thiết kế, tính toán các thông số kỹ thuật của lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ rulô cáp nhôm

.

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội của đất nước, nhu cầu về sử dụng
điện năng của người dân cũng ngày một tăng cao. Việc cải tạo, nâng cấp và
xây dựng thêm các nhà máy điện cũng nh các mạng truyền tải điện là một yêu
cầu cấp thiết của ngành điện lực. Nhu cầu về dây cáp điện của các công ty
điện lực và các công ty xây lắp điện do đó cũng tăng mạnh. Việc đầu tư trang
thiết bị máy móc và dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất và
chất lượng sản phẩm nhằm cạnh tranh với các sản phẩm cáp ngoại nhập là
nhiệm vụ cơ bản, hàng đầu được đặt ra với các công ty sản xuất cáp điện lực
Việt Nam. Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam cũng không
nằm ngoài xu hướng đó. Để nâng cấp và hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây
cáp nhôm của mình nhằm tạo ra những sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao,
công ty đã đầu tư và xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc mới. Một
trong số đó là các lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ các rulô
cáp nhôm.
Là sinh viên ngành Nhiệt – Lạnh, được giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp
là thiết kế các lò điện trở này, em đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm
kỹ thuật của các loại lò điện trở cũng như đặc tính của nhôm và công nghệ
sản xuất dây cáp nhôm ở nước ta để tìm ra phương án thiết kế cho phù hợp.
Sau hơn 3 tháng thực hiện, được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của
PGS. TS. Phạm Văn Trí cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, bản đồ án
tốt nghiệp đã hoàn thành. Nội dung chính của bản đồ án tốt nghiệp bao gồm:
Chương 1. Nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm.
Chương 2. Tổng quan về lò điện và các loại lò điện trở.
Chương 3. Chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thước cơ bản của lò.
Chương 4.Tính thời gian nung kim loại.
.
- 1 -
.

Chương 5. Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò.
Chương 6. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối
lưu
Chương 7. Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò.
Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và cân
nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định thiết kế cấu trúc lò và đưa ra các thông số
kỹ thuật của lò nhưng do lần đầu tiên được giao nhiệm vụ thiết kế, kiến thức
và kinh nghiệm thực tế còn hạn hẹp nên không tránh khỏi sai sót, em rất
mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn.
Em xin gửi tới PGS. TS. Phạm Văn Trí, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ
bảo giúp em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc.
Em xin gửi tới Ban giám đốc công ty cơ điện Trần Phú, Ban giám đốc
công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam, KS. Vũ Tuấn Anh,
các thầy cô giáo trong Viện khoa học và công nghệ Nhiệt – Lạnh, gia đình và
bạn bè, những người đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên em trong thời
gian em thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này, lời cảm ơn chân thành.
.
- 2 -
.

CHƯƠNG 1
NHÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DÂY CÁP NHÔM
1.1. TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA NHÔM TRONG ĐỜI SỐNG – KĨ THUẬT
1.1.1. Tính chất của nhôm
Nhôm là nguyên tố hoá học thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần
hoàn. Nhôm thuộc chu kì 3, có số hiệu nguyên tử Z = 13, kí hiệu hoá học Al.
Nguyên tử Al có 13 electron với cấu hình điện tử e như sau:
1s
2

2s
2
2p
6
3s
2
3p
1
.
Với cấu hình này, Al có 3 electron ở lớp ngoài cùng (3 electron hoá trị)
do vậy nhôm thường có hoá trị III (Al
3+
).Tuy nhiên, nhôm cũng có hoá trị I
(Al
1+
) và gần đây, người ta đã điều chế được nhôm hoá trị II (Al
2+
).
Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A
0
, bán kính ion 0,86 A
0
và nguyên tử
lượng là 26,98 đ.v.C.
Do có 3 electron hoá trị nên trong các phản ứng hoá học nhôm thể hiện
tính nhường e (tính kim loại). Với độ âm điện lớn, nguyên tử nhôm có hoạt
tính rất mạnh. Nhôm có thể phản ứng với ôxi trong không khí và tạo thành
một lớp màng ôxit (Al
2
O

3
) mỏng, lớp màng này rất bền vững nên lớp nhôm ở
bên trong không tiếp tục bị ôxi hoá. Vì vậy, nhôm có khả năng chống ăn mòn
rất tốt.
Còng do có hoạt tính rất lớn nên trong tự nhiên, nhôm thường tồn tại
dưới dạng các hợp chất vô cơ như : muối phèn (K
2
SO
4
.Al
2
(SO
4
)
3.
21H
2
O),
quặng bôxit (Al
2
O
3
. nH
2
O), . . .
Xét về mặt vật lí, nhôm là kim loại nhẹ (khối lượng riêng 2,7 g/cm
3
),
màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng (660 ữ 670)
0

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

cũng rất tốt. Độ dẫn điện của nhôm bằng 2/3 độ dẫn điện của đồng. Hệ số dẫn
nhiệt của nhôm lớn gấp 3 lần hệ số dẫn nhiệt của sắt.
Các tính chất của nhôm như : tỉ trọng, nhiệt độ chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt
dung riêng, độ dẫn điện . . . phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ của
nhôm.
- Nhiệt độ chảy: Nhiệt độ chảy của nhôm sẽ tăng khi độ sạch của nhôm
tăng ( xem bảng 1. 1 ) .
Bảng 1. 1: Quan hệ giữa hàm lượng và nhiệt độ chảy của nhôm.
Hàm lượng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,996
Nhiệt độ chảy [
0
C] 657 658 658,7 659,8 660,24
- Tỉ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm
(xem bảng 1. 2).
Bảng 1.2: Quan hệ giữa tỉ trọng của nhôm với nhiệt độ và độ sạch.
Độ sạch
Tỉ trọng của nhôm
Nhôm rắn ở 20
0
C Nhôm lỏng ở 1000
0
C
99,250 2,7270 2,3110

99,400 2,7060 2,2910
99,750 2,7030 2,2890
99,751 2,6960 2,2890
99,996 2,6989 2,2890
- Nhiệt độ sôi: Ở áp suất thường, nhiệt độ sôi của nhôm gần bằng
2500
0
C, nhưng ở trong chân không thì nhiệt độ sôi giảm xuống (xem bảng1.3)
.
- 4 -
.

Bảng 1. 3: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của nhôm.
Áp suất
[mm Hg]
0,002
5
0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1000 2086
Nhiệt độ
sôi [K]
1400 1480 1634 1880 2002 2382 2760 2830 3000
- Nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng của nhôm thay đổi khi nhiệt độ
thay đổi (xem bảng 1.4):
Bảng 1. 4: Nhiệt dung riêng của nhôm trong khoảng 0 ữ 1000
0
C.
Nhiệt độ [
0
C]
(trạng thái rắn)

Nhiệt dung
riêng [kJ/kg.K]
Nhiệt độ [
0
C]
(trạng thái lỏng)
Nhiệt dung
riêng [kJ/kg.K]
100 0,9456 657 1,634
200 0,9615 700 1,598
300 0,9987 750 1,565
400 1,3704 800 1,531
500 1,0100 900 1,482
600 1,0264 1000 1,444
657 1,0350
- Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nhôm tăng theo độ sạch (xem bảng 1. 5):
Bảng 1. 5: Quan hệ giữa độ dẫn điện với độ sạch của nhôm.
Độ sạch
[% Al]
Nhiệt độ
[
0
C]
Điện trở suất x 10
-3
[Ώ.mm
2
/m]
So với độ dẫn điện
của đồng [%]

99,500 0 25,300 62,50
99,959 0 24,500 64,50
99,971 20 26,690 64,90
99,996 20 26,548 65,49
1.1.2. Vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật
.
- 5 -
.

Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi (sau sắt) trong nhiều ngành
kinh tế - kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Những ứng dụng này của nhôm liên
quan chặt chẽ đến tính chất vật lí và hoá học của nhôm.
Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính: nhẹ, bền đối với không khí và
nước. Nhôm được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô , tên lửa, tầu vũ
trụ…
Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc được dùng trong xây dựng
nhà cửa và trang trí nội thất.
Nhôm có tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt nên được dùng để chế tạo dây
cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng .
Nhôm được dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, dụng cụ đun nấu.
Giấy nhôm không gây độc hại nên được dùng để bao gói thực phẩm,
bánh kẹo.
Bột nhôm dùng chế tạo hỗn hợp tecmic (hỗn hợp bột nhôm và ôxit sắt
từ) để hàn kim loại, điều chế một số kim loại trong phòng thí nghiệm.
Nhôm siêu sạch dùng để chế tạo bán dẫn Al - Sb. Loại bán dẫn này chịu
được nhiệt độ cao nên được dùng nhiều trong kĩ thuật điện tử.
1.2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT TIÊU THỤ VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP NHÔM
Ở NƯỚC TA HIỆN NAY
1.2.1. Tình hình sản xuất – tiêu thụ cáp nhôm ở nước ta hiện nay
Hiện nay, ở nước ta, dây cáp nhôm được sản xuất bởi rất nhiều công ty

như : Công ty cơ điện Trần Phú (Hà Nội), Liên doanh LG – Vina (Hải
Phòng), Liên doanh CFT – Cadivi (Hồ Chí Minh), Liên doanh Daesung –
Việt Nam (Cơ khí Yên Viên), . . . với nhiều chủng loại và mẫu mã khác nhau.
.
- 6 -
.

Sản phẩm chủ yếu của các công ty này là: Cáp nhôm có lõi thép, cáp
nhôm không có lõi thép, cáp nhôm có lõi thép bọc vỏ và cáp nhôm không có
lõi thép bọc vỏ, các loại dây điện trần, dây điện bọc vỏ, . . .
Các sản phẩm này có chất lượng tốt, mẫu mã đa dạng và phong phú nên
không chỉ được thị trường trong nước chấp nhận mà còn rất được ưa chuộng ở
nước ngoài. Sản phẩm của các công ty này đã được xuất khẩu sang : Đài
Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc,… với số lượng ngày càng tăng. Ở trong nước,
với chiến lược phát triển mạng lưới điện quốc gia đến năm 2010 của ngành
điện lực, nhu cầu tiêu thụ cáp điện của các công ty xây lắp điện cũng tăng
mạnh. Chỉ tính riêng ở công ty cơ điện Trần Phú, lượng cáp điện được đặt
hàng trong năm 2004 là:
Cáp nhôm không lõi thép: 1200 tấn.
Cáp nhôm có lõi thép: 600 tấn.
Cáp nhôm bọc PVC: 8000 tấn.
Nhu cầu về cáp điện của thị trường đối với các công ty khác cũng khá
lớn. Đây là điều kiện rất thuận cho việc đầu tư sản xuất - kinh doanh của các
công ty sản xuất dây cáp điện ở nước ta trong thời gian tới.
1.2.2. Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm
Để tạo ra những sản phẩm có chất lượng và hình thức đặc trưng, mỗi
công ty đều có dây chuyền công nghệ, thiết bị sản xuất và công nghệ chế tạo
riêng biệt khác nhau. Nhưng nhìn chung tất cả các sản phẩm do các công ty ở
nước ta sản xuất đều trải qua các giai đoạn công nghệ sau:
- Nhập nhôm thỏi từ nước ngoài về.

- Nấu chảy nhôm thỏi trong lò.
- Đúc cán nhôm φ8 liên tục.
- Kéo nhôm φ8 thành φ2 ( Henrich ).
- Bện khung cứng.
Dây chuyền công nghệ sản xuất cáp nhôm được trình bày trên hình 1.1:
.
- 7 -
.

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN VÀ LÒ ĐIỆN TRỞ.
2.1. LÒ ĐIỆN VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG CỦA LÒ ĐIỆN
2.1.1. Lò điện và đặc điểm của lò điện
Lò điện là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá
trình công nghệ khác nhau như nung nóng hoặc nấu luyện các vật liệu, các
kim loại và các hợp kim khác nhau
Lò điện có ưu điểm:
- Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung
trong thể tích nhỏ.
- Tạo ra được tốc độ nung lớn do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao.
- Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh chế độ điện và
chế độ nhiệt của lò.
- Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc
trong môi trường có khí bảo vệ nên kim loại Ýt bị tổn hao.
- Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ liệu và vận
chuyển vật phẩm .
- Đảm bảo được điều kiện lao động hợp vệ sinh: không có bụi, khói,
Ýt tiếng ồn. Điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ.
Lò điện có nhược điểm:
- Năng lượng điện đắt so với các năng lượng khác: than, dầu, khí

- Yêu cầu người vận hành lò điện phải có trình độ cao, nghiệp vụ tốt.
.
- 8 -
.

2.1.2. Lĩnh vực sử dụng của lò điện
Với những ưu, nhược điểm của lò điện đã trình bày ở trên, lò điện được
sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật:
- Trong luyện kim và chế tạo máy, lò điện có một vị trí quan trọng và
thường được dùng để:
+ Sản xuất thép chất lượng cao.
+ Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo dây kéo sợi.
- Trong công nghiệp hoá học lò điện được sử dụng để:
+ Sản xuất CaC
2
, SiC, B
4
C.
+ Sản xuất CS
2
, C
2
H
2

+ Sản xuất các kim loại kiềm thổ.
- Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được sử dụng để:
sấy, mạ vật phẩm và chế biến thực phẩm.

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được sử dụng để sản xuất:
gốm, sứ, thuỷ tinh, các loại vật liệu chịu lửa
Ngoài ra, lò điện còn được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt:
bếp điện, nồi cơm điện, bình nước nóng, thiết bị nung, rán, sấy điện
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN NĂNG THÀNH NHIỆT NĂNG
Điện năng được biến đổi thành nhiệt năng theo các phương pháp sau :
- Phương pháp điện trở.
- Phương pháp cảm ứng.
- Phương pháp hồ quang điện.
- Phương pháp điện môi.
- Phương pháp Plasma.
.
- 9 -
.

2.2.1. Phương pháp điện trở ( hình 2.1 )
Phương pháp điện trở dựa trên định luật Joule-Lence: Khi dòng điện
chạy qua dây dẫn có điện trở R thì trên dây dẫn sẽ toả ra một lượng nhiệt,
lượng nhiệt này được tính theo công thức:
Q = R.I
2
.t [J]
Trong đó:
- R : điện trở của dây dẫn, [
Ω
].
- I : cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, [A].
- t : thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s].
Nguyên lý làm việc của lò điện trở được trình bày trên hình 2.1:
~220/380

~220/380
1
2
3
6
1
5
a)
b)
4
Hình 2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở.
a - Đốt nóng trực tiếp. b - Đốt nóng gián tiếp
1 - Cầu dao điện. 4 - Vật liệu được nung nóng trực tiếp.
2 - Biến áp. 5 - Vật liệu được nung nóng gián
tiếp. 3 - Đầu cấp điện. 6 - Dây điện trở.
2.2.2. Phương pháp cảm ứng ( hình 2.2 )
Phương pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday:
Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì tạo ra từ trường biến thiên
.
- 10 -
.

xung quanh cuộn cảm. Từ trường biến thiên này tác động lên vật dẫn (vật
nung hoặc nấu chảy) làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vật dẫn - dòng
điện xoáy (dòng Fucô).
Những phần của vật dẫn có dòng điện xoáy sẽ toả nhiệt.
Những phần không có dòng điện xoáy chạy qua sẽ nhận nhiệt bằng dẫn
nhiệt hoặc đối lưu từ phần kim loại nóng có dòng điện xoáy chạy qua.
Nguyên lý làm việc của lò điện cảm ứng được trình bày trên hình 2.2:
1

2
a)
4
3
3
4
1
b)
Hình 2.2. Nguyên lý làm việc của lò điện cảm ứng
a. Lò điện cảm ứng có kênh. b. Lò điện cảm ứng kiểu nồi.
1. Mạch dẫn từ . 3. Nồi lò, chứa vật liệu cần gia công.
2. Vòng cảm ứng. 4. Tường lò bằng vật liệu chịu nóng.
2.2.3. Phương pháp hồ quang điện ( hình 2.3 )
Phương pháp hồ quang điện dựa trên nguyên lý phát nhiệt của ngọn lửa
hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua
chất khí. Bình thường thì khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới
tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau
thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người ta dùng nhiệt năng của
ngọn lửa hồ quang để gia nhiệt cho vật nung hoặc nấu chảy.
.
- 11 -
.

Nguyên lý làm việc của lò hồ quang điện được trình bày trên hình 2.3:
1
2
4
3
a)
1

2
4
3
b)
Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của lò điện hồ quang
a – Lò hồ quang trực tiếp. b – Lò hồ quang gián tiếp.
1 – Điện cực. 3 – Vật gia công nhiệt.
2 – Ngọn lửa hồ quang. 4 – Tường lò.
2.2.4. Phương pháp điện môi ( hình 2.4 )
Phương pháp điện môi dựa trên nguyên tắc: Nếu đặt các vật liệu rắn,
không dẫn điện vào vùng điện trường có tần số cao thì các nguyên tử, các
phân tử của vật đó sẽ bị phân cực. Sự phân cực này có tần số bằng tần số biến
đổi của điện trường và tần số này thường rất lớn. Đối với sự phân cực có tần
số lớn thì sẽ sinh ra nhiệt ma sát, nhiệt ma sát này toả ra trong toàn bộ thể tích
của vật nung.
Trong lò nung điện môi, vật liệu nung được đặt giữa các phần điện cực.
Các điện cực này có thể tiếp xúc với vật nung hoặc đặt cách xa vật nung một
khoảng nào đó.
Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi được trình bày trên hình 2.4:
2
1
~
TÇn sè cao
1. §iÖn cùc.
2. ChÊt ®iÖn m«i
(vËt gia c«ng nhiÖt).
.
- 12 -
H×nh 2.4. Nguyªn lý lµm viÖc cña lß hå quang ®iÖn.
.

Hình 2.4. Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi.
2.2.5. Phương pháp Plasma ( hình 2.5 )
Phương pháp Plasma dựa trên nguyên tắc phát nhiệt Plasma: Đó là sự toả
nhiệt trong luồng không khí được ion hoá dưới tác dụng của hồ quang điện.
Do khí bị ion hoá và bị nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt rất cao
và nhiệt độ đạt được cũng rất lớn (10000
÷
20000)
O
C.
Nguyên lý làm việc của lò điện Plasma được trình bày trên hình 2.5:
1. Bể lò kim
loại.
2. Cuộn cảm để
nung nóng và
khuấy trộn
kim loại.
3. Nồi lò bằng
vật liệu chịu nóng.
4. Ngọn lửa hồ
quang.
5. Èng bao
quanh điện cực.
6. Điện cực graphit.
7. Đường thổi khí Argon.
8. Điện cực gắn vào nồi lò.
Hình 2.5. Nguyên lý làm việc của lò điện Plasma.
2.3. PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN
2.3.1. Phân loại lò điện

Theo phương pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng người ta chia lò
điện thành các loại sau:
.
- 13 -
~
7
6
5
4
3
2
1
8
.

- Lò điện trở.
- Lò điện cảm ứng.
- Lò điện hồ quang.
- Lò nung điện môi.
- Lò điện Plasma.
Đối với từng loại lò người ta lại phân chia ra cụ thể hơn theo nguyên lý
phát nhiệt hoặc theo cấu trúc lò.
Lò điện trở được phân thành lò điện trở tác dụng trực tiếp và lò điện trở
tác dụng gián tiếp.
Lò điện cảm ứng phân thành lò điện cảm ứng có lõi sắt (lò điện cảm
ứng có kênh) và lò điện cảm ứng không có lõi sắt (lò nồi).
Lò điện hồ quang được phân thành lò điện hồ quang trực tiếp và lò điện
hồ quang gián tiếp.
2.3.2. Sơ đồ phân loại lò điện
Sự phân loại lò điện được trình bày trên hình 2.6 và hình 2.7 :

.
- 14 -
.

lò điện
cảm ứng
lò điện
plasma
lò điện
hồ quang
lò điện
trực tiếp
lò điện
môi
lò điện
trở
gián tiếp
trực tiếp
gián tiếp
lò có kênh
lò kiểu nồi
Hỡnh 2.6. S phõn loi lũ in.
2.4. VT LIU CH TO DY IN TR
2.4.1. Yờu cu ca vt liu ch to dõy in tr
Dõy in tr l b phn phỏt nhit ca lũ, lm vic trong iu kin nhit
cao do ú phi m bo cỏc yờu cu sau:
- Chu núng tt, ít b ụxi hoỏ nhit cao.
- Cú bn c hc cao, khụng b bin dng nhit cao, cú th t
bn vng di ti trng ca dõy.
- in tr sut phi ln: To cho dõy in tr cú cu trỳc gn khi cựng

ỏp ng mt cụng sut yờu cu, d dng b trớ trong lũ.
.
- 15 -
.

- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ: Hầu hết các vật liệu chế tạo dây điện trở
đều có hệ số nhiệt điện trở nhỏ và dương (nhiệt độ càng cao, điện trở
càng lớn).
- Các kích thước phải ổn định : Một số vật liệu, ngày càng chảy dài ra,
đứng về mặt cấu tạo, lắp ráp không thuận lợi, khi xây lò và lắp ráp phải
chừa chỗ dự phòng cho sự dãn dài của dây, như vậy không đạt yêu cầu
chắc chắn.
- Các tính chất điện phải ổn định hoặc Ýt thay đổi.
- Dễ gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim loại phải Ðp
khuôn được.
Để thoả mãn 7 yêu cầu trên, trong thực tế rất khó có vật liệu nào đáp ứng
được, nhưng người ta đã chọn được một số vật liệu thoả mãn tốt các yêu cầu
chính để chế tạo dây điện trở. Các vật liệu đó là: Crôm - Niken, Crôm -
Nhôm, Crôm - Nhôm - Sắt, Cacbuarun (SiC),
2.4.2. Vật liệu kim loại
Đa số các lò điện trở dùng dây điện trở bằng hợp kim Crôm - Niken
(Nicrôm), hợp kim Crôm - Nhôm - Sắt. Những hợp kim này có điện trở suất
lớn.
Các kim loại nguyên chất Ýt được sử dụng vì: điện trở suất của chúng
không lớn, hệ số nhiệt điện trở lớn, dễ bị ôxi hoá trong không khí.
Những kim loại có nhiệt độ chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta),
Vonfram (W) được dùng làm dây điện trở trong các lò điện trở chân không
hoặc lò điện trở có khí bảo vệ.
Trong những lò làm việc ở nhiệt độ thấp, chế độ làm việc ngắn thì có thể
sử dụng thép xây dựng làm dây điện trở.

a) Hợp kim Nicrôm
.
- 16 -
d
.

Hợp kim Nicrôm có độ bền nóng tốt vì có lớp màng crôm ôxit (Cr
2
O
3
)
bảo vệ rất chắc chắn, chịu được sự thay đổi nhiệt độ tốt nên có thể làm việc
trong các lò có chế độ làm việc gián đoạn.
Hợp kim Nicrôm có cơ lý tính tốt ở nhiệt độ thường cũng như nhiệt độ
cao: dẻo, dễ gia công, dễ hàn, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở nhỏ,
không có hiện tượng già hoá. Nicrôm là vật liệu đắt tiền nên người ta có
khuynh hướng tìm các loại vật liệu khác thay thế.
b) Hợp kim Sắt - Crôm - Nhôm
Hợp kim này chịu được nhiệt độ cao, thoả mãn các yêu cầu về tính chất
dẫn điện, nhưng có nhược điểm là: giòn, khó gia công, kém bền cơ học ở
nhiệt độ cao. Vì vậy khi thiết kế cần lưu ý tránh tác động tải trọng của chính
dây điện trở.
Một nhược điểm nữa của hợp kim này là ở nhiệt độ cao dễ bị các ôxit
sắt, ôxit silic tác dụng hoá học, phá hoại lớp màng bảo vệ của các ôxit nhôm
và crôm. Vì vậy, tường lò (ở những nơi tiếp xúc với dây điện trở) phải là vật
liệu chứa nhiều Alumin (Al
2
O
3

≥ 70%, Fe
2
O
3
≤ 1%) .
Độ dãn dài của hợp kim này tới 30% ÷ 40% đã gây khó khăn khi lắp
đặt dây trong lò, vì vậy cần tránh đoản mạch khi dây dãn dài và cong. Ở Liên
Xô cũ, người ta đã chế tạo được hai hợp kim эи - 595 và эи - 626 có nhiệt độ
làm việc đạt 1300
0
C. Chúng là hợp kim Crôm có hàm lượng lớn, được biến
tính bằng các kim loại kiềm thổ nên tăng độ dẻo ở 1000
0
C, do vậy có độ bền
cao.
Các dây điện trở được tiêu chuẩn hoá khi sản xuất. Dây điện trở bằng
hợp kim X13ю4; OX23ю5A; X27ю5A; X20H80 có các loại:
Dây tròn có đường kính d [mm]:
.
- 17 -
b
a
.

Đường kính
2 2,2 2,5 2,8 3 3,5 4 4,5 5
5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
Dây điện trở có tiết diện hình chữ nhật (a x b) [mm x mm]:
Tiết diện của

dây
1,0x8 1,0x10 1,2x10 1,2x12 1,2x15 1,2x20 1,4x10
1,4x15 1,4x20 1,5x10 1,5x12 1,5x15 1,5x20 1,8x15
1,8x18 1,8x20 2,0x15 2,0x20 2,0x25 2,2x20 2,2x25
2,5x20 2,5x25 2,5x30 2,5x40 3,0x25 3,0x30 3,0x40
Những kích thước được dùng phổ biến là:
- Dây điện trở tiết diện tròn có cấu trúc xoắn lò xo:
Đường kính dây : 5 ; 5,5 ; 6 ; 6,5 ; 7 [mm].
- Dây điện trở dạng lõi có cấu trúc dích dắc:
Đường kính dây: 8; 8, 5; 9 [mm].
- Dây có tiết diện hình chữ nhật có cấu trúc dích dắc :
Tiết diện dây: 2 x 20; 2, 5 x 25 ; 3 x 30 [mm].
- Dây diện trở làm việc trong các lò có đối lưu tuần hoàn hoặc trong
các buồng nung không khí thường có:
Đường kính dây: 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 [mm].
Tiết diện dây: 1 x 10; 1, 2 x 12 ; 1,5 x 15 [mm x mm].
2.4.3. Vật liệu phi kim loại
Các vật liệu phi kim loại được sử dụng làm dây nung thường là:
Cacbuarun (SiC), than và grafit , cripton.
a) Vật liệu Cacbuarun
Cacbuarun là hợp chất của cacbon và silic, được chế tạo dưới dạng
thanh. Các thanh Cacbuarun chỉ khác nhau về cấu trúc và phương pháp chế
.
- 18 -
.

tạo. Cacbuarun chịu được nhiệt độ cao 1350
÷
1400
0

C nên có thể đảm bảo cho
lò đạt tới nhiệt độ 1350
÷
1400
0
C.
Điện trở suất của Cacbuarun lớn hơn nhiều so với kim loại, chúng đạt tới
(800
÷
900)
Ω
.mm
2
/m vì vậy các thanh Cacbuarun thường có kích thước
lớn .
Các thanh Cacbuarun giòn, tăng nhiệt độ nhanh khi nung nên phải sấy và
nâng nhiệt từ từ.
Điện trở của thanh Cacbuarun giảm khi nhiệt độ tăng. Khi làm việc,
thanh nung Cacbuarun bị già hoá (điện trở tăng lên khi thời gian sử dụng
tăng). Sau 60
÷
80 giờ làm việc đầu tiên, điện trở tăng 20%, sau đó tăng chậm
hơn. Vì điện trở tăng dần do bị già hoá, nên để đảm bảo công suất, phải tăng
điện áp cấp vào lò (P = U
2
/R), cho nên lò làm việc với thanh Cacbuarun
thường phải có máy biến áp nhiều nấc điện áp để điều chỉnh điện áp thứ cấp.
Thời gian sử dụng các thanh nung Cacbuarun từ 1000 đến 2000 [h] khi
nhiệt độ lò là 1400
0

C. Nếu nhiệt độ lò cao hơn 1400
0
C, thời gian làm việc
giảm đi nhiều lần. Nếu nhiệt độ lò trong khoảng 1200
0
C ữ 1300
0
C thì thời
gian làm việc tăng 2 ữ 3 lần so với ở 1400
0
C. Do các thanh nung Cacbuarun
bị già hoá khác nhau, ta không nên đấu nối tiếp các thanh nung Cacbuarun.
Các đặc trưng kỹ thuật của các thanh nung Cacbuarun do Liên Xô sản
xuất được trình bày ở bảng 2. 1:
Bảng 2.1. Các đặc trưng kỹ thuật của thanh đốt SiC ( Liên Xô sản xuất).
L
Σ
d
.
- 19 -
.

Ghi chó:
1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%.
2. Hai chữ số viết ở mác thanh đốt:
- Chữ số thứ nhất là đường kính phần làm việc.
- Chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc.
b) Vật liệu than và grafit
Than và grafit được dùng để chế tạo dây đốt dưới dạng thanh, ống, tấm
hoặc nồi. Ta trộn thêm một lượng nhỏ samốt vào grafit để tăng độ bền, tăng

điện trở suất, nhưng lại làm giảm nhiệt độ làm việc.
.
Kích thước [mm]
Diện tích bề
mặt làm
Điện trở ban
đầu của thanh
Chiều dài
toàn thanh
( L
∑
)
Đường
kính hai
đầu( D )
Thanh nung công nghiệp
KHC – 25 x 300 406 - 236 0,77 ữ 1,75
KHC – 25 x 300 1120 25 236 1,10 ữ 1,55
KHC – 25 x 400 1120 25 314 1,20 ữ 1,80
KHC – 32 x 560 711 - 564 1,20 ữ 2,80
KHMB – 25 x 400 640 - 314 1,10 ữ 2,00
Dùng trong phòng thí nghiệm
KHM – 8 x 100 270 14 25,1 1,0 ữ 2,0
KHM – 8 x 150 270 14 37,8 1,5 ữ 3,0
KHM – 8 x 150 320 14 37,8 1,5 ữ 3,0
KHM – 8 x 150 420 14 37,8 1,5 ữ 3,0
KHM – 8 x 180 300 14 45,2 1,8 ữ 3,6
KHM – 8 x 180 350 14 45,2 1,8 ữ 3,6
KHM – 8 x 180 400 14 45,2 1,8 ữ 3,6
KHM – 8 x 180 480 14 45,2 1,8 ữ 3,6

KHM – 8 x 200 500 14 50,2 2,0 ữ 4,0
KHM – 8 x 250 450 14 62,5 2,5 ữ 5,0
KHM – 12 x 250 750 18 94,2 1,5 ữ3,0
KHM – 14 x 300 800 23 132 1,75 ữ 3,50
Dùng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm
KHΛ - 12 x 200
280 - 75,4 4,4 ữ 9,0
KHΛ - 12 x 200
320 - 86,5 4,5 ữ 9,0
KHΛ - 16 x 230
320 - 115 4,5 ữ 9,0
- 20 -
.

Khi nung, than và grafit dễ bị ôxi hoá trong không khí nên thường được
dùng trong các lò có khí bảo vệ hoặc tính toán với thời gian làm việc ngắn.
c) Vật liệu Cripton
Cripton là hỗn hợp của grafit, cacbuarun và đất sét. Chúng được tạo hạt
có đường kính 2
÷
3 mm. Ở dạng hạt, xuất hiện điện trở tiếp xúc giữa các hạt
nên điện trở suất của Cripton lớn hơn điện trở suất của than và grafit. Điện trở
suất của Cripton phụ thuộc nhiều vào độ nén chặt giữa các hạt .
Trong các lò thí nghiệm, nhiệt độ lò đạt 1800
0
C. Cripton bị cháy dần khi
làm việc, nhưng giá thành của lò rẻ và lò có cấu tạo đơn giản nên lò Cripton
vẫn được sử dụng khá rộng rãi.
2.4.4. Cấu trúc của dây điện trở kim loại
Trong các lò điện trở, dây điện trở thường có tiết diện tròn hoặc tiết diện

chữ nhật. Từ hai loại tiết diện này, người ta tạo ra các kiểu cấu trúc dây khác
nhau:
- Dây điện trở tròn có cấu trúc xoắn (xoắn trụ hoặc xoắn phẳng).
- Dây điện trở tròn có cấu trúc dích dắc.
- Dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc.
Kích thước cơ bản của các loại dây được mô tả trên hình 2. 7:
.
- 21 -
.

t = 2e
d
e
H
H
t = 2e
e
a
A
A
b
a
A-A
b)
a)
t t
D
d
B
c)

Hình 2. 7. Các kích thước cơ bản của dây điện trở.
a – Dây tiết diện tròn, kiểu dích dắc.
b – Dây tiết diện chữ nhật, kiểu dích dắc.
c – Dây tiết diện tròn, kiểu xoắn lò xo.
Khi chọn lựa và lắp đặt dây vào trong lò cần chú ý:
- Khả năng ăn mòn hoá học giữa dây điện trở và lớp lót tiếp xúc với
dây điện trở.
- Khả năng ăn mòn hoá học của khí lò đối với dây.
- Khi nhiệt độ dây điện trở cao hơn 900
0
C không được đặt dây điện trở
trực tiếp lên tường lò bằng gạch samôt (để tránh tạo ra hợp chất dễ chảy
giữa dây và samôt).
- Để giữ dây cố định, ta dùng gạch gốm chất lượng cao làm gạch đỡ
dây điện trở (samôt loại A, vật liệu Alumin, vật liệu giàu Al
2
O
3
).
- Dây điện trở Sắt – Crôm – Nhôm bị giòn trong môi trường có chứa
khí CO. Trong môi trường này ta phải dùng dây điện trở Crôm – Nhôm
(Cr - Al).
.
- 22 -
.

a) Cấu trúc dây điện trở có tiết diện chữ nhật
Dây điện trở có tiết diện chữ nhật thường có cấu trúc dích dắc. Chúng
thường được treo thẳng đứng trên tường lò hoặc đặt nằm ngang ở đáy lò, nóc
lò. Những kích thước cơ bản của dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích

dắc và cách treo chúng lên tường lò được mô tả trên hình 2. 7 và 2. 8 .
Dây điện trở tiết diện chữ nhật, kích thước a x b thì thường m = b/a = 10.
Bước dích dắc t nên chọn bằng 2b (t = 2b). Khi bố trí dây điện trở trên tường
lò, ta dùng các móc nhỏ làm bằng chính vật liệu của dây, cắm vào tường lò để
giữ dây. Việc bố trí các móc này tuỳ theo bước dích dắc t (hình 2.8).
H
b
r
e
t
A
6
7
1
2
5
4
3
2
1
Hình 2.8. Dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc,
treo trên tường.
A – Chốt bằng móc tròn. B – Chốt bằng móc tấm.
1 – Đệm lót bằng gốm. 5 – Dây điện trở tấm.
2 – Èng gốm . 6 – Móc tròn.
3 – Đệm bằng kim loại . 7 – Chốt dạng tấm.
4 – Chốt giữ kiểu vòng.
Chiều cao dích dắc H không vượt quá 10b (H ≤ 10b) khi treo. Khi đặt
dây điện trở nằm ngang trên giá đỡ hoặc trên các bản gốm có rãnh thì chiều
dài H không bị giới hạn.

.
- 23 -
.

b) Cấu trúc dây điện trở có tiết diện tròn kiểu dích dắc
Dây điện trở tiết diện tròn, cấu trúc dích dắc được kẹp chặt trên tường
bên bằng những viên gạch gốm có gờ, hoặc dùng móc treo bằng thép bền
nhiệt (d > 7 mm).
Chiều cao dích dắc H nên chọn:
- Đối với hợp kim Crôm – Niken:
H ≤ 250 mm (treo trên tường).
H ≤ 200 mm (đặt dưới nóc lò).
- Đối với hợp kim Sắt – Crôm – Nhôm:
H ≤ 200 mm (treo trên tường).
H ≤ 150 mm (đặt dưới nóc lò).
Đối với dây tiết tròn, kiểu dích dắc đặt ở đáy lò thì chiều cao dích dắc H
có thể lấy lớn hơn (20 ữ 30) % so với các giá trị nêu trên. Khoảng cách giữa
các trục của dích dắc e (xem hình 2. 7 và 2. 8) đặt trong các tấm gạch định
hình có gờ, phụ thuộc vào kích thước của viên gạch. Hiện nay, các viên gạch
có kích thước bước gờ là: 12,5 và 17,5 mm.
Đối với những dây dùng chốt để kẹp chặt thì khoảng cách e không nhỏ
hơn 2,75 lần đường kính dây điện trở. Những dây treo ở tường bên thì được
treo trên các móc, các móc này được chốt vào tường lò.
c) Cấu trúc dây điện trở có tiết diện tròn, kiểu xoắn lò xo
Ở những lò có nhiệt độ thấp, người ta treo tù do dây xoắn hoặc cố định
chúng bằng các dây cách điện.
Ở những lò có nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ cao, người ta đặt dây
xoắn ở trong các rãnh hoặc nằm trên các giá đỡ hay quÊn quanh các ống
gốm. Đường kính dây là d, đường kính vòng xoắn là D, bước xoắn t ≥ 2d,
được trình bày trên hình 2. 7.

.
- 24 -
.

Trong cùng điều kiện nh nhau, nếu bước xoắn t càng lớn thì ảnh hưởng
che chắn giữa các vòng xoắn càng nhỏ. Đường kính trung bình của mỗi vòng
xoắn D càng lớn thì khả năng phân bố công suất trên 1m
2
tường lò càng lớn,
nhưng độ bền cơ học lại yếu đi và dễ xảy ra biến dạng của đường xoắn dưới
tác dụng của trọng lượng bản thân dây xoắn.
Khi đặt dây xoắn nằm tự do thì giá trị D/d không lớn hơn 10 (D/d ≤ 10)
và các giá trị D/d được chọn theo bảng 2.2:
Bảng 2.2. Các giá trị (D/d)
max
tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu dây.
Các giá trị (D/d)
max
được chọn tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu dây
Nhiệt độ dây [
0
C] Dây Crôm – Niken Dây Sắt – Crôm – Nhôm
1000 10 8
1100 9 7
1200 - 6
1300 - 5
Chó ý:
- Dây nung xoắn quấn trên ống gốm có thể tăng tỉ số (D/d)
max
so với

bảng 2.1.
- Phải đảm bảo vít quấn đều vì tại những vùng bước vít bị mau thì nhiệt
độ của dây sẽ quá cao và gây đứt dây nung.
2.4.5. Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò
Trong thực tế có rất nhiều kiểu bố trí dây điện trở ở những vị trí khác
nhau trong lò, mỗi kiểu bố trí dây đều có những ưu, nhược điểm riêng. Tuỳ
thuộc vào yêu cầu công nghệ của từng lò, ta sẽ chọn cách bố trí dây điện trở
cho phù hợp .
Các kiểu bố trí dây điện trở trong lò được trình bày trên hình 2. 9:
.
- 25 -