CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN 1. GIỚI THIỆU CHUNG. Trong đời sống, sản xuất yêu cầu về sử dụng nhiệt là rất lớn trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Nhiệt năng dùng để nung , sấy ,nhiệt luyện, nấu chảy kim loại, hợp kim. Nhiệt năng là một yêu cầu không thể thiếu, nguồn nhiệt năng này được chuyển từ điện năng qua các lò điện là rất phổ biến và thuận tiện. - Từ điện năng có thể thu được nhiệt năng bằng nhiều cách: + Nhờ hiệu ứng joule dùng trong lò điện trở. + Nhờ phóng điện hồ quang dùng trong lò hồ quang.
+ Nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ dùng trong lò cảm ứng. - Lò điện là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng sử dụng trong công nghệ nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng, công nghệ nhiệt luyện và cả trong ngành y tế. Đặc điểm của lò điện. - Là thiết bị có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt độ tập trung trong một thể tích nhỏ, do nhiệt năng tập trung nên lò có tốc độ nung nhanh và có năng suất cao.
- Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh khống chế nhiệt và chế độ nhiệt. - Lò đảm bảo được độ kín và khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ vì vậy mà độ cháy tiêu hao kim loại không đáng kể. - Lò có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá ở mức cao. - Lò đảm bảo được điều kiện vệ sinh không có bụi , không có khói.
PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN. - Dựa vào đặc tính cũng như nguyên lí hoạt động của lò điện ta chia lò điện thành các loại sau: * Lò điện trở * Lò hồ quang * Lò cảm ứng 1. Khái niệm Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt ( dây điện 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 được dùng để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…. Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt 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 vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau : - Chịu được nhiệt độ cao. - Độ bền cơ khi lớn.
- Có điện trở suất lớn ( vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền ) - Hệ số điện trở nhỏ ( vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò ). - Chậm hoá già ( tức là dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ lò ). Vật liệu dây đốt có thể là - Hợp kim : Cr – Ni, Cr – Al …. với nhiệt độ lò làm việc dưới 1200 0 C.
- Hợp chất : SiC, MoSi2 với nhiệt độ làm việc 1200 0 C 1600 0 C; - Đơn chất : M0, W, C, Với lò có nhiệt độ làm việc cao hơn 1600 0 C; 11 Bảng 1. Một vài thông số cơ bản của vật liệu làm dây đốt lò điện trở. Thành phần hóa học (%) Hệ số ( còn lại là Fe và các chất khác ) Nhiệt độ nhiệt Điện Vật liệu làm việc điện trở trở suất max 0 3 6 Cr Ni Al SiC SiO2 ( C.10 (10 ) độ 1 ) Cr – Ni 20-23 75-78 1100 0,035 1,15 Cr – Ni 15-18 55-61 1000 0,1 1,10 Cr – Al 12-15 3-5 850 1,26 Cr – Al 23-27 4-6 1200 1,25 SiC 94,4 3,6 1500 2.10 3 Gr 2800 8-13 Mo 2000 5,1 0,052 Ti 2500 4,0 0,15 W 2800 4,3 0,05 1. Tính toán dây đốt - Xuất phát từ năng suất lò, ta tính toán ra công suất lò tiêu thụ từ lưới điện.
M kg - Năng suất lò là: A = t ( ) s 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 : Q = M. c ( t 0 - t 0 ), (J), 2 1 Trong đó : c : nhiệt dung riêng trung bình trong một khoảng nhiệt độ (t 02 - t 10 ), (J/Kg, độ) t 02 ,t 10 : Nhiệt độ lúc ban đầu và lúc gia nhiệt của vật gia nhiệt - Công suất hữu ích của lò : 12 Phi = Q 0 = A. Trong đó : : Hiệu suất lò. Thường lò có hiệu suất là = 0,7 0,8 - Công suất đặt của thiết bị : P = k.Plò Trong đó: k là 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 đốt trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt dây.Fdd Trong đó : m : số pha. Fdd : Diện tích bề mặt của dây đốt một pha.
Sơ bộ kết cấu lò điện trở Các lò điện trở hiện nay ở Việt Nam có nhiều loại và nguồn gốc khác nhau. Đa phần là lò Liên Xô (cũ), một số khác của Đức, Tiệp, Hung…và một số lò thí nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng để nung, sấy, nhiệt luyện của Mỹ, Pháp. Nói chung các lò đều có kết cấu tương tự nhau. Lò buồng là loại lò vạn năng nhất.
Lò gồm buồng nung hình hộp chữ nhật với kích cỡ tuỳ thuộc 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 xây bằng gạch samôt hay bột samôt có độ cách nhiệt cao.
Bọc ngoài là vỏ tôn dày 5 đến 10 mm. Đáy lò bằng thép chịu nhiệt, đúc liền bằng những miếng 13 nhỏ hoặc đáy lò xây bằng gạch chịu lửu. Thành trong của buồng lò có đặt dây đốt. Dây đốt được bố trí cả phía đáy và phía đỉnh.
Cửa lò tuỳ kiểu và công suất lò, có thể mở bằng tay hoặc bằng cơ cấu cơ khí. Cửa lò có lỗ thăm để quan sát phía trong lò. Ngoài ra lò còn có đầu ra của dây, cửa khí để dẫn khí bảo vệ vào lò để thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò gây hiện tượng ôxi hoá, thoát cacbon của vật gia nhiệt, đầu đo nhiệt ở đỉnh lò hay bên hông… 1. Khái niệm chung và phân loại Lò hồ quang là lò lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại.
Lò hồ quang dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao. - Phân loại lò hồ quang: a) Theo dòng điện sử dụng : + Lò hồ quang một chiều. + Lò hồ quang xoay chiều. b) Theo cách cháy của ngọn lửa : + Lò nung nóng gián tiếp : nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa hai điện cực, được dùng để nấu chảy kim loại.
Lò hồ quang nung nóng gián tiếp 14 + Lò nung nóng trực tiếp : nhiệt của ngọn lửa hồ quang xay ra giữa 2 điện cực để nấu chảy kim loại.2 Lò hồ quang nung nóng trực tiếp c) Theo đặc điểm chất liệu vào của lò: + Lò chất liệu ( rắn, kim loại vụn ) bên sườn bằng phương pháp thủ công hay máy móc (máy chất liệu, máy trục máng) qua cửa lò. + Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu. Loại lò này có cơ cấu nâng vòm nóc. Kết cấu của lò hồ quang - Cấu tạo của lò hồ quang gồm các bộ phận chính: + Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt và cửa lò có miệng rót.
+ Vòm nóc lò có vỏ cách nhiệt. + Cơ cấu giữ và dịch chuyển điện cực, truyền động bằng điện hay thuỷ lực. + Cơ cấu nghiêng lò truyền động bằng điện hay thuỷ lực. + Phần dẫn điện từ biến áp lò tới lò.
Ngoài ra, đối với lò hồ quang nạp liệu từ trên cao còn có cơ cấu nâng quay vòm lò cơ cấu rót kim loại cũng như gàu nạp liệu. Trong các lò hồ quang có lò nồi sâu, kim loại lỏng ở trạng thái tĩnh có 15 chênh lệch nhiệt độ theo độ cao (khoảng 100 0 C/m). Trong điều kiện đó để tăng phản ứng của kim loại và để đảm bảo khả năng nung nóng kim loại trước khi rót cần phải khuấy trộn kim loại lỏng. Ở các lò dung lượng nhỏ dưới 6 tấn thì việc khuấy trộn thực hiện bằng tay qua cơ cấu cơ khí.
Với lò dung lượng trung bình và đặc biệt lớn (100T và hơn) thì thực hiện bằng thiết bị khuấy trộn để không những giảm lao động vất vả của các thợ nấu mà còn nâng cao chất lượng của kim loại nấu. Thiết bị khuấy trộn kim loại thường là thiết bị điện từ có nguyên lý làm tương tự động cơ đồng bộ rôto ngắn mạch. Từ trường chạy tạo ra ở lò có đáy phi kim loại nhờ hai cuộn dây dòng xoay chiều 0,5 đến 1Hz lệch pha nhau 90 0 do từ trường này mà kim loại có lực điện từ dọc trục. Khi đổi nối dòng trong các cuộn dây có thể thay đổi hướng chuyển động củ kim loại trong nồi theo hướng ngược lại.
- Các thông số quan trọng của lò hồ quang: + Dung lượng định mực của lò: số tấn kim loại trong một mẻ nấu. + Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nấu luyện tức là tới năng suất lò. Chu trình làm việc của lò hồ quang gồm ba giai đoạn: a) Giai đoạn nung nóng nhiện liệu và nấu chảy kim loại. Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60% 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm khoảng 50% 60% toàn bộ thời gian một chu trình.
Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang phải cháy ôn định. Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy hồ quang điện cực phải đựơc điều chỉnh gần vào kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực bị chạm vào kim loại gọi là quá điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc.
Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch động lực thường phải làm việc trong điều kiện nặng nề.