đồ án thiêt kế lò nấu luyện

Kết quả là lớp bị biến dạng dẻo và biến cứng có độ cứng cao tới 600HB, có tính chống mài mòn rất cao, hơn nữa trong quá trình làm việc nếu lóp cũ bị mòn đi thì lớp mới lại bị biến dạng dẻo và hóa bền. Về mặt này thép Hadfield tốt hơn hẳn các thép được tôi hóa bề mặt hoặc hóa nhiệt luyện. Do có tổ chức Astenit, thép có độ dai cao, độ bền tốt ϭb =8001000MPa; ϭ0,2= 450500MPa, δ= 5060%, αk= 2000 kjm2, nên có thể làm việc tốt dưới tải trọng va đập. Tính chống va đập đạt giá trị cao nhất khi tổ chức hoàn toàn austenite, sau khi đúc, ngoài austenite vẫn còn có mangan cacbit tiết ra (do lượng Mn và C của thép cao) Muốn hòa tan hết số cacbit này phải nung nóng thép đến 105011000C, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh trong nước (tôi), tổ chức austenite được cố định lại hoàn toàn ở nhiệt độ thường

1 Tìm hiểu hợp kim đúc

Vật liệu sử

dụng

Mô đun đàn hồi Giới hạn chảy Hệ số poisson Khối lượng

riêng Thép hadfield

C: 1,3%, Mn

13%

1,3%C và 13%Mn, kí hiệu là 130Mn13Đ Tổ chức austenite (do Mn là nguyên tố mở rộng vùng α) độ cứng thấp khoảng 200HB, độ dẻo dai cao Khi làm việc bị ma sát với tải trong lớn, bề mặt thép bị biến dạng dẻo, xảy ra hai quá trình sau:

- Biến cứng do biến dạng nguội, mạng tinh thể austenite bị xô lệch, các hạt bị chia nhỏ thành tổ chức siêu hạt

- Tạo thành mactenxit dưới tác dụng của ứng suất cao, một phần austenite chuyển biến thành mactenxit và được gọi là mactenxit biến dạng Do lượng cacbon của thép cao nên mactenxit tạo thành có độ cứng rất cao

Kết quả là lớp bị biến dạng dẻo và biến cứng có độ cứng cao tới 600HB, có tính chống mài mòn rất cao, hơn nữa trong quá trình làm việc nếu lóp cũ bị mòn đi thì lớp mới lại bị biến dạng dẻo và hóa bền Về mặt này thép Hadfield tốt hơn hẳn các thép được tôi hóa bề mặt hoặc hóa nhiệt luyện

Do có tổ chức Astenit, thép có độ dai cao, độ bền tốt ϭb =800-1000MPa; ϭ0,2= 450-500MPa, δ= 50-60%, αk= 2000 kj/m2, nên có thể làm việc tốt dưới tải trọng va đập

Tính chống va đập đạt giá trị cao nhất khi tổ chức hoàn toàn austenite, sau khi đúc, ngoài austenite vẫn còn có mangan cacbit tiết ra (do lượng Mn và C của thép cao) Muốn hòa tan hết số cacbit này phải nung nóng thép đến 1050-1100 0 C, giữ nhiệt rồi làm nguội

nhanh trong nước (tôi), tổ chức austenite được cố định lại hoàn toàn ở nhiệt độ thường

2 Tính toán thời gian nhiệt luyện

Thời gian nung mẻ đầu tiên:

Τ1 = 0,1×K1×K2×K3×D = 0,1×4×2×1,4×75= 84 phút

Do đây là thép hợp kim cao nên phải nung phân cấp, ta chọn thời gian là 120 phút

Thời gian nung tính từ mẻ thứ 2:

Lúc này nhiệt độ lò ≈ 7000C do đó khi đưa sản phẩm vào lò ta giữ nhiệt trong một

khoảng thời gian và nung tiếp Giả sử thời gian là 70 phút

Thời gian giữ nhiệt tính theo chiều dày nung 75mm (tra bảng 4.18): Τ2 = 75 phút

Thời gian lấy sản phẩm ra làm

nguội và bố trí sản phẩm mới vào

lò: Τ3 = 5 phút

Tổng thời gian một mẻ : 150

phút = 2 giờ 30 phút

Năng suất yêu cầu: 4 Tấn/12 giờ

=> yêu cần mỗi mẻ phải lớn hơn

833 Kg

Một tấm đĩa nặng 216 Kg do đó

mỗi lần phải nhiệt luyện > 4 tấm

Ta chọn nhiệt luyện 6 tấm/mẻ

3 Bố trí sản phẩm trong lò và kích thước sơ bộ

Kích thước sơ bộ nội hình lò

 Chiều rộng lò B

B= n.d + (n-1)c +2.b

 Chiều dài lò L

L= n.l + (n-1)s +2.b

Thay số vào ta được:

B= 1×660+ 0×0 + 2×100 = 860mm

L=2×960+(2-1)×100+2×100=2220m

 Chiều cao lò tra bảng:

H= 670 mm

n: là số phôi xếp theo chiều rộng hoặc dài

lò l: là chiều dài phôi nung d: là chiều rộng phôi nung c: là khoảng cách giữa 2 hàng phôi : 50mm

b: là khoảng cách từ phôi đến tường lò : 100mm

s: là khoảng cách giữa 2 phôi: 100mm

Để thuận lợi trong quá trình thiết kế, tính toán cũng như mua lò, ta chọn lại theo kích thước tiêu chuẩn phổ biến là 1050x2400x830mm

Ttâm

Tmặt

Kích thước sơ bộ ngoại hình lò (lớp gạch và thể xây) :

 Tường lò xung quanh: do đây là lò buồng dùng để nhiệt luyện chi tiết nên không trực tiếp tiếp xúc kim loại lỏng, nhiệt độ lại không quá cao nên ta xây tường không cần dày, giảm lượng nhiệt tích qua thể xây Độ dày tường lò là 389 mm (115 mm gạch samot , 230 mm gạch cách nhiệt, 50mm bông ceramic )

 Đáy lò di động dày: Do lượng nhiệt chủ yếu tác động vào nóc lò nên đáy lò không cần quá dày làm tăng khối lượng cho động cơ kéo Đáy lò dày 269 mm (65mm gạch samot , 195 mm gạch cách nhiệt)

 Nóc lò: là nơi nhận lượng nhiệt lớn và bức xạ vào vật nung do đó cần có lớp chịu lửa dày Ta dùng cao nhôm xốp để giảm khối lượng cho vòm lò Nóc dày 419

mm (230mm cao nhôm xốp, 130mm gạch cách nhiệt, 50mm bông ceramic)

Ta chọn loại lò có các thông số như sau:

Tmax Kích thước nội hình (mm) Thể

tích

Kích thước ngoại hình (mm) Tải trọng (tấn)

Hình Thể xây của tường lò

Hình Thể xây đáy lò Hình Thể xây nóc lò

4 Tính toán cân bằng nhiệt

a Nhiệt Chi

- Nhiệt nung vật phẩm:

𝑄𝑛𝑢𝑛𝑔 = 1

3,6𝐺𝐶(𝑡𝑔𝑐− 𝑡𝑔𝑑) =

1 3,6 × 2,5 (6 × 216 × 0,502(1100 − 30) = 77348 𝑊

- Nhiệt mất do bức xạ lúc mở cửa lò lấy sản phẩm:

𝑄𝑏𝑥 = 𝐶0ɛ [( 𝑇1

100)

4

− ( 𝑇0

100)

4

] × 𝐹 × τ Trong đó ɛ = 5,67 (W/m3)

C0 = 0,865 + 0,00021t = 1,096

F= Fđáy + Fcửa = (1,050× 2,4) + (1,050×0,83) = 3,39 m2

Lượng nhiệt bức xạ là:

𝑄𝑏𝑥 = 1,096 × 5,67 [(1373

100 )

4

− (303

100)

4

] × 3,39 × 5 = 3735995 J

Qbx (cần tính) = 𝛴𝑄𝑏𝑥

𝜏𝑞𝑢á 𝑡𝑟ì𝑛ℎ = 3735995

150 = 24906 𝑊

- Nhiệt mất do dẫn nhiệt qua thể xây lò:

𝑄𝑡ườ𝑛𝑔= 𝑆 𝑡𝑡− 𝑡𝑘𝑘

1

𝜆1+𝜆𝑆22+𝜆𝑆𝑛𝑛+ 𝑅𝑛𝑔

𝐹𝑡 =0,116 1100 − 30 1,404 +0,2320,423 +0,0500,116 + 0,06

× 17,1 = 16306 W

𝑄𝑛ó𝑐= 𝑆 𝑡𝑡− 𝑡𝑘𝑘

1

𝜆1+𝜆𝑆22+𝑆𝜆𝑛𝑛 + 𝑅𝑛𝑔

𝐹𝑡 =0,2331100 − 30 1,404 +0,2200,385 + 0,06

× 5,8 = 4949 𝑊

𝑄đá𝑦 = 20%𝑄𝑡ườ𝑛𝑔 = 3261 𝑊

Qthể xây = Qnóc + Qtường + Qđáy = 16306+4949+3261 = 24516 W

- Nhiệt mất do nung thanh đỡ và dây chằng

𝑄11 = 1 3.6

𝐺𝑔𝐶𝑔(𝑡𝑔𝑐− 𝑡𝑔𝑑)

1 3.6

400 × 0,48 × (1100 − 30)

- Nhiệt mất mát khác:

Qmất = 5% ΣQ = 7480 W

b Nhiệt Thu

Nhiệt này là công suất điện của mỗi lò

Từ công suất

điện của lò

Qc= P (W)

Nhiệt lượng nung vật phẩm Qnung = 1

3,6τΣG C(tc− td) Qnung = 77348 𝑊 Nhiệt mất do

bức xạ lúc mở cửa

𝑄𝑏𝑥 = 𝐶0ɛ [( 𝑇1

100)

4

− ( 𝑇0

100)

4 ] × 𝐹

Qbx = 24906 W

Nhiệt mất do dẫn nhiệt qua thể xây lò

Q𝑡ℎể 𝑥â𝑦= S tt− tkk

1

λ1+Sλ22+Sλnn+ Rng

Ft

Qthể xây = 24516 W

Nhiệt mất do nung thanh đỡ

và dây chằng

Q11= 1 3.6

GgCg(tgc − tgd)

Nhiệt mất khác Qmất = 5% ΣQ 7480 W Qmất = 7480 W

Cân bằng nhiệt:

ΣQthu = ΣQchi = 159 kW

5 Tính toán thiết bị điện cho lò

a Tính toán dây điện trở

 Chọn loại dây nung

Do lò làm việc liên tục ở nhiệt độ 11000C, môi trường không khí nên ta chọn dây điện trở như sau

Vật liệu

Trọng lượng riêng ở 20oC (g/cm3)

Điện trở suất ở 0oC Ωmm2/m

Hệ số nhiệt điện trở α.103

Nhiệt độ chảy lỏng

oC

Nhiệt độc làm việc cực đại

oC

Nhiệt độ làm việc liên tục

oC

 Chọn cách bố trí dây điện trở

Ta bố trí vào 3 mặt bên của tường lò (không bố trí vào mặt cửa lò)

 Tính công suất bề mặt riêng của tường lò

𝑃𝑇𝑟 =𝑃𝑙ò

𝐹𝑇 = 4,856159 = 32,74 𝑘𝑊/𝑚2

 Công suất bề mặt riêng của dây điện trở lý tưởng (bảng 7.10 sách lò công nghiệp)

Ứng với nhiệt độ lò là 11000C và nhiệt độ cực đại của dây nung là 12500C

Ta được Wlt = 5 W/cm2

 Tính công suất bề mặt riêng của đơn vị tường lò

𝑃𝑇𝑟(1) = 𝑃𝑇𝑟

𝑊𝑙𝑡 =

32,74

5 = 6,54

Ta đối chiếu với bảng 7.5 để chọn loại dây tiết diện tròn kiểu quấn quanh thân ống gốm

 Phương pháp đấu dây

Ta chọn nguồn đấu sao – tải đấu hình sao (Plò = 3Ptải)

Giả sử công suất điện của lò đạt được 100%

 Ptải (mỗi nhánh) = 𝑃𝑙ò

3 =159

3 = 53 𝑘𝑊

 Utải (mỗi nhánh) = 220V

 Tính công suất bề mặt của dây:

W = Wlt.αc.αr.αp.αhq = 5×1×1×1×0,32 = 1,6 W/cm2

Các hệ số αc, αr , αp , αhq tra từ đồ thị

 Tính tiết diện và độ dài của dây

Tiết diện dây được tính theo công thức sau:

𝑑 = √4 105 𝜌𝑃2

𝜋2 𝑈2 𝑊

3

= √4 105× 1,45 × 532

𝜋2 2202 1,6

3

= 12,9 𝑚𝑚

Độ dài của dây (1 pha):

𝑙 = 𝑑 = √10 𝑃 𝑈2

4𝜋 𝑊2 𝜌

3

= √10 × 53 × 2202 4𝜋 × 1,62× 1,45

3

= 81,9 𝑚

 Dự kiến bố trí và cấu trúc dây điện trở

Đường kính vòng xoắn D/d=9 => D = 116,1 mm

Chiều dài một vòng xoắn lvx = 𝜋.D = 257,3 mm

Số vòng xoắn của một nhánh Nvòng = l/lvx = 319 vòng

Chiều dày của một nhánh đã xoắn dây L = Nvòng.t = 319×(2×12,9)= 8230 mm

Có tất cả 3 nhánh, ta bố trí như sau: chiều dài nội hình của lò là 2400mm, mỗi vách tường bên ta bố trí 5 thanh gốm ngang mỗi thanh dài 2060 mm.( 4 thanh sẽ

là thuộc nhánh 1 hoặc nhánh 2, 1 thanh còn lại thuộc nhánh số 3)

Riêng với mặt tường lò đối diện cửa (nhánh 3) ta bố trí 6 thanh gốm dọc với chiều dài mỗi thanh là 685 mm

 Tính khối lượng dây điện trở

𝑔 = (𝜋𝑑2

4 𝑙) 𝜌 = (

𝜋(12,9 × 10−3)2

4 81,9) 7200 = 77,07 𝑘𝑔 Khối lượng dây cho 3 pha là 3×77,07 =231,2 kg

Phương án 2: dùng dây dích dắt

 Tính công suất bề mặt của dây:

W = Wlt.αc.αr.αp.αhq = 5×1×1×1×0,32 = 3,4 W/cm2

Các hệ số αc, αr , αp , αhq tra từ đồ thị

 Tính tiết diện và độ dài của dây

Tiết diện dây được tính theo công thức sau:

𝑑 = √4 105 𝜌𝑃2

𝜋2 𝑈2 𝑊

3

= √4 105× 1,45 × 532

𝜋2 2202 3,4

3

= 10 𝑚𝑚

Độ dài của dây:

𝑙 = 𝑑 = √10 𝑃 𝑈2

4𝜋 𝑊2 𝜌

3

= √10 × 53 × 2202 4𝜋 × 3,42× 1,45

3

= 49,6 𝑚

 Dự kiến bố trí và cấu trúc dây điện trở

Chiều cao dích dắt H =200 mm

Khoảng cách giữa các trục của dích dắt e =12,5 mm

Độ dài của một bước dích dắt = 425 mm

Số bước dích dắt trong một nhánh =

49,6/0,425 = 117 bước

Chiều dày của một nhánh đã uốn dây L =

117×12,5 = 1462,5 mm

 Có tất cả 3 nhánh, ta bố trí như sau:

o 2 bên tường lò mỗi bên 1 nhánh dài

1465 mm, cao 200mm

o Tường lò đối diện cửa lò ta bố trí 2 hàng ngang, dài 732mm

 Tính khối lượng dây điện trở

𝑔 = (𝜋𝑑2

4 𝑙) 𝜌 = (

𝜋(7 × 10−3)2

4 71,5) 7200 = 19,81 𝑘𝑔 Khối lượng dây điện cho 3 pha là 60kg

Phương án 3: đấu song song 2 tải/pha

 Phương pháp đấu dây:

Ta chọn nguồn đấu sao – tải đấu hình sao (2 nhánh/ pha): P lò = 6P tải

Giả sử công suất điện của lò đạt được 100%

 Ptải (mỗi nhánh) = 𝑃𝑙ò

6 =1596 = 26,5 𝑘𝑊

 Utải (mỗi nhánh) = 220V

 Tính tiết diện và độ dài của dây

Tiết diện dây được tính theo công thức sau:

𝑑 = √4 105 𝜌𝑃2

𝜋2 𝑈2 𝑊

3

= √4 105× 1,45 × 26,52

𝜋2 2202 1,6

3

= 8,1 𝑚𝑚

Độ dài của dây (1 nhánh):

𝑙 = 𝑑 = √10 𝑃 𝑈2

4𝜋 𝑊2 𝜌

3

= √10 × 26,5 × 2202 4𝜋 × 1,62× 1,45

3

= 65 𝑚

 Dự kiến bố trí và cấu trúc dây điện trở

Đường kính vòng xoắn D/d=9 => D = 72,9 mm

Chiều dài một vòng xoắn lvx = 𝜋.D = 229 mm

Số vòng xoắn của một nhánh Nvòng = l/lvx = 284 vòng

Chiều dày của một nhánh đã xoắn dây L = Nvòng.t = 284×(2×8,1)= 4600 mm

Có tất cả 6 nhánh, ta bố trí như sau: Vách tường bên ta bố trí 18 thanh gốm đứng mỗi thanh cao 660 mm.( 14 thanh sẽ là thuộc 1 pha, 4 thanh còn lại thuộc pha 3) Riêng với mặt tường lò đối diện cửa (nhánh 3) ta bố trí 6 thanh gốm đứng với chiều dài mỗi thanh là 660 mm

 Tính khối lượng dây điện trở

𝑔 = (𝜋𝑑2

4 𝑙) 𝜌 = (

𝜋(8,1 × 10−3)2

4 65) 7200 = 24,1 𝑘𝑔 Khối lượng dây cho 3 pha là: 6×24,1 = 144,7 kg

 Tóm tắt lại ta được bản thống kê như sau:

Phương án

Thông số

Đấu sao - dây xoắn

dây xoắn quanh ống gốm

Σ Chiều dài dây 3

b Thiết bị đo và điều khiển nhiệt độ lò

 Thiết bị đo: sử dụng cặp nhiệt điện bố trí phía trên nóc lò gần khu vực cửa lò

 Thiết bị điều khiển nhiệt độ: Dùng bộ điều khiển nhiệt kĩ thuật số có tích hợp hệ thống điều khiển công suất

 Cơ chế hoạt động của bộ điều khiển:

Ở mỗi giá trị nhiệt độ nhất định, cặp nhiệt điện sẽ sinh ra một dòng điện tương ứng (2-10 V) Dòng điện này đi vào bộ điều khiển kĩ thuật số và đối chiếu với giá trị nhiệt độ đã được thiết lập từ trước, khi nhiệt độ lò bằng nhiệt độ thiết lập,

hệ thống sẽ tính toán và giảm mức công suất sao cho nhiệt độ lò dao động xung quanh nhiệt độ thiết lập (sai số nhiệt độ tùy thuộc vào thiết bị)

Chi phí cho bộ điều khiển và

nhiệt độ khoảng 400 nghìn

đến 2tr tùy nhà sản xuất, rất

phổ biến và dễ tìm