Lò điện là thiết bị điện-nhiệt biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong công nghiệp và trong dân dụng. công nghiệp và trong dân dụng. Trong công nghiệp, lò điện được sử dụng để nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các hợp kim khác nhau. Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, gia nhiệt trong các dây chuyền sản xuất bánh, kẹo,... Trong dân dụng, lò điện được sử dụng phổ biến, cấu trúc và chức năng của lò điện rất đa dạng: bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước siêu tốc, các máy sưởi điện, máy sấy,.…
Các chỉ tiết kim loại chịu ¡U01 7
Kim loại chịu nóng và kim loại bền TIỐNĐ c2 35 3.3.2 Phân loại thép hợp kim cao . ¿5+ S+ se +sssexserseresrs 35 3.3.3 Chọn hợp kim theo điều kiện chịu TỐNG 2c Sex 36 3.3.4 Chọn hợp kim theo điều kiện bền nóng - 2-52 38 3.4 Vật liệu và cấu trúc của dây điện trở (điện trở nung)
Các vật liệu chịu nhiệt dùng chế tạo chi tiết chịu nhiệt gồm: a) Kim loại chịu nhiệt: là kim loại có khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao Ngoài ra còn làm việc được ở nhiệt độ cao khi chịu tác động tải trọng cơ học đáng kể b) Kim loại bền nóng: là kim loại có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao dưới tải trọng lớn.
Những kim loại chịu nóng thường là hợp kim có chứa một lượng lớn crôm Trong những trường hợp đặc biệt, chúng còn chứa một số các nguyên tố hợp kim khác, ví dụ AI
Những kim loại bền nóng ngoài crôm nó còn chứa một lượng lớn niken và những nguyên tố hợp kim đặc biệt khác Vì vậy giá thành kim loại bền nóng đắt hơn kim loại chịu nóng Trong cấu trúc lò, kim loại bên nóng chỉ sử dụng khi kim loại chịu nóng không thể dùng được
3.3.2 Phân loại thép hợp kim cao
Trên cơ sở những ưu điểm khi sử dụng, ta chia thép hợp kim cao ra ba nhóm:
Nhóm 1: Thép chịu axit và thép không gỉ
Thép chịu axit có tính chống lại sự ăn mòn của các môi trường xâm thực khác nhau:
Thép không gỉ chống duoc su an mon cha khi quyén: 1X13; 2X13; 3X13; 4X13; X14; X18
Nhóm 2: Thép không bị khí lò oxy hoá và thép bên nóng
1 Thép không bị khí lò oxy hoá: s% Đến §50 + 900°C: XóC; X9C2; X12C (theo ký hiệu của Liên xô cũ)
2 Thép bền nóng: (theo ký hiệu của Liên xô cũ): Đến 600 + 650°C: X5M; X6CM; X7CM; X10C2M; 1X18H9T; X13H7C2
Nhém 3: Nhiing hop kim cé dién trở suất cao và Không bị oxy hóa Ở nhiệt độ làm việc
1 Những hợp kim có điện trở suất cao: (theo ký hiệu của Liên xô cũ) X13104; X17105; OX17105; 1X25105; OX251I05; X15H60; X20H30
2 Hợp km không bị oxy hóa ở nhiệt độ cao (theo ký hiệu của Liên xô cũ) s* Đến 850°C (X13IO4) đến 1000°C (1X17105; X15H60; OX17105)
* Đến 1100°C (X20H80) đến 1150°C (1X251O5) đến 1200 (OX25 lO5)
3.3.3 Chọn hợp kim theo điều kiện chịu nóng
Tuỳ theo nhiệt độ làm việc quy định, ta chọn mác thép chịu nóng cho thích hợp (thép crôm hoặc thép crôm - niken)
Chọn chiều dày của kim loại dựa trên yêu cầu:
- Nhiệt độ làm việc của kim loại chịu nóng
- Thời gian phục vụ của chỉ tiết kim loại chịu nóng cần phải đạt được
- Cuối thời gian phục vụ thì chiều dày của chi tiết phải có giá trị bằng bao nhiêu
Tốc độ kim loại bị ôxy hóa tính theo một mét vuông bề mặt kim loại trong thời gian một giờ ứng với các nhiệt độ khác nhau và các mác thép khác nhau được thí nghiệm và trình bày ở bảng 3.5
Việc lựa chọn độ dày tấm thép chịu nhiệt để chế tạo mufen phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc (1100°C), thời gian phục vụ (ít nhất 5000 giờ) và độ dày tối thiểu còn lại sau thời gian phục vụ (3mm) Những thông số này quyết định tuổi thọ và hiệu suất của mufen trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Chúng ta chọn thép crôm mác X28 Theo bảng 3.5: Tổn thất khối lượng ở 1100°C là 1,15 gam/mˆh
Vạy tổn thất khối lượng sau 5000h tính theo Im” bể mặt tấm cả mặt trong và mặt ngoài của mufen:
AG, oxynia = 1,15 5000 2 = 11500 gam hoặc 1,5kg
Tổn thất khối lượng kim loại này tương ứng với chiều dày:
8 da bi 4n mon x tian mòn = =——°*”"* —_10'= Im? 10° = 7650.1 10° =1,5 [mm] kim loại chịu nóng °
(7650: Khối lượng riêng của thép chịu nóng kg/m))
Theo đầu bài, sau 5000h chiều dày còn lại không nhỏ hơn 3mm
Vậy chiều dày của mufen ban đầu là: § 2 azu¡z men + 3mm > 1,5 + 3 = 4,5 [mm] lấy tròn ồ = 5mm
Bảng 3.5: Tổn thất khối lượng do tạo vấy sắt của hợp kim crôm và hop kim crôm-niken trong không khí ở các nhiệt độ khác nhau [gamim.h]
Nhiệt Tổn thất khối lượng do tạo vẩy sắt [gam/m°.h] độ Hợp kim crôm có mác Hợp kim crôm - niken có mác
3.3.4 Chọn hợp kim theo điều kiện bền nóng Úng suất cho phép của chỉ tiết phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu (mác thép và chế độ nhiệt luyện); phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc; thời gian phục vụ của chỉ tiết và sự biến dạng cực đại
Bảng 3.6; bảng 3.7; bảng 3.8 ghi giá trị giới hạn chảy của những hợp kim bền nóng phụ thuộc nhiệt độ làm việc
Bảng 3.6: Sự phụ thuộc của giới hạn chảy vào thời gian tác động của tải trong ở những nhiệt độ khác nhau ứng với độ biến dạng quy định trước Hợp kừn
Thời gian Giới hạn chảy ơ „¿y [kGímm”] tải trọng Độ biến dạng 1% Độ biến dạng 3% tác dụng [h] 600°C 700°C 750°C 600°C 700°C 750°C
Bảng 3.7: Giới hạn chảy của hợp kim X23H19 (2W - 417) và X20HS0T3A
(2Ù1 - 437A) phụ thuộc vào thời gian tác động của tải trọng ở những nhiệt độ khác nhau ứng với độ biến dạng quy định trước
Thời gian Gidi han chay o,,, [kG/mm’] tai trong Độ biến dang 1% Độ biến dạng 3% tác dụng th] 800% | 875% | 1000% | 800% | 875°C 1000°C
Bảng 3.8: Giới hạn chảy của thép X2S5H1I2n (3W - 316) phụ thuộc vào thời gian tác động của tải trọng ở những nhiệt độ khác nhau ứng với độ biến dạng quy ãịnh
Thời gian Giới hạn chảy ơ „¿y [kG/mm?] tải trọng Độ biến dạng 0,5% Độ biến dạng 1% | tac dung = th 700°C 875°C 1000°C: 700°C 875°C 1000°C
Người ta lấy giá trị ứng suất cho phép [ơ] bằng tích số giới hạn chảy
(G ay) và hệ số giảm ứng suất làm việc K Trong thực tế lấy giá trị K =0,7
Hệ số an toàn n được xác định bằng thương số của độ bên lâu đài (G,„,) và ứng suất cho phép n— “Bên hoặc [s] — hân
Độ bền lâu dài là ứng suất tối đa mà vật liệu chịu được tại nhiệt độ và thời gian làm việc quy định mà không xảy ra phá hủy Bảng 3.9 trình bày giá trị độ bền lâu dài của một số mác thép crôm-niken ở các nhiệt độ khác nhau khi thời gian thí nghiệm là 1000 giờ và 100.000 giờ.
Bảng 3.9: Giá trị độ bên lâu dài của một số mác thép Crôm - Niken ở những nhiệt độ khác nhau khi thời gian thí nghiệm là 1000h và 100.000h
Nhiệt Độ bền lân dài ơ,¿„ [kG/mm”] đó Thời gian thí nghiệm 1000 h Thời gian thí nghiệm 100.000 h
PC |] Mac thép Mac thép
Các giá trị độ bên an toàn khuyên dùng:
+ Đối với thép đã được biến dạng (cán, rèn): n = 1,5 + 3,5
Các kích thước của tiết diện chọn theo ứng suất cho phép, sau đó tăng lên khi kể tới tổn thất khối lượng do tạo vầy sắt
Bảng 3.10: Những tính chất vật lý và số liệu kỹ thuật của một số mác thép crôm - niken quan trọng nhất
Tinh chat 1X18H9T 2X23H18 X18H25C2 Vat diic và số liệu (98 - 1T) (aM - 417) (2q - 3C) X25HI2n
Hệ số giãn nở dài 15,8 (100°C) 17,4 (200°C) 16,2 (1000°C) 18,4 trong khoảng từ 20°C | 17,5 (300°C) | 21,2(500°C) | 19,3 (600°C) (1000°C) đến C 18,5 (600°C) | 22,4 (700°C) 20,6 ô10° [1/ do] - 19,0 (800°C) (1000°C)
Nhiét dung riéng 0,523 (200°C) trung binh trong 0,586 (800°C) | nf | ———
Tính gia công bằng áp Tốt Trung bình Trungbìnhở | — -— lực trạng thái nóng
Tính cắt gọt, tính đúc Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Tính đúc Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình
Tính hàn Tốt Tốt Trung bình Trung bình
Tất cả các hợp kim này khi nhiệt luyện thì các tính chất của hợp kim đều được cải thiện tốt hơn
Ghi chú Nên nhiệt luyện các hop kim X23H18; X18H25C2; X20H80T3A để tăng tinh chong dao
3.4 VAT LIEU VA CAU TRUC CUA DAY ĐIỆN TRO (BIEN TRO
Cau tạo của điện trở nung và bố trí điện trở trong lò
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG
2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ
Lồ điện trở là thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dựa trên nguyên lý của định luật Joule - Lence (hình 2.1)
Hình 2.1: Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Khi dòng điện I [A] chạy qua vật dẫn có điện trở R [O] (vật rấn hoặc chất lỏng), sẽ toả ra một lượng nhiệt trong vật dẫn đó Lượng nhiệt này sẽ làm nóng bản thân vật dẫn đó và nung nóng những vật được đặt gần vật dẫn Phương pháp nung như vậy gọi là phương pháp nung bằng điện trở Những thiết bị nung làm việc trên nguyên tắc này gọi là lò điện trở Dây dẫn hoặc vật nung có dòng điện chạy qua gọi là dây điện trở hoặc thanh nung (thanh đốt)
Theo định luật Joule-Lence, lượng nhiệt toả ra khi dòng điện có cường độ I chạy qua dây dẫn có điện trở R trong thời gian + được tính theo công thức:
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực
Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thyc (Wx) là lượng nhiệt tỏa ra (J) từ một đơn vị diện tích bề mặt của dây điện trở thực (em? trong một đơn vị thời gian (giây)
Từ định nghĩa này, ta thấy rằng: “Công suất bề mặt riêng của dây điện trở” là một đại lượng có giá trị băng thương sô của lượng nhiệt do dây điện trở tỏa ra chia cho điện tích bề mặt xung quanh của dây điện trở và thời gian làm việc của dây điện trở
Quiet dây điện trở tỏ J W
WwW, = lệt dây điện trở tỏa ra [ ] hoặc [ 5 ] xung quanh của dây điện trở' thời gan CI Š 2 cm
Công suất bề mặt riêng của dây điện trở không có ý nghĩa đặc trưng về phương diện vật liệu và cấu trúc của dây điện trở Đại lượng này chỉ có ý nghĩa đặc trưng về cường độ nhiệt làm việc của dây điện trở, và được sử dụng khi tính toán điện và nhiệt của dây điện trở
4.1.2.2 Tính toán công suất bê mặt riêng của dây điện trở thực (W2)
Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực được tính thông qua công suất bề mặt riêng của dây điện trở lý tưởng khi ta xét tới các ảnh hưởng của những điều kiện khác biệt cụ thể giữa dây điện trở lý tưởng và dây điện trở thực ta đang tính toán và thiết kế
W,, = W,, x Cac hé sé xét toi su ảnh hưởng do sự khác nhau giữa thực tế và lý tưởng
We = Wp yg OO, [W/cm”] (4.4)
+ Wy: Công suất bề mặt riêng của đây điện trở thực tế [W]
+ Wy: Cong suat bề mặt riêng của đây điện trở lý tưởng [W]; được tính theo công thức (4.3) hoặc tính theo đồ thị trên hình 4.2
+ œ,: Hệ số xét đến ảnh hưởng của hệ số bức xạ quy dẫn do độ đen bề mặt của dây điện trở thực và độ đen bề mặt của vật nung khác 0,8 (khi
+ Ou: Hé sé xét dén ánh hưởng của tỷ số bề mặt dây điện trở so với bề mặt của vật nung
+ œ: Hệ số xét đến ảnh hưởng bước xoắn hoặc bước dích-dắc của dây điện trở
Ông xem xét ảnh hưởng che chắn bức xạ bởi dây điện trở khi được lắp đặt trong lò theo cấu trúc đã lựa chọn Anh ấy đã tính đến ảnh hưởng của hệ số bức xạ quy dẫn.
Trên hình 4.2, giá trị công suất bề mặt riêng của dây điện trở lý tưởng được tính khi ea= 0,8; ey= 0,8; có nghĩa khi đó ta có:
Nếu dây điện trở thực tế có độ đen bề mặt sa # 0,8 và độ đen bề mặt của vật nung sy z 0,8 thì khi đó Cqa # 3,78 [W/m”.K| Trong trường hợp này, ta phải tính tới ảnh hưởng của hệ số bức xạ quy dẫn thông qua hệ số hiệu chỉnh bức xạ quy dẫn ơ,
5,67 5,67 tA,i1 7, 1,1, a Ey by _— tạ &, _ 1,5 eS 378 11,
Nếu Sa = Sy = 0,8 thì hệ số hiệu chỉnh bức xạ quy dan a, = 1
Ta có thé tinh giá trị hệ số hiệu chỉnh bức xạ quy dẫn qua biểu thức: dây điện trở thực đây điện trở thực
C tố C SỈ (4.6) a, = € Cu điện trở lý tưởng ROE 3, 78
Biểu thức (4.6) được tính toán nhanh qua đồ thị hình 4.3 (khi Cyga= 3,78
Hình 4.3 Hệ số œ„ phụ thuộc vào hệ số bức xạ quy dân Cua Độ đen bề mặt phụ thuộc vào bản chất vật liệu; phụ thuộc trạng thái và nhiệt độ bề mặt của vật nung Những lò điện có dây điện trở làm bằng hợp kim Nicrôm và các hợp kim tương tự như Sắt-Crôm-Nhôm; vật liệu Cacbitsilic có độ đen bề mặt ea = 0,8
@® ơy¿ Hệ số xét đến ảnh hướng của tỷ số bể mặt day điện trở so với bề mặt của vật nung (ta còn gọi là hệ số kích thước) Đối với đây điện trở lý tưởng, bề mặt của vật liệu nung song song vô tận với bề mặt của dây điện trở Mọi tia nhiệt bức xạ từ dây điện trở được hướng toàn bộ tới bề mặt vật nung (hệ sé góc bức xạ từ dây điện trở tới vật NUN aay dién tra - vat mmg = 1) Nhưng trong thực tế: bề mặt bức xạ nhiệt của dây điện trở thực và bề mặt nhận nhiệt của vật nung không song song với nhau; chúng có vị trí tương đối với nhau rất phức tạp Đề xét tới ảnh hưởng này, người ta đặc trưng sự sai khác này bằng hệ số ảnh hưởng của kích thước tương đối giữa diện tích bề mặt hấp thụ nhiệt của vật nung hướng tới dây điện trở TT GIÁ ự x x ok ae A TA :
Cà nữ và nung } so với điện tích tường lò trên đó có đặt dây điện trở có đặt đây điện trở
Ehuéns tới dây điện trở E œ.= f bé mat vat nung f Vụ kt Rt đó đặt dây điện trở bề mặt tường lò
Quan hệ này được biêu thị trên hình 4.4
0 02 04 06 08 Fa Hình 4.4 Hé s6 og phy thuộc vào tỷ số diện tích bề mặt vật nung (Fš) so với diện tích tường lò, trên đó có đặt dây điện trở (Fa)
Hình 4.5 Xác định bề mặt hắp thụ nhiệt của vật nung có dạng tâm phăng theo bê mặt (Fy) `
1 Day điện trở; 2 Vật nung có đạng tam phang; 3 Bề mặt hap thụ nhiệt của vật nung dạng tâm phang F,
Hình 4.6 Xác định bề mặt hắp thụ nhiệt của vật nung có dạng phức tạp (F,)
1 Dây điện trở; 2 Vật nung có dạng phức tạp (trụ, tấm uốn, ); 3 Bê mặt hấp thụ nhiệt của vật nung khi tinh todn F,,
Bề mặt tính toán hấp thụ nhiệt của vật nung (Fy) là bề mặt của vật nung hướng tới dây điện trở Trên hình 4.5 và hình 4.6: Bề mặt tính toán hấp thụ nhiệt của vật liệu nung được ký hiệu bằng đường bao nét đứt (chỉ tiết số 3) Đối với những vật nung có hình dạng phức tạp (ví dụ hình 4.6), ta có thể coi bề mặt hấp thụ nhiệt tính toán (F,) là bề mặt bao vật nung đó (trên hình vẽ, mô tả bằng nét đứt Việc lay gan ding bề mặt bao vật nung làm bề mặt tính toán của vật nung trên hình 4.6 chỉ dùng khi khoảng cách giữa các tâm phôi trụ nhỏ hơn hai lần đường kính của chúng
Nếu trong lò có hai nhóm dây điện trở:
+ Một nhóm để nung vật nung
+ Một nhóm đùng để bù lại tôn thất nhiệt do dẫn nhiệt qua tường lò Trong trường hợp này, công suất bề mặt riêng của nhóm dây điện trở để nung vật nung, ta tính với bề mặt của liệu chỉ hướng vào những dây điện trở có chức năng để nung vật nung; bé mat Fy là bề mặt của tường lò, trên đó có bố trí các đây điện trở này
Công suất bề mặt riêng của nhóm đây điện trở để bù lại các tổn thất nhiệt qua tường lò được tính theo nhiệt độ của bề mặt tường lò hấp thụ nhiệt; giá trị này chọn bằng nhiệt độ của lò
Khi F : ; a >0,8 ta khong can hiéu chỉnh kích thudc ntta, Ay ou = 1
Khi giảm đáng kể kích thước của vật liệu nung, đặc biệt khi ©