Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ lò điện trở

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Lời nói đầu
Đất nớc ta đang trong quá trình tiến lên công nghiệp hoá hiện đại hoá.
Đời sống nhân dân ngày càng đợc nâng cao. Vì vậy năng lợng đóng một vai
trò hết sức quan trọng. Năng lợng đợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực: năng
lợng nhiệt dùng để nung nóng, sấy khô, nhiệt luyện
Sử dụng nguồn năng lợng này hợp lý và có hiệu quả là rất cần thiết.
Mang lại hiệu quả cao và lợi ích to lớn cho ngời sử dụng cũng nh cho cả đất
nớc nói chung.
Lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đáp ứng đợc nhiều
nhu cầu thực tiễn đặt ra.
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lợng nhiệt
đóng một vai trò rất quan trọng. Năng lợng nhiệt có thể dùng để nung nóng,
sấy khô
Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lợng một cách hợp lý và có hiệu quả là rất
cần thiết. Lò điện trở đợc ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng
đợc nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra.
Trong lò điện trở yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh
và kiểm xoát đợc nhiệt độ của lò. Đó cũng là yêu cầu chính trong đồ án tốt
nghiệp mà em đợc giao.
Đồ án tốt nghiệp đợc thực hiện dới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo :
GS.TS. Nguyễn Công Hiền.
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ lò điện trở
Đồ án đợc chiâ làm 3 phần nh sau:
1. Giới thiệu chung về lò điện trở.
2. Thiết kế và tính toán mạch lực.
3. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển.

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Chơng I
giới thiệu chung về lò
điện trở

1. giới thiệu về lò điện
1.1. Định nghĩa:
Lò điện là một thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các
quá trình công nghệ khác nhau nh: nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim
loại và các hợp kim khác
Lò điện đợc sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau nh:
* Trong lĩnh vực kỹ thuật luyện kim và chế tạo máy:
+ Sản xuất thép chất lợng cao
+ Sản xuất các hợp kim Phero
+ Nhiêt luyện và hoá nhiệt luyện
+ Nung các vật phẩm trớc khi cán, rèn, dập và kéo sợi
+ Sản xuất đúc và kim loại bột.
* Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:
+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm: Lò điện đợc dùng sấy, mạ vật
phẩm và chuẩn bị vật phẩm.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

+ Trong công nghệ hoá học: Lò điện đợc dùng để sản xuất các vật
phẩm nh thuỷ tinh, gốm sứ, các vật liệu chịu lửa
Lò điện không những có mặt trong các ngành công nghiệp mà ngày

nay càng đợc dùng phổ biến trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời một cách phong phú và đa dạng nh: Bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun
nớc điện, thiết bị nung rắn, sấy

1.2. Cấu tạo chung lò điện:
Lò điện thông thờng gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót, dây nung.
1.2.1. vỏ lò:
Vỏ lò điện là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình
làm
việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo
sự kín hoàn toàn hoặc tơng đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ cần thiết vỏ lò kín hoàn toàn,
còn đối với các lò điện trở bình thờng thì sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn
thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò đặc biệt theo chiều cao
lò.
Trong những trờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc
kín.
Khung vỏ lò cần cứng vững để chịu đợc tải trọng của lớp lót, phụ tải lò
(vật nung) và các cơ cầu cơ khí gắn trên vỏ lò
Vỏ lò tròn dùng ở các lò gíêng và một vài lò chụp
Vỏ lò chữ nhật thờng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tố hơn vỏ lò chữ nhật khi cùn
một lợng kim loại đợc chế tạo vỏ lò.
Khi kết cấu vỏ lò tròn, ngời ta thờng dùng các tấm thép dầy:
+ Khoảng 3 đến 6 mm khi đờng kính vỏ lò từ 1000 đến 2000 mm
+ Khoảng 8 đến 12 mm khi đờng kính vỏ lò từ 2500 đến 4000 mm
+ Khoảng 14 đến 20 mm khi đờng kính vỏ lò từ 4500 đến 6500 mm.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn ngời ta dùng các vòng
đệm tăng cờng bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật đợc dựng lên nhờ các thép hình chữ U, L và thép tấm
theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể đợc bọc kín, có thể không tuỳ theo
yêu cầu kín của lò. Phơng pháp gia công vỏ lò chủ yêú là hàn và tán.

.2.2. lớp lót:
Lớp lót lò điện thờng gồm hai phần là: Phần vật liệu chịu lửa và phần
vật liệu cách nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và
gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thớc đã cho của buồng lò.
Cũng có khi ngời ta dầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết
dính tạo thành khối gọi là khối dầm. Khối dầm có thể tiến hành ngay trong
vỏ lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Chịu đợc nhiệt độ làm việc cực đại của lò
+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc
+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển
trong điều kiện làm việc.
+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn
+ Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu đợc tác dụng của khí quyển
lò và ẩnh hởng của vật nung
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu, điều này đặc biệt quan trọng
đối với lò làm việc chu kỳ.
Phần cách nhiệt thờng nằm giữa vỏ lò có phần vật liệu chịu lửa. Mục
đích chủ yếu của phần này là để làm giảm tổn thất nhiệt năng trong khi làm
việc. Giêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất
định còn các phần khác nói chung không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt:

+ Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng cách nhiệt max


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

+ ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt hoặc có thể điền đầy bằng
bột cách nhiệt.
1.2.3. Dây nung:
* Yêu cầu cơ bản của vật liệu làm dây nung.
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện
khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Chịu nóng tốt, không bị ô xy hoá ở môi trờng không khí có nhiệt độ
cao
+ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ làm việc: So với các vật liệu xây dựng thì dây điện trở không
yêu cầu độ bền cao, nhng dây

điện trở không đợc biến dạng, chúng có thể tự bền vững dới tác dụng của
bản thân dây điện trở.
+ Điện trở xuất phải lớn: Điện trở xuất lớn có u việt là tạo cho dây
điện trở có cấu trúc gọn khi cùng đáp ứng một công suất yêu cầu, sẽ dễ dàng
bố trí trong lò.
+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ: Hầu hết các vật liệu chế tạo dây điện
trở đều có hệ số nhiệt điện trở nhỏ và dơng (nhiệt độ càng cao thì điện trở
càng lớn).
+ Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi:
+ Các kích thớc phải ổn định không thay đổi khi sử dụng: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 giãn dài của dây, nh vậy
không đạt yêu cầu chắc chắn.
+ Dễ gia công kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim cần ép khuôn.
* Theo đặc tính vật liệu làm dây nung, ngời ta chia dây nung làm hai loại là
dây nung kim loại và dây nung phi kim.
Dây điện trở bằng hợp kim:
Đa số các lò điện trở dùng dây điện trở bằng hợp kim Crôm_Niken; hợp
kim
Crôm _ Nhôm. Những hợp kim này có điện trở suất lớn.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Các kim loại nguyên chất ít đợc sử dụng vì điện trở suất của chúng không
lớn; hệ số nhiệt điện trở lớn, dễ bị ôxyhoá trong không khí. Những kim loại
có nhiệt độ chảy cao: Môlipden ( Mo ); Tantan ( Ta ); Volfram (W) đợc dùng
làm dây điện trở trong các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí
quyển bảo vệ.
Trong những lò điện trở nhiệt độ thấp, chế độ làm việc ngắn thì có thể
dùng thép xây dựng làm dây điện trở.
+ Hợp kim Nicrôm:
Hợp kim Nicrôm có độ bền nóng tốt vì có lớp màng ôxít Crôm (Cr2O3)
bảo vệ rất chắc; chịu 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 tính tốt ở nhiệt độ thờng cũng nh nhiệt độ cao: Dẻo, dễ gia công điện trở suất lớn dễ hàn, hệ số
nhiệt điện trở nhỏ, không có hiện tợng già hoá.
+ Hợp kim Fe Crôm Al:
Hợp kim này chịu nhiệt độ cao, thoả mãn yêu cầu về các tính chất điện
nhng có nhợc điểm là giòn, khó gia công, kém bền cơ học ở nhiệt độ cao. Vì
thế khi thiết kế chú ý tránh các tác động của tải trọng của chính dây điện trở.

Một nhợc điểm nữa là hợp kim Fe Crôm - Al ở nhiệt độ cao dễ bị các ô xít
sắt, ô xít SiO2 tác dụng hoá học, phá hoại lớp màng bảo vệ của các ô xít
Al2O3 và Cr2O3. Vì vậy tờng lò là nơi tiếp xúc với hợp kim này phải là vật
liệu chứa nhiêù Alumin
( Al2O3 70% ; Fe2O3 1% ).
Độ giãn dài tới 30 đến 40% đã gây ra khó khăn khi lắp đặt trong lò, cần
tránh đoản mạch khi dây dẫn giãn dài và bị cong.



- 626

ở Liên Xô cũ ngời ta chế tạo hai hợp kim - 595 và

Nhiệt độ làm việc đật 13000C. Chúng là hợp kim Crôm có hàm lợng lớn, đợc
biến tính bằng một lợng nhỏ các kim loại kiềm thổ, nên tăng độ dẻo ở
10000C, chúng có độ bền cao. Các dây điện trở đợc tiêu chuẩn hoá khi sản
xuất. Dây điện trở bằng hợp kim



X13I04; OX23IOA; - 595
XO27IO5A ( - 626 ) Có đờng kính dây:




Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

2
5

2.2
5.5

2.5
6

2.8
6.5

3
7

3.5
7.5

4
8

4.5
8.5

9 mm

Dây điện trở có tiết diện chữ nhật ( a.b )

1,8
1,2.20

1,5.12
1,8.20
2,2.25
3.25

1.10
1,4.10
1,5.15
2.15
2,5.20
3.30

1,2.10
1,4.15
1,5.20
2.20
2,5.25
3.40 mm

1,2.12
1,4.20
1,8.15
2.25
2,5.30

1,2.15
1,5.10
1,8.18
2,2.20
2,5.40

Những kích thớc đợc dùng phổ biến nhất:
+ Dây điện trở có dạng xoắn lò xo: đờng kính dây; 5; 5,5; 6; 6,5; 7
mm
+ Dây điện trở dạng lõi, cấu trúc kiểu zíc zắc: Đờng kính dây; 8;
8,5; 9 mm
+Dây có tiết diện chữ nhật cấu chúc kiểu zíc zắc: 2,2; 2,5.25; 3.30
+Trong các lò đối lu tuần hoàn, hoặc trong các buồng nung không khí
ngời ta dùng các dây điện trốc đờng kính: 3; 3,5; 4; 4,5 mm hoặc dây băng
có tiết diện ( 1.10 ); (1,2.12); (1,5.15)

Bảng 1.2. Giới thiệu đặc tính vật liệu kim loại chế tạo dây điện trở.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Điện trở

Hệ số

Trọng l-

suất ở

nhiệt

độ

Vật liệu làm

ợng

00c,

điện

chảy

dây điện trở

riêng ở

trở

lỏng,

200C, g/cm3

o ,
mm2/m

.10 3

Nhiệt

0

Nhiệt độ

Nhiệt độ làm việc t0C

làm
việc cực
đại,

C

0

C

Làm
việc
liên tục

Làm việc
gián đoạn

- X20H80

8,40

1,100

0,035

1400

1150

1050

1000

Nirôm X20H80T

8,20

1,270

0,022

1400

1200

1050

1000

- X15H60

8,30

1,100

0,100

1400

1050

950

900

Thép X25H20

7,85

0,900

0,350

1400

1100

850

800

Hợp kim X13IO4

7,20

1,260

0,150

1450

900

750

650

Hợp kimOX17IO5

7,10

1,300

0,060

1450

1050

Hợp kimOX25IO5

7,00

1,400

0,050

1450

1200

- 595 ( OX23IO5A )

7,30

1,350

0,050

1525

1250

1050

1000

- 626 ( OX27IO5A )

7,20

1,420

0,022

1525

1300

1150

1100

Vônffram, W

19,34

0,050

4,300

3410

3000*

Môlipđen,Mo

10,20

0,052

5,100

2625

2200*

Platin, Pt

21,46

0,098

8,950

1755

1400

Fe, Sắt

7,88

0,090

11,300

1535

400

Niken, Ni

8,90

0,065

13,400

1452

1000
1250

1200

Những vật liệu phi kim loại ( **)
Silic (Cacborun)

2,30

800ữ1900

Graphit

1,60

8ữ3

Thay
đổi theo

-

nhiệt độ
Cacbon (than)

1,6

10ữ60

đất sét)

-

nhiệt

Cripton (hỗn hợp của
Graphit, các bon và

(Hệ số

1,00ữ1,25

600ữ2000

điện trở

-

1500
2000
(2800)*
2000
(2500)*
1800

âm)
Ghi chú:

* Trong chân không hoặc môi trờng khí bảo vệ
** Trọng lợng riêng thay bằng trọng lợng đống

1 = 0 (1 + t )


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Trong các lò điện trở, dây điện trở thờng có tiết diện tròn hoặc tiết
diện chữ nhật. Từ hai loại dây này ngời ta cấu chúc thành các kiểu khác nhau
_ Dây điện trở tròn có cấu trúc xoắn (xoắn trụ hoặc xoắn phẳng)
Dây nung kim loại thờng là dây nung dạng băng và dây nung dạng
tròn. Dây nung dạng băng thờng có hình zíczắc, bớc zíczắc h phụ thuộc
vào chiều rộng b của băng:
h
= 1,4 ữ 2,6
b

Dây nung dạng tròn thờng ở dạng xoắn, bớc h của dây nung xoắn thờng phụ thuộc vào đờng kính d của dây
h
= 3,2 ữ 4,8
d

Khi chọn dây điện trở và khi lắp đặt dây điện trở vào lò cần lu ý:
+ Khả năng ăn mòn hoá học giữa giây điện trở và lớp lót tiếp súc với
dây cao hơn 9000C không đợc đặt trực tiếp dây điện trở lên tờng lò bằng
Samốt (để tránh tạo ra hợp chất dễ chảy giữa dây và samốt). Để giữ cố định
dây điện trở ta dùng gạch gốm chất lợng tốt làm gạch đỡ dây điện trở (Samốt

loại A, vật liệu Alumin, vật liệu dầu Al2O3)
+ Dây điện trở săt Crôm Nhôm bị giòn trong môi trờng chứa
CO. Trong môi trờng CO ta dùng dây Cr Al.
a. Cấu tạo dây điện trở có tiết diện chữ nhật.
Dây điện trở có tiết diện chữ nhật thờng đợc cấu chúc theo kiểu zíc
zắc.
Chúng thờng đựoc treo thẳng đứng ở tờng lò hoặc đặt nằm ngang ở
đáy lò và nóc lò. Những kích
t = 2e
thớc cơ bản của dây
điện trở tiết diện chữ nhật
t = 2e
có cấu chúc zíczắc đợc mô tả ở hình (1.1.1). Kích thớc cơ bản của dây
d
a
điện trở
H

e

e

H

b
a

A
(a)

(b)

A

A-A


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

D

B

t

t

(c)

Hình.1.1.1. Các kích thớc cơ bản của dây điện trở


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Trong đó:
a; Dây điện trở tròn kiểu dích dắc
b; Dây điện trở tiết diện chữ nhật kiểu dích dắc
c; Dây tiết diện tròn kiểu xoắn lò xo.

Thông thờng b/a = m = 10
Bớc dích dắc t nên chọn bằng 2b; t = 2b. Chiều cao dích dắc không lớn hơn
10b
(H 10b). Khi bố trí dây điện trở trên tờng lò, ta dùng các móc nhỏ cắm vào
tờng lò, việc bố trí các máy móc phụ thuộc vào bớc dích dắc t
(hình 1.1.2)
t
e
H

Hình.1.1.2. Dây điện trở tiết diện chữ nhật kiểu dích dắc


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Chiếu cao zíc-zắc H không vợt quá 10b khi cheo. Khi đặt nằm ngang
trên giá đỡ hoặc các bản gốm có rãnh thì chiều dài H không bị hạn chế.
Các phơng pháp lắp đặt dây điện trở lắp đặt trong lò.
b. Cấu tạo dây điện trở có tiết diện tròn:
Dây điện trở tiết diện tròn đợc cấu tạo theo hai kiểu
_ Kiểu dích dắc
_ Kiểu xoắn lò xo: kiểu xoắn lò xo có hai dạng; xoắn trụ và xoắn phẳng
+ Dây tiết diện tròn kiểu xoắn:
ở những lò có nhiệt độ thấp, ngời ta cheo tự do dây xoắn hoặc cố định
chúng bằng các dây cách điện.
ở những lò có nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ cao, ngời ta đặt dây xoắn
trong các rãnh hoặc giá đỡ, hoặc quấn quanh ống gốm. Đờng kính dây là d,
đờng kính vòng xoắn là D, bớc xoắn t 2d.
Trong cùng điều kiện nh nhau, nếu bớc xoắn t càng lớn thì ảnh hởng che

chắn của dây giữa các vòng xoắn là nhỏ. Đờng kính trung bình của vòng
xoắn D càng lớn thì khả năng phân bố công xuất trên 1 m2 tờng lò càng lớn,
nhng độ bền cơ học yếu đi và dễ sảy ra biến dạng của đờng xoắn dới tác
dụng của bản thân dây xoắn. Khi đặt dây xoắn nằm tự do thì giá trị D/d
không lớn hơn 10.
Bảng.1.3. Các giá trị (D/d )max tuỳ theo nhiệt độ dây và vật liệu dây

Nhiệt độ dây, 0 C
1000
1100
1200
1300
Ghi chú:

Cr Ni

Fe Cr - Ni

10
9
-

8
7
6
5


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Dây cung xoắn cuốn trên ống gốm có thể tăng tỉ số này so với bảng.
Đảm bảo vít cuốn đều, vì tại vùng bớc vít bị mau thì dây sẽ bị quá
nung và gây đứt dây nung.
+ Dây tiết diện tròn kiểu zíc-zắc:
Dây tiết diện tròn kiểu zíc-zắc có thể đợc kẹp chặt trên tờng lò bằng
những viên gạch gốm có gờ, hoặc dùng móc treo bằng thép bền nhiệt (khi d
7 mm)
Chiều cao dích dắc H nên chọn:
Với hợp kim CrNi:
H 250 mm (treo trên tờng lò)
H 200 mm (dặt dới móc lò).
Đối với hợp kim Fe Cr - Al
H 200 mm (treo trên tờng lò)
H 150 mm (dặt dới móc lò).
Đối với dây tiết diện tròn kiểu zíc-zắc đặt ở đáy lò thì chiều cao zíc-zắc H có
thể lấy lớn hơn 20 ữ 30%. Khoảng cách giữa các trục của dích dắc đặt trong
các tấm gạch định hình có gờ, phụ thuộc vào kích thớc của viên gạch. Hiện
nay các bớc gờ: 12,5 và 17,5 mm.
Đối với những dây dung để chốt hoặc kẹp chặt thì khoảng cách e không nhỏ
hơn 2,75 lần đờng kính dây điện trở. Những dây đặt ở tờng bên, đặt cheo trên
móc, các móc này cắm trên tờng lò.
Để đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công
nghiệp, dây nung kim loại đều đợc chế tạo bằng các hợp kim Cr Al và Cr
Ni là các hợp kim có điện trở lớn dùng với lò có nhiệt độ làm việc dới
12000C. Hợp chất SiC, MoSi2 với lò có nhiệt độ làm việc 1200 0C đến
16000C còn các kim loại nguyên chất đợc dùng để chế tạo dây nung rất hiếm


Đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu

vì các kim loại nguyên chất thờng có những tính chất không có lợi cho việc
chế tạo dây nung nh:
+ Điện trở xuất nhỏ
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ô xy hoá mạnh trong môi trờng khí quyển bình thờng
Dây nung kim loại nguyên đơn: Mo, W, C (Graphít) với lò có nhiệt độ
làm việc cao hơn 16000C.
Dây nung phi kim loại thờng dùng phổ biến là SiC,C (graphít) than,
Cripton:
+ Vật liệu Cacborun:
Trong số các vật liệu phi kim loại đợc sử dụng bằng dây đốt là vật liều
cacborun. Các thanh nhiệt SiC chỉ khác nhau về cấu trúc cũng nh phơng pháp
về chế tạo. SiC chịu đợc độ từ 13500C đến 14500C nên có thể đảm bảo cho lò
đạt tới nhiệt độ đó. Điện trở SiC lớn hơn rất nhiều so với kim loại, chúng đạt
tới 800 đến 1900


.mm 2 . Vì vậy, các thanh SiC phải có tiết diện lớn. Các
m

thanh Cacborun giòn, tăng nhiệt độ khi đun, nên phải sấy và nâng nhiệt từ từ,
điện trở của Cacborun giảm khi nhiệt độ tăng. Khi làm việc các thanh này bị
già hoá (điện trở tăng lên khi tăng thời gian sử dụng). Sau 60 đến 80 giờ làm
việc đầu tiên, điện trở tăng 20%, sau đó tăng chậm hơn.
Vì điện trở tăng dần do bị già hoá, vậy muốn đảm bảo công suất, cần phải
2

tăng điện áp cấp vào lò, ( P = U W ). Lò làm việc với thanh nung Cacborun

R

thờng có máy biến áp nhiều nấc để điều chỉnh điện áp thứ cấp.
Thời gian làm việc của thanh Cacborun là từ 1000 đến 2000 h khi nhiệt độ
lò là 14000C. Nếu nhiệt độ lò cao hơn 14000C thì thời gian làm việc giảm
xuống. Nếu nhiệt độ lò là 1200 đến 1300 0C thì thời gian làm việc tăng 2 đến
3 lần so với 14000C. Do đó các thanh nung bị già hoá khác nhau ta không
nên đấu nối tiếp các thanh nung với nhau, chúng thờng có dạng ống. Tiết
diện 2 đầu lớn hơn tiết diện thân từ 6 đến 8 lần để hạn chế sự toả nhiệt ở hai
đầu. Các đặc trng kỹ thụât của các thanh Cacborun của Liên Xô cũ đựoc giới
thiệu ở bảng .2.1.
+ Than và Graphit:


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Than và Graphit đợc dùng để chế tạo dây đốt dới dạng thanh, ống, tấm hoặc
nồi.
Ta trộn thêm một lợng nhỏ Samốt và Graphit để tăng độ bền, nhng lại giảm
nhiệt độ làm việc , tăng điện trở xuất. Khi nung than và graphit dễ bị ô xy
hoá trong không khí, nên thờng đợc dùng trong các lò có khí bảo vệ hoặc
tính toán với thời gian làm việc ngắn.
+ Cripton:
Cripton là hỗn hợp của graphit, cacborun và đất sét. Chúng đợc tạo hạt có đờng kính từ 2 đến 3 mm. ở dạng hạt, xuất hiện điện trở tiếp xúc giữa các hạt
nên điện trở suất của Cripton thờng lớn hơn điện trở suất của than hoặc
Graphit. Điên trở suất của Gripton phụ thuộc nhiều vào độ nén chặt. Trong
các lò thí nghiệm, nhiệt độ lò đạt 18000C, Gripton bị cháy dần khi làm việc,
nhng rẻ tiền và cấu tạo đơn giản.
Bảng 2.1. Các đặc trng kỹ thuật của thanh nung cacborun của Liên Xô

cũ.
Kiểu thanh
Thanh nung công
nghiệp
KHC 25 ì 300
KHC 25 ì 300
KHC 25 ì 400
KHC 32 ì 560
KHMB 25 ì 400
Dùng ở phòng thí
nghiệm
KHM - 8 ì 100
KHM - 8 ì 150
KHM - 8 ì 150
KHM - 8 ì 150
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 180
KHM - 8 ì 200
KHM - 8 ì 250
KHM - 12 ì 250
KHM - 14 ì 300

Kích thớc, mm
Điện trở của
Diện
toàn thanh ở
tích bề
Chiều dài

Đờng
toàn
kính hai mặt làm trạng thái nóng,
việc, cm2
thanh
đầu

406
1120
1220
711
640

25
25
-

236
236
314
564
314

0.77 ữ 1.75
1.1 ữ 1.55
1.2 ữ 1.80
1.2ữ 2.80
1.1 ữ 2.0

270

270
320
420
300
350
400
480
500
450

14
14
14
14
14
14
14
14
14
14

25.1
37.8
37.8
37.8
45.2
45.2
45.2
45.2
50.2

62.5

1.0 ữ 2.0
1.5 ữ 3.0
1.5 ữ 3.0
1.5 ữ 3.0
1.8 ữ 3.6
1.8 ữ 3.6
1.8 ữ 3.6
1.8 ữ 3.6
2.0 ữ 4.0
2.5 ữ 5.0


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Công nghiệp và
phòng thí nghiệm
KHA - 12 ì 200
KHA - 12 ì 230
KHA - 16 ì 230

750
800

18
23

94.2

132.0

1.5 ữ 3.0
1.75 ữ 3.5

280
320
320

-

75.4
86.5
115

4.4 ữ 9.0
4.5 ữ 9.0
4.5 ữ 9.0

Ghi chú:
1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%
2. hai chữ số viết ở mác thanh nung: chữ số thứ nhất là đờng kính
phần làm việc, chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc.
1.3. Một số kết cấu lò điện trở trong công nghiệp:
Các lò điện trở thờng dùng ở Việt Nam có nhiều loại và nguồn gốc
khác nhau. Đa phần là lò Liên Xô cũ, một số khác của Đức, Tiệp, Hung v.v.
và một số lò thí nghiệm hoặc lò công suất nhỏ dùng để sấy, nung nhiệt luyện
của Mỹ, Pháp, Nhật, ý, Đài Loan .v.v. Một số lò do Việt Nam thiết kế, chế
tạo dựa theo tiêu chuẩn Liên Xô. Nói chung các loại lò đều có kết cấu tơng
tự nh nhau với dải công suất từ vài KW đến hàng trăm KW và dải nhiệt độ dới 20000C.

Lò buồng là loại lò vạn năng nhất. Lò gồm buồng nung hình hộp chữ
nhật với kích thớc tuỳ công suất lò. Buồng nung đợc lót cách nhiệt tạo thành
áo lò, áo lò xây bằng gạch chịu lửa có nhiều lớp. Lớp ngoài cùng bằng gạch
samốt có độ cách nhiệt cao. Bọc ngoài là vỏ tôn dày 5mm đến 10 mm (3)
Đáy lò bằng thép chịu nhiệt, đúc liền hoặc ghép lại từ những miếng nhỏ hoặc
đáy lò xây bằng gạch chịu lửa. Thành trong có dây đốt (5). Dây đốt có thể bố
trí cả dới đáy và đỉnh. Cửa lò tuỳ kiểu công suất lò, có thể mở bằng tay (kiểu
đòn bẩy hay đối trọng) hoặc bằng cơ cấu cơ khí (1) truyền động bằng động
cơ điện. Cửa lò, có thể có lỗ thăm để quan sát phiá trong lò. Ngoài ra, lò còn
có đầu ra của dây đốt (2) cửa khí (6) để dẫn khí bảo vệ vào lò (do không khí
dễ thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò, gây hiện tợng ô xy hoá, thoát cacbon
của vật gia nhiệt) Đầu đo nhiệt ở đỉnh lò hay bên hông lò.
1.4. Ưu điểm của lò điện so với lò sử dụng nhiên liệu:
Lò điện so với các lò sử dụng nhiên liệu có những u điểm sau:


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

+ Có khả năng tạo đợc nhiệt độ cao
+ Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng xuất cao
+ Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và
nhiệt.
+ Kín
+ Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất giỡ nguyên
vật
liệu và vận chuyển vật phẩm đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh, thao
tác
tốt, thiết bị gọn nhẹ

2. Phân loại lò điện trở.
2.1. Phân loại theo nơi sử dụng:
Lò dùng trong công nghiệp
Lò dùng trong nganh y tế
Lò dùng trong phòng thí nghiệm
Lò dùng trong đời sống hàng ngày.
2.2. Phân loại theo nhiệt độ làm việc của lò:
Lò nhiệt độ thấp (t < 6500C)
bình (t = 6500C ữ 12000C)
Lò nhiệt độp trung
Lò nhiệt độ cao (t > 1200 C)

p

0

ôđ



2.2.3. Phân loại theo chế độ làm việc của lò:

mt

t
0

Đồ thị nhiệt độ và công suất lò làm việc liên tục

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Lò làm việc liên tục đợc cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở
một giá trị nào đó sau quá trình khởi động lò.Khi khống chế nhiệt độ bằng
cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ cần ổn
định.
Lò làm việc gián đoạn
p
p


mt

t
0

2.4. Phân loại theo kết cấu của lò:
Đồ thị nhiệt độ và công suất lò làm việc gián đoạn
Lò buồng
Lò giếng
Lò chụp
Lò bể
2.2.5. Phân loại theo mục đích sử dụng của lò:
Lò tôi
Lò ram


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Lò ủ
Lò nung
Lò nấu chảy
2.2.6. Phân loại theo phơng pháp toả nhiệt của lò:
Lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật nung đợc nung
nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm là nung nhanh, cấu
trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung phải có tiết diện nh nhau
theo chiều dài
vật.
Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt lợng toả ra ở dây
điện trở, rồi dây điện trở sẽ truyền nhiệt cho vật nung.

3. Phạm vi ứng dụng:
3.1. Trong luyện kim và chế tạo máy:
Lò điện có một vị trí quan trọng và thờng dùng để sản xuất thép chất lợng cao, sản xuất các hợp kim phe ro, nhiệt luyện
và hoá nhiệt luyện, nung các vật phẩm, sản xuất đúc và kim loại bột.

3.2. Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm:
Lò điện đợc dùng để sấy, mạ vật phẩm và chuẩn bị vật phẩm
3.3. Trong công nghiệp hoá học:
Lò điện đợc sử dụng để sản xuất CaS2, B4C, SiC, sản xuất phốt pho
vàng, sản xuất các kim loại kiềm thổ
3.4. Trong các lĩnh vực khác:
Lò điện dợc sử dụng để sản xuất vật phẩm thuỷ tinh, gốm, sứ, các loại vật liệu chịu lửa.
Nh vậy lò điện trở không những có mặt trong các ngành công nghiệp quan trọng mà ngày nay càng đợc sử dụng phổ biến
trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của con ngời một cách phong phú và đa dạng nh bếp điện, nồi cơm điện, bình đun nớc điện, thiết bị
nung, sấy điện

Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

4. cấu tạo lò điện trở:
4.1. Những yêu cầu cơ bản đối với cấu tạo lò điện trở:
4.1.1. Hợp lý về công nghệ có nghĩa là:
Cấu tạo lò không những phù hợp vơí quá trình công nghệ yêu cầu mà
còn tính đến khả năng sử dụng nó đối với quá trình công nghệ khác nếu nh
không làm phức tạp quá trình gia công và làm tăng gía thành một cách rõ rệt.
Cấu trúc lò đảm bảo đợc các điều kiện nh thế mới coi là hợp lý nhất.
Điều này đặc biệt quan trọng trong khi nhu cầu về lò điện trở vợt xa khả
năng sản xuất ra nó.
4.1.2. Hiệu quả về kỹ thuật:
Hiệu quả về kỹ thuật làkhả năng biểu thị hiệu suất cực đại của kết cấu
khi các thông số của nó xác định ( Kích thớc ngoài, công suất, trọng lợng,
giá thành )
Đối với một thiết bị hoặc một vật phẩm sản xuất ra, năng xuất trên
một đơn vị công suất định mức, suất tiêu hao điện để nung là các chỉ tiêu
cơ bản của hiệu quả ký thuật. Còn đối với từng phần riêng biệt của kết cấu
hoặc chi tiết, hiệu quả kỹ thuật đợc đánh giá bằng công suất dẫn động, mô
men xoắn lực ứng với trọng lợng, kích thớc hoặc giá thành kết cấu.
4.1. 3. Chắc chắn khi làm việc:
Là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lợng kết cấu các
lò điện trở. Thờng các lò điện trở làm việc liên tục trong một ca, hai ca và
ngay cả ba ca trong một ngày. Nừu trong khi làm việc, một bộ phận nào đó
không hoàn hảo sẽ ảnh hởng đến quá trình sản xuất chung. Điều này đặc biệt
quan trọng đối với các lò điện trở làm việc liên tục trong dây chuyền sản
xuất tự động. Ngay cả đối với các lò điện trở làm việc chu kỳ, lò ngừng cũng
làm thiệt hại rõ rệt cho sản
xuất vì khi ngừng lò đột ngột (nghĩa là phá huỷ chế độ làm việc bình thờng

của
lò) Có thể dẫn đến làm h hỏng sản phẩm, lãng phí nguyên vật liệu tăng giá
thành sản phẩm.


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Một chỉ tiêu phụ về sự chắc chắn khi làm việc của một bộ phận của lò
điện trở là khả năng thay thế nhanh hoặc khả năng dự trữ lớn khi lò làm việc
bình thờng. Theo quan điểm chắc chắn, trang thiết bị cần chú ý đến các bộ
phận quan trọng nhất, quyết định sự làm việc liên tục của lò nh dây nung, lớp
cách nhiệt
4.1.4. Tiện lợi khi sử dụng nghĩa là yêu cầu:
Số nhân viên phục vụ tối thiểu
Không yêu cầu trình độ chuyên môn cao, không yêu cầu sức lực và độ
dẻo dai của nhân viên phục vụ
Số lợng các thiết bị hiếm và quí bị hao mòn nhanh yêu cầu tối thiểu.
Theo quan điểm an toàn lao động, điều kiện làm việc phải hợp vệ sinh
và tuyệt đối an toàn.
4.1.5. Rẻ và đơn giản khi chế tạo:
Tiêu hao vật liệu ít nhất, đặc biệt là các vật liệu quí và hiếm: các kim
loại màu, các hợp kim có hàm lợng Ni cao
Công nghệ ché tạo đơn giản nghĩa là khả năng chế tạo phải sao cho
ngày công ít nhất và tận dụng đợc các thiết bị, dụng cụ thông thờng có sẵn
trong các nhà máy chế tạo để gia công.
Các loại vật liệu và thiết bị yêu cầu để chế tạo phải ít nhất
Sử dụng đến mức độ tối đa các kết cấu giống nhau và cùng loạiđể rễ
dàng đổi lẫn và thuận tiện khi lắp ráp .
Chọn hợp lý các dạng gia công để phù hợp vơi điều kiện chế tạo (đúc,

hàn, dập). Bỏ qua các chi tiết và các khâu gia công cơ khí không hợp lý .
4.1.6. Hình dáng bề ngoài đẹp :
Mỗi kết cấu của thiết bị , vật phẩm , các khâu và các chi tiết phải có
hình dáng và tỉ lệ các cạnh phù hợp, dễ coi. Tuy vậy cũng cần chú ý rằng, độ


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

bền của kết cấu khi trọng lợng nhỏ và hình dánh bề ngoài đẹp có quan hệ
khăn khít với nhau.
Việc gia công lần cuối cùng nh sơn có vai trò đặc biệt quan trọng đối
với hình dáng bề ngoài của lò điện trở. Song cũng cần tránh sự trang trí
không cần thiết.
4.2. Nguyên lý làm việc của lò điện trở:
Lò điện trở là một thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông
qua dây đốt (dây điện trở hoặc dây nung). Nó làm việc dựa trên cơ sở khi có
một dòng điện chạy qua dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra nhiệt lợng
theo định luật Junlenxơ.

Q = I2.R.t
Trong đó:
Q: là lợng nhiệt toả ra tính bằng Jun (J)
I: là dòng điện qua lò tính bằng Ămpe (A)
R: là điện trở (dây đốt hoặc dây nung) tính bằng Ôm ()
`
t: là thời gian dòng điện tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R đóng vai trò: vật nung và dây nung
+ Vật nung: gọi là nung trực tiếp, là lò thờng sử dụng để nung, nhiệt
luyện, nấu chảy kim loại màu, hợp kim màu

+ Dây nung: gọi là nung gián tiếp khi dây nung đợc nung nóng nó sẽ
truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp
Vậy nên khi nói đến lò điện trở không thể không đề cập đến vật liệu
làm dây nung, nó là bộ phận quan trọng, phát nhiệt của lò.
4.2. Cấu tạo lò điện trở:
Lò điện trở gồm ba phần chính là; vỏ lò, lớp lót, dây nung.
4.2.1. Vỏ lò:


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

vỏ lò điện trở làm bằng thép là một khung cứng, vững, chủ yếu để chịu
tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách
nhiệt và đảm bảo sự kín của lò để giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của
không khí lạnh vào lò. Khung vỏ lò cần cứng, vững đủ để chịu đợc tải trọng
của lớp lót, phụ tải lò (vật nung ) và các cơ cấu phụ gắn trên vỏ lò.
Vỏ lò điện trở hình trụ tròn dùng thep tấm dầy 2mm, đờng kính lò =
540mm , lớp lót hình trụ rỗng dầy 130mm. Kích thớc đáy dài 440mm, rộng
570 mm, cao 180mm (từ chỗ hàn tiếp giáp với vỏ lò) , chéo 20 cm . Lắp lò
cũng làm bằng thép đờng kính 440 mm .
Trên lò có gắn lỗ để đa can nhiệt vào, để đo nhiệt độ và lỗ bên hông,
để hút chân không không khí.
4.2.2. Lớp lót:
Lớp lót lò điện trở gồm 2 phần; vật liệu chịu lửa và phần cách nhiệt.
Vật liệu chịu lửa đợc xây bằng bột gạch chịu lửa, trên đó có gắn dây
nung sắp xếp theo chiều cố định xung quanh nó. Phần cách nhiệt nằm giữa
vỏ ngoài lò và vật liệu chịu lửa để giảm tổn thất nhiệt khi lò làm việc. Phần
này đợc xây bàng bột cách nhiệt (xỉ bông, sợi amiăng )
4.2.3. Dây nung:

Dây nung tròn dạng xoắn gắn quanh lò. Vì lò công suất nhỏ không yêu cầu nhiệt độ cao nên dùng dây nung kim loại là hợp
kim Crôm-Nhôm .
Cấu trúc bên trong của lò đợc thể hiện trên hình 1.1.3.
Công thức cơ bản đợc sử dụng để tính dây điện trở;
Khi tính dây điện trở, ngời ta sủ dụng các công thức cơ bản sau:

R=

U2
[ ]
10 3.P

l
R = . [ ]
S

d

Dây điện trở tiết diện tròn:

d =3
l=

4.10 5. .P 2
[mm]
2 .U 2 .W

RS
10.P.U 2
=3

[ m]

4. . .W 2

a

b


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Dây điện trở chữ nhật ( b/a = m )

a=

3

l=

5.10 4. .P 2
[ mm]
m.(m + 1).U 2 .W
3

2,5.P.U 2 .m
[m]
(m + 1) 2 . .W 2

Các ký hiệu trong các công thức trên;

P - Công suất của dây điện trở tơng ứng, KW
U - Điện áp giữa hai đầu dây điện trở, V
R - Điện trở của dây,
- Điện trở xuất của vật liệu chế tạo dây điện trở, .mm2/m (tính ở
nhiệt độ làm việc)
l - Chiều dài của dây điện trở, m
S - Diện tích tiết diện cắt ngang của dây điện trở, mm2
d - Đờng kính của dây điện trở, mm
a,b - Chiều dài và chiều rộng của tiết diện cắt ngang dây điện trở dạng
băng, mm
W - Công suất bề mặt riêng cho phép của dây điện trở, W/cm2

Vỏ ngoài
Vỏ trong

Dây đốt
Lớp dữ nhiệt

Lớp cách nhiệt

Hình.1.1.3. Cấu trúc bên trong của lò


Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu

Chơng II
Thiết kế mạch lực

1.Yêu cầu của thiết kế

- Yêu cầu của thiết kế là phải điều chỉnh đợc nhiệt độ trong lò theo
mong muốn.
+ Công thức tính công suất lò:
U2
P=
(W )
I

+ Muốn thay đổi nhiệt độ trong lò thì ta phải thay hoặc điện trở tải (Tiết
diện dây đốt, chiều dai dây đốt) hoặc điện áp trên tải (điện áp vào lò). Mà tiết
điện dây đốt, chiều dài dây đốt là cố định. Vậy muốn thay đổi nhiệt đọ lò ta
chỉ có thể thay đổi điện áp vào lò qua thiết bị điều khiển.
+ Công thức tính điện trở lò: