Thiết kế các lò điện trở

các sản phẩm cáp ngoại nhập là nhiệm vụ cơ bản, hàng đầu được đặt ra với các công ty sản xuất cáp điện lực Việt Nam. Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Để nâng cấp và hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây cáp nhôm của mình nhằm tạo ra những sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao, công ty đã đầu tư và xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc mới. Một trong số đó là các lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ các rulô cáp nhôm. Là sinh viên ngành Nhiệt – Lạnh, được giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế các lò điện trở này, em đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm kỹ thuật của các loại lò điện trở cũng như đặc tính của nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm ở nước ta để tìm ra phương án thiết kế cho phù hợp. Sau hơn 3 tháng thực hiện, được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS. TS. Phạm Văn Trí cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, bản đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành. Nội dung chính của bản đồ án tốt nghiệp bao gồm: Chương 1. Nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm. Chương 2. Tổng quan về lò điện và các loại lò điện trở. Chương 3. Chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thước cơ bản của lò. Chương 4.Tính thời gian nung kim loại. Chương 5. Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. Chương 6. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu Chương 7. Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định thiết kế cấu trúc lò và đưa ra các thông số kỹ thuật của lò nhưng do lần đầu tiên được giao nhiệm vụ thiết kế, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn hẹp nên không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn. Em xin gửi tới PGS. TS. Phạm Văn Trí, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc. Em xin gửi tới Ban giám đốc công ty cơ điện Trần Phú, Ban giám đốc công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam, KS. Vũ Tuấn Anh, các thầy cô giáo trong Viện khoa học và công nghệ Nhiệt – Lạnh, gia đình và bạn bè, những người đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên em trong thời gian em thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này, lời cảm ơn chân thành.  Chương 1 nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm 1.1. tính chất và vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật 1.1.1. Tính chất của nhôm Nhôm là nguyên tố hoá học thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn. Nhôm thuộc chu kì 3, có số hiệu nguyên tử Z = 13, kí hiệu hoá học Al. Nguyên tử Al có 13 electron với cấu hình điện tử e như sau: 1s22s22p63s23p1. Với cấu hình này, Al có 3 electron ở lớp ngoài cùng (3 electron hoá trị) do vậy nhôm thường có hoá trị III (Al3+).Tuy nhiên, nhôm cũng có hoá trị I (Al1+) và gần đây, người ta đã điều chế được nhôm hoá trị II (Al2+). Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A0, bán kính ion 0,86 A0 và nguyên tử lượng là 26,98 đ.v.C. Do có 3 electron hoá trị nên trong các phản ứng hoá học nhôm thể hiện tính nhường e (tính kim loại). Với độ âm điện lớn, nguyên tử nhôm có hoạt tính rất mạnh. Nhôm có thể phản ứng với ôxi trong không khí và tạo thành một lớp màng ôxit (Al2O3) mỏng, lớp màng này rất bền vững nên lớp nhôm ở bên trong không tiếp tục bị ôxi hoá. Vì vậy, nhôm có khả năng chống ăn mòn rất tốt. Cũng do có hoạt tính rất lớn nên trong tự nhiên, nhôm thường tồn tại dưới dạng các hợp chất vô cơ như : muối phèn (K2SO4.Al2(SO4)3. 21H2O), quặng bôxit (Al2O3. nH2O), . . . Xét về mặt vật lí, nhôm là kim loại nhẹ (khối lượng riêng 2,7 g/cm3), màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng (660 ữ 670) 0C . Nhôm rất dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi. Do có cấu tạo tinh thể dạng lập phương tâm diện, mật độ electron tự do lớn nên nhôm có độ dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn điện của nhôm cũng rất tốt. Độ dẫn điện của nhôm bằng 2/3 độ dẫn điện của đồng. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm lớn gấp 3 lần hệ số dẫn nhiệt của sắt. Các tính chất của nhôm như : tỉ trọng, nhiệt độ chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt dung riêng, độ dẫn điện . . . phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm. - Nhiệt độ chảy: Nhiệt độ chảy của nhôm sẽ tăng khi độ sạch của nhôm tăng ( xem bảng 1. 1 ) . Bảng 1. 1: Quan hệ giữa hàm lượng và nhiệt độ chảy của nhôm. Hàm lượng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,996 Nhiệt độ chảy [0C] 657 658 658,7 659,8 660,24 - Tỉ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm (xem bảng 1. 2). Bảng 1.2: Quan hệ giữa tỉ trọng của nhôm với nhiệt độ và độ sạch. Độ sạch Tỉ trọng của nhôm Nhôm rắn ở 200C Nhôm lỏng ở 10000C 99,250 2,7270 2,3110 99,400 2,7060 2,2910 99,750 2,7030 2,2890 99,751 2,6960 2,2890 99,996 2,6989 2,2890 Nhiệt độ sôi: ở áp suất thường, nhiệt độ sôi của nhôm gần bằng 25000C, nhưng ở trong chân không thì nhiệt độ sôi giảm xuống (xem bảng1.3) Bảng 1. 3: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của nhôm. áp suất [mm Hg] 0,0025 0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1000 2086 Nhiệt độ sôi [K] 1400 1480 1634 1880 2002 2382 2760 2830 3000 Nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng của nhôm thay đổi khi nhiệt độ thay đổi (xem bảng 1.4): Bảng 1. 4: Nhiệt dung riêng của nhôm trong khoảng 0 ữ 1000 0C. Nhiệt độ [0C] (trạng thái rắn) Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K] Nhiệt độ [0C] (trạng thái lỏng) Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K] 100 0,9456 657 1,634 200 0,9615 700 1,598 300 0,9987 750 1,565 400 1,3704 800 1,531 500 1,0100 900 1,482 600 1,0264 1000 1,444 657 1,0350 - Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nhôm tăng theo độ sạch (xem bảng 1. 5): Bảng 1. 5: Quan hệ giữa độ dẫn điện với độ sạch của nhôm. Độ sạch [% Al] Nhiệt độ [0C] Điện trở suất x 10-3 [Ώ.mm2/m] So với độ dẫn điện của đồng [%] 99,500 0 25,300 62,50 99,959 0 24,500 64,50 99,971 20 26,690 64,90 99,996 20 26,548 65,49 1.1.2. Vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi (sau sắt) trong nhiều ngành kinh tế - kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Những ứng dụng này của nhôm liên quan chặt chẽ đến tính chất vật lí và hoá học của nhôm. Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính: nhẹ, bền đối với không khí và nước. Nhôm được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô , tên lửa, tầu vũ trụ… Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc được dùng trong xây dựng nhà cửa và trang trí nội thất. Nhôm có tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt nên được dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng . Nhôm được dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, dụng cụ đun nấu. Giấy nhôm không gây độc hại nên được dùng để bao gói thực phẩm, bánh kẹo. Bột nhôm dùng chế tạo hỗn hợp tecmic (hỗn hợp bột nhôm và ôxit sắt từ) để hàn kim loại, điều chế một số kim loại trong phòng thí nghiệm. Nhôm siêu sạch dùng để chế tạo bán dẫn Al - Sb. Loại bán dẫn này chịu được nhiệt độ cao nên được dùng nhiều trong kĩ thuật điện tử. 1.2. tình hình sản xuất tiêu thụ và công nghệ chế tạo cáp nhôm ở nước ta hiện nay 1.2.1. Tình hình sản xuất – tiêu thụ cáp nhôm ở nước ta hiện nay Hiện nay, ở nước ta, dây cáp nhôm được sản xuất bởi rất nhiều công ty như : Công ty cơ điện Trần Phú (Hà Nội), Liên doanh LG – Vina (Hải Phòng), Liên doanh CFT – Cadivi (Hồ Chí Minh), Liên doanh Daesung – Việt Nam (Cơ khí Yên Viên), . . . với nhiều chủng loại và mẫu mã khác nhau. Sản phẩm chủ yếu của các công ty này là: Cáp nhôm có lõi thép, cáp nhôm không có lõi thép, cáp nhôm có lõi thép bọc vỏ và cáp nhôm không có lõi thép bọc vỏ, các loại dây điện trần, dây điện bọc vỏ, . . . Các sản phẩm này có chất lượng tốt, mẫu mã đa dạng và phong phú nên không chỉ được thị trường trong nước chấp nhận mà còn rất được ưa chuộng ở nước ngoài. Sản phẩm của các công ty này đã được xuất khẩu sang : Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc,… với số lượng ngày càng tăng. ở trong nước, với chiến lược phát triển mạng lưới điện quốc gia đến năm 2010 của ngành điện lực, nhu cầu tiêu thụ cáp điện của các công ty xây lắp điện cũng tăng mạnh. Chỉ tính riêng ở công ty cơ điện Trần Phú, lượng cáp điện được đặt hàng trong năm 2004 là: Cáp nhôm không lõi thép: 1200 tấn. Cáp nhôm có lõi thép: 600 tấn. Cáp nhôm bọc PVC: 8000 tấn. Nhu cầu về cáp điện của thị trường đối với các công ty khác cũng khá lớn. Đây là điều kiện rất thuận cho việc đầu tư sản xuất - kinh doanh của các công ty sản xuất dây cáp điện ở nước ta trong thời gian tới. 1.2.2. Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm Để tạo ra những sản phẩm có chất lượng và hình thức đặc trưng, mỗi công ty đều có dây chuyền công nghệ, thiết bị sản xuất và công nghệ chế tạo riêng biệt khác nhau. Nhưng nhìn chung tất cả các sản phẩm do các công ty ở nước ta sản xuất đều trải qua các giai đoạn công nghệ sau: Nhập nhôm thỏi từ nước ngoài về. Nấu chảy nhôm thỏi trong lò. Đúc cán nhôm f8 liên tục. Kéo nhôm f8 thành f2 ( Henrich ). Bện khung cứng. Dây chuyền công nghệ sản xuất cáp nhôm được trình bày trên hình 1.1: Chương 2 tổng quan về lò điện và lò điện trở. 2.1. lò điện và lĩnh vực sử dụng của lò điện 2.1.1. Lò điện và đặc điểm của lò điện Lò điện là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nóng hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau... Lò điện có ưu điểm: - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong thể tích nhỏ. - Tạo ra được tốc độ nung lớn do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao. - Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh chế độ điện và chế độ nhiệt của lò. - Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ nên kim loại ít bị tổn hao. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ liệu và vận chuyển vật phẩm . - Đảm bảo được điều kiện lao động hợp vệ sinh: không có bụi, khói, ít tiếng ồn. Điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ. Lò điện có nhược điểm: - Năng lượng điện đắt so với các năng lượng khác: than, dầu, khí... - Yêu cầu người vận hành lò điện phải có trình độ cao, nghiệp vụ tốt. 2.1.2. Lĩnh vực sử dụng của lò điện Với những ưu, nhược điểm của lò điện đã trình bày ở trên, lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật: - Trong luyện kim và chế tạo máy, lò điện có một vị trí quan trọng và thường được dùng để: + Sản xuất thép chất lượng cao. + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. + Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo dây kéo sợi. - Trong công nghiệp hoá học lò điện được sử dụng để: + Sản xuất CaC2, SiC, B4C. + Sản xuất CS2, C2H2... + Sản xuất các kim loại kiềm thổ. - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được sử dụng để: sấy, mạ vật phẩm và chế biến thực phẩm. + Trong các lĩnh vực khác, lò điện được sử dụng để sản xuất: gốm, sứ, thuỷ tinh, các loại vật liệu chịu lửa... Ngoài ra, lò điện còn được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt: bếp điện, nồi cơm điện, bình nước nóng, thiết bị nung, rán, sấy điện... 2.2. Các phương pháp biến đổi điện năng thành nhiệt nănG Điện năng được biến đổi thành nhiệt năng theo các phương pháp sau : - Phương pháp điện trở. - Phương pháp cảm ứng. - Phương pháp hồ quang điện. - Phương pháp điện môi. - Phương pháp Plasma. 2.2.1. Phương pháp điện trở ( hình 2.1 ) Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule-Lence: Khi dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở R thì trên dây dẫn sẽ toả ra một lượng nhiệt, lượng nhiệt này được tính theo công thức: Q = R.I2.t [J] Trong đó: - R : điện trở của dây dẫn, []. - I : cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, [A]. - t : thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s]. Nguyên lý làm việc của lò điện trở được trình bày trên hình 2.1: Hình 2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở. a - Đốt nóng trực tiếp. b - Đốt nóng gián tiếp 1 - Cầu dao điện. 4 - Vật liệu được nung nóng trực tiếp. 2 - Biến áp. 5 - Vật liệu được nung nóng gián tiếp. 3 - Đầu cấp điện. 6 - Dây điện trở. 2.2.2. Phương pháp cảm ứng ( hình 2.2 ) Phương pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday: Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì tạo ra từ trường biến thiên xung quanh cuộn cảm. Từ trường biến thiên này tác động lên vật dẫn (vật nung hoặc nấu chảy) làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vật dẫn - dòng điện xoáy (dòng Fucô). Những phần của vật dẫn có dòng điện xoáy sẽ toả nhiệt. Những phần không có dòng điện xoáy chạy qua sẽ nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt hoặc đối lưu từ phần kim loại nóng có dòng điện xoáy chạy qua. Nguyên lý làm việc của lò điện cảm ứng được trình bày trên hình 2.2: Hình 2.2. Nguyên lý làm việc của lò điện cảm ứng a. Lò điện cảm ứng có kênh. b. Lò điện cảm ứng kiểu nồi. 1. Mạch dẫn từ . 3. Nồi lò, chứa vật liệu cần gia công. 2. Vòng cảm ứng. 4. Tường lò bằng vật liệu chịu nóng. 2.2.3. Phương pháp hồ quang điện ( hình 2.3 ) Phương pháp hồ quang điện dựa trên nguyên lý phát nhiệt của ngọn lửa hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí. Bình thường thì khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người ta dùng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang để gia nhiệt cho vật nung hoặc nấu chảy. Nguyên lý làm việc của lò hồ quang điện được trình bày trên hình 2.3: Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của lò điện hồ quang a – Lò hồ quang trực tiếp. b – Lò hồ quang gián tiếp. 1 – Điện cực. 3 – Vật gia công nhiệt. 2 – Ngọn lửa hồ quang. 4 – Tường lò. 2.2.4. Phương pháp điện môi ( hình 2.4 ) Phương pháp điện môi dựa trên nguyên tắc: Nếu đặt các vật liệu rắn, không dẫn điện vào vùng điện trường có tần số cao thì các nguyên tử, các phân tử của vật đó sẽ bị phân cực. Sự phân cực này có tần số bằng tần số biến đổi của điện trường và tần số này thường rất lớn. Đối với sự phân cực có tần số lớn thì sẽ sinh ra nhiệt ma sát, nhiệt ma sát này toả ra trong toàn bộ thể tích của vật nung. Trong lò nung điện môi, vật liệu nung được đặt giữa các phần điện cực. Các điện cực này có thể tiếp xúc với vật nung hoặc đặt cách xa vật nung một khoảng nào đó. Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi được trình bày trên hình 2.4: Hình 2.4. Nguyên lý làm việc của lò hồ quang điện. Hình 2.4. Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi. 2.2.5. Phương pháp Plasma ( hình 2.5 ) Phương pháp Plasma dựa trên nguyên tắc phát nhiệt Plasma: đó là sự toả nhiệt trong luồng không khí được ion hoá dưới tác dụng của hồ quang điện. Do khí bị ion hoá và bị nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt rất cao và nhiệt độ đạt được cũng rất lớn (10000 20000) OC. Nguyên lý làm việc của lò điện Plasma được trình bày trên hình 2.5: 1. Bể lò kim loại. 2. Cuộn cảm để nung nóng và khuấy trộn kim loại. 3. Nồi lò bằng vật liệu chịu nóng. 4. Ngọn lửa hồ quang. 5. ống bao quanh điện cực. 6. Điện cực graphit. 7. Đường thổi khí Argon. 8. Điện cực gắn vào nồi lò. Hình 2.5. Nguyên lý làm việc của lò điện Plasma. 2.3. Phân loại lò điện 2.3.1. Phân loại lò điện Theo phương pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng người ta chia lò điện thành các loại sau: - Lò điện trở. - Lò điện cảm ứng. - Lò điện hồ quang. - Lò nung điện môi. - Lò điện Plasma. Đối với từng loại lò người ta lại phân chia ra cụ thể hơn theo nguyên lý phát nhiệt hoặc theo cấu trúc lò. Lò điện trở được phân thành lò điện trở tác dụng trực tiếp và lò điện trở tác dụng gián tiếp. Lò điện cảm ứng phân thành lò điện cảm ứng có lõi sắt (lò điện cảm ứng có kênh) và lò điện cảm ứng không có lõi sắt (lò nồi). Lò điện hồ quang được phân thành lò điện hồ quang trực tiếp và lò điện hồ quang gián tiếp. 2.3.2. Sơ đồ phân loại lò điện Sự phân loại lò điện được trình bày trên hình 2.6 và hình 2.7 : Hình 2.6. Sơ đồ phân loại lò điện. 2.4. Vật liệu để chế tạo dây điện trở 2.4.1. Yêu cầu của vật liệu chế tạo dây điện trở Dây điện trở là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao do đó phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Chịu nóng tốt, ít bị ôxi hoá ở nhiệt độ cao. - Có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao, có thể tự bền vững dưới tải trọng của dây. - Điện trở suất phải lớn: Tạo cho dây điện trở có cấu trúc gọn khi cùng đáp ứng một công suất yêu cầu, dễ dàng bố trí trong lò. - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ: Hầu hết các vật liệu chế tạo dây điện trở đều có hệ số nhiệt điện trở nhỏ và dương (nhiệt độ càng cao, điện trở càng lớn). - Các kích thước phải ổn định : Một số vật liệu, ngày càng chảy dài ra, đứng về mặt cấu tạo, lắp ráp không thuận lợi, khi xây lò và lắp ráp phải chừa chỗ dự phòng cho sự dãn dài của dây, như vậy không đạt yêu cầu chắc chắn. - Các tính chất điện phải ổn định hoặc ít thay đổi. - Dễ gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim loại phải ép khuôn được. Để thoả mãn 7 yêu cầu trên, trong thực tế rất khó có vật liệu nào đáp ứng được, nhưng người ta đã chọn được một số vật liệu thoả mãn tốt các yêu cầu chính để chế tạo dây điện trở. Các vật liệu đó là: Crôm - Niken, Crôm - Nhôm, Crôm - Nhôm - Sắt, Cacbuarun (SiC),... 2.4.2. Vật liệu kim loại Đa số các lò điện trở dùng dây điện trở bằng hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm), hợp kim Crôm - Nhôm - Sắt. Những hợp kim này có điện trở suất lớn. Các kim loại nguyên chất ít được sử dụng vì: điện trở suất của chúng không lớn, hệ số nhiệt điện trở lớn, dễ bị ôxi hoá trong không khí. Những kim loại có nhiệt độ chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta), Vonfram (W) được dùng làm dây điện trở trong các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. Trong những lò làm việc ở nhiệt độ thấp, chế độ làm việc ngắn thì có thể sử dụng thép xây dựng làm dây điện trở. a) Hợp kim Nicrôm Hợp kim Nicrôm có độ bền nóng tốt vì có lớp màng crôm ôxit (Cr2O3) bảo vệ rất chắc chắn, chịu được sự thay đổi nhiệt độ tốt nên có thể làm việc trong các lò có chế độ làm việc gián đoạn. Hợp kim Nicrôm có cơ lý tính tốt ở nhiệt độ thường cũng như nhiệt độ cao: dẻo, dễ gia công, dễ hàn, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở nhỏ, không có hiện tượng già hoá. Nicrôm là vật liệu đắt tiền nên người ta có khuynh hướng tìm các loại vật liệu khác thay thế. b) Hợp kim Sắt - Crôm - Nhôm Hợp kim này chịu được nhiệt độ cao, thoả mãn các yêu cầu về tính chất dẫn điện, nhưng có nhược điểm là: giòn, khó gia công, kém bền cơ học ở nhiệt độ cao. Vì vậy khi thiết kế cần lưu ý tránh tác động tải trọng của chính dây điện trở. Một nhược điểm nữa của hợp kim này là ở nhiệt độ cao dễ bị các ôxit sắt, ôxit silic tác dụng hoá học, phá hoại lớp màng bảo vệ của các ôxit nhôm và crôm. Vì vậy, tường lò (ở những nơi tiếp xúc với dây điện trở) phải là vật liệu chứa nhiều Alumin (Al2 O3 ≥ 70%, Fe2O3 ≤ 1%) . Độ dãn dài của hợp kim này tới 30% á 40% đã gây khó khăn khi lắp đặt dây trong lò, vì vậy cần tránh đoản mạch khi dây dãn dài và cong. ở Liên Xô cũ, người ta đã chế tạo được hai hợp kim эи - 595 và эи - 626 có nhiệt độ làm việc đạt 13000C. Chúng là hợp kim Crôm có hàm lượng lớn, được biến tính bằng các kim loại kiềm thổ nên tăng độ dẻo ở 10000C, do vậy có độ bền cao. Các dây điện trở được tiêu chuẩn hoá khi sản xuất. Dây điện trở bằng hợp kim X13ю4; OX23ю5A; X27ю5A; X20H80 có các loại: Dây tròn có đường kính d [mm]: Đường kính dây ( d ) [ mm ] 2 2,2 2,5 2,8 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 Dây điện trở có tiết diện hình chữ nhật (a x b) [mm x mm]: Tiết diện của dây ( a x b ) [ mm x mm] 1,0x8 1,0x10 1,2x10 1,2x12 1,2x15 1,2x20 1,4x10 1,4x15 1,4x20 1,5x10 1,5x12 1,5x15 1,5x20 1,8x15 1,8x18 1,8x20 2,0x15 2,0x20 2,0x25 2,2x20 2,2x25 2,5x20 2,5x25 2,5x30 2,5x40 3,0x25 3,0x30 3,0x40 Những kích thước được dùng phổ biến là: - Dây điện trở tiết diện tròn có cấu trúc xoắn lò xo: Đường kính dây : 5 ; 5,5 ; 6 ; 6,5 ; 7 [mm]. - Dây điện trở dạng lõi có cấu trúc dích dắc: Đường kính dây: 8; 8, 5; 9 [mm]. - Dây có tiết diện hình chữ nhật có cấu trúc dích dắc : Tiết diện dây: 2 x 20; 2, 5 x 25 ; 3 x 30 [mm]. - Dây diện trở làm việc trong các lò có đối lưu tuần hoàn hoặc trong các buồng nung không khí thường có: Đường kính dây: 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 [mm]. Tiết diện dây: 1 x 10; 1, 2 x 12 ; 1,5 x 15 [mm x mm]. 2.4.3. Vật liệu phi kim loại Các vật liệu phi kim loại được sử dụng làm dây nung thường là: Cacbuarun (SiC), than và grafit , cripton. a) Vật liệu Cacbuarun Cacbuarun là hợp chất của cacbon và silic, được chế tạo dưới dạng thanh. Các thanh Cacbuarun chỉ khác nhau về cấu trúc và phương pháp chế tạo. Cacbuarun chịu được nhiệt độ cao 1350 14000C nên có thể đảm bảo cho lò đạt tới nhiệt độ 1350 1400 0C. Điện trở suất của Cacbuarun lớn hơn nhiều so với kim loại, chúng đạt tới (800 900) .mm2/m vì vậy các thanh Cacbuarun thường có kích thước lớn . Các thanh Cacbuarun giòn, tăng nhiệt độ nhanh khi nung nên phải sấy và nâng nhiệt từ từ. Điện trở của thanh Cacbuarun giảm khi nhiệt độ tăng. Khi làm việc, thanh nung Cacbuarun bị già hoá (điện trở tăng lên khi thời gian sử dụng tăng). Sau 60 80 giờ làm việc đầu tiên, điện trở tăng 20%, sau đó tăng chậm hơn. Vì điện trở tăng dần do bị già hoá, nên để đảm bảo công suất, phải tăng điện áp cấp vào lò (P = U2/R), cho nên lò làm việc với thanh Cacbuarun thường phải có máy biến áp nhiều nấc điện áp để điều chỉnh điện áp thứ cấp. Thời gian sử dụng các thanh nung Cacbuarun từ 1000 đến 2000 [h] khi nhiệt độ lò là 14000C. Nếu nhiệt độ lò cao hơn 14000C, thời gian làm việc giảm đi nhiều lần. Nếu nhiệt độ lò trong khoảng 12000C ữ 13000C thì thời gian làm việc tăng 2 ữ 3 lần so với ở 14000C. Do các thanh nung Cacbuarun bị già hoá khác nhau, ta không nên đấu nối tiếp các thanh nung Cacbuarun. Các đặc trưng kỹ thuật của các thanh nung Cacbuarun do Liên Xô sản xuất được trình bày ở bảng 2. 1: Bảng 2.1. Các đặc trưng kỹ thuật của thanh đốt SiC ( Liên Xô sản xuất). Kiểu thanh đốt Kích thước [mm] Diện tích bề mặt làm việc [cm2] Điện trở ban đầu của thanh ở điều kiện nóng [Ώ] Chiều dài toàn thanh ( L∑) Đường kính hai đầu( D ) Thanh nung công nghiệp KHC – 25 x 300 406 - 236 0,77 ữ 1,75 KHC – 25 x 300 1120 25 236 1,10 ữ 1,55 KHC – 25 x 400 1120 25 314 1,20 ữ 1,80 KHC – 32 x 560 711 - 564 1,20 ữ 2,80 KHMB – 25 x 400 640 - 314 1,10 ữ 2,00 Dùng trong phòng thí nghiệm KHM – 8 x 100 270 14 25,1 1,0 ữ 2,0 KHM – 8 x 150 270 14 37,8 1,5 ữ 3,0 KHM – 8 x 150 320 14 37,8 1,5 ữ 3,0 KHM – 8 x 150 420 14 37,8 1,5 ữ 3,0 KHM – 8 x 180 300 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 180 350 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 180 400 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 180 480 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 200 500 14 50,2 2,0 ữ 4,0 KHM – 8 x 250 450 14 62,5 2,5 ữ 5,0 KHM – 12 x 250 750 18 94,2 1,5 ữ3,0 KHM – 14 x 300 800 23 132 1,75 ữ 3,50 Dùng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm KHL - 12 x 200 280 - 75,4 4,4 ữ 9,0 KHL - 12 x 200 320 - 86,5 4,5 ữ 9,0 KHL - 16 x 230 320 - 115 4,5 ữ 9,0 Ghi chú: 1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%. 2. Hai chữ số viết ở mác thanh đốt: - Chữ số thứ nhất là đường kính phần làm việc. - Chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc. b) Vật liệu than và grafit Than và grafit được dùng để chế tạo dây đốt dưới dạng thanh, ống, tấm hoặc nồi. Ta trộn thêm một lượng nhỏ samốt vào grafit để tăng độ bền, tăng điện trở suất, nhưng lại làm giảm nhiệt độ làm việc. Khi nung, than và grafit dễ bị ôxi hoá trong không khí nên thường được dùng trong các lò có khí bảo vệ hoặc tính toán với thời gian làm việc ngắn. c) Vật liệu Cripton Cripton là hỗn hợp của grafit, cacbuarun và đất sét. Chúng được tạo hạt có đường kính 2 3 mm. ở dạng hạt, xuất hiện điện trở tiếp xúc giữa các hạt nên điện trở suất của Cripton lớn hơn điện trở suất của than và grafit. Điện trở suất của Cripton phụ thuộc nhiều vào độ nén chặt giữa các hạt . Trong các lò thí nghiệm, nhiệt độ lò đạt 18000C. Cripton bị cháy dần khi làm việc, nhưng giá thành của lò rẻ và lò có cấu tạo đơn giản nên lò Cripton vẫn được sử dụng khá rộng rãi. 2.4.4. Cấu trúc của dây điện trở kim loại Trong các lò điện trở, dây điện trở thường có tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ nhật. Từ hai loại tiết diện này, người ta tạo ra các kiểu cấu trúc dây khác nhau: Dây điện trở tròn có cấu trúc xoắn (xoắn trụ hoặc xoắn phẳng). Dây điện trở tròn có cấu trúc dích dắc. Dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc. Kích thước cơ bản của các loại dây được mô tả trên hình 2. 7: Hình 2. 7. Các kích thước cơ bản của dây điện trở. a – Dây tiết diện tròn, kiểu dích dắc. b – Dây tiết diện chữ nhật, kiểu dích dắc. c – Dây tiết diện tròn, kiểu xoắn lò xo. Khi chọn lựa và lắp đặt dây vào trong lò cần chú ý: - Khả năng ăn mòn hoá học giữa dây điện trở và lớp lót tiếp xúc với dây điện trở. - Khả năng ăn mòn hoá học của khí lò đối với dây. - Khi nhiệt độ dây điện trở cao hơn 9000C không được đặt dây điện trở trực tiếp lên tường lò bằng gạch samôt (để tránh tạo ra hợp chất dễ chảy giữa dây và samôt). - Để giữ dây cố định, ta dùng gạch gốm chất lượng cao làm gạch đỡ dây điện trở (samôt loại A, vật liệu Alumin, vật liệu giàu Al2O3). - Dây điện trở Sắt – Crôm – Nhôm bị giòn trong môi trường có chứa khí CO. Trong môi trường này ta phải dùng dây điện trở Crôm – Nhôm (Cr - Al). a) Cấu trúc dây điện trở có tiết diện chữ nhật Dây điện trở có tiết diện chữ nhật thường có cấu trúc dích dắc. Chúng thường được treo thẳng đứng trên tường lò hoặc đặt nằm ngang ở đáy lò, nóc lò. Những kích thước cơ bản của dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc và cách treo chúng lên tường lò được mô tả trên hình 2. 7 và 2. 8 . Dây điện trở tiết diện chữ nhật, kích thước a x b thì thường m = b/a = 10. Bước dích dắc t nên chọn bằng 2b (t = 2b). Khi bố trí dây điện trở trên tường lò, ta dùng các móc nhỏ làm bằng chính vật liệu của dây, cắm vào tường lò để giữ dây. Việc bố trí các móc này tuỳ theo bước dích dắc t (hình 2.8). Hình 2.8. Dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc, treo trên tường. A – Chốt bằng móc tròn. B – Chốt bằng móc tấm. 1 – Đệm lót bằng gốm. 5 – Dây điện trở tấm. 2 – ống gốm . 6 – Móc tròn. 3 – Đệm bằng kim loại . 7 – Chốt dạng tấm. 4 – Chốt giữ kiểu vòng. Chiều cao dích dắc H không vượt quá 10b (H ≤ 10b) khi treo. Khi đặt dây điện trở nằm ngang trên giá đỡ hoặc trên các bản gốm có rãnh thì chiều dài H không bị giới hạn. b) Cấu trúc dây điện trở có tiết diện tròn kiểu dích dắc Dây điện trở tiết diện tròn, cấu trúc dích dắc được kẹp chặt trên tường bên bằng những viên gạch gốm có gờ, hoặc dùng móc treo bằng thép bền nhiệt (d > 7 mm). Chiều cao dích dắc H nên chọn: - Đối với hợp kim Crôm – Niken: H ≤ 250 mm (treo trên tường). H ≤ 200 mm (đặt dưới nóc lò). - Đối với hợp kim Sắt – Crôm – Nhôm: H ≤ 200 mm (treo trên tường). H ≤ 150 mm (đặt dưới nóc lò). Đối với dây tiết tròn, kiểu dích dắc đặt ở đáy lò thì chiều cao dích dắc H có thể lấy lớn hơn (20 ữ 30) % so với các giá trị nêu trên. Khoảng cách giữa các trục của dích dắc e (xem hình 2. 7 và 2. 8) đặt trong các tấm gạch định hình có gờ, phụ thuộc vào kích thước của viên gạch. Hiện nay, các viên gạch có kích thước bước gờ là: 12,5 và 17,5 mm. Đối với những dây dùng chốt để kẹp chặt thì khoảng cách e không nhỏ hơn 2,75 lần đường kính dây điện trở. Những dây treo ở tường bên thì được treo trên các móc, các móc này được chốt vào tường lò. c) Cấu trúc dây điện trở có tiết diện tròn, kiểu xoắn lò xo ở những lò có nhiệt độ thấp, người ta treo tự do dây xoắn hoặc cố định chúng bằng các dây cách điện. ở những lò có nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ cao, người ta đặt dây xoắn ở trong các rãnh hoặc nằm trên các giá đỡ hay quấn quanh các ống gốm. Đường kính dây là d, đường kính vòng xoắn là D, bước xoắn t ≥ 2d, được trình bày trên hình 2. 7. Trong cùng điều kiện như nhau, nếu bước xoắn t càng lớn thì ảnh hưởng che chắn giữa các vòng xoắn càng nhỏ. Đường kính trung bình của mỗi vòng xoắn D càng lớn thì khả năng phân bố công suất trên 1m2 tường lò càng lớn, nhưng độ bền cơ học lại yếu đi và dễ xảy ra biến dạng của đường xoắn dưới tác dụng của trọng lượng bản thân dây xoắn. Khi đặt dây xoắn nằm tự do thì giá trị D/d không lớn hơn 10 (D/d ≤ 10) và các giá trị D/d được chọn theo bảng 2.2: Bảng 2.2. Các giá trị (D/d) max tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu dây. Các giá trị (D/d)max được chọn tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu dây Nhiệt độ dây [0C] Dây Crôm – Niken Dây Sắt – Crôm – Nhôm 1000 10 8 1100 9 7 1200 - 6 1300 - 5 Chú ý: - Dây nung xoắn quấn trên ống gốm có thể tăng tỉ số (D/d) max so với bảng 2.1. - Phải đảm bảo vít quấn đều vì tại những vùng bước vít bị mau thì nhiệt độ của dây sẽ quá cao và gây đứt dây nung. 2.4.5. Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò Trong thực tế có rất nhiều kiểu bố trí dây điện trở ở những vị trí khác nhau trong lò, mỗi kiểu bố trí dây đều có những ưu, nhược điểm riêng. Tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ của từng lò, ta sẽ chọn cách bố trí dây điện trở cho phù hợp . Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò được trình bày trên hình 2. 9: 2.5. Công suất bề mặt riêng của dây điện trở 2.5.1. Công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng Dây điện trở lí tưởng là dây điện trở nằm xen giữa hai mặt phẳng song song vô tận của vật nung. Lớp lót không tham gia trao đổi nhiệt (tổn thất nhiệt bằng không). Như vậy nhiệt lượng toả ra từ dây điện trở sẽ được hướng toàn bộ tới bề mặt vật nung và không có tổn thất nhiệt. Công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng là công suất toả ra trên một đơn vị diện tích bề mặt của dây. Công suất này phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của dây điện trở và phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của vật nung. Wlt = . 10 -4 [W/cm2]. (2.1) Trong đó: Wlt: công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng, [W/cm2]. Td: nhiệt độ bề mặt của dây điện trở, [K]. T v: nhiệt độ bề mặt của vật nung, [K]. Cqd: hệ số bức xạ qui dẫn, [W/m2 .K4]. [W/ m2. K4]. (2.2) Với: - ed: độ đen của dây điện trở. - ev: độ đen của vật liệu nung. Mối quan hệ giữa công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng (Wlt) và nhiệt độ của dây (Td), nhiệt độ bề mặt vật nung (Tv) khi ed = ev = 0,8 có nghĩa là = 3,78 [W/m2.K4] được trình bày trên hình 2. 10. Khi xác định Wlt (theo 2.1) chúng ta hiểu Td là nhiệt độ cao nhất của dây đảm bảo thời gian phục vụ theo y._.êu cầu cho trước. Hình 2.10. Công suất bề mặt riêng của dây nung lý tưởng Wlt phụ thuộc vào nhiệt độ vật nung tv và nhiệt độ dây điện trở td . 2.5.2. Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực Công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực là công suất toả ra trên một đơn vị diện tích bề mặt của dây điện trở thực tế. Theo định nghĩa này, thì giá trị của nó bằng thương số giữa công suất dây điện trở và bề mặt xung quanh của dây điện trở đó. , [W/cm2]. (3.3) trong đó: W: công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, [W/cm2]. P: công suất toả nhiệt của dây điện trở, [W]. Fxq: diện tích bề mặt xung quanh của dây điện trở, [cm2]. Trong thực tế, người ta xác định công suất bề mặt riêng của dây điện trở thông qua công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng và sau đó xét tới ảnh hưởng của những yếu tố khác biệt giữa dây điện trở thực và dây điện trở lí tưởng. W = Wlt. ac. at. akt. ahq , [W/cm2]. (3.4) Trong đó: W: công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, [W/cm2]. Wlt: công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng, tính theo công thức hoặc tra theo đồ thị ở hình 2. 10, [W/cm2]. ac: hệ số hiệu chỉnh khi xét tới ảnh hưởng của hệ số bức xạ qui dẫn Cqd. Khi = 3,78 [W/cm2.K4] thì ac = 1. Hệ số hiệu chỉnh ac được tra theo đồ thị ở hình 2. 11. Hình 2.11. Hệ số ac phụ thuộc vào hệ số bức xạ qui dẫn. - akt : hệ số hiệu chỉnh khi xét tới ảnh hưởng của kích thước vật nung. Giá trị akt phụ thuộc vào tỉ số giữa bề mặt tính toán của vật nung (Fv) và bề mặt của tường lò có bố trí dây điện trở (Ft). Giá trị của akt được xác định theo đồ thị trên hình 2. 12. Hình 2.12. Hệ số akt phụ thuộc vào tỉ số Fv/ Ft . Fv : bề mặt trao đổi nhiệt của vật nung, [m2]. Ft : bề mặt tường lò, trên đó có bố trí dây điện trở, [m2]. - a t : hệ số hiệu chỉnh khi xét tới ảnh hưởng của cấu trúc và cả hình dạng tiết diện của dây điện trở, cụ thể là xét tới ảnh hưởng bước xoắn. Giá trị của at được xác định theo đồ thị hình 2.13a, hình 2. 13b, hình 2.13c. Hình 2.13a. Hệ số at phụ thuộc vào t/d đối với dây tiết diện tròn, cấu trúc xoắn. t - bước xoắn. d - đường kính dây. Hình 2.13b. Hệ số at phụ thuộc vào tỉ số e/d, dây tròn kiểu dích dắc. Hình 2.13c. Hệ số at phụ thuộc vào tỉ số e/b, dây tiết diện hình chữ nhật, kiểu dích dắc. - ahq: hệ số hiệu chỉnh khi xét tới ảnh hưởng bức xạ có hiệu quả của dây điện trở. Giá trị của ahq tra theo bảng 2.3, ứng với m = b/a = 10. Khi m ≠ 10 thì ahq có thay đổi nhưng không đáng kể. Khi vật nung đặt trong lòng của dây xoắn thì ahq = 0, 68. Bảng 2.3. Giá trị của hệ số ahq. Kiểu dây điện trở Khoảng cách vít nhỏ nhất ahq Dây tiết diện tròn, cấu trúc dích dắc. e/d = 2,75 0,68 Dây tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc . e/b = 0,90 0,40 Dây tiết diện tròn , cấu trúc xoắn trên ống gốm . t/d = 2 0,32 Dây tiết diện tròn, cấu trúc xoắn đặt trên giá đỡ . t/d = 2 0,32 Dây đốt dạng thỏi, cấu trúc dích dắc . t/d = 2,75 0,68 Chương 3 Chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thước cơ bản của lò. 3.1. chọn cấu trúc lò 3.1.1. Cơ sở lựa chọn cấu trúc lò Khi lựa chọn cấu trúc lò cần lưu tâm tới các dữ liệu kỹ thuật sau: - Đảm bảo yêu cầu công nghệ của dây chuyền sản xuất đề ra. - Năng suất, thời gian, số lượng vật liệu đưa vào lò. - Hình dáng, kích thước vật liệu được gia công nhiệt trong lò. - Công nghệ nung nóng vật liệu. Dựa trên các điều kiện đã cho ban đầu và đặc điểm làm việc của từng loại lò, ta sẽ lựa chọn được cấu trúc lò phù hợp. Với yêu cầu đặt ra của đề tài đồ án tốt nghiệp này, lò thiết kế là lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ rulô cáp nhôm trong công nghệ chế tạo cáp điện lực của Công ty cáp điện lực DEASUNG – Việt Nam: - Lò có nhiệt độ sử dụng: 150 180OC. - Nhiệt độ cao nhất của lò: 250OC. - Dung sai nhiệt độ: ± 30C. - Đường kính của rulô sau khi đã quấn dây cáp nhôm: = 570 mm. - Hệ số điền đầy của cáp nhôm khi quấn trên rulô: k = 0,75. - Thời gian nâng nhiệt của lò: tới 180OC trong 1 giờ. - Năng suất của lò: 3000 kg/ mẻ nung. - Vật gia công nhiệt: Rulô cáp nhôm có các kích thước cơ bản được trình bày trên hình 3.1: Hình 3.1. Rulô dùng quấn dây cáp nhôm. 3.1.2. Chọn cấu trúc lò a) Các yêu cầu về cấu trúc lò: Theo yêu cầu công nghệ và các điều kiện ban đầu đã trình bày ở trên, lò lựa chọn cần có cấu trúc thoả mãn các yêu cầu sau: - Lò làm việc theo chu kỳ (theo từng mẻ nung). - Lò kiểu buồng, có đáy di động (để thuận tiện cho việc chất, dỡ liệu). - Có sự đối lưu tuần hoàn cưỡng bức của không khí nóng trong buồng lò (để đảm bảo sự đồng đều nhiệt độ và khả năng trao đổi nhiệt trong buồng lò được thuận lợi). - Đảm bảo không gian buồng lò kín để tổn thất nhiệt ở mức thấp nhất. - Đảm bảo sự an toàn về điện cho công nhân kỹ thuật khi vận hành lò. Ta lựa chọn cấu trúc lò để đạt được ở mức cao nhất những yêu cầu về công nghệ và kỹ thuật được trình bày ở trên. b) Chọn cấu trúc lò: Sau khi nghiên cứu cấu trúc và đặc điểm của từng loại lò cũng như những yêu cầu mà lò thiết kế cần thoả mãn ta quyết định lựa chọn và thiết kế lò. Hình dáng sơ bộ của lò được trình bày trên hình 3.2: Hình 3.2. Hình dáng sơ bộ của lò điện trở ủ rulô cáp nhôm. 1 – Đường ray. 6 – Các tấm ngăn và vỏ lò bằng thép. 2 – Dây điện trở. 7 – Đáy lò di động. 3 – Các rulô cáp nhôm. 8 – Dao rạch trên máng cát. 4 – Lớp xỉ bông cách nhiệt. 9 – Máng cát. 5 – Quạt gió tuần hoàn. 10 – Bê tông móng lò. Nguyên lý làm việc của lò: - Các rulô cáp nhôm được xếp lên đáy lò di động 7 ở bên ngoài buồng lò. Sau đó đáy lò 7 được đẩy vào trong lò nhờ hệ thống đường ray 1. Khi toàn bộ đáy lò đã được đưa vào, ta đóng chặt cửa lò, tiến hành kiểm tra độ kín khít của lò và độ an toàn của toàn bộ hệ thống cấp điện cho lò rồi mới cho lò hoạt động. - Trước tiên, ta bật nguồn điện cho quạt gió tuần hoàn 5 chạy để cung cấp gió và tạo sự tuần hoàn của gió trong buồng lò. Sau khi quạt chạy được khoảng 3 á 5 phút, ta sẽ đóng cầu dao cấp điện cho dây điện trở hoạt động. Trong quá trình lò làm việc, quạt gió tuần hoàn 5 sẽ hút không khí từ không gian buồng lò thổi tạt sang hai không gian bố trí dây điện trở 2 ở hai phía tường bên để nhận nhiệt từ dây điện trở. Sau khi nhận nhiệt từ dây điện trở xong, luồng không khí nóng này lại được thổi tạt sang không gian làm việc của buồng lò thông qua các lỗ khoan trên tấm thép ngăn. Trong không gian làm việc của buồng lò, không khí nóng sẽ trao đổi nhiệt đối lưu với các rulô cáp nhôm 3 rồi lại được hút lên trên và được thổi tạt sang hai bên nhờ quạt gió. Quá trình lưu chuyển và trao đổi nhiệt giữa không khí với dây điện trở trong không gian 2 và các rulô cáp nhôm 3 cứ thế diễn ra trong suốt quá trình làm việc của lò. Hệ thống dao rạch cát 8 và máng cát 9 giúp tạo độ kín khít cho buồng lò khi di chuyển đáy lò di động 7 vào và ra khỏi lò. 3.2. Tính các kích thước cơ bản của lò 3.2.1 Tính kích thước nội hình lò Việc xác định kích thước nội hình lò phải căn cứ vào: - Số lượng rulô được chất trong lò. - Phương pháp xếp rulô trên đáy lò. - Khả năng trao đổi nhiệt giữa không khí tuần hoàn và dây cáp nhôm quấn ở các rulô. Như vậy, để xác định kích thước nội hình lò trước hết ta phải xác định số lượng rulô cần bố trí và phương pháp bố trí các rulô trên đáy lò. a) Tính khối lượng thép làm lõi quấn rulô: Trên cơ sở kích thước hình học của lõi rulô và khối lượng riêng của thép ta tính được khối lượng thép làm lõi quấn của 1 rulô (xem hình 3.1). = Vlõi . rthép , [kg]. (3.1) Trong đó: rthép : khối lượng riêng của thép, rthép = 7800 [kg/m3]. Vlõi : thể tích của lõi thép, được xác định theo công thức sau: Vlõi [m3]. với: f1 : đường kính ngoài mặt bích rulô, f1 = 0,610 [m]. H1 : chiều dày mặt bích rulô, H1 = 0,010 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,270 [m]. f3 : đường kính trong của lõi rulô, f3 = 0,250 [m]. H2 : chiều cao của lõi quấn rulô, H2 = 0,335 [m]. f4 : đường kính trong mặt bích rulô, f4 = 0,060 [m]. Vlõi, [m3]. Theo công thức (3.1) ta có: = Vlõi . rthép = 0,0086881.7800 = 67,77 [kg]. b) Tính khối lượng của dây cáp nhôm quấn ở một rulô: Dây cáp nhôm được quấn bắt đầu từ đường kính ngoài của lõi rulô f2 = 270 [mm] tới bề mặt ngoài có = 570 [mm] (cách mặt ngoài f1 một khoảng cách 20 [mm]). Với cách quấn này ta sẽ xác định khối lượng dây cáp nhôm quấn ở một rulô. = VAl . rAl . k , [kg]. (3.2) Trong đó: k : hệ số điền đầy của cáp nhôm khi quấn trên rulô, theo số liệu thực tế của nhà máy, k = 0,75. rAl : khối lượng riêng của nhôm, rAl = 2700 [kg/m3]. VAl : thể tích được quấn cáp nhôm, [m3]. VAl = , [m3]. (3.4) Với: : đường kính bề mặt ngoài của cáp nhôm sau khi quấn xong, = 0,570 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,270 [m]. H2 : chiều cao của lõi quấn rulô, H2 = 0,335 [m]. VAl = , [m3]. Theo công thức (3.2) ta có: = 0,0663033.2700.0,75 = 134,264 [kg]. c) Tính số lượng rulô xếp trong lò và bố trí rulô trên đáy lò: , [rulô]. (3.3) Trong đó: N : số lượng rulô xếp trong lò, [rulô]. G : năng suất của lò, theo yêu cầu thiết kế G = 3000 [kg/mẻ]. : khối lượng cáp nhôm quấn ở một rulô, = 134,264 [kg]. [rulô] , lấy N = 23 [rulô]. Với số lượng rulô đã chọn, ta kiểm tra lại năng suất thực tế của lò: GAl = .N = 134,264.23 = 3088 [kg]. Như vậy, năng suất thực tế của lò cao hơn so với năng suất của yêu cầu thiết kế là : GAl - G = 3088 – 3000 = 88 [kg]. Từ số lượng rulô đã tính được, ta chọn phương thức bố trí rulô trên đáy lò như sau (xem hình 3.3): - Các rulô được xếp làm hai tầng: tầng 1 gồm 15 rulô, tầng 2 gồm 8 rulô. - ở tầng dưới, các rulô được bố trí làm 3 hàng, mỗi hàng gồm 5 rulô: + Khoảng cách giữa các hàng, a = 100 [mm] + Khoảng cách giữa đầu rulô với tường bên lò, b = 150 [mm]. + Khoảng cách giữa các rulô với tường cuối lò, A = 150 [mm]. + Khoảng cách giữa các rulô với cửa lò, B = 400 [mm]. + ở hàng đầu và hàng cuối (tính theo chiều dọc lò) ta dùng các thanh thép hình để chặn (tránh hiện tượng rulô bị lăn trên đáy lò). - ở tầng trên, các rulô được bố trí làm hai hàng, mỗi hàng gồm 4 rulô: + Khoảng cách giữa các hàng là a = 100 [mm]. + Khoảng cách giữa mặt trên của rulô và nóc lò, h = 500 [mm]. Hình 3.3a. Mặt cắt ngang lò của phương thức bố trí rulô. Hình 3.3b. Mặt cắt dọc lò của phương thức bố trí rulô. d) Tính kích thước nội hình lò: - Chiều rộng nội hình lò: Bn = n.H3+(n-1).a+2.b (3.4) Trong đó: Bn: chiều rộng nội hình lò, [mm]. n: số hàng ru lô xếp trên đáy lò, n = 3. H3 : chiều cao tổng của rulô, H3 = 355 [mm]. a : khoảng cách giữa các hàng, a = 100 [mm]. b : khoảng cách giữa đầu rulô với tường bên của lò, b = 150 [mm]. Bn = 3.355 + (3 - 1).100 + 2.150 = 1565 [mm]. Bn = 1565 [mm] - Chiều dài nội hình lò: Ln = n1.f1 + A + B. (3.5) Trong đó: Ln : chiều dài nội hình lò, [mm] n1 : số rulô trong một hàng ở tầng dưới (tính theo tầng dưới vì tầng này có nhiều rulô hơn), n1 = 5. f1 : đường kính ngoài mặt bích rulô, f1 = 610 [mm]. A: khoảng cách giữa các rulô với tường cuối lò, A = 150 [mm]. B: khoảng cách giữa các rulô với cửa lò, B = 400 [mm]. Ln = 5.610 + 150 + 400 = 3600 [mm]. Ln = 3600 [mm] - Chiều cao nội hình lò: Hn = Hliệu + h (3.6) Trong đó: h: khoảng cách từ mặt trên của tầng rulô thứ 2 và nóc lò, h = 500 [mm] Hliệu : chiều cao của 2 tầng rulô, được mô tả trên hình 3.4 và xác định bằng công thức: Hliệu = 2.R1 + HD . (3.7) với: R1 : bán kính ngoài mặt bích rulô, R1 = 305 [mm]. HD : chiều cao của tam giác đều tạo bởi tâm của 3 rulô, được mô tả trên hình 3.4: Hình 3.4. Mặt cắt đứng của phương thức bố trí rulô. HD = f1.sin600 = f1.. Theo công thức (3.7) ta có: Hliệu = f1.(1 + ) = 610. (1 + ) = 1140 [mm]. Theo công thức (3.6) ta có: Hn = 1140 + 500 = 1640 [mm]. Hn = 1640 [mm] 3.2.2. Tính các kích thước ngoại hình lò: Các kích thước ngoại hình lò được xác định dựa trên các kích thước nội hình lò và chiều dày của tường lò, nóc lò. Chiều dày tường lò, nóc lò Kích thước nội hình lò Kích thước ngoại hình lò Chúng ta đã tính được các kích thước nội hình của lò, bây giờ ta sẽ thiết kế cấu trúc của tường lò, nóc lò (chiều dày và vật liệu). a) Cấu trúc của tường lò, nóc lò và đáy lò: * Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở. Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở được trình bày trên hình 3.5 : Hình 3.5. Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở. Cấu trúc của tường lò và không gian bố trí dây điện trở gồm: 1 - Lớp thép ngăn có lỗ để gió nóng thổi qua : d1 = 3 [mm]. 2 – Dây điện trở và không gian bố trí dây điện trở: dkhg = 200 [mm]. 3 – Lớp vỏ giữa (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 4 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông = 160 [mm]. 5 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của tường đuôi lò: Cấu trúc của tường đuôi lò được trình bày trên hình 3.6: Hình 3.6. Cấu trúc của tường đuôi lò. Cấu trúc của tường đuôi lò gồm 3 lớp: 1 – Lớp vỏ trong (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 2 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông1 = 240 [mm]. 3 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của cánh cửa lò: Cấu trúc của cánh cửa lò được trình bày trên hình 3.7: Hình 3.7. Cấu trúc của cánh cửa lò. Cấu trúc của cánh cửa lò gồm 3 lớp: 1 – Lớp vỏ trong (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 2 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông2 = 210 [mm]. 3 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của đáy lò: Cấu trúc của đáy lò được trình bày trên hình 3.8: Hình 3.8. Cấu trúc của đáy lò. Cấu trúc của đáy lò gồm 3 lớp: 1 – Lớp vỏ trong (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 2 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông = 160 [mm]. 3 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. * Cấu trúc của nóc lò: Cấu trúc của nóc lò được trình bày trên hình 3.9: Hình 3.9. Cấu trúc của nóc lò. Cấu trúc của nóc lò gồm có 5 lớp: 1 - Lớp thép ngăn có lỗ để quạt gió hút không khí từ trong buồng lò: d1 = 3 [mm]. 2 – Vùng hút không khí ở tâm nóc và đẩy không khí sang hai bên: dkhg = 200 [mm]. 3 – Lớp vỏ giữa (làm bằng thép tấm): d2 = 3 [mm]. 4 – Lớp cách nhiệt bằng xỉ bông: dbông = 160 [mm]. 5 – Lớp vỏ lò (làm bằng thép tấm): dvỏ = 3 [mm]. Trên cơ sở kích thước của từng lớp vật liệu cấu trúc tường lò, nóc lò và đáy lò đã trình bày ở trên ta xác định được kích thước ngoại hình lò. b) Tính kích thước ngoại hình lò: - Chiều rộng ngoại hình lò: Bng = Bn + 2.( d1 + dkhg + d2+ dbông + dvỏ). trong đó: Bng : chiều rộng ngoại hình lò, [mm]. Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1565 [mm] d1 : chiều dày lớp thép ngăn, d1 = 3 [mm]. dkhg : chiều dày không gian bố trí dây điện trở, dkhg = 200 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d2 = 3 [mm]. dbông : chiều dày lớp xỉ bông, dbông = 160 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ lò, dvỏ = 3 [mm]. Bng = 1565 + 2.(3 + 160 + 3 + 200 + 3) = 2303 [mm]. Bng = 2303 [mm] - Chiều dài ngoại hình lò: Lng = Ln + (d2 + dbông1 + dvỏ) + (d2 + dbông2 + dvỏ) trong đó: Lng : chiều dài ngoại hình lò, [mm]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3600 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d1 = 3 [mm]. dbông1 : chiều dày lớp xỉ bông ở đuôi lò, dbông1 = 240 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ, dvỏ = 3 [mm]. dbông2 : chiều dày lớp xỉ bông ở đầu lò, dbông2 = 210 [mm]. Lng = 3600 + (3 + 240 + 3) + (3 + 210 + 3) = 4062 [mm]. Lng = 4062 [mm] Lng = 3860 [mm] - Chiều cao ngoại hình lò: Hng = Hn + ( d1 + dkhg + d2+ dbông + dvỏ) + Hđ. trong đó: Hng : chiều cao ngoại hình lò, [mm]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1640 [mm]. d1 : chiều dày lớp thép ngăn, d1 = 3 [mm]. dkhg1 : chiều dày vùng hút không khí, dkhg = 200 [mm]. d2 : chiều dày lớp vỏ trong, d2 = 3 [mm]. dbông : chiều dày lớp xỉ bông, dbông = 160 [mm]. dvỏ : chiều dày lớp vỏ lò, dvỏ = 3 [mm]. Hđ : chiều cao đáy lò, Hđ = 380 [mm]. Hng = 1640 + (3 + 160 + 3 + 200 + 3) + 380 = 2389 [mm]. Hng = 2389 [mm] 3.3. Cấu Trúc của lò: Trên cơ sở các kích thước nội hình lò, các kích thước ngoại hình lò đã xác định được và cấu trúc lò đã chọn ta có được hình dáng cơ bản của lò. Hình dáng và các kích thước cơ bản của lò được trình bày trên hình 3.10a, 3.10b và hình 3.10c. Chương 4 Tính thời gian nung kim loại. 4.1. Các số liệu ban đầu Phôi được nung là các phôi trụ (các rulô cáp nhôm). Các kích thước cơ bản của rulô cáp nhôm đã được trình bày ở chương 3: Phôi được nung nóng nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với không khí nóng tuần hoàn trong không gian lò. Các phôi được xếp liền nhau và xếp làm hai tầng (xem hình 3.3, hình 3.3a và hình 3.3b). Nhiệt độ trung bình của không khí nóng tuần hoàn trong lò: tkk = 250 [0C]. Nhiệt độ của dây cáp nhôm ở đầu giai đoạn nung: Nhiệt độ của dây cáp nhôm ở cuối giai đoạn nung: 4. 2. Chọn phương pháp nung và giản đồ nung 4.2.1. Phương pháp nung Rulô cáp nhôm có phần rỗng ở trong nên dây cáp nhôm được nung từ mặt ngoài vào và từ mặt trong ra (xem hình 4.1). Hình 4.1. Phương pháp nung các rulô cáp nhôm. Các rulô cáp nhôm được nung nóng chủ yếu nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với không khí nóng tuần hoàn trong lò. Theo yêu cầu công nghệ, nhiệt độ của dây cáp nhôm ở cuối giai đoạn nung phải đạt được giá trị yêu cầu: = 180 [0C]. Nhưng vì dây cáp nhôm được quấn trên lõi các rulô nên nhiệt độ của các sợi cáp nhôm quấn ở lớp bề mặt (tm) sẽ cao hơn nhiệt độ của các sợi cáp nhôm ở lớp trong cùng (tt). Do vậy, ta sẽ nung nóng để nhiệt độ của dây cáp nhôm ở lớp bề mặt đạt được: tm = = 180 [0C]. Nếu kết thúc giai đoạn nung mà nhiệt độ của tâm (nơi có nhiệt độ thấp nhất) có sự sai khác lớn so với nhiệt độ bề mặt (Dt < [Dt]) thì ta phải thực hiện tiếp giai đoạn đồng nhiệt. Ngược lại, nếu kết thúc giai đoạn nung mà nhiệt độ của tâm có sự sai khác không lớn so với nhiệt độ bề mặt (Dt < [Dt]) thì ta không cần thực hiện giai đoạn đồng nhiệt nữa. 4.2.2. Giản đồ nung (xem hình 4.2) Với những phân tích đã trình bày ở trên ta chọn giản đồ nung hai giai đoạn với: Trong đó: [Dt] : độ chênh nhiệt độ cho phép giữa tâm và bề mặt. [Dt] = [Dt]/1 dm . d [0C]. với: [Dt]/1 dm : độ chênh nhiệt độ cho phép trên 1 [dm]. [Dt]/1 dm = 5 [0C]. [4] d : chiều dày toàn bộ các lớp dây cáp nhôm quấn trên rulô. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô. = 0,57 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,27 [m]. vậy: [Dt] = 5.1,5 = 7,5 [0C]. Giản đồ nung được trình bày trên hình 4.2: Hình 4.2. Giản đồ nung phôi nhôm. 4.3. Tính thời gian nung 4.3.1. Nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung: . [2] Trong đó: : nhiệt độ trung bình của bề mặt vật nung, [0C]. : nhiệt độ ban đầu của bề mặt vật nung, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của bề mặt vật nung, = 180 [0C]. 4.3.2. Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ađl) a) Tính tiêu chuẩn Reynolds (4.1) [5] trong đó: nkk : độ nhớt động học của không khí, với không khí nóng ở 250 [0C] ta có: nkk = 40,6.10 – 6 m2/s. [6] l : kích thước xác định, l = = 0,570 [m]. wkk : tốc độ của không khí tuần hoàn, xác định bằng công thức: [m/s]. với: V : lưu lượng quạt gió tuần hoàn, theo số liệu ban đầu ta có: V = 750 m3/phút = 12,5 m3/s. F : diện tích mặt cắt mà không khí đi qua (xem hình 4.3). F = F1 - F2 , [m2]. Hình 4.3. Diện tích mặt cắt mà không khí đi qua. F1 : diện tích mặt cắt dọc lò (tính từ phần được khoan lỗ của tấm thép giữa tới đáy lò). F1 = Ln.Hliệu , [m2]. ở đây: Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,6 [m]. Hliệu : chiều cao của hai tầng rulô, Hliệu = 1,140 [m]. F1 = 3,6.1,14 = 4,104 [m2]. F2 : tổng diện tích mặt cắt của các rulô vuông góc với phương thổi gió. ở đây: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = = 0,570 [m]. : đường kính của lớp cáp nhôm trong cùng quấn trên rulô, = = 0,270 [m]. n1 : số rulô trong 1 hàng ở tầng dưới, n1 = 5 [rulô] (hình 3.3). n2 : số rulô trong 1 hàng ở tầng trên, n2 = 4 [rulô]. vậy: F = 4,104 - 1,781 = 2,323 [m2]. Do đó: Theo công thức (4.1) ta có: b) Tính tiêu chuẩn Nusselt Với chế độ đối lưu của không khí trong lò, không khí được thổi tạt qua các rulô xếp trên đáy lò, tiêu chuẩn Nusselt được xác định như sau: (4.2) [5] trong đó: Ref : tiêu chuẩn Reynolds, Ref = 75546. es : hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của việc sắp xếp rulô trên đáy lò, với chùm ống song song ta có: với: S2 : khoảng cách giữa tâm của hai rulô cạnh nhau (tính theo chiều dọc của rulô). S2 = H3 + a = 0,355 + 0,100 = 0,455 [m]. ở đây: H3 : chiều cao tổng của rulô (chiều dài của rulô), H3 = 0,355 [m]. a : khoảng cách giữa hai hàng rulô, a = 0,100 [m]. d : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, d = = 0,570 [m]. ei : hệ số hiệu chỉnh xét đến ảnh hưởng của các hàng ống, với chùm ống gồm hai hàng ống song song ta có: [5] với: e1 : hệ số hiệu chỉnh của hàng ống thứ nhất, e1 = 0,6. e2 : hệ số hiệu chỉnh của hàng ống thứ 2, e2 = 0,9. Theo công thức (4.2) ta có: c) Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (ađl) Ta có: (4.3) trong đó : Nuf : tiêu chuẩn Nusselt, Nuf = 241,345. l : kích thước xác định, l = = 0,570 [m]. lkk : hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng nhiệt độ tkk = 250 [0C], lkk = 4,27.10 – 2 [W/m.K]. [6] 4.3.3. Tính hệ số trao đổi nhiệt bức xạ (abx) a) Hệ số bức xạ quy dẫn (4.4) trong đó: eAl : độ đen của nhôm, eAl = 0,06. [5] et : độ đen của tường, et = ethép = 0,79. [5] FAl : diện tích bề mặt phôi nhôm tham gia trao đổi nhiệt bức xạ. với: : đường kính của lớp cáp nhôm ngoài cùng quấn trên rulô, = 0,570 [m]. H3 : chiều cao tổng của rulô, H3 = 0,355 [m]. N : số rulô được nung nóng trong lò, N = 23 [rulô]. n1 : số rulô trong 1 hàng ở tầng dưới, n1 = 5 [rulô]. n2 : số rulô trong 1 hàng ở tầng trên, n2 = 4 [rulô]. Ft : diện tích tường bao quanh lò, được xác định: Ft = Fn + Fxq , {m2]. với: Fn : diện tích của nóc lò, Fn = Bn.Hn = 1,565.1,64 = 5,634 [m2]. Fxq : diện tích tường lò xung quanh. Fxq = 2.(Bn.Hn + Hn.Ln) , [m2]. ở đây: Bn : chiều rộng nội hình lò, Bn = 1,565 [m]. Hn : chiều cao nội hình lò, Hn = 1,640 [m]. Ln : chiều dài nội hình lò, Ln = 3,600 [m]. Fxq = 2.(1,565.1,64 + 1,64.3,6) = 16,904 [m2]. vậy: Ft = 5,634 + 16,904 = 22,575 [m2]. Theo công thức (4.4) ta có: b) Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ Trong đó: Cqd : hệ số bức xạ quy dẫn, Cqd = 0,3374 [W/m2 .K 4]. Tt : nhiệt độ của tường lò, Tt = tt +273 = 250 + 273 = 523 [K]. TAl : nhiệt độ trung bình của bề mặt lớp dây cáp nhôm, TAl = tAl +273 = 127 +273 = 400 [K]. Vậy: 4.3.4. Tính hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng aồ = ađl + abx , [W/m2 .K]. Trong đó: ađl : hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, ađl = 18,080 [W/m2.K]. abx : hệ số trao đổi nhiệt bức xạ, abx = 1,350 [W/m2.K]. aồ = 18,080 + 1,350 = 19,430 [W/m2.K]. 4.3.5. Tính thời gian nung (tn) a) Tính hệ số dẫn nhiệt của nhôm (sơ bộ) Để xác định hệ số dẫn nhiệt của nhôm ta cần biết được nhiệt độ của tâm phôi nhôm ở cuối giai đoạn nung. Nhưng do chưa biết nhiệt độ của tâm phôi ở cuối giai đoạn nung nên ta cần xác định hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của nhôm. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm phụ thuộc vào nhiệt độ của nhôm (xem bảng 4.1). Bảng 4.1. Hệ số dẫn nhiệt (l) của nhôm theo nhiệt độ. [4] Nhiệt độ [0C] 0 100 200 300 400 500 600 l [W/m.K] 202 206 229 272 319 371 423 Hệ số dẫn nhiệt của nhôm (tính sơ bộ) được xác định: Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của tâm phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của bề mặt phôi ( 180 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 224,4 [W/m.K] b) Tính tiêu chuẩn Bi (sơ bộ) (4.5) Trong đó: aồ : hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng, aồ = 19,430 [W/m2. K]. : hệ số dẫn nhiệt sơ bộ của nhôm, = 210 [W/m.K]. ST : chiều dày thấm nhiệt của phôi. ST = m . d , [m]. với: m : hệ số phụ thuộc vào cách cấp nhiệt cho phôi, với phôi nung là các rulô cáp nhôm rỗng, ta có: m = 0,8. [3] d : chiều dày của dây cáp nhôm quấn trên rulô. , [m] ở đây: : đường kính bề mặt ngoài của cáp nhôm sau khi quấn xong, = 0,57 [m]. f2 : đường kính ngoài của lõi rulô, f2 = 0,27 [m]. vậy: ST = 0,8. 0,15 = 0,12 [m]. Theo công thức (4.5) ta có: c) Tính tiêu chuẩn nhiệt độ bề mặt không thứ nguyên (qm ) (4.6) Trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của bề mặt rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của bề mặt rulô cáp nhôm, = 180 [0C]. Từ (Bisb và qm), tra giản đồ 75 [10] ta tìm được tiêu chuẩn Fourier sơ bộ: Fosb = 50. Từ (Bisb và Fosb), tra giản đồ 76 [10] ta tìm được tiêu chuẩn nhiệt độ tâm sơ bộ: qtsb = 0,325. d) Tính nhiệt độ tâm phôi (sơ bộ) Ta có: (4.7) trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tâm rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của tâm rulô cáp nhôm, [0C]. qtsb : tiêu chuẩn nhiệt độ tâm sơ bộ, qtsb = 0,325. Từ công thức (4.7) ta có: . e) Tính hệ số dẫn nhiệt của nhôm (chính xác) trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ ban đầu của tâm phôi (20 [0C]), tra theo ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt ứng của nhôm với nhiệt độ ban đầu của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 202,8 [W/m.K]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của tâm phôi (175,25 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 223,31 [W/m]. : hệ số dẫn nhiệt của nhôm ứng với nhiệt độ cuối giai đoạn nung của bề mặt phôi (20 [0C]), tra theo bảng 4.1 ta có: = 224,4 [W/m]. g) Tính tiêu chuẩn Bi (chính xác) Trong đó: aồ : hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng, aồ = 19,430 [W/m2. K]. : hệ số dẫn nhiệt chính xác của nhôm, = 213,3 [W/m.K]. ST : chiều dày thấm nhiệt của phôi, ST = 0,12 [m]. Từ (Bicx và qm), tra giản đồ 75 [10] ta tìm được tiêu chuẩn Fourier chính xác: Focx = 51,5. Từ (Bicx và Focx), tra giản đồ 76 [10] ta tìm được tiêu chuẩn nhiệt độ tâm chính xác: qt = 0,315. h) Tính nhiệt độ tâm phôi (chính xác) (4.7) Trong đó: tkk : nhiệt độ của không khí nóng tuần hoàn, tkk = 250 [0C]. : nhiệt độ ban đầu của tâm rulô cáp nhôm, = 20 [0C]. : nhiệt độ cuối của tâm rulô cáp nhôm, [0C]. qt : tiêu chuẩn nhiệt độ tâm chính xác, qt = 0,315. . i) Tính hệ số dẫn nhiệt độ: a [m2/h] (4.8) Trong đó : hệ số dẫn nhiệt chính xác của nhôm, = 213,3 [W/m.K]. rAl : khối lượng riêng của nhôm, rAl = 2700 kg/m3. : nhiệt dung riêng của nhôm, được xác định như sau: với: : nhiệt độ trung bình của nhôm cuối giai đoạn nung. : nhiệt độ trung bình của nhôm ban đầu, = 20 [0C]. : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ . = 170,889 [kJ/kg]. [4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ . = 18,669 [kJ/kg]. [4] vậy: Theo công thức (4.8) ta có: k) Tính thời gian nung (4.9) Trong đó: Focx : tiêu chuẩn Fo chính xác, Focx = 51,5. St : chiều dày thấm nhiệt của phôi nhôm, St = 0,12 [m]. a : hệ số dẫn nhiệt độ, a = 0,2959 [m2/h]. Nhận xét Khi thì và ta có: Như vậy, độ chênh nhiệt độ giữa tâm và bề mặt của rulô cáp nhôm là không lớn: Dt < [Dt] (2,45 [0C] < 7,5 [0C]) Do vậy ta không cần thực hiện giai đoạn đồng nhiệt cho cáp nhôm nữa. Với thời gian nung đã tính được (tn = 2,506 [h]) ta sẽ tính cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. Chương 5 Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. 5.1. tính toán cân bằng nhiệt của lò Việc tính toán cân bằng nhiệt của lò nhằm mục đích xác định tổng lượng nhiệt mà lò cần cung cấp trong một đơn vị thời gian. Từ lượng nhiệt cần thiết này ta sẽ xác định được công suất điện cần cung cấp cho lò Pđiện [kW]. Giá trị của công suất điện Pđiện là cơ sở để tính toán dây điện trở cho lò và đưa ra các biện pháp khống chế, điều chỉnh chế độ nhiệt cũng như chế độ điện của lò cho hợp lí. Nội dung của việc tính toán cân bằng nhiệt của lò là xác định các khoản nhiệt cần chi phí cho lò, bao gồm: - Lượng nhiệt cần cấp cho vật gia công nhiệt (trong đồ án này là lượng nhiệt cấp cho dây cáp nhôm). - Lượng nhiệt cần cấp cho các thiết bị phụ ( lượng nhiệt cấp cho thép làm lõi rulô). - Lượng nhiệt cần cấp cho không khí tuần hoàn trong lò. - Lượng nhiệt tổn thất do tích nhiệt trong tường lò, đáy lò và nóc lò. - Lượng nhiệt tổn thất do dẫn nhiệt qua tường lò, đáy lò và nóc lò. 5.1.1. Lượng nhiệt để nung dây cáp nhôm (Q1) , [W] (5.1) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. P : công suất của lò, với: GAl : tổng khối lượng của dây cáp nhôm trong 1 mẻ nung. GAl = 3088 [kg/mẻ]. [chương 3]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h/mẻ].[chương 4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ trung bình của nhôm ở cuối giai đoạn nung (). = = 170,889 [kJ/kg]. [4] : entanpi của nhôm ứng với nhiệt độ trung bình của nhôm ở đầu giai đoạn nung (). = = 18,669 [kJ/kg] [4] Theo công thức (5.1) ta có: Q1 = 0,28. 1232.(170,889 - 18,669) = 52 509,811 [W]. Q1 = 52 509,811 [W] 5.1.2. Lượng nhiệt để nung thép làm lõi các rulô (Q2) (4.16) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. Gthép : tổng khối lượng thép làm lõi các rulô. với: : khối lượng thép làm lõi một rulô, = 67,77 [kg] (chương 3) N : tổng số rulô được xếp trong lò ứng với 1 mẻ nung, N = 23 [rulô]. Gthép = 67,77.23 = 1558,7 [kg]. : Nhiệt dung riêng trung bình của thép. = 0,569[kJ/kg.K]. [5] : nhiệt độ của lõi rulô ở cuối giai đoạn nung, = 180 [0C]. : nhiệt độ của lõi rulô ở đầu giai đoạn nung, = 20 [0C]. tn : thời gian của một mẻ nung, tn = 2,506 [h]. Theo công thức (5.2) ta có: Q2= 15 855,200 [W] 5.1.3. Lượng nhiệt để nung không khí (Q3) Khi nung, lò được coi là hoàn toàn kín nên lượng không khí (Gkk) được quạt gió tạo đối lưu tuần hoàn ở trong lò là không đổi trong suốt quá trình nung. Lượng không khí này được nung nóng từ 20 [0C] () đến nhiệt độ làm việc của lò là 250 [0C] (). Theo yêu cầu công nghệ, lượng không khí này phải đạt 250 [0C] sau 0,5 [h] (tkk). Do vậy, lượng nhiệt để nung không khí được xác định: (5.3) Trong đó: 0,28 : hệ số chuyển đổi đơn vị từ [kJ/h] sang [W]. Gkk : khối lượng không khí được tuần hoàn ở trong lò. Gkk = Vkk . rkk , [kg]. với: Vkk : thể tích của không khí trong lò sau khi đã xếp liệu. Vkk = Vtrong - V._.