Tính toán thiết kế thiết bị gia nhiệt tần số

CHƯƠNG 1
đặc điểm công nghệ gia nhiệt bằng tần số.
Đ1.1. KháI niệm chung.
1.1.1. Lịch sử phát triển.
a) Đặt vấn đề.
Trớc kia các ngành công nghiệp cha đợc phát triển nhất là ngành luyện kim và
chế tạo máy, nên vấn đề chất lợng thép và thép hợp kim cha đợc 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 lợng và chất lợng sản phẩm. Do yêu cầu và điều
kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thờng nh trớc 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 đợc 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 nh độ bền cơ học cao, độ bền chống ăn mòn trong môi trờng
axit, nớc sông, nớc 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 caoDo
các tính chất đặc biệt nên thép đợc sản xuất ra từ lò thổi không khí, lò Besmer, lò
Mactin(lò bằng) không thể đáp ứng đợc nữa, mà phải nấu luyện trong các loại lò
điện. Vậy phơng pháp luyện thép tròng lò điện là một công nghệ mới và hiện đại. Để
luyện thép và hợp kim trong lò điện, ngời ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt
năng dới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma. Thờng sử dụng lò
điện hồ quang xoay chiều (ACEAF), lò điện hồ quang một chiều (DC EAF) để
sản xuất thép cacbon chất lợng, thép hợp kim thấp, trung bình và cao với sản lợng
lớn. Để luyện một số mác thép hợp kim chuyên dùng, hoặc thép hợp kim cao ít
cacbon, ngời 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 lợng cao hơn
nữa ngời 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 ngời ta sử dụng lò điện trở nung trực tiếp hoặc gián tiếp.

b) Đặc điểm chủ yếu của phơng pháp lò điện luyện thép.
+ Để nấu luyện thép và hợp kim trong lò điện ngời ta sử dụng năng lợng điện biến
thành nhiệt năng, do đó tập trung đợc lợng 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.

1
+ 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 đợc tất cả các loại thép cacbon cao, thấp có chất lợng tốt, luyện đợc tất
cả các loại thép hợp kim cao hoặc đặc biệt mà đảm bảo cháy hao các hợp kim rất
thấp. Đặc biệt luyện đợc các mác thép có hàm lợng phôtpho và lu 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 nớc và nớc ta cha sản xuất đợc). Vì vậy cần phải áp
dụng những biện pháp cải tiến thiết bị và cờng hoá quá trình luyện thép trong lò điện
để nâng cao chất lợng và hạ giá thành sản phẩm:
- Chọn và tính toán hợp lí phế thép, đảm bảo ít phôtpho và lu huỳnh; kích thớc vật
liệu phải phù hợp vói dung lợng lò và phơng pháp chất liệu vàp lò để đảm bảo vận
hành lò tốt.
- Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối u 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 cờng hoá trong giai đoạn nấu chảy, oxy hoá và

hoàn nguyên.
- áp dụng các công nghệ mới nh 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 đợc 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 tợng cảm ứng điện từ, khi đa
một khối kim loại vào trong một từ trờng 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 - cờng độ dòng điện qua kim loại, A ;
R - điện trở của kim loại,

;
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 độ 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 nó sao cho tốt nhất.
Lò cảm ứng đợc cấu tạo dựa trên nguyên lí của một máy biến áp không khí,
cuộn cảm ứng đợc chế tạo bằng ống đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quanh tờng lò.
Cuộn cảm ứng đợc coi nh cuộn sơ cấp. Còn vật liệu kim loại chứa trong nồi đợc 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 lợng của

dòng điện cảm ứng sinh ra một lợng nhiệt lớn để nung chảy kim loại. Nh vậy khi lò

2
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
đợc tính theo công thức sau:
E
1
= 4,44.

.f.n
1
.10
-8
[V].
E
2
= 4,44.

.f.n
2
.10

-8
[V].
Trong đó :

- 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 lợng điện lớn để tạo ra E
1
cao phù hợp với dung lợng 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
ngợc
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 đa 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 lợng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại.
Năng lợng điện cung cấp để nấu chảy kim loại đợc tính theo công thức:
w = I
2
2
.2
2

.d.h.
9
. . .10f
à

, W (1.2)
w = (I
1
.n
1
)

2
.2
2

.d.h.
9
. . .10f
à

, W .
trong đó : I
1
.n
1
- gọi là ampe vòng, A.mm ;
d - đờng kính nồi lò chứa kim loại, mm ;
h - chiều cao nồi lò , mm ;


- điện trở suất của kim loại,

mm
2
/m ;

à
- hệ số từ thẩm của kim loại ;
f - tần số làm việc, Hz.

3

Qua công thức trên, chúng ta thấy lợng nhiệt cung cấp cho lò nấu luyện thép tỉ
lệ thuận với bình phơng ampe vòng. Nh vậy lợng nhiệt này phụ thuộc vào số vòng
của cuộn sơ cấp (n
1
) và cờng 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

, Hz (1.3)
trong đó :

- điện trở suất của liệu,

mm
2
/m ;
d - đờng kính lò chứa liệu, mm.
Kết luận:
Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Điện trở suất

và hệ số từ thẩm
à
của kim loại.
- Cờng độ từ trờng H : W
nhiệt

H
2


I
2
.
Trị số dòng điện của nguồn cấp. Nếu 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, nhng thực tế trị số dòng không thể tăng lên đợc mãi vì lí do cách điện, trị
số dòng điện lớn sẽ làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dù đã đợc làm mát bằng dòng
nớc liên tục) cho nên thực tế ngời ta tăng tần số của nguồn cấp.
1.1.3. Các bộ nguồn tần số cao.
Các bộ nguồn tần số cao có thể tạo ra bằng các phơng pháp sau:
- Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao do hạn chế về kích thớc và số vòng quay
nên giải tần số của máy phát không vợt quá f=10 kHz. Hiệu suất của các máy này có
thể đạt cỡ

= 70

ữ
80%. Do máy phát này đợc chế tạo với tần số, công suất, điện áp
nhất định nên khi cần gia nhiệt với điện áp khác thấp hơn, thờng cần có biến áp để
phối hợp các tham số giữa nguồn và phụ tải.
- Dùng bộ biến tần dùng tiristo do công
nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn cha chế tạo đ-
ợc các loại tiristo tần số cao, nên tần số có
giới hạn tới f=2000Hz. Sử dụng tốt ở các lò
trung tần công suất vừa và nhỏ.
- Bộ tần số dùng đèn phát điện tử, khi cần
tần số cao đến 400kHz dùng đèn phát là đèn
điện tử ba cực (triôt). Hiệu suất của bộ biến
nguồn dùng đèn phát không cao, tuổi thọ của
đèn thấp.
1.1.4. Ưu điểm của thiết bị gia nhiệt tần
số.

4
Có thể truyền năng lợng nhiệt cho vật cần gia công một cách nhanh chóng và
trực tiếp, không phải qua khâu trung gian nên có thể tự động hoá ở mức độ cao và có
thể tiến hành gia nhiệt ở môi trờng trung tính, chân không.
- Có thể tôi bề mặt chi tiết (vỏ ngoài cứng, trong ruột mềm) một cách đơn gian nhờ
hiệu ứng mặt ngoài của dòng cao tần. Vật cần tôi có thể có hình dạng bất kì.
- Tăng đợc năng suất lao động, giảm đợc lao động mệt nhọc.
1.1.5. Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số.
- Nấu chảy kim loại trong môi trờng không khí, khí trơ, chân không.
- Nung phôi để rèn, dập, ép.
- Tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí.
- Thực hiện các nguyên công nhiệt luyện nh tôi, ram thờng hoá. Đặc biệt ứng dụng,
để tôi bề mặt các chi tiết nh bánh răng , cổ trục khuỷu của động cơ điêzen khi yêu

cầu độ cứng bề mặt ngoài cao. Hình dáng chi tiết cần tôi có thể có hình dáng bất kì
(hình vẽ).
- Do hiệu ứng bề mặt ngoài của dòng cao tần, bề mặt ngoài cua chi tiết đợc nung
nóng trong thời gian một vài giây, trong khi đó trong lòng của chi tiết cha kịp nung
nóng.
- Hàn đờng ống trong công nghiệp chế tạo ống nớc tráng kẽm.
1.1.6. Phân loại các thiết bị gia nhiệt tần số.
a) Theo tần số làm việc có:
- Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lới hoặc qua máy biến áp: f = 50 Hz.
- Thiết bị trung tần với tần số làm việc từ 500
ữ
10.000 Hz. Thiết bị này thờng
dùng máy phát điện quay tần số cao hay dùng tiristor khi công suất nhỏ và vừa.
- Thiết bị gia nhiệt tần số cao tần, có tần số làm việc f >10 kHz, thờng dùng đèn
phát hoặc tiristor.
b) Theo phạm vi sử dụng có:
+Thiết bị tần số nấu chảy kim loại và hợp kim : loại này phân ra làm hai loại
- Lò cảm ứng có lõi thép: Thờng là lò có tần số công nghiệp đợc cấp nguồn từ biến
áp động lực có công suất từ 75 đến 1000kVA.
- Lò cảm ứng không lõi thép kiểu hở và kiểu kín dùng nấu chảy thép chất lợng cao,
gang, kim loại màu và hợp kim.
Vật nấu
Máng
Nồi
Các vòng cảm ứng
a) lò có lõi thép (lò máng) b) lò không có lõi thép (lò nồi)
Hình 1.1: Lò nấu chảy cảm ứng.

5
+ Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán. Phôi càng lớn thì tần số làm việc càng nhỏ.

+ Thiết bị tôi bề mặt thờng làm việc ở tần số cao. Lớp tôi càng mỏng thì tần số làm
việc càng cao.
+ Thiết bị nung, sấy chất điện môi và bán dẫn.
Đ1.2. Đặc điểm nguyên lí cảm ứng điện trong lò cảm ứng
không lõi sắt.
1.2.1. Mức độ cảm ứng.
Mức độ cảm ứng của khối liệu kim loại chứa trong lò khác nhau, phụ thuộc
vào từng vùng, tính chất của liệu và tần số làm việc. Mật độ dòng điện cảm ứng phân
bố trong lò không đều. Kim loại sát tờng lò, gần cuộn cảm ứng thì có mật độ điện lớn
nhất và giảm dần theo chiều hớng vào tâm lò, tức là liệu đợc chảy nhanh nhất ở sát t-
ờng lò, còn ở giữa lò là chảy chậm. Để xác định đại lợng mật độ dòng ở kim loại tại
một điểm bất kì trong nồi lò ta có công thức sau :
9
2
. .10
.
2
0 0
. .
kl
z
z
f
w
p
z
e e

à
à

= =
(1.4).
Trong đó :
0
,
z

- tơng ứng là mật độ dòng tại hoành độ z và O ;

à
- độ từ thẩm trong môi trờng chân không ;

kl
à
- độ từ thẩm của kim loại trong lò ;


- điện trở suất của kim loại,

mm
2
/m ;
f - tần số làm việc, Hz .
Trong quá trình nấu luyện thép khi tăng nhiệt độ thì độ sâu thấm từ tăng (dới
điểm quyri t

780
o
C). Trên thực tế sản xuất thờng cho lò đạt nhiệt độ cao rồi mới
chất vật liệu cục to vào lò, đặc biệt nên chất vật liệu kim loại sát thành lò hết sức khít
chặt, còn ở giữa lò chất vừa đảm bảo vật liệu đợc nung đỏ và nấu chảy đều, nhanh.
Sau mỗi mẻ thép cần để lại ít thép lỏng trong lò để kích thích độ dẫn từ cho phép).
Khi vật liệu kim loại còn ở trạng thái rắn thì giá trị công suất nhiệt tỏa ra trong vật
liệu phụ thuộc vào kích thớc cục vật liệu ban đầu.
Theo G.T.Badata thì giá trị công toả nhiệt ra trong liệu đạt đợc cực đại khi kích
thớc liệu là :
d
1
= 3,5.b , mm
trong đó : d
1
- đờng kính cục vật liệu, mm;
b - độ sâu thấm từ, mm.
b =
12
1 .10
.
2 .
kl
f

à
+
, mm (1.5)

6
z
z
P /P
z
o
o
z

Hình 1.2: Phân bố tơng đối của mật độ dòng điện
0
z



ữ

và công suất
0
z
P
P

ữ

.
1.2.2. Công suất điện.
Tận dụng công suất điện có lợi rất thấp cho quá trình nấu, do đó cần phải nối
mạch vào tải hệ thống tụ điện bù cos

.
Do cấu tạo lò và cuộn cảm ứng nồi lò có độ dày bằng vật liệu chịu lửa ngăn
cách lò với cuộn cảm ứng, còn cuộn cảm ứng có nhiều vòng, vòng nọ cách vòng kia 2
ữ
3 mm nên tạo ra nhiều khe hở, dẫn tới từ thông biến thiên bị rò ra không khí, mất
bớt năng lợng điện cảm ứng ở trong lò do đó hệ số tận dụng công suất điện rất thấp:
- Tần số 50Hz thì cos

= 0,10
ữ
0,12.
- Tần số 500Hz
ữ
3000Hz, cos

= 0,20
ữ
0,22.
- Tần số 4000Hz
ữ
10.000Hz, cos

= 0,25
ữ
0,28.
1.2.3. Hệ thống tụ điện bù.
Với đại lợng cos

thấp nh vậy không thể đủ năng lợng nhiệt cung cấp cho
việc nấu chảy kim loại, vì vậy ngời ta mắc hệ thống tụ điện bù hoặc nối tiếp hoặc

song song, hoặc hỗn hợp với cuộn cảm ứng lò.
a) Mắc nối tiếp với cuộn cảm ứng lò thì cho ta chế độ cộng hởng điện áp.

7
I
r
X=
1
C

C

1
U =U
1
2
1U
2U
2
U'
C
U
L
U =
CU
rU
1I


U

C
Hình 1.3: Sơ đồ nối tiếp tụ với cuộn cảm ứng lò.
Khi cộng hởng I
m
= I
lò
= I
c
= I
tổng
và điện áp của máy phát khi công hởng nhỏ
hơn điện áp của máy khi cha cộng hởng (U
m
> U
m
). Nếu cộng hởng hoàn toàn thì có
điện áp ở cuộn cảm ứng bằng điện áp ở tụ điện bù (U
L
= U
C
). Khi U
m
=U
m
thì góc
lệch pha giữa U
L
và U
m
giảm xuống bằng không. Nếu điện áp ở máy phát ổn định

theo mức bù dẫn tới I
L
tăng làm tăng giá trị sụt áp trên cuộn cảm và trên tụ bù.
Điện áp trên cuộn cảm ứng lò : U
L
= U
1
.X = U
1
.

.L.
Điện áp trên tụ điện bù : U
C
= I
1
.
1
C

và trên điện trở thuần có điện áp U
r
=I
1
.r,
dẫn tới làm tăng điện áp trên lò, thúc đẩy nung chảy vật liệu. Dòng điện cảm ứng
cộng hởng (I

) đôi khi cao quá dễ xuyên thủng lớp cách điện giữa các vòng cảm ứng
dẫn đến sự cố. Do đó cần phải khống chế dòng điện khi có chế độ cộng hởng điện áp.

Thực tế ngời ta ít dùng cách ghép nối tụ điện nối tiếp, hiện nay dùng phổ biến phơng
pháp ghép nối tụ bù song song với cuộn cảm ứng lò. Với cách nối này cho ta chế độ
cộng hởng dòng điện và hoàn toàn tránh đợc sự cố do quá dòng điện cộng hởng.
b) Sơ đồ ghép tụ song song với cuộn cảm ứng từ.
2
1
U =U
1

C

C
1
X=
r
I
2
I
I
n
U
C
U
L
I =
2
I
C
I
L

I =
C
I
2


I
C
I
2
Hình 1.4: Sơ đồ nối song song tụ với cuộn cảm ứng lò.
Ta có U
m
= U
c
= U
L
= U
lò
, nghĩa là điện áp máy phát ổn định trong quá trình
chạy lò, còn dòng điện lò khi cộng hởng vợt trội dòng điện máy phát:
lo
I
uur
=
c
I
uur
+
m

I
uur

8
Nhng nếu cha bù cos

thì ta có:
lo
I
uur
=
m
I
uur
Nếu cộng hởng hoàn toàn khi r = 0 thì ta có :
lo
I
uur
=
c
I
uur
. Khi lò làm việc theo
chế đọ cộng hởng ta có:
1
L
C


=

(điện trở trong cuộn cảm bằng điện trở trong tụ
điện bù).
Do đó ta xác định đợc điện dung của tụ điện bù:
C =
2 2
1 1
. (2 . ) .L r f L

=
; L =
2 2
1
2 . . 2 . . 2 . .
U Q
f I f U f U

= =
(1.6)
Trong đó :

- tần số góc, rad/s;
f tần số dòng điện, Hz;
L - đại lợng tự cảm, H;
C - Điện dung tự cảm, F;
Q Công suất phản kháng, kVAr.
Qua công thức trên , chúng ta thấy lò cảm ứng có tần số làm việc càng cao thì
điện dung bù càng nhỏ (giá thành hạ, tổn hao điện năng tụ thấp).
c) Cộng hởng hỗn hợp là vừa có cộng hởng điện áp, vừa có cộng hởng dòng trong
qúa trình chạy lò. Để thực hiện cộng hởng hỗn hợp ngời ta vừa nối ghép tụ bù nối
tiếp, vừa nối song song với cuộn cảm ứng lò. Đây là mạch nộ phức tạp, cồng kềnh

nên ít sử dụng trong sản xuất.
n
I
I
r
X=
1
C

C

2
U =U
1
2

C
1
I
C
Hình 1.5: Sơ đồ nối hỗn hơp tụ với cuộn cảm ứng lò
d) Ngoài ra do từ thông tán xạ và từ thông trong khối trụ kim loại gây ra hiện tợng
điện động mạnh trong bể lỏng kim loại. Do vậy xuất hiện lực căng làm cho phần khối
kim loại lỏng ở giữa lò đợc tăng cao với độ cao
2
h
.
3 2
1 0
2

2 2 2
6,41.10 .( . )
0,01.
. . . .
I n
P
h
h d f


= =
, [cm]
Trong đó: I
1
- cờng độ dòng điện vào cuộn cảm ứng lò, A;
n
0
- số vòng cảm ứng trên một đơn vị dài, vg/cm;

9

- tỉ khối của kim loại lỏng, g/cm
2;
P - công suất điện cung cấp cho kim loại, W;
h
2
, d
2
- tơng ứng là chiều cao và đờng kính của bể kim loại, cm;
2

- điện trở suất của kim loại,

m;
f - tần số làm việc của lò, Hz.
Cùng một công suất truyền cho kim loại nếu tần số càng nhỏ thì
2
h
càng cao.
Do lực nâng lên của phần kim loại lỏng giữa lò nên kim loại + xỉ lỏng đợc xáo trộn
mãnh liệt làm cho thành phần hoá học và nhiệt độ của thép lỏng hết sức đồng đều,
sản phẩm luyện ra rất sạch nhng lại có nhợc điểm làm cho lò bị bào mòn nhanh, bóc
trần bề mặt kim loại lỏng, (không có xỉ bao che) tạo điều kiện cho khí có hại dễ xâm
nhập vào thép lỏng. Qua sản xuất thực tế ngời ta đã áp dụng hai biện pháp sau đây để
khắc phục nhợc điểm đó:
- Nâng hạ cuộn cảm đến mức cho phép (đối với lò có dung tích nhỏ 5
ữ
10kg/mẻ).
- Ngời ta lắp đặt hai cuộn cảm ứng: cuộn cảm ứng có tần số cao để tăng tốc độ nấu
chảy liệu, còn cuộn cảm ứng thứ hai có tần số công nghiệp để khuấy trộn bể kim loại
lỏng. Hai cuộn cảm ứng này đợc nối ghép thành một hệ thống chung và đợc quấn các
vòng cảm ứng ngợc chiều nhau. Cuộn cảm ứng thứ nhất có nhiều vòng đợc sử dụng
trong thời gian nấu chảy vật liệu, còn cuộn cảm ứng thứ hai đợc sử dụng khi cần xáo
trộn kim loại lỏng mãnh liệt mà không có độ vồng cao của phần khối kim loại ở giữa
lò. Với thiết bị hiện đại ngời ta vận hành lò có hai cuộn cảm ứng hết sức nhanh và
chính xác. Hiện nay ngời ta áp dụng phơng pháp này phổ biến để nấu luyện thép hợp
kim có chất lợng cao và đồng thời nâng cao tuổi thọ áo lò (100
ữ
150 mẻ).
h

b
h

2
tấn
2
2


10
Hình 1.6: Sơ đồ tơng tác từ thông trong nồi lò cảm ứng.
Đ1.3. sự truyền năng lợng trong thiết bị gia nhiệt bằng tần
số.
1.3.1. Nguyên lý nung nóng bằng dòng điện tần số cao.
Nung nóng bằng dòng điện tần số cao dựa vào nguyên lý sau:
Khi cho dòng điện xoay chiều qua cuộn dây, xung quanh nó sẽ sinh ra một từ
trờng có tần số bằng tần số dòng điện. Nếu đặt một dây dẫn (mẫu cần nung) trong từ
trờng này thì dây dẫn sẽ sẽ tạo thành dòng điện cảm ứng (dòng điện xoáy hay dòng
phu cô) và nung nóng nó. Dòng điện cảm ứng cũng là dòng xoay chiều nên nó phân
bố không đều trong tiết diện dây dẫn, tần số dòng điện càng cao thì dòng điện tập
trung ở lớp bề mặt càng mỏng. Sự phân bố dòng điện trong tiết diện dây dẫn có dạng
nh hình vẽ và tuân theo quy luật :

=
x
mx
e.II
(A/m
2
) (1.7)
Trong đó: I
x
: Mật độ dòng điện ở cách bề mặt khoảng x
I
m
: Mật độ dòng điện ở bề mặt

: Khoảng cách từ bề mặt vào đến chỗ có mật độ dòng điện
giảm đi e lần so với I
m
.
Sơ đồ nung nóng
bằng dòng điện tần số cao
2
1
3
Khoảng cách tới bề mặt
C ờng độ dòng điện, A


Sự phân bố dòng điện trong tiết diện dây dẫn
1. Vòng cảm ứng
2. Đờng sức

3. Chi tiết cần nung
Một cách gần đúng, có thể coi

là chiều sâu lớp có dòng điện chạy qua và nó
chính là chiều sâu lớp đợc tôi. Chiều sâu lớp đợc tôi phụ thuộc vào tần số của dòng
điện, điện trở suất và độ từ thẩm của vật nung theo công thức:

11
Hình 1.7
( )
5030 cm
f


à
=
Đối với một loại vật liệu đã cho có thể coi

và
à
là không đổi nên chiều dày
lớp có dòng điện chạy qua

tỷ lệ nghịch với tần số dòng điện f. Tuy thế, chúng ta đã
biết

và
à
đều phụ thuộc vào nhiệt độ nên

cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nung:
Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ có thể biểu diễn theo quan hệ sau:

(1 )
o
t

= +
Trong đó:
0

: là điện trở suất ở nhiệt độ không tuyệt đối (0
0
K)

: là hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ.
Từ công thức trên thấy: Khi tăng nhiệt độ thì

cũng tăng nhng không nhiều.
Sự thay đổi của độ thẩm từ
à
có tính đột biến. Khi tăng nhiệt độ nhng còn
thấp hơn điểm Curie (đối với sắt thì nhiệt độ =768
0
C) thì
à
hầu nh không đổi, nhng
khi vợt qua điểm Curie,
à
giảm đột ngột. Tóm lại ta thấy rằng tăng nhiệt độ dới điểm

Curie, chiều sâu của lớp có dòng điện chạy qua không thay đổi đáng kể, khi vợt qua
điểm Curie do
à
giảm đột ngột nên chiều sâu lớp có dòng điện chạy qua tăng mạnh
vì thế mà tốc độ nung cũng giảm đi nhiều.
Sự phân bố nhiệt độ trong khi nung nóng bằng dòng điện tần số cao có dạng.

Bề mặt
T0
Ac1
Lõi
Bề mặt
T1
T2
T3
Hình 1.8: Sự phân bố nhiệt độ khi nung nóng bằng dòng tần số cao.
Khi nhiệt độ bề mặt thấp hơn điểm Curie thì nhiệt độ giảm đột ngột từ bề mặt
vào lõi. Khi nhịêt độ lớp bề mặt đã đạt đợc nhiệt độ Curie thì lớp này nung nóng
chậm (T
2
).
1.3.2. Sự truyền năng lợng.

12
Năng lợng điện truyền từ nguồn điện (tần số), qua vòng cảm ứng, biến đổi
thành năng lợng trờng điện từ. Trong vật gia nhiệt, điện năng dòng (xoáy) cảm ứng đ-
ợc chuyển thành nhiệt năng.
Khi truyền vào sâu trong kim loại, độ lớn của các vectơ
E
ur

và
H
uur
(hai thành
phần của trờng điện từ) bị giảm dần và năng lợng trờng điện từ cũng giảm dần (theo
độ sâu truyền Z). Nh hình vẽ 1.9:
Độ sâu (theo chiều Z vuông góc với bề mặt vật gia nhiệt), tính theo công thức:
2
503.
. . .
a
f


à à
=
, (m). (1.8)
Gọi là độ sâu thẩm thấu.
1 2 3
4
5
0
1
0,368
0
e
e
0
z

z
h
e
h
h
Hình 1.9: Sự suy giảm E, H theo độ sâu Z.
Trong công thức (1-8) thì :

: Tần số góc,
2. . f

=
.
a
à
: Hệ số từ thẩm tuyệt đối của kim loại.
0
.
a
à à à
=
à
: Hệ số từ thẩm tơng đối của kim loại
0
à
: Hệ số từ thẩm chân không.
7
0
4 .10 /H m
à

=
.

: Điện dẫn suất của kim loại.
1


=
,
[ ]
1/ m

=
.

13

s
0
1
cm
2
0
Hình 1.10: Vectơ pointing.
ở độ sâu Z =

thì biên độ E, H chỉ còn 36,8% so với bề mặt ngoài của kim
loại.
Nếu biểu thị dòng năng lợng (W) chảy qua 1 đơn vị diện tích (cm

2
) vuông góc
với phơng truyền sóng điện từ bằng 1 vectơ gọi là vectơ Pointing (hình vẽ 1.10) thì độ
dài (mô đun) này sẽ giảm khi vào sâu trong kim loại.
Tính toán và thực tế cho thấy : Khi Z =

thì 0,864 phần năng lợng điện từ có
ở bề mặt kim loại bị tiêu tán để đốt nóng lớp kim loại dày

, còn 0,136 phần năng l-
ợng điện từ tiếp tục truyền sâu vào lớp trong. Nếu Z =
2.

thì năng lợng điện từ mất
thêm 0,117S
0
để đốt nóng kim loại tiếp theo (dày

), nghĩa là mất tổng cộng 0,981S
0
để đốt nóng lớp ở mặt ngoài của kim loại.
Rõ ràng, tần số càng lớn (1.8) thì

càng nhỏ và năng lợng điện từ càng tập
trung đốt nóng ở lớp mặt ngoài của kim loại.
Để tiện tính toán ngời ta hay dùng công thức tính theo số ampe-vòng. Mật độ
năng lợng tại mặt ngoài (mặt phẳng) sẽ là :
S
0
=2.10

-4
(I.W
0
)
2
.
f
à

2
/W cm


. (1.9).
Trong đó : I Dòng điện của cuộn cảm ứng, [A] .
W
0
Số vòng/cm chiều cao cuộn cảm ứng.
0
s
2
1cm
r
h
Hình 1.11:Mật độ năng lợng trên mặt hình trụ.
Khi mặt ngoài là hình trụ (hình 1.11) thì phải thêm hệ số hình dáng

vào
công thức (1.9).

14
S
0
= 2.10
-4
.[IW
0
]
2
.
f
à
, [W/cm
2
] . (1.10).
Hệ số hình dáng

là một hàm số của

và bán kính vật gia công.
2r



=
ữ
ữ

Và đợc biểu diễn ở hình 1.10.
Khi

2
10
r

>
thì
1


và S
0
tính cho mặt trụ giống nh cho mặt phẳng.
Thực tế, các chi tiết gia công có hình dạng phức tạp nh bánh răng, trục khuỷu,
cam v.v nhng đều có thể quy tụ về hai trờng hợp điển hình (mặt phẳng và mặt trụ)
đã xét.
+ Công suất thấm vào vật gia nhiệt sẽ là :
P = S
0
.F , [W] (1.11)
+ Hệ số cos

trong lò cảm ứng phụ thuộc khe hở giữa vật gia công và cuộn cảm
ứng.
Từ hình vẽ 1.1b :
Khi
1
R
r

thì cos

0,707.
Khi
1
R
r
>
thì cos

<
0,707.
2 4
6
0
8
10
0,2
0,4
0,6
0,8


r
2
Hình 1.12: Quan hệ phụ thuộc của

theo
2r

+ Hiệu suất điện của lò cảm ứng cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. ở tần số cao và
khi
2
1
r


thì hiệu suất giới hạn có thể tính theo công thức sau :

15
.
. .
1
1
g han
vong c u
kl
R
r



=
+
(1.12).
Rõ ràng, hiệu suất giới hạn giảm khi
R
r
tăng (khe hở giữa vòng cảm ứng và
gia nhiệt tăng) và khi điện trở suất

vòng.c.
của vật liệu làm vòng cảm ứng tăng.
Nếu vòng cảm ứng và kim loại gia công cùng chất thì

giớihạn
chỉ còn phụ thuộc
vào các bán kính r, R. Khi
1
R
r

thì

giớihạn

0,5. Vậy hiệu suất của lò cảm ứng nói
chung không cao (

0,5).
Để giảm các tổn thất từ khối nguồn tới vòng cảm ứng, có thể dùng hệ tiristor.
+ Tần số dòng gia nhiệt phù hợp đợc lựa chọn theo bề dày thấm tôi. Nói chung, khi

tăng (lớp thấm tôi dày) thì tần số giảm.
Với lớp thấm tôi < 10mm, tần số gia nhiệt tối u là :
f
tối u
=
2
63000

, [Hz]. (1.13).
trong đó : [

] cm.
Với lớp thấm tôi > 10mm thì ta coi nh ở chế độ nung và f
tối u
tuỳ thuộc r, h
(hình 1.11) của chi tiết gia công:
r (mm) >80 25-60 15-40 8-20
h (mm) >160 65-160 25-60 15-40
f
tối u
(Hz) 50 500 2500 8000
Bảng 1.1 : Các trị số f tối u theo r và h.
Khi chi tiết gia công nhỏ và tần số làm việc thấp thì việc truyền năng lợng sẽ
khó khăn và hiệu suất thiết bị thấp. Do đó cần quy định một tần số làm việc tối thiểu.
f
min
=
2
7500
r
[Hz] (1.14).
Trong đó : [r] cm.
ở các công thức trên, từ (1.8) đến (1.14) là cha kể đến ảnh hởng của các thông
số khác trong quá trình gia công. Chẳng hạn, nhiệt độ thay đổi dẫn đến thay đổi các
trị số
,
à

và từ đó cả

. Bảng 1.2 : giới thiệu các trị số

(mm) phụ thuộc f và t
o
của vài vật liệu thông thờng hay gặp.
Vật liệu Thép Đồng Nhôm
Nhiệt độ (
o
C) 20 100 20 1000 20 600

16

(10
-6
m

)
10 130 2 10 2,9 11,3
à
60 1 1 1 1 1
f (Hz) 50
1000
2500
8000
70.000
150.000
250.000
500.000

2,8
0,64
0,4
0,22
0,07
0,05
0,04
0,03
85,5
19,0
12,0
6,70
2,21
1,55
1,20
0,85
9,5
2,1
1,34
0,75
0,35
0,16
0,13
0,095
18,7
4,2
2,57
1,48
0,45
0,32

0,26
0,27
12,8
2,7
1,7
0,85
0,31
0,21
0,17
0,12
24,0
5,4
3,4
1,7
0,60
0,42
0,34
0,24
Bảng 1.2 : Các trị số

theo f và t
o
Đ1.4. các phần tử chính trong thiết bị gia nhiệt bằng tần số
1.4.1. Các bộ 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.
a) Máy phát điện tần số cao đã đợc chế tạo ở dải công suất 0,5
ữ
1500 kW và dải

tần số 500
ữ
8000 Hz.
Đối với tần số dới 500Hz, ngời ta dùng máy phát đồng bộ cực lồi có số cặp
cực lớn và số vòng quay cao vì : f =
60
np
, [Hz]. (1.15)
Trong đó : p số cặp cực.
N tốc độ quay rôtor,[vg/ph].
CLV
CKĐ
2
1
a)
b)
Hình 1.13: Mạch từ (a) và rotor (b) của máy phát cảm ứng có từ trờng đập mạch

17
Đối với tần số cao hơn, chế tạo các máy phát nh trên sẽ gặp nhiều khó khăn vì
số cặp cực tăng làm tăng kích thớc máy và việc tăng tốc độ quay cũng bị hạn chế do
độ bền cơ khí v.v Vì vậy, ở tần số trên 500Hz ngời ta dùng máy phát cảm ứng có từ
trờng đập mạch theo thời gian (máy phát sóng điều hoà răng).
Hình vẽ (1.13) biểu thị hệ từ của máy này. Cuộn kích từ CKT phân bố trên
stator. Cuộn làm việc CLV (cuộn ứng) cũng phân bố trên stator (hình a). Rôtor không
có cuộn dây và có hình bánh răng (hình b). Khi rotor quay các đỉnh răng 1 và rãnh
răng 2 lần lợt qua các rãnh stator có đặt cuộn kích từ CKT. Kết qủa là từ thông do
CKT tạo ra có đặc tính đập mạch, lúc mạnh, lúc yếu. Từ thông cắt các vòng dây CLV
làm xuất hiện trong CLV sức điện động cảm ứng. Một chu kì thay đổi sức điện động
trong bối dây phần ứng (CLV) ứng với rotor quay qua một bớc răng, nên số cặp cực p

tơng ứng với số răng z
2
của rôtor. Từ đó tần số dòng của máy phát sẽ là :
f =
2 2
60 6, 28
nZ Z

=
; [Hz] (1.16)
Trong đó :

- Tần số góc, [rad/s].
Từ thông trong các răng rôtor không bị thay đổi theo thời gian nên hầu nh
không có dòng xoáy phu cô trong rôtor. Do vậy, rôtor có thể đúc liền hoặc ghép bằng
các lá thép kĩ thuật. Còn ở hai rãnh stator, từ thông là đập mạch và gây ra tổn thất
trong thép nên stator đợc ghép lại từ các lá thép kĩ thuật.
Việc làm mát máy phát có thể bằng quạt khí qua các rãnh gần vùng răng hoặc
làm mát bằng nớc khi có công suất lớn.
Kéo máy phát công suất lớn (trên 100kW) dùng động cơ đồng bộ. Máy phát
công suất nhỏ hơn dùng động cơ không đồng bộ. Động cơ kéo và máy phát có thể đ-
ợc ghép chung thành một khối thống nhất biến đổi tần số. Các bộ biến tần có công
suất trên 100kW thờng có trục đặt thẳng đứng để giảm diện tích lắp đặt.
Để tối u hoá quá trình công nghệ gia nhiệt, việc điều chỉnh tự động dòng kích
từ máy phát là rất quan trọng, nhằm ổn định điện áp phát ra cấp cho lò cảm ứng hoặc
điều chỉnh điện áp theo trị số mong muốn (không dùng biến áp lò). Hoàn thiện nhất
hiện nay trong việc này là dùng bộ biến đổi kích từ bằng tiristor, đảm bảo độ chính
xác ổn áp

1% với giải điện áp kích từ (0

ữ
180)V. Sơ đồ lực của bộ kích từ là cầu ba
pha không đối xứng. Tạo xung điều khiển bằng các phần tử logic.
Ưu điểm chính của các bộ biến tần máy phát là đơn giản về cấu trúc, độ tin
cậy cao, dễ sử dụng, có thể làm việc song song các máy phát, vốn thấp nhất là khi
công suất lớn.
ba
c
F(f)
1.c.
2.c.
Hình 1.14: Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng máy phát.

18
Thiếu sót của các bộ biến tần loại này là có phần tử quay, khó sửa chữa, diện
tích lắp đặt lớn, làm việc ồn, hiệu suất khi tải nhỏ, bôi trơn và làm mát phức tạp,
không thay đổi đợc tần số.
Hớng hoàn thiện các bộ biến tần máy điện là sử dụng các vật liệu tốt để nâng
cao hiệu suất đến 85%.
Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt bằng tần số dùng máy phát điện quay ở
(hình1.14), trong đó máy phát dòng điện cao tần f(f) cấp cho dòng cảm ứng qua máy
biến áp phối hợp BA (để thay đổi điện áp phù hợp với vòng cảm ứng). Bộ tụ C để bù
cos

. Máy cấp cho hai vòng cảm ứng 1CƯ và 2CƯ làm việc luân phiên để tận dụng
công suất. Một vòng nấu luyện thì vòng kia lấy sản phẩm, chuẩn bị mẻ sau
b ) Đèn phát tần số dùng trong thiết bị gia nhiệt bằng tần số thờng dùng đèn 3 cực
chân không. Tần số phát từ vài chục kHz đến vài trăm MHz.
Đèn đợc làm mát bằng không khí (công suất vài kW) hay bằng nớc (công suất
lớn hơn, tới ngoài 100kW).

Khi làm việc, nhiệt độ katot tăng từ nhiệt độ môi trờng tới hơn 2000
o
C và điện
trở của nó tăng tới 10 lần. Do đó, khi bắt đầu làm việc không đợc cấp ngay điện áp
định mức vì dòng katot sẽ quá lớn gây hỏng đèn mà phải qua nhiều nấc tăng dần. Lúc
làm việc cũng cần ổn định điện áp sợi đốt vì tăng điệnáp 1% sẽ làm tuổi thọ đèn giảm
hơn 10%.
Khuyết điểm quan trọng của đèn phát là hiệu suất thấp và tuổi thọ nhỏ. Sợi
đốt của đèn tiêu thụ từ 8
ữ
30% công suất đèn.
Các đèn công suất dới 200kW thờng kín và hút chân không khi chế tạo. Các
đèn có công suất lớn hơn, đến 500kW thờng hở. Có thể thay các bộ phận bên trong
đèn lúc h hỏng. Khi đèn làm việc, đèn mới đợc hút chân không.
Mạch điện của đèn phát phức tạp. Năng lợng từ lới phải qua nhiều khâu mới
tới vật gia nhiệt. Do vậy hiếu suất thiết bị thấp.
Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng đèn phát nh (hình 1.15) điện áp lới qua
máy tăng áp BA đa lên 6 hay 10 kV rồi đợc nắn thành dòng một chiều nhờ chỉnh lu
cao áp CL để cấp cho đèn phát ĐF. Đèn phát dòng cao tần cho vòng cảm ứng CƯ.
Mạch không chế KC để đóng cắt và điều chỉnh điện áp chỉnh lu. Mạch phản hồi FH
về lới đèn phát nhằm ổn định tần số phát và điều chỉnh chế độ gia nhiệt khi các thông
số tải thay đổi cũng nh đảm bảo hiệu suất đèn cao.
c.
ba
kc
cl
f.h
đf
Hình 1.15: Sơ đồ khối thiết bị gia nhiệt dùng đèn phát.

19
c ) Biến tần tiristor phổ biến gồm hai khâu cơ bản : Chỉnh lu có điều khiển CL và
nghịch lu độc lập NL (Hình1.16).
Khi tiristor 1T thông tụ C đợc nạp đến điện áp 2U. Nh sơ đồ thì bản cực bên
trái có tính dơng(+). Lúc tiristor 2T thông thì tụ C phóng điện qua cả 2 tiristor. Dòng
ra 1T ngợc chiều với dòng phóng của tụ C sẽ nhanh chóng giảm về 0 và 1T khoá.
Dòng qua 2T cùng chiều với dòng phóng của tụ C sẽ nhanh chóng tăng tới trị số định
mức, nạp điện cho tụ C với cực tính ngợc lại. Khối phát xung FX cấp các xung điều
khiển 1T, 2T lệch pha nhau 180
0
. Khi đó cuộn sơ cấp biến áp 2BA có dòng xoay
chiều có tần số của các xung mở các tiristor. Cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng dòng cùng tần
số, cấp cho vòng cảm ứng.
fx
1t
2t
nl
c
u
2ba
c
cl
+
-
1ba
k
3 ~ 50H
z
Hình 1.16: Sơ đồ bộ biến tần Tiristor.
Tóm lại, với sơ đồ này, dòng điện tần số công nghiệp đợc chỉnh lu và biến

thành dòng cao tần.
Công suất các bộ nghịch lu tiristor có thể tới 12.000kW, hiệu suất 0,9
ữ
0,95,
điện áp hơn 1000V, tần số có thể tới 10kHz.
Vì việc khoá tiristor cần thời gian 12
ữ
15
à
s nên tần số giới hạn của các bộ
nghịch lu tiristor là 10
ữ
12 kHz.
1.4.2. Vòng cảm ứng.
Vì dòng qua vòng cảm ứng cỡ hàng ngàn Ampe nên tổn hao điện chiếm tới 25
ữ
30% công suất hữu ích của thiết bị. Do vậy cần làm mát vòng cảm ứng.
Làm mát bằng không khí cho phép mật độ dòng điện 2
ữ
5A/mm
2
. Làm mát
bằng nớc chảy trong vòng cảm ứng rỗng tiết diện tròn, ô van hay chữ nhật cho phép
mật độ dòng điện tới 50
ữ
70 A/mm
2
. Dây dẫn làm vòng CƯ có thể rỗng vì dòng cao
tần chỉ phân bố ngoài phía dây. Trong giải tấn số radio, thờng dùng ống 1
ữ

0,5mm.
1.4.3. Tụ điện.
Tụ điện dùng trong các sơ đồ của thiết bị gia nhiệt tần số nhằm làm chức năng
phân li dòng điện một chiều hoặc bù cos

.

20
Các tụ này phải là các tụ chịu điện áp cao (tới 1000V) và chịu tần số cao (tới
10kHz) tuỳ theo thiết bị gia nhiệt.
1.4.4. Các côngtắctơ.
Trong thiết bị gia nhiệt cao tần, các côngtăctơ đợc dùng là côngtăctơ cao tần 2
cực chịu điện áp 1600V và tần số từ 500
ữ
10.000Hz. ở mỗi cực có 2 tiếp điểm: tiếp
điểm chính (tiếp điểm làm việc) và tiếp điểm dập hồ quang. Tiếp điểm dập hồ quang
nằm trong buồng dập hồ quang và có lới, có cuộn dây phụ để thổi từ trờng. Mỗi cặp
tiếp điểm đợc nối song song với nhau. Khi đóng mạch, tiếp điểm dập hồ quang đóng
trớc rồi đến tiếp điểm chính. Khi ngắt mạch thì ngợc lại: tiếp điểm chính mở trớc rồi
đến tiếp điểm dập hồ quang.
1.4.5. Dây dẫn cao tần.
Đặc trng của dây dẫn cao tần là có cảm kháng đặc biệt lớn do hiệu ứng bề mặt,
hỗ cảm và chúng phụ thuộc vào tần số. Dây dẫn cao tần trong thiết bị gia nhiệt bằng
tần số thờng là thanh cái phẳng, ống rỗng có nớc làm mát, cáp đồng trục cao tần hay
cáp một ruột, nhiều ruột thông thờng.
Cáp đồng trục có trở kháng và cảm kháng nhỏ so với các loại dây dẫn khác
nhng nó có cấu tạo phức tạp và tốn vật liệu hơn.
Hiện nay, đã có những cáp lực cao tần đặc biệt chịu dòng tới 500A, tần số
10kHz và điện áp tới 2kV.

21
chơng 2
giới thiệu về máy gia nhiệt.
Đ2.1. Giới thiệu về các lò điện luyện thép.
Trong ngành công nghiệp luyện kim, luyện thép trong lò điện là một khâu rất
quan trọng. Nhiệm vụ của luyện thép lò điện là hoàn nguyên các nguyên tố kim loại
Fe, Mn ở trong các ôxít của chúng để thu đợc thép và hợp kim có thành phần hoá
học. Để luyện kim thép trong lò điện, ngời ta đã tận dụng năng lợng điện nh nguồn
phát nhiệt, nghĩa là biến điện năng thành nhiệt năng để nung chảy kim loại. Nhờ vậy
mà lò điện thu đợc nguồn nhiệt lớn nên nó có nhiều u điểm hơn so với lò Máctanh.
Trong luyện thép lò điện, tùy theo phơng pháp làm việc, lò điện chia làm 3
loại: Lò hồ quang
Lò điện trở
Lò cảm ứng.
2.1.1. Lò hồ quang.
Điện năng chuyển hoá thành nhiệt năng dới dạng hồ quang và truyền cho kim
loại bằng bức xạ. Hồ quang điện phát sinh ra giữa điện cực và kim loại.
Theo các phơng thức gia nhiệt khác nhau thì lò hồ quang đợc chia làm ba loại:
a) Lò hồ quang tác dụng trực tiếp: Hồ quang sinh ra tiếp xúc trực tiếp với vật cần
gia nhiệt do đó bảo vệ đợc gạch chịu nóng của nắp lò không bị cháy.
b) Lò hồ quang tác dụng gián tiếp: Hồ quang sinh ra giữa hai thanh điện cực nằm
song song với vật thể cần gia nhiệt và cách vật thể cần gia nhiệt một khoảng, dùng để
nấu kim loại màu và sản xuất gang dập vì ở đây không đòi hỏi nhiệt độ cao.
c) Lò hồ quang phủ kín: Hồ quang cháy dới lớp nguyên liệu rắn mà lớp này bao phủ
xung quanh các cực điện dùng để nấu phe rô từ quặng ra do hồ quang cháy rất mạnh,
nhiệt độ rất cao.
2.1.2. Lò điện trở.
Là loại lò biến điện năng thành nhiệt năng để nung vật phẩm. Nhiệt đợc truyền
cho vật nung bằng bức xạ nhiệt và đối lu hay là dẫn truyền nhờ dòng điện đi vào cuộn
dây có điện trở rất cao, sau đó nhiệt độ của điện trở này trực tiếp nung vật phẩm.

Theo phơng pháp nung, ngời ta chia làm hai kiểu nung:
a) Nung trực tiếp:
Dòng điện trực tiếp qua cuộn dây điện trở và nhờ đó mà nung trực tiếp vật
phẩm.

22
b) Nung gián tiếp:
Nhiệt truyền bằng cách bức xạ, đôi lúc truyền bằng đối lu, sau đó nhiệt độ từ
bộ phận kia nung gián tiếp vật phẩm.
Đ2.2. giới thiệu về các lò cảm ứng tần số.
2.2.1. Lò nấu chảy cảm ứng
Lò cảm ứng tần số công nghiệp có thể là một pha (khi công suất nhỏ) hay ba
pha. Loại ba pha đảm bảo công suất lớn hơn và tải đều ba pha trong nhà máy.

C K
Cs
Ks
A B C
x
y
z
BA lò
Cầu dao
3~50Hz
ĐX
2CD
a
b c
Cách ly
Lực

Máy cắt
2C.Ư1C.Ư
1CD
Ls
Hình 2.1: Sơ đồ lò cảm ứng tần số công nghiệp.
(Hình 2.1) cho sơ đồ nguyên lí mạch lực của lò cảm ứng tần số công nghiệp.
Lới ba pha tần số 50Hz đa vào biến áp lò BA qua cầu dao cách li và máy cắt lực. Điều
chỉnh công suất trong quá trình nấu luyện thực hiện bởi sự thay đổi điện áp dới tải
của cuộn sơ cấp BA. Bộ tụ C để bù cos

và có thể thay đổi cấp hệ số bù nhờ công tắc
K.
Vì ở sơ đồ, lò một pha công suất lớn đợc nối vào một pha C nên để tạo cân
bằng pha, có khối đối xứng ĐX gồm cuộn kháng L
s
nối theo sơ đồ có điểm giữa và
bộ tụ C
s
có thể thay đổi điện dung nhờ công tắc K
s
. Điều chỉnh điện dung C
s
có thể

23
bằng tay hay tự động. Để tận dụng thiêt bị, ngời ta dùng hai lò 1CƯ và 2CƯ làm việc
luân phiên nhau nhờ cầu dao 1CD và 2CD. Để sấy lò hay tăng dần nhiệt độ khi bắt
đầu nấu luyện, lò thờng có biến áp nhiều cấp hay biến áp tự ngẫu mở máy với công
suất 30
ữ

50% công suất định mức của lò. Khi làm việc binh thờng thì máy biến áp
mở máy đợc ngắt ra.
2.2.2. Lò cảm ứng cao tần dùng máy phát.
Nh (Hình 2.2), tập hợp thiết bị bao gồm : bộ biến tần máy điện quay (Đ-F), bộ
kích từ tiristor cho máy phát KT, bộ tụ bù cos

có điều chỉnh hệ số bù (C và K
c
), các
cuộn cảm ứng 1CƯ và 2CƯ có thể điều chỉnh số vòng bằng tay, hệ thống đo lờng và
thiết bị bảo vệ.
A
V
W

A
2RIm
~220V
3~50Hz
Đ
F
Pk
Ti
K
1RIm
Kc
2CƯ
1CƯ
Ti
C

R
Ta
KTF
T
K
Hình 2.2: Sơ đồ lò cảm ứng cao tần dùng máy phát.
Để tránh quá áp sự cố do đứt mạch CƯ, bộ phóng điện P
k
sẽ phóng điện. Dòng
phóng qua biến dòng T
i
sẽ làm rơle dòng cực đại 1RI
m
tác động, cấp điện cho rơle R
ngắt mạch kích từ máy phát. Rơle R cũng tác động khi rơle 2RI
m
tác động để bảo vệ
quá tải.
Trong trờng hợp riêng, thiết bị có thể có bộ biến tần phụ công suất bằng 25%
công suất bộ chính. Bộ biến tần phụ dùng duy trì nhiệt độ lào nấu chảy kim loại trong
thời gian rót hay khi sấy lò. Trong thời gian này thì bộ biến tần chính làm việc với lò
thứ hai.
2.2.3. Lò tôi cao tần dùng dèn phát.
(Hình vẽ 2.3) là sơ đồ lò tôi cao tần với tần số 440kHz

2,5% .

24
C4
C3

C5 C6 C7
C8
B1
B2
B3
B4
B5 B6
L6
L7
C2
L3
L4
C1
L1
L2
Tới R
thoát
Tới
ÔST
Tới BA
sợi đốt
Tới ÔST
2BA
3BA
Đ9
Đ8
1BA
ÔST
Mạch điều khiển
đo và bảo vệ

BA
K
Đ1
Đ2
Đ3
Tới mạch
điều khiển
Đ4
Đ5
Đ6
Đ7
ĐF
~380V
l ới
L5

Hình 2.3: Sơ đồ lò tôi cao tần P = 63kW tần số 440kHz.
Mạch vòng anôt tạo bởi cuộn dây L2 và tụ điện C1 với cuộn ngắn mạch điều
chỉnh công suất L1. Cuộn L1 có thể điều chinh trơn công suất mà không thay đổi tần
số dòng ở 440kHz và có kích thớc rất nhỏ. Điều chỉnh công suất nhờ thay đổi vị trí t-
ơng đối của L1 đối với L2.
Mạch vòng tải có biến áp hạ áp với các cuộn L5
ữ
L7 và các tụ điện C3
ữ
C8
có thể thay đổi trị số điện dung nhờ các cầu dao B1
ữ
B6 để đảm bảo tần số dòng
điện trong giới hạn 440kHz

2,5% (

11kHz). Với các thông số khác nhau của vòng
cảm ứng L7, giá trị bộ tụ C3
ữ
C8 cần thay đổi để các thông số mạch vòng tải phù
hợp với các thông số mạch vòng anôt và phù hợp với các thông số của đèn phát.
Điện áp phản hồi rơi trên tụ C2 và có thể dịch chuyển trơn trị số nhờ dịch
chuyển vòng ngắn mạch L4 đặt trong cuộn L3.
Chế độ nung của lò đợc điều khiển không phải từ lới đèn phát ĐF mà bằng
thay đổi điện áp anôt cấp từ chỉnh lu cầu ba pha có đèn nắn 0 bằng các đèn tiratron
Đ1
ữ
Đ7. Điều chỉnh điện áp chỉnh lu từ 0 đến giá trị định mức nhờ thay đổi góc
điều khiển các tiratron có điều khiển Đ4
ữ
Đ7.
Sơ đồ đảm bảo ổn định điện áp anôt trong phạm vi 0,75
ữ
0,85 giá trị định
mức với sai số

(1
ữ
2)% khi điện áp lới dao động

(10
ữ
15)%. Trên lới các đèn Đ4

ữ
Đ7 đồng thời đặt 2 điện áp.
Điện áp dơng một chiều đặt trớc lấy từ chỉnh lu điot kép Đ9. Nguồn chỉnh lu
đợc cấp từ bộ ổn áp sắt từ qua các biến áp tự ngẫu 3BA và biến áp 2BA. Điện áp này
không phụ thuộc vào dao động của điện áp lới và khi thay đổi đợc điện áp này sẽ điều
chỉnh đợc điện áp ra cấp cho anôt đèn ĐF.
Điện áp âm một chiều lấy từ 2 đèn chỉnh lu Đ8 không ổn áp và điện áp xoay
chiều lấy từ biến áp 1BA. Hai thành phần này thay đổi tỉ lệ thuận với điện áp lới. Khi

25