Tp chớ Khoa hc v Phỏt trin 2008: Tp VI, S 5: 444-450 I HC NễNG NGHIP H NI
444
TíNH TOáN V THIếT Kế Lò THấM NITƠ KIểU ĐIệN TRở Cỡ TRUNG
Computation and Designing of Medium-sized Electric Furnace for Gas Nitriding
o Quang K
1
, Hong Minh Thun
2
, Nguyn Vn Bn
2

1
Khoa C - in, Trng i hc Nụng nghip H Ni
2
Trng Cao ng Cụng nghip v Xõy dng Uụng Bớ - Qung Ninh
TểM TT
Cỏc tỏc gi ó tin hnh tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung s dng trong
phũng thớ nghim phc v cho nghiờn cu, ging dy v sn xut nh. Lũ thm c thit k l kiu
lũ ging cú mỳp lũ vi kt cu v hỡnh dỏng hp lý giỳp cho nhit trong khụng gian mỳp lũ ng
u. Lũ c ch to cú cụng sut tiờu th 8,5 kW. Nhit trong lũ t c 700
0
C.
T khúa: B mt, ch to, húa nhit luyn, lũ thm c trung, thm nit th khớ, thit k.
SUMMARY
The authors have performed computation and designing of a medium-sized electric furnace for
gas nitriding which is used in laboratories for researches, training and small scale production. This
furnace is of a shaft type and has muffle with rational construction structure and shape that can
maintain homogenous temperature in it. The manufactured furnace consumes 8.5 kW and the
temperature in the furnace reaches 700
0
C.

giá cả; trong khi các cơ sở sản xuất đều l
các xi nghiệp vừa v nhỏ. Các xí nghiệp
ny vừa thiếu vốn để mua sắm thiết bị đắt
tiền, vừa thiếu các kỹ thuật viên để sử
dụng các thiết bị hiện đại.
Từ những yêu cầu thực tế cấp bách
trên, nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế
lò thấm nitơ thể khí kiểu điện trở cỡ trung
bình phục vụ cho công tác nghiên cứu cũng
nh phục vụ sản xuất với quy mô nhỏ. Bi
báo ny trình by các kết quả nghiên cứu
nói trên.
Tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung
445
2. VậT LIệU V PHƯƠNG PHáP
NGHIÊN CứU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu l
dây điện trở, vật liệu chế tạo thân lò, hệ
thống cung cấp v dẫn khí, thiết bị đo
lờng v kiểm tra điện áp, dòng điện,
nhiệt độ, van giảm áp.
2.2. Phơng pháp nghiên cứu
Dựa trên lý thuyết về truyền nhiệt v
dòng khí kết hợp tính toán, thiết kế lm cơ
sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm chế
tạo lò thấm. Trong quá trình nghiên cứu,
chúng tôi chọn phơng án thiết kế lò thấm
kiểu lò giếng có múp lò.
3. KếT QUả NGHIÊN CứU

bulông.
Để lm gọn nhẹ cho kết cấu của lò, đơn
giản trong sử dụng v bảo dỡng sửa chữa,
chúng tôi thiết kế lò không sử dụng quạt
gió. Việc khuấy nhiệt v tăng cờng chảy
rối của dòng khí đợc đảm bảo do việc bố
trí đờng ống dẫn khí vo, tận dụng tốc độ
của dòng khí ở miệng ống.
Đờng dẫn khí vo lò lắp ở đáy lò. Khí
amôniắc đợc dẫn vo trong múp lò bằng
ba đờng ống đặt cách đều nhau 120
0
, sát
thnh của múp lò, để tăng cờng sự chảy
rối của dòng khí v lm nhiệm vụ khuấy
đều nhiệt độ trong múp lò.
Khí trớc khi đi vo trong múp lò đợc
sấy nóng ngay trong đờng ống.
Điện trở dùng để đốt nóng lò, đợc sắp
xếp phía trong của buồng lò ở phần đáy v
tờng lò.
Do nhiệt độ của lò khi lm việc thấp
hơn 700
0
C, nhiệt độ vỏ ngoi lò chọn 70
0
C,
nên thiết kế vỏ lò chỉ có một lớp cách
nhiệt, vừa lm nhiệm vụ chịu nhiệt, vừa
lm nhiệm vụ cách nhiệt. Lớp cách nhiệt

446
Trong đó, k l hệ số dự trữ, k = 1,2 ữ
1,3 đối với lò lm việc liên tục v k = 1,4 ữ
1,5 đối với lò lm việc chu kỳ. Hệ số dự trữ
đợc đa vo để duy trì nhiệt độ trong lò
cần thiết khi giảm hiệu điện thế của lới
điện.
Sau khi lựa chọn v tính toán, các kết
quả đợc thể hiện ở bảng 1.
Bảng 1. Kết quả lựa chọn v tính toán
Stt Cỏc thụng s n v tớnh Kt qu tớnh toỏn
1 Cỏc s liu ban u:
- ng kớnh mỳp lũ thm, d
1
mm

318
- ng kớnh v lũ, d
2
mm 542

- Thi gian nung,

gi 8
- Nhit ban u, t
0
C 20
- Nhit cui quỏ trỡnh nung, t
0
C 700


3.3. Tính toán dây điện trở trong lò
3.3.1. Vật liệu chế tạo dây điện trở
Yêu cầu của dây điện trở: Khả năng
chịu nóng tốt, không bị ôxy hoá trong môi
trờng không khí ở nhiệt độ cao; Bền nóng
cao, bền cơ học tốt; Điện trở suất lớn; Hệ số
nhiệt điện trở nhỏ; Các kích thớc phải ổn
định; Các tính chất điện phải cố định; Dễ
gia công: kéo dây, dễ hn, đối với vật liệu
phi kim loại cần ép khuôn đợc.
Để đảm bảo yêu cầu chung của việc
thiết kế v chế tạo, dây điện trở dùng để
chế tạo lò thấm phải đảm bảo yêu cầu kĩ
thuật, dễ lắp đặt, dễ bảo dỡng v sửa
chữa, vì thế chúng tôi chọn dây hợp kim
crôm - nhôm.
3.3.2. Cấu trúc v việc bố trí dây điện
trở trong lò
Trong các lò điện trở, dây điện trở
thờng có tiết diện tròn hoặc tiết diện hình
chữ nhật. Từ hai loại dây ny ngời ta cấu
trúc thnh các kiểu khác nhau: Dây điện
trở có cấu trúc xoắn (xoắn trụ v xoắn
phẳng); Dây điện trở có cấu trúc zíc zắc;
Dây điện trở có tiết diện chữ nhật, cấu
trúc zíc zắc.
Chọn cách bố trí dây điện trở sao cho
lợng nhiệt phát ra l lớn nhất v dòng
nhiệt phát ra phải ổn định. Có nhiều cách

, W/cm
2

Wlt - công suất bề mặt riêng của dây
điện trở lý tởng, W/cm
2


c
- hệ số xét đến ảnh hởng của hệ
số bức xạ quy dẫn Cqd.

Tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung
447
Khi Cqd = 3,3 kCal/m
2
.h.K
4
, thì
c
= 1

p
- hệ số xét tới sự ảnh hởng của kích
thớc vật nung. Giá trị
p
phụ thuộc vo tỷ
số bề mặt tính toán của vật nung (Fv) v bề
mặt của tờng lò ở đó có bố trí dây điện trở,
giá trị của (Fv) tính theo hình 1.


Kiu dõy in tr Khong cỏch vớt nh nht

hp

Dõy trũn kiu zớczc e/d = 2,75 0,68
Dõy tit din ch nht kiu zich dc e/d = 0,9 0,40
Dõy xon trờn ng gm t/d = 2 0,32
Dõy xon t trờn giỏ t/d = 2 0,32
Dõy xon t trờn mỏi ua t/d = 2 0,22
Dõy t dng thi t/d = 2,75 0,68


- hệ số xét tới ảnh hởng của cấu trúc dây điện trở, cụ thể l xét tới ảnh hởng
của bớc xoắn (Hình 2).
d
e
5
432 1
6
7
1,2
1
0,8
0,6
0,4
1,4


e

đoạn bằng nhau, đấu song song;
Nhiệt độ cao nhất của lò theo yêu cầu
thiết kế: tv
(max)
= 700
0
C;
Chọn cách bố trí vật nung ở trong
buồng lò hợp lý v lắp điện trở;
Lò lm việc ở chế độ không liên tục.
Vật liệu chế tạo dây điện trở l hợp
kim crôm - nhôm (X134); điện trở suất ở
0
oC
l
0
= 1,26 .mm
2
/m; hệ số nhiệt điện
trở = 0,15.10
-3
. Đờng kính của dây: d =
2mm.
Công suất một nhánh dây diện trở:
Qnh= Qđd/3 = 8336/3 = 2779 W
Điện trở suất của dây:
t
= 1,365
.mm
2

Lu lợng của dòng khí amôniăc đảm
bảo cho việc thấm nitơ khoảng từ 200 m
3
/h
đến 500 m
3
/h. Vì vậy trong tính toán ta lấy
lu lợng l 500 m
3
/h.
Chọn đờng kính ống dẫn khí từ bình
ra l d = 12 mm.
Lu lợng dòng khí tại miệng ống nạp
vo múp lò: Q = 0,000014 m
3
/h.
Vận tốc dòng khí: v = 0,2 m/s.
Với vận tốc của dòng khí nạp nh trên,
dòng khí chảy trong múp lò sẽ đập vo
vách của múp lò, tạo ra chảy rối cỡng bức
v khuấy nhiệt trong múp lò.
Chọn đờng kính của ống dẫn khí ra
bằng đờng kính của đờng dẫn khí vo.
Từ dòng khí chính ta dẫn thnh ba
dòng khí rẽ để đi vo trong lò nhằm tạo ra
dòng xoáy khí trong lò v tăng cờng cho
sự chảy rối dòng khí trong lò.
Khi đó ta có:
Lu lợng qua từng nhánh:
Q

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý dòng khí chảy trong mặt cắt ngang của múp lò
Đờng ống nạp khí đợc thiết kế nh
hình 3. Với cách bố trí nh vậy, thì dòng
khí vo lò tạo ra xoáy, khả năng điền đầy
khí vo lò nhanh hơn, tăng cờng chảy rối
của dòng khí trong lò, đảm bảo đợc quá
trình thấm diễn ra nhanh hơn v đạt chất
lơng thấm cao.
Dòng khí nạp cho lò đợc điều chỉnh
áp suất bằng van điều chỉnh áp suất v
theo dõi bằng đồng hồ đo áp suất (hình 4).
Hình 4. Sơ đồ lu thông dòng khí trong hệ thống lò thấm

lu lợng khoảng 200 l/h v giữ lu lợng
đó cho tới khi nhiệt độ trong lò xuống tới
300
0
C thì ngừng cung cấp khí.
Nếu coi vận tốc dòng khí vo ổn định
trong quá trình dẫn khí, khi vận hnh lò,
Dũng khớ
V mỳp lũ
Bỡnh khớ
NH
3
Van iu chnh v
ng h o ỏp sut
Lũ
thm
B
nc
Bu lc
than hot tớnh
Mụi
trng
o Quang K, Hong Minh Thun, Nguyn Vn Bn
450
lu lợng khí lu thông qua lò không lớn
so với đờng kính của múp lò, một đầu của
ống xả khí đợc nhúng vo bể nớc. Coi áp
suất trong múp lò bằng áp suất khí quyển;
tổn thất năng lợng của dòng khí trong hệ
thống l không đáng kể.

- Hệ thống hon ton đóng ngắt điện tự
động thông qua các chế độ đã định.
- Công suất tiêu thụ: 8,5 kW;
- Nhiệt độ đạt đợc: 700
0
C;
- Đờng kính trong = 300mm;
- Chiều cao có ích h: = 400 mm;
- Trọng lợng: 40 kg. 4. KếT LUậN
Đã nghiên cứu, thiết kế v chế tạo
thnh công lò thấm nitơ thể khí cỡ trung
bình dùng trong phòng thí nghiệm v sử
dụng trong sản xuất quy mô nhỏ.
Đặc tính kĩ thuật của lò sau khi chế
tạo, qua khảo nghiệm v đánh giá đã đảm
bảo các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Lò thấm
lm việc ổn định với các chế độ công nghệ
khác nhau.
Lời cảm ơn
Xin chân thnh cảm ơn Vụ Khoa học
v Công nghệ - Bộ Giáo dục v Đo tạo v
Trờng Đại học Nông nghiệp H Nội đã hỗ
trợ kinh phí để các tác giả có thể hon
thnh đề ti B2006-11-32 v bi báo ny.