Đặc điểm công nghệ gia nhiệt bằng tần số

Do yêu cầu và điềukiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thờng nh trớc không thoả mãn với các dụng cụ, máymóc, thiết bị tối tân; vì ở đây đòi hỏi chung phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ

Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số CHƯƠNG đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số Đ1.1 KháI niệm chung 1.1.1 Lịch sử phát triển a) Đặt vấn đề Trớc ngành công nghiệp cha đợc phát triển ngành luyện kim chế tạo máy, nên vấn đề chất lợng thép thép hợp kim cha đợc quan tâm mức Vµo thÕ kû 20, nhÊt lµ sau chiÕn tranh thÕ giới lần thứ nhất, Nền công nghiệp ngày phát triển mạnh Trên giới lúc ngành công nghiệp, ngành luyện thép hợp kim, ngành đúc chi tiết, ngành chế tạo máy, ngành điện lực ngành điện tử đà phát triển sản l đà phát triển sản lợng chất lợng sản phẩm Do yêu cầu điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thờng nh trớc không thoả mÃn với dụng cụ, máy móc, thiết bị tối tân; đòi hỏi chung phải làm việc điều kiện nhiệt độ áp suất cao, chống đợc ăn mòn hoá học, điện hoá, chống bào mòn học, chống nóng, chống gỉ đà phát triển sản l đòi hỏi phải sản xuất chủng loại thép hợp kim có tính đặc biệt nh độ bền học cao, độ bền chống ăn mòn môi trờng axit, nớc sông, nớc biển, chống mài mòn va đập đà phát triển sản l Đặc biệt cần phải sản xuất loại thép có tính dàn håi cao, cã tÝnh nhiÔm tõ tèt, cã tÝnh chèng nhiễm từ cao đà phát triển sản lDo tính chất đặc biệt nên thép đợc sản xuất từ lò thổi không khí, lò Besmer, lò Mactin(lò bằng) đáp ứng đợc nữa, mà phải nấu luyện loại lò điện Vậy phơng pháp luyện thép tròng lò điện công nghệ đại Để luyện thép hợp kim lò điện, ngời ta tận dụng điện biến thành nhiệt dới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở dạng plasma Thờng sử dụng lò điện hồ quang xoay chiều (ACEAF), lò điện hồ quang chiều (DC EAF) để sản xuất thép cacbon chất lợng, thép hợp kim thấp, trung bình cao với sản lợng lớn Để luyện số mác thép hợp kim chuyên dùng, thép hợp kim cao cacbon, ngời ta sử dụng loại lò điện cảm ứng cao tần, trung tần tần số công nghiệp Để nấu lại thép hợp kim, tinh luyện kim loại thép đạt chất lợng cao ngời ta sử dụng lò điện xỉ, lò điện cảm ứng chân không, lò hồ quang chân không, lò điện tử chân không sâu, lò plasma đà phát triển sản l Để nung nguyên liệu, ferro, loại vật liệu, c¸c dơng cơ, chi tiÕt m¸y ngêi ta sư dơng lò điện trở nung trực tiếp gián tiếp b) Đặc điểm chủ yếu phơng pháp lò điện luyện thép + Để nấu luyện thép hợp kim lò điện ngời ta sử dụng lợng điện biến thành nhiệt năng, tập trung đợc lợng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt kim loại khó chảy nh volfram, molipden đà phát triển sản l + lò điện có nhiệt độ cao 1700oC nên tạo điều kiện hoà tan nguyên tố hợp kim nhều thép, thoả mÃn đầy đủ cho phản ứng luyện kim (oxy hoá khử) tạo điều kiện tăng tốc độ phản ứng hoá học, thúc đẩy trình oxy hoá hoàn nguyên kim loại xảy nhanh chóng triệt để Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số + Trong trình nấu luyện thép lò điện, dễ dàng nâng nhiệt độ bề mặt kim loại đồng thời tiến hành điều chỉnh xác thành phần hoá học thép lỏng xỉ + Nấu luyện đợc tất loại thép cacbon cao, thấp có chất lợng tốt, luyện đợc tất loại thép hợp kim cao đặc biệt mà đảm bảo cháy hao hợp kim thấp Đặc biệt luyện đợc mác thép có hàm lợng phôtpho lu huỳnh thấp (P,S E2 Vì cần phải cấp vào lợng điện lớn để tạo E1 cao phù hợp với dung lợng lò đồng thời tạo E đủ lớn để làm nóng chảy kim loại lò Khi kim loại bị cảm ứng kim loại sinh từ thông chống lại từ thông sinh cuộn cảm ứng sinh ra, chiều dòng điện I1 ngợc chiều với dòng Foucault ( I ) Ta cã: E1 n1 I1   , ®ã I2 = I1 n1 E2 n2 I Vậy dòng điện I2 phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện phụ thuộc vào số vòng cuộn cảm ứng Khi đa dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng kim loại sinh dòng điện I2 (phucô) Dòng điện I2 lớn gấp n1 lần so với I1, nghĩa I1 = const tăng số vòng cuộn cảm ứng thi dòng I2 tăng cao Nhờ có dòng điện phu cô (I2) tạo lợng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại Năng lợng điện cung cấp để nấu chảy kim loại đợc tính theo công thức: w = I22.2  d.h   f 10 , W w = (I1.n1) 2.2  d.h   f 10 , W ®ã : I1.n1 - gọi ampe vòng, A.mm ; d - đờng kính nồi lò chứa kim loại, mm ; h - chiỊu cao nåi lß , mm ;  - điện trở suất kim loại, mm2/m ;  - hƯ sè tõ thÈm cđa kim lo¹i ; f - tần số làm việc, Hz (1.2) Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số Qua công thức trên, thấy lợng nhiệt cung cÊp cho lß nÊu lun thÐp tØ lƯ thn víi bình phơng ampe vòng Nh lợng nhiệt phụ thuộc vào số vòng cuộn sơ cấp (n1) cờng độ dòng điện cảm ứng (I1) Mỗi loại lò cảm ứng có mạch điện riêng để đảm bảo cung cấp dòng điện I tần số lµm viƯc ë møc tèi thiĨu fmin  2,5.109  , Hz d2 (1.3) ®ã :  - ®iƯn trë st cđa liƯu,  mm2/m ; d - ®êng kính lò chứa liệu, mm Kết luận: Nhiệt truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào yếu tố sau: - Điện trở suất hệ số từ thẩm kim loại - Cờng độ từ trờng H : Wnhiệt H2 I2 Trị số dòng điện nguồn cấp Nếu tăng trị số dòng điện lên hai lần nhiệt tăng lên bốn lần - Tần số dòng điện nguồn cấp Nếu tăng tần số dòng điện lên bốn lần nhiệt tăng lên hai lần Từ ta thấy : tăng dòng điện nguồn cấp hiệu tăng tần số nguồn cấp, nhng thực tế trị số dòng tăng lên đợc mÃi lí cách điện, trị số dòng điện lớn làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dù đà đợc làm mát dòng nớc liên tục) thực tế ngời ta tăng tần số nguồn cấp 1.1.3 Các nguồn tần số cao Các nguồn tần số cao tạo phơng pháp sau: - Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao hạn chế kích thớc số vòng quay nên giải tần số máy phát không vợt f=10 kHz Hiệu suất máy đạt cỡ = 70 80% Do máy phát đợc chế tạo với tần số, công suất, điện áp định nên cần gia nhiệt với điện áp khác thấp hơn, thờng cần có biến áp để phối hợp tham số nguồn phụ tải - Dùng biến tần dùng tiristo công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn cha chế tạo đợc loại tiristo tần số cao, nên tần số có giới hạn tới f=2000Hz Sử dụng tốt lò trung tần công suất vừa nhỏ - Bộ tần số dùng đèn phát ®iƯn tư, cÇn tÇn sè cao ®Õn 400kHz dïng đèn phát đèn điện tử ba cực (triôt) Hiệu suất biến nguồn dùng đèn phát không cao, tuổi thọ đèn thấp 1.1.4 Ưu điểm thiết bị gia nhiệt tần số Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số Có thể truyền lợng nhiệt cho vật cần gia công cách nhanh chóng trực tiếp, qua khâu trung gian nên tự động hoá mức độ cao tiến hành gia nhiệt môi trờng trung tính, chân không - Có thể bề mặt chi tiết (vỏ cứng, ruột mềm) cách đơn gian nhờ hiệu ứng mặt dòng cao tần Vật cần có hình dạng - Tăng đợc suất lao động, giảm đợc lao động mệt nhọc 1.1.5 Phạm vi ứng dụng thiết bị gia nhiệt tần số - Nấu chảy kim loại môi trờng không khí, khí trơ, chân không - Nung phôi để rèn, dập, ép - Tôi, ram, ủ chi tiết khí - Thực nguyên công nhiệt luyện nh tôi, ram thờng hoá Đặc biệt ứng dụng, để bề mặt chi tiết nh bánh , cổ trục khuỷu động điêzen yêu cầu độ cứng bề mặt cao Hình dáng chi tiết cần có hình dáng (hình vẽ) - Do hiệu ứng bề mặt dòng cao tần, bề mặt cua chi tiết đ ợc nung nóng thời gian vài giây, trong lòng chi tiết cha kịp nung nóng - Hàn đờng ống công nghiệp chế tạo ống nớc tráng kẽm 1.1.6 Phân loại thiết bị gia nhiệt tần số a) Theo tần số làm việc có: - Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lới qua máy biến áp: f = 50 Hz - Thiết bị trung tần với tần số làm việc từ 500 10.000 Hz Thiết bị thờng dùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng tiristor công suất nhỏ vừa - Thiết bị gia nhiệt tần số cao tần, có tần số làm việc f >10 kHz, thờng dùng đèn phát tiristor b) Theo phạm vi sử dụng có: +Thiết bị tần số nấu chảy kim loại hợp kim : loại phân làm hai loại - Lò cảm ứng có lõi thép: Thờng lò có tần số công nghiệp đợc cấp nguồn từ biến áp động lực có công suất từ 75 đến 1000kVA - Lò cảm ứng không lõi thép kiểu hở kiểu kín dùng nấu chảy thép chất lợng cao, gang, kim loại màu hợp kim Các vòng cảm ứng Vật nấu Nồi Máng a) lò có lõi thép (lò máng) b) lò lõi thép (lò nồi) Hình 1.1: Lò nấu chảy cảm ứng Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số + Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán Phôi lớn tần số làm việc nhỏ + Thiết bị bề mặt thờng làm việc tần số cao Lớp mỏng tần số làm việc cao + Thiết bị nung, sấy chất điện môi bán dẫn Đ1.2 Đặc điểm nguyên lí cảm ứng điện lò cảm ứng không lõi sắt 1.2.1 Mức độ cảm ứng Mức độ cảm ứng khối liệu kim loại chứa lò khác nhau, phụ thuộc vào vùng, tính chất liệu tần số làm việc Mật độ dòng điện cảm ứng phân bố lò không Kim loại sát tờng lò, gần cuộn cảm ứng có mật độ điện lớn giảm dần theo chiều hớng vào tâm lò, tức liệu đợc chảy nhanh sát tờng lò, lò chảy chậm Để xác định đại lợng mật độ dòng kim loại điểm nồi lò ta có công thức sau :  z  e  z w  2p  2 z  e f kl 10   (1.4) Trong ®ã :  z , - tơng ứng mật độ dòng hoành độ z O ; - độ từ thẩm môi trờng chân không ; kl - độ từ thẩm kim loại lò ; - ®iƯn trë st cđa kim lo¹i,  mm2/m ; f - tần số làm việc, Hz Trong trình nấu luyện thép tăng nhiệt độ độ sâu thấm từ tăng (dới điểm quyri t 780oC) Trên thực tế sản xuất thờng cho lò đạt nhiệt độ cao chất vật liệu cục to vào lò, đặc biệt nên chất vật liệu kim loại sát thành lò khít chặt, lò chất vừa đảm bảo vật liệu đợc nung đỏ nấu chảy đều, nhanh Sau mẻ thép cần để lại thép lỏng lò để kích thích độ dẫn từ cho phép) Khi vật liệu kim loại trạng thái rắn giá trị công suất nhiệt tỏa vËt liƯu phơ thc vµo kÝch thíc cơc vật liệu ban đầu Theo G.T.Badata giá trị công toả nhiệt liệu đạt đợc cực đại kÝch thíc liƯu lµ : d1 = 3,5.b , mm ®ã : d1 - ®êng kÝnh cơc vËt liƯu, mm; b - độ sâu thấm từ, mm b=  1012 , mm 2 f  kl (1.5) Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tÇn sè  z o Pz /Po z z  z Pz công suất   0   P0  H×nh 1.2: Phân bố tơng đối mật độ dòng điện 1.2.2 Công suất điện Tận dụng công suất điện có lợi thấp cho trình nấu, cần phải nối mạch vào tải hệ thống tụ điện bù cos Do cấu tạo lò cuộn cảm ứng nồi lò có độ dày vật liệu chịu lửa ngăn cách lò với cuộn cảm ứng, cuộn cảm ứng có nhiều vòng, vòng cách vòng mm nên tạo nhiều khe hở, dẫn tới từ thông biến thiên bị rò không khí, bớt lợng điện cảm ứng lò hệ số tận dụng công suất điện thấp: - Tần số 50Hz cos = 0,10 0,12 - TÇn sè 500Hz 3000Hz, cos  = 0,20 0,22 - TÇn sè 4000Hz 10.000Hz, cos  = 0,25 0,28 1.2.3 Hệ thống tụ điện bù Với đại lợng cos thấp nh đủ lợng nhiệt cung cấp cho việc nấu chảy kim loại, ngời ta mắc hệ thống tụ điện bù nối tiếp song song, hỗn hợp với cuộn cảm ứng lò a) Mắc nối tiếp với cuộn cảm ứng lò cho ta chế độ cộng hởng điện áp Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt b»ng tÇn sè I U1=U C r U'   U X=  C I U U r U C 1 U C U =U L C Hình 1.3: Sơ đồ nối tiếp tụ với cuộn cảm ứng lò Khi cộng hởng Im = Ilò = Ic = Itổng điện áp máy phát công hởng nhỏ điện áp máy cha céng hëng (Um > Um’) NÕu céng hëng hoàn toàn có điện áp cuộn cảm ứng điện áp tụ điện bù (U L = UC) Khi Um=Um góc lệch pha UL Um giảm xuống không Nếu điện áp máy phát ổn định theo mức bù dẫn tới IL tăng làm tăng giá trị sụt áp cuộn cảm tụ bù Điện áp cuộn cảm ứng lò : UL = U1.X = U1 L Điện áp tụ điện bù : U C = I1 điện trở có điện áp U r=I1.r, C dẫn tới làm tăng điện áp lò, thúc đẩy nung chảy vật liệu Dòng điện cảm ứng cộng hởng (I ) cao dễ xuyên thủng lớp cách điện vòng cảm ứng dẫn đến cố Do cần phải khống chế dòng ®iƯn cã chÕ ®é céng hëng ®iƯn ¸p Thùc tế ngời ta dùng cách ghép nối tụ điện nối tiếp, dùng phổ biến phơng pháp ghép nối tụ bù song song với cuộn cảm ứng lò Với cách nối cho ta chế độ cộng hởng dòng điện hoàn toàn tránh đợc cố dòng điện cộng hởng b) Sơ đồ ghép tụ song song víi cn c¶m øng tõ U U1=U I C r I   I L n I X=  C I I =I C U C I =I L C I C Hình 1.4: Sơ đồ nối song song tụ với cuộn cảm ứng lò Ta có Um = Uc = UL = Ulò, nghĩa điện áp máy phát ổn định trình chạy lò, dòng điện lò cộng hởng vợt trội dòng điện máy phát:   I lo = I c + I m Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tÇn sè   Nhng nÕu cha bï cos  th× ta cã: I lo = I m   Nếu cộng hởng hoàn toàn r = ta cã : I lo = I c Khi lò làm việc theo chế đọ cộng hởng ta có: L (điện trở cuộn cảm ®iƯn trë tơ C ®iƯn bï) Do ®ã ta xác định đợc điện dung tụ điện bù: C= 1 U Q    ;L= 2  L (2r f ) L 2 f I 2 f U 2 f U (1.6) Trong : - tần số góc, rad/s; f tần số dòng điện, Hz; L - đại lợng tự cảm, H; C - Điện dung tự cảm, F; Q Công suất phản kháng, kVAr Qua công thức , thấy lò cảm ứng có tần số làm việc cao điện dung bù nhỏ (giá thành hạ, tổn hao điện tụ thấp) U1 =U2 c) Cộng hởng hỗn hợp vừa có cộng hởng điện áp, vừa có cộng hởng dòng qúa trình chạy lò Để thực cộng hởng hỗn hợp ngời ta vừa nối ghép tụ bù nối tiếp, vừa nối song song với cuộn cảm ứng lò Đây mạch nộ phức tạp, cồng kềnh nên sư dơng s¶n xt C I C r C I n X=  C I H×nh 1.5: Sơ đồ nối hỗn hơp tụ với cuộn cảm ứng lò d) Ngoài từ thông tán xạ từ thông khối trụ kim loại gây tợng điện động mạnh bể lỏng kim loại Do xuất lực căng làm cho phần khối kim loại lỏng lò đợc tăng cao với ®é cao h2 6, 41.103.( I1.n0 ) 0, 01.P h2   , [cm]  .h2 d f  Trong ®ã: I1 - cêng ®é dòng điện vào cuộn cảm ứng lò, A; n0 - số vòng cảm ứng đơn vị dài, vg/cm; Chơng I: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt tần số - tỉ khối kim loại lỏng, g/cm2; P - công suất điện cung cấp cho kim loại, W; h2, d2 - tơng ứng chiều cao đờng kính bể kim loại, cm; - điện trở suất kim loại, m; f - tần số làm việc lò, Hz Cùng công suất truyền cho kim loại tần số nhỏ h2 cao Do lực nâng lên phần kim loại lỏng lò nên kim loại + xỉ lỏng đợc xáo trộn mÃnh liệt làm cho thành phần hoá học nhiệt độ thép lỏng đồng đều, sản phẩm luyện nhng lại có nhợc điểm làm cho lò bị bào mòn nhanh, bóc trần bề mặt kim loại lỏng, (không có xỉ bao che) tạo điều kiện cho khí có hại dễ xâm nhập vào thép lỏng Qua sản xuất thực tế ngời ta đà áp dụng hai biện pháp sau để khắc phục nhợc điểm đó: - Nâng hạ cuộn cảm đến mức cho phép (đối với lò có dung tích nhỏ 10kg/mẻ) - Ngời ta lắp đặt hai cuộn cảm ứng: cuộn cảm ứng có tần số cao để tăng tốc độ nấu chảy liệu, cuộn cảm ứng thứ hai có tần số công nghiệp để khuấy trộn bể kim loại lỏng Hai cuộn cảm ứng đợc nối ghép thành hệ thống chung đợc quấn vòng cảm ứng ngợc chiều Cuộn cảm ứng thứ có nhiều vòng đợc sử dụng thời gian nấu chảy vật liệu, cuộn cảm ứng thứ hai đợc sử dụng cần xáo trộn kim loại lỏng mÃnh liệt mà độ vồng cao phần khối kim loại lò Với thiết bị đại ngời ta vận hành lò có hai cuộn cảm ứng nhanh xác Hiện ngời ta áp dụng phơng pháp phổ biến để nấu luyện thép hợp kim có chất lợng cao đồng thời nâng cao tuổi thọ áo lò (100 150 mỴ)  tÊn h2 h2  10 b