Giáo trình Lò luyện kim

lớn với mức độ tập trung cao, đồng thời là nơi tổ chức quá trình trao đổi nhiệt để cung cấp nhiệt cho vật liệu gia công. Nhiệt cung cấp cho lò có thể là nhiệt sinh ra do đốt cháy nhiên liệu, do biến đổi điện năng thành nhiệt năng hoặc nhiệt tự phát sinh nhờ các phản ứng hóa học phát nhiệt xẩy ra trong quá trình gia công vật liệu. Nhiệt từ nguồn nhiệt đ−ợc truyền cho vật liệu gia công làm biến đổi trạng thái, tính chất của vật liệu gia công, chuẩn bị cho các b−ớc công nghệ tiếp theo hoặc tạo ra vật liệu mới. Sự trao đổi nhiệt trong lò có thể thực hiện bằng truyền nhiệt bức xạ, đối l−u, dẫn nhiệt hoặc phối hợp các dạng truyền nhiệt trên. Cấu trúc lò hợp lý và chế độ nhiệt phù hợp với yêu cầu công nghệ là những yếu tố ảnh h−ởng trực tiếp và có tính quyết định đến chất l−ợng, giá thành sản phẩm cũng nh− năng suất và các chỉ tiêu kinh tế khác của lò. Lò công nghiệp là một thiết bị đ−ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ngành luyện kim lò đ−ợc dùng để thiêu kết quặng, luyện thép, nấu hoặc luyện gang, nấu hoặc luyện các kim loại và hợp kim màu, nung kim loại... Trong ngành vật liệu xây dựng sử dụng các lò nung vật liệu nh− nung vôi, nung gạch, nung clinke sản xuất xi măng, nấu chảy men, nấu thuỷ tinh. Các lò sấy dùng để sấy nguyên vật liệu hoặc nông lâm sản trong chế biến. Hiện nay lò công nghiệp sử dụng tới 50% l−ợng nhiên liệu đốt hàng năm và khoảng 25% l−ợng điện sản xuất ra. 1.2. Phân loại Lò công nghiệp, cũng nh− lò luyện kim đ−ợc phân loại theo các đặc tr−ng cơ bản sau: + Nguồn nhiệt sử dụng. + Đặc điểm công nghệ. + Chế độ công tác nhiệt. - 5 - + Kết cấu của lò. 1.2.1. Phân loại theo nguồn nhiệt sử dụng Theo nguồn nhiệt sử dụng, các lò công nghiệp đ−ợc chia làm ba nhóm: + Lò dùng nhiên liệu. + Lò dùng điện năng. + Lò tự phát nhiệt. Mỗi nhóm lại đ−ợc phân ra các loại tuỳ theo đặc tr−ng chung của chúng. a) Lò dùng nhiên liệu: sử dụng nhiệt sinh ra do đốt cháy nhiên liệu. Theo trạng thái của nhiên liệu, các lò dùng nhiên liệu đ−ợc chia ra ba loại: + Lò dùng nhiên liệu rắn: than đá, than cốc, than củi ... + Lò dùng nhiên liệu lỏng: dầu mazut, dầu điêzen ... + Lò dùng nhiên liệu khí: khí lò cốc, khí lò cao, khí thiên nhiên ... b) Lò dùng điện: sử dụng điện năng biến đổi thành nhiệt năng. Theo ph−ơng pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng ng−ời ta chia ra các loại: + Lò điện trở: biến đổi điện năng thành nhiệt năng dựa trên hiện t−ợng toả nhiệt khi cho dòng điện đi qua một điện trở hoặc vật dẫn có điện trở lớn. Thí dụ lò điện trở nấu kim loại màu, lò điện trở nung kim loại, lò điện trở sấy vật liệu ... + Lò điện cảm ứng: biến đổi điện năng thành nhiệt năng dựa trên cơ sở của hiện t−ợng cảm ứng điện từ. Thí dụ lò điện cảm ứng nấu thép, nấu gang ... + Lò điện hồ quang: biến đổi điện năng thành nhiệt năng dựa trên cơ sở hiện t−ợng phóng hồ quang giữa các điện cực khi đặt gần nhau. Thí dụ lò điện hồ quang trực tiếp nấu thép, gang, sản xuất đất đèn, lò điện hồ quang gián tiếp nấu đồng ... c) Các lò tự phát nhiệt: sử dụng nhiệt do các phản ứng phát nhiệt sinh ra ngay trong bản thân vật liệu trong quá trình gia công. Thí dụ trong các lò chuyển luyện thép thổi oxy nhiệt cấp cho lò chủ yếu là do phản ứng cháy của các tạp chất C, Si, Mn. 1.2.2. Phân loại theo đặc điểm công nghệ Theo đặc điểm công nghệ, các lò công nghiệp đ−ợc phân ra: a) Lò nấu chảy: vật liệu gia công đ−ợc nung nóng và làm nóng chảy hoàn toàn. Thí dụ: các lò luyện thép, lò cao luyện gang, lò nấu hợp kim màu, lò nấu thuỷ tinh ... b) Lò nung: vật liệu gia công bị nung nóng nh−ng không bị hoá lỏng. Thí dụ lò nung kim loại trong gia công áp lực, nhiệt luyện, lò nung gạch, vôi, clinke .. . - 6 - 1.2.3. Phân loại theo chế độ công tác nhiệt Theo đặc tr−ng truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật liệu gia công trong lò, ng−ời ta phân ra: + Các lò làm việc ở chế độ bức xạ. + Các lò làm việc ở chế độ đối l−u. + Các lò làm việc ở chế độ lớp. a) Lò làm việc ở chế độ bức xạ: sự truyền nhiệt tới bề mặt vật liệu gia công chủ yếu bằng truyền nhiệt bức xạ. Theo sự phân bố dòng nhiệt từ nguồn nhiệt tới vật nung và từ nguồn nhiệt tới t−ờng, nóc lò, ng−ời ta phân ra ba loại: + Chế độ bức xạ phân bố đều. + Chế độ bức xạ trực tiếp. + Chế độ bức xạ gián tiếp. Thông th−ờng lò đ−ợc coi là làm việc ở chế độ bức xạ khi nhiệt độ trong không gian làm việc của lò trên 600oC. Thí dụ lò nung thép để gia công áp lực hoặc nhiệt luyện, lò phản xạ nấu nhôm, đồng ... b) Lò làm việc ở chế độ đối l−u: sự truyền nhiệt tới bề mặt vật liệu gia công chủ yếu bằng trao đổi nhiệt đối l−u. Trong các lò làm việc ở chế độ đối l−u, trao đổi nhiệt đ−ợc thực hiện thông qua một môi chất chuyển động tiếp xúc với vật liệu gia công. Theo nguồn gốc lực tác động gây ra chuyển động của môi chất, ng−ời ta phân ra: + Chế độ đối l−u tự nhiên. + Chế độ đối l−u c−ỡng bức. Thông th−ờng các lò có nhiệt độ làm việc d−ới 600oC thuộc lò làm việc ở chế độ đối l−u. Thí dụ: lò sấy vật liệu, nông sản, thực phẩm, lò ram thép ... c) Lò làm việc theo lớp: vật liệu gia công là vật liệu dạng hạt đ−ợc chất đầy toàn bộ hay một phần không gian làm việc của lò thành lớp, còn khí nóng chuyển động qua lớp hạt và truyền nhiệt cho chúng. Trong lò tồn tại cả ba dạng trao đổi nhiệt: bức xạ, đối l−u và dẫn nhiệt. Theo trạng thái của các hạt vật liệu trong lớp, ng−ời ta phân ra: + Chế độ lớp chặt. + Chế độ lớp sôi. + Chế độ lớp lơ lững. - 7 - 1.2.4. Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu lò đ−ợc chia ra các loại: lò đứng, lò tang quay, lò buồng, lò hầm, lò giếng, lò nhiều vùng . . . 1.3. Các đặc tr−ng cơ bản của lò công nghiệp Các đặc tr−ng cơ bản của một lò công nghiệp bao gồm: + Chế độ nhiệt độ. + Chế độ nhiệt. + Công suất nhiệt. + Năng suất. + Hiệu suất của lò. + Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn. 1.3.1. Chế độ nhiệt độ của lò a) Nhiệt độ lò: nhiệt độ lò là nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ của nguồn nhiệt và nhiệt độ của t−ờng, nóc lò. Nhiệt độ lò phụ thuộc vào nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, phụ tải nhiệt của lò, cấu trúc và tính chất cách nhiệt của lò. t lò = η.tlt ; [oC] (1.1) Trong đó: + tlt là nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu, [ oC]. + η là hệ số xét đến ảnh h−ởng của cấu trúc và tính chất cách nhiệt của lò. Trong thực tế nhiệt độ của lò th−ờng đ−ợc đo bằng các cặp nhiệt điện. b) Chế độ nhiệt độ của lò: là quy luật thay đổi của nhiệt độ lò theo thời gian. tlò = f (τ) (1.2) Những lò có nhiệt độ không thay đổi theo thời gian gọi là lò có chế độ nhiệt độ ổn định. 0 tlò =τ∂ ∂ hay tlò = const. Những lò có nhiệt độ thay đổi theo thời gian gọi là lò có chế độ nhiệt độ không ổn định. 0 t lò ≠τ∂ ∂ hay tlò ≠ const. - 8 - 1.3.2. Chế độ nhiệt của lò L−ợng nhiệt cấp cho lò tại một thời điểm nhất định đ−ợc gọi là phụ tải nhiệt của lò tại thời điểm đó và quy luật thay đổi phụ tải nhiệt theo thời gian đ−ợc gọi là chế độ nhiệt của lò. Q = f(τ) (1.3) Những lò có phụ tải nhiệt không thay đổi theo thời gian đ−ợc gọi là lò có chế độ nhiệt ổn định. 0Q =τ∂ ∂ hay Q = const Những lò có phụ tải nhiệt thay đổi theo thời gian đ−ợc gọi là lò có chế độ nhiệt không ổn định. 0Q ≠τ∂ ∂ hay Q ≠ const 1.3.3. Công suất nhiệt của lò Công suất nhiệt của lò là phụ tải nhiệt lớn nhất mà lò có thể tiếp nhận đ−ợc trong một đơn vị thời gian mà vẫn đảm bảo điều kiện làm việc bình th−ờng. Công suất nhiệt th−ờng đ−ợc tính bằng [KW]. 1.3.4. Năng suất của lò Năng suất của lò là l−ợng sản phẩm gia công đ−ợc bởi lò trong một đơn vị thời gian. Năng suất lò th−ờng đ−ợc tính bằng [kg/h], [tấn/h] hoặc [kg/ngày], [tấn/ngày]. Ngoài ra, để so sánh năng suất của các lò khác nhau, ng−ời ta còn dùng khái niệm năng suất riêng hay còn gọi là c−ờng độ đáy lò, đó là l−ợng sản phẩm gia công đ−ợc ứng với một đơn vị diện tích đáy lò trong một đơn vị thời gian. Thông th−ờng c−ờng độ đáy lò đ−ợc tính theo [kg/m2.h]. 1.3.5. Các hiệu suất của lò a) Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích Hiệu suất sử dụng nhiệt có ích của lò là tỉ số giữa l−ợng nhiệt có ích để gia công vật liệu và toàn bộ l−ợng nhiệt cấp từ bên ngoài vào cho lò trong cùng một đơn vị thời gian. 100 Q Q cấp cóích q ⋅=η ∑ ; [%] (1.4) L−ợng nhiệt cấp cho lò từ ngoài vào xác định theo công thức: - 9 - ∑ ++= vlnlvlkkccấp QQQQ ; [kj/h] (1.5) Trong đó: + là −ợng nhiệt do đốt cháy nhiên liệu, đ−ợc xác định theo công thức: cQ Q = B. Qc d; [kj/h] (1.6) + là l−ợng nhiệt vật lý do nung nóng tr−ớc không khí đ−ợc xác định theo công thức: vl kkQ )ii(fBLQ dkk c kkn vl kk −= ; [kj/h] (1.7) + là l−ợng nhiệt vật lý do nung nóng tr−ớc nhiên liệu đ−ợc xác định theo công thức: vl nlQ )ii(BQ dnl c nl vl nl −= ; [kj/h] (1.8) Với: B là l−ợng nhiên liệu đốt cháy trong một giờ, [kg/h] hoặc [m /h]. 3 Qd - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, [kj/ kg] hoặc [kj/m 3 ]. Ln - l−ợng không khí dùng để đốt cháy 1 kg hoặc 1m nhiêu liệu,[m 3 /kg] hoặc [m /m 3 ]. 3 3 f - tỉ lệ không khí nung nóng tr−ớc. d kki , - nhiệt hàm không khí và nhiên liệu tr−ớc khi nung, [kj/m d nli 3]. c kki , - nhiệt hàm không khí và nhiên liệu sau khi nung, [kj/m c nli 3]. L−ợng nhiệt có ích xác định theo công thức sau: Qcó ích =Qvật liệu + Qxỉ + Qthu - Qtoả ; [kj/h] (1.9) Trong đó: + Qvật liệu - l−ợng nhiệt cần thiết để gia công vật liệu, [kj/h]. + Qxỉ - l−ợng nhiệt cần thiết để tạo xỉ, [kj/h]. + Qthu - l−ợng nhiệt cấp cho các phản ứng thu nhiệt, [kj/h]. + Qtoả - l−ợng nhiệt toả ra từ các phản ứng toả nhiệt, [kj/h]. Ta có công thức tổng quát xác định hiệu suất nhiệt có ích nh− sau: 100 QQQ QQQQ vl nl vl kkc ảtothuxỉliệuvật íchcó ⋅++ −++=η [%] (1.10) b) Hiệu suất sử dụng nhiên liệu có ích Hiệu suất sử dụng nhiên liệu có ích là tỉ số giữa l−ợng nhiệt có ích và l−ợng nhiệt cấp vào lò do đốt cháy nhiên liệu: - 10 - 100 Q Q c íchcó liệunênhi ⋅=η ; [%] (1.11a) Hay: 100 Q QQQQ c ảtothuxỉliệuvật liệunênhi ⋅ −++=η [%] (1.11b) c) Hiệu suất sử dụng nhiệt của lò Ngoài l−ợng nhiệt có ích, một l−ợng nhiệt đáng kể bị mất mát ngay tại lò do truyền nhiệt qua t−ờng lò, bức xạ qua cửa lò, do khói rò qua cửa, do n−ớc làm nguội, tích nhiệt của t−ờng lò, nung nóng các giá đở ... Để đặc tr−ng cho khả năng sử dụng nhiệt và cấu trúc của lò (về ph−ơng diện nhiệt) ng−ời ta sử dụng khái niệm hiệu suất sử dụng nhiệt của lò, đó là tỉ số giữa tổng l−ợng nhiệt có ích và l−ợng nhiệt mất mát tại lò so với toàn bộ l−ợng nhiệt cấp cho lò. 100 Q QQ cấp lòiạttámmấtíchcó q ⋅ +=η ∑ ∑ ; [%] (1.12a) Hay: 100 Q QQ cấp iảthkhóicấp q ⋅ −=η ∑ ∑ ; [%] (1.12b) So sánh công thức (1-4) và (1-12a) ta thấy hiệu suất sử dụng nhiệt bao giờ cũng lớn hơn hiệu suất sử dụng nhiệt có ích. Nếu cấu trúc lò hợp lý, sao cho mất mát nhiệt tại lò là không đáng kể, thì hiệu suất sử dụng nhiệt có ích có giá trị xấp xỉ với hiệu suất sử dụng nhiệt, khi đó về ph−ơng diện sử dụng nhiệt thì lò có cấu trúc tốt nhất. 1.3.6. Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn Trong thực tế, các lò công nghiệp sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau và cấu trúc lò, công nghệ gia công cũng khác nhau, bởi vậy để đánh giá và so sánh chúng về ph−ơng diện nhiệt ng−ời ta dùng khái niệm suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn, đó là l−ợng nhiên liệu tiêu chuẩn cần thiết để gia công một ki-lô-gam vật liệu, với quy −ớc một ki-lô-gam nhiên liệu tiêu chuẩn có nhiệt trị thấp bằng 7.000 kcal/kg hoặc 29.300 kj/kg. P30029 QB b d⋅ ⋅= ; ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ngôcgialiệuvậtkg chuẩnuêtiliệunênhikg (1.13) Trong đó: B - l−ợng tiêu hao nhiên liệu [kg/h]. Qd - nhiệt trị thấp của nhiên liệu [kj/kg]. P - năng suất lò [kg/h]. - 11 - Ch−ơng 2 công tác nhiệt của lò 2.1 Chế độ làm việc bức xạ Chế độ làm việc bức xạ là chế độ làm việc mà sự trao đổi nhiệt bên ngoài của lò chủ yếu bằng truyền nhiệt bức xạ. Thông th−ờng các lò có nhiệt độ làm việc cao (trên 600 - 700oC) đều làm việc ở chế độ bức xạ. 2.1.1. Một số khái niệm và định luật cơ bản về truyền nhiệt bức xạ a) Bức xạ nhiệt và sự hấp thụ năng l−ợng bức xạ Theo vật lý học hiện đại thì bức xạ nhiệt là một hiện t−ợng phức tạp, ở một số tr−ờng hợp nó có tính chất sóng, ở một số tr−ờng hợp khác nó lại có tính chất hạt, nghĩa là những luồng hạt bay rất nhanh gọi là l−ợng tử hay phô-tông. Ngày nay, ng−ời ta coi bức xạ nhiệt là một dạng của sóng điện từ, có b−ớc sóng từ 0,76 - 400 àm. Khả năng bức xạ nhiệt của một vật thể đ−ợc đánh giá qua năng l−ợng bức xạ ứng với một đơn vị diện tích bề mặt vật thể trong một đơn vị thời gian: F Q E = ; [W/m2] (2.1) Trong đó : Q là l−ợng năng l−ợng bức xạ của vật thể trong một đơn vị thời gian, [J/s]. F là diện tích bề mặt của vật thể, [m2]. Năng l−ợng bức xạ ứng với các tia nhiệt có chiều dài b−ớc sóng khác nhau thì khác nhau, c−ờng độ bức xạ đơn sắc (Iλ) ứng với một chiều dài b−ớc sóng (λ) xác định bởi công thức : λ=λ d dE I ; [W/m2.m] (2.2) Khi một luồng bức xạ nhiệt (Q) đập tới một vật thể khác, một phần bị vật thể hấp thụ (QA), một phần bị phản xạ trở lại (QR) còn một phần nó cho đi qua (QD). QQQQ DRA =++ Suy ra 1 Q Q Q Q Q Q Q Q DRA ==++ Hay A + R + D = 1 (2.3) Trong đó : A - là khả năng hấp thụ ( hệ số hấp thụ). - 12 - R - là khả năng phản xạ (hệ số phản xạ). D - là khả năng cho qua (hệ số cho qua). Dựa vào khả năng hấp thụ, phản xạ và cho qua đối với bức xạ nhiệt, ng−ời ta phân chia các vật thể ra nh− sau: + Vật đen tuyệt đối : A = 1; R = 0; D = 0. + Vật trắng tuyệt đối : A = 0; R = 1; D = 0. + Vật trong suốt : A = 0; R = 0; D = 1. + Vật xám : A + R = 1; D = 0. Trên thực tế không có vật đen tuyệt đối, tức là các vật hấp thụ hoàn toàn, không phản xạ và cũng không cho qua các tia nhiệt với mọi chiều dài b−ớc sóng đập tới nó. Ng−ời ta coi các vật thể hấp thụ hầu hết các tia nhiệt bức xạ tới nó và chỉ phản xạ một phần nhỏ là vật đen. Trong lò công nghiệp, hầu hết các vật liệu ở thể rắn và thể lỏng đ−ợc coi là vật xám (A+R=1), các sản phẩm cháy ở thể khí chỉ có khả năng hấp thụ và cho qua mà không có khả năng phản xạ ( R =0). b) Sự bức xạ và hấp thụ năng l−ợng bức xạ của vật đen tuyệt đối Mẫu vật đen tuyệt đối đ−ợc chế tạo bằng cách lấy một khối cầu rỗng làm bằng vật liệu hoàn toàn đục ( D=0) rồi khoét một lỗ nhỏ trên thành của nó, bất kỳ một tia nhiệt nào đi qua lỗ vào trong khối cầu đều bị hấp thụ hoàn toàn mặc dầu mặt trong của nó có khả năng phản xạ. a) b) Hình 2.1 Mẫu vật đen tuyệt đối a) Hấp thụ b) Bức xạ Bằng thực nghiệm và lý thuyết ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc các định luật về bức xạ của vật đen tuyệt đối nh− sau: + Định luật Plăng: xác lập quan hệ giữa c−ờng độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với chiều dài b−ớc sóng và nhiệt độ tuyệt đối của nó: - 13 - 1e .C I T C 5 1 2 − λ= λ − λ ; [ m.m W 2 ] (2.4) Trong đó: C1, C2 là các hằng số thực nghiệm. [W.m161 10.69,3C −= 2] [m.22 10.44,1C −≈ oK] + Định luật Stêphan-Bolzman: xác lập quan hệ giữa khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ tuyệt đối của nó: 4 0 0 0 Td.IE σ=λ= ∫∞ =π ; [ h.m Kcal 2 ] hay [W/m2] (2-5a) Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của vật, [oK]. σ0 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối: ; [80 10.7,5 −=σ 4o2 K.m W ] Công thức (2-5a) th−ờng đ−ợc viết d−ới dạng sau: 4 00 100 T CE ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ; [W/m2] hay [ h.m Kcal 2 ] (2.5b) 7,5C 0 = cũng đ−ợc gọi là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, [ 4o2 K.m W ] + Định luật Lăm-bec-ta: xác lập sự phân bố năng l−ợng bức xạ theo các h−ớng trong không gian. Theo định luật Lăm-béc-ta, mật độ tia bức xạ đi ra từ lỗ hở của mẫu vật đen tuyệt đối theo các h−ớng khác nhau thì khác nhau, nó tỉ lệ với cosin của góc ϕ là góc tạo thành bởi h−ớng nghiên cứu với pháp tuyến của mặt phẳng lỗ hở: ϕ=ϕ cosEE n (2.6) Trong đó: En, Eϕ là mật độ tia năng l−ợng theo h−ớng pháp tuyến và h−ớng nghiên cứu, ϕ là góc giữa h−ớng nghiên cứu và h−ớng pháp tuyến. + Định luật bình ph−ơng khoảng cách: mật độ tia bức xạ tỉ lệ nghịch với bình ph−ơng khoảng cách tới nguồn bức xạ: 2 1 r r E E = (2.7) - 14 - Trong đó: E1 là mật độ tia bức xạ ở khoảng cách một mét từ nguồn bức xạ, Er là mật độ tia bức xạ ở khoảng cách r mét tới nguồn bức xạ. c) Sự bức xạ và hấp thụ năng l−ợng bức xạ của vật xám Trong thực tế tính toán nhiệt trong các lò công nghiệp ng−ời ta thừa nhận bức xạ của các vật rắn và chất lỏng là bức xạ của vật xám và gọi là bức xạ xám. Đối với vật xám lý t−ởng, c−ờng độ bức xạ của nó chỉ khác với c−ờng độ bức xạ của vật đen tuyệt đối bởi một hệ số ε nào đó (ε < 1) ở cùng một nhiệt độ và b−ớc sóng. Bởi vậy, khả năng bức xạ của vật xám có thể xác định theo công thức: 4 00 TEE εσ=ε= (2.8a) Hay 44 0 100 T .C 100 T CE ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ε= (2.8b) Hệ số ε đ−ợc gọi là độ đen của vật xám, C đ−ợc gọi là hệ số bức xạ của vật xám. Nghiên cứu khả năng hấp thụ bức xạ của các vật thể nói chung và vật xám nói riêng, ng−ời ta thấy nếu một vật thể có khả năng hấp thụ năng l−ợng bức xạ mạnh thì nó cũng có khả năng bức xạ mạnh. Theo định luật Kiếc-khốp thì: Tỉ số giữa khả năng bức xạ của vật xám và khả năng hấp thụ của nó có giá trị đồng nhất với mọi vật xám và bằng khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ trên. 0 n n 2 2 1 1 E A E A E A E ==⋅⋅⋅== (2-9) So sánh (2.8a) và (2.9) ta thấy với vật xám, giá trị của hệ số hấp thụ A cũng bằng độ đen ε của nó. d) Sự bức xạ và hấp thụ năng l−ợng bức xạ của khí Trong các lò luyện kim, khói lò bao gồm các khí có một, hai hay nhiều nguyên tử, những khí có một hay hai nguyên tử nh− Ar, N2, O2, H2, CO ... có quang phổ bức xạ là những dải hẹp cho nên tổng năng l−ợng bức xạ của những khí này ở nhiệt độ cao không lớn lắm. Thực tế có thể coi những khí này hoàn toàn không bức xạ nhiệt và cũng không hấp thụ năng l−ợng bức xạ đi qua nó. Bởi vậy, không khí sạch có thể coi nh− vật hoàn toàn trong suốt. Những khí có ba hay nhiều nguyên tử có khả năng hấp thụ và bức xạ khá mạnh ở nhiệt độ cao. Trong các lò luyện kim, quan trọng nhất là sự bức xạ của khí CO2 và H2O, quang phổ của chúng trình bày trên hình 2.2. - 15 - Khí CO2: 2,36 - 3,02 àm; 4,01 - 4,08 àm; 12,5 - 16,3 àm. Hơi n−ớc : 2,24 - 2,27 àm; 4,80 - 8,5 àm; 12 -25 àm. IH2O ICO2 λ (àm) λ(àm) Hình 2.2 Quang phổ bức xạ của khí CO2 và H2O Năng l−ợng bức xạ của khí CO2 và H2O phụ thuộc vào áp suất riêng phần của khí (p), chiều dày có hiệu quả của lớp khí (Shq) và nhiệt độ, có thể xác định bằng công thức sau: 5,3 3 1 hqCO 100 T )pS.(1,4E 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ; [W/m2] (2.10) 3 6,0 hq 8,0 OH 100 T S.p.7,40E 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ; [W/m2] (2.11) Từ các công thức trên ta nhận thấy bức xạ nhiệt của khí CO2 và H2O không tuân đúng theo định luật Stêphan- Bôlzman. Tuy nhiên để tính toán đ−ợc thuận lợi ng−ời ta coi bức xạ của khí cũng tuân theo định luật Stêphan- Bôlzman nh−ng độ đen của chúng phụ thuộc nhiệt độ. 4 0kk 100 T CE ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ε= (2.12) Độ đen của khí εk xác định theo công thức: OHCOk 22 βε+ε=ε (2.13) Biểu đồ xác định , và β có dạng nh− trên hình 2.3. 2CO ε OH2ε Chiều dày có hiệu quả của lớp khí bức xạ tính theo công thức: F V4 S hq η= (2.14) Trong đó: - 16 - + η là hệ số đặc tr−ng cho phần năng l−ợng của khí đến bề mặt vật nung hay t−ờng lò. Th−ờng η = 0,9 - 0,95. + V là thể tích khối khí, m3. + F là diện tích bề mặt bao quanh khối khí, m2. 2COε hqOH S.p 2hqCO S.p 2 OH2ε OH2 p hqOH S.p 2 β toCtoC Hình 2.3 Biểu đồ tra 2CO ε , OH2ε và β e) Hệ số góc bức xạ Xét hai bề mặt tham gia trao đổi nhiệt có diện tích là F1 và F2, nếu từ bề mặt F1 bức xạ một năng l−ợng Q1 ra môi tr−ờng bao quanh thì chỉ một phần năng l−ợng bức xạ này đập tới bề mặt F2 và ng−ợc lại cũng vậy. Ng−ời ta gọi tỉ số giữa phần năng l−ợng bức xạ đập tới F2 (Q12) trên tổng năng l−ợng bức xạ của mặt F1 là hệ số góc bức xạ từ mặt F1 tới mặt F2, ký hiệu là ϕ12: 1 12 12 Q Q=ϕ (2-14a) T−ơng tự ta có hệ số góc bức xạ từ mặt F2 tới mặt F1 là: 2 21 21 Q Q=ϕ (2-14b) Hệ số góc bức xạ không phụ thuộc nhiệt độ, hệ số bức xạ, khoảng cách giữa hai mặt mà nó hoàn toàn đ−ợc xác định bởi các góc đặc tr−ng cho vị trí t−ơng đối giữa hai mặt trong không gian. D−ới đây là giá trị của số hệ số góc bức xạ trong một số tr−ờng hợp đơn giản (hình 2.4): - Tr−ờng hợp (a): Hai mặt phẳng song song có khoảng cách nhỏ. 12112 =ϕ=ϕ - 17 - - Tr−ờng hợp (b): Hai mặt cầu hoặc hai mặt trụ có khoảng cách bé so với chiều dài lồng nhau: 112 =ϕ và 2 1 21 F F=ϕ F1 F2 F1 F2 F1 F2F1 F2 a) b) c) d) Hình 2.4 Sơ đồ tính hệ số góc bức xạ giữa hai bề mặt - Tr−ờng hợp (c): Mặt cầu rỗng và mặt phẳng cắt nhau. 112 =ϕ và 2 1 21 F F=ϕ - Tr−ờng hợp (d): Hai mặt chỏm cầu tạo thành mặt cầu. 21 2 12 FF F +=ϕ và 21 1 21 FF F +=ϕ 2.1.2. Chế độ làm việc bức xạ phân bố đều a) Truyền nhiệt ở chế độ bức xạ phân bố đều ở chế độ bức xạ phân bố đều, dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung bằng dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới t−ờng và nóc lò (gọi chung là t−ờng lò). TN V N qq = Đặc tr−ng ồng đều của nhiệt độ và độ đen của ng Khi lò là quá trình trao đổ trao đổi nhiệt g trong quá trình tới, làm cho nhi trạng thái ổn địn của chế độ bức xạ phân bố đều là sự phân bố đuồn nhiệt trong toàn bộ thể tích không gian làm việc của lò. m việc ở chế độ phân bố đều, t−ờng lò đóng vai trò quan trọng trong i nhiệt. Có thể coi t−ờng lò nh− vật trung gian tham gia vào quá trình iữa nguồn nhiệt và vật nung. Do độ đen t−ờng lò khá lớn ( ), trao đổi nhiệt, t−ờng lò hấp thụ mạnh bức xạ nhiệt từ nguồn nhiệt đập ệt độ tăng lên và trở thành vật bức xạ truyền nhiệt tới vật nung. Khi ở h, nhiệt độ t−ờng lò càng cao thì l−ợng nhiệt bức xạ truyền từ t−ờng lò 6,0T >ε - 18 - tới vật nung càng lớn, nếu độ đen của ngọn lửa 1N =ε và tổn thất nhiệt qua t−ờng thì nhiệt độ t−ờng lò đạt cực đại và bằng nhiệt độ ngọn lửa: 0q tt = NT TT = Trong thực tế, do 1N <ε và tổn thất nhiệt qua t−ờng nên nhiệt độ t−ờng th−ờng nằm trong khoảng giữa nhiệt độ vật nung và nhiệt độ ngọn lửa: 0q tt > NTV TTT << Độ đen của nguồn nhiệt cũng ảnh h−ởng lớn tới hiệu quả truyền nhiệt tới vật nung, khi tăng hiệu quả truyền nhiệt tăng. Nε b) Chọn nhiên liệu và ph−ơng pháp đốt Chế độ làm việc bức xạ phân bố đều đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các lò nhiên liệu. Tiêu chuẩn quan trọng để chọn nhiên liệu khi lò làm việc ở chế bức xạ phân bố đều là khả năng tạo ra ngọn lửa có độ sáng cao ( Nε lớn). Do vậy, nhiên liệu thích hợp là các loại nhiên liệu khí chứa nhiều cacbuahydro (CH4, CmHn), nhiên liệu lỏng và nhiên liệu bụi. Với các nhiên liệu chứa nhiều cacbuahydro, khi cháy cacbuahydro phân hủy tạo ra một l−ợng lớn hạt cacbon có độ sáng cao làm cho ngọn lửa có độ sáng cao. Về ph−ơng pháp đốt, do độ sáng của ngọn lửa bao giờ cũng cao hơn độ sáng của sản phẩm cháy nên khi điều kiện công nghệ cho phép, cần kết hợp quá trình đốt cháy và quá trình trao đổi nhiệt trong cùng một không gian làm việc của lò. Mặt khác, phải tạo điều kiện tốt nhất cho quá trình cacbon hóa tự nhiên của ngọn lửa trong quá trình cháy. Nung nóng tr−ớc nhiên liệu và không khí làm tăng khả năng các bon hóa tự nhiên, còn hòa trộn tr−ớc khí đốt và không khí lại cản trở sự cacbon hoá. c) Cơ học khí Đối với chế độ bức xạ phân bố đều, một yêu cầu quan trọng là phải tạo sự đồng nhất của tr−ờng nhiệt độ và độ sáng của khí lò. Để đạt đ−ợc điều đó, th−ờng dùng nhiều mỏ đốt công suất nhỏ và bố trí sao cho tạo ra sự xáo trộn mạnh giữa ngọn lửa và sản phẩm cháy. Các miệng kênh khói cần bố trí hợp lý để không hình thành các góc chết (tại đó khí lò không l−u thông), không đ−ợc bố trí miệng kênh khói đối diện với mỏ đốt khi khoảng cách giữa chúng không đủ lớn. 2.1.3. Chế độ làm việc bức xạ trực tiếp a) Truyền nhiệt ở chế độ bức xạ trực tiếp - 19 - ở chế độ bức xạ trực tiếp, dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung lớn hơn dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới t−ờng và nóc lò. TN V N qq > Đặc tr−ng của chế độ bức xạ trực tiếp là sự phân bố không đồng đều của tr−ờng nhiệt độ và độ đen của nguồn nhiệt trong không gian làm việc của lò. Vùng gần bề mặt vật nung là vùng có nhiệt độ và độ sáng cao, vùng gần t−ờng và nóc lò là vùng có nhiệt độ và độ sáng thấp. Trong lò nhiên liệu, vùng có nhiệt độ cao chính là vùng chứa ngọn lửa, giữa ngọn lửa và vật nung, cũng nh− giữa ngọn lửa và t−ờng lò là lớp sản phẩm cháy có nhiệt độ thấp. Khi dòng nhiệt từ vùng ngọn lửa có nhiệt độ cao đi qua lớp khí có nhiệt độ thấp, bị các lớp khí này hấp thụ một phần nên c−ờng độ của nó giảm. - Vai trò của t−ờng lò: Trong chế độ này, nhiệt độ t−ờng lò thấp và t−ờng lò có chức năng công tác nhiệt nhẹ hơn so với chế độ bức xạ phân bố đều. - Vai trò của ngọn lửa: hiệu quả trao đổi nhiệt phụ thuộc nhiệt độ và độ sáng của vùng nhiệt độ cao (ngọn lửa), độ đen của lớp có nhiệt độ thấp (sản phẩm cháy). Khi nhiệt độ cực đại của ngọn lửa ở chế độ bức xạ trực tiếp bằng nhiệt độ ngọn lửa ở chế độ bức xạ phân bố đều thì nhiệt độ trung bình của nó thấp hơn. Do vậy, để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt cần nâng cao nhiệt độ cực đại của ngọn lửa. Việc tăng độ sáng của lớp có nhiệt độ cao và giảm độ đen của lớp có nhiệt độ thấp làm tăng tính định h−ớng bức xạ về phía vật nung. b) Chọn nhiên liệu Chế độ làm việc bức xạ trực tiếp th−ờng dễ dàng thực hiện trong các lò nhiên liệu. Để tạo ra ngọn lửa có độ sáng cao, nhiên liệu phải có khả năng cacbon hóa cao, do đó nhiên liệu thích hợp là các loại nhiên liệu khí chứa nhiều cacbuahydro, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu bụi. c) Cơ học khí và ph−ơng pháp đốt Về ph−ơng pháp đốt, cần đốt nhiên liệu sao cho tạo ra ngọn lửa tập trung chủ yếu trong vùng nhiệt độ cao, trong vùng nhiệt độ thấp chủ yếu chứa sản phẩm cháy. Chuyển động của khí trong lò không gây ra sự xáo trộn giữa hai vùng. Do vậy, th−ờng chọn thiết bị đốt có công suất lớn, số l−ợng ít, các thiết bị đốt đ−ợc bố trí về một bên, h−ớng ngọn lửa về gần bề mặt nung, miệng kênh khói bố trí đối diện với thiết bị đốt, tạo ra dòng chuyển động thẳng của khí trong lò là tốt nhất. d) Lĩnh vực ứng dụng - 20 - Chế độ bức xạ trực tiếp đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong các lò nấu chảy nh− lò luyện thép, lò nấu gang, lò nấu thuỷ tinh Chế độ bức xạ trực tiếp cũng đ−ợc dùng trong các lò nung để nung vật mỏng cũng nh− vật dày, tuy nhiên khi nung vật dày hiệu quả thấp hơn chế độ bức xạ phân bố đều. 2.1.4. Chế độ làm việc bức xạ gián tiếp a) Truyền nhiệt ở chế độ bức xạ gián tiếp, dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới bề mặt vật nung bé hơn dòng nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới t−ờng và nóc lò. TN V N qq < Đặc tr−ng của chế độ bức xạ trực tiếp là sự phân bố không đồng đều của tr−ờng nhiệt độ và độ đen của nguồn nhiệt trong không gian làm việc của lò. Vùng gần bề mặt t−ờng, nóc lò có nhiệt độ và độ sáng cao, vùng gần bề mặt vật nung có nhiệt độ và độ sáng thấp. Dòng nhiệt từ nguồn nhiệt chủ yếu tập trung lên nóc lò và t−ờng lò, chuyển thành bức xạ xám truyền đến vật nung. Để thực hiện chế độ bức xạ trực tiếp ng−ời ta sử dụng các ph−ơng pháp sau: - Trong các lò nhiên liệu, h−ớng thiết bị đốt về phía t−ờng và nóc lò, tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ và độ sáng cao nằm gần t−ờng và nóc lò, vùng gần vật nung chứa sản phẩm cháy có nhiệt độ và độ sáng thấp. - Dùng các thiết bị đốt có mặt gốm đặt ở nóc lò tạo ra bề mặt bức xạ. Trong tr−ờng hợp này, hỗn hợp khí đốt và không khí đ−ợc hòa trộn tr−ớc và đ−ợc đốt cháy c−ỡng bức ngay trên mặt gốm làm cho bề mặt gốm bị nung lên đến nhiệt độ gần nhiệt độ cháy của nhiên liệu, đồng thời bề mặt nóc lò cũng bị nung nóng lên nhiệt độ cao tạo nên bề mặt bức xạ, dòng nhiệt bức xạ qua lớp khí trong lò đập tới vật nung. - Dùng t−ờng và nóc lò có bề mặt phản xạ cao ( 97,095,0R −= ), khi đó hầu hết luồng nhiệt đập tới t−ờng và nóc lò bị phản xạ tới bề mặt vật nung. Trong chế độ bức xạ gián tiếp, vai trò công tác nhiệt của t−ờng và nóc lò nặng hơn nhiều so với các chế độ trên. Độ phát triển của t−ờng lò V T F F=ω ảnh h−ởng lớn đến hiệu quả truyền nhiệt, còn chiều cao lò ít ảnh h−ởng hơn. b) Chọn nhiên liệu Với lò làm việc ở chế độ bức xạ gián tiếp, yêu cầu độ đen của sản phẩm cháy phải thấp và nhiệt độ cực đại của ngọn lửa phải cao nên nhiên liệu thích hợp là các loại - 21 - nhiên liệu khí có nhiệt trị cao (th−ờng trên 16.000 kj/m3) hoặc là nhiên liệu lỏng thuộc nhóm nhẹ. c) Cơ học khí và ph−ơng pháp đốt Về cơ học khí, ở chế độ bức xạ trực tiếp, cần tạo ra các luồng ngọn lửa có hoạt lực đủ lớn để tạo nên vùng có nhiệt độ cao và độ sáng lớn đồng đều sát nóc lò, nh−ng không đ−ợc quá lớn để tránh sự xáo trộn giữa vùng này với lớp khí sát vật nung. Để đạt đ−ợc yêu cầu trên, về ph−ơng pháp đốt, ng−ời ta dùng các mỏ đốt có tốc độ phun nhỏ (khi đốt nhiên liệu khí), mỏ phun thấp áp hoặc mỏ phun có biến bụi cơ học (khi đốt nhiên liệu lỏng), bố trí thiết bị đốt tập trung ở phần trên của lò và h−ớng ngọn lửa về phía bề mặt nóc lò. Miệng các kênh khói bố trí đều ở phần d−ới của lò trong vùng tuần hoàn của lớp khí có nhiệt độ thấp. d) Lĩnh vực ứng dụng Lò làm việc ở chế độ gián tiếp đ−ợc sử dụng trong nhiều công nghệ khác nhau trừ hai tr−ờng hợp sau: - Khi nung các vật nung dày mà vật nung đ−ợc xếp đầy không gian lò (ví dụ lò nung ngói, nung gạch). - Khi nhiệt độ yêu cầu của vật nung gần bằng nhiệt độ làm việc tối đa của gạch xây t−ờng lò và nóc lò. 2.1.5. Tính toán trao đổi nhiệt bức xạ Ta xét tr−ờng hợp trao đổi nhiệt trong lò có sơ đồ trình bày trên hình 2.5, với giả thiết: T VQ T KQ T TQ V KQ V TQ Hình 2.5 Sơ đồ trao đổi nhiệt trong lò + Nhiệt độ mặt t−ờng và vật nung có giá trị đồng nhất là TT và TV. + Độ đen của t−ờng và v...ung chọn không hợp lý có thể dẫn đến kim loại bị quá nhiệt hoặc cháy làm giảm chất l−ợng sản phẩm hoặc gây ra phế phẩm. 3.1.3. Chế độ nung khi nung kim loại Chế độ nung quyết định c−ờng độ nung kim loại, th−ờng đ−ợc thể hiện qua các giản đồ nung, biểu hiện sự thay đổi nhiệt độ của lò, nhiệt độ kim loại theo thời gian. Chọn chế độ nung hợp lý không những nâng cao chỉ tiêu kỹ thuật, chất l−ợng sản phẩm mà còn làm tăng đáng k hiệu quả kinh tế. Tuỳ thuộc tính chất kim loại, hình dáng, k sau khi nung, ng−ời ta có thể ứng dụng nhiều ch trình bày một số giản đồ nung với các chế độ nun toC toC III tm tt τ tm tt I tktk a) b) Hình 3.1 Giản đồ a) Nung 1 giai đoạn b) Nung 2 gi - Giản đồ hình 3.1a: giản đồ nung một giai đo mỏng hoặc các vật nung trung bình có hệ số dẫn - Giản đồ hình 3.1b: giản đồ nung hai giai đo trung bình có hệ số dẫn nhiệt khá lớn (trở nhiệt t mặt và tâm cho phép sau khi nung khá lớn. - 44 -ích th−ớc cũng nh− nhiệt độ yêu cầu ế độ nung khác nhau. Trên hình 3.1 g điển hình. toC τ I II III tk tm tt c) nung ai đoạn c) Nung 3 giai đoạn ạn th−ờng áp dụng cho các vật nung nhiệt lớn (trở nhiệt bé). ạn th−ờng áp dụng cho các vật nung rung bình) và độ chênh lệch nhiệt độ ể - Giản đồ hình 3.1c: giản đồ nung ba giai đoạn có giai đoạn giữ nhiệt, áp dụng cho các vật nung dày, có hệ số dẫn nhiệt thấp (trở nhiệt cao) và độ chênh lệch nhiệt độ mặt và tâm cho phép sau khi nung bé. Khi xây dựng các giản đồ nung, nếu chúng ta chọn nhiệt độ lò cao, c−ờng độ nung lớn, giảm đ−ợc thời gian nung, giảm đ−ợc cháy hao kim loại nh−ng dễ gây ra nứt (nhất là giai đoạn khi nhiệt độ vật nung còn thấp) và quá nhiệt kim loại. Ng−ợc lại, chọn nhiệt độ lò thấp, c−ờng độ nung bé, thời gian nung kéo dài, tăng oxy hoá (nhất là khi ở nhiệt độ cao) và giảm năng suất. 3.2. Tính toán thời gian nung 3.2.1. Các điều kiện giới hạn khi nung Tính toán quá trình nung kim loại liên quan tới việc giải ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt dẫn nhiệt (ph−ơng trình Phu-ri-ê) có dạng: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂=τ∂ ∂ 2 2 2 2 2 2 z t y t x t a t (3.1) Trong đó a là hệ số truyền nhiệt độ: ρ λ= c a [m2/s] (3.2) Nghiệm của ph−ơng trình (3.1) xác lập mối quan hệ giữa sự thay đổi của nhiệt độ của vật thể theo thời gian và không gian: ),z,y,x(ft τ= (3.3) Nghiệm cụ thể của ph−ơng trình phụ thuộc vào các điều kiện giới hạn: trạng thái nhiệt độ ban đầu của vật thể (gọi là điều kiện ban đầu), kích th−ớc hình học của vật thể và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể với môi tr−ờng chung quanh (gọi là điều kiện biên). a) Điều kiện ban đầu : là điều kiện giới hạn về thời gian, xác định sự phân bố nhiệt độ vật thể tại thời điểm ban đầu τ = 0, biểu thị bởi hàm số có dạng: tđ = f(x, y, z, 0) (3.4) Tr−ờng hợp đơn giản nhất là tr−ờng hợp nhiệt độ ban đầu của vật thể ở mọi điểm là nh− nhau: tđ = t0 = const. Đối với trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ ban đầu của vật thể không ảnh h−ởng đến sự phân bố nhiệt độ của vật thể nên điều kiện giới hạn về thời gian không cần chú ý đến. - 45 - b) Điều kiện biên: là điều kiện giới hạn về không gian, đ−ợc chia ra ba tr−ờng hợp: - Điều kiện biên loại 1: cho chế độ nhiệt độ của bề mặt vật thể, nghĩa là cho biết nhiệt độ bề mặt của vật thể thay đổi nh− thế nào theo thời gian: tm = f(τ). (3.5) Ví dụ nhiệt độ bề mặt vật thể tăng theo hàm số bậc nhất: tm = Cnτ hay tm = tđ + Cnτ (3.6) Trong đó Cn là tốc độ nung [ oC/s]. - Điều kiện biên loại 2: cho tr−ớc dòng nhiệt đi qua mặt vật thể. q = f(τ) hay q = const. (3.7) - Điều kiện biên loại 3: Cho chế độ nhiệt độ của nguồn nhiệt và quy luật truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật thể. tlò = f(τ) hay tlò = const (3.8) Và ( )mlò ttq −α= hay ( )4m4lò0 TTCq −= 3.2.2. Ph−ơng pháp tính Trong tr−ờng hợp tổng quát, việc xác định thời gian nung bằng ph−ơng pháp giải giải tích ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt kết hợp với các điều kiện giới hạn th−ờng rất phức tạp và gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, trong những tr−ờng hợp đơn giản nh− vật nung có dạng hình học đơn giản (hình tấm, hình trụ, hình cầu) và với những giả thiết gần đúng, cho phép ta giải bài toán với độ chính xác chấp nhận đ−ợc. D−ới đây khảo sát một số tr−ờng hợp điển hình khi tính toán thời gian nung kim loại trong lò. a) Phân loại vật nung Để tính toán ng−ời ta phân vật nung thành hai loại: vật mỏng và vật dày. Các vật nung đ−ợc coi là vật mỏng là những vật có trở nhiệt bé (tỉ số giữa chiều dày và hệ số dẫn nhiệt )0 x →λ , đó là các vật mà vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất lớn ( ) hoặc chiều dày của vật bé ( ). Khi đó nhiệt độ vật gần nh− đồng nhất trong toàn bộ vật thể và chỉ phụ thuộc thời gian: ∞→λ 0x → )(ft τ= Các vật dày là những vật có trở nhiệt lớn ( →λ x có giá trị đáng kể), nhiệt độ vật nung phụ thuộc toạ độ điểm khảo sát và thời gian: - 46 - ),z,y,x(ft τ= Khi đó không thể bỏ qua chênh lệch nhiệt độ giữa mặt và tâm trong quá trình nung. Trong tính toán, ng−ời ta th−ờng dùng tiêu chuẩn Bi (tiêu chuẩn Bi-ô) để xác định giới hạn giữa vật mỏng và vật dày: λ α= xBi (3.9) Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt [W/m2.độ]. λ - hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ]. x - tọa độ điểm khảo sát [m]. Khi giá trị Bi 0,5 gọi là vật dày, còn với giá trị Bi = 0,25 - 0,5 đ−ợc coi là vật trung bình nh−ng trong tính toán th−ờng tính toán theo vật dày. b) Tính thời gian nung các vật mỏng Để tính toán thời gian nung đối với các vật mỏng với điều kiện biên loại 3, ng−ời ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, ứng với mỗi giai đoạn coi nhiệt độ lò và nhiệt độ vật không đổi và lấy bằng giá trị trung bình. Tổng thời gian nung xác định theo công thức: [h] (3.10) ∑ = τ=τ n 1i ni Khi đó thời gian nung với mỗi giai đoạn tính theo công thức: ( tdtci FFk cx −α ρ=τ ) [h] (3.11) Trong đó: x - chiều dày quy dẫn [m]. ρ - khối l−ợng riêng của vật liệu, [kg/m3]. c- nhiệt dung của vật liệu [Kcal/kg.oC]. k - hệ số hình dạng, ví dụ đối với dạng tấm k = 1, dạng trụ k = 2. α - hệ số trao đổi nhiệt bề mặt [Kcal/m2.h.oK4]. Ftđ, Ftc - thông số nhiệt độ, tra theo biểu đồ (hình 3.2 và 3.3) ứng với nhiệt độ đầu và cuối giai đoạn. Các thông số vật lý trong biểu thức chọn theo nhiệt độ trung bình. - 47 - Ft tk oC Hình 3.2 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi tk <1000 oC tk oC Ft Hình 3.3 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi tk >1000 oC c) Tính thời gian nung các vật dày Để tính toán với vật nung đ−ợc coi là vật dày, ng−ời ta ứng dụng rộng rãi các ph−ơng trình tiêu chuẩn đ−ợc thiết lập trên cơ sở của lý thuyết đồng dạng. Khi đó ph−ơng trình vi phân truyền nhiệt đ−ợc viết lại d−ới dạng ph−ơng trình của các tiêu chuẩn đồng dạng là những đại l−ợng không thứ nguyên. Đối với vật nung đơn giản và điều kiện biên loại ba, ph−ơng trình có dạng: - 48 - ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ϑ ϑ=φ τ 00 x x ,Fo,BiF (3.12) Trong đó 0ϑ ϑ=φ τ thông số nhiệt độ t−ơng đối, xác định theo công thức (3.13): ovk vk 0 tt tt τ ττ − −=ϑ ϑ=φ (3.13) - nhiệt độ trung bình của khí lò [kt oC]. - nhiệt độ của điểm khảo sát trên vật nung tại thời điểm τ [τvt oC]. ovt τ - nhiệt độ ban đầu của điểm khảo sát trên vật nung [ oC]. Fo- tiêu chuẩn Fu-ri-ê: 2x a Fo τ= (3.14) 0x x - tọa độ t−ơng đối của điểm khảo sát, khi 0 x x 0 = thì điểm khảo sát ở tâm vật thể, 1 x x 0 = thì điểm khảo sát ở trên bề mặt vật thể. Bằng tính toán lý thuyết và thực nghiệm, ng−ời ta xây dựng các biểu đồ biểu thị quan hệ giữa các tiêu chuẩn (ph−ơng trình 3.12) ứng với các tr−ờng hợp khác nhau. Trên các hình (3.4 - 3.7) giới thiệu biểu đồ tính toán ứng với vật nung dạng tấm và dạng trụ. Hình 3.4 Nhiệt độ t−ơng đối của bề mặt vật khi vật nung dạng tấm - 49 - Hình 3.5 Nhiệt độ t−ơng đối của tâm vật khi vật nung dạng tấm Hình 3.6 Nhiệt độ t−ơng đối của mặt vật khi vật nung dạng trụ Thời gian nung vật dày gồm thời gian nung cơ bản và thời gian giữ nhiệt, để tính toán ng−ời ta cũng chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, trong mỗi giai đoạn nhiệt độ khí lò và nhiệt độ kim loại đ−ợc coi nh− không đổi và lấy bằng nhiệt độ trung bình. Khi đó tổng thời gian nung xác định bởi công thức: (3.15) gn 1n 1i ni τ+τ=τ ∑− = Trong đó: n - số giai đoạn nung và giữ nhiệt. - 50 - τni - thời gian nung cơ bản ứng với giai đoạn thứ i. τgn - thời gian giữ nhiệt với mục đích làm đồng đều nhiệt độ giữa tâm và mặt Hình 3.7 Nhiệt độ t−ơng đối của tâm vật khi vật nung dạng trụ Để tính thời gian nung cơ bản, ta tiến hành tính toán cho từng giai đoạn. Trong mỗi giai đoạn, dựa vào nhiệt độ trung bình của kim loại, lấy gần đúng theo nhiệt độ trung bình của mặt vật 2 tt t c m d m i += , xác định các thông số vật lý của vật liệu, tính tiêu chuẩn Bii, nhiệt độ t−ơng đối bề mặt φm,i và tra biểu đồ ( )mm ,BiFFo φ= để xác định tiêu chuẩn Foi. Biết giá trị của Foi, tính đ−ợc thời gian nung: i 2 0i i,n a x.Fo=τ (3.16) Sau đó dùng giản đồ , xác định đ−ợc ( iit Fo,BiF=φ ) i,tφ và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn theo công thức: i,t d i,ti,ki,k c i,t )tt(tt φ−−= (3.17) Để tính thời gian giữ nhiệt, tr−ớc hết cần xác định độ chênh nhiệt độ cho phép giữa mặt và tâm cuối giai đoạn giữ nhiệt: [ ] (3.18) 0ctcmc x.tttt δ=−=∆ - 51 - Trong đó tδ là độ chênh nhiệt độ cho phép trên một đơn vị chiều dày [oC/cm], x0 chiều dày truyền nhiệt [cm]. Nếu đầu giai đoạn giữ nhiệt (cuối giai đoạn nung cuối cùng) độ chênh nhiệt độ mặt và tâm [ cd tt ]∆>∆ ta phải tính thời gian giữ nhiệt. Giả thiết nhiệt độ tâm khi kết thúc giữ nhiệt yêu cầu bằng , xác định nhiệt độ mặt tấm: c tt (3.19) c c t c m ttt ∆+= Biết , và , tính đ−ợc Bi và φdmt dtt cmt m, tra biểu đồ ( )mm ,BiFo φ= để xác định giá trị của Fo và tính τgn. 1 2 6 1 2 3 4 5 2 0x aτ 0,2 0,4 0,60 0,4 0,8 0,12 Fo = c c t t ∆ ∆ Hình 3.8 Biểu đồ tra Fo khi giữ iệt 1) Dạng tấm. 2-5) Dạng thỏi (khi B/S=2;1,5;1 Để tính thời gian giữ nhiệt τgn khi tm= const, cũng thực nghiệm đối với mỗi dạng vật nung: - Đối với dạng tấm: 2 0 gn x a 4,2 d c e.03,1 t t τ− =∆ ∆ - Đối với dạng trụ: 2 0 gn r a 76,5 d c e.142,1 t t τ− =∆ ∆ Hoặc 2 0 gn 2 gn r a 25,8 h a 47,2 d c e.142,1 t t τ−τ− =∆ ∆ khi r0 <0,5 Trong đó: r0, h là bán kính và chiều dài thỏi hình trụ [m]. - 52 -nh ,2;1) 6) Dạng trụ có thể sử dụng ph−ơng trình (3.20) 7 (3.21) h. Hoặc sử dụng biểu đồ hình 3.8, khi đó: a x.Fo 20=τ (3.22) Đối với vật nung dạng thỏi, Fo phụ thuộc vào tỉ lệ giữa bề rộng thỏi (B) và chiều dày truyền nhiệt (S). 3.3. Ví dụ tính thời gian nung Ta xét tr−ờng hợp vật nung bằng thép C20 dạng tấm, chiều dày 2x0 =200 mm, tđ = 20oC, nhiệt độ nung yêu cầu tt,c = 1200 oC, nung đối xứng 2 mặt. Giản đồ nung biểu thị trên hình 3.9 gồm 2 giai đoạn nung và một giai đoạn giữ nhiệt. - Giai đoạn 1: nung từ 20 - 1000oC, có hệ số bức xạ quy dẫn C1 = 2,92 Kcal/m 2.h.oK4. - Giai đoạn 2: nung từ 1000 - 1200oC, có hệ số bức xạ quy dẫn C2 = 2,57 Kcal/m2.h.oK4. - Giai đoạn 3: giữ nhiệt, có hệ số bức xạ quy dẫn C3 = 2,34 Kcal/m 2.h.oK4. tm0=tto=20 30t3 =∆ tk1 =1350 tm tt tt2 tt1 tm2=1200 tk3 =1250 tm1=1000tk0 =1000 toC τ τn 1 τn 2 τgn Hình 3. 9 Giản đồ nung a) Giai đoạn nung 1: - Nhiệt độ trung bình của khí lò: 1175 2 13501000 2 tt t 1k0k1k =+=+= [oC] - Nhiệt độ trung bình của kim loại: 510 2 100020 2 tt t 1m0m1 =+=+= [oC] - 53 - Tra bảng ta có: 76951 =ρ [kg/m3], 8,331 =λ [Kcal/m.h.oC], 134,0c1 = [Kcal/kg.oC] và tính đ−ợc a1 = 0,033 [m2/h]. - Hệ số truyền nhiệt bức xạ: 176 7831448 100 783 100 1448 .92,2 TT 100 T 100 T C 44 11k 4 1 4 1k 1 bx,1 =− ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =− ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =α [Kcal/m2.h.oK4] Lấy , ta tính đ−ợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng: bx,1dl,1 .1,0 α=α 194176.10,1.10,1 bx,1dl,1bx,11 ==α=α+α=α [Kcal/m2.h.oK4] - Tính tiêu chuẩn Bi: 57,0 8,33 1,0.194x. Bi 1 01 1 ==λ α= Bi1 = 0,57 >Bith, vật nung coi là vật dày. - Tính nhiệt độ t−ơng đối của mặt tấm: 15,0 2931448 10001448 TT TT 0m1k 1m1k 1m =− −=− −=φ - Tính thời gian nung giai đoạn 1: Biết Bi1 = 0,57, φm1 = 0,15 tra biểu đồ ( )1m1m ,BiFo φ= xác định đ−ợc và tính đ−ợc thời gian nung: 4,3Fo1 = 04,1 33,0 1,0.4,3 a x.Fo 2 1 2 01 1n ===τ [h] - Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: Biết Bi, Fo tra biểu đồ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=φ 0 0t x x ,F,Bi xác định đ−ợc 2,01t =φ và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: 9442,0).201175(1175).tt(tt 1t0t1k1k1t =−−=φ−−= [oC] b) Giai đoạn nung 2: - Nhiệt độ trung bình của khí lò: 1350t 2k = [oC] - Nhiệt độ trung bình của kim loại: - 54 - 1100 2 12001000 2 tt t 2m1m2 =+=+= [oC] Tra bảng ta có: [kg/m76962 =ρ 3], 5,242 =λ [Kcal/m.h.oC], 165,0c2 = [Kcal/kg.oC] và tính đ−ợc a2 = 0,02 [m2/h]. - Hệ số truyền nhiệt bức xạ: 348 13731623 100 1373 100 1623 .57,2 TT 100 T 100 T C 44 22k 4 2 4 2k 2 bx,2 =− ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =− ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =α [Kcal/m2.h.oK4] Lấy , ta tính đ−ợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng: bx,1dl,2 .05,0 α=α 365348.05,1.05,1 bx,1dl,1bx,11 ==α=α+α=α [Kcal/m2.h.oK4] - Tính tiêu chuẩn Bi: 49,1 5,24 1,0.365x. Bi 2 02 2 ==λ α= - Tính nhiệt độ t−ơng đối của mặt tấm: 43,0 12731623 14731623 TT TT 1m2k 2m2k 2m =− −=− −=φ - Tính thời gian nung giai đoạn: Biết Bi2 = 1,49, φm2 = 0,43 tra biểu đồ ( )2m2m ,BiFo φ= xác định đ−ợc 5,0Fo2 = và tính đ−ợc thời gian nung: 25,0 02,0 1,0.5,0 a x.Fo 2 2 2 02 2 ===τ [h] - Xác định nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: Biết Bi2, Fo2 tra biểu đồ xác định đ−ợc ( 22t Fo,Bi=φ ) 6,02t =φ và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: 11066,0).9441350(1350).tt(tt 2t1t2k2k2t =−−=φ−−= [oC] c) Tính thời gian giữ nhiệt - Nhiệt độ trung bình của khí lò: 1250t 3k = [oC] Độ chênh nhiệt độ giữa mặt và tâm cho phép 3oC/cm: - 55 - [30x.tt 03 =δ=∆ oC] Tỉ số 32,0 94 30 t t d c ==∆ ∆ , tra biểu đồ (3.8) nhận đ−ợc Fo = 0,5, tính đ−ợc: 23,0 022,0 1,0.5,0 a x.Fo 2 3 2 03 gn ===τ [h]. Vậy thời gian nung tổng cộng: 52,123,025,004,1gn21 =++=τ+τ+τ=τ [h] - 56 - Ch−ơng 4 Nhiên liệu và sự cháy của nhiên liệu 4.1. Nhiên liệu 4.1.1. Khái niệm chung Nhiên liệu là loại vật chất mà khi cháy tỏa ra một l−ợng nhiệt lớn, l−ợng nhiệt này có thể sử dụng một cách có hiệu quả trong công nghệ cũng nh− trong đời sống. Nhiên liệu phải thoả mãn các yêu cầu chung sau đây: + Sản phẩm cháy của nhiên liệu phải ở thể khí. Khi đó, sản vật cháy mới có thể chuyển động thuận lợi trong lò, truyền nhiệt cho vật nung và thoát ra ngoài dễ dàng để phản ứng cháy của nhiên liệu tiếp tục xẩy ra. + Sản phẩm cháy không gây tác động có hại đối với vật liệu gia công, không phá hủy thiết bị, không độc hại đối với ng−ời và sinh vật xung quanh. + Có thể khống chế đ−ợc quá trình cháy. + Trữ l−ợng lớn và giá thành khai thác, chế biến thấp. Từ các yêu cầu chung ở trên, ta thấy chỉ những chất có nguồn gốc hữu cơ, gồm các bon và hyđrô tạo thành, mới có thể thoả mãn đồng thời các yêu cầu đó. Các bon và hyđrô khi bị oxy hoá đều có hiệu ứng nhiệt lớn, sản phẩm cháy ở thể khí và với nồng độ không lớn là loại khí không độc hại. 4.1.2. Các loại nhiên liệu a) Phân loại - Căn cứ vào nguồn gốc hình thành, nhiên liệu đ−ợc phân ra: thiên nhiên, nhân tạo. - Căn cứ vào trạng thái, nhiên liệu đ−ợc phân ra: nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu khí. Các loại nhiên liệu đ−ợc sử dụng trong công nghiệp trình bày ở bảng 4.1. Bảng 4.1 Phân loại nhiên liệu sử dụng trong công nghiệp Trạng thái Nguồn gốc Thiên nhiên Nhân tạo Rắn Củi, gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than ăngtraxit, ... Than củi, than cốc, than bụi,.. Lỏng Dầu mỏ ét xăng, dầu hoả, mazut,... Khí Khí đốt thiên nhiên Khí đốt lò cốc, khí lò cao, khí lò sinh khí,... - 57 - b) Nhiên liệu rắn - Nhiên liệu rắn thiên nhiên: gồm các loại gỗ, than bùn, than nâu, than khói, than antraxit. Gỗ: Thành phần chủ yếu của gỗ là xen-luy-lô, n−ớc và một số oxyt kim loại kiềm. Thành phần nguyên tố của gỗ nh− sau: %C = 49,4 ữ 50,4; %H = 5,9 ữ 6,1; %O = 42,7 ữ 43,9; %N = 0,7 ữ 1. Nhiệt trị Qd = 1.878 ữ 4.460 Kcal/kg. Gỗ có hàm l−ợng chất bốc cao (khoảng 80 %) dễ cháy, không chứa l−u huỳnh, hàm l−ợng tro nhỏ (A = 0,7 ữ 1,2 %), nh−ợc điểm của gỗ là chứa nhiều n−ớc (gỗ t−ơi W = 40 ữ 60 %, gỗ khô W = 30%), nhiệt trị của gỗ thấp ( khi w = 50 %, Qd =1878 Kcal/kg), khối l−ợng thể tích nhỏ nên chi phí vận chuyển cao. Gỗ là loại nhiên liệu đ−ợc dùng nhiều tr−ớc đây, song hiện nay gỗ là nguồn nguyên liệu có giá trị của nhiều ngành công nghiệp khác nên rất hạn chế dùng để làm nhiên liệu. Than bùn: là loại than trẻ tuổi nhất vừa chuyển từ thực vật sang, chứa nhiều n−ớc, mới khai thác W = 85 ữ 91 %, phơi khô kỹ vẫn còn W = 30 ữ 40 %, khối l−ợng thể tích nhỏ 325 ữ 425 kg/m3. Thành phần nguyên tố trung bình của than: %Cc = 57,8; %Hd =6,0; %O = 33,4; %Nc = 2,5; %Sc =0,3; %Ak = 9,7. Nhiệt trị Qd = 2.660 ữ 2.940 Kcal/kg. Than bùn có −u điểm: dễ bốc cháy, chứa ít l−u huỳnh, dễ khí hóa. Nh−ợc điểm: khối l−ợng thể tích nhỏ, độ bền cơ học thấp, nhiệt trị thấp, điểm chảy của tro thấp. Than bùn chủ yếu dùng trong công nghiệp địa ph−ơng, gần nơi khai thác. Than nâu: than nâu do than bùn trải qua một thời kỳ biến đổi tạo thành, quá trình chuyển biến từ thực vật sang khoáng vật đã hoàn thành. Thành phần nguyên tố của than nâu: %Cc = 72 ữ 78 ; %Hd = 4,4ữ 5,6; %O = 15 ữ 21; %Nc = 1,3 ữ 1,5; %Sc = 0,4; %Ak = 11 ữ 30; %Wd = 35 - 50. Nhiệt trị Qd = 2.660 ữ 4.100 Kcal/kg. So với than bùn, than nâu có thành phần các bon cao hơn, khối l−ợng thể tích từ 800 ữ 900 kg/m3, độ bền cơ học cao hơn, hút n−ớc ít hơn, thành phần chất bốc thấp hơn. Than nâu có thể đ−ợc dùng làm nhiên liệu cho các lò nhiệt độ không cao, khí hoá để sản xuất khí đốt. - 58 - Than khói: Quá trình các bon hoá của than hoàn thiện hơn, độ hút n−ớc của than bé, l−ợng chất bốc giảm, độ bền cơ học cao hơn. Theo công dụng than khói đ−ợc phân ra: than lửa dài, than khí đốt, than béo, than luyện cốc, than gầy. Than lửa dài và than khí đốt có hàm l−ợng chất bốc còn khá cao, khi cháy sinh ra ngọn lửa dài, đ−ợc dùng đốt trực tiếp hoặc chế tạo khí đốt. Than béo một phần đốt trực tiếp, một phần để luyện cốc. Than luyện cốc là loại than quý dùng để luyện than cốc, loại nhiên liệu quan trọng trong các lò luyện và nấu gang. Than gầy chủ yếu dùng để đốt trực tiếp. - Than không khói ( than antraxit): than không khói là loại than già tuổi nhất, độ bền lớn, hút ẩm ít, hàm l−ợng các bon cao, l−ợng chất bốc thấp, khi cháy không sinh khói. Hàm l−ợng tro và l−u huỳnh trong than biến đổi trong phạm vi rộng. Than không khói đ−ợc dùng đốt trực tiếp, một phần đ−ợc nhiệt luyện để thay thế một phần than cốc trong nấu gang. - Nhiên liệu rắn nhân tạo: than gỗ, than cốc, than antraxit nhiệt luyện. Than gỗ: than gỗ đ−ợc chế tạo bằng cách ch−ng khô củi gỗ theo ph−ơng pháp thủ công hoặc dùng lò kín và nung bằng không khí nóng 350 - 400 oC. Thành phần hữu cơ của than gỗ: %C = 79,81 ữ 88,87 ; %H = 4,33 ữ 3,23; % (O+N) = 15,86 ữ 7,90. Than gỗ chứa ít l−u huỳnh, tr−ớc đây đ−ợc sử dụng làm nhiên liệu cho lò đúc, lò cao cở nhỏ nh−ng hiện nay ít dùng. Than cốc: Than cốc đ−ợc luyện bằng cách nung bột than có tính dính kết tốt (than luyện cốc, than béo) trong môi tr−ờng cách biệt với không khí tới nhiệt độ 850 - 1000oC sau đó làm nguội. Quá trình luyện cốc nh− sau: nghiền than đến độ hạt khoảng 3 mm, chất vào lò và nung. D−ới tác dụng của nhiệt, than đ−ợc sấy khô và ch−ng, trong than xẩy ra các phản ứng phân hóa nhiệt. Giai đoạn quan trọng nhất đối với sự tạo thành than cốc là ở nhiệt độ 400 - 500 oC, than bị biến mềm và tiết ra chất bốc làm cho khối than trở nên xốp. Tiếp tục nâng nhiệt độ, khối than sẽ chuyển sang trạng thái rắn ta thu đ−ợc than cốc. Than cốc đ−ợc lấy ra khỏi lò và làm nguội bằng n−ớc sau đó sàng phân loại theo cỡ hạt. Than cốc có đặc điểm: độ bền cơ và bền nhiệt cao, độ xốp than lớn, hàm l−ợng chất bốc thấp, hàm l−ợng tro từ 8 - 14%. Than cốc chủ yếu dùng cho các lò cao luyện gang và các lò đứng nấu gang. - 59 - Than antraxit nhiệt luyện: Than antraxit có độ xốp bé, khi bị nung nóng đột ngột, n−ớc và chất bốc thoát ra mạnh làm cho than bị vỡ vụn nhiều gây khó khăn cho quá trình chạy lò. Để tăng độ bền nhiệt của than antraxit ng−ời ta tiến hành nhiệt luyện. Quá trình nhiệt luyện than tiến hành nh− sau: đem than nung nóng chậm đến 1000 - 1100oC, giữ nhiệt trong một thời gian sau đó làm nguội, thu đ−ợc than nhiệt luyện. Khi nung nóng chậm, n−ớc và chất bốc trong than thoát ra ngoài, hàm l−ợng n−ớc và chất bốc trong than giảm, đồng thời độ xốp của than tăng lên làm tăng đáng kể độ bền nhiệt của than khi chạy lò. Than gầy nhiệt luyện đ−ợc sử dụng thay thế một phần than cốc để nấu gang trong lò đứng và luyện gang trong các lò cao cỡ nhỏ. c) Nhiên liệu lỏng Nhiên liệu lỏng dùng trong lò công nghiệp chủ yếu là dầu mazut và dầu điêzen là các sản phẩm thu đ−ợc khi gia công dầu mỏ. Dầu mỏ nguyên khai là hỗn hợp của nhiều loại cacbua hyđrô và một l−ợng nhỏ các tạp chất của oxy, nitơ và l−u huỳnh. Các cacbua hyđrô trong dầu mỏ đ−ợc chia ra ba nhóm: mê-tan (CnH2n+2), náp-ten (CnH2n) và cacbua thơm (CnH2n-6). Dầu mỏ có khối l−ợng riêng 750 - 1.000 kg/m3, nhiệt trị 9.800 - 10.500 kcal/kg. Mặc dù dầu mỏ có nhiệt trị cao nh−ng ng−ời ta không dùng nó trực tiếp làm nhiên liệu vì trong nó chứa nhiều sản vật quý. Dầu mỏ đ−ợc gia công bằng hai ph−ơng pháp: ch−ng phân trực tiếp và crăc- kinh. Khi ch−ng phân trực tiếp, dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các sản phẩm trong dầu mỏ, ng−ời ta ch−ng dầu mỏ ở những nhiệt độ cần thiết để tách riêng từng loại. Các sản phẩm thu đ−ợc khi ch−ng phân trực tiếp gồm: ét-xăng nhẹ, ét-xăng nặng, dầu hoả, ligrain, gajôin và mazut. Đem mazut ch−ng trong chân không, tiếp tục thu đ−ợc các loại dầu nhờn và hắc-ín. Crăc-king dầu mỏ là quá trình làm phân hóa nhiệt dầu mỏ ở 450 - 460oC để biến những cacbuahyđrô nặng thành những cacbuahyđrô nhẹ hơn. Nhờ ph−ơng pháp crăc- king ng−ời ta tăng thêm đ−ợc l−ợng dầu nhẹ thu hồi khi gia công dầu mỏ. d) Nhiên liệu khí So với nhiên liệu rắn và lỏng, nhiên liệu khí có nhiều −u điểm hơn: + Dễ hoà trộn với không khí nên chỉ cần hệ số d− không khí nhỏ cũng đảm bảo đốt cháy hoàn toàn, giảm tổn thất nhiệt do khói lò mang ra ngoài. - 60 - + Có thể đạt d−ợc nhiệt độ cháy cao nhờ nung nóng tr−ớc không khí và nhiên liệu. + Thiết bị đốt đơn giản, dễ khống chế nhiệt độ, chiều dài ngọn lửa và áp suất trong lò. + Dễ vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ. - Khí đốt thiên nhiên: Khí đốt thiên nhiên có ở các mỏ riêng hoặc ở các mỏ dầu. Thành phần có thể cháy trong nó chủ yếu là mê tan(CH4), chiếm khoảng 75 - 98%, một ít cacbuahyđrô nặng, hyđrô và CO, thành phần không thể cháy là CO2 và N2. Khí đốt thiên nhiên có năng suất toả nhiệt cao, Qd ≈ 8.600 Kcal/m3. - Khí đốt nhân tạo: Khí đốt nhân tạo gồm nhiều loại (bảng 4.2). Bảng 4.2 Thành phần và nhiệt trị của khí nhân tạo Thành phần theo thể tích (%) QdLoại khí đốt CO2+H2 S O2 CO H2 CH4 CmHn N2 kcal/m3 Khí đốt bán cốc 12 -15 0,2-0,5 7 - 12 8 - 12 45 - 62 5 - 8 2 - 10 5.300 -7.000 Khí đốt lò cốc 2 - 3 0,7 - 1,2 4 - 8 53 - 60 19 - 25 1,6 - 2,3 7 - 15 3.700 - 4.000 Khí đốt hơi n−ớc 5 - 7 0,1 - 0,2 35 - 40 47 - 52 0,3 - 0,6 - 2 - 6 2.400 - 2.500 Khí đốt hỗn hợp 5 - 7 0,1 - 0,3 24 - 30 12 - 15 0,5 - 3 0,2 - 0,4 46 - 55 1.150 - 1.550 Khí đốt không khí 0,5 - 15 - 32 - 33 0, 5 -0,9 - - 64 - 66 900 - 1.030 Khí đốt lò cao 8 - 14 - 23 - 31 10 -15 0,1 - 2,6 - 48 - 60 900 - 1.265 Khí đốt lò cao: là sản phẩm phụ khi luyện gang bằng lò cao, luyện 1 tấn gang thu đ−ợc 3.600 - 4.000 m3 khí lò cao. Thành phần khí cháy chủ yếu của khí lò cao là CO (hàm l−ợng 23 - 31%) và hyđrô (hàm l−ợng 10 - 15%). Nhiệt trị khí lò cao thấp (Qd= 900 - 1265 Kcal/m3), để nâng cao nhiệt độ cháy ng−ời ta th−ờng nung nóng tr−ớc hoặc hỗn hợp với khí lò cốc. - 61 - Khí lò cốc: là sản phẩm phụ thu đ−ợc khi luyện than cốc, luyện 1 tấn than cốc thu đ−ợc 230 - 270 m3 khí lò cốc. Thành phần có thể cháy của khí lò cốc chủ yếu là H2 (53 - 60%) và CH4 (19 - 225%), Qd = 3700 - 4000Kcal/kg. Khí đốt không khí là sản phẩm thu đ−ợc khi khí hóa than mà khí thổi là không khí. Thành phần cháy chủ yếu là CO (32 - 33%). Nhiệt trị khí đốt không khí thấp, Qd = 3780 - 4600 Kcal/kg. Khí đốt hơi n−ớc là sản phẩm thu đ−ợc khi khí hóa than bằng hơi n−ớc. Thành phần cháy chủ yếu là CO ( 35 - 40%) và H2 (47 - 52 %). Nhiệt trị khí đốt hơi n−ớc thấp Qd = 2400 - 2500 Kcal/kg và giá thành cao nên ít dùng trong luyện kim. 4.1.3. Thành phần của nhiên liệu Thành phần nhiên liệu là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất l−ợng của nhiên liệu. a) Thành phần nhiên liệu rắn và lỏng Đối với các nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng rất phức tạp, các nguyên tố tạo thành chúng th−ờng không tồn tại một cách độc lập, mà hoá hợp với nhau tạo thành các hợp chất. Việc phân tích chính xác thành phần nhiên liệu theo các hợp chất tạo thành chúng rất khó khăn, bởi vậy trong tính toán nhiệt th−ờng ng−ời ta coi nhiên liệu rắn và lỏng bao gồm các chất tồn tại độc lập: - Các bon (C): là thành phần cháy chính của nhiên liệu rắn và lỏng. Phản ứng cháy hoàn toàn của cácbon với oxy có hiệu ứng nhiệt lớn. C +O2 = CO2 + 8.137 Kcal/kg - Hyđrô (H): dạng cháy đ−ợc gồm hyđrô tự do và hyđrô hóa hợp với các chất cháy đ−ợc, dạng không cháy đ−ợc là hợp chất với oxy. Phản ứng cháy của hyđrô với oxy: H2 + 2 1 O2 = H2O + 34.180 Kcal/ kg - Nitơ (N): là thành phần không cháy đ−ợc, trong nhiên liệu rắn và lỏng nitơ chỉ chiếm 1 - 2 % nên ít ảnh h−ởng. - L−u huỳnh (S): có ba dạng là l−u huỳnh hữu cơ, l−u huỳnh sunphit và l−u huỳnh dạng muối. Hai dạng đầu có thể cháy còn l−u huỳnh dạng muối không thể cháy. L−u huỳnh là tạp chất có hại trong nhiên liệu cần hạn chế. - Tro (A): gồm các khoáng chất SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3... là các thành phần không cháy đ−ợc. Hàm l−ợng tro trong nhiên liệu càng cao thì chất l−ợng nhiên liệu càng - 62 - giảm do giảm hàm l−ợng chất cháy đ−ợc, tổn hao nhiệt do nung nóng tro, tăng l−ợng bụi trong sản phẩm cháy, gây khó khăn cho việc khống chế quá trình cháy. - N−ớc (W): gồm n−ớc hấp phụ bề mặt, n−ớc hấp thụ qua các lỗ xốp của nhiên liệu và n−ớc kết tinh. Khi sấy nhiên liệu chỉ hai dạng đầu là có khả năng bốc hơi còn dạng n−ớc kết tinh vẫn còn trong nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn và lỏng, thành phần của chúng đ−ợc biểu diễn bằng bốn cách: + Chất hữu cơ : Ch + Hh + Oh + Nh = 100 %. (4.1) + Chất có thể cháy : Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100 %. (4.2) + Chất khô : Ck + Hk + Ok + Nk + Sk +Ak = 100 %. (4.3) + Thông dụng: %Cd + %Hd + %Od + %Nd + %Sd +%Ad + %Wd = 100 % (4.4) Để chuyển đổi từ thành phần này qua thành phần khác ng−ời ta dùng các hệ số thế hoán cho ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Hệ số chuyển đổi thành phần nhiên liệu rắn và lỏng Thành phần muốn chuyển đổi Thành phần đã biết Chất hữu cơ Có thể cháy Chất khô Thông dụng Chất hữu cơ 1 100 S100 c− 100 )AS(100 kk +− 100 )WAS(100 ddd ++− Có thể cháy cS100 100 − 1 100 A100 k− 100 )WA(100 dd +− Chất khô )AS(100 100 kk +− kA100 100 − 1 100 W100 d− Thông dụng )WAS(100 100 ddd ++− )WA(100 100 dd +− dW100 100 − 1 b) Thành phần nhiên liệu khí Nhiên liệu khí th−ờng là hỗn hợp cơ học của một số khí, có thể phân tích chính xác từng thành phần của chúng. Các thành phần có thể cháy trong nhiên liệu khí gồm: CO, H2, CH4, CmHn, H2S. Các thành phần không thể cháy gồm CO2, N2, SO2, H2O, O2. Trong các thành phần có thể cháy thì các cacbuahyđrô nh− CH4, CmHn có năng suất toả nhiệt cao, sau đó là H2 và CO, còn H2S là thành phần có hại cần hạn chế. Thành phần nhiên liệu khí đ−ợc biểu thị bằng hai cách: + Thành phần khô: CO2 k + COk + H2 k + CH4 k + C2H2 k + H2S k + ...+ N2 k = 100 % (4.5) - 63 - + Thành phần −ớt: CO2 u + COu + H2 u + CH4 u + C2H2 u + H2S u +...+ N2 u + H2O u= 100% (4.6) Công thức chuyển đổi giữa các thành phần nh− sau: 100 OH100 .XX u 2ku −= (4.7) u 2 uk OH100 100 .XX −= (4.8) Trong đó: ω+ ω= 3,806 100 OH u2 (4.9) Với ω là độ ẩm của nhiên liệu, tính bằng l−ợng n−ớc chứa trong một mét khối khí khô [ g/m3]. 4.1.4. Nhiệt trị của nhiên liệu Năng suất toả nhiệt hay nhiệt trị của nhiên liệu là l−ợng nhiệt toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối l−ợng nhiên liệu (nếu là nhiên liệu rắn và lỏng) hay một đơn vị thể tích nhiên liệu ( nếu là nhiên liệu khí), đ−ợc ký hiệu là Q [kcal/kg hoặc kj/kg và kcal/ m3 hoặc kj/m3]. Trong thực tế, ng−ời ta dùng hai khái niệm về nhiệt trị là nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp. - Nhiệt trị cao là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, n−ớc ở trong sản vật cháy ở thể lỏng và nguội đến 0oC, ký hiệu là Qc. - Nhiệt trị thấp là nhiệt trị của nhiên liệu xác định với điều kiện các sản vật cháy nguội đến nhiệt độ ban đầu, n−ớc ở trong sản vật cháy ở thể hơi và nguội đến 20oC, ký hiệu là Qd. Để xác định nhiệt trị của nhiên liệu có hai ph−ơng pháp: xác định bằng thực nghiệm và tính toán. Đối với nhiên liệu rắn và nhiên liệu lỏng, vì không biết thành phần cấu tạo chất, nên để xác định nhiệt trị th−ờng tiến hành bằng thực nghiệm. Ngoài ra, có thể tính toán gần đúng theo thành phần nguyên ...cong a) Xây bằng gạch b) Lớp đầm bằng vật liệu chịu lửa c) Thể xây nóc Thể xây nóc chia làm hai dạng: nóc thẳng và nóc cong. ở nóc lò cong, vòm lò có độ cong nhất định, do đó khi gạch dãn nở nhiệt, nóc lò vẫn giữ đ−ợc độ ổn định cao không gây sụp nóc lò. Nóc lò thẳng, mặt trong là mặt phẳng nên tính ổn định của kết cấu thấp hơn. Tuỳ theo điều kiện làm việc của lò, nóc đ−ợc kiến tạo bằng gạch hoặc bằng các tấm bê tông chịu nhiệt đúc sẵn. Đối với thể xây nóc thẳng, khi nhiệt độ làm việc cao, sử dụng gạch treo, dùng móc kim loại móc lên các dầm ở phía trên nóc lò. Đối với các lò nhiệt độ thấp, nóc lò đ−ợc tạo hình bằng các tấm bê tông chịu nhiệt đúc sẵn ghép lại. - 118 - Đối với nóc cong, nóc lò đ−ợc kiến tạo bằng cách xây gạch hoặc treo gạch bằng móc treo tạo thành vòm cuốn có góc tâm nhất định. Tuỳ theo kích th−ớc của nóc, góc tâm đ−ợc lấy theo quy định: 38, 45, 56, 60, 74, 106 và 180o. Thể xây nóc th−ờng gồm hai lớp: lớp trong là gạch chịu lửa, lớp ngoài là lớp cách nhiệt. Đối với các lò luyện thép có nhiệt độ cao, lớp gạch chịu lửa có thể dày tới 400 - 500 mm và không có lớp cách nhiệt. Để xây nóc cong phải dùng mái khuôn bằng gỗ hoặc kim loại đ−ợc tạo hình theo độ cuốn của nóc có dạng nh− hình 6.6. Khi xây nóc cong có thể tiến hành theo hai cách: xây theo vòng hoặc xây bắt chéo mạch. Khi xây theo vòng, gạch đ−ợc xây thành từng vòng theo cung vòm (hình 6.7a). Gạch đ−ợc xây bắt đầu từ gạch chân vòm lên đỉnh vòm. Để tạo độ ép cần thiết giữa các viên gạch ng−ời ta đặt các viên gạch khóa. Với vòm nóc có dây cung < 3m tại đỉnh vòm đặt một viên gạch khóa, với dây cung > 3m đặt 2 - 3 viên gạch khóa, khi đặt 2 - 3 viên gạch khóa bố trí sao cho khoảng cách giữa cách viên gạch khóa bằng nhau. Khi xây bắt chéo mạch (hình 6.7b), gạch đ−ợc xây theo từng hàng dọc theo gạch chân vòm, các viên gạch giữa các hàng lệch mạch 1/2 hoặc 3/4 viên. Cách xây bắt chéo mạch, liên kết giữa các viên gạch tốt hơn nh−ng khi thay thế sửa chữa khó khăn hơn khi xây cuốn vòng. Trong quá trình xây, t−ơng tự nh− khi xây cuốn vòng, cũng đặt các viên gạch khoá để tạo độ nén giữa các viên gạch. 2 3 4 Hình 6.6 Sơ đồ đặt khuôn xây nóc 1) Cột đỡ khuôn 2) T−ờng lò 3) Gạch chân vòm 4) Khuôn - 119 - ở các nóc vòm có nhiệt độ làm việc cao, kích th−ớc vòm rộng hoặc cấu trúc phức tạp sử dụng vòm gạch treo. Khi xây nóc treo, gạch đ−ợc treo thành từng nhóm nhờ các móc treo kim loại liên kết với xà đỡ phía trên nóc lò. Gạch treo có thể xếp khô hoặc xây với vữa. Đối với những vòm đơn giản, gạch treo bắt đầu từ đỉnh đi xuống hai phía chân vòm. ở những chỗ vòm có cấu trúc phức tạp dùng gạch hình đặc biệt, khi xây vòm bắt đầu treo gạch từ những vị trí này và khai triển dần ra xung quanh. Trong các lò luyện thép nóc lò có dạng chỏm cầu thì phải dùng gạch xây vòm cầu, xây thành từng vòng khép kín đồng tâm và bắt đầu xây từ chân vòm lên đỉnh. b)a) Hình 6.7 Ph−ơng pháp xây nóc a) Xây cuốn vòm b) Xây bắt chéo mạch d) Thể xây cửa ở các lò luyện kim th−ờng có hai loại cửa: cửa thao tác và cửa quan sát. Cửa thao tác th−ờng có kích th−ớc lớn, còn cửa quan sát có kích th−ớc nhỏ. Hình dạng và kích th−ớc của đ−ợc tiêu chuẩn hóa (bảng 6.4). Cửa th−ờng gồm hai bộ phận: bộ phận khung kim loại đặt sát vào t−ờng lò làm tăng độ cứng vững của cửa lò và bộ phận nắp cửa có thể đóng mở theo yêu cầu trong quá trình chạy lò. Đối với thể xây cửa, với các cửa kích th−ớc lớn (hình 6.8a), phần d−ới có dạng hình chữ nhật, phần trên xây cuốn vòm bằng gạch vát, ở đỉnh có viên gạch khoá. Với - 120 - các cửa kích th−ớc nhỏ (chiều rộng B < 450 mm) phần trên dùng gạch xây bậc tạo thành vòm cửa (hình 6.8b). Bảng 6.4 Kích th−ớc tiêu chuẩn của cửa lò Chiều rộng B (mm) Độ cao f (mm) Độ cao n (mm) Chiều cao cửa H (mm) 240 30 5 170 240 - - 350 45 5 190 250 320 390 470 60 5 290 340 400 470 580 80 5 220 290 369 425 700 95 5 240 370 519 800 810 110 5 270 390 519 800 930 125 5 270 400 670 950 1050 140 5 280 550 830 1100 1160 155 5 300 570 840 1250 1400 190 5 330 600 1010 1420 1510 205 5 350 750 1160 1670 1840 235 5 580 780 1190 1740 1970 265 5 410 950 1360 1770 2200 295 5 440 980 1390 1800 ϕ n f a) B H b) Hình 6.8 Cấu trúc cửa lò a) Xây cuốn vòm b) Xây bậc - 121 - e) Thể xây cống khói Cống khói là bộ phận quan trọng trong hệ thống thoát khói, trong các lò luyện kim phần lớn cống khói đ−ợc đặt ngầm, khoảng cách giữa đỉnh cống khói và mặt đất ít nhất >300 mm. Cấu trúc thể xây cống khói nh− hình 6.9, tiết diện có dạng hình chữ nhật đứng, đỉnh xây cuốn vòm, nếu chiều rộng cung vòm nhỏ thì góc tâm lấy bằng 180o, chiều rộng cung vòm lớn thì lấy bằng 60o. Kích th−ớc cống khói đ−ợc tiêu chuẩn hóa, chọn theo bảng 6.5. Cống khói th−ờng có hai lớp: lớp trong gạch chịu lửa, lớp ngoài gạch cách nhiệt hoặc gạch đỏ. ở những nơi có n−ớc ngầm, bên ngoài cống khói có t−ờng bê tông bảo vệ chống thấm n−ớc. Bảng 6.5 Kích th−ớc tiêu chuẩn của tiết diện cống khói Góc tâm ϕ = 60o Góc tâm ϕ = 180oChiều ngang B (mm) Chiều cao H (mm) Tiết diện F (m2) Chu vi C (m) Chiều cao H (mm) Tiết diện F (m2) Chu vi C (m) 470 540 0,25 1,13 640 0,23 2,08 580 560 0,3 2,15 700 0,38 2,31 580 700 0,38 2,54 830 0,44 2,57 700 710 0,48 2,66 890 0,57 2,88 810 900 0,61 3,02 950 0,70 3,74 810 930 0.72 3,41 1150 0,80 3,87 930 1010 0,90 3,76 1210 0,94 3,88 1050 1100 1,11 4,12 1410 1,36 4,45 1280 1260 1,64 4,80 1520 1,77 5,05 1400 1420 1,90 5,33 1720 2,20 6,05 1510 1500 2,17 5,69 1840 2,53 8,65 1630 1550 2,56 6,19 2040 3,04 7,64 - 122 - ϕ B H 1 3 1 2 2 3 a) b) Hình 6.9 Cấu trúc cống khói a) Nơi không có n−ớc ngầm b) Nơi có n−ớc ngầm 1) Gạch chịu lửa 2) Gạch cách nhiệt hoặc gạch đỏ 3) Bê tông 6.2.3. Tính toán gạch xây nóc lò Để xây nóc vòm th−ờng sử dụng phối hợp gạch vát và gạch thẳng tiêu chuẩn. Để tính toán l−ợng gạch xây, căn cứ vào dây cung vòm lò (S), chọn góc tâm (ϕ) và tra bảng xác định chiều cao cung (f). Bảng 6.6 Quan hệ giữa góc tâm (ϕ) và dây cung (B), chiều cao cung (f) Góc ở tâm ϕ 38 45 56 60 74 106 180 Tỉ số f/S 1:12 1:10 1:8 1:7,5 1:6 1:4 1:2 Tỉ số S/R 0,651 0,756 0,939 1 1,204 1,597 2 Sơ đồ tính l−ợng gạch xây cung vòm trình bày trên hình 6.10. ϕ S R f c d s a c b d Hình 6.10 Sơ đồ tính gạch xây vòm - 123 - a) Tính cho một vòng cung nóc lò: - L−ợng gạch xây cần thiết để xây một vòng cung nóc lò: ( ) ( )δ+ ϕ+π= c180 sR n [viên] (6.9) Trong đó: R - Bán kính trong của vòm lò [mm]. s - chiều dày gạch nóc lò [mm]. c - cạnh lớn của viên gạch vát [mm]. δ - chiều dày mạch vữa [mm]. ϕ - góc ở tâm của vòm [mm]. - Độ lệch chiều dài giữa cung ngoài và cung trong của vòm: 180 .s. lc ϕπ=∆ [mm] - Số l−ợng gạch vát cần dùng: g c v l l n ∆ ∆= [viên] (6.10) Trong đó: là chênh lệch độ dày hai đầu viên gạch vát [mm]. dclg −=∆ - Số l−ợng gạch thẳng cần dùng: vt nnn −= [viên] (6.11) b) Tính cho toàn bộ nóc lò: - Tổng l−ợng gạch thẳng cần dùng: δ+= a L .nN tt (6.12) Trong đó: L - chiều dài nóc [mm]. a- bề rộng viên gạch [mm]. - Tổng l−ợng gạch vát cần dùng: δ+= a L .nN vv (6.13) - 124 - 6.3. Khung lò Để giữ cho kích th−ớc, hình dáng của lò ổn định trong quá trình lò làm việc cũng nh− d−ới tác động của tải trọng bản thân các thể xây, ng−ời ta sử dụng bộ phận gọi là khung lò. Đối với các lò có kết cấu đơn giản khung lò có kết cấu dạng khung gồm có: cột trụ, dầm đỡ và các thanh giằng chế tạo bằng thép hình liên kết với nhau. Đối với các lò kết cấu phức tạp, hình dạng khung lò rất khác nhau phụ thuộc kết cấu lò, ngoài khung lò còn có vỏ lò bằng kim loại. 6.3.1. Kết cấu của khung lò Đối với khung lò đơn giản, theo ph−ơng pháp liên kết đ−ợc chia thành ba loại: - Khung lò liên kết động (hình 6.11). - Khung lò liên kết tĩnh (hình 6.12). - Khung lò liên kết hỗn hợp (hình 6.13). a) Khung lò liên kết động Trong khung lò liên kết động (hình 6.11), các thanh giằng trên (1) và d−ới (2) liên kết với trụ (3) bằng liên kết bu lông, các đai ốc có thể xiết vào hoặc nới ra khi thể xây co giản d−ới tác động nhiệt. Khi sử dụng khung lò liên kết động, không cần đặt mạch nhiệt trong các thể xây, do đó đơn giản cho khâu xây lò. Tuy nhiên, trong quá trình lò làm việc phải th−ờng xuyên điều chỉnh đai ốc, gây khó khăn cho việc vận hành lò, nhất là khi kích th−ớc lò lớn. 6 5 4 3 2 1 Hình 6.11 Khung lò liên kết động 1) Cột trụ 2) Dầm chân vòm 3) Dầm d−ới 4) Thanh giằng trên 5) Thanh giằng d−ới 6) Đai ốc - 125 - b) Khung lò liên kết tĩnh ở khung lò liên kết tĩnh, các thanh giằng đ−ợc hàn hoặc tán chặt với cột trụ (hình 6.12), kích th−ớc khung lò hầu nh− ổn định khi lò làm việc. Đối với phần d−ới cột trụ có thể cố định bằng cách chôn cố định lên nền bê tông của lò. Do khung lò ổn định, không thể điều chỉnh theo sự co giản của lò, nên khi xây lò phải đặt mạch nhiệt trong các thể xây. Sử dụng khung lò liên kết tĩnh, trong quá trình vận hành lò không phải điều chỉnh khung lò, nên hiện nay đ−ợc sử dụng rất phổ biến trong các lò có kích th−ớc lớn và cả trong các lò có kích th−ớc nhỏ. 1 2 4 3 Hình 6.12 Khung lò liên tĩnh 1) Cột trụ 2) Dầm chân vòm 3) Dầm d−ới 4) Thanh giằng trên c) Khung lò liên kết hỗn hợp Khung lò liên kết hỗn hợp (hình 6.13), phía trên liên kết động còn phía d−ới liên kết tĩnh. 5 4 3 2 1 Hình 6.13 Khung lò liên hỗn hợp 1) Cột trụ 2) Dầm chân vòm 3) Dầm d−ới 4) Thanh giằng trên 5) Đai ốc - 126 - Dùng loại khung lò này không cần để mạch nhiệt phía trên của lò, còn phần d−ới phải đặt mạch nhiệt. Loại khung lò này kết hợp đ−ợc −u điểm của hai loại trên nên cũng đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các lò luyện kim 6.3.2. Tính toán khung lò Việc tính khung lò nhằm xác định lực tác dụng lên khung lò, xác định các thông số cần thiết để chọn các chi tiết chính của khung lò. a) Tính lực tác dụng lên dầm chân vòm và khung lò Sơ đồ tính toán trình bày trên hình 6.14. ` Việc tính lực tác dụng lên khung lò đ−ợc thực hiện cho một b−ớc cột, gồm đoạn dầm chân vòm và hai cột nằm ở hai đầu đoạn dầm đó. R Rtb N ϕ H f S s P Hình 6.14 Sơ đồ tính lực tác dụng lên dầm chân vòm - Chiều dài trung bình của cung vòm nóc: 180 R L tbctb πϕ= [m] (6.14) Trong đó: 2 s RRtb += , bán kính trung bình của cung vòm nóc [m]. - Trọng l−ợng gạch nóc ứng với một b−ớc cột: a..s.LQ ctb γ= [kG] (6.15) Trong đó: a - b−ớc cột (khoảng cách giữa hai cột liên tiếp) [m]. s - chiều dày nóc [m]. γ - trọng l−ợng riêng của gạch [kG/m3]. - Lực thẳng đứng tác dụng lên gạch chân vòm: - 127 - 2 Q H = [kG] (6.16) - Lực ngang tác dụng lên gạch chân vòm: f S . 4 H P = [kG] (6.17) Trong đó: S - chiều rộng vòm nóc [m]. f - chiều cao vòm nóc [m]. Từ hình 6.14 ta có: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ϕ= 4 tg 2 1 S f Thay vào công thức 6.17, nhận đ−ợc: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ϕ= 4 tg2 H P [kG] (6.18) - Lực ngang thực tế tác dụng lên dầm chân vòm khi lò làm việc: [kG] (6.19) P.kPtt = Trong đó k là hệ số xét đến ảnh h−ởng của sự giản nở của thể xây khi lò làm việc, phụ thuộc nhiệt độ nóc lò lấy theo bảng 6.7. Bảng 6.7 Giá trị của hệ số k phụ thuộc nhiệt độ nóc lò Nhiệt độ nóc lò oC k < 900 2,0 900 - 1200 2,5 > 1200 3,0 b) Tính dầm chân vòm Coi dầm chân vòm chịu lực tác dụng phân bố đều và dầm có hai điểm tựa tại cột lò, khi đó mô men uốn cực đại tác dụng lên dầm chân vòm: 8 a.P M tdmax = [kG.cm] (6.20) Trong đó: Pt - lực ngang thực tế [kG]. - 128 - a - b−ớc cột [cm]. Mô men chống uốn cần thiết của dầm: [ ]k d maxd u M W σ= [cm 3] (6.21) Trong đó là độ bền kéo cho phép của thép làm dầm chân vòm, lấy theo bảng 6.8. [ kσ ] Bảng 6.8 Giá trị của hệ số k phụ thuộc nhiệt độ nóc lò Mác thép [ ]kσ , kg/cm2 CT31, CT38 1200 C20 1330 C25 1500 C45 2200 Biết đ−ợc mô men chống uốn cần thiết của dầm, tra bảng chọn thép hình có . duu WW > c) Tính cột khung lò - Mô men uốn cực đại tác dụng lên cột trụ: Lực tác dụng lên cột trụ chính là lực do dầm chân vòm truyền ra, do đó mô men uốn cực đại tác dụng lên cột trụ: 21 21tc max hh h.h.P M += (kG.cm) (6.22) Trong đó: Pt - lực ngang thực tế [kG]. h1, h2 - khoảng cách từ dầm chân vòm đến thanh giằng trên và d−ới [cm]. - Mô men chông uốn cần thiết của cột trụ: [ ]k c maxc u M W σ= [cm 3] (6.23) Sau khi xác định đ−ợc tra bảng chọn thép hình (chữ U hoặc chữ I) có . cuW c uu WW > d) Tính thanh giằng Các thanh giằng th−ờng là thép tròn, đ−ợc tính theo độ bền kéo và coi nhiệt độ nung nóng thanh giằng không quá 200oC. - 129 - - Lực kéo tác dụng lên thanh giằng trên: 21 2t 1 hh h.P P += [kG] (6.24) - Tiết diện cần thiết của thanh giằng trên: [ ]k 1 1 P F σ= [cm 2] (6.25) - Lực kéo tác dụng lên thanh giằng d−ới: 21 1t 2 hh h.P P += [kG] (6.26) - Tiết diện cần thiết của thanh giằng d−ới: [ ]k 2 2 P F σ= [cm 2] (6.27) Sau khi tính đ−ợc tiết diện các thanh giằng tra bảng chọn thép hình (thép tròn) có tiết diện lớn hơn tiết diện cần thiết. - 130 - Ch−ơng 7 Hệ thống thoát khói, cấp gió và thiết bị tận dụng nhiệt khói lò 7.1. Hệ thống thoát khói 7.1.1. Cấu trúc của hệ thống thoát khói Thông th−ờng hệ thống thoát khói cho lò bao gồm các kênh khói, cống khói và ống khói làm nhiệm vụ dẫn sản phẩm cháy từ lò ra ngoài trời. Cấu trúc của hệ thống thoát khói rất đa dạng phụ thuộc cấu trúc lò và vị trí đặt hệ thống thoát khói. Thông th−ờng các lò có công suất nhỏ hoặc không dùng thiết bị trao đổi nhiệt, hoặc dùng thiết bị trao đổi nhiệt hình kim, thiết bị ống nhẵn kiểu ống thẳng, ng−ời ta bố trí hệ thống khói ở ngay phía trên nóc lò. Những lò có công suất trung bình và lớn, có thiết bị hoàn nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt bằng gốm ... th−ờng bố trí hệ thống thoát khói đi chìm d−ới nền phân x−ởng. Cách bố trí hệ thống thoát khói đi chìm có −u điểm giải phóng đ−ợc mặt bằng quanh lò, thuận tiện cho vận hành lò nh−ng gây khó khăn và tốn kém trong xây dựng. Đa số các lò luyện kim, do mục đích sử dụng nhiệt trong lò, th−ờng bố trí các kênh khói dẫn khói từ buồng lò qua đáy hoặc t−ờng đi xuống phía d−ới và tập trung vào cống khói để tới ống khói. Trên hình 7.1 trình bày cấu trúc điển hình của một hệ thống thoát khói của lò nung liên tục. Kênh khói th−ờng có tiết diện chữ nhật, làm nhiệm vụ dẫn khói từ không gian lò tới cống khói. Miệng kênh khói có thể bố trí trên đáy lò hoặc trên t−ờng tùy theo yêu cầu công nghệ. Khi bố trí miệng kênh khói trên đáy, khoảng cách giữa cách kênh 2 3 4 6A A 5 1 A -A Hình 7.1 Sơ đồ hệ thống thoát khói lò nung liên tục 1) Không gian lò 2) Kênh khói 3) Cống khói 4)Thiết bị trao đổi nhiệt 5) Van 6) ống khói - 131 - không đ−ợc nhỏ hơn một viên gạch để đảm bảo độ bền của thể xây, đồng thời kích th−ớc tiết diện cần chọn sao cho không để vật nung rơi xuống kênh. Khi bố trí kênh trên t−ờng lò thì chiều dày t−ờng lò (không kể chiều rộng kênh) phải lớn hơn 460 mm. Cống khói th−ờng có tiết diện chữ nhật đứng, đỉnh cuốn vòm, đặt ngầm d−ới đất, khoảng cách tối thiểu từ đỉnh cống khói tới mặt nền ≥ 300mm. Những nơi có n−ớc ngầm cống khói đ−ợc đặt trong lớp bê tông chống thấm, khi đó cần cách nhiệt tốt để không làm cho bê tông bị phá hủy. Trên đ−ờng dẫn khói lò có thể đặt thiết bị trao đổi nhiệt (th−ờng là ở phần cống khói) và đặt van điều chỉnh l−ợng khói lò đi ra ống khói. ống khói là bộ phận tạo sức hút để đ−a sản phẩm cháy từ buồng lò thải ra môi tr−ờng. Tùy theo công suất lò và nhiệt độ khí thải có thể sử dụng ống khói xây gạch, ống khói kim loại hoặc ống khói bằng bê tông chịu nhiệt. Khi thiết kế hệ thống thoát khói cần l−u ý các nguyên tắc sau: - Bố trí các kênh khói sao cho khói lò từ buồng lò vào các kênh đều nhau để không có góc chết. - Đ−ờng dẫn khói càng ngắn, càng thẳng càng tốt, hạn chế các góc ngoặt, gấp khúc, các ví trí đột mở, đột thu đột ngột làm tăng trở lực trên đ−ờng dẫn, đồng thời đảm bảo thuận tiện cho việc xây thể xây. - Những nơi có nhiều lò đặt gần nhau nên bố trí hệ thống thoát khói có chung một ống khói để giảm chi phí xây dựng. 7.1.2. Tính hệ thống thoát khói a) Tính l−ợng khí lò đi vào kênh L−ợng khí lò khi bắt đầu vào kênh khói: ∑ ψ−= .VBVV 0nA [m3/h] (7.1) Trong dó: B - l−ợng tiêu hao nhiên liệu [m3/h] hoặc [kg/h]. Vn - l−ợng sản phẩm cháy khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu [m3/kg] hoặc [m3/m3]. - tổng l−ợng khí lò mất qua cửa thao tác và cửa quan sát [m∑ ψ.V0 3/h]. Đối với cửa đứng ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ữ> 43 B H : - 132 - t1 V V t0 α+= (7.2) ( )kkkt gH2BH3 2 V ρ−ρà= Đối với cửa nằm ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ữ> 43 H B : t1 V V ' t 0 α+= (7.3) ( )kkk't gH2BHV ρ−ρà= ψ là hệ số thời gian mở cửa: fG3600 mP=ψ (7.4) Với m là thời gian ra một phôi [s], P năng suất lò [kg/h], Gf khối l−ợng một phôi[kg]. b) Tính tiết diện kênh khói Diện tích tiết diện kênh khói xác định theo công thức sau: N.W.3600 V F k A k = [m2] (7.5) Trong đó: Wk - tốc độ khí lò đi trong kênh , chọn trong khoảng 1 - 2 m/s. N - số kênh. Kênh khói có tiết diện chữ nhật nên ta có: b.aFk = Biết Fk ta xác định đ−ợc các kích th−ớc a và b. c) Tính diện tích tiết diện cống khói C A C W.3600 V F = [m2] (7.6) Trong đó: Wc - tốc độ khí lò đi trong cống, chọn trong khoảng 1,5 - 3 m/s. Dựa vào tiết diện Fc tra bảng chọn cống khói có tiết diện F ≥ Fc. 7.1.3. Tính trở lực trên đ−ờng dẫn khói Tổng tổn thất áp suất ở hệ thống thoát khói xác định theo công thức: - 133 - ∑∑∑∑ ±+= hhcbmstt hhhh (7.7) Trong đó: Σhms - tổng tổn thất do ma sát trên đ−ờng dẫn. Σhcb - tổng tổn thất cục bộ trên d−ờng dẫn. Σhhh - tổng tổn thất hình học trên đ−ờng dẫn. a) Tính tổn thất ma sát Tổn thất ma sát trên đ−ờng dẫn xác định theo công thức: 0 i,k i i n 1i 2 k0k0 ims T T D L . 2 W .h ∑∑ = ρà= ⇒ ( i,kk0 i i n 1i 2 k0 ims t1.D L . 2 W .h α+ρà= ∑∑ = ) (7.8) Trong đó: ài - hệ số ma sát trên đoạn thứ i. ρ0k, W0k - khối l−ợng riêng và tốc độ khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m3] và [m/s]. Li, Di - chiều dài và đ−ờng kính thủy lực của đoạn khảo sát. i i i C F4 D = Với Fi [m 2] và Ci [m] là diện tích tiết diện và chu vi của dòng chảy tại đoạn khảo sát. T0 - nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn oK. kiT - nhiệt độ trung bình trên đoạn thứ i: 2 TT T ki)1i(kki += − Với ii)1i(kki l.TTT ∆−= − - độ giảm nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài đ−ờng dẫn[iT∆ oK/m]. b) Tính tổn thất cục bộ Tổn thất áp suất do trở lực cục bộ xác định theo công thức: ∑∑ = ρξ= n 1i 0 i,k 2 k0k0 icb T T . 2 W .h - 134 - ⇒ (∑∑ = α+ρξ= n 1i i,kk0 2 k0 icb t1.2 W .h ) (7.9) Trong đó: ξi - hệ số trở lực cục bộ tại mặt cắt i. Tk,i - nhiệt độ tại mặt cắt i. c) Tính tổn thất hình học Tổn thất hình học xuất hiện khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển động từ trên xuống d−ới hoặc khi khí lò nặng hơn chuyển động từ d−ới lên trên. Công thức xác định tổn thất do trở lực hình học khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển động từ trên xuống d−ới: ∑∑ = ⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ ρ−ρ= n 1i i,k 0 ok i,kk 0 okkihh T T T T gHh ⇒ (7.10) (∑∑ = ρ−ρ= n 1i i,ki,kkihh gHh ) Trong đó: Hi - độ cao của đoạn kênh khảo sát [m]. - khối l−ợng riêng không khí và khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m,kk0ρ k0ρ 3]. i,kkT , i,kT - nhiệt độ trung bình của không khí và khí lò trên đoạn khảo sát [oK]. Trong tr−ờng hợp ng−ợc lại, khí lò nhẹ đi lên hoặc khí lò nặng đi xuống, cột áp hình học giảm tổn thất áp trên đ−ờng dẫn (hhh mang dấu âm). 7.1.4. Tính ống khói Thiết kế ống khói nhằm mục đích xác định chiều cao ống khói và các thông số cơ bản của ống khói sao cho đảm bảo lực hút của ống khói lớn hơn trở lực trên đ−ờng dẫn của hệ thống thoát khói. Sử dụng ph−ơng trình Becnuly ta nhận đ−ợc quan hệ giữa áp suất âm ở chân ống khói với chiều cao của nó, nhiệt độ sản phẩm cháy và các tổn thất năng l−ợng khi sản phẩm cháy chuyển động trong ống khói: ( ) ]m/N[ T T . 2 W d H . T T . 2 W T T . 2 WW . T T T T Hgp 2 0 2,k 2 k0 tb0 k 2 k0 0 k 2 1,k0 2 2,k0 k0 k 0 k0 kk 0 kk0 2,k0k0 ρ−àρ− −ρ−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ρ−ρ=∆ (7.11) Trong đó: - 135 - p∆ - áp suất âm cần tạo ra ở chân ống khói [N/m2]: (7.12) =∆ h.kp i kênh dẫn bị bám bụi và khả ói [N/m2]. thức xác định chiều cao ống k tb 0 2,k 2 d 1 . T T .2,k0 [m] (7.13) T iều kiện tiêu chuẩn [kg/m3]. ∑ tt Với k = 1,2 - 1,3 là hệ số kể đến sự tăng trở lực kh năng c−ờng hóa quá trình. ∑ tth - tổng tổn thất trên đ−ờng dẫn đến chân ống kh Từ ph−ơng trình (7.11) và (7.12), nhận đ−ợc công hói: ( ) 0 k 2 k0 k 0 k0 kk 0 kk0 k0 0 k 2 1,k0 2 2,k0 k0tt T T . 2 W T T T T g 2 W T T . 2 WW .h.k H k0àρ+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ρ−ρ ρ+−ρ+ = ∑ rong đó: , : khối l−ợng riêng khói lò và không khí ở đk0ρ kk0ρ , , là tốc độ khói lò tại chân, đỉnh ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn [m/s]. 1,k0W 2,k0W k0W là tốc độ trung bình của khói lò trong ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn: 2 WW W 2,k01,k0k0 += 420 ∆P (m) - nhiệt độ không khí xung quanh [kkT oK]. 2 TT T 2,k1,kk += - nhiệt độ trung bình của khói lò trong ống khói [oK]. , T - nhiệt độ khói lò ở chân và đỉnh ốn1,kT 2,k g khói [oK]. à - hệ số ma sát trong ống khói. - đ−ờng kính trong trung bình của ống khói: tbd 2 dd d 21tb += Với d1, d2 đ−ờng kính trong ở chân và đỉnh ống khói [m]. 100 150 200 250 tk= 450oC 350 380 340 300 260 220 180 140 100 60 20 20 60 60 80 H (m) Hình 7.2 Biểu đồ chọn chiều cao sơ bộ của ống khói - 136 - Các thông số trong công thức (7.13) đ−ợc xác nh− sau: Nhiệt độ khí lò tại miệng ống khói: sb1,k2,k H.tTT ∆−= kT - nhiệt độ trung bình của khói lò trong ống khói [oK]. Với t∆ là độ giảm nhiệt độ trung bình của khói lò ứng với 1 m chiều cao ống khói [oC/m], là chiều cao ống khói sơ bộ, chọn theo giản đồ hình 7.2. sbH Đ−ờng kính ra của miệng ống khói: 2,k0 k 2 w. V4 d π= [m] (7.14) Đối với ốngkhói xây bằng gạch thì d2≥ 800mm. Đ−ờng kính chân ống khói bằng gạch và bê tông chọn: 21 d5,1d = Tốc độ khí lò tại miệng ống khói chọn ≥ 3 - 4 m/s. 2,k0W Chiều cao ống khói H tính đ−ợc từ công thức 7.13 nằm trong khoảng % thì không phải tính lại. Tr−ờng hợp H < 16 m, lấy H = 16 m để đảm bảo điều kiện vệ sinh môi tr−ờng. 10Hsb ± 7.2. Hệ thống cấp gió và khí đốt 7.2.1. Cấu trúc hệ thống cấp gió Hệ thống cấp gió gồm thiết bị cấp gió (quạt gió) và các ống dẫn gió làm nhiệm vụ dẫn không khi từ thiết bị cấp gió đến thiết bị đốt nhiên liệu. Trong tr−ờng hợp dùng gió nóng, có thêm đ−ờng dẫn không khí đi qua thiết bị trao đổi nhiệt tr−ớc khi đến thiết bị đốt. Trên hình 7.3 trình bày cấu trúc của hệ thống cấp gió của một lò nung liên tục sử dụng gió nóng. Các ống dẫn gió đ−ợc làm bằng thép ống hàn, chiều dày thành ống từ 3 - 6 mm. Nếu ống dẫn gió nóng mà nhiệt độ tkk < 500 oC bên ngoài có bọc cách nhiệt, còn khi tkk > 500oC thì ngoài lớp bọc cách nhiệt, bên trong ống còn phải lót gạch chịu lửa mác thấp. Đối với các lò dùng nhiên liệu khí, ngoài các ống dẫn gió còn có hệ thống ống dẫn khí đốt. Các ống dẫn khí đốt cũng chế tạo bằng các ống thép hàn, chiều dày thành - 137 - ống từ 5 - 8 mm, bên ngoài bọc cách nhiệt nếu tk <500 oC và lót gạch bên trong và bọc cách nhiệt bên ngoài nếu tk > 500 oC. Khi thiết kế hệ thống cấp gió cần l−u ý: 1 2 3 4 5 5 Hình 7.3 Sơ đồ cấp gió cho lò nung liên tục 1) Quạt gió 2) ống dẫn gió lạnh 3) ống dẫn gió nóng 4) ống dẫn gió pha loãng khói lò 5)Thiết bị đốt - Bố trí đ−ờng dẫn khí sao cho chiều dài đ−ờng dẫn càng ngắn càng tốt, hạn chế gấp khúc và các trở lực cục bố khác làm tăng tổn thất áp suất trên đ−ờng dẫn, đồng thời không gây trở ngại cho việc đi lại và thao tác xung quanh lò. - Khi trong phân x−ởng có nhiều lò gần nhau thì có thể thiết kế một hệ thống cấp gió chung cho các lò. - Tính toán trở lực trên đ−ờng dẫn để chọn quạt gió cần tính cho nhánh có tổn thất lớn nhất. 7.2.2. Tính kích th−ớc đ−ờng ống dẫn gió và khí đốt - Diện tích tiết diện ống dẫn gió: i,kk i,kk i,kk W.3600 V F = (m2) (7.15) Trong đó: i,kkV - l−u l−ợng gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m3/h]. i,kkW - tốc độ gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m/s], chọn theo bảng 7.1. - Đ−ờng kính ống dẫn: π= i,kk i,kk F.4 d (m) (7.16) - 138 - Bảng 7.1 Tốc độ gió và khí đốt trong ống dẫn Dịch thể W [m/s] Không khí lạnh 8 - 12 Không khí nóng 4 - 6 Khí đốt lạnh, áp suất thấp: - ống thẳng - ống có hình phức tạp 12 6 Khí đốt nóng, áp suất thấp: 4 - 6 7.2.3. Tính tổn thất áp suất trên đ−ờng dẫn gió Tổng tổn thất trên đ−ờng dẫn gió xác định theo công thức t−ơng tự trong phần thiết kế hệ thống thoát khói nh−ng l−u ý các thông số thiết kế (nh− độ giảm nhiệt độ, hệ số trở lực ) đ−ợc chọn theo không khí hoặc khí đốt. Tổng tổn thất: ∑∑∑∑ ±+= hhcbmstt hhhh (7.17) Tổn thất ma sát: ( i,kkkk0 i i n 1i 2 kk0 ims t1.D L . 2 W .h α+ρà= ∑∑ = ) (7.18) Tổn thất cục bộ: (∑∑ = α+ρξ= n 1i i,kkkk0 2 kk0 icb t1.2 W .h ) (7.19) Đối với lò dùng nhiên liệu rắn, trở lực trên đ−ờng dẫn gió phải kể đến trở lực qua ghi lò hg. 7.3. Thiết bị tận dụng nhiệt khói lò 7.3.1. Phân loại Để tận dụng nhiệt khói thải, trong các lò luyện kim th−ờng sử sụng các thiết bị thu hồi nhiệt để nung nóng không khí hoặc khí đốt. Theo nguyên tắc làm việc ng−ời ta chia các thiết bị thu hồi nhiệt thành hai loại: - Thiết bị trao đổi nhiệt: hoạt động liên tục, chế độ nhiệt độ ổn định, không khí và khói cùng đi qua thiết bị. - 139 - - Thiết bị hoàn nhiệt: hoạt động theo chu kỳ, chế độ nhiệt độ không ổn định, không khí và khói lò đi qua thiết bị trong những khoảng thời gian khác nhau. D−ới đây chủ yếu khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt. 7.3.2. Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt có hai loại: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu gốm chế tạo bằng vật liệu phi kim (samôt hoặc cac bô run) và thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đ−ợc chế tạo bằng kim loại (gang xám, thép các bon thấp, thép hợp kim chịu nhiệt ). Phổ biến là thiết bị trao đổi nhiệt kim loại. Theo cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đ−ợc chia ra làm hai loại: loại ống kim loại nhẵn và loại ống có gai. Loại ống nhẵn đ−ợc chế tạo từ các ống thép nhẵn có đ−ờng kính trong d = 15 - 100 mm, chiều dày thành ống từ 3 - 5 mm. Các ống đ−ợc bố trí thành chùm ống theo kiểu bàn cờ hoặc so le, không khí đi trong ống còn khói lò đi ngoài ống. Nhiệt độ khói lò th−ờng không đ−ợc v−ợt quá 500oC. Loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, hệ số truyền nhiệt vào khoảng 15 - 25 Kcal/m2.h.độ. Loại ống mặt có gai đ−ợc chế tạo từ gang chịu nhiệt chứa 1,5 - 30 %Cr, có gai hai mặt hoặc có gai mặt trong, mặt ngoài nhẵn. Do bề mặt có gai, nên loại này có hệ số KK lạnh KK lạnh KK nóng KK nóng b)a) Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại a) ống trơn b) ống có gai - 140 - truyền nhiệt lớn, khoảng 80 - 100 Kcal/m2.h.độ, nh−ng kết cấu phức tạp, khó lắp đặt và l−ợng không khí rò lớn. 7.3.3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt Mục đích tính toán thiết bị trao đổi nhiệt là xác định bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của thiết bị. Khi chế độ nhiệt ổn định, l−ợng nhiệt truyền từ khói lò qua thành của thiết bị đến không khí xác định theo công thức sau: [Kcal/h] hoặc [W] F.t.KQ tb∆= ⇒ tbt.K Q F ∆= [m 2] (7.20) L−ợng nhiệt Q cần truyền từ khói lò đến không khí: ( ) ( )η−=−= .t.Ct.CVt.Ct.CVQ dkdkckckkdkkdkkckkckkkk (7.21) Trong đó: Vkk - l−ợng không khí cần nung nóng [m3/h]. Vk - l−ợng khói lò đi qua thiết bị [m3/h]. - hệ số sử dụng nhiệt của thiết bị 0,85 - 0,90. η , và , là nhiệt dung riêng của không khí và khi lò tr−ớc khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị. d kkC c kkC d kC c kC d kkt , và , là nhiệt độ của không khí và khí lò tr−ớc khi vào và sau khi ra khỏi thiết bị. c kkt d kt c kt K - hệ số truyền nhiệt từ khói đến không khí: Khi t−ờng phẳng: kkk 1S1 1 K α+λ+α = (7.22) Khi t−ờng hình trụ: 2kk1 2 1k r. 1 r r . 1 r. 1 1 K α+λ+α = (7.22) - 141 - Hiệu số nhiệt độ trung bình tbt∆ xác định phụ thuộc nhiệt độ đầu và cuối, h−ớng chuyển động của khói và không khí. Trên hình 7.3 trình bày một số tr−ờng hợp thông dụng và biểu đồ nhiệt độ sử dụng để tính tbt∆ . Hiệu số nhiệt độ trung bình trong thiết bị xác định theo nhiệt độ trung bình logarit: c d cd tb t t lg.3,2 tt t ∆ ∆ ∆−∆=∆ (6.23) Trong đó: - hiệu số nhiệt độ tại đầu khói vào: dt∆ Thuận dòng: dkk d kd ttt −=∆ Nghịch dòng: ckk d kd ttt −=∆ - hiệu số nhiệt độ tại đầu khói ra: ct∆ Thuận dòng: ckk c kc ttt −=∆ KK K KK K KK Giao nhau Ng−ợc dòng Thuận dòng K KK KK K K Chính giao thuận dòng Chính giao ng−ợc dòng tk tkk toC L (m) tk tkk d kt d kkt kkt d kt kkt c kkt d c kt c kt c toC L (m) Thuận dòng Ng−ợc dòng Hình 7.3 Phân loại chuyển động khói lò và không khí - 142 - Nghịch dòng: dkk c kc ttt −=∆ Sau khi tính đ−ợc Fk, tra bảng chọn loại ống trao đổi nhiệt, số l−ợng ống và bố trí số l−ợng ống trong một hàng và số hàng cần thiết để đảm bảo bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị lớn hơn hoặc bằng giá trị tính đ−ợc. - 143 - Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Trí, D−ơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn: “Lò công nghiệp” . Đại học Bách khoa Hà nội - 1996. 2. Bộ môn Luyện kim: “Nguyên lý lò luyện kim”. Đại học Bách khoa Hà nội - 1968. 3. E.I. Kazanxev: “Prôm−slenn−i petchi”. NXB “Metalurghi” , Moskva - 1975. 4. H.E. Xentruk, H. Dzmakin: “Teplôv−i ratriôt− plachenn−x petchêi dlia nagrepva i teplôôbrabôtki metala”. NXB Minxk -1974. - 144 - - 145 -