Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành kỹ thuật cơ khí đòi hỏi năng lực tính toán và chế tạo các thiết bị nhiệt phục vụ gia công kim loại. Nhiệt luyện là khâu công nghệ quyết định trực tiếp đến cơ tính, độ bền và tuổi thọ của các chi tiết cơ khí chính xác. Quá trình xử lý nhiệt (nung, tôi, ram, ủ) đòi hỏi nguồn nhiệt độ cao và duy trì độ ổn định trong khoảng từ 700°C đến 1000°C. Trên thực tế, các dạng lò sử dụng nhiên liệu đốt truyền thống như than đá hay dầu bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất truyền nhiệt, khó khống chế nhiệt độ chính xác và phát thải gây ô nhiễm môi trường.

Đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của Công ty TNHH MTV SX TM DV Hoàn Nha (thông qua kỹ sư Trần Quốc Thanh) và sự hỗ trợ vỏ lò từ Công ty TNHH Thiết bị điện Sang Trọng, nhằm cải tiến mẫu lò nung sẵn có thành thiết bị lò nung điện trở hoạt động ổn định, đảm bảo an toàn lao động và tối ưu hóa chi phí chế tạo.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình lò nung điện trở buồng kín với chất lượng vận hành ổn định, nhiệt độ làm việc đạt mức 650°C – 1100°C, kiểm soát nhiệt tự động và hạ giá thành so với các dòng máy nhập khẩu.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Khảo sát lý thuyết về nung nóng kim loại, vật liệu chịu nhiệt, vật liệu cách nhiệt và dây điện trở.
    • Tính toán công suất điện, kích thước buồng nung và chọn vật liệu dây đốt phù hợp.
    • Thiết kế kết cấu vỏ lò, cơ cấu mở cửa và hệ thống gốm sứ buồng nhiệt trên phần mềm CAD/SolidWorks.
    • Gia công chế tạo vỏ lò bằng công nghệ cắt đột CNC, chấn NC, hàn MIG và sơn tĩnh điện.
    • Xây dựng mạch điều khiển động lực và hệ thống đo khống chế nhiệt độ tự động sử dụng cảm biến can nhiệt.
    • Lắp ráp hoàn thiện, chạy thử nghiệm gia nhiệt đến 750°C và thực nghiệm nung chảy mẫu nhôm ở 800°C.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thông số kỹ thuật và đặc trưng nhiệt - điện của lò nung điện trở gián tiếp; tính chất vật lý của vật liệu kim loại chịu nhiệt (hợp kim Nicrôm) và tính chất nóng chảy của nhôm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế chế tạo lò điện trở dạng buồng làm việc gián đoạn công suất 1540 W; dải nhiệt độ khảo sát từ 650°C đến 1100°C; nghiên cứu vật liệu bông cách nhiệt, gốm sứ chịu lửa và tích hợp hệ thống đóng ngắt điều khiển nhiệt độ bằng vi xử lý và công tắc tơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật nhiệt luyện và truyền nhiệt trong lò công nghiệp:

  • Nguyên lý biến đổi năng lượng: Dựa trên định luật Jun-Lenxơ để xác định nhiệt lượng tỏa ra khi có dòng điện chạy qua dây dẫn điện trở: $$Q = I^2 \cdot R \cdot t$$ Trong đó: $Q$ là nhiệt lượng (J), $I$ là cường độ dòng điện (A), $R$ là điện trở dây đốt ($\Omega$), và $t$ là thời gian cấp điện (s).
  • Cơ chế truyền nhiệt: Nhiệt lượng từ dây đốt được truyền tới vật nung thông qua các phương thức bức xạ nhiệt, đối lưu và dẫn nhiệt phức hợp bên trong không gian buồng kín.
  • Lý thuyết vật liệu lò nung:
    • Vật liệu chịu nhiệt: Khảo sát các dạng gạch sa mốt, vật liệu chịu lửa chứa nhôm oxit ($Al_2O_3$) để làm vỉ đỡ dây và định hình không gian buồng lò.
    • Vật liệu cách nhiệt: Sử dụng bông cách nhiệt sợi khoáng nhằm giảm hệ số dẫn nhiệt và giảm thiểu khả năng tích nhiệt ra vỏ ngoài.
    • Vật liệu dây điện trở: Đánh giá các hợp kim kim loại (Nicrôm X20H80, Sắt - Crôm - Nhôm) và phi kim (Cacbuarun - SiC, Than - Grafit, Cripton) dựa trên điện trở suất, nhiệt độ làm việc tối đa và độ bền hóa học chống oxy hóa.
  • Lý thuyết đo lường và khống chế nhiệt: Ứng dụng phương pháp đo nhiệt độ tiếp xúc thông qua cặp nhiệt điện (can nhiệt). Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện tạo ra sức điện động (mV) tỉ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ, truyền tín hiệu về mạch điều khiển để hiển thị và kích hoạt đóng ngắt mạch điện cấp cho dây đốt.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tài liệu tính toán nhiệt kỹ thuật lò công nghiệp, bảng tra tiêu chuẩn dây điện trở Kanthal, công nghệ kim loại và xử lý nhiệt luyện.
  • Phương pháp so sánh và lựa chọn giải pháp: Phân tích ưu nhược điểm của các dạng kết cấu lò (lò buồng, lò giếng, lò chụp), các kiểu cơ cấu đóng mở cửa và cấu trúc bố trí dây đốt để chọn phương án tối ưu.
  • Phương pháp thiết kế mô hình hóa kỹ thuật: Thiết kế 3D bằng SolidWorks và bóc tách bản vẽ khai triển phôi 2D trên AutoCAD phục vụ gia công CNC.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Lắp ráp hệ thống hoàn chỉnh, tiến hành khảo sát thời gian gia nhiệt lên đến 750°C, đo đạc thông số dòng điện, điện áp và thực hiện nung thử nghiệm mẫu nhôm.

Nguồn dữ liệu tham khảo chủ yếu gồm: Giáo trình Tính toán kỹ thuật nhiệt lò công nghiệp (Hoàng Kim Cơ, Nguyễn Công Cần), Lò công nghiệp (Phạm Văn Trí, Dương Đức Hồng), Giáo trình kim loại học và nhiệt luyện (Nghiêm Hùng), bảng thông số kỹ thuật vật liệu dây đốt Kanthal và các báo cáo khoa học về lò công nghiệp trong nước.

Thiết kế và chế tạo hệ thống lò nung

1. Tính toán kích thước hình học và công suất điện

Căn cứ vào kích thước buồng nung yêu cầu $145 \times 140 \times 170\text{ mm}$ ($Dài \times Rộng \times Sâu$), hệ thống được tính toán kết cấu với chiều dày lớp cách nhiệt bằng bông tối thiểu $75\text{ mm}$ và lớp gốm sứ chịu nhiệt dày $20\text{ mm}$. Kích thước tổng thể phủ bì của lò được xác định là:

  • Chiều rộng lò: $R = 340\text{ mm}$.
  • Chiều sâu lò: $S = 400\text{ mm}$.
  • Chiều cao lò: $H = 470\text{ mm}$ (bao gồm khoang chứa buồng nung, hộp điều khiển cao $100\text{ mm}$ và khe không gian hở $30\text{ mm}$ cách ly nhiệt để bảo vệ bo mạch).
  • Nắp lò: Kích thước $340 \times 340 \times 50\text{ mm}$.

Tính toán thông số điện và dây điện trở:

  • Công suất điện thiết kế: $P = 1540\text{ W}$.
  • Điện áp nguồn: $U = 220\text{ V}$.
  • Dòng điện làm việc: $I = \frac{P}{U} = \frac{1540}{220} = 7\text{ A}$.
  • Vật liệu dây đốt: Hợp kim Nicrôm X20H80, đường kính $d = 1,2\text{ mm}$ (theo chuẩn Kanthal cho dòng dưới 10 A).
  • Điện trở suất của dây: $\rho = 1,257\ \Omega/\text{m}$.
  • Tổng điện trở cần thiết: $R = \frac{U}{I} = \frac{220}{7} \approx 31,4\ \Omega$.
  • Chiều dài dây điện trở cần dùng: $L = \frac{R}{\rho} = \frac{31,4}{1,257} \approx 25\text{ m}$. Dây được quấn dạng xoắn lò xo để lồng qua vỉ gốm sứ.
Thông số thiết kế Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn Đơn vị
Kích thước buồng nung trong $145 \times 140 \times 170$ mm
Kích thước tổng thể phủ bì vỏ lò $340 \times 400 \times 470$ mm
Độ dày lớp bông cách nhiệt $75$ mm
Độ dày gốm sứ chịu nhiệt $20$ mm
Công suất điện định mức $1540$ W
Điện áp làm việc $220$ V (1 pha)
Cường độ dòng điện danh định $7$ A
Vật liệu dây phát nhiệt Nicrôm X20H80 ($d = 1,2\text{ mm}$) -
Tổng chiều dài dây phát nhiệt $25$ m
Tổng điện trở dây đốt $31,4$ $\Omega$

2. Quy trình gia công cơ khí vỏ lò và cơ cấu mở cửa

  • Gia công vỏ kim loại: Phôi thép tấm được trải hình trên phần mềm AutoCAD, sau đó chuyển mã sang máy đột dập CNC để cắt các lỗ định hình và biên dạng. Tiếp theo, chi tiết được chấn góc trên máy chấn NC bằng kỹ thuật chấn 2 điểm hoặc 3 điểm để đảm bảo góc uốn chính xác. Các mối ghép được hàn bằng máy hàn hồ quang MIG trong môi trường khí bảo vệ (Argon/$\text{CO}_2$) với phương pháp hàn chấm điểm trước khi kéo đường hàn.
  • Sơn tĩnh điện 4 công đoạn:
    1. Xử lý bề mặt: Sản phẩm được nhúng qua hệ thống bể hóa chất tẩy dầu mỡ, bể axit ($\text{H}_2\text{SO}_4$ hoặc $\text{HCl}$) tẩy rỉ sét, bể định hình bề mặt, bể photphat hóa bề mặt và bể rửa nước.
    2. Sấy khô: Làm khô hơi nước trong lò sấy hồng ngoại.
    3. Phun sơn bột: Phun tĩnh điện bằng súng tích điện dương trên buồng thu hồi bột sơn dư.
    4. Sấy định hình: Đưa vào buồng sấy nhiệt độ 200°C trong thời gian 30 phút.
  • Cơ cấu mở cửa lò: Để tránh luồng nhiệt độ cao phả thẳng vào mặt người vận hành khi mở lò theo phương thẳng đứng hoặc bản lề quay thông thường, nhóm thiết kế sử dụng cơ cấu 4 khâu bản lề tạo chuyển động song phẳng. Cơ cấu này cho phép đảo hướng mở sang trái hoặc sang phải linh hoạt. Dung sai chế tạo các mối trục quay bản lề được lựa chọn theo cấp dung sai $H8/h7$.
  • Cấu trúc gốm sứ buồng lò: Được module hóa thành 8 tấm gốm ghép rời (tấm đáy, tấm lưng, tấm cửa, tấm thông hơi và các tấm vỉ mang dây điện trở). Thiết kế này hạn chế ứng suất nhiệt gây nứt vỡ so với đúc gốm nguyên khối và thuận tiện cho việc chế tạo khuôn đúc.

3. Quy trình lắp ráp hệ thống lò

Quy trình lắp ráp thực tế diễn ra qua 9 bước tuần tự:

  1. Đo đạc và quấn dây điện trở Nicrôm thành dạng xoắn lò xo.
  2. Xỏ dây điện trở đã quấn vào các rãnh/lỗ định hình của vỉ gốm sứ.
  3. Đặt mặt trước vỏ lò úp xuống sàn, lắp ghép các tấm gốm sứ cửa lò vào vị trí và chèn bông cách nhiệt cố định.
  4. Nhét chặt bông cách nhiệt xung quanh các vách thân buồng lò.
  5. Lắp ráp lần lượt các tấm gốm sứ thành vách buồng, tấm thông hơi và vỉ mang dây điện trở.
  6. Lắp đặt tấm gốm sứ lưng lò, luồn 4 đầu cực của dây điện trở ra phía sau qua các lỗ kỹ thuật.
  7. Chêm lớp bông cách nhiệt dày ở mặt lưng lò.
  8. Cố định toàn bộ kết cấu ruột lò bằng tấm lưng thép thứ hai và các bass chặn kim loại.
  9. Lắp nắp trên, hoàn thiện liên kết vỏ ngoài và lắp ráp cụm cơ cấu mở cửa.

4. Hệ thống điều khiển và mạch động lực

  • Cảm biến và khống chế nhiệt: Sử dụng cặp nhiệt điện (can nhiệt) dải đo rộng đặt trực tiếp vào buồng nung. Tín hiệu điện áp biến thiên theo nhiệt độ được gửi về bộ điều khiển vi xử lý hiển thị màn hình LED.
  • Nguyên lý đóng ngắt: Khi nhiệt độ đo được nhỏ hơn nhiệt độ cài đặt ($t_{lo} < t_{dat}$), rơ le điều khiển đóng tiếp điểm cấp điện cho cuộn hút của công tắc tơ (Contactor), các tiếp điểm lực đóng lại để cấp nguồn 220 V cho bộ dây điện trở. Khi nhiệt độ đạt tới ngưỡng cài đặt ($t_{lo} \ge t_{dat}$), tiếp điểm ngắt điện cuộn hút công tắc tơ, hệ thống ngừng cấp dòng để nhiệt độ hạ dần theo quán tính. Quá trình đóng ngắt diễn ra tuần hoàn nhằm duy trì dải nhiệt độ ổn định. Mạch có tích hợp rơ le nhiệt để ngắt nguồn bảo vệ khi xảy ra quá tải hoặc ngắn mạch.
  • Chương trình cài đặt: Bộ điều khiển cho phép thiết lập quy trình nhiệt gồm 4 giai đoạn ($St-1$, $St-2$, $St-3$, $St-4$). Mỗi giai đoạn được cài đặt độc lập 3 thông số:
    • Tốc độ tăng nhiệt: $\text{RATE}$ (°C/phút).
    • Nhiệt độ cần đạt: $\text{TEMP}$ (°C).
    • Thời gian giữ nhiệt: $\text{HOLD}$ (phút).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh phát triển công nghiệp cơ khí và công nghệ nhiệt luyện kim loại. Tác giả nêu rõ vai trò của nhiệt luyện trong việc quyết định tuổi thọ, cơ tính và độ chính xác của chi tiết máy. Nội dung tổng quan phân tích lịch sử phát triển của các loại lò công nghiệp trên thế giới (từ lò nấu đồng triều Thương 1200°C, lò luyện thép của Martin năm 1864 đến lò hồ quang điện và cảm ứng năm 1900) và tại Việt Nam (các dòng lò Liên Xô cũ, đề tài lò gốm khí hóa lỏng của KS. Trần Lê Dũng, lò sấy điện trở 3 pha thyristor của SV. Đặng Thanh Hoàng). Từ các phân tích so sánh, tác giả xác định mục tiêu chế tạo lò nung điện trở gián đoạn dạng buồng với công suất $1540\text{ W}$, nhiệt độ làm việc từ 650°C đến 1100°C.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 đi sâu vào các khái niệm nền tảng, nguyên lý biến đổi điện năng thành nhiệt năng theo định luật Jun-Lenxơ và phân loại lò nung theo nhiệt độ (thấp, trung bình, cao), theo kết cấu (lò buồng, lò giếng, lò chụp) và theo mục đích sử dụng (tôi, ram, ủ, nấu chảy). Chương này cung cấp hệ thống phân tích chi tiết về 3 bộ phận cấu thành lò nung điện trở:

  • Vỏ lò: Kết cấu khung cứng vững bằng thép tấm định hình hàn và tán.
  • Phần chịu nhiệt: Yêu cầu vật liệu chịu nhiệt, độ bền cơ hóa học và tích nhiệt cực tiểu.
  • Phần cách nhiệt: Vai trò của gạch cách nhiệt, bông sợi khoáng trong việc giảm tổn thất nhiệt.

Đặc biệt, chương 2 tổng hợp các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của dây nung kim loại (Nicrôm, Sắt - Crôm - Nhôm) và phi kim loại (Cacbuarun, Than - Grafit, Cripton). Chương cung cấp bảng kích thước tiêu chuẩn dây tròn ($d = 2 \div 9\text{ mm}$), dây chữ nhật ($a \times b$), bảng tra tỷ số $(D/d)_{max}$ theo nhiệt độ cho phép ($1000^\circ\text{C} \div 1300^\circ\text{C}$), và các quy tắc bố trí dây xoắn lò xo, dích dắc trên vách buồng nhiệt.

Chương 3: Quá trình thực hiện

Chương 3 trình bày toàn bộ các bước tính toán thiết kế kỹ thuật và quy trình chế tạo:

  • Xác định kích thước hình học buồng lò ($145 \times 140 \times 170\text{ mm}$), lớp cách nhiệt ($75\text{ mm}$), lớp gốm ($20\text{ mm}$) và vỏ ngoài ($340 \times 400 \times 470\text{ mm}$).
  • Mô hình hóa 3D trên SolidWorks và xuất bản vẽ kỹ thuật gia công trên AutoCAD.
  • Tính toán điện trở dây Nicrôm X20H80 ($d = 1,2\text{ mm}$, $R = 31,4\ \Omega$, dài $25\text{ m}$).
  • Quy trình gia công cơ khí chi tiết: Đột dập CNC, chấn góc NC 2 điểm/3 điểm, hàn hồ quang MIG, quy trình sơn tĩnh điện 4 bước.
  • Tính toán cơ cấu mở cửa 4 khâu bản lề chuyển động song phẳng với dung sai $H8/h7$.
  • Thiết kế cụm 8 tấm gốm sứ và quy trình đúc nung sứ.
  • Trình tự 9 bước lắp ráp bông cách nhiệt, gốm và luồn dây điện trở.
  • Xây dựng sơ đồ mạch động lực cấp nguồn $220\text{ V}$, mạch đo nhiệt độ bằng can nhiệt và nguyên lý điều khiển đóng ngắt qua công tắc tơ, rơ le bảo vệ sự cố.

Chương 4: Kết quả đạt được

Chương 4 công bố các dữ liệu thực nghiệm sau khi hoàn thiện thiết bị:

  • Thực nghiệm chạy thử lò nung đến nhiệt độ 750°C: Đồ thị tăng nhiệt cho thấy nhiệt độ trong lò tăng nhanh ở giai đoạn đầu và duy trì ổn định khi đạt mức thiết lập.
  • Tính toán nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình nung đến 750°C: Với dòng $I = 7\text{ A}$, điện trở $R = 31,4\ \Omega$, thời gian gia nhiệt $t = 2400\text{ giây}$ (40 phút), nhiệt lượng tính toán đạt: $$Q = 7^2 \times 31,4 \times 2400 \approx 3.700.000\text{ J} = 3700\text{ kJ}$$
  • Thử nghiệm nung nóng chảy mẫu nhôm (tận dụng từ vỏ lon bia) ở nhiệt độ xấp xỉ 800°C đạt kết quả nhôm hóa lỏng hoàn toàn.
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành, nhận diện các phím chức năng trên bảng điều khiển LED (POWER, HEAT, SET, phím tăng/START, phím giảm/STOP) và quy trình thiết lập 4 giai đoạn nhiệt ($St-1 \div St-4$) với các biến số $\text{RATE}$, $\text{TEMP}$, $\text{HOLD}$.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã chế tạo thành công mẫu thực nghiệm lò nung điện trở buồng kín với các thông số vận hành thực tế:

  • Hoạt động ổn định ở công suất định mức $1540\text{ W}$ trên nguồn điện lưới 1 pha $220\text{ V}$, cường độ dòng điện $7\text{ A}$.
  • Kích thước buồng nhiệt hữu dụng đạt $145 \times 140 \times 170\text{ mm}$, nhiệt độ thử nghiệm thực tế đạt từ 750°C đến 800°C, và giới hạn thiết kế cho phép làm việc đến 1100°C.
  • Thời gian gia nhiệt từ nhiệt độ môi trường lên 750°C mất 2400 giây (40 phút) với tổng nhiệt lượng phát ra là $3700\text{ kJ}$.
  • Cơ cấu 4 khâu bản lề hoạt động trơn tru với cấp dung sai $H8/h7$, đảm bảo an toàn nhiệt cho người vận hành.
  • Khảo sát nung chảy thành công vật liệu nhôm đúc thử nghiệm ở mức nhiệt 800°C.

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Module hóa gốm sứ buồng nung: Thay vì sử dụng buồng gốm đúc liền khối dễ bị nứt vỡ do sốc nhiệt và khó chế tạo khuôn, tác giả chia nhỏ buồng nung thành 8 tấm phẳng ghép mộng, giúp việc chế tạo khuôn đơn giản và tăng khả năng chịu giãn nở nhiệt.
  • Cơ cấu mở cửa song phẳng 4 khâu: Thay thế bản lề xoay truyền thống bằng hệ thống 4 khâu bản lề giúp cánh cửa lò luôn chuyển động tịnh tiến song song với mặt trước, ngăn dòng khí nóng phả trực tiếp vào mặt người thao tác và cho phép lắp đặt mở thuận tiện cả hai hướng trái - phải.
  • Tối ưu hóa quy trình công nghệ vỏ lò: Kết hợp thiết kế CAD/CAM đồng bộ, tận dụng tối đa máy đột dập CNC và chấn NC nhằm giảm tối đa chiều dài đường hàn, tăng tính thẩm mỹ và độ cứng vững cho kết cấu kim loại tấm.

3. Đóng góp so với các nghiên cứu trước

So với các mẫu lò đốt bằng than đá hoặc dầu mazut có hiệu suất nhiệt thấp và gây ô nhiễm, mẫu lò điện trở tự chế tạo kiểm soát được chính xác nhiệt độ thông qua bộ vi xử lý và can nhiệt. So với đề tài điều khiển tủ sấy điện trở 3 pha sử dụng 6 van bán dẫn Thyristor của ĐH Bách Khoa Hà Nội (vốn có mạch lực phức tạp, yêu cầu tản nhiệt van khắt khe và chi phí linh kiện cao), giải pháp điều khiển đóng ngắt bằng công tắc tơ kết hợp rơ le nhiệt và can nhiệt của đồ án có cấu trúc mạch đơn giản, bền bỉ, dễ bảo trì, chi phí chế tạo thấp hơn mà vẫn đáp ứng tốt yêu cầu công nghệ nhiệt luyện quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các ghi nhận kỹ thuật và phạm vi chế tạo trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế và định hướng phát triển:

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Dây điện trở Nicrôm sau khi nung ở nhiệt độ cao sẽ bị già hóa, trở nên giòn và dễ gãy, gây khó khăn cho việc tháo dỡ, sửa chữa cục bộ nếu xảy ra đứt dây.
    • Cảm biến can nhiệt tiếp xúc có độ nhạy không cao và chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố môi trường gây sai số nhiệt độ nhất định.
    • Phương pháp khống chế nhiệt bằng đóng ngắt công tắc tơ tạo ra độ trễ nhiệt (quán tính nhiệt) nhất định so với phương pháp điều khiển góc kích bán dẫn liên tục.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu cải tiến hệ thống điều khiển tự động ứng dụng thuật toán điều khiển PID để nâng cao độ chính xác giữ nhiệt của buồng lò.
    • Mở rộng quy mô dung tích buồng nung và nâng công suất phục vụ các ứng dụng nhiệt luyện tải trọng lớn hơn.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa vật liệu lớp lót chịu nhiệt và vỏ lò nhằm kéo dài tuổi thọ làm việc của cụm vỉ đốt trong môi trường nhiệt độ trên 1000°C.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Nhiệt: Cung cấp ví dụ thực tế về quy trình thiết kế hoàn chỉnh một thiết bị nhiệt - cơ - điện, từ khâu tính toán công suất nhiệt, lựa chọn tiết diện dây điện trở, thiết kế cơ khí kim loại tấm đến lập trình đóng ngắt nhiệt độ.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật xưởng chế tạo: Tham khảo quy trình gia công kim loại tấm (cắt đột CNC, chấn NC, công nghệ sơn tĩnh điện 4 bể) và thiết kế cơ cấu 4 khâu bản lề mở cửa chống phả nhiệt.
  • Các phòng thí nghiệm vật liệu và cơ sở đúc kim loại màu quy mô nhỏ: Tham khảo mô hình lò nung buồng nhiệt độ cao (đến 1100°C) chi phí thấp để phục vụ nung mẫu, nấu chảy nhôm hoặc thực hiện các nguyên công ủ, tôi, ram chi tiết cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Dây điện trở của lò được tính toán và lựa chọn từ vật liệu nào với các thông số cụ thể ra sao?
Dây điện trở được chế tạo từ hợp kim Nicrôm X20H80 có khả năng chịu nhiệt trong khoảng 650°C – 1100°C và chống oxy hóa nhờ lớp màng $\text{Cr}_2\text{O}_3$. Dây có đường kính $d = 1,2\text{ mm}$, điện trở suất $\rho = 1,257\ \Omega/\text{m}$. Tổng chiều dài dây tính toán là $25\text{ m}$, tương ứng tổng điện trở $R = 31,4\ \Omega$, đáp ứng công suất $1540\text{ W}$ và dòng điện $7\text{ A}$ ở điện áp lưới $220\text{ V}$.

2. Cơ cấu mở cửa lò có đặc điểm thiết kế gì khác biệt so với các loại lò thông thường?
Thay vì dùng bản lề quay đơn thuần hoặc kéo trượt đứng, lò sử dụng cơ cấu 4 khâu bản lề chuyển động song phẳng. Thiết kế này giữ cánh cửa di chuyển song song, ngăn luồng khí nóng phả trực tiếp vào mặt người vận hành khi mở lò, không cần dùng tay giữ cửa và cho phép hoán đổi hướng mở cửa linh hoạt sang trái hoặc sang phải. Các khớp xoay của cơ cấu được gia công với cấp dung sai $H8/h7$.

3. Vỏ kim loại của lò nung được xử lý bề mặt và hoàn thiện bằng quy trình công nghệ nào?
Vỏ lò được gia công từ thép tấm qua máy đột dập CNC, máy chấn NC, hàn hồ quang MIG và hoàn thiện bằng công nghệ sơn tĩnh điện 4 bước: (1) Xử lý bề mặt qua các bể hóa chất tẩy dầu, bể axit tẩy rỉ sét ($\text{H}_2\text{SO}_4$/$\text{HCl}$), bể định hình và photphat hóa; (2) Sấy khô bằng lò hồng ngoại; (3) Phun sơn bột tĩnh điện trong buồng thu hồi bột; (4) Sấy định hình màng sơn ở nhiệt độ 200°C trong vòng 30 phút.

4. Hệ thống đo lường và khống chế nhiệt độ của lò vận hành theo nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến cặp nhiệt điện (can nhiệt) dải đo rộng để đo nhiệt độ tiếp xúc trong buồng lò, tạo ra sức điện động (mV) đưa về bộ vi xử lý so sánh với nhiệt độ cài đặt. Khi $t_{lo} < t_{dat}$, mạch kích đóng tiếp điểm cấp điện cho cuộn hút công tắc tơ để cấp nguồn $220\text{ V}$ cho dây điện trở; khi $t_{lo} \ge t_{dat}$, tiếp điểm ngắt điện cuộn hút làm ngắt nguồn dây nung. Hệ thống có trang bị rơ le nhiệt để tự động ngắt mạch khi xảy ra sự cố quá tải.

5. Kết quả chạy thử nghiệm nhiệt độ của lò nung đạt được những số liệu thực tế nào?
Thực nghiệm gia nhiệt buồng lò lên đến 750°C diễn ra trong thời gian 2400 giây (40 phút), tiêu thụ nhiệt lượng tính toán đạt $3700\text{ kJ}$ ($Q = 7^2 \times 31,4 \times 2400\text{ J}$). Ngoài ra, lò đã thực hiện nung nóng chảy hoàn toàn mẫu nhôm từ vỏ lon bia ở mức nhiệt độ thực nghiệm xấp xỉ 800°C.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo lò nung điện trở" của nhóm tác giả Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật, chế tạo cơ khí và tích hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung buồng công suất $1540\text{ W}$. Sản phẩm hoàn thiện có kết cấu vỏ kim loại sơn tĩnh điện cứng vững, cơ cấu mở cửa 4 khâu bản lề an toàn và buồng nhiệt gốm sứ 8 tấm ghép module chịu được dải nhiệt làm việc từ 650°C đến 1100°C. Kết quả chạy thử nghiệm đạt mức nhiệt 750°C trong 40 phút và nung chảy nhôm thành công ở 800°C đã khẳng định tính khả thi, độ tin cậy và giá trị ứng dụng thực tiễn của thiết bị trong đào tạo, nghiên cứu vật liệu và nhiệt luyện cơ khí quy mô nhỏ.