Tp chớ Khoa hc v Phỏt trin 2008: Tp VI, S 5: 444-450 I HC NễNG NGHIP H NI 444 TíNH TOáN V THIếT Kế Lò THấM NITƠ KIểU ĐIệN TRở Cỡ TRUNG Computation and Designing of Medium-sized Electric Furnace for Gas Nitriding o Quang K 1 , Hong Minh Thun 2 , Nguyn Vn Bn 2 1 Khoa C - in, Trng i hc Nụng nghip H Ni 2 Trng Cao ng Cụng nghip v Xõy dng Uụng Bớ - Qung Ninh TểM TT Cỏc tỏc gi ó tin hnh tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung s dng trong phũng thớ nghim phc v cho nghiờn cu, ging dy v sn xut nh. Lũ thm c thit k l kiu lũ ging cú mỳp lũ vi kt cu v hỡnh dỏng hp lý giỳp cho nhit trong khụng gian mỳp lũ ng u. Lũ c ch to cú cụng sut tiờu th 8,5 kW. Nhit trong lũ t c 700 0 C. T khúa: B mt, ch to, húa nhit luyn, lũ thm c trung, thm nit th khớ, thit k. SUMMARY The authors have performed computation and designing of a medium-sized electric furnace for gas nitriding which is used in laboratories for researches, training and small scale production. This furnace is of a shaft type and has muffle with rational construction structure and shape that can maintain homogenous temperature in it. The manufactured furnace consumes 8.5 kW and the temperature in the furnace reaches 700 0 C. Key words: Design, gas nitriding, manufacture, medium-sized electric furnace. 1. ĐặT VấN đề Chất lợng của chi tiết máy với những đặc tính nh: khả năng chịu mi mòn, độ cứng, khả năng lm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, tính chống gỉ, có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ v độ tin cậy của chúng. Các chi tiết máy bị h hỏng bắt đầu từ việc phá huỷ bề mặt ngoi. Công nghệ xử lý bề mặt l một trong những công nghệ cơ bản đợc áp dụng rộng rãi trong việc chế tạo các sản phẩm từ phôi kim loại. Nó lm tăng độ bền, bảo vệ chống ăn mòn, lm tăng vẻ đẹp v giá trị thơng phẩm cho sản phẩm hon thiện trớc khi xuất xởng (Butrkov, Toshkov, 1985; Đo Quang Kế, Hong Minh Thuận, 2005). Thấm nitơ l phơng pháp khuếch tán nitơ vo bề mặt chi tiết lm tăng độ cứng v tăng tính chịu mi mòn, tạo nên lớp ứng suất nén d đáng kể ở bề mặt lm tăng mạnh giới hạn mỏi của chi tiết; thép thấm nitơ còn có bề mặt bóng mờ, chống ăn mòn tốt trong khí quyển v có thể dùng để lm đồ trang sức (Butrkov, Toshkov, 1985; Lakhtin, Leonchieva, 1990). Hiện nay, trong điều kiện đất nớc ta đã gia nhập WTO, sản phẩm cơ khí của các cơ sở phải đủ sức cạnh tranh với các sản phẩm nhập ngoại cả về chất lợng v giá cả; trong khi các cơ sở sản xuất đều l các xi nghiệp vừa v nhỏ. Các xí nghiệp ny vừa thiếu vốn để mua sắm thiết bị đắt tiền, vừa thiếu các kỹ thuật viên để sử dụng các thiết bị hiện đại. Từ những yêu cầu thực tế cấp bách trên, nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế lò thấm nitơ thể khí kiểu điện trở cỡ trung bình phục vụ cho công tác nghiên cứu cũng nh phục vụ sản xuất với quy mô nhỏ. Bi báo ny trình by các kết quả nghiên cứu nói trên. Tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung 445 2. VậT LIệU V PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU 2.1. Vật liệu nghiên cứu Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu l dây điện trở, vật liệu chế tạo thân lò, hệ thống cung cấp v dẫn khí, thiết bị đo lờng v kiểm tra điện áp, dòng điện, nhiệt độ, van giảm áp. 2.2. Phơng pháp nghiên cứu Dựa trên lý thuyết về truyền nhiệt v dòng khí kết hợp tính toán, thiết kế lm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm chế tạo lò thấm. Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi chọn phơng án thiết kế lò thấm kiểu lò giếng có múp lò. 3. KếT QUả NGHIÊN CứU 3.1. Hình dáng v kết cấu lò thấm Lò thấm kiểu lò giếng có múp lò có hình dạng của buồng lò v múp lò thuận lợi cho việc xếp các điện trở để nung nóng, nhiệt độ trong không gian của múp lò đồng đều hơn, thuận lợi cho việc khuấy nhiệt trong không gian lò (Hong Nghĩa Thanh, 1982; Phạm Văn Trí & cs, 2003). Mặt khác, với hình dạng buồng lò v múp lò có thể tiết kiệm đợc vật liệu chế tạo lò. Để đơn giản việc chế tạo v giảm giá thnh lò, chúng tôi chọn phơng án nắp lò bố trí ở phía trên thân lò. Nắp lò đợc đóng kín khi lò vận hnh bằng chính trọng lợng của bản thân nó. Múp lò, đặt ở phía trong buồng lò - l bộ phận lm việc trong điều kiện nhiệt độ cao v trực tiếp tiếp xúc với hóa chất. Vật liệu chế tạo múp lò phải đảm bảo khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu hóa chất. Vật liệu chế tạo múp lò l thép hợp kim 20Cr11Ni, dầy 5 mm. Khi lò lm việc, múp lò phải đợc đóng kín bằng nắp múp lò để chống lọt khí amôniắc (NH 3 ) ra ngoi lm hao tổn khí v ô nhiễm môi trờng. Để lm kín khí, giữa nắp múp v múp lò có đệm bằng bìa amiăng, silicon v đợc lm chặt bằng các bulông. Để lm gọn nhẹ cho kết cấu của lò, đơn giản trong sử dụng v bảo dỡng sửa chữa, chúng tôi thiết kế lò không sử dụng quạt gió. Việc khuấy nhiệt v tăng cờng chảy rối của dòng khí đợc đảm bảo do việc bố trí đờng ống dẫn khí vo, tận dụng tốc độ của dòng khí ở miệng ống. Đờng dẫn khí vo lò lắp ở đáy lò. Khí amôniắc đợc dẫn vo trong múp lò bằng ba đờng ống đặt cách đều nhau 120 0 , sát thnh của múp lò, để tăng cờng sự chảy rối của dòng khí v lm nhiệm vụ khuấy đều nhiệt độ trong múp lò. Khí trớc khi đi vo trong múp lò đợc sấy nóng ngay trong đờng ống. Điện trở dùng để đốt nóng lò, đợc sắp xếp phía trong của buồng lò ở phần đáy v tờng lò. Do nhiệt độ của lò khi lm việc thấp hơn 700 0 C, nhiệt độ vỏ ngoi lò chọn 70 0 C, nên thiết kế vỏ lò chỉ có một lớp cách nhiệt, vừa lm nhiệm vụ chịu nhiệt, vừa lm nhiệm vụ cách nhiệt. Lớp cách nhiệt lm bằng bông mác 200. Vỏ ngoi lò chế tạo bằng thép lá, dy 3 mm. Để đo nhiệt độ trong lò thấm, sử dụng can nhiệt. 3.2. Cân bằng nhiệt lò Nhiệt lợng cung cấp cho lò lm việc phải lớn hơn tổng nhiệt lợng cung cấp cho các khoản thu nhiệt (gồm để nung vật phẩm v các khoản hao tổn nhiệt khác). Sự cân bằng nhiệt của lò thấm dạng hình trụ v có múp lò: Qlo = Qthu = 1,016Qchi = 1,016(Qc .ich + Qton that ) = 1,016(Qc .ich + Qxl + Qbx + Qlam nguoi + Qphu + Qngan mach +) Công suất danh định cho lò xác định bằng công thức: Qdđ = k.Qlo. o Quang K, Hong Minh Thun, Nguyn Vn Bn 446 Trong đó, k l hệ số dự trữ, k = 1,2 ữ 1,3 đối với lò lm việc liên tục v k = 1,4 ữ 1,5 đối với lò lm việc chu kỳ. Hệ số dự trữ đợc đa vo để duy trì nhiệt độ trong lò cần thiết khi giảm hiệu điện thế của lới điện. Sau khi lựa chọn v tính toán, các kết quả đợc thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Kết quả lựa chọn v tính toán Stt Cỏc thụng s n v tớnh Kt qu tớnh toỏn 1 Cỏc s liu ban u: - ng kớnh mỳp lũ thm, d 1 mm 318 - ng kớnh v lũ, d 2 mm 542 - Thi gian nung, gi 8 - Nhit ban u, t 0 C 20 - Nhit cui quỏ trỡnh nung, t 0 C 700 - Nhit khụng khớ xung quanh lũ, t kk 0 C 40 - Khi lng ca vt nung kg 40 - H s khụng chớnh xỏc khi lp rỏp, ch to % 2 - Khi lng c cu kim loi, G m kg 10 2 Cỏc khon chi phớ nhit: - Nhit lng cú ớch nung vt phm, Q cú ớch W 3650 - Nhit lng tn tht qua cỏc th xõy lũ, Q xl W 126 - Nhit lng hao tn do bc x qua ca v khe h, Q bx W 1635 - Nhit lng tn tht do nung núng c cu kim loi vt nung, Q dv W 60 - Nhit lng tn tht do v lũ gi nhit, Q ngh W 0,5 3 Cỏc khon nhit c cung cp: - Cụng sut danh nh cho lũ, Q d W 8336 3.3. Tính toán dây điện trở trong lò 3.3.1. Vật liệu chế tạo dây điện trở Yêu cầu của dây điện trở: Khả năng chịu nóng tốt, không bị ôxy hoá trong môi trờng không khí ở nhiệt độ cao; Bền nóng cao, bền cơ học tốt; Điện trở suất lớn; Hệ số nhiệt điện trở nhỏ; Các kích thớc phải ổn định; Các tính chất điện phải cố định; Dễ gia công: kéo dây, dễ hn, đối với vật liệu phi kim loại cần ép khuôn đợc. Để đảm bảo yêu cầu chung của việc thiết kế v chế tạo, dây điện trở dùng để chế tạo lò thấm phải đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, dễ lắp đặt, dễ bảo dỡng v sửa chữa, vì thế chúng tôi chọn dây hợp kim crôm - nhôm. 3.3.2. Cấu trúc v việc bố trí dây điện trở trong lò Trong các lò điện trở, dây điện trở thờng có tiết diện tròn hoặc tiết diện hình chữ nhật. Từ hai loại dây ny ngời ta cấu trúc thnh các kiểu khác nhau: Dây điện trở có cấu trúc xoắn (xoắn trụ v xoắn phẳng); Dây điện trở có cấu trúc zíc zắc; Dây điện trở có tiết diện chữ nhật, cấu trúc zíc zắc. Chọn cách bố trí dây điện trở sao cho lợng nhiệt phát ra l lớn nhất v dòng nhiệt phát ra phải ổn định. Có nhiều cách bố trí dây điện trở v tuỳ theo kết cấu của lò để chọn cách bố trí hợp lý. Điện trở thờng đợc bố trí ở mặt trong của tờng lò v đáy lò. xq P F W = , W/cm 2 Trong đó: W - công suất bề mặt riêng của dây điện trở thực, W/cm 2 ; P - công suất của dây điện trở, W; Fxq - bề mặt xung quanh dây điện trở, cm 2 , W = Wlt. c . . p . hp , W/cm 2 Wlt - công suất bề mặt riêng của dây điện trở lý tởng, W/cm 2 c - hệ số xét đến ảnh hởng của hệ số bức xạ quy dẫn Cqd. Tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung 447 Khi Cqd = 3,3 kCal/m 2 .h.K 4 , thì c = 1 p - hệ số xét tới sự ảnh hởng của kích thớc vật nung. Giá trị p phụ thuộc vo tỷ số bề mặt tính toán của vật nung (Fv) v bề mặt của tờng lò ở đó có bố trí dây điện trở, giá trị của (Fv) tính theo hình 1. Fv - bề mặt trao đổi nhiệt của vật nung, m 2 ; Ft - bề mặt tờng lò trên đó có bố trí dây điện trở, m 2 ; Từ bảng 2, hp = 0,68 (chọn dây tròn kiểu zíczắc). 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 p Fv Ft Hình 1. Hệ số kích thớc vật nung p phụ thuộc vo tỷ số Fv/Ft Bảng 2. Giá trị hệ số hp Kiu dõy in tr Khong cỏch vớt nh nht hp Dõy trũn kiu zớczc e/d = 2,75 0,68 Dõy tit din ch nht kiu zich dc e/d = 0,9 0,40 Dõy xon trờn ng gm t/d = 2 0,32 Dõy xon t trờn giỏ t/d = 2 0,32 Dõy xon t trờn mỏi ua t/d = 2 0,22 Dõy t dng thi t/d = 2,75 0,68 - hệ số xét tới ảnh hởng của cấu trúc dây điện trở, cụ thể l xét tới ảnh hởng của bớc xoắn (Hình 2). d e 5 432 1 6 7 1,2 1 0,8 0,6 0,4 1,4 e d Hình 2. Hệ số phụ thuộc e/d (dây tròn kiểu zíczắc) o Quang K, Hong Minh Thun, Nguyn Vn Bn 448 Dây điện trở đợc bọc ngoi bằng ống gốm cách điện v đợc bố trí phía trong của tờng lò. Cần bố trí đều mặt ngoi xung quanh múp lò v diện tích phần đáy lò. 3.3.3. Tính toán dây v kiểm tra điện trở Kết quả tính toán: - Công suất bề mặt riêng của dây điện trở lý tởng: Wlt 1,65 W/cm 2 - Công suất riêng của dây điện trở: W = 0,84 W/cm 2 - Công suất điện trở theo yêu cầu của lò: P = Qdđ = 8336 W = 8,336 kW. Với công suất thiết kế của lò nhỏ hơn 15 (kW), nên mạch điện mắc cho lò l mạch điện xoay chiều một pha (Hong Kim Cơ, 2001); Hiệu điện thế của mạch điện của lò: U = 220 V; Dây điện trở của lò đợc chia lm 3 đoạn bằng nhau, đấu song song; Nhiệt độ cao nhất của lò theo yêu cầu thiết kế: tv (max) = 700 0 C; Chọn cách bố trí vật nung ở trong buồng lò hợp lý v lắp điện trở; Lò lm việc ở chế độ không liên tục. Vật liệu chế tạo dây điện trở l hợp kim crôm - nhôm (X134); điện trở suất ở 0 oC l 0 = 1,26 .mm 2 /m; hệ số nhiệt điện trở = 0,15.10 -3 . Đờng kính của dây: d = 2mm. Công suất một nhánh dây diện trở: Qnh= Qđd/3 = 8336/3 = 2779 W Điện trở suất của dây: t = 1,365 .mm 2 /m Chiều di dây: L 40 m Dây điện trở chọn kiểu quấn xoắn tròn, đờng kính vòng xoắn = 12 mm. Chiều di của một đoạn dây xoắn đợc tính nh sau: Số vòng xoắn n = L/. = 40000/3,14.12 = 1061 vòng; Chiều di của dây xoắn: Lx = n.(t + d) = 1061.2 = 2122 mm Chọn chiều di dây 3,0 m. Công suất bề mặt riêng thực tế của dây: Wthực = 0,37 W/cm 2 Wthực < W = 0,84 W/cm 2 Vậy dây điện trở đợc chọn ở trên đạt yêu cầu về công suất bề mặt riêng so với thiết kế của lò. 3.4. Tính toán, thiết kế đờng ống dẫn khí 3.4.1. Tính toán đờng ống dẫn khí Hệ thống dẫn khí từ bình khí NH 3 vo lò đợc tính toán thiết kế sao cho dòng khí vo trong lò để đảm bảo tốt cho quá trình thấm. Lu lợng của dòng khí amôniăc đảm bảo cho việc thấm nitơ khoảng từ 200 m 3 /h đến 500 m 3 /h. Vì vậy trong tính toán ta lấy lu lợng l 500 m 3 /h. Chọn đờng kính ống dẫn khí từ bình ra l d = 12 mm. Lu lợng dòng khí tại miệng ống nạp vo múp lò: Q = 0,000014 m 3 /h. Vận tốc dòng khí: v = 0,2 m/s. Với vận tốc của dòng khí nạp nh trên, dòng khí chảy trong múp lò sẽ đập vo vách của múp lò, tạo ra chảy rối cỡng bức v khuấy nhiệt trong múp lò. Chọn đờng kính của ống dẫn khí ra bằng đờng kính của đờng dẫn khí vo. Từ dòng khí chính ta dẫn thnh ba dòng khí rẽ để đi vo trong lò nhằm tạo ra dòng xoáy khí trong lò v tăng cờng cho sự chảy rối dòng khí trong lò. Khi đó ta có: Lu lợng qua từng nhánh: Q 1 = Q 2 = Q 3 = Q/3 = 0,57.10 4 m 3 /s Đờng kính nhánh: d 1 = d 2 = d 3 = 1 4Q v 3,6 mm Vật liệu chế tạo ống l thép hợp kim 20Cr11Ni có độ dy 1 mm. 3.4.2. Cách bố trí đờng ống dẫn khí trong lò Tớnh toỏn v thit k lũ thm nit kiu in tr c trung 449 Hình 3. Sơ đồ nguyên lý dòng khí chảy trong mặt cắt ngang của múp lò Đờng ống nạp khí đợc thiết kế nh hình 3. Với cách bố trí nh vậy, thì dòng khí vo lò tạo ra xoáy, khả năng điền đầy khí vo lò nhanh hơn, tăng cờng chảy rối của dòng khí trong lò, đảm bảo đợc quá trình thấm diễn ra nhanh hơn v đạt chất lơng thấm cao. Dòng khí nạp cho lò đợc điều chỉnh áp suất bằng van điều chỉnh áp suất v theo dõi bằng đồng hồ đo áp suất (hình 4). Hình 4. Sơ đồ lu thông dòng khí trong hệ thống lò thấm Dòng khí vo lò sẽ đi từ dới lên trên tức l đợc dẫn từ phía đáy lò, sau khi lm việc khí xả sẽ đợc thoát ra khỏi lò theo đờng ống thoát. Miệng ống thoát đợc ngập trong bể nớc, nhằm hòa tan lợng khí NH 3 còn d. Miệng bể nớc đợc lm kín, khí xả đợc thoát ra theo đờng ống gắn phía trên nắp bể v đợc dẫn tới bầu lọc than hoạt tính để lọc mùi v khí độc trớc khi thải ra môi trờng. 3.5. Điều chỉnh lu lợng khí cung cấp cho lò Điều chỉnh lu lợng dòng khí amôniắc NH 3 cung cấp cho lò thấm l việc rất quan trọng. Nó ảnh hởng rất lớn đến chất lợng của quá trình thấm. Trong quy trình thấm nitơ thể khí, khi nhiệt độ lò đạt khoảng 300 0 C thì bắt đầu cung cấp khí amôniắc vo trong múp lò với lu lợng khoảng 200 l/h. Khi nhiệt độ trong lò đạt tới nhiệt độ thấm, cần điều chỉnh lu lợng khí cung cấp khoảng 400 l/h. Khi chuẩn bị ngừng thấm, tắt nguồn cung cấp nhiệt, nhiệt độ của lò giảm dần, tiếp tục cung cấp khí với lu lợng khoảng 200 l/h v giữ lu lợng đó cho tới khi nhiệt độ trong lò xuống tới 300 0 C thì ngừng cung cấp khí. Nếu coi vận tốc dòng khí vo ổn định trong quá trình dẫn khí, khi vận hnh lò, Dũng khớ V mỳp lũ Bỡnh khớ NH 3 Van iu chnh v ng h o ỏp sut Lũ thm B nc Bu lc than hot tớnh Mụi trng o Quang K, Hong Minh Thun, Nguyn Vn Bn 450 lu lợng khí lu thông qua lò không lớn so với đờng kính của múp lò, một đầu của ống xả khí đợc nhúng vo bể nớc. Coi áp suất trong múp lò bằng áp suất khí quyển; tổn thất năng lợng của dòng khí trong hệ thống l không đáng kể. áp suất đo đợc tại đầu ống nạp khí sẽ l độ chênh lệch giữa mặt cắt ngang của đờng ống v mặt cắt ngang của múp lò. Lu lợng khí vo múp lò l 200 l/h: h = 0,14 mH 2 O Lu lợng khí vo múp lò l 400 l/h: h = 0,28 mH 2 O Nh vậy, khi cần thay đổi lu lợng dòng khí amôniắc nạp vo trong múp lò, ta chỉ cần điều chỉnh van điều chỉnh áp suất đầu ra của bình khí. 3.6. Chế tạo lò thấm Việc chế tạo lò thấm chủ yếu l chế tạo thiết bị tạo nhiệt v múp lò, ống dẫn khí vo v ra. Các bộ phận trong lò liên kết với nhau bằng các khớp nối đảm bảo kín khít. Lò sau khi chế tạo, đợc đem thử nghiệm v đánh giá. Một số đặc điểm v thông số cơ bản của lò nh sau: - Điện áp đầu vo: 220 V; - Điện áp đầu ra: 220 V; - Dải nhiệt độ điều chỉnh đợc: 100 ữ 1100 0 C; - Hệ thống hon ton đóng ngắt điện tự động thông qua các chế độ đã định. - Công suất tiêu thụ: 8,5 kW; - Nhiệt độ đạt đợc: 700 0 C; - Đờng kính trong = 300mm; - Chiều cao có ích h: = 400 mm; - Trọng lợng: 40 kg. 4. KếT LUậN Đã nghiên cứu, thiết kế v chế tạo thnh công lò thấm nitơ thể khí cỡ trung bình dùng trong phòng thí nghiệm v sử dụng trong sản xuất quy mô nhỏ. Đặc tính kĩ thuật của lò sau khi chế tạo, qua khảo nghiệm v đánh giá đã đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Lò thấm lm việc ổn định với các chế độ công nghệ khác nhau. Lời cảm ơn Xin chân thnh cảm ơn Vụ Khoa học v Công nghệ - Bộ Giáo dục v Đo tạo v Trờng Đại học Nông nghiệp H Nội đã hỗ trợ kinh phí để các tác giả có thể hon thnh đề ti B2006-11-32 v bi báo ny. TI LIệU THAM KHảO Hong Kim Cơ, Đỗ Ngân Thanh, Dơng Đức Hồng (2001). Tính toán kỹ thuật nhiệt luyện kim, NXB Giáo dục, H Nội. Đo Quang Kế, Hong Minh Thuận (2005). Nghiên cứu thấm Nitơ nâng cao chất lợng bề mặt một số vật liệu cơ khí. Tạp chí Nông nghiệp v Phát triển nông thôn, số 3+4, tr. 57-59. Hong Nghĩa Thanh (1982). Hỏi đáp về thiết bị nhiệt luyện, NXB Khoa học v Kỹ thuật, H Nội. Phạm Văn Trí, Dơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cần (2003). Lò công nghiệp, NXB Khoa học v Kỹ thuật, H Nội. ., . (1985). , . , . , (1990), , . , . http://www.en.wikipedia.org/wiki/Plasma_nitri ding. . lò thấm kiểu lò giếng có múp lò. 3. KếT QUả NGHIÊN CứU 3.1. Hình dáng v kết cấu lò thấm Lò thấm kiểu lò giếng có múp lò có hình dạng của buồng lò. 2008: Tp VI, S 5: 444-450 I HC NễNG NGHIP H NI 444 TíNH TOáN V THIếT Kế Lò THấM NITƠ KIểU ĐIệN TRở Cỡ TRUNG Computation and Designing of Medium-sized