.

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội của đất nước, nhu cầu về sử dụng
điện năng của người dân cũng ngày một tăng cao. Việc cải tạo, nâng cấp và
xây dựng thêm các nhà máy điện cũng nh các mạng truyền tải điện là một yêu
cầu cấp thiết của ngành điện lực. Nhu cầu về dây cáp điện của các công ty
điện lực và các công ty xây lắp điện do đó cũng tăng mạnh. Việc đầu tư trang
thiết bị máy móc và dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất và
chất lượng sản phẩm nhằm cạnh tranh với 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.
.
- 1 -
.

2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
.
Với cấu hình này, Al có 3 electron ở lớp ngoài cùng (3 electron hoá trị)
do vậy nhôm thường có hoá trị III (Al
3+
).Tuy nhiên, nhôm cũng có hoá trị I
(Al
1+
) và gần đây, người ta đã điều chế được nhôm hoá trị II (Al
2+
).
Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A
0
, bán kính ion 0,86 A
0
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 (Al
2
O

C . Nhôm rất dẻo,
dễ dát mỏng và kéo sợi. Do có cấu tạo tinh thể dạng lập phương tâm diện, mật
độ electron tù do lớn nên nhôm có độ dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn điện của nhôm
.
- 3 -
.

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 [
0
C] 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 20
0
C Nhôm lỏng ở 1000
0
C
99,250 2,7270 2,3110

Nhiệt dung
riêng [kJ/kg.K]
Nhiệt độ [
0
C]
(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
[
0
C]
Điện trở suất x 10
-3
[Ώ.mm
2
/m]
So với độ dẫn điện
của đồng [%]

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.
.
- 6 -
.

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.

- 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
.
- 8 -
.

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 CaC
2
, SiC, B
4
C.
+ Sản xuất CS
2
, C
2
H
2

+ 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.

~220/380
1
2
3
6
1
5
a)
b)
4
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).
.
- 10 -
.

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:
1

2
4
3
b)
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:
2
1
~
TÇn sè cao
1. §iÖn cùc.
2. ChÊt ®iÖn m«i
(vËt gia c«ng nhiÖt).
Hình 2.4. Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi.
.
- 12 -
H×nh 2.4. Nguyªn lý lµm viÖc cña lß hå quang ®iÖn.

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.
.
- 13 -
~
7
6
5
4
3
2
1
8
.

- 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 :

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 Ýt thay đổi.
- Dễ gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim loại phải Ðp
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.
.
- 15 -
.

Các kim loại nguyên chất Ýt 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.

≤ 1%) .
Độ dãn dài của hợp kim này tới 30% ÷ 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
.
- 16 -
d
b
a
.

Xô cũ, người ta đã chế tạo được hai hợp kim эи - 595 và эи - 626 có nhiệt độ
làm việc đạt 1300
0
C. Chúng là hợp kim Crôm có hàm lượng lớn, được biến
tính bằng các kim loại kiềm thổ nên tăng độ dẻo ở 1000
0
C, 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]

lò đạt tới nhiệt độ 1350
÷
1400
0
C.
Điện trở suất của Cacbuarun lớn hơn nhiều so với kim loại, chúng đạt tới
(800
÷
900)
Ω
.mm
2
/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 = U
2
/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 1400
0
C. Nếu nhiệt độ lò cao hơn 1400

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

C. 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:
.
- 20 -
.

t = 2e
d
e
H
H
t = 2e
e
a
A
A
b
a
A-A
b)
a)

.

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).
H
b
r
e
t
A
6
7
1
2
5
4
3
2
1
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 – Èng gốm . 6 – Móc tròn.

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 quÊn 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 nh 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
.
- 23 -
.

xoắn D càng lớn thì khả năng phân bố công suất trên 1m
2
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 [
0
C] Dây Crôm – Niken Dây Sắt – Crôm – Nhôm
1000 10 8
1100 9 7
1200 - 6















−






44
100100
.
vd
qd
TT
C
. 10
-4

εε
[W/ m
2
. K
4
]. (2.2)
Với:
- ε
d
: độ đen của dây điện trở.
- ε
v
: độ đen của vật liệu nung.
Mối quan hệ giữa công suất bề mặt riêng của dây điện trở lí tưởng (W
lt
)
và nhiệt độ của dây (T
d
), nhiệt độ bề mặt vật nung (T
v
) khi ε
d
=

ε
v
=

0,8 có
nghĩa là