Разработка информационно-измерительной системы контроля полезной мощности печи сопротивления, страница 3

Особенность технологического процесса плавки карбида кремния заключается в том, что по мере разогрева печи сопротивление керна непрерывно уменьшается. Понижение сопротивления в 2-3 раза обусловлено разогревом керна, образованием электропроводного при высокой температуре карбида кремния и увеличения сечения керна за счёт частичного разложения продукта в зоне высокой температуры [30].

В результате падения сопротивления печи, ток проходящий по керну растёт, а, следовательно, растёт активная мощность, потребляемая печью сопротивления. Поэтому управляющее воздействие (вторичное напряжение трансформатора) необходимо всё время понижать, чтобы поддерживать активную мощность на заданном уровне. Это объясняет "пилообразный" вид графика регулирования активной мощности.

Также из графиков 2.7, 2.8, 2.9 видно, что в динамике роста мощности присутствуют значительные нелинейности, которые проявляются в виде провала мощности в начале кампании плавки при разогреве печи. Причина этих провалов точно не выяснена. Возможно, причиной является эндотермическая реакция образования карбида кремния:

При разогреве печи до благоприятной температуры (2000 °С) происходит резкое падение температуры. Этот провал температуры показывает, что начинается основная реакция между кремнезёмом и углеродом, в результате чего формируется SiC. Печь начинает поглощать огромное количество тепла, в соответствии с реакцией (2.1). Это вызывает падение температуры, а, как следствие, рост сопротивления печи и падение потребляемой мощности. Вследствие провала температуры, реакция начинает происходить медленнее. А как только температура опять станет благоприятной, из-за непрерывной подачи энергии, то после определенного времени скорость реакции опять увеличится. Таким образом, будут возникать постоянные, затухающие колебания температуры. Колебания зависят от того, сколько SiC образовалось на данное время, а также от текущей скорости реакции [81].

Из рис. 2.7, 2.8 видно, что даже при одинаковом составе шихты разогрев печей происходит по-разному. Время достижения требуемой мощности для разных плавок, проведенных на трансформаторе с 49 ступенями, лежит в диапазоне 3-5 часов. Для трансформатора с 17 ступенями этот интервал равен 3-8 часов. Это свидетельствует о том, что печи обладают разными изоляционными характеристиками и степенью износа электродов. На процесс плавки также влияют погодные условия. При сырой земле вокруг печной установки утечки токов будут значительнее.

Из рис. 2.9 видно, что у двух плавок наблюдается неуправляемый рост мощности в конце плавильной кампании. Это возникает в результате того, что трансформатор «дошёл» до последней ступени (наименьшее вторичное напряжение) и дальнейшее занижение мощности было уже невозможно.

В результате проведения экспериментов получены данные об электрическом режиме 10 плавок карбида кремния. Данные получены с помощью системы мониторинга с интервалом в 1 минуту и могут быть использованы для составления электрической математической модели печи сопротивления для производства карбида кремния.

2.2 Разработка электрической модели печи сопротивления

2.2.1 Методика расчёта полезной мощности и электрической проводимости печи

Полезная мощность печи сопротивления может быть найдена через электрические параметры печной установки. Для этого необходимо рассчитать токи, протекающие через шихту, и токи утечки. Отношение токов утечки к полному току печи будет определять электрический КПД печной установки и, соответственно, величину полезного тока. По величине полезного тока и электрического сопротивления печи может быть рассчитана полезная мощность печи. Причём расчет полезной мощности необходимо осуществлять в реальном масштабе времени, так как эта величина используется в контуре обратной связи адаптивной системы автоматического управления.

“Холодные” измерения перед началом плавки могут зафиксировать лишь начальное состояние печи и, очевидно, существенно отличаются от параметров печи при температурах, соответствующих основной фазе процесса плавки.  

Внедрение цифровой измерительной техники и автоматической системы сбора измерительной информации позволило фиксировать электрические параметры с интервалом в одну минуту.