Tài liệu Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện ppt

Ưu điểm của lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu: Lò điện so với những lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau: -Có khả năng tạo được nhiệt độ cao.. Lò điện trở làm việc dựa trên cơ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật

+Sản xuất thép chất lượng cao

+Sản xuất các hợp kim phe-rô

+Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi

+Sản xuất đúc các kim loại bột

-Trong các lĩnh vực công nghiệp khác

+Trong công nghiệp nhẹ và công nghiệp thực phẩm, lò điện được dùng

bị nung rắn, sấy điện

1.1.2 Ưu điểm của lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu:

Lò điện so với những lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau:

-Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

-Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng xuất cao

-Đảm bảo nung đều và chính xác đo dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ -Kín

-Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu

và vận chuyển vật phẩm

-Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ

1.2.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:

Q=I2RT

Q- Lượng nhiệt tính bằng Jun(J)

I- Dòng điện tính bằng Ampe(A)

R-Điện trở tính bằng Ôm

T-thời gian tính bằng giây(S)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:

-Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

-Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián tiếp

Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng đơn giản(tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận làm phát nhiệt của lò

1.2.2 Những vật liệu làm dây nung:

a Yêu cầu của vật liệu làm dây nung:

Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau:

- Chịu được nhiệt độ cao,

- Hợp chất: SiC, MoSi2…với lò có nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ làm việc max(oC)

Hệ số nhiệt điện trở (α.10 -3 /độ)

Điện trở suất

3-5 4-6

5.1 4.0 4.3

1,15 1,10 1.26 1.25 (1000- 2000) 8-13 0,052 0.15 0.05

b Dây nung kim loại:

Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm

và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn Còn các kim loại nguyên chất

được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường

có những tính chất không lợi cho việc chế tạo dây nung như:

+ Điện trở suất nhỏ

+Hệ số nhiệt điện trở lớn

+Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyển bình thường

Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng

c Dây nung phi kim loại:

Dây nung phi kim loại dùng phổ biến nhất là SiC, grafit và than

Trong đó : M - Khối lượng vật gia nhiệt (kg);

t – thời gian gia nhiệt(s)

Nhiệt lượng hữu ích cần cấp cho vật gia nhiệt:

Công suất lò:

Trong đó : k - Hệ số dự trữ, tính đến tình trạng điện áp lưới bị tụt thấp,

do dây hoá già mà điện trở tăng lên

k = 1,2 ÷ 1,3 đối với lò làm việc liên tục,

k = 1,4 ÷ 1,5 đối với lò làm việc theo chu kỳ

Từ công suất P, có thể tính gần đúng mật độ công suất dây đốt một pha Đó là khả năng cấp nhiệt của dây đốt trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt dây

L=

C W

P

dd

ph

Trong đó : L – Chiều dài dây đốt [m];

C – chu vi tiết diện dây đốt [m]

Trên quan hệ giữa các thông số điện thì:

S L

U R

S

U2

(1-9) Trong đó : S – Diện tích tiết diện dây đốt, [m2]

Cân bằng (1-8)và (1-9), có:

dd ph

ph W U

Vế trái (1-10) là các thông số về kích thước dây đốt Thừa số đầu vế phải

là các thông số về diện Thừa số sau của vế phải nói lên quan hệ nhiệt của dây

Dây đốt dùng trong lò điện trở có thể có tiết diện tròn hay chữ nhật và kích cỡ như bảng 1-2

Nhiệt độ làm việc

Trong lò (0C)

Kích thước dây đốt (m.m)

Dây tròn (đường kính d)

Dây chữ nhật (kích thước a*b), a/b =

m

U W

ph

U W m m

Chiều dài dây sẽ tìm tiếp theo(1-9)

Khi bố trí dây trong lò, dây có thể uốn xoắn tròn (hình 1.1.a) đối với dây tròn hoặc uốn dích dắc (hình 1.1.b) đối với dây chữ nhật hay tròn

Khi uốn xoắn tròn, đường kính uốn là tuỳ theo độ bền cơ của dây đốt Thường D=(4÷10)d Bước xoắn S≥ 2d

Khi uốn zích zắc ,kích thước cũng tuỳ thuộc độ bền cơ của dây đốt Thường A ≥ 10a, S ≥ 2b Đối với dây tròn S ≥ 5d

Trong các lò có nhiệt độ làm việc dưới 7000C, việc truyền nhiệt từ dây đốt đến vật gia nhiệt chủ yếu là do hiện tượng dẫn nhiệt và đối lưu Trong các

lò có nhiệt độ cao hơn 7000C thì việc truyền nhiệt chủ yếu do bức xạ

Để dễ dàng nghiên cứu phân tích, ta giả thiết rằng tổn thất nhiệt qua vỏ lò bằng 0 và dây đốt là một lá mỏng bao kín vật gia nhiệt, nghĩa là coi diện tích toả nhiệt của dây bằng diện tích xung quanh vật gia nhiệt Trong điều kiện đó, phương trình trao đổi nhiệt bức xạ giữa dây đốt (lí tưởng)và vật gia nhiệt sẽ là:

P = CSεqđ[ 4 ) 4

100 ( ) 100 (T dd − T v ] Fdd ,[W] (2-13)

Trong đó: P – công suất lò, [W];

CS – Khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối;

CS - 5,7 W/m2, (0K4);

Tdd – nhiệt độ dây đốt, [0K];

Tv – nhiệt độ vật gia nhiệt, [0K];

εqd – hệ số bức xạ nhiệt qui đổi ;

εqd =

1 1 1

1

− +

v

dd ε ε

m

W T

T C

F

qd S dd

m

W T

WS gọi là mật độ công suất trao đổi nhiệt giữa hai vật đen tuyệt đối Giá trị WS cho theo đồ thị (hình 1.2) và phụ thuộc vào nhiệt độ dây đốt và vật gia nhiệt

Hình1.2: Đồ thị mật độ công

suất của dây đốt

Trong các điều kiện làm việc thực của lò thì bức tranh mô tả quá trình phức tạp hơn Dây không bao kín vật gia nhiệt, nhiệt tổn thất qua vách lò, thành lò cũng trao đổi nhiệt với vật gia nhiệt v.v…Các yếu tố đó được đề cập đến qua hệ số bức xạ có hiệu lực của dây đốt α và mật độ công suất cho phép là:

-Dây xoắn tròn đặt trong rãnh nửa kín ở vách lò α = 0,16÷0,24

-Dây xoắn tròn đặt trong ống trên sàn lò α = 0,3÷0,36

-Dây dích dắc hay thanh α =0,6÷0,72

U2

Rồi lựa chọn dây có tiết diện chế tạo sẵn Sdd và xác định độ dài

dd ph

dd ph dd

dd dd

P

S U S R

ρ ρ

≤

Nếu Wdd >Wcp thì cần tăng tiết diện và độ dài dây Khi tính chọn dây đốt cho lò có nhiệt độ làm việc trên 7000C không nên dùng dây tròn có đường kính dưới 3mm hoặc dây chữ nhật dày dưới 1,5mm

1.2.4 Phân loại lò điện trở

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dâyđiện trở) Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt Lò điện trở thường dùng

để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…

Phân loại lò điện trở có nhiều cách :

a Theo nhiệt độ làm việc của lò

- Lò làm việc gián đoạn

Lò làm việc liên tục được cấp điện liện tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một giá trị nào đó (hình 1.3) sau quá trình khởi động lò

p

mt

τ

τp

τ p

1.3 CẤU TẠO LÒ ĐIỆN TRỞ

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở

Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở có những yêu cầu sau:

a Hợp lý về công nghệ

Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá trình công nghệ yêu câù mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và tăng

giá thành một cách rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế mới coi là hợp lý nhất Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu lò điện vượt xa khả năng sản xuất ra nó

b Hiệu quả về kỹ thuật

Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu khi các thông số của nó xác định(kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá thành v.v )

Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ tiêu cơ bản của hiệu quả kỹ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô men xoắn, lực v.v Ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu

c.Chắc chắn khi làm việc

Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng kết cấu của các lò điện Thường các lò điện làm việc liên tục trong một ca, hai ca và ngay cả trong ba ca trong một ngày Nếu trong khi làm việc một bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất chung Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tục trong dây chuyền sản xuất tự động Ngay đối với các lò làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột (nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò) có thể dẫn đến làm hư hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên liệu và làm tăng giá thành sản phẩm

Một chỉ tiêu phụ thuộc về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận

đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc bình thường Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các

bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò Thí dụ: Dây nung, băng tải v.v

d Tiện lợi khi sử dụng

Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:

-Số nhân viên phục vụ tối thiểu

-Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự dẻo dai của nhân viên phục vụ

-Số lượng các thiết bị hiếm và quý bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu

-Bảo quản dễ dàng Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị thuận lợi

-Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và tuyệt đối an toàn

e Rẻ và đơn giản khi chế tạo

Về mặt này yêu cầu như sau:

-Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm (các kim loại màu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v )

-Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày công ít nhất và tận dụng được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong các nhà máy chế tạo để gia công

-Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất

-Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổi lẫn nhau và thuận tiện khi lắp ráp

-Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc, hàn, đập) Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý

f Hình dáng bề ngoài đẹp

Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng

và tỉ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với nhau

Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng bề ngoài của lò điện Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết

1.3.2 Một số kết cấu lò điện trở trong công nghiệp

Các lò điện trở hiện dùng ở Việt Nam có nhiều kiểu loại và nguồn gốc khác nhau Đa phần là lò Liên Xô (cũ), một số khác của Đức, Tiệp, Hung v.v… và một số lò thí nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng sấy, nung, nhiệt luyện của Mĩ, Pháp, Ý, Nhật, Đài Loan v.v… Một số lò do Việt Nam thiết kế, chế tạo dựa theo tiêu chuẩn Liên Xô Nói chung các loại lò đều có kết cấu tương tự nhau với dải công suất từ vài kW đến hàng trăm kW và dải nhiệt độ dưới 20000C

Lò buồng là loại lò vạn năng nhất (hình 1-6) Lò gồm buồng nung hình hộp chữ nhật với kích thước tuý công suất lò Buồng nung được lót cách nhiệt

và tạo thành áo lò, áo lò xây bằng gạch chịu lửa có nhiều lớp Lớp ngoài cùng bằng gạch samôt có độ cách nhiệt cao Bọc ngoài là vỏ tôn 3 dày 5 ÷ 10 mm Đáy lò bằng thép chịu nhiệt, đúc liền hoặc ghép lại từ những miếng nhỏ hoặc đáy lò xây bằng gạch chịu lửa Thành trong của buồng lò có đặt dây đốt 5 Dây đốt có thể bố trí cả phía đáy và đỉnh Cửa lò tuỳ kiểu và công suất lò, Có thể mở bằng tay ( kiểu đòn bẩy hay có đối trọng ) hoặc bằng cơ cấu cơ khí 1 truyền động bằng động cơ điện Cửa lò, có thể có lỗ thăm để quan sát phía trong lò Ngoài ra, lò còn có đầu ra của dây đốt 2, cửa khí 6 để dẫn khí bảo

vệ vào lò(do không khí dễ thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò, gây hiện tượng

xy hoá, thoát cacbon của vật gia nhiệt), đầu đo nhiệt ở đỉnh lò hay bên hông

Hình 1-7, hình 1-8, hình 1-9 là kết cấu của một số loại lò điện trở

Hình 1.6: Kết cấu của lò buồng

Hình1.8: Lò muối

1-Đầu dây cấp điện 2-Chụp lò

5-Lớp lót 6-Vỏ bên trong 7-Hoả kế 8-Vỏ bên ngoài

Trên hình 1-10 trình bày một số cách bố trí dây đốt trong các loại lò điện trở

Hình1.10: Một số cách bố trí dây đốt trong lò điện trở

a) Dây xoắn tròn đặt trong

1.3.3 Cấu tạo lò điện trở

Cấu tạo của lò điện trở gồm 3 phần chính sau:

-Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng, lò chụp kết cấu vỏ lò tròn thường dùng:

+Thép tấm dài 3÷6 mm với đường kính vỏ lò là 1000÷2000 mm

+Thép tấm dài 8÷12 mm với đường kính vỏ lò là 250÷4000 mm

+Thép tấm dài 14÷20 mm với đường kính vỏ lò 4500÷6500 mm

b Lớp lót

Lớp lót lò điện thường gồm 2 phần: Phần vật liệu chịu lửa và phần cách nhiệt

-Vật liệu chịu lửa: Xây dựng bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng, kích thước của buồng lò

Yêu cầu của chất làm vật liệu chịu lửa:

+Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền, chắc chắn

+Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò

+Có độ bền hoá học khi làm việc, độ bền cơ học theo yêu cầu

+Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu

-Phần cách nhiệt:

Phần cách nhiệt nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt Phần cách nhiệt được xây dựng bằng gạch cách nhiệt hoặc bằng bột cách nhiệt (xỉ bông, amiăng )

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt:

+Hệ số cách nhiệt cực tiểu

+Khả năng tích nhiệt cực tiểu

+ Ổnđịnh về tính chất lý nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

+Dây nung tròn thường ở dạng xoắn, bước h của dây nung xoắn thường phụ thuộc vào đường kính d của dây:

-Dây nung phi kim loại:

Dây nung phi kim loại thường có dạng thanh và ống

d Ngoài 3 phần chính của kết cấu lò còn có các thiết bị phụ như:

Cửa lò, các thiết bị vận chuyển