các thiết bị đốt nóng bằng cảm ứng và điện môi

Giới thiệu về đốt nóng bằng cảm ứngCơ sở vật lý – kỹ thuật của đốt nóng bằng cảm ứng Đốt nóng một vật dẫn điện nhờ cảm ứng được thực hiện dựa trên cơ sở làm hấp thụ bên trong vật đó năng

1 Giới thiệu về đốt nóng bằng cảm ứng

Cơ sở vật lý – kỹ thuật của đốt nóng bằng cảm ứng

Đốt nóng một vật dẫn điện nhờ cảm ứng được thực hiện dựa trên cơ sở làm hấp thụ bên trong vật đó năng lượng điện từ xoay chiều Khi đó bên trong vật dẫn điện sẽ cảm ứng các dòng điện Foucaults Chúng đốt nóng vật dẫn theo luật Jun

Từ trường xoay chiều được cung cấp bởi cuộn dây (H.4.1) Đối với vật thể được đốt nóng, cuộn dây này đóng vai trò như là cuộn dây sơ cấp của một MBA trong đó vật thể đôt nóng được xem như là cuộn dây thứ cấp nối ngắn mạch Từ thông xoay chiều do cuộn dây sinh ra tỷ lệ thuận với sức từ động

và tỷ lệ nghịch với từ trở của hệ thống Khi đó bên trong vật thể sẽ cảm ứng sđđ E

E = 4,44 f W (V)

Trong đó: - f là tần số của điện áp đặt lên cuộn dây (Hz)

- W là số vòng dây

Ở giá trị xác định của điện trở vật dẫn, bên trong nó sẽ xuất hiện các dòng điện Foucaults I, chúng sinh ra công suất nhiệt

P = I2 r = E2 r / Z2

Như vậy, về bản chất đốt nóng cảm ứng cũng tương tự như đốt nóng điện

trở Thay vì mắc vật dẫn điện trực tiếp vào mạch điện thì ở đây là do mối liên

hệ điện từ

1.1 Đốt nóng cảm ứng (induction heating)

Đốt nóng cảm ứng là quá trình đốt nóng không tiếp xúc thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ Ở đây, đối tượng cần được đốt nóng không có tiếp xúc

về nhiệt đối với thiết bị đốt nóng, mà nhiệt sẽ được sinh ra ngay trong bản thân đối tượng nhờ vào các dòng điện xoáy (eddy current) được cảm ứng trong đối tượng đó do thiết bị đốt nóng tạo ra từ trường biến thiên theo thời gian

1.2 Những ưu điểm của đốt nóng cảm ứng

- Có tính ổn định tối ưu: mẫu (pattern) đốt nóng có tính lặp lại và ổn định, tạo ra kết quả đồng bộ

- Cực đại hóa sản lượng: Tốc độ đốt nóng cao hơn và nhiệt độ tỷ lệ với công suất đưa vào không bị hạn chế có thể đạt tới giá trị làm nóng chảy kim loại và có thể tạo ra plasma, việc đốt nóng có thể diễn ra rất nhanh (> 2000 độ

C trong < 1 giây)

- Nâng cao chất lượng sản phẩm: vì sản phẩm không tiếp xúc trực tiếp với lửa ngọn hay thiết bị đốt nóng, việc biến dạng sản phẩm được giảm tối đa,

dễ dàng thực hiện ở mọi trạng thái hở hoặc kín, sản phẩm cũng có thể được đặt trong môi trường khí bảo vệ hoặc chân không để loại bỏ ảnh hưởng của sự oxy hóa

- Tăng tuổi thọ đồ gá: các bộ gá không bị ảnh hưởng của nhiệt vì việc đốt nóng chỉ tập trung vào đối tượng được đốt nóng

- Thân thiện với môi trường: vì không có lửa ngọn nên không có khí độc hại, nhiệt thừa, và tiếng ồn

- Giảm điện năng tiêu thụ: Hiệu suất năng lượng có thể đến 90%, so với 45% của các lò đốt hàng loạt Hơn nữa, vì không cần làm nóng (warm-up) hay làm mát (cool-down) nên tổn thất nhiệt trong thời gian chờ là ở mức tối thiểu

- Đặc điểm quan trọng của đốt nóng cảm ứng là khả năng điều chỉnh vùng phân bố của dòng điện foucaults bên trong vật thể tùy thuộc vào tần số của nguồn kích từ.Độ thấm sâu của từ trường vào trong vật thể tỷ lệ nghịch với tần số

- Hiệu quả truyền năng lượng từ trường phụ thuộc vào khe hở không khí

ở giữa cuộn dây và vật thể

1.3 Ứng dụng của đốt nóng cảm ứng

- Hàn kim loại màu (brazing): cần nhiệt độ cao hơn hàn sắt/thép, cho mối hàn cứng chắc và dẫn điện/nhiệt tốt hơn

- Xử lý nhiệt: ủ (annealing/tempering), tôi (hardening) kim loại

- Nấu chảy (melting)

- Đốt nóng sơ bộ (pre-heating)

- Những ứng dụng phổ thông khác: liên kết cơ học, làm kín thủy tinh- kim loại, chèn kim loại vào nhựa, hàn (thông thường), mạ thiếc dây dẫn, đúc, thử nghiệm vật liệu, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition,

mạ phủ kim loại bằng hơi, dùng trong công nghiệp chế tạo bán dẫn), lắp ráp chi tiết,

2 Lò nung cảm ứng

2.1 Lò cảm ứng không lõi sắt

2.1.1 Phân loại

• Theo tấn số làm việc

- Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lưới hoặc qua máy biến áp f =

50 Hz (lò cảm ứng tấn số công nghiệp) Nhiệt cung cấp cho lò phụ thuộc vào phụ thuộc chủ yếu vào cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm ứng và hiệu điện áp đặt ở hai đầu cuộn cảm ứng Ở lò này lượng nhiệt cung cấp cho nguyên liệu kim loại không thây đổi theo tấn số vì f = 50 Hz Nhưng việc tăng cường độ dòng điện có giới hạn nhất định Nếu tăng dòng điện quá lớn thì phải tăng tiết diện dây dẫn, tăng độ dẫn điện tốt và tăng công suất máy biến áp lò … Vì vậy ở lò cảm ứng tần số công nghiệp việc cung cấp nhiệt cho

lò là rất chậm , dẫn đến thời gian nấu luyện là kéo dài Do đó sử dụng lò cảm ứng tần số công nghiệp thích hợp cho các nấu luyện thép cácbon cao, nấu luyện kim loại màu , kim loại hoặc hợp kim dễ chảy ( t < 11500) Đặc biệt thiết bị lò này rất đơn giản , rẻ tiền , dễ thiết kế, dễ xây dựng vì không cần thiết bị đổi tấn số Nhưng trái lại vì tần số làm việc thấp nên phải có dung lượng tụ bù cosϕ rất lớn , phải ghép song nhiều tụ nên giá thành cao và tổn hao điện năng trong các tụ là rất lớn

- Thiết bị trung tần với tần số làm việc 500 ÷100000 Hz ( Lò cảm ứng trung tần ) Đây là lò trung gian giữa lò cảm ứng tần số công nghiệp và lò cảm ứng cao tần Nhiệt độ cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại với tốc độ nhanh , thích hợp cho việc nấu luyện các loại thép cacbon hoặc hoặc các loại thép hợp kim trung bình và cao Thiết bị biến đổi tần số của lò có thể sử dụng máy phát tần số kiểu quay hoặc dùng tiristor điều khiển

- Thiết bị cao tần với tần số làm việc trên 10000 Hz ( Lò cảm ứng cao tần) thường dùng đèn phát hoặc thyristor Nhiệt cung cấp cho lò với tốc độ rất nhanh, vì tần số làm việc rất cao nên cảm ứng điện từ sinh ra trong cuộn cảm ứng lò rất lớn Do đó nhiệt độ cung cấp cho lò để nấu chảy kim loại là nhanh nhất Việc cấp nhiệt nhanh như vậy phù hợp với các công nghệ tôi các chi tiết

dụng cụ máy và nấu luyện các loại thép có nhiệt độ nấu chảy cao Công việc tôi và nấu luyện thép phụ thuộc hoàn toàn vào tấn số làm việc Để đạt được tấn số rất cao f = 100000 Hz thì phải có thiết bị biến đổi tần số thích hợp, thường người ta sử dụng các loại bóng đèn điện tử hai cực , ba cực hoặc dùng cac lịnh kiện bán dẫn thyristor

• Theo phạm vi ứng dụng

- Thiết bị tần số để nấu chảy kim loại và hợp kim Lò cảm ứng loại này

có hai loại là lò có lõi thép ( lò máng ) và lò không có lõi thép ( lò nồi ) Lò máng dung lượng nhỏ và hiệt độ thấp dùng để nấu chảy kim loại màu Lò nồi

có dung lượng nồi càng lớn thì tần số cáng giảm ( để nung nóng đều )

- Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán Phôi càng lớn thì tần số làm viêc càng nhỏ

- Thiết bị tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao Lớp tôi càng mỏng thì tần

số làm việc cáng cao

- Thiết bị nung, sấy chất điện môi và bán dẫn

2.1.2 Nguồn điện cao tần

Dùng máy phát điện tần số cao đã được chế tạo ở dải công suất 0,5 – 1500Hz ở dải tần số 500 – 8000 Hz đối với với tần số dưới 500 Hz, người ta dùng máy phát đồng

bộ cực lồi có số cặp cực lớn và số vòng quay cao vì: f = 60.pn (Hz)

Trong đó : p : số cặp cực

n : tốc độ quay roto, vòng /phút

Để tối ưu hóa quá trình công nghệ gia nhiệt, việc điều chỉnh dòng kích

từ máy phát là rất quan trọng, nhằm ổn định điện áp máy phát ra cấp cho lò cảm ứng nhằm điều chỉnh cấp điện áp theo trị số mong muốn Hoàn thiện nhất hiện nay là dùng bộ biến đổi kích từ bằng Thyristor, đảm bảo độ chính xác, ổn

áp ± 1% với điện áp kích từ ( 0 ÷180 V)

Ưu điểm:

- Đơn giản về cấu trúc,

- Độ tin cậy cao

- Có thể làm việc song song với các máy phát, vốn thấp nhất là khi công suất lớn

Nhược điểm:

- Có phần tử khó sửa chữa

- Diện tích lắp đặt lớn, làm việc ồn

- Hiệu suất thấp khi tải nhỏ, bôi trơn làm lạnh phức tạp không thay đổi được tần số

2.2 Ưu điểm , nhược điểm của lò cảm ứng không lõi sắt

Ưu điểm:

- Luyện được hợp kim có độ sạch cao do không có các nguồn bẩn Sự thấm H2 trong kim loại nhỏ hơn 40% so với các lò hồ quang và lò mác tanh Kim loại luyện trong các lò cảm ứng không lõi sắt không có lõi sắt chứa tạp chất phi kim loại tương đối ít sự oxi hóa của bệ lò nhỏ hơn trong các lò khác

do nhiệt độ thấp và điều kiện nung hiện đại hơn

- Luyện được các hợp kim đồng nhất, thành phần hóa học trong bể lò đồng đều do sự sáo lộn gây ra bởi lực điện động Sự sáo trộn đó đồng thời làm

dễ dàng cho việc tiến hành phản ứng giữa kim loại và xỉ

- Kim loại luyện có nhiệt độ cao và đạt được nhiệt độ cực đại trong toàn bộ khối kim loại không chỉ trong từng riêng biệt như trong lò hồ quang

- Kim loại cháy rất ít do nung kim loại từ trong ra ngoài Điều này đặc biệt quan trọng khi luyện hợp kim có thêm chất hợp kim hóa hiếm và đắt cũng như khi luyện kim loại màu ( Sự cháy Nikien, Crôm, Vanadi, trong các lò cảm ứng không lõi sắt nhỏ hơn hai lần so với lò hồ quang )

- Hiệu suất của bản thân lò cao

- Năng suất cao do luyện nhanh

- Diện tích lò chiếm nhỏ do kích thước ngoài nhỏ hơn so với kích thước

lò

khác

- Điều chỉnh công suất và nhiệt độ đơn giản , dễ dàng trong phạm vi rộng

- Có khả năng luyện trong chân không hoặc trong môi trường khí đặc biệt

- Điều kiện lao động nhẹ nhàng và hợp vệ sinh

- Máy phát môtơ làm việc yên tĩnh hơn so với chế độ làm việc không ổn định của lò hồ quang

- Không tiêu hao điện cực

- Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao hơn so với lò hồ quang về phương diện này việc so sánh giá thép được luyện trong các lò cảm ứng và lò hồ quang có tầm quan trong đặc biệt

- Kê tương đối lạnh, khó tiến hành phản ứng giữa kim loại và xỉ do đó quá trình tinh luyện khó Nhược điểm này là là đặc tính chung của lò có lõi sắt cũng như không có lõi sắt Do xỉ trong các lò này không có dòng điện chạy qua và chỉ được nung bằng nhiệt của kim loại nấu trong lò

- Hiệu suất của toàn bộ thiết bị thấp do trong thiết bị cần có nguồn tần

số cao cũng như cấn phải có các tụ điện

- Trang bị đi với thiết bị của lò không lõi sắt phức tạp và đắt

- Yêu cầu nhân viên phục vụ có trình độ cao

2.3 Ứng dụng của của lò cảm ứng không lõi sắt.

- Chủ yếu để luyện thép chất lượng cao và các hợp kim đặc biệt khác có yêu cầu độ sạch cao đồng đều và chính xác về thành phần hóa học

- Ngoài luyện thép, lò cảm ứng được sử dụng rỗng rãi để đúc gang thay cho lò đứng

 Các lò nung thông dụng:

- Lò nung trung tần, cao tần

- Máy hàn cao tần

Hình ảnh lò nung thép, sắt tái chế

3 Đốt nóng điện môi

Cơ sở vật lý của đốt nóng điện mơi là do các dụng điện (dòng điện chuyển dịch và dòng điện dẫn) chảy qua chất cách điện hoặc bán dẫn khi đặt chúng vào trong một điện trường xoay chiều tần số cao

- Ưu điểm của nó là toàn bộ năng lượng hấp thụ ở trong lòng vật thể đều được chuyển hết thành nhiệt

Tuỳ theo đặc điểm công nghệ, thiết bị đốt nóng điện môi được chia ra làm 3 loại:

Các thiết bị loại1: được sử dụng trong công nghệ xử lý nhiệt các sản

phẩm có kích thước lớn và khi cần đốt nóng nhanh chóng: sấy sợi bông, len, sấy gỗ và các sản phẩm làm từ gỗ, nung các sản phẩm cách điện, sứ, gốm, hàn các chi tiết nhựa…

Các thiết bị loại 2: được sử dụng để sấy khô các sản phẩm dạng tấm, băng

như vải sợi, tranh ảnh, giấy, phim nhựa, các chế phẩm hóa dược, các sản phẩm cao su

Các thiết bị loại 3: ở đây quá trình đốt nóng không nhất thiết phải nhanh

và đều, ví dụ làm tan các sản phẩm đóng băng, nung các sản phẩm từ gốm thô, sấy trà, đậu …

Sự phân cực điện tử:

Nguyên tử vật chất được biểu diễn bằng sự chuyển động của các electrons xung quanh hạt nhân nguyên tử Dưới tác động của điện trường E, nguyên tử có thể trở thành các lưỡng cực cảm ứng với thời gian dao động riêng vào khoảng 10-14 đến 10-15 sec Trong thời gian này xác lập sự phân cực điện tử

Sự phân cực hoá ion

Được biểu diễn bằng sự chuyển động đàn hồi của các ion trong mạng tinh thể của chất cách điện rắn Chu kỳ dao động của mạng là vào khoảng 10-12 đến 10-13 sec Thời gian phân cực hoá cũng vào khoảng đó

Sự phân cực hoá ion định hướng

Trong các chất điện môi, bản thân các phân tử đã là lưỡng cực, không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của điện trường bên ngoài Sự phân cực trong trường hợp này được thể hiện ở sự sắp xếp các lưỡng cực dưới tác động của điện trường và được gọi là sự phân cực định hướng Sự phân cực định hướng có tính đàn hồi và sinh

ra trong các chất điện môi dạng rắn và dạng lỏng

4 Các thiết bị đốt nóng điện môi

Thiết bị đốt nóng điện môi được hia ra làm hai loại: thiết bị hoạt động ở tần số cao (f = 66KHz đến 1000 MHz) và thiết bị hoạt động ở tần số siêu cao (f=1000 MHz và cao hơn) Việc lựa chọn thông số của thiết bị được xác định bởi hàng loạt tính chất vật lý của vật liệu

• Lò vi ba: lò viba là ứng dụng thực tiễn của phương pháp đốt nóng

điện môi

- Gồm 4 bộ phận chính: nam châm điện(magnetron), mạch điều khiển nam châm điện(microcontroller), ống dẫn sóng (waveguide), buồng nấu(usable space)

Hình ảnh: sự phân cực định hướng ion hóa

Đối với sóng viba, thủy tinh hay sành sứ đựơc xem như là trong suốt nên sóng

đi xuyên qua, còn các mặt phẳng kim loại thì giống như những tấm gương nên sóng bị phản chiếu trở lại

- Phổ bức xạ điện từ (Electromagnetic(EM) Radiation Spectrum) là khái niệm chung cho tất cả các dạng khác nhau của năng lượng điện và các trường điện từ liên kết với chúng trải trong không gian như : Sóng viba, ánh sáng nhìn thấy được, các tia X, sóng vô tuyến và ánh sáng cực tím Sóng viba có bước sóng dài hơn các bức xạ tử ngoại và hồng ngoại nhưng ngắn hơn các băng tần phát thanh quảng cáo VHF và UHF Các sóng viba phát xạ ra được phản xạ lại và bị hấp thụ do các vật cản trên đường truyền sóng, mức độ phản xạ và hấp thụ phụ thuộc vào chất liệu tạo nên vật cản đó Các sóng viba truyền qua thủy tinh và chất dẻo bị bất cứ vật thể nào chứa nước hấp thụ

- Bộ phận phát sóng magnetron

Magnetron là máy phát sóng cao tần( sóng vi ba) có công suất lớn, sóng vi ba được tạo ra từ một bộ dao động điện tử và được khuếch đại nhờ magnetron hoạt động như một đèn điện tử 3 cực Nó gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại gồm một cực dương anode trong đó người ta đặt những lỗ hổng cộng hưởng để làm tăng tần số từ 50

Hz lên 2450 Hz Đối với mạch cộng hưởng trị số của cuộn co bin và tụ điện sẽ xác định tần số tạo ra Tần số càng lớn thì trị số các linh kiện càng nhỏ Để có tần số thật

cao thì cuộn cobin phải giảm thiểu, để được như vậy ta nối song song nhiều cuộn cobin

Mạch cộng hưởng tần số cao là yếu tố căn bản của trụ rỗng Trụ rỗng có xếp những lỗ hổng cộng hưởng và chính giữa là âm cực (cathode) trong đó để 1 dây để đốt nóng Bên trong magnetron là chân không, giữa điện cực âm và điện cực dương người

ta dùng điện thế 2300 V để tạo từ trường Từ trường này làm di chuyển các slectron từ cực âm sang cực dương Để tạo ra và giữ cho các dao động ở tần số thật cao các điện

tử phải di chuyển theo dạng hécodale trước những lỗ hổng cộng hưởng; đường đi này

có được nhờ một từ trường tạo bởi thanh nam châm mà đường sức thẳng góc với điện trường E Năng lượng tạo bởi magnetron được dẫn đến hệ thống lò Các sóng vi ba được thu nhận bởi một bộ góp sóng ở chính giữa lỗ hổng và được phát xạ bởi một anten trong bộ hướng sóng

Bộ hướng sóng