Thiết kế lò điện trung tần

Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
LỜI NÓI ĐẦU
So với các nước trên thế giới và một số nước trong khu vực , nền kinh tế
Việt Nam chóng ta vẫn còn trong tình trạng là một nước nghèo, nền công nghiệp
còn lạc hậu . Để thoát khỏi tình trạng này, chúng ta đang đẩy mạnh việc công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước.
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp thế giới, một mặt chúng ta áp
dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất, một mặt là đầu tư
nghiên cứu chế tạo cải tiến trang thiết bị điện cho phù hợp với trình độ vận hành
và thực tiễn sản xuất . Đây là nhiệm vụ đặt ra cho các nhà khoa học các cán bọ
kỹ thuật Việt Nam.
Là một kỹ sư tương lai, em luôn xác định trách nhiệm học tập của mình về
kiến thức và kinh nghiệm để sau này có thể góp thúc đẩy sự phát triển của nền
công nghiệp nước nhà. Sau 5 năm học tập nghiêm túc tại trường, đè tài giao cuối
khoá học của em là “ Thiết kế lò điện trung tần ” phục vụ cho ngành công
nghiệp luyện kim. Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận
tình và nghiêm khắc của thầy giáo Nguyễn Quốc Hiệu cùng với các thầy giáo
trong bộ môn Trang bị điện, đến nay đề tài của em đã hoàn thành
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm thực tế nên trong đề tài không tránh
khỏi những thiếu xót.Vì vậy em rất mong các thầy cô giáo chỉ bảo thêm để bản
đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Quốc Hiệu các thầy cô giáo trong
bộ môn và các bạn bè đồng nghiệp để tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ
án tốt nghiệp này.

Sinh viên thiết kế
Chu Văn Công
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 1 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH

PHẦN I
TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ
GIA NHIỆT BẰNG TẦN SỐ
  
I. KHÁI NIỆM CHUNG:
1.1.1. Lịch sử phát triển.
a) Đặt vấn đề.
Trước kia các ngành công nghiệp chưa được phát triển nhất là ngành luyện kim và chế
tạo máy, nên vấn đề chất lượng thép và thép hợp kim chưa được quan tâm đúng mức. Vào
thế kỷ 20, nhất là sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, Nền công nghiệp ngày càng phát triển
mạnh. Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp, nhất là ngành luyện thép và hợp kim,
ngành đúc chi tiết, ngành chế tạo máy, ngành điện lực ngành điện tử … đang đà phát triển về
sản lượng và chất lượng sản phẩm. Do yêu cầu và điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 2 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
thường như trước không thoả mãn với các dụng cụ, máy móc, thiết bị tối tân; vì ở đây đòi hỏi
chung phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, chống được ăn mòn hoá học,
điện hoá, chống bào mòn cơ học, chống nóng, chống gỉ… do đó đòi hỏi phải sản xuất ra các
chủng loại thép và hợp kim có những tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ bền chống
ăn mòn trong môi trường axit, nước sông, nước biển, chống mài mòn do va đập … Đặc biệt
cần phải sản xuất các loại thép có tính dàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm
từ cao…Do các tính chất đặc biệt nên thép được sản xuất ra từ lò thổi không khí, lò Besmer,
lò Mactin(lò bằng) không thể đáp ứng được nữa, mà phải nấu luyện trong các loại lò điện.
Vậy phương pháp luyện thép tròng lò điện là một công nghệ mới và hiện đại. Để luyện thép
và hợp kim trong lò điện, người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ
quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma. Thường sử dụng lò điện hồ quang xoay
chiều (AC–EAF), lò điện hồ quang một chiều (DC – EAF) để sản xuất thép cacbon chất
lượng, thép hợp kim thấp, trung bình và cao với sản lượng lớn. Để luyện một số mác thép hợp
kim chuyên dùng, hoặc thép hợp kim cao Ýt cacbon, người ta sử dụng các loại lò điện cảm
ứng cao tần, trung tần và tần số công nghiệp. Để nấu lại thép và hợp kim, tinh luyện kim loại

và thép đạt chất lượng cao hơn nữa người ta sử dụng lò điện xỉ, lò điện cảm ứng chân không,
lò hồ quang chân không, lò điện tử chân không sâu, lò plasma… Để nung nguyên liệu, ferro,
các loại vật liệu, các dụng cụ, chi tiết máy người ta sử dụng lò điện trở nung trực tiếp hoặc
gián tiếp.
b) Đặc điểm chủ yếu của phương pháp lò điện luyện thép.
+ Để nấu luyện thép và hợp kim trong lò điện người ta sử dụng năng lượng điện biến thành
nhiệt năng, do đó tập trung được lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt là các
kim loại khó chảy nh volfram, molipden…
+ Ở lò điện có nhiệt độ cao
≥
1700
o
C nên tạo điều kiện hoà tan các nguyên tố hợp kim nhều
trong thép, thoả mãn đầy đủ cho các phản ứng luyện kim (oxy hoá khử) tạo điều kiện tăng tốc
độ phản ứng hoá học, thúc đẩy các quá trình oxy hoá và hoàn nguyên kim loại xảy ra nhanh
chóng và triệt để.
+ Trong quá trình nấu luyện thép ở lò điện, dễ dàng nâng nhiệt độ bề mặt kim loại và đồng
thời tiến hành điều chỉnh chính xác thành phần hoá học của thép lỏng và xỉ.
+ Nấu luyện được tất cả các loại thép cacbon cao, thấp có chất lượng tốt, luyện được tất cả
các loại thép hợp kim cao hoặc đặc biệt mà đảm bảo cháy hao các hợp kim rất thấp. Đặc biệt
luyện được các mác thép có hàm lượng phôtpho và lưu huỳnh rất thấp (P,S <0,02%).
+ Giá thành thép lò điện còn cao vì tiêu tốn điện năng và điện cực lớn (điện cực grafit phải
nhập ngoại vì một số nước và nước ta chưa sản xuất được). Vì vậy cần phải áp dụng những
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 3 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
biện pháp cải tiến thiết bị và cường hoá quá trình luyện thép trong lò điện để nâng cao chất
lượng và hạ giá thành sản phẩm:
- Chọn và tính toán hợp lí phế thép, đảm bảo Ýt phôtpho và lưu huỳnh; kích thước vật liệu
phải phù hợp vói dung lượng lò và phương pháp chất liệu vàp lò để đảm bảo vận hành lò tốt.
- Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối ưu trong quá trình nấu luyện thép, đảm bảo

thời gian nấu một mẻ thấp nhất, năng suất lò (tấn/giờ) cao nhất.
- Áp dụng triệt để các biện pháp cường hoá trong giai đoạn nấu chảy, oxy hoá và hoàn
nguyên.
- Áp dụng các công nghệ mới như tạo xỉ đơn, tạo xỉ bọt, thổi oxy nguyên chất, thổi các chất
khử với khí trơ vào lò để đảm bảo tốc độ phản ứng luyện kim xảy ra nhanh, do đó khử bỏ
được các tạp chất và các khí có hại trong thép một cách triệt để.
1.1.2. Cơ sở lý thuyết chung về lò cảm ứng không lõi sắt.
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đưa một
khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại xuất hiện dòng điện
xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy đốt nóng khối kim loại.
Theo định luật Joule-Lentz.
Q=0,24.I
2
.R.t [cal] (1.1)
Trong đó : I - cường độ dòng điện qua kim loại, A ;
R - điện trở của kim loại,
Ω
;
t - thời gian tác dụng, s ;
Tuy nhiên khi nấu luyện thì nhiệt độ, thời gian thay đổi nên điện trở của kim loại cũng
thay đổi theo nhiệt đé và thời gian. Vì vậy công suất cấp vào lò là không cố định và phụ thuộc
vào giai đoạn nấu luyện, công nghệ nấu và mác thép khác nhau mà chúng ta thay đổi công
suất điện vào nã sao cho tốt nhất.
Lò cảm ứng được cấu tạo dựa trên nguyên lí của một máy biến áp không khí, cuộn
cảm ứng được chế tạo bằng ống đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quanh tường lò. Cuộn cảm
ứng được coi nh cuộn sơ cấp. Còn vật liệu kim loại chứa trong nồi được coi nh cuộn thứ cấp
máy biến áp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông
biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện động cảm ứng là E
2
. Kim loại ở đây

coi nh là một dây dẫn, khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên. Xuất hiện trong kim loại
một dòng điện cảm ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một lượng nhiệt lớn để
nung chảy kim loại. Nh vậy khi lò làm việc thì xuất hiện hai sức điện động cảm ứng trong
cuộn cảm ứng (E
1
) và trong kim loại (E
2
).
Giá trị của E
1
và E
2
được tính theo công thức sau:
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 4 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
E
1
= 4,44.
Φ
.f.n
1
.10
-8
[V].
E
2
= 4,44.
Φ
.f.n
2

.10
-8
[V].
Trong đó :
Φ
- tần số làm việc , Hz.
n
1
- số vòng của cuộn cảm ứng ( sơ cấp ).
n
2
- số vòng cuộn thứ cấp ( kim loại coi là một khối đồng nhất
nên có n
2
= 1).
Do giữa cuộn cảm ứng và kim loại chứa trong lò bị ngăn cách bởi độ dày của nồi lò
(bằng vật liệu chịu lửa) và các vòng cuộn cảm có những khoảng cách nhất định nên từ thông
biến thiên bị mất mát lớn (từ thông tản ra ngoài không khí) do vậy sức điện động cảm ứng E
1
> E
2
. Vì vậy cần phải cấp vào một lượng điện lớn để tạo ra E
1
cao phù hợp với dung lượng lò
và đồng thời tạo ra E
2
đủ lớn để làm nóng chảy kim loại trong lò. Khi kim loại bị cảm ứng thì
trong kim loại sẽ lập tức sinh ra từ thông chống lại từ thông sinh ra do cuộn cảm ứng sinh ra,
do đó chiều dòng điện
1

I
ur
ngược chiều với dòng Foucault (
2
I
suu
).
Ta có:
1 1 1
2 2 2
E n I
E n I
= =
, do đó I
2
= I
1
. n
1
Vậy dòng điện I
2
phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện và phụ thuộc vào số vòng của
cuộn cảm ứng.
Khi đưa một dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại sinh ra
một dòng điện I
2
(phucô). Dòng điện I
2
này lớn gấp n
1

lần so với I
1
, nghĩa là khi I
1
= const và
tăng số vòng cuộn cảm ứng thi dòng I
2
tăng cao.
Nhờ có dòng điện phu cô (I
2
) tạo ra một lượng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại.
Năng lượng điện cung cấp để nấu chảy kim loại được tính theo công thức:
w = I
2
2
.2
2
π
.d.h.
9
. . .10f
ρ µ
−
, W (1.2)
w = (I
1
.n
1
)

2
.2
2
π
.d.h.
9
. . .10f
ρ µ
−
, W .
trong đó : I
1
.n
1
- gọi là ampe vòng, A.mm ;
d - đường kính nồi lò chứa kim loại, mm ;
h - chiều cao nồi lò , mm ;

ρ
- điện trở suất của kim loại,
Ω
mm
2
/m ;

µ
- hệ số từ thẩm của kim loại ;
f - tần số làm việc, Hz.
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 5 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH

Qua công thức trên, chóng ta thấy lượng nhiệt cung cấp cho lò nấu luyện thép tỉ lệ
thuận với bình phương ampe vòng. Nh vậy lượng nhiệt này phụ thuộc vào số vòng của cuộn
sơ cấp (n
1
) và cường độ dòng điện cảm ứng (I
1
). Mỗi một loại lò cảm ứng đều có mạch điện
riêng để đảm bảo cung cấp dòng điện I
1
và tần số làm việc ở mức tối thiểu.
f
min
≥
2,5.10
9
2
d
ρ
, Hz (1.3)
trong đó :
ρ
- điện trở suất của liệu,
Ω
mm
2
/m ;
d - đường kính lò chứa liệu, mm.
Kết luận:
Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Điện trở suất

ρ
và hệ số từ thẩm
µ
của kim loại.
- Cường độ từ trường H : W
nhiệt
≈
H
2

≈
I
2
.
Trị sè dòng điện của nguồn cấp. NÕu tăng trị số dòng điện lên hai lần thì nhiệt năng
tăng lên bốn lần.
- Tần số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng tần số dòng điện lên bốn lần thì nhiệt năng tăng
lên hai lần.
Từ đó ta thấy : tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tăng tần số của nguồn cấp,
nhưng thực tế trị sè dòng không thể tăng lên được mãi vì lÝ do cách điện, trị số dòng điện lớn
sẽ làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dù đã được làm mát bằng dòng nước liên tục) cho nên
thực tế người ta tăng tần số của nguồn cấp.
Cuối thế kỷ XIX, sau khi Macxell phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ
thì gia nhiệt cảm ứng được ứng dụng để nung vât liệu dẫn điện. Trước đó người
ta đã phải sử dụng lò nung bằng nhiên liệu. Ngày nay, lò điện cảm ứng được
dùng phổ biến trong nhiều nhà máy, xí nghiệp.
1. Nguyên lý làm việc của lò:
Lò cảm ứng(hay còn gọi lò tần số) là một thiết bị gia nhiệt bằng dòng điện
cao tần. Nó hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi ta cho một dòng
điện xoay chiều tần số f chạy qua một cuộn dây thì trong lòng cuộn dây sẽ xuất

hiện một từ trường biến thiên. NÕu ta đặt một khối kim loại vào trong từ trường
biến thiên đó thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện một dòng điện xoáy (gọi là
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 6 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
dòng Fucô). Các dòng điện xoáy này cũng biến thiên theo tần số của dòng điện
chạy qua cuộn dây và khép mạch trong khối kim loại.
Chính sự khép mạch này làm cho khối kim loại được nung nóng lên. Giá trị
của dòng điện xoáy càng lớn thì nhiệt năng sinh ra càng lớn và khối kim loại
càng nóng. Nh vậy nếu bỏ qua tổn hao không đáng kể trên cuộn dây thì năng
lượng của dòng điện qua cuộn dây đã được chuyển hoá hoàn toàn thành nhiệt
năng trên khối kim loại.
Khi dòng điện xoay chiều qua cuộn sơ cấp bằng đồng có lớp làm mát bên
trong sẽ sinh ra từ thông biến thiên qua kim loại (cuộn thứ cấp) sinh ra sức điện
động:
E
2
= 4,44.φ.f.n
2
.10
-8
(V)
Và dòng điện I
2
tạo ra lượng nhiệt lớn để nấu chảy khối kim loại.
Ta có:
I
2
=I
1
.n

1
W= ( I
1
.n
1
)
2
.φ.π
2
.
h
d
.
9
10 f
µρ
(w)
Trong đó:
I
1
: Cường độ dòng điện trong cuộn cảm.
n
1
: Số vòng dây cuộn cảm ứng.
D: Đường kính trung bình nồi lò chứa kim loại(cm).
H: Chiều cao kim loại lỏng chứa trong lò(cm).
F: Tần số(Hz).

ρ
: Điện trở suất của kim loại.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt năng của lò:
+ Nhiệt năng sinh ra trong khối kim loại là do sự khép mạch của các
dòng Fucô. Nã còn 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
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 7 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
- Tần số dòng cảm ứng :
W
nhiệt
∼
f
Nh vậy để tăng nhiệt lượng sinh ra trong khối kim loại ,người ta tăng giá trị
của dòng điện chạy qua cuộn dây hoặc tăng tần số của dong điện này.
+ Tăng cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây: Do cuộn dây có điện
trở nên khi tăng dòng điện thì tổn hao trên cuộn dây sẽ tăng, tổn hao này chính
là tổn hao nhiệt trên cuộn dây Q=I
2
.R.t . Đây chính là nhiệt sinh ra không theo
mong muốn, nó không những gây tổn hao mà còn làm giảm tuổi thọ hoặc phá
hỏng cuộn dây. Do vậy mà tùy công suất lò để chọn giá trị dòng điện này cho
phù hợp. Đối với các lò công suất lớn thường tiến hành làm mát cho cuộn dây để
tăng tuổi thọ cho cuộn dây.
+ Tăng tần số của dòng điện chạy qua cuộn dây : Lò điện trung tần

thường lấy tần số vào khoảng 500
÷
10000 Hz. Việc tăng tần số của dòng điện có
thể làm giảm tổn hao nhiệt trên cuộn dây, nhưng yêu cầu mạch nguồn hết sức
phức tạp, mặt khác còn phải tùy thuộc vào mục đích của lò.
1.1.1. Lịch sử phát triển.
a) Đặt vấn đề.
Trước kia các ngành công nghiệp chưa được phát triển nhất là ngành luyện kim và chế
tạo máy, nên vấn đề chất lượng thép và thép hợp kim chưa được quan tâm đúng mức. Vào
thế kỷ 20, nhất là sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, Nền công nghiệp ngày càng phát triển
mạnh. Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp, nhất là ngành luyện thép và hợp kim,
ngành đúc chi tiết, ngành chế tạo máy, ngành điện lực ngành điện tử … đang đà phát triển về
sản lượng và chất lượng sản phẩm. Do yêu cầu và điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông
thường như trước không thoả mãn với các dụng cụ, máy móc, thiết bị tối tân; vì ở đây đòi hỏi
chung phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, chống được ăn mòn hoá học,
điện hoá, chống bào mòn cơ học, chống nóng, chống gỉ… do đó đòi hỏi phải sản xuất ra các
chủng loại thép và hợp kim có những tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ bền chống
ăn mòn trong môi trường axit, nước sông, nước biển, chống mài mòn do va đập … Đặc biệt
cần phải sản xuất các loại thép có tính dàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm
từ cao…Do các tính chất đặc biệt nên thép được sản xuất ra từ lò thổi không khí, lò Besmer,
lò Mactin(lò bằng) không thể đáp ứng được nữa, mà phải nấu luyện trong các loại lò điện.
Vậy phương pháp luyện thép tròng lò điện là một công nghệ mới và hiện đại. Để luyện thép
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 8 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
và hợp kim trong lò điện, người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ
quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma. Thường sử dụng lò điện hồ quang xoay
chiều (AC–EAF), lò điện hồ quang một chiều (DC – EAF) để sản xuất thép cacbon chất
lượng, thép hợp kim thấp, trung bình và cao với sản lượng lớn. Để luyện một số mác thép hợp
kim chuyên dùng, hoặc thép hợp kim cao Ýt cacbon, người ta sử dụng các loại lò điện cảm
ứng cao tần, trung tần và tần số công nghiệp. Để nấu lại thép và hợp kim, tinh luyện kim loại

và thép đạt chất lượng cao hơn nữa người ta sử dụng lò điện xỉ, lò điện cảm ứng chân không,
lò hồ quang chân không, lò điện tử chân không sâu, lò plasma… Để nung nguyên liệu, ferro,
các loại vật liệu, các dụng cụ, chi tiết máy người ta sử dụng lò điện trở nung trực tiếp hoặc
gián tiếp.
b) Đặc điểm chủ yếu của phương pháp lò điện luyện thép.
+ Để nấu luyện thép và hợp kim trong lò điện người ta sử dụng năng lượng điện biến thành
nhiệt năng, do đó tập trung được lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt là các
kim loại khó chảy nh volfram, molipden…
+ Ở lò điện có nhiệt độ cao
≥
1700
o
C nên tạo điều kiện hoà tan các nguyên tố hợp kim nhều
trong thép, thoả mãn đầy đủ cho các phản ứng luyện kim (oxy hoá khử) tạo điều kiện tăng tốc
độ phản ứng hoá học, thúc đẩy các quá trình oxy hoá và hoàn nguyên kim loại xảy ra nhanh
chóng và triệt để.
+ Trong quá trình nấu luyện thép ở lò điện, dễ dàng nâng nhiệt độ bề mặt kim loại và đồng
thời tiến hành điều chỉnh chính xác thành phần hoá học của thép lỏng và xỉ.
+ Nấu luyện được tất cả các loại thép cacbon cao, thấp có chất lượng tốt, luyện được tất cả
các loại thép hợp kim cao hoặc đặc biệt mà đảm bảo cháy hao các hợp kim rất thấp. Đặc biệt
luyện được các mác thép có hàm lượng phôtpho và lưu huỳnh rất thấp (P,S <0,02%).
+ Giá thành thép lò điện còn cao vì tiêu tốn điện năng và điện cực lớn (điện cực grafit phải
nhập ngoại vì một số nước và nước ta chưa sản xuất được). Vì vậy cần phải áp dụng những
biện pháp cải tiến thiết bị và cường hoá quá trình luyện thép trong lò điện để nâng cao chất
lượng và hạ giá thành sản phẩm:
- Chọn và tính toán hợp lí phế thép, đảm bảo Ýt phôtpho và lưu huỳnh; kích thước vật liệu
phải phù hợp vói dung lượng lò và phương pháp chất liệu vàp lò để đảm bảo vận hành lò tốt.
- Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối ưu trong quá trình nấu luyện thép, đảm bảo
thời gian nấu một mẻ thấp nhất, năng suất lò (tấn/giờ) cao nhất.
- Áp dụng triệt để các biện pháp cường hoá trong giai đoạn nấu chảy, oxy hoá và hoàn

nguyên.
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 9 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
- Áp dụng các công nghệ mới như tạo xỉ đơn, tạo xỉ bọt, thổi oxy nguyên chất, thổi các chất
khử với khí trơ vào lò để đảm bảo tốc độ phản ứng luyện kim xảy ra nhanh, do đó khử bỏ
được các tạp chất và các khí có hại trong thép một cách triệt để.
1.1.2. Cơ sở lý thuyết chung về lò cảm ứng không lõi sắt.
Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đưa một
khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại xuất hiện dòng điện
xoáy, nhiệt năng do dòng điện xoáy đốt nóng khối kim loại.
Theo định luật Joule-Lentz.
Q=0,24.I
2
.R.t [cal] (1.1)
Trong đó : I - cường độ dòng điện qua kim loại, A ;
R - điện trở của kim loại,
Ω
;
t - thời gian tác dụng, s ;
Tuy nhiên khi nấu luyện thì nhiệt độ, thời gian thay đổi nên điện trở của kim loại cũng
thay đổi theo nhiệt đé và thời gian. Vì vậy công suất cấp vào lò là không cố định và phụ thuộc
vào giai đoạn nấu luyện, công nghệ nấu và mác thép khác nhau mà chúng ta thay đổi công
suất điện vào nã sao cho tốt nhất.
Lò cảm ứng được cấu tạo dựa trên nguyên lí của một máy biến áp không khí, cuộn
cảm ứng được chế tạo bằng ống đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quanh tường lò. Cuộn cảm
ứng được coi nh cuộn sơ cấp. Còn vật liệu kim loại chứa trong nồi được coi nh cuộn thứ cấp
máy biến áp. Khi ta cho dòng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng thì sẽ sinh ra từ thông
biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện động cảm ứng là E
2
. Kim loại ở đây

coi nh là một dây dẫn, khép kín và thẳng góc với từ thông biến thiên. Xuất hiện trong kim loại
một dòng điện cảm ứng và năng lượng của dòng điện cảm ứng sinh ra một lượng nhiệt lớn để
nung chảy kim loại. Nh vậy khi lò làm việc thì xuất hiện hai sức điện động cảm ứng trong
cuộn cảm ứng (E
1
) và trong kim loại (E
2
).
Giá trị của E
1
và E
2
được tính theo công thức sau:
E
1
= 4,44.
Φ
.f.n
1
.10
-8
[V].
E
2
= 4,44.
Φ
.f.n
2
.10
-8

[V].
Trong đó :
Φ
- tần số làm việc , Hz.
n
1
- số vòng của cuộn cảm ứng ( sơ cấp ).
n
2
- số vòng cuộn thứ cấp ( kim loại coi là một khối đồng nhất
nên có n
2
= 1).
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 10 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
Do giữa cuộn cảm ứng và kim loại chứa trong lò bị ngăn cách bởi độ dày của nồi lò
(bằng vật liệu chịu lửa) và các vòng cuộn cảm có những khoảng cách nhất định nên từ thông
biến thiên bị mất mát lớn (từ thông tản ra ngoài không khí) do vậy sức điện động cảm ứng E
1
> E
2
. Vì vậy cần phải cấp vào một lượng điện lớn để tạo ra E
1
cao phù hợp với dung lượng lò
và đồng thời tạo ra E
2
đủ lớn để làm nóng chảy kim loại trong lò. Khi kim loại bị cảm ứng thì
trong kim loại sẽ lập tức sinh ra từ thông chống lại từ thông sinh ra do cuộn cảm ứng sinh ra,
do đó chiều dòng điện
1

I
ur
ngược chiều với dòng Foucault (
2
I
suu
).
Ta có:
1 1 1
2 2 2
E n I
E n I
= =
, do đó I
2
= I
1
. n
1
Vậy dòng điện I
2
phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện và phụ thuộc vào số vòng của
cuộn cảm ứng.
Khi đưa một dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng thì lập tức trong kim loại sinh ra
một dòng điện I
2
(phucô). Dòng điện I
2
này lớn gấp n
1

lần so với I
1
, nghĩa là khi I
1
= const và
tăng số vòng cuộn cảm ứng thi dòng I
2
tăng cao.
Nhờ có dòng điện phu cô (I
2
) tạo ra một lượng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại.
Năng lượng điện cung cấp để nấu chảy kim loại được tính theo công thức:
w = I
2
2
.2
2
π
.d.h.
9
. . .10f
ρ µ
−
, W (1.2)
w = (I
1
.n
1
)

2
.2
2
π
.d.h.
9
. . .10f
ρ µ
−
, W .
trong đó : I
1
.n
1
- gọi là ampe vòng, A.mm ;
d - đường kính nồi lò chứa kim loại, mm ;
h - chiều cao nồi lò , mm ;

ρ
- điện trở suất của kim loại,
Ω
mm
2
/m ;

µ
- hệ số từ thẩm của kim loại ;
f - tần số làm việc, Hz.
Qua công thức trên, chóng ta thấy lượng nhiệt cung cấp cho lò nấu luyện thép tỉ lệ
thuận với bình phương ampe vòng. Nh vậy lượng nhiệt này phụ thuộc vào số vòng của cuộn

sơ cấp (n
1
) và cường độ dòng điện cảm ứng (I
1
). Mỗi một loại lò cảm ứng đều có mạch điện
riêng để đảm bảo cung cấp dòng điện I
1
và tần số làm việc ở mức tối thiểu.
f
min
≥
2,5.10
9
2
d
ρ
, Hz (1.3)
trong đó :
ρ
- điện trở suất của liệu,
Ω
mm
2
/m ;
d - đường kính lò chứa liệu, mm.
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 11 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
Kết luận:
Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Điện trở suất

ρ
và hệ số từ thẩm
µ
của kim loại.
- Cường độ từ trường H : W
nhiệt
≈
H
2

≈
I
2
.
Trị sè dòng điện của nguồn cấp. NÕu tăng trị số dòng điện lên hai lần thì nhiệt năng
tăng lên bốn lần.
- Tần số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng tần số dòng điện lên bốn lần thì nhiệt năng tăng
lên hai lần.
Từ đó ta thấy : tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tăng tần số của nguồn cấp,
nhưng thực tế trị sè dòng không thể tăng lên được mãi vì lÝ do cách điện, trị số dòng điện lớn
sẽ làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dù đã được làm mát bằng dòng nước liên tục) cho nên
thực tế người ta tăng tần số của nguồn cấp.
3.Các phương pháp tạo ra nguồn cao tần :
+ Dùng máy phát điện tần số cao :
Do hạn chế về kích thước và số vòng quay nên giải tần số của máy phát
điện quay không quá 10KHz
Hiệu suất của các máy này có thể đạt cỡ η = 70 ÷ 80 %. Do máy phát này
được chế tạo với tần số, điện áp nhất định nên khi cần gia nhiệt với điện áp khác
thấp hơn, thường cần có biến áp để phối hợp các tham số giữa nguồn và phụ tải.
+ Dùng đèn phát điện tử :

Khi yêu cầu tần số lớn hơn 10 Khz, hiệu suất của đèn phát điện tử rất thấp η
= 60% vì phải qua nhiều khâu biến đổi và tổn hao nhiệt lớn.
+Dùng Tiristor :
Hiệu suất có thể đạt η = 90 ÷ 95% nhưng còn bị hạn chế ở giải tần số cao
và công suất lớn, sử dụng tốt ở các lò trung tần công suất nhỏ và vừa.
II. VÀI NÉT VỀ NGÀNH LUYỆN THÉP:
1.Vai trò ngành luyện thép đối với quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá:
Chóng ta đang thực hiện quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước
nên nhu cầu về sắt, thép rất lớn ngày càng tăng về số lượng cũng như chất
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 12 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
lượng. Để đáp ứng được nhu cầu này nhất thiết phải có một ngành luyện kim
phát triển. Theo dự tính của các chuyên gia luyện kim trong nước đầu năm 2000
chóng ta cần 3 triệu tấn thép/năm. Và đến đầu năm 2010 thì chúng ta cần 7,5 ÷ 8
triệu tấn thép / năm. Vì vậy chúng ta nhất thiết phải cần một ngành luyện thép
phát triển.
2.Sơ lược về phương pháp luyện thép:
Định nghĩa: Thép là hợp kim của Fe và một số nguyên tố có hạn mà ta cố ý
hoặc ngẫu nhiên cho nó tồn tại trong Fe. Thép là hợp kim của Fe và các bon,
trong đó thành phần C < 2%.
- Nhiệm vụ của luyện thép: Điều chỉnh thành phần của mác thép đạt yêu
cầu.
- Tất cả các phản ứng luyện kim đều ở thể lỏng để tiến hành các phản ứng
và theo yêu cầu nhiệt độ đúc.
3.Ngành luyện thép:
Luyện thép là một quá trình oxy hoá để khử bỏ các nguyên tố đến giới hạn
của nó. Môi trường của lò luyện thép là CO
2
thải ra và O
2

cung cấp, đây là môi
trường oxy hoá.
Các phản ứng chính:
Si + Fe
xi’
= SiO2
xi’
+ Fe + Q
Mn + FeO
xi’
= MnO
xi’
+ Fe + Q
C + FeO
xi’
= Fe + CO↑ + Q
P + FeO
xi’
= Fe + P
2
O
5
+ Q
S + FeO
xi’
= Fe + SO
2
4. Các loại lò luyện thép:
Hiện nay có rất nhiều các loại lò luyện thép khác nhau nh trong phạm vi
đồ án này ta chỉ xét đến các loại lò điện.

a.Lò điện trở:
+ Định nghĩa: Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt
năng thông qua dây đốt. Từ dây đốt, qua bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt dẫn
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 13 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
nhiệt. Nhiệt năng được truyền tới vật cần ra nhiệt. Lò điện trở thường dùng để
nung, nhiệt luyện kim loại, nấu chảy kim loại mầu và hợp kim mầu . . .
+ Phân loại :
* Theo nhiệt độ làm việc của lò:
- Lò nhiệt độ thấp (t
o
< 650
o
C)
- Lò nhiệt độ trung bình (t
o
= 650
o
C ÷ 1200
o
C)
- Lò nhiệt độ cao (t
o
> 1200
o
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
* Theo kết cấu lò:
Có lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể . . .

*Theo mục đích sử dung:
Có lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung, lò nấu chảy . . .
+ Ưu nhược điểm:
* Ưu điểm:
- Hiếu xuất cao 100%
- Khống chế được nhiệt độ.
- Có thể tự động hoá ở mức độ cao.
* Nhược điểm:
Nhiệt độ lò bị khống chế bởi vật liệu làm dây đốt (Vonfam t
0
làm việc max ở
2800
0
C).
b. Lò hồ quang:
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 14 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
+ Định nghĩa: Lò hồ quang là lò lợi dông nhiệt của ngọn lửa hồ quang
giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và kim loại để nấu chảy kim loại. Lò hồ
quang dùng để nấu thép hợp kim chất lượng cao.
+ Phân loại:
* 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 trực tiếp : nhiệt của lò lửa xẩy ra giữa hai điện cực
(graphít, than) được dùng để nung chảy kim loại.
- Lò nung nóng gián tiếp : nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa
điện cực và kim loại dùng để nấu chảy kim loại.
* Theo đặc điểm chất liệu vào lò:
- Lò chất liệu (vật liệu rắn, kim loại vụn) bên sườn bằng phương
pháp thủ công hay máy móc (máy chất liệu, máy trục có máng qua cửa lò).
- Lò chất liệu trên đỉnh lò xuống nhờ gầu chất liệu : Loại này có cơ
cấu nâng vòm móc.

+ Ưu nhược điểm:
* Ưu điểm:
- Hiệu xuất cao
- Có thể tự động hoá ở mức độ cao
- Thời gian nấu luyện nhanh, năng xuất cao.
- Thành phần tạp chất trong thép thấp, thích hợp với nấu thép chất
lượng trung bình và chất lượng cao.
* Nhược điểm:
- Nhiệt năng phân bổ tập chung ở ngọn lửa hồ quang nên phải có
thiết bị khuấy trén kim loại lỏng.
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 15 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
- Nguồn nhiên liệu chủ yếu là thép vụn , nguồn nguyên liệu đang
cạn kiệt.
c. Lò cảm ứng (lò tần số):
+ Định nghĩa: Dựa vào hiện tượng dùng điện xoáy (dòng Fucô). Nhiệt
năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại.
Nguyên lý làm việc của lò dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ khi đặt một
khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên thì khối kim loại đó sẽ xuất

hiện dòng điện xoáy.
+ Phân loại:
* Theo tần số:
- Loại lò có tần số công nghiệp từ 50 ÷ 60 Hz. Thích hợp với lò có
dung lượng trên một tấn.
- Lò trung tần có tần số làm việc từ 500 ÷ 10.000 Hz.
- Lò cao tần có tần số làm việc trên 10.000 Hz
* Theo phạm vi sử dụng:
- Lò dùng để nấu kim loại.
- Lò dùng để nung phôi cho rèn, dập, cán.
- Lò dùng để tôi bề mặt.
- Lò dùng để nung, sấy chất điện môi và bán dẫn . . .
+ Ưu nhược điểm:
* Ưu điểm:
- Truyền nhiệt một cách nhanh chóng.
- Tự động hoá ở mức độ cao.
- Tăng năng suất lao động.
- Dễ khống chế được nhiệt độ.
*Nhược điểm:
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 16 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
Từ nguyên lý làm việc của lò ta thấy nhiệt độ của xỉ phụ thuộc vào t
0
kim loại (Thấp hơn nhiệt độ kim loại). Vì vậy vai trò luyện kim loại là phải hạn
chế được xỉ đến mức tối đa.
III. ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DÔNG CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT
BẰNG TẦN SỐ
1. Ưu điÓm :
- Lò cảm ứng có thể nấu chảy được kim loại sạch nhất, Ýt hao, kim loại
lỏng được khuấy trộn mạnh, độ nấu chảy lớn, phục vụ vận hành đơn giản.Thiết

bị gia nhiệt tấn số có thể tiết kiệm năng lượng. Năng lượng nhiệt được truyền tới
vật cần gia công một cách nhanh chóng và trực tiếp không cần phải qua khâu
trung gian nào nên có thể tự động hoá ở mức độ cao và có thể tiến hành gia nhiệt
ở môi trường trung tính hay trên không.
- Có thể tôi bề mặt chi tiết (vỏ ngoài cứng, trong ruột mềm ) một cách đơn
giản nhờ hiệu ứng mặt ngoài của dòng cao tần. Vật tôi có thể có hình dạng bất kì.
- Tăng được năng suất lao động, giảm được lao động mệt nhọc. Vì vậy,
nó được ứng dụng rộng rãi và phổ biến là: nấu chảy kim loại trong không khí,
khí trơ trên không, nung phôi để rèn, dập, tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí , hàn .
- Gia công hoá nhiệt,sấy nung hàn chất điện môi, bán dẫn (nh: sấy gỗ,
dán gỗ, sấy khuôn đúc, sứ , sấy bột, khử trùng đồ hộp, lưu hoa cao su, hàn dán
nhựa ni lông…).
- Việc gia nhiệt chất điện môi (sấy, nung ) thực hiện nhờ điện trường E
biến thiên(một thành phần của trường điện từ ). Trong điện trường biến thiên, các
phần tử điện môi bị phân cực. Sự thay đổi hướng phân cực thường chậm sau theo
sù thay đổi hướng của điện trường và cần một năng lượng. Năng lượng này làm
nóng điện môi hoặc chất bán dẫn nên tần sè gia nhiệt điện môi tới 1 MHz.
* Đối với lò trung tần nấu thép :
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 17 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
- Có thể luyện được thép cacbon rất thấp (0.02 % C) , vì trong lò cảm
ứng không có quá trình tăng cacbon bởi điện cực. Do đó có thể luyện được thép
chất lượng đặc biệt.
- Hàm lượng khí trong kim loại thấp vì không có hiện tượng cháy hồ
quang trên bề mặt kim loại, mặt khác xỉ sệt cản hấp thụ khí.
- Sự khuấy trộn của kim loại lỏng trong nồi lò rất mãnh liệt do lực điện
từ sinh ra tác dụng lên khối kim loại lỏng. Do vậy mà thành phần hoá học và
nhiệt độ rất đồng đều, tạp chất phi kim Ýt.
- Năng suất lò cao, tổn hao nguyên tố hợp kim thấp do tốc độ nung lớn
và xỉ Ýt FeO.

- Khống chế thành phần và nhiệt độ của quá trình dễ dàng.
- Xây và vận hành lò không vất vả, dễ cơ khí hoá và tự động hoá.
2. Nhược điểm:
- Lò cảm ứng có hệ số công suất cosϕ thấp , đặc biệt khi điện trở của vật
liệu giảm (hợp kim Cu : 0,05 – 0,8 ; Al và Cu : 0,4-0,65 ). Hệ số này có thể tăng
lên 0,9-1 khi mắc các tụ điện song song với lò. Mặt khác, nhiệt độ của xỉ thấp
hơn nhiệt độ của kim loại, xỉ thường sệt, kém linh động nên khử tạp chất kém có
thể dùng xỉ để tinh luyện thép mà chủ yếu dùng để nấu lại.
- Độ bền của áo lò thấp.
- Thiết bị khó sản xuất và đắt tiền.
- Chi phí điện lớn nên giá thành cao. Lò tần số (25-450).10
3
Hz khả năng
tận dụng công suất lò còn hạn chế.
- Lò trung tần 2000-2400 Hz lúc làm việc tiếng động cơ và máy phát kêu
làm ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động.
3. Ứng dông:
Nhờ hiệu quả của thiết bị gia nhiệt tần số lớn hơn 80% (trong khi lò điện
hồ quang và lò điện trở là 60-75% ), hiệu quả điện là 96% . Nên thiết bị này
được sử dụng khá rộng rãi (nhiều nước trên thế giới đang dùng lò điện cảm ứng
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 18 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
10 tấn, công suất 1500 Kw – 50Hz, loại lò này thường được phối hợp với lò
đứng 30-40 tấn để nấu thép), phổ biến là :
+ Nấu chảy kim loại trong không khí, khí trơ, chân không.
+ Nung phôi để rèn dập, Ðp.
+ Tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí.
+ Hàn .
+ Gia công hoá nhiệt .
+ Sấy nung, hàn chất điện môi, bán dẫn (nh: sấy gỗ, dán gỗ, sấy

khuôn đúc, sứ, sấy bột, thóc giống, gạo, khử trùng đồ hộp, lưu hoá cao su, hàn
dán nhựa, nilông…). Việc gia nhiệt chất điện môi (sấy, nung…) thực hiện nhờ
điện trường E biến thiên( một thành phần của trường điện từ). Trong điện trường
biến thiên, các phần tử điện môi bị phân cực. Sự thay đổi hướng phân cực
thường chậm sau theo sù thay đổi hướng của điện trường và cần một năng
lượng. Năng lượng này làm nóng điện môi hay chất bán dẫn. Tần số gia nhiệt
điện môi tới 1MHz. Nhưng nhìn chung, lò tần số được ứng dụng chủ yếu ở 2
công việc chính:
* Nấu thép:
NÕu ta đặt khối thép cần nấu chảy vào trong từ trường biến thiên của lò thì
khối thép sẽ nóng lên vì các dòng điện xoáy khép mạch trong nó. Nếu ta tiếp tục
duy trì từ trường biến thiên của lò thì sau một khoảng thời gian khối thép sẽ bị
nấu chảy. Đây là ứng dụng chủ yếu của lò. Người ta có thể chế tạo ra các lò nấu
thép có kích thước tuỳ ý một cách dễ dàng. Do việc truyền trực tiếp năng lượng
tới vật cần gia công, tổn hao Ýt nên hiệu suất đạt được của lò là khá cao. Hiện
nay, lò nấu thép trung tần đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta.
* Tôi bề mặt chi tiết:
Các dòng điện xoáy tập trung trong khối thép đều mang tần số, do đó theo hiệu
ứng bề mặt ngoài, các dòng xoáy này chủ yếu tập trung ở bề mặt ngoài của chi
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 19 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
tiết. Sự tập trung này làm cho bề mặt chi tiết bị nung nóng lên một cách cục bộ.
Với tính chất này người ta có thể tôi bề mặt của các chi tiết có hình dạng bất kỳ.
IV. SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT BẰNG
TẦN SÈ
Năng lượng truyền từ nguồn điện (tần số) qua vòng cảm ứng, biến đổi thành
năng lượng trường điện từ. Trong vật gia nhiệt điện năng dòng (xoáy) cảm ứng
được chuyển thành nhiệt năng.
Với giả thiết điện trở suất ρ và hệ số từ thẩm µ không thay đổi theo nhiệt độ.
Khi truyền sâu vào trong kim loại, độ lớn các vecto E và A bị giảm dần và năng

lượng của trường điện từ cũng giảm dần (theo độ sâu truyền Z).
Độ sâu (theo chiều Z vuông góc với bề mặt vật gia nhiệt) tối ưu được tính
theo công thức :
S =
γωµ
a
2
= 503
f.
µ
ρ
[m]
Còn gọi là độ sâu thẩm thấu
Trong đó :
ω = 2πf : tần số góc.
µ
a
: hệ số từ thẩm tuyệt đối.
µ : hệ số từ thẩm tương đối của kim loại Hình 1-1
µ
0
: hệ số từ thẩm chân không µ
0
= 4.π.10
-7
(H/m)
γ : Điện dẫn suất của kim loại γ = (1/ρ).(1/Ωm).
ở độ sâu Z = δ thì biên độ E, H chỉ còn 36,8% so với bề mặt của kim loại.
S
0

Hình 1-2

Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 20 Líp : K37IC
E/E
0
Z/δ
0
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
Nếu biểu thị dòng năng lượng (W) chảy qua một đơn vị diện tích (cm
2
)
vuông góc với phương truyền sóng điện từ bằng một vecto gọi là vecto pointing
(hình 1-2) thì độ dài (modun) của vecto này sẽ giảm khi vào sâu trong kim loại.
Tính toán thực tế cho thấy khi Z= δ thì 0,864 phần năng lượng điện từ có ở
bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày δ. Còn 0,136 phần năng
lượng điện từ tiếp tục truyền sâu vào lớp trong. Nếu Z=2δ thì năng lượngđiện từ
mất thêm 0,117δ
0
để đốt nóng kim loại tiếp theo (dầy δ) nghĩa là mất tổng cộng
0,981δ
0
để đốt nóng lớp kim loại có bề mặt dày 2δ còn lại 0,019δ
0
tiếp tục
truyền sâu vào lớp trong. Từ 1-1 ta thấy tần số càng lớn thì δ càng nhỏ và năng
lượng điện từ càng tập chung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim loại.
Để tiện tính toán người ta hay dùng công thức tính theo sè Ampe vòng. Mật
độ năng lượng tại mặt ngoài sẽ là :

fWIS ).(10.2

24
0
µρ
−
=
W/cm
2
) (*)
Trong đó I : Dòng điện của cuộn cảm ứng.
W
0
: Số vòng / cm chiều cao cuộn cảm ứng.
Khi mặt ngoài là hình trụ (hình 2-4) thì phải thêm hệ số hình dáng Φ vào (*)

fWIS ) (10.2
24
0
µρ
Φ=
−
(W/cm
2
)
Trong đó Φ là một hàm của S và bán kính r của vật bị gia nhiệt
Φ =
δ
2r
Φ

và được biểu thị qua đồ thị của ở (hình 1-4)

Khi
δ
2r
> 10 thì Φ gần bằng 1, và S
0
tính cho mặt trụ gống nh trong mặt
phẳng.
Thực tế thì các chi tiết gia công có hình dạng phức tạp như hình bánh răng,
trụckhuỷu, cam…Nhưng đều có thể quy tụ về hai trường hợp điển hình trụ và
mặt.
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 21 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH


h

S
0

hình 1 -3 hình 1 - 4
V. CÁC PHẦN TỬ CHÍNH CỦA THIẾT BỊ GIA NHIỆT:
1. Các bộ phận biến tần :
Hiện nay , trong các thiết bị gia nhiệt 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 tiristor.
2. Vòng cảm ứng :
Vì dòng điện qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn ampe nên tổn hao điện
chiếm tới 20÷30% công suất hữu Ých của thiết bị. Do vậy người ta cần làm mát
cho vòng cảm ứng .
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện từ 2 đến 5 A/ mm

2
.
Làm mát bằng nước chảy trong vòng cảm ứng rỗng thiết diện tròn, ô van, chữ
nhật cho phép mật độ dòng điện lên tới 50 đến 70 A/ mm
2
. Dây dẫn làm vòng
cảm ứng có thể rỗng vì dòng cao tần chỉ phân bố phía ngoài dây. Trong dải tần
số Radio, thường dùng ống dây từ 1 đến 0,5 mm.
3. Tụ điện :
Tụ điện trong các thiết bị gia nhiệt bằng tần số có chức năng phân li dòng
điện một chiều hoặc bù Cosϕ các tụ này phải là các tụ chịu được điện áp cao (tới
1000V)
và chịu được tần số cao (10 Khz) và thường được làm mát bằng nước.
4. Các Tristor động lực:
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 22 Líp : K37IC
ϕ
0.8
0.6
0.4
0.2
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
Sử dụng các tristor có dòng định mức hàng trăm Ampe, làm mát bằng
nước lưu lượng nước khoảng 5 lít / phút.
5. Công tắc tơ :
Trong thiết bị gia nhiêt cao tần , các công tắc tơ được dùng làm công tắc
tơ cao tần hai cực chịu điện áp 1600 V và tần số từ 500 đến 1000 Hz ở mỗi cực
có hai tiếp điểm. Tiếp điểm chính ( Tiếp điểm làm việc ) và các tiếp điểm dập hồ
quang đặt trong buồng dập hồ quang và có lưới , có cuộn dây phụ để thổi từ
trường. Mỗi cặp tiếp điểm được nối song song nhau. Khi đóng mạch tiếp điểm
dập hồ quang đóng trước rồi sau đến tiếp điểm chính, khi ngắt mạch thì ngược

lại.
6. Dây dẫn cao tần :
Đặc trưng của dây dẫn cao tần là có cảm kháng đặc biệt lớn do hiệu ứng
bề mặt, hỗ cảm chính, phụ thuộc vào tần số. Dây dẫn trung tần, trong thiết bị gia
nhiệt bằng tần số thường là thanh cái phẳng, ống rỗng có nước làm mát, cáp
đồng trục cao tần hay cáp một ruột, nhiều ruột thông thường, tần số 10 Khz và
điện áp tới 2 KV.Cáp đồng trục có trở kháng nhỏ và cảm kháng nhỏ so với các
loại dây dẫn khác nhưng có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn. Hiện nay đã cố
các loại cáp lực cao tần đặc biệt chịu dòng cao tần tới 500A.
VI. GIỚI THIỆU LÒ TRUNGTẦN CỦA CÔNG TY CƠ KHÍ CHÍNH
XÁC VNI THUỘC KHU CÔNG NGHIỆP QUANG MINH
1. Giới thiệu nhà máy:
Nhà máy cơ khí chính xác VNI là nhà máy chuyên sản xuất các phụ tùng
ôtô xe máy.các thiết bị phụ tùng này được chế tạo bằng việcnấu luyện thép. Lò
nấu thép được sử dụng trong nhà máy là lò trung tần. Mỗ mẻ thép khoảng 100
đến 2000kg và được nấu thành nhiều mẻ trong quá trình sản xuất. Mỗi mẻ thép
được nấu trong khoảng từ 2÷3 giờ.Thép saukhi nấu được chuyển qua hệ thống
đúc để chế tạo sản phẩm. Ở đây việc theo dõi và nấu luyện thép được thực hiện
bởi 1 nhân viên vận hành. Cứ mỗi 1 mẻ thép hoàn thành người công nhân sẽ đổ
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 23 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH
thÐp ra thông qua việc nhấn nút và hệ thống sẽ thực hiện việc chuyển thép qua
khuân đúc. Sau đó lai tiếp tục cho mẻ thép tiếp theo.
2.Số liệu kỹ thuật- điều kiện làm việc của lò trung tần gw 0,5-160/1J-D:
Ký hiệu: GW 0,5- 160/1J-D
Dung lượng định mức: 500 kg
Công suất định mức: 160 kw
Điện áp trung tần: 600v
Điện áp bộ cảm ứng: 1400v
Tần số định mức: 1000Hz

Nhiệt độ làm việc: 1600
0
C
Tiêu hao nước: 3T/h
Kích thước lò nấu luyện(đáy trên*đáy dưới*chiều cao):

Φ
430 ×
Φ
360
825
Φ×
2. Các điều kiện làm việc- chỉ tiêu chất lượng điện:
a) Các điều kiện làm việc:
+ Chiều cao so với mực nước biển
≤
1000m
+ Nhiệt độ môi trường xung quanh: + 5
0
C
≤
T
≤
+40
0
C
+ Nhiệt độ tương đối lớn nhất bình quân tháng Èm nhất ở khu vực sử
dụng< 90% đồng thời nhiệt độ thấp nhất bình quân tháng
≤
25

0
C.
+ Không có bụi dẫn điện xung quanh, khí nổ và thể khí ăn mòn có thể
làm tổn hại nghiêm trọng kim loại và cách điện.
+ Trong phòng không có chấn động và va đập mạnh.
+Yêu cầu về chất nước làm mát:
- Độ PH(tính kiềm và tính axít) trong phạm vi từ 6
÷
9.
- Độ cứng
≤
10 độ( 1 độ là 1 lít nước có chứa 10mg CaO).
- Tổng hàm lượng chất rắn
≤
250mg/L.
- Nhiệt độ nứơc vào: 5
0
C
≤
T
≤
35
0
C
- Áp lực nước vào lò là: 0,2
÷
0,3 Mpa
b) Chỉ tiêu chất lượng điện:
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 24 Líp : K37IC
Đồ án tốt nghiệp  Bộ môn TĐH

+ Phạm vi dao động giá trị điện áp nguồn điện không quá
±
5% giá trị định
mức.
+ Dao động tần số không quá
±
2% giá trị định mức.
PHẦN II
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ
  
I. YÊU CẦU NGUỒN CẤP CHO LÒ:
Lò trung tần là một thiết bị gia nhiệt dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ có
đặc điểm là năng lượng nhiệt tỷ lệ với
f
nên thường tần số khá cao. Lò trung
tần thường cần nguồn điện mang tần số từ 500 đến 1000 Hz. Do đó cần phải tạo
ra nguồn cao tần để đáp ứng yêu cầu về nguồn cho lò. Hiện nay, người ta thường
Sinh viên thiết kế : Chu Văn Công 25 Líp : K37IC