1 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN. I. Giới thiệu chung - Trong đời sống, sản xuất.yêu cầu về sử dụng nhiệt là rất lớn trong các ngành công nghiệp khác nhau .nhiệt năng dùng để nung , sấy ,nhiệt luyện, nấu chẩy kim loại, hợp kim, Nhiệt năng là một yêu cầu không thể thiếu, nguồn nhiệt năng này đuợc chuyển từ điện năng qua các lò điện là rất phổ biếnvà thuận tiện. - Từ điện năng có thể thu được nhiệt năng bằng nhiều cách: Nhờ hiệu ứng joule dùng trong lò điện trở. Nhờ phóng điện hồ quang dùng trong lò hồ quang . Nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ dùng trong lò cảm ứng.vv - Lò điện là thiết bị biến đổi đổ i điện năng thành nhiệt năng sử dụng trong công nghệ nấu chảy vật liệu, công nghệ nung nóng, công nghệ nhiệt luyện và cả trong ngành y tế.vv 1. Đặc điểm của lò điện. - Là thiết bị có khả năng tạo ra nhiệt độ cao do nhiệt độ tập chung trong một thể tích nhỏ, do nhiệt năng tập chung nên lò có tốc độ nung nhanh và có năng xuất cao. - Đảm bảo nung đều, dễ điều chỉnh khống chế nhiệt và chế độ nhiệt. - Lò đảm bảo được độ kín và khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ vì vậy mà độ cháy tiêu hao kim loại không đáng k ể . - Lò có khả năng cơ khí hoávà tự động hoá ở mức cao. - Lò đảm bảo được điều kiện vệ sinh không có bụi , không có khói. 2 II. Các loại lò điện: * lò điện trở. * lò hồ quang. * lò cảm ứng. 1. Lò điện trở: 1. 1 Nguyên lí hoat động : Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua dây đốt (dây điện trở) từ dây đốt, qua bức xạ, qua đối lưu và truyền nhiệt, dẫn nhiệt. Nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt Hình -1 Sơ đồ nguyên lí Hình: -a lò nung trực tiếp , -b lò nung gián tiếp 1- Vật liệu nung nóng trực tiếp. 2- Cầu dao. 3- Bi ến áp. 4- Đầu cấp điện. 5- Dây đốt (dây điện trở) . 6 - Vật liệu nung nóng gián tiếp. 3 1. 2 Phương phương pháp biến đổi điện năng trong lò điện trở. Dựa trên định luật joule: Khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lượng Q ,và Q được tính theo biểu thức: Q = I 2 .R.t ,[J] Trong đó: I là Cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, A R là Điện trở của dây dẫn, Ω t là Thời gian dòng điện chạy qua dây dãn , s 1. 3 Phân loại lò điện trở. * Theo nhiệt độ làm việc của lò. - Lò nhiệt độ thấp ( t 0 <650 0 C ). - Lò nhiệt độ trung bình (t 0 =650-1200 0 C ). - Lò nhiệt độ cao (t 0 >1200 0 C ). * Theo nơi dùng. - Lò dùng trong công nghiệp . - Lò dùng trong phòng thí nghiệm . - Lò dùng trong gia đình. * Theo đặc tính làm việc. - Lò làm việc liên tục. - Lò làm việc gián đoạn. 1. 4 Yêu cầu đối với vật liệu làm dây điện trở. Dây điện trở được đặt trong buồng lò hoặc buồng phát nhiệt , chúng làm việc ở môi trường nhiệt độ cao , vì vậy vật liệu làm dây trở cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Khả năng ch ịu được nhiệt độ cao, không bị ôxy hoá trong môi trường không khí nhiệt độ cao. - Độ bền cơ học tốt ,độ bền nóng cao. - Điện trở suất cao. - Hệ số nhiệt điện trở bé. 1. 5 Ứng dụng: Lò điện trở dùng để nung , nhiệt luyện, nấu chảy kim loại và hợp kim màu. 2. Lò hồ quang: 4 2. 1 Nguyên lí hoạt động: Lò hồ quang là lò Lợi dụng nhiệt lượng của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại. Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý 1- Điện cực. 2- Ngọn lửa hồ quang. 3- Vật gia nhiệt (kim loại). 4 -Tường lò. 2. 2 Phương pháp biến đổi điện n ăng trong lò hồ quang điện. Dựa vào ngọn lửa hồ quang ,hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí . Trong những điều kiện bình thường thì chất khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá chất khí dưới điện trường thì khí sẽ dẫn điện, khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng xuất hiện ngọn lửa h ồ quang để gia nhiệt cho vật nung hay nấu chảy. 2. 3 Phân loại. 5 * Theo dòng điện sử dụng. - Lò hồ quang một chiều. - Lò hồ quang xoay chiều. * Theo cách cháy của ngọn lửa hồ quang. - Lò nung nóng gián tiếp: Nhiệt của ngọn lửa xảy ra giữa hai điện cực (graphít,than) được dùng để nấu chảy kim loại (hình b). - Lò nung nóng trực tiếp : Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa điện cực và kim loại dùng để nấu ch ảy kim loại (hình a). 2. 4 Kết cấu: Một lò hồ quang bao gồm các bộ phận chính. 1- Nồi lò có lớp vỏ cách nhiệt ,cửa lòvà miệng rót. 2- Vòm nóc lò có vỏ cách nhiệt. 3- Cơ cấu giữ và dịch chuyển điện cực, truyền động bằng điện hay thuỷ lực. 4- Cơ cấu nghiêng lò , truyền động bằng điện hay thuỷ lực. 5- Phần dẫn điện từ bi ến áp lò tới lò. Ngoài ra đối với lò nạp liệu từ trên cao, còn có cơ cấu nâng, quay vòm lò, có cấu rót kim loại cũng như gầu gạt liệu. 2. 5 Thông số quan trọng của lò. - Dung tích định mức của lò: số tấn kim loại lỏng của một mẻ nấu. - Công suất định mức của biến áp lò: ảnh hưởng tới thời gian nấu luyện và năng suất của lò. 2. 6 Đặc điể m công nghệ. Chu trình làm việc của lò hồ quang gồm ba giai đoạn: + Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại. Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 ÷ 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm 50 ÷ 60% toàn bộ thời một chu trình. Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định. 6 Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa các điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang điện cực phải được điều chỉng gần kim loại lúc đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực bị chạm vào kim loại ( gọi là quá điều chỉnh) và gây ra hiện tượng ngắn mạch làm việc. Ngắn mạ ch làm việc xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch động lực thường phải làm việc ở điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm nổi bật cần lưu ý khi tính toán chọn thiết bị cho lò hồ quang. Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do xụt lở thành của hố bao quanh đầu điện cực t ạo ra ở trong liệu. Trong giai đoạn này , số lần ngắn mạch làm việc có thể lên tới 100 hoặc hơn, mỗi lần ngắn mạch công suất hữu ích giảm mạnh và có khi bằng 0 với tổn hao cực đại. Thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2 ÷ 3s. Giai đoạn nấu chảy là gian đoạn hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt củ a hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn, trong giai đoạn này điện áp cấp và công suất ra của biến áp lò là lớn nhất. + Giai đoạn ôxy hoá và hoàn nguyên. Đây là giai đoạn khử C của kim loại đến một giới hạn nhất định tuỳ theo yêu cầu công nghệ. Khử P và S khử khí trong gang rồi tinh luyện. Giai đoạn này ngọn lửa hồ quang cần duy trì ổn định. Tr ước khi thép gia lò phải qua giai đoạn hoàn nguyên , giai đoạn khử ôxy, khử sufua và hợp kim hoá kim loại. Công suất yêu cầu lúc này chỉ cỡ 30% so với giai đoạn nấu chảy.Chế độ năng lượng tương đối ổn định và chiều dài ngọn lửa hồ quang khoảng vài chục milimét. + Giai đoạn phụ. Đây là giai đoạn lấy sản phẩm đã nấu luyện, tu sửa, làm vệ sinh và chất liệu vào lò. + ứng dụng: lò hồ quang được dùng để nấu thép hay hợp kim chất lượng cao. 7 3. Lò cảm ứng. 3. 1 Nguyên lí hoạt động : Lò cảm ứng hay lò tần số làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ . Khi đặt một khối kim loại vào trong từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện các dòng điện xoay chiều(dòng foucault), nhiệt năng do dòng điện xoay chiều sinh ra sẽ đốt nóng khối kim loại. Hình 3- Lò cảm ứng không có mạch từ. 1- Vòng cảm ứng. 3- Nồi lò. 4- Tường lò bằng vật liệu chịu nhiệt. 3. 2 Phương pháp biến đổi điện năng trong lò cảm ứng. Dựa trên định luật cảm ứng điện từ của faraday: Khi cho dòng điện đi qua một cuộn cảm thì điện năng được biến thành năng lượng của t ừ trường biến thiên. Nếu đặt vào trong từ trường biến thiên đó một khối kim loại thì trong khối kim loaị sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng (dòng foucault), nhiệt năng do dòng điện này gây ra sẽ nung nóng khối kim loại. 8 Nhiệt năng truyền vào kim loại phụ thuộc vào các yếu tố : - Điện trở suất ρ và hệ số từ thẩm μ của kim loại. - Cường độ từ trường H W nhiệt ≈H 2 ≈I 2 . Nếu tăng trị số của dòng điện lên hai lần thì nhiệt năng tăng lên bốn lần. - Tần số dòng điện của nguồn cấp W nhiệt ≈ √f . Nếu tăng tần số lên bốn lần thì nhiệt năng tăng lên hai lần. Tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tăng tần số của nguồn cấp nhưng thực tế trị số dòng không thể tăng lên mãi vì lý do cách điện, cho nên trên thực tế dùng tăng tần số của nguồn cấp. * Các bộ nguồn tần số cao: - Dùng máy phát điện tần số cao. Do hạn chế về kết cấu cơ khí nên tần số của các máy phát điện quay không quá 10kHz. - Dùng đèn phát điện tử. Khi cần tần số lớn hơn 10kHz. - Dùng biến tần thyristor, sử dụng trong các lò trung tần công suất vừa và nhỏ. 3. 3 Phân loại lò cảm ứng: * Theo tần số làm việc bao gồm : - Lò cảm ứng tần số công nghiệp 50 – 500Hz. - Lò cảm ứng trung t ần có tần số từ 500-10.000Hz.Thiết bị này thường dùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng thyristor khi công suất nhỏ và vừa. - Lò cảm ứng cao tần có tần số từ 10.000Hz trở lên. * Theo phạm vi sử dụng: - Lò cảm ứng để nấu chảy kim loại và hợp kim bao gồm hai loại là lò có lõi thép (lò máng) và lò không có lõi thép (lò nồi). - Lò máng có dung lượng nhỏ và nhiệt độ thấp nên hay dùng để nấu chảy kim loại màu. Lò nồi có dung lượng càng lớn thi t ần số càng giảm để nóng đều giữa nồi, dung lượng nồi có thể đạt tới 10 tấn,làm việc ở tấn số 50Hz công suất 1500Kw. Thiết bị nung phôi cho rèn ,đạp cán phôi càng lớn thì tần số làm việc càng nhỏ 9 Thiết bị tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao lớp tôi càng mỏng thì tần số càng cao. Thiết bị nung và sấy chất bán dẫn. 3. 4 Đặc điểm công nghệ: Quy trình nấu luyện thép trong lò điện cảm ứng được chia thành các giai đoạn. Sửa chữa vá nồi lò. Chất liệu. Nấu chảy. Hợp kim hoá. Khử 0 2 và ra lò. - Sửa chữa nồi lò: Được tiến hành tuỳ theo nhu cầu sau mỗi mẻ nấu, vật liệu vá lò phải đúng như vật liệu chế tạo nồi .Trước khi chất liệu vào lò cần kiểm tra sự bào mòn và vết nứt trong thành lò. Đặc biệt cần chú ý đến vị trí xung quanh đáy nồi lò và các thành nồi song song với ống dây cảm ứng. - Chất liệu: Tiến hành bằng tay đối v ới lò nhỏ với lò lớn phải được cơ khí hoá . Phôi liệu phải rất sạch , được phân loại theo thành phần hoá học ( đặc biệt hồi liệu hợp kim ) Thành phần hoá học trung bình của thép vụn được chọn thế nào để tiêu thụ chất hợp kim hoá ít nhất . Chỉ riêng Ni được cho vào sau khi phôi liệu đã tan chảy. Để trong quá trình nấu luyện đạt được hệ số sử dụng năng lượ ng điện lớn nhất . Thì phôi liệu cần phải được xếp gần cuộn cảm, do vậy cần đảm bảo tỷ số nhất định giữa cục lớn và cục nhỏ . Chất tạo xỉ được xếp vào đáy lò , sau đó 10 xếp các cục thép vụn cỡ lớn vào sát thành lò và xếp các cục phôi liệu nhỏ ,nhẹ dễ chảy vào ô giữa. - Nấu chảy : Chiếm thời gian dài nhất của toàn bộ quá trình nấu . Trong quá trình nấu chảy cần theo dõi sự chảy tan của phôi liệu và chế độ điện Khi cột liệu tụt xuống dần thì cần kiểm tra để cột liệu không tạo cầu “ treo liệu” Dưới cầu đó dễ dẫn đến sự quá nhiệt lớn , trước khi chảy hoàn toàn thì cần cho vào lò một lượng chất tạo xỉ nhất định . Đối với lò axít thì cho thạch anh , đối với lò ba zơ thì cho đá vôi và huỳnh thạch CaF 2 hoặc xỉ nhân tạo ba zơ . Xỉ có tác dụng che phủ kim loại và hạn chế sự tản mát nhiệt . Chế độ điện trong quá trình nấu chảy được điều chỉnh sao cho công suất và hiệu quả đạt cực đại . Hệ số sử dụng của bộ biến đổi đạt dược 60-70%. Khi kim loại lỏng đạt mức giữa nồi lò , có nghĩa đạt mứ c gần cuộn cảm hơn như vậy cosϕ được nâng lên mức độ tốt hơn. Thời gian nấu chảy trong lò điện cảm ứng phụ thuộc vào các yếu tố : hình dạng , phôi liệu ,sự tản nhiệt và chế độ điện. Sau khi liệu chảy tan thì tiến hành hợp kim hoá . Như vậy trước khi cho chất hợp kim hoá vào cần phải lấy mâphân tích thành phần hoá học .tuỳ theo k ết quả phân tích mà tiến hành hợp kim hoá theo yêu cầu. Trong lò điện cảm ứng người ta có thể nấu luyện thép với lượng C thấp và lượng khí nhỏ . Hơn nữa có thể đạt được sự đồng đều thành phần hoá học và nhiệt độ thép lỏng (do có sự khuấy trộn điện động). 3. 5 Các phần tử chính trong lò cảm ứng. a- Các bộ biến tần. Hiện nay, trong các thiết bị gia nhiệ t bằng dòng điện cao tần, nguồn cao tần (các bộ biến tần ) có thể là máy phát điện quay, đèn phát điện tử hay biến tần dùng thyristor. [...]... Công suất 1 chiều mà tải nhận được: Pd = U d I d b- Về phía van: + Dòng điện trung bình chảy qua 1 van của mạch van: I tbV + Điện áp ngược cực đại: U ngmaX c- Về phía nguồn: S + S2 = ksd Pd + Công suất biểu kiến máy biến áp: Sba = 1 2 Id = 12 U1 , I1 , là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện sơ cấp U 2i , I 2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện thứ cấp m số cuộn dây thứ cấp k sd - hệ số... 1pha nửa chu kì Dạng điện áp tải và điện áp chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu nhận được trên tải: 1 2π 2 Ud = ∫0 2U 2 sin θ dθ = π U 2 = 0,45U 2 2π U Dòng điện sau chỉnh lưu: I d = d ( tải thuần trở ) Rd Điện áp ngược trên mỗi van: I tbV = I d Điện áp chỉnh lưu trung bình: U do = 0, 45U 2 Điện áp ngược trên mỗi van: U ngmaX = 2U 2 U 2 trị số hiệu dụng của cuộn thứ cấp biến áp nguồn Dòng điện cuộn sơ cấp: I1... trên van IT = Id 2 Điện áp trên tải Điện áp ngược Ud=0,9U2 Ung max= 2 U2 23 Dạng điện áp và dòng điện trên van d- Chỉnh lưu hình tia 3 pha dùng thyristor Sơ đồ nguyên lý 24 Hình 7 Chỉnh lưu hình tia 3 pha dùng thyristor Dạng điện áp tải và điện áp chỉnh lưu 0 • Nếu góc α ≥ 30 Ud có đoạn bằng không Vì vậy, khi tải thuần trở dòng điện id sẽ gián đoạn ( id có đoạn bằng không ) ta có điện áp chỉnh lưu:... vậy, ta thấy điện áp ra tải Ud luôn lấy các điện áp pha dương nhất của nguồn Ud = Id = 3 2π ∫ 1500 30 0 2U 2 sin θ = 3 6 U 2 = 1,17U 2 2π Ud Rd Dòng điện qua mỗi van chỉ tồn tại trong 1/3 chu kì điện áp nguồn nên ta có: I I tbV = d 3 Điện áp ngược trên van: U ngV = U d Điện áp ngược cực đại trên van : U ngmaX = U dmaX 3 2U 2 = 6U 2 Chỉnh lưu 3 pha dùng nguồn 3 pha nên công suất lớn, dòng điện tải vài... Dòng điện cuộn sơ cấp: I1 = 1,21 Id kba Dòng điện cuộn thứ cấp: I2 = 1,57 Id d- Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì có điểm giữa 17 Sơ đồ nguyên lý Hình4 Sơ đồ 1 pha 2 nửa chu kì có điểm giữa Dạng điện áp tải và điện áp chỉnh lưu 1 π 2 2 Điện áp chỉnh lưu: U d = ∫0 2 sin θ dθ = π U 2 = 0,9U 2 2π Dòng điện chỉnh lưu: I d = Ud Rd Dòng trung bình qua van: I tbv = Id 2 Điện áp ngược cực đại qua van: U ngmaX = 2... đọ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu U 0 là giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu K + Hệ số san phẳng: K sp = dmV K dmR II - CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN 1 Chỉnh lưu không điều khiển a- Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ nguyên lý 13 Hình 1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1pha Dạng điện áp tải và điện áp chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu: U d = Dòng điện chỉnh lưu: 1 2π Id = ∫ π 0 2 sin θ dθ = 2... 2U 2 π = 0,45U 2 ( 0 ≤ α ≤ 1800 ) Khi α = 1800 thì U d = 0 Dòng điện chỉnh lưu: I d = Ud Rd b- Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì: Sơ đồ nguyên lý Hình 7 Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì 22 Dạng điện áp chỉnh lưu và điện áp tải, dòng điện trên tải α1 = α 2 = α ( α góc điều khiển ) Điện áp chỉnh lưu: U dα = = 1 π∫ π 0 2U 2 sin θ dθ = 2 2 π U2 Dòng điện chỉnh lưu: I d = IĐ= 1 2π ∫ 2π 0 U d (θ ) dθ (1 + cos α )... động mệt nhọc Chương II TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ MẠCH LỰC LÒ NẤU ( P = 2.5 MW , f = 500 Hz ) CÁC PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN I Chỉnh lưu 1 Khái niệm: Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều 2 Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu a- Về phía tải: + Dòng điện trung bình trên tải, kí hiệu Id + Điện áp trung bình trên tải, kí hiệu Ud Ud = 1 T 1 ∫0 U d... dòng phải đấu một cuộn kháng có điện cảm đủ lớn Điện kháng này có chức năng lọc các sóng hài bậc cao và ngăn chặn sự phóng điện của tụ chuyển mạch về nguồn một chiều Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2 , dòng iN = id = Id đồng thời dòng qua tụ C tăng đột biến , tụ C bắt đầu được nạp điện với dấu “+” ở bên trái, dấu “-” ở bên phải Khi tụ C được nạp đầy dòng qua tụ giảm về 0 Do iN = iC + iZ = Id = hằng... việc ứng với, f0>f, f0=f, f0 . 1 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÒ ĐIỆN. I. Giới thiệu chung - Trong đời sống, sản xuất.yêu cầu về sử dụng nhiệt là rất lớn trong. cao. - Lò đảm bảo được điều kiện vệ sinh không có bụi , không có khói. 2 II. Các loại lò điện: * lò điện trở. * lò hồ quang. * lò cảm ứng. 1. Lò điện trở: