thiết kế lò hồ quang xoay chiều nấu thép sản lượng 100 tấn mẻ

MỤC LỤC
Lời cảm ơn………………………………………………………………………………………...4
Đánh giá của thầy………………………………………………………………………………….5
Lời mở đầu………………………………………………………………………………………...6
I. Tổng quan…………………………………………………………………………….…………7
Lịch sử phát triển của lò hồ quang…………………………………….…………………7
Đặc điểm phát triển của lò hồ quang……………………………………………………..8
Phân loại………………………………………………………………………………….9
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị……………………………………………10
II. Tính toán thiết kế lò hồ quang xoay chiều nấu thép sản lượng 100 tấn/ mẻ. ………………...11
Chương 1: Xác định kích thước lò……………………………………………………………….11
I.1
I.2

Xác định hình dạng lò……………………………………………………………11
Xác định kích thước hình học của lò…………………………………………….11
I.2.1 Tính thể tích của nồi lò………………………………………………………11
I.2.2 Tính các kích thước của nồi lò……………………………………...……….12
I.3
Xác định độ dày đáy, tường và nắp lò…………………………………………...13
I.3.1 Độ dày đáy lò………………………………………………………………...13
I.3.2 Độ dày tường lò……………………………………………………………...13
I.3.3 Độ dày nắp lò………………………………………………………………...14
Chương 2: Tính toán mất nhiệt…………………………………………………………………..15
2.1

Chọn vật liệu xây lò và cách xây lò……………………………………………...15
2.1.1 Chọn vật liệu xây lò………………………………………………………..15
2.1.2 Cách xây lò………………………………………………………………...16

2.2

Xác định nhiệt độ và nhiệt độ của vật liệu chịu lửa…………….………………..17
2.2.1 Đặt vấn đề………………………………………………………………….17
2.2.2 Phân phối nhiệt trong các thời kỳ nấu nhiệt……………………………….18

2.3

Tính mất nhiệt qua nắp, tường, và đáy lò, qua cửa lò và hệ thống làm nguội…...20

2.4

Tính toán cân bằng nhiệt………………………………………………………....20


Chương 3: Tính các thông số điện……………………………………………………………….23
3.1

Tính công suất điện………………………………………………………………23
3.1.1

Thiết bị điện……………………………………………………………..23

3.1.2

Tính toán công suất điện………………………………………………...25
3.1.2.1 Năng suất lò và tính toán máy biến áp…………………………...25
a. Năng suất lò……………………………………………………25
b. Công suất máy biến thế………………………………………..26
c. Các cấp điện thế……………………………………………….26

3.1.3

Tính điện cực và phân bố điện cực………………………………………27
3.1.3.1 Tính toán điện cực……………………………………………….27
a. Đường kính điện cực………………………………….……….27
b. Chiều dài điện cực…………………………………………….27
3.1.3.2 Sự phân bố điện cực……………………………………….……..28

3.2

Đề suất chế độ công suất điện. ……………………………………….……....…29

Chương 4: Tính toán phối liệu………………………………………………………….…....…..31
4.1

Chọn phương án nấu luyện…………………………………………….…....…...31

4.2

Chọn các chỉ tiêu kỹ thuật và vật tư sử dụng………………………….…....……32

4.3

Tính toán phối lieu mẻ nấu………………………………………….……....…...33
4.3.1

Xác định thành phần mẻ nấu……………………………….…....………33

4.3.2

Xác định thời lượng từng thời kỳ……………………………....………..33

4.3.3 Tính sự cháy hao các nguyên tố qua các thời kỳ: nấu chảy, oxi hóa, hoàn
nguyên. ……………………………………………………………………………………34
4.3.4 Tính sự hình thành xỉ, lượng tạo xỉ qua các thời kỳ: nấu chảy, oxi hóa,
hoàn nguyên. ……………………………………………………………………………...36
4.4

Hợp kim hóa……………………………………………………………………..43


Chương 5: Lập quy trình công nghệ……………………………………………………………..46
5.1

Quy trình lò và chất liệu…………………………………….…...………………46
5.1.1 Quy trình lò………………………………………………………………...46
5.1.2 Chuẩn bị lò và phối liệu nấu thép………………………………………….46
5.1.3 Nạp liệu cho lò……………………………………………………………..47

5.2

Chế độ điện và các thao tác trong thời kỳ nấu chảy……………………………..48
5.2.1 Chế độ điện………………………………………………………………...48
5.2.2 Các thao tác trong thời kỳ nấu chảy……………………………….………48

5.3

Chế độ điện và các thao tác trong thời kỳ oxi hóa……………………….………52
5.3.1 Chế độ điện………………………………………………………….……..52
5.3.2 Các thao tác trong thời kỳ oxi hóa…………………………………………52

5.4

Chế độ điện và các thao tác trong thời kỳ hoàn nguyên…………………………54
5.4.1 Chế độ điện………………………………………………………………...54
5.4.1 Các thao tác trong quá trình hoàn nguyên…………………………………54

Chương 6: Giải quyết các sự cố có thể xảy ra…………………………………………………...60
Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………………….61


LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện Đồ án Môn học này, em phải thao khảo sách Luyện thép Lò điện (tác giả Phạm
Phố-Phạm Huy Bình) là chủ yếu nhưng quan trọng nhất là được sự hướng dẫn của thầy và sự
giúp đỡ của các bạn trên lớp cũng như trong nhóm cùng thực hiện.
Em xin chân thành cảm ơn thầy và các bạn!


ĐÁNH GIÁ CỦA THẦY:
……………………………………………………………………………………………………................
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………


LỜI MỞ ĐẦU:
Thép và gang là những vật liệu chủ yếu và chiếm sản lượng lớn trong sản xuất, đời sống con
người lâu nay.Hiện nay thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng đang và đã phát triển
đồng thời cải tiến ngành công nghiệp sản xuất thép, gang.Do yêu cầu sản lượng rất lớn các sản
phẩm sắt thép xây dựng chất lượng tốt của ngành xây dựng đòi hỏi phải sản xuất thép ở lò có
dung lượng lớn (50-100 tấn),(100-400 tấn) hoặc hơn thế nữa.Vì vậy nấu thép trong các lò thổi
không khí, lò Besmer, lò Mactin,…không thể đáp ứng được sản xuất sản lượng lớn, công nghệ
nấu lạc hậu thời gian nấu quá dài (từ vài tiếng đến 1 ngày).
Phương pháp luyện thép trong lò hồ quang điện là 1 công nghệ mới và hiện đại.Để luyện thép và
hợp kim trong lò, người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang.Thường
sử dụng lò điện hồ quang xoay chiều (AC-EAF), lò hồ quang một chiều (DC-EAF) để sản xuất
thép cacbon chất lượng, thép hợp kim thấp,trung bình và cao với sản lượng lớn. Đặc điểm nổi bật
của lò hồ quang:
-

Tập trung được lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt là các kim loại khó
chảy như vofram, molipden,…
- Lò có nhiệt độ cao >=1700° C nên tạo điều kiện hòa tan các nguyên tố hợp kim nhiều
trong thép, thỏa mãn đầy đủ các phản ứng luyện kim (oxy hóa, khử), tăng tốc độ phản
ứng hóa học, thúc đẩy các quá trình xảy ra nhanh chóng và triệt để.
- Dễ dàng nâng nhiệt độ cho bể kim loại, điều chỉnh chính xác thành phần hóa học của thép
lỏng và xỉ.
- Đảm bảo cháy hao của các nguyên tố hợp kim rất thấp, giảm hàm lượng phospho và lưu
huỳnh rất thấp (P,S < 0,02%).
- Giá thành thép lò điện còn cao vì tiêu tốn điện năng và điện cực lớn.
- Chọn và tính toán hợp lý phế thép, đảm bảo ít phospho và lưu huỳnh, kích thước liệu phải
phù hợp với dung lượng lò và phương pháp chất liệu vào lò đảm bảo vận hành lò tốt.
Tuy nhiên, đồ án chỉ giới hạn trong tính toán lò và phối liệu, thiết kế lò và cách vận hành của
một sinh viên nên chỉ là một bài sơ khai không chuyên sâu vào lò hồ quang. Vì vậy sẽ có nhiều
thiếu sót, không đầy đủ.Hi vọng có những sai sót nào mong thầy và các bạn góp ý kiến đóng góp
để bài làm hoàn thiện hơn.


I. Tổng quan:
1. Lịch sử phát triển của lò hồ quang:
Lò hồ quang là loại lò điện được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới cũng như nước
ta hiện nay trong việc nấu luyện thép.
Lịch sử phát triển của lò hồ quang:
Trên thế giới, lò điện được xây dưng đầu tiên ở Pháp vào năm 1889 với dung lượng 3
tấn/mẻ để nấu luyện thép hợp kim. Đến năm 1900 ở Mỹ đã sử dụng loại lò điện hồ quang
10-60 tấn/ mẻ để nấu thép dụng cụ và thép hợp kim. Ở Tiệp Khắc đã sữ dụng lò hồ quang
20-30 tấn/mẻ để nấu các loại thép cacbon và thép hợp kim thấp. Ngày nay người ta sử
dụng phổ biến và rộng rải là lò hồ quang 100-400 tấn/mẻ dung lượng điện áp 35.000165.000 kVA.
Đặc biệp ở Mỹ đã chạy thường xuyên loại lò 360 tấn/ mẻ và chế độ siêu công suất
160.000 kVA để sản xuất thép cacbon chất lượng, đảm bảo năng suất 100-120 tấn thép/

giờ.
Từ năm 1900 đến nay người ta đã thiết kế xây dựng các loại lò hồ quang hiện đại như
lò hồ quang một chiều siêu công suất (150 tấn/ mẻ), lò hồ quang thân cột (Thụy Điển) có
dung lượng lò 100-300 tấn/ mẻ.
Sản lượng thép lò hồ quang chiếm 80-90% tổng lượng thép lò điện. Số lượng thép
còn lại được sản xuất ra từ lò cảm ứng cao tần,trung tần và lò tần số công nghiệp.
Ở nước ta có rất nhiều nhà máy sử dụng lò hồ quang đặt biệt như:
- Nhà máy luyện thép Lưu Xá ( công ty gang thép Thái Nguyện).
- Nhà máy cán thép Gia sàng.
- Nhà máy cơ khí ( công ty gang thép Thái Nguyên).
- Nhà máy luyện thép biên hòa (công ty thép Miền Nam).
- Nhà máy thép Nhà Bè ( cộng ty thép Miền Nam).
- Nhà máy thép Thủ Đức ( công ty thép MiềnNam).
- Phân xưởng nhà máy cơ khí ( công ty thép Miền Nam)…
Nói chung sản xuất thép trong nước ta hiện nay chủ yếu bằng lò điện hồ quang.

2. Đặc điểm của lò hồ quang (lò hồ quang xoay chiều
ba điện cực) :
Lò điện hồ quang chủ yêu tận dụng lượng nhiệt của chùm hồ quang phát ra giữa điện
cực và kim loại chùa trong lò, do đó có một số đặc điểm sau:


- Ưu điểm:


Biến điện năng thành hồ quang do dó sử dụng được lượng nhiệt hữu ích

tối đa.
 Nhiệt độ giữa ba điện cực đạt được t 30000C do dó nâng được nhiệt độ
thép lỏng lên t 16000C, thỏa mãn điều kiện kỹ thuật luyện các mác thép và hợp kim khác

nhau.
 Trong quá trình nấu luyện trong lò có thể tạo đươc mô trường hoàn
nguyên, môi trường oxy hóa. Có thể khống chế và điểu khiển một cách chính xác thành
phần hóa học và nhiệt độ thép lỏng. Đảm bảo khử S, P tốt, khử tạp chất phi kim, tạp khí
và các chất có hại cho chất lượng thép đến mức tối thiểu. Đồng thời, khống chế được
cháy hao các nguyên tố hợp kim đến mức cho phép. Đảm bảo chất lượng thép và năng
xuất lò ( hệ số thu hồi 90%).
 Kết cấu và thiết bị tương đối đơn giản, chiếm diện tích mặt bằng ít, vốn
đầu tư xây dựng xưởng thấp và thời gian xây dựng xưởng nhanh.
 Dễ áp dụng tự động hóa cơ khí hóa trong quá trình vận hành. Dễ dàng tiến
hành luyện thép trong môi trường chân không. Do đó, có khả năng nấu được các loại thép
cacbon và thép hợp kim có độ sạch cao và siêu sạch.

- Nhược điểm:
 Trong quá trình phát hồ quang tạo mội trường khí ion hóa trong lò. Do đó
có khả năng hòa tan khí ( N2) và thép lỏng làm giảm chất lượng sản phẩm đúc.
 Hồ quang là nguồn điểm bức xạ nhiệt do đó nhiệt phân bố không đều làm
ảnh hưởng xấu đến quá trình nấu chảy liệu. Làm tăng bay hơi mạnh các nguyên tố hợp
kim như: mangan, wolfram…,phá hủy cục bộ tường lò.
 Phối liệu sử dụng cho lò hồ quang chủ yếu là thép phế liệu có thành phần
tương đối ổn định, nhất là P và S phải thấp. Thép phế liệu trong nội bộ nhà máy không đủ
cung cấp cho lò, vì vậy đa phần phải nhập ngoại tốn kém chi phí.
 Tiêu hao điện năng và điện cực lớn. Ở một số nước chua chế tạo được điện
cực grafit, giá tiền điện còn cao. Giá của thép thảnh phẩm phụ thuộc lớn vào hai yếu tố
trên ( chiếm 65-70% giá thành sản phẩm)…

3. Phân loại:
Lò hồ quang có thể được phân loại theo cấu tạo và ứng dụng,lò hồ quang gồm ba loại:
lò hồ quang gián tiếp, lò hồ quang trực tiếp và lò hồ quang phủ kín.

3.1. Lò hồ quang trực tiếp EAF ( electric arc furnace):


- Theo cấu tạo mạch điện chia làm hai loại: lò hồ quang xoay chiều AC-EAF và lò hồ
quang một chiều DC-EAF.
Lò hồ quang trực tiếp đươc sử dụng phổ biến nhất hiện nay trên thế giới và cả nước ta.

3.2. Lò hồ quang gián tiếp sử dụng hai điện cực grafic:
- Loại này có thể sử dụng nguồn điện một chiều hoặc nguồn điện hai chiều, hai điện
cực nằm ngang xuyên qua hông lò vào lò. Nhiệt độ trong lò đạt được không cao khoảng
1300-1350oC . Do đó, loại lò này thích hợp nấu các hợp kim dể chảy như đồng(Cu), chì(Pb),
kẽm, thiếc…

3.3. Lò điện hồ quang phủ kín hay còn gọi là lò ferro hợp kim:
Điện áp vào lò phụ thuộc vào hợp kim Ferro nấu luyện.
Trong quá trình nấu, hồ quang phát ra dưới ba điện cực tự thiêu kết, chùm hồ quang
ngắn và rộng bị chiềm sâu trong bể liệu do dó liệu tiếp thu nhiệt của hồ quang và nhiệt trở
của liệu mà nóng chảy. Quá trình nấu Ferro là quá trình liên tục và kéo dài trong một khoảng
thời gian nhất định. Ferro hợp kim được tháo ra ngoài qua cửa ở hông lò theo định kì.


4. Cấu tạo và nguyện lý của thiết bị:
4.1. Cấu tạo chung của một lò hồ quang:
Lò hồ quang gồm những bộ phận cơ bản sau:
-

Buồng lò.

-

Thiết bị nghiêng lò.

-

Thiết bị năng hạ điện cực.

-

Thiết bị điện: máy biến áp, mạng điện…

4.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của lò hồ quang:
Lò hồ quang sử dụng nguồn nhiệt là ngọn lửa hồ quang sinh ra giữa điện cực
và kim loại nấu.
Khi nấu, điện cực được cấp điện và hạ xuống chạm vào mặt kim loại gây
ngắn mạch, cường độ dòng điện tăng cao.
Sau đó nâng điện cực lên cách bề mặt kim loại nấu một khoảng cách nhất
định. Cường độ dòng điện cao sẻ làm phát sinh ngọn lửa hồ quang giữa điện cực và kim loại
nấu, gọi là hồ quang trực tiếp.
Nhiệt độ ngọn lửa hồ quang rất cao và tập trung nên lượng nhiệt truyền cho
kim loại là rất lớn và chủ yếu là truyền nhiệt bức xạ.
Khi kim loại chảy lỏng,khoảng cách giữa điện cực và kim loại được điều
chỉnh thích hợp để ngọn lửa hồ quang cháy ổn định.


II. Tính toán thiết kế lò hồ quang xoay chiều
nấu thép sản lượng 100 tấn/ mẻ:
1.Chương 1: Xác định kích thước lò
1.1. Xác định hình dạng lò:
Buồng lò:
Buồng lò gồm ba phần đáy lò, thân lò, và nắp lò.

Đáy lò làm nhiệm vụ chứa kim loại và xỉ. Phần trên đáy lò có dạng hình côn gốc
nghiêng 450. Phần dưới dạng chỏm cầu. Chiều dày thể xây đáy lò khoảng 650-700mm. Lớp
ngoài cùng là vỏ bằng thép tấm.
Tường lò tạo không gian chứa liệu đồng thời chịu lực tác dụng của nóc lò. Chiều dày
tường lò khoảng 350-700 mm.
Nóc lò dạng hình chỏm cầu, xây bằng gạch crôm-manhedic hoặc gạch dinat chiều dày
khoảng 300mm. Ở nóc lò có chừa ba lổ trống để đặt ba điện cực.
Sơ đồ cấu tạo buồng lò hồ quang
Với thiết kế như vậy có rất nhiều ưu điểm như thuận lợi cho việc vá và đầm lò. Kim loại dễ
chảy, phần kim loại lỏng tích tụ ở đáy chỏm cầu. Tránh biến dạng lò trong khi nấu.


1.2.Tính kích
thước
hình học
của lò:
1.2.1. Tổng
thể tích
của nồi
lò:


Thể
tích
kim
loại
lỏng

trong nồi lò:

Vo thể tích riêng của kim loại lỏng, Vo =0,145(tấn/m3).
g kl

khối lượng thép nấu trong một mẻ,

g kl

=100 tấn.

Vkl  Vo �g kl  0,145 �100  14,5(m3 ) .


Thể tích của xỉ trong nồi lò:

V0 xi là thể tích riêng của xỉ(0,33 tấn/ m3).
Nếu dùng gang nấu thép thì lượng xỉ phụ thuộc trọng lượng gang. Lượng gang dùng
trong một mẻ khoảng 15% đến trên 20% lượng liệu, lượng xỉ chiếm 9-10% lượng gang. Để
an toàn trong quá trình nấu luyện thì ta tính cho 100% liệu là gang và lượng xỉ sinh ra là
15% lượng gang.

Vxi  15% �Vkl  0,15 �14,5  2,18(m3 ) .
 Tổng thể tích của nồi lò:

V  Vkl  Vxi  14,5  2,18  16,68(m3 ) .

1.2.2. Tính các kích thước của nồi lò:
Theo hình 4.2 ta xác định được kích thước nồi lò:


�r 2 h 2 � h

V   h1 �  1 �  . 2  R 2  R  r 2 
�8 6 � 3

. (1.2.2)

Với

r

d
D
R 1
2;
2

Các kích thước của nồi lò thường được chọn theo chiều cao nồi lò H:
 H=h1+h2với h1=0,2H; h2=0,8H.
 Đường kính nồi lò: D1  5 H .
 Chiều cao phần chỏm cầu: h1=0,2H.
 Chiều cao phần nón: h2=0,8H.

 Đường kính phần chỏm cầu:

 Bán kính chỏm cầu:

r

d  D1  2h2 

17

H
5 .

1
d  1, 7 H
2
.

Thay các giá trị trên vào công thức (1.2.2) ta tính được:

V  11, 6 H 3 .
H
Suy ra:

3

V
11, 6 .

V=16,68(m3)
 H=1,129(m)=1129(mm)

� Ta tính được các kích thước:


h1  0, 2 H  0, 2 �1129  226(mm)

.

 h2  0,8H  0,8 �1129  903(mm) .





D1  5H  5 �1129  5645(mm)
d  D1  2h2 

.

17
17
H  �1129  3839(mm)
5
5
.




r

1
d  1, 7 H  1, 7 �1129  1919(mm)
2
.

Các kích thước khác của tường lò cũng được chọn dựa trên chiều cao của nồi lò H:
 Đường kính của không gian nấu chảy là: thường
D  D1  200(mm)
ta chọn 2

.

D2  D1  200  5 H  200(mm)

D2  D1  (100 �200)(mm)

.

� D2  5645  200  5845( mm) .
 Chiều cao không gian nấu chảy:

H1  (2,1 �2, 2) H

ta chọn 2,2.

� H1  2, 2 �1129  2484(mm) .
Tỉ số góc nghiêng của tường lò 10%.
Do đó:
H  100 2484  100
1

 238(mm)
 D3  D2   1
10
10
X= 2
.

� D3  D2  2 �238  5845  2 �238  6321( mm)
D3 là đường kính nắp lò.

 Chiều cao của nóc lò:

�1 1 �
1
h3  � � �D3 (mm)
�7 8 �
chọn 7 ta tính được:
1
1
h3  �D3  �6321  903(mm)
7
7
.

 Chiều rộng cửa lò:

a  0,3D3 (mm)

.

� a  0,3 �6321  1896( mm) .
 Chiều cao cửa lò:

b  0,8a (mm) .

.


� b  0,8 �1896  1517(mm) .

1.3. Xác định độ dày đáy, tường và nắp lò:
1.3.1. Độ dày đáy lò:
Chiều dày đáy thường chọn gần bằng chiều sâu nồi lò H, ta chọn

 day

=1000mm

Khi dùng máy khuấy trộn điện từ chiều dày đáy giảm 10-15% để đạt hiệu quả cao trong
việc khấy trộn.

1.3.2. Độ dày tường lò:
Độ dày tường lò 100tấn nằm trongkhoảng

 tuong

=550-650mm chọn

 tuong

=600mm.

� đường kính ngoài của tường lò.

Dt  D2  2 � tuong  5845  2 �600  7045(mm)

.

1.3.3. Độ dày nắp lò:
Độ dày nắp lò thường chọn trong khoảng 230-400mm. Chọn độ dày nắp

 nap  300(mm)

.
Nồi lò

Tường
Lò

Nắp lò

Đại lượng
Chiều cao nồi lò

Kí hiệu Công thức tính
H
V
H3
11, 6
Chiều cao phần chỏm cầu
h1
h1=0,2H
Chiều cao phần nón
h2
h2=0,8H
Đường kính nồi lò
D1
D1  5H
Đường kính phần chỏm cầu
d

17
d  D1  2h2  H
5
r
Bán kính phần chỏm cầu
1
r  d  1, 7 H
2
Đường kính của không gian nấu D2
D2  D1  200
chảy
Chiều cao không gian nấu chảy H1
H1  2, 2 �H
Độ nghiêng của tường lò 10% so X
với chiều cao
h3
Chiều cao của nắp lò

H1  100
10
1
h3  �D3
7
X

Giá trị
1129

Đơn vị
mm

226
903
5645

mm
mm
mm

3839

mm

1919

mm

5845

mm

2484

mm

238

mm

903

mm


Đường kính nắp lò

D3

D3  D2  2 �X

6321

mm

Chiều rộng cửa lò

a

a  0,3D3

1896

mm

Chiều cao cửa lò

b

b  0,8a

1517

mm

 day

450 �900

1000

mm

 tuong

300 �700

650

mm

Dt

Dt  D2  2 � tuong

7045

mm

 nap

230 �400

300

mm

Xác định Độ dày đáy lò
độ dày
Độ dày tường lò
đáy,
tường, nắp
Đường kính ngoài của tường lò
lò
Độ dày nắp lò

Bảng tính toán kích thước lò hồ quang sản lượng 100 tấn/mẻ
Sau khi sử dụng lò để nấu luyện thì dung tích lò sẽ tăng lên khoảng 30 �40% nên có thể
nấu quá từ 15 �20%.

2. Chương 2: Tính toán mất nhiệt
2.1. Chọn vật liệu xây lò và cách xây lò:
2.1.1. Chọn vật liệu xây lò:
Lò hồ quang có lớp vỏ ngoài bằng thép chịu nhiệt, độ dày 10-25m, thân lò hình trụ đáy
cong hoặc đáy phẳng, hay thân dạng hình côn đáy cong. Bên trong vỏ có xây hoặc đầm vật
liệu cản nhiệt và gạch chiệu lửa cao. Trên thân lò có nắp đậy kín hoặc di chuyển được khi
chất liệu vào lò theo phương pháp trên xuống, nắp lò không có vỏ bọc bằng kim loại, nhưng
để đảm bảo đủ độ bền người ta làm vành đai kim loại bao quanh chân vòm nắp. Tùy theo
dung lượng lò tấn/mẻ mà người ta xây đầm, dùng các loại gạch khác nhau, các lớp gạch
khác nhau và có độ dày phù hợp.
Chất lượng thể xây lò ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng thép, tránh được

những sự cố đáng tiếc, nguy hiểm có thể xảy ra.


Yêu cầu của thể xây lò:

Phải có độ bền nhiệt, độ bền tải trọng và độ bền nén cao. Chịu được
nhiệt độ gần 17000C, tải trọng gần 100 tấn.
-

Chịu được tải trọng cơhọc ởnhiệt độcao.

-

Bền hóa học và khảnăng chống tẩm thực cao.




-

Chịu sựthay đổi nhiệt độ đột ngột.

-

Có hình dạng và kích thước ổn định khi làm việc.

-

Có thểsản xuất hàng loạt và giá thành phù hợp.

-

Tránh tác dụng làm mất mác kim loại hợp kim.

Một số loại gạch chiệu lửa được sử dụng để xây lò bazơ hiện nay:

Lò bazơ được sử dụng nhiều vì tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạp chất như phốt pho,
lưu huỳnh và các tạp phi kim khác…
Lò hồ quang bazơ xây lò thường được xây dụng bằng gạch manhêzit(MgO), Crômmanhêzit( Cr2O3-MgO), manhêzit-Crômit( MgO-Cr2O3), củng có khi dùng gạch Alumin cao(
Al2O3) để xây lò. Ngoài ra còn sử dụng gạch samốt A( Al2O3-SiO2) để cản nhiệt và giữ nhiệt.
Gạch manhêzit được dùng để xây phần trên và phần đáy lò có thành phần:
MgO

CaO

SiO2

Al2O3 + Fe2O3

88-91,5%

≤3%

≤4%

3-5%

Gạch manhêzit có độ chịu lửa cao từ 1700 �18000C, nhiệt độ biến mềm 15000C và độ
giản nhiệt cao, độ bền cao. Nhưng loại gạch này lại có tính biến mềm kém hay bị nứt vở khi
nhiệt độ thay đổi đột ngột. Do đó, người ta không sử dụng gạch này để xây nắp lò và chân

tường lò.
Gạch Crôm-manhezit( Cr2O3-MgO) có thành phần hóa học:
Cr2O3
MgO
20-30%
40-45%
Loại gạch này có độ chịu lửa cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu được nhiệt độ thay đổi đột ngột,
nên thường dùng để xây chân tường lò, chỗ tháo thép và đôi khi dùng để xây nắp lò. Loại
gạch này có tính chất tốt thường dùng để xây nắp lò.
Gạch manhezit-Crômiccó thành phần:
MgO
Cr2O3
65-67%
8-18%
Gạch samot là loại gạch có tính chất trung bình có thành phần hóa học:
Al2O3
SiO2
20-30%
55-60%
Thường dùng để xây lớp cản nhiệt ngoài cùng ở đáy,tường, máng rót thép và nồi rót
thép.

2.1.2. Cách xây lò:


 Nắp lò:
Nắp lò điện hồ quang luyện thép phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất
lớn. Trong quá trình nấu luyện thép, nắp lò là nơi tập trung lượng khá lớn, nhiệt độ lớn hơn
17000C ,khói bụi nóng nhiều, đồng thời phải tiến hành xây đúng kỹ thuật,cẩn thận và chắc
chắn. Đầu tiên đặt vành nắp lò lên nền cát có vòm giống như độ cong của nắp lò, tiếp theo

xác định tâm của ba lỗ điện cực, mỗi tâm của lỗ cách nhau 1200 tạo thành một khung nắp lò
ở chính giữa khung vành đai nắp lò, tiếp theo xác định tâm của ba lỗ điện cực trước, xây gân
nắp lò, tiếp theo xây nắp lò theo cách từ ngoài vào trong, cứ xây xong 3 �4 viên gạch thì lót
một tấm tôn dày 1 �1,5 mm, các viên gạch đều được xây dựng đứng và chèn chặt các viên
gạch xây. Sau khi xây xong đưa nắp vào nơi khác để nung sấy cẩn thận.



 300mm

Nắp lò điện hồ quang luyện thép theo tính toán như trên có chiều dày nap
,
xây bằng gạch Crôm-manhezit( Cr2O3-MgO), nắp lò thường được nâng lên và quay góc 60
hay 1200 để chất liệu vào lò. Do dó nắp lò ngoài yêu cầu về độ chịu lửa cao, bền nhiệt, còn
phải bền cơ học, chắt chắn không bị vênh uốn công trong quá trình nấu luyện thép cũng như
thao tác nâng hạ, quay nắp lò.
 Tường lò:
Tường lò có hai phần, phần trên mỏng hơn, phần dưới dày hơn, nghĩa là tường lò luôn
có độ vát gần bằng 10% . Nhờ có độ vát như vậy mà việc chất liệu vào lò được thuận lợi và
tránh được hao mòn do hồ quang phát ra. Phần trên chủ yếu xây gạch chịu lửa cao, còn phần
dưới luôn bị va đập bởi liệu chất từ trên xuống, vừa phải chịu quá trình bào mòn tẩm thực
của kim loai lỏng, xỉ. Do đó cần phải xây bằng gạch chịu lửa chịu được nhiệt độ cao, bền
nén, bền cơ học và chóng mài mòn tốt.
Sau khi xây xong đáy lò thì xây tiếp tường lò, xây từ trong ra ngoài và xây từ chân
tường phía dưới lên trên.
Tường được xây ba lớp: với chiều dày tường lò tính được là

 tuong  600mm

ta có:

 Vỏ thép ở bên ngoài dày 10mm.
 Tiếp theo xây hoặc đầm lớp gạch samốt dày khoảng 200 mm.
 Tiếp lớp samốt là xây lớp làm việc có chiều dày 390mm xây bằng gạch manhêzit
xây ở phần trên và gạch Crom-manhêzit xây ở phần dưới.
 Đáy lò:
Được xây bốn lớp: với độ dày đáy lò

 day  1000mm

ta có:

-

Bên ngoài là lớp thép dày 20mm

-

Lớp sát vỏ lò là lớp bột hoặc sạn samốt xốp có độ dày 100mm.


-

Tiếp theo xây lớp gạch samốt dày 230mm.

-

Trên lớp gạch samốt là lớp gạch manhêzic xây nghiêng 115mm, độ
dày lớp này là 350mm.

-

Trên cùng là một lớp đầm bằng sạn manhêzic dày 300mm.

Đáy lò là nơi chứa thép lỏng và xỉ, cần đảm bảo độ chiệu lửa cao, giữ nhiệt tốt, chịu
được quá trình sôi của thép, chống tẩm thực của xỉ lỏng ( nhất là xỉ bọt). Đặc biệt đáy lò
phải bền chắc để chống được va đập mạnh của quá trình chất liệu rắn từ trên xuống.

2.2. Chế độ nhiệt trong lò:
2.2.1.

Đặt vấn đề:

Muốn cho việc sản xuất thép trong lò điện hồ quang đạt được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
cao thì ngoài việc xác định ngoài việc xác định kích thước không gian lò,kích thước và dung
tích lò một cách hợp lý, ta cón phải xác định kích thước không gian lò, đưa chế độ điện phù
hợp với từng thời kỳ nấu luyện. Muốn vậy, ta cần phải giải quyết các nhiệm vụ cơ bản sau:
- Bố trí điện cực nhiều, đảm bảo hồ quang cháy hợp lý,liên tục, làm cho
quá trình nấu chảy nhanh, đồng thời tránh được hiện tượng nung nóng tường và nắp lò quá
mức.
- Xác định chế độ điện và nhiệt, chế độ thao tác hợp lý cho từng thời kỳ
nấu luyện, bảo đảm năng suất cao, mất mát điện là nhỏ nhất.
-

Có khoảng không gian lò thích hợp để truyền nhiết tốt,tuổi thọ lò cao.

Đứng về quang điểm trao đổi nhiệt giữa hồ quang và không gian lò mà chia mẻ nấu làm
ba thời kỳ:
(1) Thời kỳ liệu còn rắn:
Vào thời kỳ nấu chảy,hồ quang cháy giữa điện cực và bề mặt rắn. Hồ quang lúc bây

giờ cháy hở, bức xạ nhiệt của hồ quang lên tường lò và nắp lò rất mạnh( nhất là nắp lò vì
điện cực lúc bấy giờ gần nắp lò nhất). Đồng thời khả năng thu nhiệt của nắp lò và tường lò
là rất lớn vì lúc nầy nhiệt của chúng chưa cao.
Thời kỳ nầy người ta gọi là thời kỳ bức xạ hồ quang và nhận nhiệt của nắp lỏ và tường
lò là nhiều nhất.
(2) Thời kỳ hồ quang cháy kín:
Khi liệu rắn chảy thành ba hố dưới ba điện cực và ngày càng phát triển cả về đường
kính lẫn chiều sâu thì cả ba điện cực có khả năng nhúng sâu vào lòng liệu, hồ quang phát
ra bị liệu bao kín, do đó nhiệt sẽ hoàn toàn bức xạ vào liệu, mức độ bức xạ nhiệt của hò
quang lên tường và nắp lò yếu dần.


Thời kỳ này là thời kỳ bức xạ nhiệt vào liệu.
(3) Thời kỳ chảy xong:
Kim loại lúc này tự trao đổi nhiệt trong nội bộ kim loại và theo mọi phương mọi hướng.
Điện cực ở xa mặt kim loại nên hồ quang cháy phát ra được bức xạ hoàn toàn vào không
gian lò, đồng thời nhiệt phản xạ từ tường, đáy lò và nắp lò vào khoảng không gian lò cũng
khá mạnh.
Thời kỳ này là thời kỳ trao đổi nhiệt trong khoảng không gian lò.
- Khi hồ quang bị che chắn mạnh: thì lượng nhiệt của hồ quang bị các
phần che chắn hấp thụ. Trong trường hợp này lò hồ kim loại có nhiệt độ cao nhất, kế dến là
nhiệt độ của xỉ ở vùng xa ngọn lửa hồ quang và bé nhất là nhiệt độ của lớp lót .
- Khi hồ quang bị che chắn yếu: nồi lò của kim loại được nung bằng
ngọn lửa hồ quang và bằng nhiệt phản xạ từ lớp lót lò. Trong trường hợp này nhiệt độ của
lớp lót >nhiệt độ của xỉ > nhiệt đô của kim loại.
- Trong trường hợp này, điều kiện tinh luyện kim loại đồng dều trên
suất bề mặt nồi lò, nhưng nó dễ gây quá nung lớp lót trong lò.
- Trong thời kỳ nấu chảy và oxy hóa thì xỉ hấp thụ nhiệt nhiều, trong
thời kỳ hoàn nguyên thì xỉ hấp thụ nhiệt ít vì xỉ và kim loại lúc bây giời nóng hơn thời kỳ
đầu.

2.2.2. Phân phối nhiệt trong các thời kỳ nấu luyện:
Ta có bảng phân phối nhiệt sau đây:
-

Thời kỳ nấu chảy:
 Hồ quang bức xạ trực tiếp lên mặt kim loại:
PKL=0,1PHQ+0,45PHQ=0,55PHQ
 Hồ quang bức xạ nhiệt trực tiếp lên tường và nắp lò.
PT=0,45PHQ.

-

Thời kỳ oxy hóa:
 Lượng nhiệt kim loại hấp thụ;
PKL=0,55PHQ �0,6=0,33PHQ
 Lượng nhiệt bức xạ lên tường và nắp:
PT=0,55PHQ �0,4=0,22PHQ

-

Thời kỳ hoàn nguyện:


 Kim loại thu nhiệt do hồ quang bức xạ nhiệt trục tiếp:
PKL=0,55PHQ �0,5=0,275PHQ
 Nhiệt bức xạ lên tường và nắp:
PT=0,55PHQ �0,5=0,275PHQ.

Một số nhận xét:

Trong quá trình nấu luyện, thu nhiệt của kim loại càng ngày càng
giảm, thời kỳ đầu cần lượng nhiệt đưa vào lớn, trao đổi nhiệt từ hồ quang tới kim loại hầu
như theo một hướng từ trên xuống dưới, còn ở giai đoạn sau thì nguồn nhiệt của kim loại
giảm đi, truyền nhiệt theo tính chất dẫn nhiệt của kim loại là chủ yếu.
Trong giai đoạn đầu, bức xạ nhiệt của hồ quang ảnh hưởng yếu đến
tuổi thọ của lò, còn ở giai đoạn sau thì bứa xạ ảnh hưởng mạnh đến tuổi thọ của lò, nhất là
khi kéo dài gia đoạn này thì tuổi thọ của lò giảm rõ rệt.
Bức xạ nhiệt của hồ quang và kim loại lên tường và nắp lò cũng thay
đổi theo từng giai đoạn: trong giai đoạn đầu thì lượng bức xạ này lớn, trong giai đoạn hai thì
lượng này nhỏ nhất vì cần nhiệt cho các phản ứng luyện kim xảy ra, trong giai đoạn ba thì
tường và nắp lò do hai nguồn cung cấp :do hồ quang và kim loại bức xạ lên.
-

Trong các lò lớn, khả năng hấp thụ nhiệt của kim loại rất lớn.

Kết luận:
Tường lò và nắp lò nhận một lượng nhiệt rất lớn do bức xạ trực tiếp
của hồ quang và do phản ứng ở nồi lò.
Công suất nhiệt bức xạ từ tường lò tới kim loại phụ thuộc vào nhiệt
độ của xỉ và giảm khi tăng nhiệt độ của xỉ.
Trong giai đoạn oxy hóa xỉ sôi là điều kiện thuận lợi để làm đồng đều
và tăng nhiệt độ của kim loại.
Kích thước lò càng lớn tuổi thọ của lớp lót lò càng giảm do lớp lót lò
nhận lượng nhiệt rất lớn và gánh tải trọng cao trong nhiệt độ cao. Chiều dày của xỉ tăng lên
gần bằng G lần và bề mặt trao đổi nhiệt riêng giảm đi gần
nấu- tấn).

G lần (G trọng lượng mẻ

Các vùng phân bố nhiệt trong lò hồ quang:
1 :vùng nóng cục bộ của điện cực.
2 : vùng nóng nhất chung cho ba điện cực.
3 : vùng nóng vừa.
Đề đảm bảo tuổi thọ của lò cao, đồng thời truyền và giữ nhiệt tốt cần phải xây lò bằng
các vật liệu xay lò thích hợp.

2.3. Xác định nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
chịu lửa:
Nhiêt độ của vật liệu chịu lửa:
Tính chất

Nhiệt độ (OC)

Gạch
manhêzit
1780 �2000
Samot A
>1730
Crôm-manhezit
>2000
Độdẫn nhiệt: đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt λ(w/m.độ). Vật liệu chịu lửa có hệ số
dẫn nhiệt nhỏ, nhất là các vật liệu cách nhiệt (samốt nhẹ: 0,52-0,7 w/m.độ).


Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ theo công thức:
λ= λ0(1 + β.t)
Một sốvật liệu chịu lửa có λ tăng theo nhiệt độ (nhưgạch đinát, samốt), một số có
λgiảm theo nhiệt độ(gạch mannhêdit, cacbôrun). Tính chất này của vật liệu chịu lửa liên
quan mật thiết đến lượng nhiệt của lò mất mát nhiệt qua thể xây.

2.4. Tính toán cân bằng nhiệt:
2.4.1. Cân bằng nhiệt trong quá trình nấu :
 Công thức cân băng bằng nhiệt :

 Nhiệt cấp vào :
: nhiệt do hồ quang cung cấp.
: nhiệt do liệu được nung trước.
: nhiệt do các quá trình trong lò.
.
: nhiệt sinh ra do quá trình oxy hóa C,Mn,Si,P,S…
: nhiệt sinh ra do xỉ hình thành từ oxyt.
 Nhiệt sử dụng và mất đi :
: nhiệt nấu thép đến nhiệt độ to.
: nhiệt mất do tháo xỉ.

: nhiệt mất do khí thải.
: nhiệt mất do thoát qua thể xây lò.
 Tính toán :
 Nhiệt vào (Ein)
-

Nhiệt do hồ quang cung cấp:
.

-

Nhiệt do liệu được nung trước ( 300oC)

Nhiệt dung riêng của thép (Fe-C) là: 460 J/kg.K
Nhiệt dung riêng của CaO: 0,2kcal/Kg.oC.
Nhiệt dung riêng của Mn: 0,11 kcal/Kg.oC.
Nhiệt dung riêng của Mg: 0,2 kcal/Kg.oC.
Nhiệt dug riêng của Al: 0,21 kcal/Kg.oC.

=kJ.
-

Nhiệt sinh ra do các quá trình trong lò.
Nhiệt do oxy hóa C.
C+1/2O2=CO 2,200 kcal/kgC

Nhiệt do oxy hóa Fe :
Fe+ 1/2O2=FeO 1150kcal/kg.Fe

-

Tổng nhiệt vào :
Ein=+2475467933kJ+=2947991183kJ.

 Nhiệt ra :
Nhiệt nung thép len nhiệt độ 1600OC

-

=Ehóalỏng+Enângnhiệt

Nhiệt nấu chảy thép : .
.

Nhiệt nung thép đến nhiệt độ 1600OC.
.
-

Nhiệt tạo xỉ
.
Nhiệt mất do khí thải : 0,22947991183=589598237kJ.
Nhiêt mất qua tường thể xây lò : 0,172947991183=501158501kJ.


Tông nhiệt ra:
+1545535327kJ++589598237kJ+501158501kJ
=2947991183kJ

Bảng cân bằng nhiệt của lò:
Nhiệt

Thành phần

Ein

Giá trị(kJ)

2475467933

Tổng

2947991183
1572735327

Eout
Ekhíthải
Ethểxây
Tổng

%
83,97
15,66
0,37
100

589598237

53,35
9,65
19,97

501158501
2947991183

17,03
100