Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

1

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ.1.1 . GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN:
1.1.1. Định nghĩa:
Lò điện là một thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng, được sử
dụng rộng rãi trong các quá trình công nghệ khác nhau và nấu luyện các vật
liệu, các kim loại và hợp kim khác nhau
-Lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật.
+Sản xuất thép chất lượng cao.
+Sản xuất các hợp kim phe-rô.
+Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyệ
n.
+Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn đập, kéo sợi.
+Sản xuất đúc các kim loại bột.
-Trong các lĩnh vực công nghiệp khác.
+Trong công nghiệp nhẹ và công nghiệp thực phẩm, lò điện được dùng
để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị vật phẩm.
+Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩm
thuỷ tinh, gốm sứ, các loại vật liệu chịu l
ửa
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày
càng được phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người một
cách phong phú và đa dạng: Bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nước điện, thiết
bị nung rắn, sấy điện


3
-Dây nung: Khi dây nung được nung nóng nó sẽ truyền nhiệt cho vật
nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là
nung gián tiếp.
Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung những vật có hình dạng
đơn giản(tiết diện chữ nhật, vuông và tròn).
Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp. Cho nên
nói đến lò điện tr
ở không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ
phận làm phát nhiệt của lò.
1.2.2. Những vật liệu làm dây nung:
a. Yêu cầu của vật liệu làm dây nung:
Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành
nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật
liệu thoả mãn các yêu cầu sau:
- Chịu được nhiệt độ cao,
- Độ
bền cơ khí lớn ,
- Có điện trở suất lớn(vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố
trí trong lò hoặc tiết diện dây nhỏ, không bền),
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ,
đảm bảo công suất lò),
- Chậm hoá già (tức là dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó
đảm b
ảo tuổi thọ của lò).
Vật liệu làm dây đốt có thể là :
- Hợp kim: Cr-Ni, Cr-Al….với lò có nhiệt độ làm việc dưới 1200
0
C;

-3
/độ)
Điện
trở suất
10
-6
Ωm
Cr Ni Al SiC SiO
2
Cr-Ni
Cr-Ni
Cr-Al
Cr-Al
SiC

Graph
Mo
Ti
W
20-23
15-18
12-15
23-27
75-78
55-61 3-5
4-6


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

b. Dây nung kim loại:
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công
nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tạo bằng các hợp kim Crôm-Nhôm
và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở lớn. Còn các kim loại nguyên chất
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

5
được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm vì các kim loại nguyên chất thường
có những tính chất không lợi cho việc chế tạo dây nung như:
+ Điện trở suất nhỏ.
+Hệ số nhiệt điện trở lớn.
+Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyển bình thường.
Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng
c. Dây nung phi kim loại:
Dây nung phi kim loại dùng phổ biế
n nhất là SiC, grafit và than.
1.2.3. Tính toán dây đốt.
Xuất phát từ năng suất lò ta tính ra công suất lò tiêu thụ từ lưới điện.
Năng suất lò:
A=

2
0
-Nhiệt độ lúc đầu và gia nhiệt của vật gia nhiệt [
0
C].
Công suất hữu ích của lò:
P
hi
=
)(.
0
1
0
2
ttcA
t
Q
hi
−=
, [W] (1-3)
Công suất lò:
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

6
P
lò
=
η
hi
P

một pha [m
2
]. Từ công suất lò, có thể tính được kích thước dây đốt cần trang
bị cho lò. Với lò có số pha đối xứng, công suất một pha sẽ là:
P
ph
=
m
P
, [W] (1-7)
Trên quan hệ toả nhiệt, công suất dây đốt cấp nhiệt qua diện tích xung
quanh F
dd
nên:
P
ph
=W
dd
.F
dd
=W
dd
LC
Suy ra:
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

7
L=
CW
P

2
].
Cân bằng (1-8)và (1-9), có:
CS=
dd
ph
ph
W
U
P
1
.
2
2
ρ
(1-10)
Vế trái (1-10) là các thông số về kích thước dây đốt. Thừa số đầu vế phải
là các thông số về diện. Thừa số sau của vế phải nói lên quan hệ nhiệt của
dây.
Dây đốt dùng trong lò điện trở có thể có tiết diện tròn hay chữ nhật và
kích cỡ như bảng 1-2.

Nhiệt độ làm việc
Trong lò (
0
C)
Kích thước dây đốt (m.m)
Dây tròn
(đường kính d)
Dây chữ nhật

22
2
4
phdd
ph
UW
P
π
ρ
, [m] (1-11)
Với dây chữ nhật :
C= 2(a+b)=2b(m+1)
S = ab = mb
2

Thay vào (2-10) ta có:
b =
3
2
3
)1(2
phdd
ph
UWmm
P
+
ρ
, [m] (1-12)
và a = mb; thường m = 5÷15.
Chiều dài dây sẽ tìm tiếp theo(1-9).

ε
qđ
[
44
)
100
()
100
(
vdd
TT
−
] F
dd
,[W] (2-13)
Trong đó: P – công suất lò, [W];
C
S
– Khả năng bức xạ của vật đen tuyệt đối;
C
S
- 5,7 W/m
2
, (
0
K
4
);
T
dd

Từ (1-13) có thể xác định mật độ công suất dây đốt:
W
dd
=
][],)
100
()
100
[(
2
44
m
W
TT
C
F
P
vdd
qdS
dd
−=
ε
(1-14)
Hay: W
dd
= ε
qd
W
SHình1.2: Đồ thị mật độ công
suất của dây đốt
có độ đen tuyệt đối

Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

11Trong các điều kiện làm việc thực của lò thì bức tranh mô tả quá trình
phức tạp hơn. Dây không bao kín vật gia nhiệt, nhiệt tổn thất qua vách lò,
thành lò cũng trao đổi nhiệt với vật gia nhiệt v.v…Các yếu tố đó được đề cập
đến qua hệ số bức xạ có hiệu lực của dây đốt α và mật độ công suất cho phép
là:
W
ep
= ε
qd
W
S
α, [
2
m
W
] (1-16)
Sau đây là một số trị số α để tham
khảo:

=

Sau đó, kiểm tra mật độ công suất dây đốt
W
dd
=
cp
dd
ph
W
F
P
≤

Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

12
Nếu W
dd
>W
cp
thì cần tăng tiết diện và độ dài dây. Khi tính chọn dây đốt
cho lò có nhiệt độ làm việc trên 700
0
C không nên dùng dây tròn có đường
kính dưới 3mm hoặc dây chữ nhật dày dưới 1,5mm.
1.2.4. Phân loại lò điện trở
Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua
dây đốt (dâyđiện trở). Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn
nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thườ


τ
p
p
τ
«
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

13

Hình 1.3
Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồn (hình 1.4).

Hình 1.4
Lò làm việc gián đoạn thì đồ thị và nhiệt độ và công suất như hình 1.5

e. Theo mục đích sử dụng
-Lò tôi
-Lò ram
-Lò ủ
-Lò nấu chảy v.v…
Việt nam thường dùng kiểu lò buồng để nhiệt luyện (tôi, ủ, nung, thấm
than); kiểu lò giếng để nung, nhiệt luyện; lò muối để nhiệt luyện dao cắt qua
muối nung…
1.3. CẤU TẠO LÒ ĐIỆN TRỞ.
1.3.1. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở .
Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở có những yêu cầu sau:
a. Hợp lý về công nghệ.
Hợp lý về công nghệ có nghĩa là cấu tạo lò không những phù hợp với quá
trình công nghệ yêu câù mà còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá
trình công nghệ khác nếu như không làm phứ
c tạp quá trình gia công và tăng
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

15
giá thành một cách rõ rệt. Cấu trúc lò đảm bảo được các điều kiện như thế
mới coi là hợp lý nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu lò điện
vượt xa khả năng sản xuất ra nó.
b. Hiệu quả về kỹ thuật.
Hiệu quả về kỹ thuật là khả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấ
u
khi các thông số của nó xác định(kích thước ngoài, công suất, trọng lượng, giá
thành v.v ).
Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng suất trên một
đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung v.v là các chỉ tiêu cơ
bản của hiệu quả kỹ thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu hoặc

-Bảo quản dễ dàng. Kiểm tra và sửa chữa tất cả các bộ phận của thiết bị
thuận lợi.
-Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh và
tuyệt đối an toàn.
e. Rẻ và đơn giản khi chế tạo.
Về mặt này yêu cầu như sau:
-Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quý và hiếm (các kim loại
màu, các hợ
p kim có hàm lượng niken cao v.v ).
-Công nghệ chế tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho ngày
công ít nhất và tận dụng được các thiết bị, dụng cụ thông thường có sẵn trong
các nhà máy chế tạo để gia công.
-Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất.
-Sử dụng đến mức tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loại để dễ
dàng đổi
lẫn nhau và thuận tiện khi lắp ráp.
-Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp với điều kiện chế tạo (đúc, hàn,
đập). Bỏ các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý.
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

17
f. Hình dáng bề ngoài đẹp.
Mỗi kết cấu của thiết bị, vật phẩm, các khâu và các chi tiết phải có hình dáng
và tỉ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ bền của kết
cấu khi trọng lượng nhỏ và hình dáng bề ngoài đẹp có quan hệ khăng khít với
nhau.
Việc gia công lần chót như sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối với hình
dáng bề ngoài của lò điệ
n. Song cũng cần tránh sự trang trí không cần thiết.
1.3.2. Một số kết cấu lò điện trở trong công nghiệp
Hình 1-7, hình 1-8, hình 1-9 là kết cấu của một số loại lò điện trở.

Hình 1.6: Kết cấu của lò buồng
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

19
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

21

Hình 1.9: Lò giếng
1-Cơ cấu nắp quay 2-Nắp quay
3-Vỏ lò 4-Lớp lót
5-Các tấm dẫn hướng khí 6-Giỏ lò
7-Tấm đáy lò 8-Dây đốt

rãnh sâu ở lớp lót
b) Dây đặt trong rãnh ở đáy và
thành lò
c) Phân bố dây đốt dẹt ở đáy
và thành lò
d) Phân bố dây đốt dẹt ở đỉnh
và đáy lò
e) Dây đốt đúc
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

231.3.3. Cấu tạo lò điện trở.
Cấu tạo của lò điện trở gồm 3 phần chính sau:
-Vỏ lò.
-Lớp lót.
-Dây nung.
a. Vỏ lò.
Vỏ lò điện trở là một khung cứng, vững chủ yếu để chịu tải trọng trong
quá trình làm việc của lò. Vỏ lò cũng dùng để dữ lớp cách nhiệt và đảm bảo
sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò.
V
ỏ lò có 2 dạng cơ bản: Dạng chữ nhật và dạng tròn.
-Vỏ lò hình chữ nhật: Được dựng lên bằng thép hình chữ U, L và tấm
thép cắt theo hình thích hợp, ta thường thấy ở các lò buồng, lò băng tải, lò liên
tục, lò đáy nung
-Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng, lò chụp. kết cấu vỏ lò tròn thường
dùng:
+Thép tấm dài 3÷6 mm với đường kính vỏ lò là 1000÷2000 mm

và dây nung dạng tròn.
+Dây nung dạng băng thường có dạng zíc-zắc, bước zíc-zắc h phụ
thuộc vào chiều rộng b c
ủa băng:
h/b = 1.4÷2.6.
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò điện trở

25
+Dây nung tròn thường ở dạng xoắn, bước h của dây nung xoắn thường
phụ thuộc vào đường kính d của dây:
h/d = 3.2÷4.8.
-Dây nung phi kim loại:
Dây nung phi kim loại thường có dạng thanh và ống.
d. Ngoài 3 phần chính của kết cấu lò còn có các thiết bị phụ như:
Cửa lò, các thiết bị vận chuyển