一臺5kW的電子束熔煉爐的改造項目，作者承擔電氣及儀表設計任務。試運行結果表明：功率提高到2OkW ，采用新器件和新技術，系統在爐溫檢測及控制方面，
電爐性能和指標顯著提高，減輕操作人員的勞動強人為因素造成的不利影響產品的質量大幅度提高。
1 溫控系統的技術要求
爐子最高工作溫度3 500℃ ；長期工作溫度3200℃ 。
爐子加熱方式：高速電子束流轟擊原料棒。
加熱功率：2O kW。
控溫方式：PID 自整定調節。
穩態控制誤差：±2℃(3 200℃ 時)
2 溫度檢測
2．1測溫裝置
對于電子束區熔爐，如果利用熱電偶測溫，將熱電偶固定在原料棒表面，由于電子束直接作用于原料棒表面，電子束將首先與熱電偶發生能量交換，從而難以測量到試樣的真實溫度。采用紅外測溫儀表測溫是比較可行的方法，它適合于1 500℃ 以上爐溫的非接觸式測溫，響應快，并可與儀表組合成溫度測控系統，實現對爐溫的自動控制。
2．2 測溫補償
電子束熔煉設備的原料棒及電子槍位于真空室中，紅外溫度儀要通過觀察窗測溫，由于熔煉過程中組分揮發沉積于觀察窗上，從而給測量結果帶來較大的誤差，同時觀察窗玻璃也會影響測溫的準確性。
避免熔煉過程中組分揮發沉積于觀察窗影響測量的準確性，采取了以下措施：① 在爐體合適的位置上開測量窗，并通過加長測量筒的長度使紅外測溫儀鏡頭遠離蒸發源，減弱組分沉積效應，②給測量窗玻璃內壁貼透紅外線保護膜，每500 h裝料更換保護膜，以減少沉積組分的影響，③ 通過試驗獲得組分沉積對紅外測溫儀影響的規律，并依此對紅外測溫儀的溫度信號進行補償，④ 測定觀察窗玻璃和保護膜的吸收系數，并對紅外測溫儀的溫度信號進行補償。經過上述措施減少了測量誤差，提高了測量的準確性。
3 溫度控制系統
電子束熔煉爐屬于變壓器類負荷，對于負荷的溫度控制，國內傳統方法采用下列幾種：①采用多抽頭變壓器加切換開關；② 接飽和電抗器；③ 在變壓器一側采用感應調壓器、移圈調壓器進行平滑調壓。使用上述方法對爐溫進行控制，爐溫穩定度低，能耗高，響應慢，效果較差，對于爐溫控制要求較高的電子柬熔煉爐不適用。試驗證明采用晶閘管調壓技術，獲得好的溫度控制效果，是變壓器類負荷溫度控制的最佳選擇。
3.1 溫度控制系統組成
由于電子束區熔爐電子槍的燈絲為鎢絲，而鎢絲在冷態時電阻率很低(20℃時僅為O．056 Q·mm2／m)，只能通過變壓器降壓后對其供電。電子束區熔爐的溫度與陰極電流成正比，而陰極電流又與燈絲的熱電子數目成正比，通過燈絲電流取樣，電路對燈絲電流取樣并將其輸入PI調節器，運算后送燈絲支路控制晶閘管門極觸發電路，組成一個溫度閉環控制回路。
高壓支路采用三組反并聯晶閘管與變壓器初級串聯，用相控觸發電路控制晶閘管門極，連續改變晶閘管的導通角，從而平滑調節變壓器初級電壓，再通過紅外測溫儀測量爐子溫度，并將其電信號經過溫度補償后輸入到溫度調節器，溫度調節器通后運算，輸出信號控制晶閘管門極觸發電路，組成另一個溫度閉環控制回路。通過以上雙閉環溫度控制回路實現功率、溫度的準確控制，通過調節燈絲和加速支路的粗細調節精密電位器實現對溫度的調節。圖1為控制系統框圖。
3．2 存在的技術難題
(1)在溫度較高時爐內會產生金屬蒸氣，熔池的溫度越高，金屬蒸氣徑向漂移速度越大；熔池液面中心溫度越高、溫度梯度越大蒸發量越大。金屬蒸發量、速度和密度嚴重影響到高壓電流、電壓及陰極電流的穩定性，進而影響到爐子功率、溫度的穩定性。
(2)熔煉爐放電，高壓回路產生高頻沖擊波對溫控系統和整個控制系統性能的影響。
(3)由于鎢絲電阻系數的非線性，負荷電阻的大小受溫度的影響很大，鎢的冷態電阻僅為熱態電阻的十幾分之一，若不采取措施，冷沖電流可達額定電流的十幾倍，影響晶閘管調壓器的可靠性和使用壽命。
(4)晶閘管在觸發導通時，由于觸發相位不對稱或反并聯晶閘管參數不對稱，或者觸發脈沖不可靠，使晶閘管調壓器輸出不對稱，產生較大的直流分量，使變壓器鐵芯飽和引起涌流而燒壞快速熔斷器和晶閘管。
(5)在高壓油箱內部，由于高壓電源的特殊結構，不可避免地存在寄生電容，引入共模干擾信號，導致束流的紋波指標下降。
3．3 解決辦法
(1)金屬蒸發量、速度和密度主要與熔池液面的溫度和溫度梯度有關，所以直接對溫度采樣，并進行溫度閉環控制，以穩定高壓電流、電壓；因陰極電流與燈絲的熱電子數目成正比，通過燈絲電流取樣電路對燈絲電流取樣，并對其進行閉環控制，以穩定陰極電流。由于雙閉環快速控制調節作用，較好的抑制了爐內金屬蒸氣對爐子功率、溫度的影響。
(2)在電子槍和其它位置加裝電容器和放電間隙。
(3)選擇具有輸出限幅功能的溫度調節器，在冷態時，可通過溫度調節器來限制晶閘管調壓器的輸出幅值，將冷沖電流限制在額定電流以內；同時，在相控觸發電路中，設計過電流保護電路，當晶閘管電流超過額定電流的1．5倍時，過流截止環節動作，有效地保護晶閘管。
(4)盡量選擇參數一致或相近的晶閘管作為反并聯組件，相控觸發電路采用寬脈沖觸發和脈沖列觸發技術，其核心電路采用高精度、高可靠性的厚膜集成電路，以保證觸發脈沖穩定、可靠，使晶閘管調壓器輸出波形基本對稱，直流分量接近為零。
(5)考慮電磁兼容EMC設計問題。由于高壓電源的特殊結構，不可避免地存在寄生電容，在高壓電源的設計中，采用雙層屏蔽措施及等電位電磁屏蔽措施，多點接地，減小系統紋波，提高了系統的穩定性。
3．4 主要器件選型
紅外測溫儀：美國Raytek公司3ilML5型號，測溫范圍：600～3 500℃ ，距離系數300：1，響應波長1.0 m，單激光瞄準測量精度為05 。晶閘管：通過調研，日本SHIMADEN(島電)公司生產的PAC35P型三相晶閘管調節器可滿足電子束區熔爐要求，管式爐核心電路采用的是該公司專門設計的厚膜電路，不僅有過電流保護設計，還具備軟啟動功能，性價比高，晶閘管調壓器的具體選型為：PAC35P006137一NO。溫度調節器的選擇應具有PID 自整定調節功能和輸出限幅功能，SHIMADEN 公司的SR73系列溫調節器具備這一功能，具體選型為SR73—111—90—00000。經過運行至今無故障，性能穩定可靠。
4 運行結果
經過化料和拉單晶，試用結果表明，該套系統的穩態控制誤差為±2℃(3200℃ 時)，達到電子束熔煉爐控溫精度等指標的要求，溫度控制系統運行正常。拉出的鉬一鈮單晶的純度、晶粒度、密度等指標明顯提高，見表1和表2。表1中數據說明，電子束熔煉后金屬鉬中的氣體含量大幅度降低，表2說明電子束熔煉的鉬的密度基本達到了鉬的理論密度。拉鉬單晶時，由于在熔池中形成了穩定的圓錐型的溫度梯度場，
生成由下而上的、向中心傾斜的、致密的、粗大的柱狀晶粒。
改造后的電子束熔爐不但在溫度控制方面性能良好，同時在配套設備中采用PLC控制，溫度、控制器和重要數據都通過總線與主計算機相連，箱式爐實現全過程控制計算機控制、顯示、存儲和打印。溫控系統還設手動控制，系統設有3種故障聲光報警及連鎖：
① 水壓、水溫報警并斷開“加熱電源”和“升溫控制”，關閉主閥停止擴散泵；② 真空報警；③加熱升溫控制系統故障報警并斷開“升溫控制”。
自動化程度高，工作穩定可靠，爐子的監控與操作大為簡化，降低了勞動強度。
電子束熔煉爐溫度控制的雙閉環控制回路方案。對以變壓器為負荷的電子束熔煉爐溫度控制采用晶閘管調壓技術是最佳選擇。管式電爐分析了該方案在實施過程中的幾個技術難題，給出了相應的解決措施。結果說明系統在爐溫檢測及控制方面，但是其性能和指標顯著提高，減少人為因素造成的不利影響，產品的質量也大幅度提高，為研制電子束熔煉爐提供了理論基礎。
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