Tài liệu Đặc điểm công nghệ gia nhiệt bằng tần số

ĐỀ TÀI: Đặc điểm công nghệ gia nhiệt bằng 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.
Trước kia các ngành công nghiệp chưa được phát triển nhất là ngành luyện kim và chế tạo máy, nên vấn đề chất lượng thép và thép hợp kim chưa được quan tâm đúng mức. Vào thế kỷ 20, nhất là sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, Nền công nghiệp ngày càng phát triển mạnh. Trên thế giới lúc bấy giờ các ngành công nghiệp, nhất là ngành luyện thép và hợp kim, ngành đúc chi tiết, ngành chế tạo máy, ngành điện lực ngành điện tử đang đà phát triển về sản lượng và chất lượng sản phẩm. Do yêu cầu và điều kiện kĩ thuật mới, sắt thép thông thường như trước không thoả măn với các dụng cụ, máy móc, thiết bị tối tân; v́ ở đây đ̣i hỏi chung phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, chống được ăn ṃn hoá học, điện hoá, chống bào ṃn cơ học, chống nóng, chống gỉ do đó đ̣i hỏi phải sản xuất ra các chủng loại thép và hợp kim có những tính năng đặc biệt như độ bền cơ học cao, độ bền chống ăn ṃn trong môi trường axit, nước sông, nước biển, chống mài ṃn do va đập Đặc biệt cần phải sản xuất các loại thép có tính dàn hồi cao, có tính nhiễm từ tốt, có tính chống nhiễm từ cao Do các tính chất đặc biệt nên thép được sản xuất ra từ ḷ thổi không khí, ḷ Besmer, ḷ Mactin(ḷ bằng) không thể đáp ứng được nữa, mà phải nấu luyện trong các loại ḷ điện. Vậy phương pháp luyện thép tṛng ḷ điện là một công nghệ mới và hiện đại. Để luyện thép và hợp kim trong ḷ điện, người ta tận dụng điện năng biến thành nhiệt năng dưới dạng hồ quang, cảm ứng điện từ, điện trở và dạng plasma. Thường sử dụng ḷ điện hồ quang xoay chiều (AC–EAF), ḷ điện hồ quang một chiều (DC – EAF) để sản xuất thép cacbon chất lượng, thép hợp kim thấp, trung b́nh và cao với sản lượng lớn. Để luyện một số mác thép hợp kim chuyên dùng, hoặc thép hợp kim cao Ưt cacbon, người ta sử dụng các loại ḷ điện cảm ứng cao tần, trung tần và tần số công nghiệp. Để nấu lại thép và hợp kim, tinh luyện kim loại và thép đạt chất lượng cao hơn nữa người ta sử dụng ḷ điện xỉ, ḷ điện cảm ứng chân không, ḷ hồ quang chân không, ḷ điện tử chân không sâu, ḷ plasma Để nung nguyên liệu, ferro, các loại vật liệu, các dụng cụ, chi tiết máy người ta sử dụng ḷ điện trở nung trực tiếp hoặc gián tiếp.


b) Đặc điểm chủ yếu của phương pháp ḷ điện luyện thép.
+ Để nấu luyện thép và hợp kim trong ḷ điện người ta sử dụng năng lượng điện biến thành nhiệt năng, do đó tập trung được lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại nhanh đặc biệt là các kim loại khó chảy nh­ volfram, molipden
+ Ở ḷ điện có nhiệt độ cao 1700[SUP]o[/SUP]C nên tạo điều kiện hoà tan các nguyên tố hợp kim nhều trong thép, thoả măn 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 tŕnh oxy hoá và hoàn nguyên kim loại xảy ra nhanh chóng và triệt để.
+ Trong quá tŕnh nấu luyện thép ở ḷ điện, dễ dàng nâng nhiệt độ bề mặt kim loại và đồng thời tiến hành điều chỉnh chính xác thành phần hoá học của thép lỏng và xỉ.
+ Nấu luyện được tất cả các loại thép cacbon cao, thấp có chất lượng tốt, luyện được tất cả các loại thép hợp kim cao hoặc đặc biệt mà đảm bảo cháy hao các hợp kim rất thấp. Đặc biệt luyện được các mác thép có hàm lượng phôtpho và lưu huỳnh rất thấp (P,S <0,02%).
+ Giá thành thép ḷ điện c̣n cao v́ tiêu tốn điện năng và điện cực lớn (điện cực grafit phải nhập ngoại v́ một số nước và nước ta chưa sản xuất được). V́ vậy cần phải áp dụng những biện pháp cải tiến thiết bị và cường hoá quá tŕnh luyện thép trong ḷ điện để nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm:
- Chọn và tính toán hợp lí phế thép, đảm bảo Ưt phôtpho và lưu huỳnh; kích thước vật liệu phải phù hợp vói dung lượng ḷ và phương pháp chất liệu vàp ḷ để đảm bảo vận hành ḷ tốt.
- Sử dụng và khống chế chế độ điện một cách tối ưu trong quá tŕnh nấu luyện thép, đảm bảo thời gian nấu một mẻ thấp nhất, năng suất ḷ (tấn/giờ) cao nhất.
- Áp dụng triệt để các biện pháp cường hoá trong giai đoạn nấu chảy, oxy hoá và hoàn nguyên.
- Áp dụng các công nghệ mới như tạo xỉ đơn, tạo xỉ bọt, thổi oxy nguyên chất, thổi các chất khử với khí trơ vào ḷ để đảm bảo tốc độ phản ứng luyện kim xảy ra nhanh, do đó khử bỏ được các tạp chất và các khí có hại trong thép một cách triệt để.
1.1.2. Cơ sở lư thuyết chung về ḷ cảm ứng không lơi sắt.
Nguyên lư làm việc của ḷ cảm ứng dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ, khi đưa một khối kim loại vào trong một từ trường biến thiên, trong khối kim loại xuất hiện ḍng điện xoáy, nhiệt năng do ḍng điện xoáy đốt nóng khối kim loại.
Theo định luật Joule-Lentz.
Q=0,24.I[SUP]2[/SUP].R.t [cal] (1.1)
Trong đó : I - cường độ ḍng điện qua kim loại, A ;
R - điện trở của kim loại, ;
t - thời gian tác dụng, s ;
Tuy nhiên khi nấu luyện th́ nhiệt độ, thời gian thay đổi nên điện trở của kim loại cũng thay đổi theo nhiệt đé và thời gian. V́ vậy công suất cấp vào ḷ 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 nă sao cho tốt nhất.
Ḷ cảm ứng được cấu tạo dựa trên nguyên lí của một máy biến áp không khí, cuộn cảm ứng được chế tạo bằng ống đồng theo dạng xoắn ốc bọc xung quanh tường ḷ. Cuộn cảm ứng được coi nh­ cuộn sơ cấp. C̣n vật liệu kim loại chứa trong nồi được coinh­ cuộn thứ cấp máy biến áp. Khi ta cho ḍng điện xoay chiều đi qua cuộn cảm ứng th́ sẽ sinh ra từ thông biến thiên. Từ thông qua kim loại sinh ra một sức điện động cảm ứng là E[SUB]2[/SUB]. 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 ḍng điện cảm ứng và năng lượng của ḍng điện cảm ứng sinh ra một lượng nhiệt lớn để nung chảy kim loại. Nh­ vậy khi ḷ làm việc th́ xuất hiện hai sức điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng (E[SUB]1[/SUB]) và trong kim loại (E[SUB]2­[/SUB]­).
Giá trị của E[SUB]1[/SUB] và E­­­­­­­­­­­­[SUB]2 [/SUB]được tính theo công thức sau:
E[SUB]1[/SUB] = 4,44..f.n[SUB]1[/SUB].10[SUP]-8[/SUP] [V].
E[SUB]2[/SUB] = 4,44..f.n[SUB]2[/SUB].10[SUP]-8[/SUP] [V].
Trong đó : - tần số làm việc , Hz.
n[SUB]1 [/SUB]- số ṿng của cuộn cảm ứng ( sơ cấp ).
n[SUB]2[/SUB] - số ṿng cuộn thứ cấp ( kim loại coi là một khối đồng nhất nên có n[SUB]2 [/SUB]= 1).
Do giữa cuộn cảm ứng và kim loại chứa trong ḷ bị ngăn cách bởi độ dày của nồi ḷ (bằng vật liệu chịu lửa) và các ṿng 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[SUB]1 [/SUB]> E[SUB]2[/SUB]. V́ vậy cần phải cấp vào một lượng điện lớn để tạo ra E[SUB]1[/SUB] cao phù hợp với dung lượng ḷ và đồng thời tạo ra E[SUB]2[/SUB] đủ lớn để làm nóng chảy kim loại trong ḷ. Khi kim loại bị cảm ứng th́ 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 ḍng điện ngược chiều với ḍng Foucault ().
Ta có: , do đó I[SUB]2[/SUB] = I[SUB]1[/SUB]. n[SUB]1[/SUB]
Vậy ḍng điện I[SUB]2 [/SUB]phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện và phụ thuộc vào số ṿng của cuộn cảm ứng.
Khi đưa một ḍng điện xoay chiều vào cuộn cảm ứng th́ lập tức trong kim loại sinh ra một ḍng điện I[SUB]2[/SUB] (phucô). Ḍng điện I[SUB]2[/SUB] này lớn gấp n[SUB]1[/SUB] lần so với I[SUB]1[/SUB], nghĩa là khi I[SUB]1 [/SUB]= const và tăng số ṿng cuộn cảm ứng thi ḍng I[SUB]2 [/SUB] tăng cao.
Nhờ có ḍng điện phu cô (I[SUB]2[/SUB]) tạo ra một lượng nhiệt lớn để nấu chảy kim loại.
Năng lượng điện cung cấp để nấu chảy kim loại được tính theo công thức:
w = I[SUB]2[/SUB][SUP]2[/SUP].2.d.h. , W (1.2)
w = (I[SUB]1[/SUB].n[SUB]1[/SUB]) [SUP]2[/SUP].2.d.h. , W .
trong đó : I[SUB]1[/SUB].n[SUB]1[/SUB] - gọi là ampe ṿng, A.mm ;
d - đường kính nồi ḷ chứa kim loại, mm ;
h - chiều cao nồi ḷ , mm ;
- điện trở suất của kim loại, mm[SUP]2[/SUP]/m ;
- hệ số từ thẩm của kim loại ;
f - tần số làm việc, Hz.
Qua công thức trên, chóng ta thấy lượng nhiệt cung cấp cho ḷ nấu luyện thép tỉ lệ thuận với b́nh phương ampe ṿng.Nh­ vậy lượng nhiệt này phụ thuộc vào số ṿng của cuộn sơ cấp (n[SUB]1[/SUB]) và cường độ ḍng điện cảm ứng (I[SUB]1[/SUB]). Mỗi một loại ḷ cảm ứng đều có mạch điện riêng để đảm bảo cung cấp ḍng điện I[SUB]1[/SUB] và tần số làm việc ở mức tối thiểu.
f[SUB]min [/SUB] 2,5.10[SUP]9[/SUP], Hz (1.3)
trong đó : - điện trở suất của liệu, mm[SUP]2[/SUP]/m ;
d - đường kính ḷ 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 của kim loại.
- Cường độ từ trường H : W[SUB]nhiệt [/SUB] H[SUP]2[/SUP] I[SUP]2[/SUP].
Trị sè ḍng điện của nguồn cấp. NƠu tăng trị số ḍng điện lên hai lần th́ nhiệt năng tăng lên bốn lần.
- Tần số ḍng điện của nguồn cấp. Nếu tăng tần số ḍng điện lên bốn lần th́ nhiệt năng tăng lên hai lần.
Từ đó ta thấy : tăng ḍng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tăng tần số của nguồn cấp, nhưng thực tế trị sè ḍng không thể tăng lên được măi v́ lƯ do cách điện, trị số ḍng điện lớn sẽ làm nóng chảy ṿng cảm ứng (mặc dù đă được làm mát bằng ḍng nước liên tục) cho nên thực tế người 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 phương pháp sau:
- Dùng máy phát điện đặc biệt tần số cao do hạn chế về kích thước và số ṿng quay nên giải tần số của máy phát không vượt quá f=10 kHz. Hiệu suất của các máy này có thể đạt cỡ = 7080%. Do máy phát này được chế tạo với tần số, công suất, điện áp nhất định nên khi cần gia nhiệt với điện áp khác thấp hơn, thường cần có biến áp để phối hợp các tham số giữa nguồn và phụ tải.
- Dùng bộ biến tần dùng tiristo do công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa chế tạo được các loại tiristo tần số cao, nên tần số că giới hạn tới f=2000Hz. Sử dụng tốt ở các ḷ 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.
Có thể truyền năng lượng 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 trường 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 ḍng cao tần. Vật cần tôi có thể có h́nh dạng bất ḱ.
- Tăng được năng suất lao động, giảm được lao động mệt nhọc.
1.1.5. Phạm vi ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số.
- Nấu chảy kim loại trong môi trường không khí, khí trơ, chân không.
- Nung phôi để rèn, dập, Đp.
- Tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí.
- Thực hiện các nguyên công nhiệt luyện nh­ tôi, ram thường 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. H́nh dáng chi tiết cần tôi có thể có h́nh dáng bất ḱ (h́nh vẽ).
- Do hiệu ứng bề mặt ngoài của ḍng cao tần, bề mặt ngoài cua chi tiết được nung nóng trong thời gian một vài giây, trong khi đó trong ḷng của chi tiết chưa kịp nung nóng.
- Hàn đường ống trong công nghiệp chế tạo ống nước tráng kẽm.
1.1.6. Phân loại các thiết bị gia nhiệt tần số.
a) Theo tần sè làm việc có:
- Thiết bị tần số công nghiệp lấy điện từ lưới hoặc qua máy biến áp: f = 50 Hz.
- Thiết bị trung tần với tần số làm việc từ 500 10.000 Hz. Thiết bị này thường 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, thường 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
- Ḷ cảm ứng có lơi thép: Thường là ḷ có tần số công nghiệp được cấp nguồn từ biến áp động lực có công suất từ 75 đến 1000kVA.
- Ḷ cảm ứng không lơi thép kiểu hở và kiểu kín dùng nấu chảy thép chất lượng cao, gang, kim loại màu và hợp kim.

H́nh 1.1: Ḷ nấu chảy cảm ứng.
+ Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán. Phôi càng lớn th́ tần số làm việc càng nhỏ.
+ Thiết bị tôi bề mặt thường làm việc ở tần số cao. Lớp tôi càng mỏng th́ 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 L̉ CẢM ỨNG KHÔNG LƠI SẮT.
1.2.1. Mức độ cảm ứng.
Mức độ cảm ứng của khối liệu kim loại chứa trong ḷ khác nhau, phụ thuộc vào từng vùng, tính chất của liệu và tần số làm việc. Mật độ ḍng điện cảm ứng phân bố trong ḷ không đều. Kim loại sát tường ḷ, gần cuộn cảm ứng th́ có mật độ điện lớn nhất và giảm dần theo chiều hướng vào tâm ḷ, tức là liệu được chảy nhanh nhất ở sát tường ḷ, c̣n ở giữa ḷ là chảy chậm. Để xác định đại lượng mật độ ḍng ở kim loại tại một điểm bất ḱ trong nồi ḷ ta có công thức sau :
(1.4).
Trong đó : - tương ứng là mật độ ḍng tại hoành độ z và O ;
- độ từ thẩm trong môi trường chân không ;
- độ từ thẩm của kim loại trong ḷ ;
- điện trở suất của kim loại, mm[SUP]2[/SUP]/m ;
f - tần số làm việc, Hz .
Trong quá tŕnh nấu luyện thép khi tăng nhiệt độ th́ độ sâu thấm từ tăng (dưới điểm quyri t 780[SUP]o[/SUP]C). Trên thực tế sản xuất thường cho ḷ đạt nhiệt độ cao rồi mới chất vật liệu cục to vào ḷ, đặc biệt nên chất vật liệu kim loại sát thành ḷ hết sức khít chặt, c̣n ở giữa ḷ chất vừa đảm bảo vật liệu được nung đỏ và nấu chảy đều, nhanh. Sau mỗi mẻ thép cần để lại Ưt thép lỏng trong ḷ để kích thích độ dẫn từ cho phép). Khi vật liệu kim loại c̣n ở trạng thái rắn th́ giá trị công suất nhiệt tỏa ra trong vật liệu phụ thuộc vào kích thước cục vật liệu ban đầu.
Theo G.T.Badata th́ giá trị công toả nhiệt ra trong liệu đạt được cực đại khi kích thước liệu là :
d[SUB]1[/SUB] = 3,5.b , mm
trong đó : d[SUB]1[/SUB] - đường kính cục vật liệu, mm;
b - độ sâu thấm từ, mm.
b = , mm (1.5)

H́nh 1.2: Phân bố tương đối của mật độ ḍng điện và công suất .
1.2.2. Công suất điện.
Tận dụng công suất điện có lợi rất thấp cho quá tŕnh nấu, do đó cần phải nối mạch vào tải hệ thống tụ điện bù cos.
Do cấu tạo ḷ và cuộn cảm ứng nồi ḷ có độ dày bằng vật liệu chịu lửa ngăn cách ḷ với cuộn cảm ứng, c̣n cuộn cảm ứng có nhiều ṿng, ṿng nọ cách ṿng kia 23 mm nên tạo ra nhiều khe hở, dẫn tới từ thông biến thiên bị ṛ ra không khí, mất bớt năng lượng điện cảm ứng ở trong ḷ do đó hệ số tận dụng công suất điện rất thấp:
- Tần số 50Hz th́ cos = 0,100,12.
- Tần số 500Hz 3000Hz, cos = 0,200,22.
- Tần số 4000Hz 10.000Hz, cos = 0,250,28.
1.2.3. Hệ thống tụ điện bù.
Với đại lượng cos thấp nh­ vậy không thể đủ năng lượng nhiệt cung cấp cho việc nấu chảy kim loại, v́ vậy người ta mắc hệ thống tụ điện bù hoặc nối tiếp hoặc song song, hoặc hỗn hợp với cuộn cảm ứng ḷ.
a) Mắc nối tiếp với cuộn cảm ứng ḷ th́ cho ta chế độ cộng hưởng điện áp.