срока службы благодаря компенсации старения нагревателей регулировкой напряжения.
• Защита от разброса параметров нагревателей как при установке новых, так и вышедших из строя.
• Повышенная безопасность за счет гальванической развязки и пониженного рабочего напряжения.

Экономическое обоснование

Конечно, такая система управления несколько сложней, дороже.

На себестоимость влияют мощные трансформаторы и тиристорный модули. Но зато, окупаются затраты на эксплуатацию. Сроки окупаемости при применении рекомендуемой производителем схемы регулирования зависят от режима работы печи, стоимости ее простоя и ремонта.

Альтернативное решение

Оборудование, рассмотренное в статье, ориентировано на высокотемпературные процессы. Для задач, не требующих нагрева выше 1000–1200 °C, существуют более доступные по цене камерные печи СНО с надежными нагревателями из жаропрочных сплавов. Они проще в обслуживании и имеют оптимальное соотношение цены и эксплуатационных качеств для большинства стандартных задач термообработки.

Валенцев А.А.