Tiểu luận Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

Ưu điểm của lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu: Lò điện so với những lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau: -Có khả năng tạo được nhiệt độ cao.. Cho nênnói đến lò điện trở không t

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật

+Sản xuất thép chất lượng cao

+Sản xuất các hợp kim phe-rô

+Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

+Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi

+Sản xuất đúc các kim loại bột

-Trong các lĩnh vực công nghiệp khác

+Trong công nghiệp nhẹ và công nghiệp thực phẩm, lò điện được dùng

bị nung rắn, sấy điện

1.1.2 Ưu điểm của lò điện và các lò sử dụng nhiên liệu:

Lò điện so với những lò sử dụng nhiên liệu có những ưu điểm sau:

-Có khả năng tạo được nhiệt độ cao

-Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng xuất cao

-Đảm bảo nung đều và chính xác đo dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ.-Kín

-Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu

và vận chuyển vật phẩm

-Đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bịgọn nhẹ

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ.

1.2.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở.

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua mộtdây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra theo một lượng nhiệt theo định luậtJun-Lenxơ:

Q=I2RT

Q- Lượng nhiệt tính bằng Jun(J)

I- Dòng điện tính bằng Ampe(A)

R-Điện trở tính bằng Ôm

T-thời gian tính bằng giây(S)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò:

-Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

2

-Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vậtnung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi lànung gián tiếp.

Trường hợp thứ nhất Ýt gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hìnhdạng đơn giản(tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nênnói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộphận làm phát nhiệt của lò

1.2.2 Những vật liệu làm dây nung:

a Yêu cầu của vật liệu làm dây nung:

Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thànhnhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule Dây đốt cần phải làm từ các vậtliệu thoả mãn các yêu cầu sau:

- Chịu được nhiệt độ cao,

- Hợp chất: SiC, MoSi2…với lò có nhiệt độ làm việc

Nhiệt độ làm việc max( o C)

Hệ số nhiệt điện trở (.10 -3 /độ)độ)

Điện trở suất

3-5 4-6

94.4 3.6

1100 1000 850 1200 1500

2800 2000 2500 2800

0.035 0.1

5.1 4.0 4.3

1,15 1,10 1.26 1.25 (1000- 2000) 8-13 0,052 0.15 0.05

b Dây nung kim loại:

Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở côngnghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm

và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn Còn các kim loại nguyên chấtđược dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường

có những tính chất không lợi cho việc chế tạo dây nung nh:

4

+ Điện trở suất nhỏ.

+Hệ số nhiệt điện trở lớn

+Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyển bình thường

Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng

c Dây nung phi kim loại:

Dây nung phi kim loại dùng phổ biến nhất là SiC, grafit và than

M

(1-1)

Trong đó : M - Khối lượng vật gia nhiệt (kg);

t – thời gian gia nhiệt(s)

Nhiệt lượng hữu Ých cần cấp cho vật gia nhiệt:

Q hi



Công suất lò:

Trong đó : k - 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 mộtpha Đó là khả năng cấp nhiệt của dây đốt trong một đơn vị thời giantrên một đơn vị diện tích bề mặt dây

6

L=W P C

dd

ph

Trong đó : L – Chiều dài dây đốt [m];

C – chu vi tiết diện dây đốt [m]

Trên quan hệ giữa các thông số điện thì:

Pph=

S L

U R

U ph

ph ph



2 2

ph

W U

Vế trái (1-10) là các thông số về kích thước dây đốt Thừa số đầu vế phải

là các thông số về diện Thừa số sau của vế phải nói lên quan hệ nhiệt củadây

Dây đốt dùng trong lò điện trở có thể có tiết diện tròn hay chữ nhật vàkích cỡ nh bảng 1-2

Nhiệt độ làm việc

Trong lò (0C)

Kích thước dây đốt (m.m)Dây tròn

(đường kính d)

Dây chữ nhật(kích thước a*b), a/độ)b = m

< 300

300 – 600

600 – 800

12

3 – 4

8*110*115*1.5

U W

ph

U W m m

Chiều dài dây sẽ tìm tiếp theo(1-9)

Khi bố trí dây trong lò, dây có thể uốn xoắn tròn (hình 1.1.a) đối với dâytròn hoặc uốn dích dắc (hình 1.1.b) đối với dây chữ nhật hay tròn

8

H×nh1.1: C¸ch bè trÝ d©y trong lß ®iÖn trë a)Bè trÝ d©y trßn b) Bè trÝ d©y zÝch z¾c

Khi uốn xoắn tròn, đường kính uốn là tuỳ theo độ bền cơ của dây đốt.Thường D=(410)d Bước xoắn S 2d.

Khi uốn zích zắc ,kích thước cũng tuỳ thuộc độ bền cơ của dây đốt.Thường A  10a, S  2b Đối với dây tròn S  5d

Trong các lò có nhiệt độ làm việc dưới 7000C, việc truyền nhiệt từ dâyđốt đến vật gia nhiệt chủ yếu là do hiện tượng dẫn nhiệt và đối lưu Trong các

lò có nhiệt độ cao hơn 7000C thì việc truyền nhiệt chủ yếu do bức xạ

Để dễ dàng nghiên cứu phân tích, ta giả thiết rằng tổn thất nhiệt qua vỏ lòbằng 0 và dây đốt là một lá mỏng bao kín vật gia nhiệt, nghĩa là coi diện tíchtoả nhiệt của dây bằng diện tích xung quanh vật gia nhiệt Trong điều kiện đó,phương trình trao đổi nhiệt bức xạ giữa dây đốt (lí tưởng)và vật gia nhiệt sẽlà:

P = CSqđ[ 4 ) 4

100 ( ) 100 (T dd T v

Trong đó: P – công suất lò, [W];

CS – Khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối;

CS - 5,7 W/độ)m2, (0K4);

Tdd – nhiệt độ dây đốt, [0K];

Tv – nhiệt độ vật gia nhiệt, [0K];

qd – hệ số bức xạ nhiệt qui đổi ;

Trong đú : dd,v - cỏc hệ số bức xạ nhiệt(độ đen) của vật liệu làm dõyđốt và vật liệu làm vật gia nhiệt

Từ (1-13) cú thể xỏc định mật độ cụng suất dõy đốt:

100 ( ) 100

m

W T

T C

F

qd S dd



(1-14)Hay: Wdd = qdWS

100 ( ) 100

[( 4 4 2

m

W T

T dd v

WS gọi là mật độ cụng suất trao đổi nhiệt giữa hai vật đen tuyệt đối Giỏtrị WS cho theo đồ thị (hỡnh 1.2) và phụ thuộc vào nhiệt độ dõy đốt và vật gianhiệt

Trong cỏc điều kiện làm việc thực của lũ thỡ bức tranh mụ tả quỏ trỡnhphức tạp hơn Dõy khụng bao kớn vật gia nhiệt, nhiệt tổn thất qua vỏch lũ,thành lũ cũng trao đổi nhiệt với vật gia nhiệt v.v…Cỏc yếu tố đú được đề cập

10

Hình1.2: Đồ thị mật độ công

suất của dây đốt

có độ đen tuyệt đối

đến qua hệ số bức xạ có hiệu lực của dây đốt  và mật độ công suất cho phéplà:

-Dây xoắn tròn đặt trong rãnh nửa kín ở vách lò  = 0,160,24

-Dây xoắn tròn đặt trong ống trên sàn lò  = 0,30,36

-Dây dích dắc hay thanh  =0,60,72

dd ph dd

dd dd

P

S U S

1.2.4 Phân loại lò điện trở

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông quadây đốt (dâyđiện 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 thường dùng

để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu…

Phân loại lò điện trở có nhiều cách :

a Theo nhiệt độ làm việc của lò

- Lò làm việc gián đoạn

Lò làm việc liên tục được cấp điện liện tục và nhiệt độ giữ ổn định ở mộtgiá trị nào đó (hình 1.3) sau quá trình khởi động lò

1.3 CẤU TẠO LÒ ĐIỆN TRỞ.

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở

Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở có những yêu cầu sau:

a Hợp lý về công nghệ.

Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quátrình công nghệ yêu câù mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quátrình công nghệ khác nếu như không làm phức tạp quá trình gia công và tănggiá thành một cách rõ rệt Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thếmới coi là hợp lý nhất Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu lò điệnvượt xa khả năng sản xuất ra nã

b Hiệu quả về kỹ thuật.

Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấukhi các thông số của nó xác định(kích thước ngoài, công suất, trọng lượng,giá thành v.v )

Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên mộtđơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ tiêu cơbản của hiệu quả kỹ thuật Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc

14

chi tiết, hiệu quả kỹ thuật được đánh giá bằng công suất dẫn động, mô menxoắn, lực v.v Ứng với trọng lượng, kích thước hoặc giá thành kết cấu

c.Chắc chắn khi làm việc.

Chắc chắn khi làm việc là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất củachất lượng kết cấu của các lò điện Thường các lò điện làm việc liên tục trongmét ca, hai ca và ngay cả trong ba ca trong một ngày Nếu trong khi làm việcmột bộ phận nào đó không hoàn hảo sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuấtchung Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò điện làm việc liên tụctrong dây chuyền sản xuất tự động Ngay đối với các lò làm việc chu kỳ, lòngừng cũng làm thiệt hại rõ rệt cho sản xuất vì khi ngừng lò đột ngột (nghĩa làphá huỷ chế độ làm việc bình thường của lò) có thể dẫn đến làm hư hỏng sảnphẩm, lãng phí nguyên liệu và làm tăng giá thành sản phẩm

Một chỉ tiêu phụ thuộc về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận

đó của lò điện là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làmviệc bình thường Theo quan điểm chắc chắn, trong thiết bị cần chú ý đến các

bộ phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò Thí dụ: Dâynung, băng tải v.v

d Tiện lợi khi sử dụng.

Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:

-Số nhân viên phục vụ tối thiểu

-Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và sự dẻodai của nhân viên phục vụ

-Số lượng các thiết bị hiếm và quý bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu

-Bảo quản dễ dàng Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bịthuận lợi

-Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh vàtuyệt đối an toàn.

e Rẻ và đơn giản khi chế tạo.

Về mặt này yêu cầu như sau:

-Tiêu hao vật liệu Ýt nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm (các kim loạimàu, các hợp kim có hàm lượng niken cao v.v )

-Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngàycông Ýt nhất và tận dụng được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵntrong các nhà máy chế tạo để gia công

-Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải Ýt nhất

-Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ dàng đổilẫn nhau và thuận tiện khi lắp ráp

-Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc, hàn,đập) Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý

f Hình dáng bề ngoài đẹp.

Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng

và tỉ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kếtcấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít vớinhau

Việc gia công lần chót nh sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình dáng

bề ngoài của lò điện Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết

1.3.2 Một số kết cấu lò điện trở trong công nghiệp

Các lò điện trở hiện dùng ở Việt Nam có nhiều kiểu loại và nguồn gốckhác nhau Đa phần là lò Liên Xô (cũ), một số khác của Đức, Tiệp, Hung

16

v.v… và một số lò thí nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng sấy, nung, nhiệtluyện của Mĩ, Pháp, Ý, Nhật, Đài Loan v.v… Một số lò do Việt Nam thiết kế,chế tạo dựa theo tiêu chuẩn Liên Xô Nói chung các loại lò đều có kết cấutương tự nhau với dải công suất từ vài kW đến hàng trăm kW và dải nhiệt độdưới 20000C.

Lò buồng là loại lò vạn năng nhất (hình 1-6) Lò gồm buồng nung hìnhhộp chữ nhật với kích thước tuý 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 cùngbằng gạch samôt có độ cách nhiệt cao Bọc ngoài là vỏ tôn 3 dày 5  10 mm.Đáy lò bằng thép chịu nhiệt, đúc liền hoặc ghép lại từ những miếng nhỏ hoặcđáy lò xây bằng gạch chịu lửa Thành trong của buồng lò có đặt dây đốt 5.Dây đốt có thể bố trí cả phía đáy và đỉnh Cửa lò tuỳ kiểu và công suất lò, Cóthể mở bằng tay ( kiểu đòn bẩy hay có đối trọng ) hoặc bằng cơ cấu cơ khí 1truyền động bằng động cơ điện Cửa lò, có thể có lỗ thăm để quan sát phíatrong lò Ngoài ra, lò còn có đầu ra của dây đốt 2, cửa khí 6 để dẫn khí bảo

vệ vào lò(do không khí dễ thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò, gây hiện tượng

xy hoá, thoát cacbon của vật gia nhiệt), đầu đo nhiệt ở đỉnh lò hay bên hông

Hỡnh 1-7, hỡnh 1-8, hỡnh 1-9 là kết cấu của một số loại lũ điện trở.

18

Hình 1.7: Lò chụp

1-Khung chụp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót 2-Lớp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót lót chụp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót 3-Khung bệ4-Lớp lót 4-Lớp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót lót

bệ4-Lớp lót 5,6-Dây đốt ở chụp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót 7-Dây đốt trên bệ4-Lớp lót 8-Múp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót lò9-Cửa 9-Cửa khí10-Nhiệt kế (nhiệt động)10-Nhiệ4-Lớp lót t kế (nhiệ4-Lớp lót t động)

Hình1.8: Lò muối

1-Đầu dây cấp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót điệ4-Lớp lót n2-Chụp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót lò9-Cửa 3-Điệ4-Lớp lót n cực4-Vách ngăn5-Lớp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót lót6-Vỏ bên trong7-Hoả kế8-Vỏ bên ngoài

Hình 1.9: Lò giếng

1-Cơ cấu nắp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót quay2-Nắp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót quay3-Vỏ lò9-Cửa 4-Lớp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót

lót5-Các tấm dẫn h ớng khí10-Nhiệt kế (nhiệt động)6-Giỏ lò9-Cửa 7-Tấm đáy lò9-Cửa 8-Dây

đốt9-Đầu kiểm tra khí10-Nhiệt kế (nhiệt động)10-Cửa khí10-Nhiệt kế (nhiệt động)11-Đầu đo nhiệ4-Lớp lót t

Trờn hỡnh 1-10 trỡnh bày một số cỏch bố trớ dõy đốt trong cỏc loại lũ điện trở.

20

Hình1.10: Một số cách bố trí dây đốt trong lò điện trở

a) Dây xoắn trò9-Cửa n đặt trong rãnh sâu ở lớp2-Lớp lót chụp3-Khung bệ4-Lớp lót lótb) Dây đặt trong rãnh

ở đáy và thành lò9-Cửa c) Phân bố dây đốt dẹt ở đáy và thành lò9-Cửa d) Phân

bố dây đốt dẹt ở đỉnh và đáy lò9-Cửa e) Dây đốt đúc

1.3.3 Cấu tạo lò điện trở.

Cấu tạo của lò điện trở gồm 3 phần chính sau:

-Vỏ lò

-Lớp lót

-Dây nung

a Vỏ lò.

Vỏ lò điện trở là một khung cứng, vững chủ yếu để chịu tải trọng trongquá trình làm việc của lò Vỏ lò cũng dùng để dữ lớp cách nhiệt và đảm bảo

sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò

Vỏ lò có 2 dạng cơ bản: Dạng chữ nhật và dạng tròn

-Vỏ lò hình chữ nhật: Được dựng lên bằng thép hình chữ U, L và tấmthép cắt theo hình thích hợp, ta thường thấy ở các lò buồng, lò băng tải, lò liêntục, lò đáy nung

-Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng, lò chụp kết cấu vỏ lò tròn thườngdùng:

+Thép tấm dài 36 mm với đường kính vỏ lò là 10002000 mm

+Thép tấm dài 812 mm với đường kính vỏ lò là 2504000 mm

+Thép tấm dài 1420 mm với đường kính vỏ lò 45006500 mm

Yêu cầu của chất làm vật liệu chịu lửa:

+Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền, chắc chắn

+Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò

+Có độ bền hoá học khi làm việc, độ bền cơ học theo yêu cầu

+Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu

-Phần cách nhiệt:

22

Phần cách nhiệt nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa Mục đích chủ yếucủa phần này là để giảm tổn thất nhiệt Phần cách nhiệt được xây dựng bằnggạch cách nhiệt hoặc bằng bột cách nhiệt (xỉ bông, amiăng ).

Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt:

+Hệ số cách nhiệt cực tiểu

+Khả năng tích nhiệt cực tiểu

+ Ổnđịnh về tính chất lý nhiệt trong điều kiện làm việc xác định

-Dây nung phi kim loại:

Dây nung phi kim loại thường có dạng thanh và ống

d Ngoài 3 phần chính của kết cấu lò còn có các thiết bị phụ nh:

Cửa lò, các thiết bị vận chuyển