Lò công nghiệp

điện tăng. 6 – Độ cứng và độ bền cơ học. Đây là những khả năng mà vật liệu có thể chống lại sự xâm nhập cơ học của vật liệu khác và chống lại sự phá hủy do ứng suất sinh ra trong vật liệu khi có tác động của tải trọng bên ngoài. 7 – Độ bền hóa học. Là khả năng vật liệu chống lại tác động hóa học của môi trường xung quanh. Trong lò công nghiệp thường có tác động hóa học của khí lò, kim loại lỏng, xỉ lỏng…Dưới móng lò còn có tác động của muối hòa tan trong nước ngầm. 8 – Nhiệt dung riêng (C). Khi xác định nhiệt lượng cung cấp cho thể xây lò cần phải tính đến nhiệt dung riêng của vật liệu. Đại lượng này phụ thuộc vào tính chất và nhiệt độ của vật liệu; thường được tính theo công thức: C = a + b.t, kj/kg.độ a, b – Các hệ số thực nghiệm t – Nhiệt độ của vật liệu, 0C 4.1.2. LỰA CHỌN VẬT LIỆU XÂY LÒ Trong quá trình làm việc, các thể xây bằng gạch chịu lửa bị phá hủy dần do nhiệt độ cao, dao động nhiệt lớn và do tác động hóa học của môi trường lò, xỉ và kim loại lỏng. Vì thế, vật phẩm thể xây có thể bị biến dạng dưới tải trọng, dãn hay co do biến đổi thù hình, do hòa tan trong xỉ, các vết nút sinh ra…Khi thấy các dấu hiệu phá hủy vật liệu xây lò, bằng kinh nghiệm và qua việc phân tích người ta có thế xác định được nguyên nhân gây ra. Thí dụ: bề mặt phẳng lỳ của vật liệu chứng tỏ nó đã bị hòa tan trong xỉ; khi bề mặt gồ ghề là nó bị môi trường khi ăn mòn; sự phồng to một phần nào đó chứng tỏ có sự giãn nỡ nhiệt… Để chọn lựa đúng các vật liệu xây lò, cần phải nghiên cứu các điều kiện làm việc và các tính chất sử dụng chúng. Ở những lò tiếp xúc với môi trường kiềm hay axit thì cần chọn loại gạch cũng có các tính chất tương ứng: môi trường kiềm thì dùng gạch manhedit, đôlômit; môi trường axit – gạch đimat; môi trường ung tính – gạch samôt. Ở những khu vực lò chịu tác động của tải trọng hay mài mòn thì cần dùng gạch chịu lửa có nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng lớn. Khi thể xây chịu tác động của nhiều yếu tố như: nhiệt độ cao, môi trường, tải trọng thì cần phân tích mức độ gây tác hại của từng yếu tố để quyết định chọn loại gạch thích hợp bảo đảm cho thể xây làm việc bền và chắc chắn. Cần nhớ rằng, tác nhân quan trọng nhất đối với vật liệu xây lò vẫn là nhiệt độ. Độ chịu lửa của vật liệu xây lò phải lớn hơn nhiệt độ lò. Đối với các lò có những vùng làm việc ở nhiệt độ khác nhau, phải lựa chọn vật liệu xây dựng có nhiệt độ thích hợp theo các vùng đó. Bảng 4-1. Đặc trưng sử dụng của một số loại vật liệu xây lò Các loại lò Vật liệu xây lò Nguyễn nhân phá hủy áo lò Phần bị ăn mòn mạnh nhất Lò cao Mulit-silic, mulit Ăn mòn, mài mòn Vùng mắt gió, cửa thao ngang, mắng tháo ngang Lò Mac-tanh Vật liệu cacbon, graphit, cromit-perca… Áp suất cao, quá nhiệt mạnh, ăn mòn Nồi lò, đáy lò, vòm lò, tường lò, hố xỉ Lò thổi oxy Đolomit, cromit-perica Ăn mòn, biến mềm Hố xỉ, cửa tháo thép Lò luyện cốc Đinat Mài mòn, nứt nẻ Buồng cốc hóa, các cửa Lò điện nấu luyện Đinat, cromit-perica Ăn mòn, nứt nẻ Vòm lò, hố xỉ Lò giếng nung kim loại Mulit-silic, đinat, cromit-perica Nứt ne, ăn mòn Nóc lò, vùng mỏ đất, đáy lò 4.2.CÁC THỂ XÂY CỦA LÒ 4.2.1. CÁC CẤP XÂY LÒ Thể xây của lò là tập hợp của các khối xây, tạo nên áo lò (còn gọi là lớp lót). Đây là bộ phận quan trọng nhất trong lò, chất lượng của nó quyết định khả năng làm việc và tuổi thọ của lò. Phụ thuộc vào chất lượng của thẻ xây, người ta phân biệt năm cấp xây sau đây: - Cấp xây 1, với chiều dày mạch xây 1mm, vữa xây là bột mịn khô hoặc vữa lỏng. Cấp này dùng cho các lò nấu luyện, khi thể xây tiếp xúc với môi trường nóng chảy. Yêu cầu xây đặc biệt cẩn thận. - Cấp xây 2, với chiều dày mạch xây 2mm, vữa xây là vữa nhão. Cấp này dùng cho các lò có thể xây chịu tác động bào mòn hoặc khi cần làm việc ở nhiệt độ không quá 1400 0C. Yêu cầu xây cẩn thận - Cấp xây 3, với chiều dày mạch xây 3mm, vữa xây là vữa nhão. Cấp này dùng cho các lò mà áo lò không tiếp xúc với kim loại và xỉ lỏng hoặc các lò nung kim loại làm việc ở nhiệt độ không quá 1200 0C. Yêu cầu xây tương đối cẩn thận. - Cấp xây 4, với mạch xây dày không quá 4mm, vữa xây là vữa nhão. Đây còn gọi là cấp xây đơn giản, dùng để xây các lớp phía dưới của đáy lò. - Cấp xây 5, với chiều dày mạch xây 5 10mm, vữa xây là vữa đặc, thường được dùng để xây các đường dẫn khói, cống khói hoặc các lớp ngoài cùng của tường lò (xây bằng gạch đỏ thông thường). Đối với những cấp xây gạch chịu nhiệt, đề phòng sự giãn nở của gạch ở nhiệt độ cao, người ta phải để các mạch nhiệt. Số lượng và kích thước của mạch nhiệt phụ thuộc vào độ dãn nở của gạch và kích thước của thể xây. Một số giá trị về mạch nhiệt được trình bày trong bảng 4-2. Bảng 4-2. Gía trị trung bình của mạch nhiệt Vật liệu xây Độ dày mạch nhiệt cho 1 m chiều dày thể xây, mm Samôt Đimat Manhedit Điatomit 5 6 12 12 14 5 6 Người ta thường để mạch nhiệt theo hai cách: mạch nhiệt phân tán (đối với tường phẳng) và mạch nhiệt tập trung (đối với tường hình trụ) như trên hình 4-1. Trong khi xây, gạch được đặt theo các tư thế khác nhau, theo nguyên tắc so le các mạch xây. Hình 4-1. Cấu trúc của các mạch nhiệt a-Tường thẳng; b-Tường nhiều lớp; c-Góc lò; d-Nóc lò; e-Nóc treo; f-Tường cong; g- Ống dẫn khí. 1 – Mạch nhiệt; 2 – Gạch chịu lửa; 3 – Kim loại; 4 – Gạch đậy mạch 4.2.2. KẾT CẤU CỦA THỂ XÂY Các thể xây lò bằng gạch chịu lửa đã được tiêu chuẩn hóa về kích thước và chất lượng. Đã có những loại gạch chuyen dụng về hình dạng, kích thước và yêu cầu cụ thể đối với các loại vữa dùng để xây lò. Quy ước cách đặt gạch xây khi gạch tiêu chuẩn với kích thước 230 x 113 x 65 mm như sau: đặt nằm – khi chiều cao lớp gạch là 65 mm; đặt nghiêng – 113 mm và đặt đứng – 230 mm. Phụ thuộc vào vị trí và chức năng của các vùng áo lò, người ta chia thế xây thành ba loại chính: đáy lò, tường lò và nóc lò. 4.2.2.2. Thể xây đáy lò Đáy lò là một bộ phận quan trọng, nhất là đối với các lò nấu luyện kim loại. Đáy lò thường xuyên chịu va đập cơ khí của vật liệu chất vào lò và tác động hóa học của các kim loại hỏng hay xỉ. Vì vậy đáy lò thường được xây thành nhiều lớp bằng các loại gạch chịu lửa thích hợp. Khi đáy lò được xây trực tiếp trên móng lò, cần bảo đảm nhiệt độ móng lò không quá 200 0C. Để bảo vệ móng lò, người ta thường không xây đáy lò tiếp xúc trực tiếp với móng lò. Khi đó đáy lò được xây trên các tấm thép có dầm đỡ phía dưới, tạo khe hở không khí giữa đáy lò với móng lò, coa tác dụng tránh cho móng lò bị quá nhiệt. Lớp dưới cùng của móng lò thường được xây bằng gạch cách nhiệt hay gạch đỏ. Tiếp theo là lớp gạch đệm – gạch samôt mác thấp và trên cùng là lớp gạch chịu lửa thích hợp với công nghệ cụ thể. Ở các lò có đáy tiếp xúc với kim loại lỏng thì lớp gạch làm việc thường được xây đứng. Ở các lò nung thì lớp này lại thường được xây nghiêng. Lớp gạch xây nghiêng có thể xây chạy dọc theo đáy lò hoặc xây theo hình nhánh thông (hình 4-2). Đối với những lò có đáy cong, người ta thường dùng gạch hoặc hỗn hợp bột dầm nện để tạo độ cong. Lớp làm việc của đáy lò còn được xây bằng cách đầm nện hỗn hợp bột chịu lửa với các chất kết dính để tạo nên một đáy lò có thể xây liền, rắn chắc, chống sự thâm nhập của chất nóng chảy vào thể xây. Trong thể xây đáy lò cần để mạch nhiệt nếu lò có đáy phẳng kích thước lớn. Cách bố trí mạch nhiệt cũng giống như khi xây tường lò. Chiều dày của đáy lò phụ thuộc vào kích thước của lò. Đáy lò cao được xây bằng gạch hình khối, chiều dày đáy có thể quá 5m. Ở các lò nấu luyện, đáy lò thường có chiều dày khoảng 1,2m. Các lò nhiệt luyện có đáy dày từ 230 đến 465 mm. Hình 4-2. Thể xây đáy lò a- Đáy lò nung; b- Đáy lò nấu chảy xây gạch; c- Xây kiểu nhánh thông; d- Đáy cong lớp đầm nện; 1. Lớp gạch xây nghiêng; 2. Lớp gạch xây đứng; 3. Lớp đầm nên 4.2.2.2. Thể xây tường lò Tường lò có hai loại: loại thẳng và cong. Tường thẳng xây bằng gạch tiêu chuẩn thông thường. tường cong thì tùy theo độ cong mà dùng tất cả là gạch vát tiêu chuẩn hay cả gạch vát thẳng. Khi xây phải theo nguyên tắc so le mạch xây giữa các hàng, thay đổi vị trí của gạch bằng cách thay đổi lần lượt các hàng xếp dọc theo tường lò với các hàng xếp vuông góc theo tường lò. Tường của các lò nung dược xây thẳng đứng. Đối với các lò nấu luyện, để tăng độ bền và cải thiện sự phân bố dòng khí, dòng liệu, người ta thường xây nghiêng với độ dày của tường giảm dần theo chiều cao. Tường được xây hai hay ba lớp. Lớp trong cùng làm việc được xây bằng gạch chịu lửa thích hợp, có độ bền nhiệt và bền cơ cần thiết. Lớp ngoài cùng là vật liệu cách nhiệt. Khi tường lò gồm nhiều lớp gạch thì xây một loại gạch ở mỗi lớp. Để cso sự liên kết chắc chắn giữa lớp trong với lớp ngoài, từ độ cao 2,5 3 m, cứ sau 56 hàng gạch lớp trong, người ta xây chia ra lớp ngoài một nửa viên gạch. Có khi người ta dùng móc kim loại: một đầu móc vào gạch xây, đầu kia móc vào khung hay vỏ lò. Chiều dày của tường lò có thể từ 0,34 đến 1,6 m phụ thuộc vào tính chất của các loại lò theo công nghệ. Chiều dày lớp gạch chịu lửa phải trên 230 mm. Chiều dày lớp gạch cách nhiệt từ 115 đến 350 mm, nếu là bột, sợi cách nhiệt thì chỉ cần 30 đến 100 mm. Trong thể xây tường lò có để mạch nhiệt. Các mạch để cách nhau từ 1 đến 3 m theo chiều dài tường lò, có độ dày tương ứng theo bảng 4-2. Ở thể xây tường lò, các viên gạch đều được đặt nằm. 4.2.2.3. Thể xây nóc lò Hầu hết các lò nung, nấu luyện đều dùng loại nóc vòm (cong) có độ bền nhiệt lớn hơn hẳn so với các nóc lò phẳng (chỉ dùng cho các lò nhỏ, làm việc ở nhiệt độ thấp). Có hai dạng nóc vòm cơ bản: vòm xây và vòm treo. Dạng vòm xây được dùng khi chiều rộng của lò nhỏ hơn 3 m. Đối với các lò luyện kim, vòm xây thường dùng các góc ở tâm vòm là 600, 900, 1200 và 1800 (hình 4-3). Hình 4-3. Các kiểu vòm xây thông dụng Theo thực tế thì quan hệ giữa bán kính vòm R và chiều cao dây cung f của nó phụ thuộc vào chiều rộng B của lò như sau: : 600 900 1200 1800 R : B 0,707B 0,577B 0,5B F : 0,134B 0,207B 0,289B 0,5B Nóc các lò nung thường có lớp cách nhiệt bên ngoài với chiều dày 65230 mm, còn nóc các lò nấu luyện, các lò có nhiệt độ cao thường không có lớp cách nhiệt để tránh bị quá nhiệt, cháy mò. Ngoài 4 loại vòm thông thường trên, nóc lò còn có dạng chỏm cầu hay bán cầu như nóc lò điện hồ quang, lò gió nóng. Khi xây các loại này cần nhiều chủng loại gạch định hình, xây trên các khuôn đã chuẩn bị sẵn. Các viên gạch xây vòm lò đều được xây đứng. Hình 4-4. Ví dụ về vòm treo các lò nung kim loại Nóc vòm treo được dùng cho các lò có chiều rộng lớn hơn 3 m, làm việc ở nhiệt độ cao và có cấu trúc phức tạp. Nóc vòm treo được hợp thành bởi các nhóm viên gạch chịu lửa có kích thước và hình dạng thích hợp được treo bằng các thanh kim loại, trên các dầm nối với khung lò (hình 4-4). Tại đỉnh lò nếu cần để cửa phải dùng gạch hình ghép tạo cửa cho chắc chắn, đam bảo để gạch đã xây trước không bị sụt lở và cửa phải cơ nắp đậy. Nếu không cần để cửa thì tại đỉnh lò phải dùng viên gạch hình nêm chắc vòng gạch xây cuối cùng để khép kín thể xây. 4.3. KHUNG LÒ 4.3.1. kHUNG LÒ VÀ VỎ LÒ Tùy thuộc vào loại lò cụ thể, khung lò có thể có cấu trúc đơn giản hay cấu tạo phức tạp. Khung lò cấu trúc đơn giản chỉ gồm các cột trụ, dầm nối và các thanh giằng lò như ở các lò nung. Với cấu trúc phức tạp, ngoài các cột trụ, dầm nối, khung lò còn có vỏ bọc bằng các tấm kim loại, các cơ cấu làm nguội bằng nước, hơi nước. Có ba loại khung lò: khung lò liên kết tĩnh, liên kết động và liên kết hỗn hợp. Trong khung lò liên kết tĩnh, các cột và thanh giằng được hàn hay tán chặt với nhau, tạo thành một khối vững chắc, ổn định.Cần chú ý tính toán chính xác độ dãn nở của gạch và để mạch nhiệt trong xác thể xây. Khung lò liên kết động gồm các cột trụ đứng, thanh giằng nối phía trên và phía dưới các cột đối diện.Giữa thanh giằng và cột lò có liên kết động bằng bulong khi thể xây bị dãn nở do tác động của nhiệt độ cao sẽ tạo nên lực đẩy cột khung lò. Khi lò không làm việc thì thể xây co lại. Với hệ thống liên kết bằng thanh giằng có thể điều chỉnh các đai ốc để giữ cho thể xây ổn định. Loại khung này chỉ dùng ở các lò kích thước nhỏ và trong thể xây không cần để mạch nhiệt. Khung liên kết hỗn hợp thường gồm liên kết động ở phía gần nóc lò và liên kết tĩnh ở phía đáy lò.Liên kết tĩnh ở phía dưới có thể là dầm nối, hàn chắc vào cột trụ lò hay đặt các chân cột vào trong bêtông của móng lò. Chú ý phải để mạch nhiệt ở phía đáy lò và phần dưới tường lò.Các mối liên kết động ở phía trên sẽ điều chỉnh phần gạch trên của tưởng lò thể xây nóc lò.Các loại khung lò được trình bày trên hình 4-5. Ở những lò lớn và không bố trí được khung lò như đã trình bày ở trên thì người ta dùng thép tấm có chiều dày thích hợp để làm vỏ lò,đóng vai trò của khung lò như ở lò cao luyện gang,lò ống quay sản xuất xi măng…Vỏ lò này làm nhiệm vụ chủ yếu là giữ cho thể xây ổn địnhtrong quá trình lò hoạt động .Với lò này làm nhiệm vụ chủ yếu là giữ cho thể xây ổn định trong quá trình trong quá trình lò hoạt động .Với các lò hoạt động ở nhiệt độ cao (lò Mactanh luyệ thép), tuy đã có thép lá bao bọc thể xây lò nhưng người ta vẫn bố trí khung thép ở bên ngoài cho chắc chắn. Với các lò nhỏ hoặc làm việc ở nhiệt độ thấp, người ta chỉ bọc các thể xây một lớp thép tấm mỏng thay cho khung lò để giữ các thể xây và đảm bảo tính mỹ thuật. 4.3.2.TÍNH KHUNG LÒ Việc tính khung lò chủ yếu nhằm xác định các lực tác động lên khung lò từ nóc lò .Từ đó ta chọn các chi tiết chính cỉa khung (cột ,giầm , thanh giằng). Cách tính dựa trên sơ đồ và hình vẽ khung lò .Việc tính toán theo trình tự sau: tính lực tác động lên dầm chân vòm và khung lò tính dầm chân vòm Tính cột khung lò tính các thanh giằng Các công thứ tính được trình bày cụ thể trong tài liệu tham khảo Chương 5- HỆ TỐNG THOÁT KHÓI VÀ CẤP GIÓ CHO LÒ Để đẫn sản phẩm cháy từ lò ra ngoài trời người ta sử dụng hệ thống thoát bao gồm các kênh khói, cống khói và ống khói. hệ thống cấp gió cho lò bao gồm quạt gió và các đường ống dẫn từ quạt đến thiết bị đốt nhiên liệu,ống phun… 5.1. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THOÁT KHÓI VÀ CẤP GIÓ CHO LÒ. 5.1.1. KỸ THUẬT BỐ TRÍ KÊNH KHÓI, CỐNG KHÓI VÀ CÁC ĐƯỜNG ỐNG DẪN. Để đảm bảo khói từ buồng lò ra cống khói,ống khói, có thể bố trí kênh khói hướng xuống dưới đáy lò hoặc theo các kênh dẫn đặt trong tường lò xuống cống khói hoặc đi lên phía trên noác thoát qua ống khói ra ngoài.Để tận dụng nhiệt trong lò người ta thường bố trí kênh khói xuống phía dưới hoặc kênh đặt trong tường,còn khói thoát ngay phía trên chỉ phù hợp với lò có năng suất nhỏ.Những lò có năng suất trung bình và lớn thì đường đẫn khói được đặt chìm dưới mặt bằng xưởng và nối với ống khói . Thông thường tốc độ trong kênh khói là 23 m/s ( ở điều kiện chuẩn). Để tránh áp suất dư trong một số lò có năng suất không lớn, nhiệt độ khói ra lò thấp thì tốc độ của khói ở điều kiện nhiệt độ thực tế cần nhỏ hơn 4 m/s, còn các lò có nhiệt độ cao có thể đạt tới 12 m/s. Khi bố trí và thiết kế đường dẫn khói cần chú ý những điểm sau: Kênh khói thường có tiết diện chữ nhật và bố trí các kênh sao cho khói được phân bố đều trong buồng lò, không có góc chết ( vùng khí không chuyển động ). Đường dẫn khói càng ngắn, càng thẳng thì càng tốt. Khi lượng khí lò không lớn, nhiệt độ khí lò sau thiết bị trao đổi nhiệt thấp thì dùng ống khói kim loại ( có nón che mưa ) đặt ngay trong nhà xưởng hoặc đặt ở phía ngoài. Khi lượng khí lò nhiều thường dùng ống khói xây hoặc ống khói bê tông chị nhiệt đặt ngoài phân xưởng chung cho nhiều lò. Sơ đồ thoát khói như hình 5-1. Hình 5.1. Sơ đồ đường khói lò nung liên tục ba vùng. 1- Lò; 2-kênh đứng; 3-cống khói; 4- thiết bị trao đổi nhiệt; 5- van khói; 6- ống khói; A, B, C, D, E – chiều dài các đoạn ống. Hệ thống cấp gió bao gồm quạt gió, ống dẫn từ quạt gió qua thiế bị trao đổi nhiệt ( nếu có ) đến các ống phun mỏ đốt hoặc buồng đốt. Hệ thống bố trí trong xưởng cần lưu ý để đường ống có chiều dài nhỏ nhất, ít gấp khúc nhất và không cản trở việc đi lại trong xưởng. Những ống dẫn có nhiệt độ cao cần được bọc cách nhiệt. Nếu phân xưởng có nhiều lò thì cần thiết lập một hệ thống cấp gió chung và dùng một quạt cấp gió. Trường hợp phỉa làm đường ống dẫn và quạt gió riêng thì quạt gió nên để tập trung thành trạm để tiện việc theo dõi, bảo dưỡng và vận hành. Hình 5-2. Sơ đồ hệ thống cấp gió lò nung liên tục ba vùng đốt nhiên liệu khí hoặc lỏng. 1-mỏ đốt vùng đồng nhiệt; 2, 3- mỏ đốt vùng nung trên và dưới; 4- cống khói; 5- thiết bị trao đổi nhiệt; 6- quạt gió; 7- đường dẫn không khí lạnh; 8- đường dẫn không khí nóng; 9- đường dẫn không khí lạnh để pha loãng khí lò. 5.1.2. TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA HỆ THỐNG THOÁT KHÓI. Hệ thống kênh, cống thoát khói cần có kích thước đảm bảo khả năng lưu thông khói, trở lực hợp lý, không gây tốn kém khi xây dựng đồng thời phải bền và thuận tiện khi sử dụng. Cống khói được xây bằng gạch samôt ( khi nhiệt độ khói đến 13000C )hoặc gạch đỏ ( khi nhiệt độ khói nhỏ hơn 7000C ). Khi nền xưởng có trọng lực lớn và những nơi đất ẩm nên sử dụng cống khói làm bằng bê tông chịu nhiệt có cốt thép. Nhiệt độ khói trong cống này có thể đạt 10000C. Giữa lớp bê tông và lớp chịu nhiệt còn có lớp cách nhiệt để tránh cho bê tông không bị quá nhiệt. Tiết diện cống khói được tính dựa vào tốc độ chuyển động của khói ở điều kiện bình thường là 1,5 3 m/s. Khi nhiệt độ khói càng cao thì tốc độ chọn ban đầu càng nhỏ vì tốc độ lớn sẽ làm tăng trở lực, dẫn đến tăng chiều cao ống khói. Còn tốc độ của khói giảm thì kích thước cống khói phải lớn, gây tốn kém vật liệu xây dựng. Tốc độ tối của khói như sau: Trong kênh và cống khói: Ở miệng ra của ống khói: Khi tính kích thước kênh, cống khói cần phải tính các đại lượng và theo các bước sau: Tính lượng khí lò đi vào kênh; Tính tiết diện kênh khói; tính diện tích tiết diện cống khói. Sau khi xác định được diện tích tiết diện cống khói cần tham khảo bảng “ Một số kích thước tiêu chuẩn của tiết diện cống khói” – trong đó cho thấy mối quan hệ giữa chiều rộng, chiều cao, tiết diện, chu vài và góc ở tâm của cống khói – để chọn kích thước cụ thể của cống. 5.1.3. TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ĐƯỜNG ỐNG CẤP GIÓ. Người ta dùng các ống thép hàn để dẫn không khí và khí đốt. Ống dẫn không khí có chiều dày của thành ống là 3 6 mm; còn ống dẫn khí đốt: 5 8 mm. Khi các chất trong ống dẫn có nhiệt độ nhỏ hơn 5000C thì bên ngoài ống cần bọc một lớp cách nhiệt; nếu nhiệt độ lơn hơn 5000C thì bên trong ống dẫn phải lót một lớp gạch chịu lửa mác tháp, còn phía ngoài bọc một lớp cách nhiệt. Để điều chỉnh lưu lượng các chất chuyển động trong ống người ta thường dùng các loại van rút, van bướm hoặc van xoáy đối với không khí, còn đối với khí đốt phải dùng van xoáy. Khi tính tiết diện các ống dẫn ở điều kiện bình thường nên chọn tốc độ cho các chất như sau: Không khí lạnh Không khí nóng Khí đốt lạnh có áp suất thấp + Đoạn ống thẳng 12 + Ống có hình phức tạp 6 - Khí đốt nóng có áp suất thấp Dựa vào lưu lượng, tốc độ của không khí ( hoặc khí đốt ) chuyển động qua tiết diện ống ta tính được diện tích tiết diện và xác định đường kính ống dẫn. 5.2. TÍNH TỔN THẤT ÁP SUẤT Ở HỆ THỐNG THOÁT KHÓI VÀ CẤP GIÓ. 5.2.1. HỆ THỐNG THOÁT KHÓI. Tổn thất áp suất trên đường dẫn khói lò bao gồm tổn thất cục bộ, tổn thất ma sát và tổn thất hình học. Tổn thất áp suất cục bộ được xác định như sau: , N/m2 (5 – 12 ) Với: - Hệ số trở lực cục bộ; - Tốc độ khói ở điều kiện tiêu chuẩn, m/s; - Khối lượng riêng của khói ở 00C, kg/m3; - Hệ số giãn nở của khói ; - Nhiệt độ khói tại điểm tính toán, 0C Tổn thất áp suất do ma sát được xác định như sau: , N/m2 (5 – 13 ) Với - Hệ số ma sát phụ thuộc vào độ nhẵn của bề mặt ống: Ống kim loại nhẵn: = 0,03 0,04; Ống gạch: = 0,05 0,055; L – chiều dài đoạn ống, m; D- đường kính thủy lực của ống, m; - Với ống tiết diện tròn D = d – đường kính ống - Với ống có tiết diện khác F- Diện tích tiết diện ống, m2 C- Chu vi của ống, m; - Nhiệt độ trung bình của khói ở đoạn ống, 0C - Nhiệt độ khói ở đầu và cuối đoạn ống, 0C Tổn thất áp suất hình học được xác định như sau: , N/m2 (5 – 14 ) Với: g- Gia tốc trọng trường; H- Chiều cao của cột khí, m; - Khối lượng riêng của không khí ngoài trời và của khói ở nhiệt độ tính toán, kg/m3 Cần lưu ý: Nếu khí nóng chuyển động từ trên xuống dưới thì có tổn thất này, còn nếu chuyển động từ dưới lên trên thì không những không có tổn thất này mà tổn thất của hệ thống còn được giảm đi một lượng trên. Tổn thất chung của đường dẫn khói lò: , N/m2 (5 – 15 ) Nhiệt độ của khói khi tính toán có thay đổi do có sự hút thêm không khí lạnh và mất nhiệt qua tường cống khói trong quá trình chuyển động của khói. Độ giảm nhiệt độ khói tính cho 1 m chiều dài cống ( kênh ) khói như trong bảng sau: Bảng 5.1- Độ giảm nhiệt độ của khói thải trong kênh, cống xây bằng gạch chịu lửa, 0C/m Nhiệt độ của khói, 0C Kênh cống, mới Kênh, cống đã dùng lâu 1000 1200 800 1000 600 800 400 500 5, 2 4, 6 3, 7 2, 8 6, 3 5, 2 4, 3 3, 5 5.2.2.ĐƯỜNG DẪN KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ ĐỐT. Việc tính toán tổn thất áp suất trên đường dẫn không khí cũng tương tự và dùng các công thức tính như đối với hệ thống thoát khói, nhưng với các thông số của hệ thống dẫn không khí ( hoặc khí đốt ). Độ giảm nhiệt độ của dòng chất chuyển động trong ống chọn theo bảng sau: Bảng 5.2- Độ giảm nhiệt độ của không khí trong ống dẫn, 0C/m Loại ống Theo 1m chiều dài Ống kim loại Không có cách nhiệt Có bọc cách nhiệt Ống gạch 4 3 1,0 1,5 Khi lò đốt dùng nhiên liệu rắn cần tính thêm tổn thất áp suất của không khí qua ghi lò ( phụ thuộc vào loại nhiên liệu, tính chất xỉ, cấu tạo của ghi,…). Thông thường hệ thống dẫn không khí bao gồm nhiều nhánh: nhánh dẫn không khí đến các ống phun hoặc mỏ đốt, đến cống khói để pha loãng khói lò… cho nên khi tính tổn thất áp suất của hệ thống cần chọn và tính tổng tổn thất của nhánh có tổn thất lớn nhất. Tổng tổn thất này được coi là một tổn thất chung của đường dẫn không khí. Khi có nhiều lò trong phân xưởng dùng chung một đường ống dẫn không khí từ trạm cung cấp trung tâm thì cần tính kiểm tra để chọn nhánh có tổng tổn thất áp suất lớn nhất ( thường là nhánh dài nhất hoặc có cấu trúc phức tạp nhất ). 5.3. ỐNG KHÓI VÀ QUẠT GIÓ 5.3.1. ỐNG KHÓI. Ống khói là một bộ phận của hệ thống lò, với n hiệm vụ tạo được sức hút để đưa sản phẩm cháy từ buồng lò ra ngoài, duy trì chế độ làm việc của lò. Trong công nghiệp thường dùng ba loại ống khói: ống khói gạch, ống khói kim loại, ống khói bê tông ( chịu nhiệt ). Ống khói gạch thường dùng cho những lò có lượng khói lớn. Phía bên trong ống khói được xây bằng vật liệu chịu lửa khi khói có nhiệt độ cao. Loại này thường xây dựng phức tạp, đường kình trong tại miệng ra của ống khói không nên nhỏ hơn 800 mm. Ống khói kim loại được đùng phổ biến ở những lò có công suất nhỏ, lượng khói không nhiều. Không cần lót gạch chị lửa ở phía bên trong ống khói khi khói có nhiệt độ thấp. Ống khói bê tông chịu nhiệt thường dùng cho những lò có lượng khói lớn, nhiệt độ thấp ( nhỏ hơn 3000C). Loại ống khói này có thể chuẩn bị sẵn thành từng vòng với kích thước xác định đẻ tiện lắp đặt dễ dàng khi thi công. Để làm việc có hiệu quả thì lực hút của ống khói phải lơn hơn giá trị tổng tổn thất áp suất của khói lò trên đường dẫn khói từ lờ đến chân ống khói và lượng tổn thất chưa tính hết hoặc sẽ xuất hiện trong quá trình lò vận hành ( tăng tổn thất ma sát do thành cống khói bị bám nhiều bụi, lượng không khí bị hút vào tăng lên….). Thực tế cho thấy lượng tăng áp suất này thường chiếm 20 30% tổng tổn thất áp suất của khói lò. Khi tổng tổn thất áp suất của khói trong kênh, cống khói càng lớn, nhiệt độ khói vào ống khói càng thấp thì chiều cao ống khói càng tăng. Việc tính toán chiều cao ống khói được thực hiện qua sự so sánh hai kết quả của phương pháp giải tích và đồ thị. Với phương pháp giải tích, chiều cao ống khói được xác định theo tổng tổn thất áp suất của khói chuyển động từ lò đến chân ống khói, các thông số của khói lò, không khí, đường kính chân, đỉnh ống khói… Theo phương pháp đồ thị thì chiều cao ống khói được xác định bằng nhiệt độ trung bình của khói trong ống khói với tổng trở lực từ lò đến chân ống khói. Nếu hai kết quả trên chênh lệch hơn 10% thì phải tính toán lại. Khi tính toán cần chú ý một số điểm sau: Tốc độ của khói ở miệng ra không nhỏ hơn 3 4 m/s; Đường kính miệng ra của ống khói bằng gạch không nhỏ hơn 0,8m; Chiều cao ống khói không nên thấp hơn 16m; Nếu một ống khói dùng chung cho nhiều lò thì việc tính toán chiều cao ống khói được tiến hành theo trở lực lớn nhất chứ không theo tổng trở lực của hệ thống thoát khói của tất cả các lò. 5.32. QUẠT GIÓ Trong hệ thống lò thường dùng quạt ly tâm để cấp gió cho lò. Loại quạt này có áp suất cao, lưu lượng lớn đảm bảo không khí cấp cho lò để đốt cháy nhiên liệu cũng như áp suất cần thiết để thắng mọi trở lực trên đường từ quạt đến nơi sử dụng. Theo áp suất, quạt ly tâm được chia thành ba loại: Quạt ly tâm thấp áp, với P ≤ 1000 N/m2 ( ~ 100 mm H2O ); Quạt ly tâm trung áp, với 1000 < P ≤ 3000 N/m2 ( ~100 < P ≤ 300 mm H2O ); Quạt ly tâm cao áp, với 3000 < P ≤ 15000 N/m2 ( ~300 < P ≤ 1500 mm H2O ); Quạt ly tâm được chuẩn hóa theo hai thống số cơ bản là áp suất và lưu lượng. Khi chọn quạt cần dựa vào hai thông số đó và dựa vào giản đồ chuẩn của quạt để chọn được loại quạt thích hợp. Khi quạt làm việc trong hệ thống thì điểm làm việc của quạt phụ thuộc vào đường đặc tính riêng của quạt p = f(V) và đường đặc tính lưới p = f(V2). Điểm làm việc của quạt là giao điểm của đường đặc tính quạt và đường đặc tính lưới. Khi lò cần lượng gió và áp suất mà giản đồ quạt không đáp ứng được thì có thể dùng phương pháp mắc nối các quạt. Để tăng lưu lượng gió cần mắc các quạt song song; để tăng áp suất gió cần mắc các quạt nối tiếp. Khi tính toán quạt cần xác định những thông số cơ bản như: lượng gió yêu cầu ở điều kiện tiêu chuẩn, lượng gió yêu cầu ở điều kiện thực tế Vtt, áp suất thực tế yêu cầu Htt. Sau đó dựa vào các giản đồ tiêu chuẩn của quạt ly tâm để chọn quạt yêu cầu. Chú ý hiệu suất quạt cần nằm trong vùng lớn hơn 0,5 để quạt tiêu thụ công suất ít nhất, áp suất động và áp suất tĩnh của quạt phải nhỏ hơn áp suất động sơ bộ theo tính toán và áp suất tĩnh yêu cầu. Cuối cùng tính công suất quạt rồi chọn cách nối giữa động cơ với quạt để xác định công suất động cơ kéo quạt. Chương 6 – TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT VÀ LƯỢNG TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Cân bằng nhiệt có thể xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán. Với kết quả tính toán ta có thể xác định chất lượng làm việc của thiết bị qua các thông số kinh tế - kỹ thuật, lượng tiêu hao nhiên liệu hoặc công suất điện cần cung cấp cho LCN. Các khoản trong cân bằng nhiệt thường được tính tương ứng với một giờ ( đối với lò làm việc liên tục ) hoặc thời gian của một chu kỳ hay một công đoạn quá trình gia công ( lò bán liên tục ), cũng có khi tính tương ứng với đơn vị vật liệu gia công. 6.1. TÍNH CÁC KHOẢN CÂN BẰNG NHIỆT 6.1.1. CÁC KHOẢN NHIỆT THU 6.1.1.1 Nhiệt do cháy nhiên liệu hoặc biến điện năng thành nhiệt năng - Với các lò nhiên liệu: QC = B.Qdt , W (6.1) Trong đó: B – lượng nhiên liệu tiêu hao, m3/s; kg/s; Qdt – nhiệt trị thấp của nhiên liệu, J/m3; J/kg - Với lò điện: QC = P, W (6.1’) Trong đó P là công suất của lò, W 6.1.1.2 Nhiệt vật lý do không khí được nung nóng trước. , W (6.2) Trong đó: - lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu, m3/kg; m3/m3; - entanpi của không khí ở nhiệt độ được nung nóng, J/m3 f- phần không khí cần nung nóng trước (f=1 khi nung nóng toàn bộ không khí ) Đối với lò điện thì = 0 6.1.1.3 Nhiệt vật lý do nhiên liệu được nung nóng trước. Qnl = B.Cnl.tnl , W (6.3) Trong đó: Cnl.tnl – entanpi của nhiên liệu ở nhiệt độ được nung nóng, J/m3 Đối với các lò điện và lò đốt nhiên liệu rắn Qnl = 0 6.1.1.4 Nhiệt lượng do các phản ứng tỏa nhiệt. Đây là nhiệt lượng tỏa ra do oxy hóa sắt trong các lò nung kim loại với nhiệt độ cao Qt = 5650.a.P.103 , W (6.4) Với: 5650 là lượng nhiệt tỏa ra do oxy hóa 1 kg sắt, kJ/kg phần kim loại bị oxy hóa P- năng suất lò, kg/s 6.1.2. CÁC KHOẢN NHIỆT CHI 6.1.2.1. Nhiệt lượng để nung vật liệu Q1 = P.CP.(t” – t’) , W (6.5) Với Cpt’ và Cpt” là entanpi của vật liệu trước và sau khi nung, J/kg 6.1.2.2 Nhiệt lượng để nung xỉ Q2 = Gx.Cpx.tx, W (6.6) Với: Gx – lượng xỉ tạo thành, kg/s Cpx.tx - entanpi của xỉ, J/kg; Nhiệt lượng này chỉ tính đối với các lò nấu chảy có trọng lượng xỉ tạo thành đạt tới 20% khối lượng vật liệu 6.1.2.3. Nhiệt lượng mất do các phản ứng thu nhiệt Lượng nhiệt này có chủ yếu trong các lò nấu chảy do các quá trình phân hóa đá vôi, bốc hơi nước trong vật liệu gia công, có giá trị đến 4% tổng các khoản nhiệt chi ở các lò luyện và lò nấu chảy. 6.1.2.4 Nhiệt lượng mất do cháy không hoàn toàn hóa học Q4 = p.B.Vα.12140.103 , W (6.7) Với: p- phần lượng khí chưa cháy, phụ thuộc vào thiết bị đốt nhiên liệu; Vα – lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đốt 1 đơn vị nhiên liệu m3/m3; m3/kg 12140.103 – nhiệt trị của lượng khí chưa cháy ( hỗn hợp CO và H2 ), J/m3Đối với các lò điện Q4 = 0 6.1.2.5. Nhiệt lượng mất do cháy không hoàn toàn cơ học Q5 = k.B.Qdt.103 , W (6.8) Với: k – hệ số mất mát do cháy không hoàn toàn cơ học. Đối với các lò điện Q5 = 0. 6.1.2.6.Nhiệt lượng mất do dẫn nhiệt qua các thể xây lò Q6 = QT6 + Qn6 + Qđ6 , W (6.9) Với: QT6 , Qn6 , Qđ6 – lượng nhiệt mất qua tường, nóc, đáy lò, W 6.1.2.7. Lượng nhiệt bức xạ qua cửa và khe hở , W (6.10) Với: C0- hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối; Ttblo- nhiệt độ trung bình của lò, 0K F- diện tích phần cửa mở và khe hở, m2 - hệ số màng ngăn - hệ số thời gian mở cửa; 6.1.2.8. Lượng nhiệt mất theo khí lò khi mở cửa , W (6.11) Với: - entanpi của khí lò ( sản phẩm cháy), J/m3 0- lượng khí rò qua cửa, m3/h; 6.1.2.9. Lượng nhiệt mất do sản phẩm cháy. , W (6.12) Với : - tổng lượng khí lò lọt qua các cửa mở, m3/h 6.1.2.10. Lượng nhiệt mất do nung nóng các cơ cấu khác , W (6.13) Với: - khối lượng của các cơ cấu đỡ vật nung ở tỏng lò hoặc di chuyển qua lò, kg; - nhiệt dung riêng trung bình của các cơ cấu, kJ/kg, 0K - nhiệt độ đầu và cuối của cơ cấu trong quá trình nung, 0C - tổng thời gian nung, h 6.1.2.11. Lượng nhiệt mất do nước làm nguội các kết cấu lò , W (6.14) Với: - lượng nhiệt mất ứng với đơn vị diện tích tùy theo loại kết cấu, W/m2; - diện tích bề mặt kết cấu cần làm nguội, m2 Sơ bộ có thể tính gần đúng lượng nhiệt này bằng (0,1 ÷ 0,2 ) tổng các khoản nhiệt thu 6.1.2.12. Lượng nhiệt mất do tường lò tích nhiệt Đại lượng này chỉ tính với các lò làm việc chu kỳ. , W (6.15) Với: VT – thể tích phần gạch xây tích nhiệt, m3 - Khối lượng riêng của gạch xây, kg/m3 - Nhiệt dung riêng trung bình của khối gạch xây, J/kg.0K - Nhiệt độ trung bình của gạch xây đầu vào cuối chu kỳ làm việc, 0C Tính toán cân bằng nhiệt cần phải theo các loại lò cụ thể, dựa vào đặc điểm kết cấu, công nghệ và chế độ làm việc của lò. thí dụ như đối với lò nung liên tục thì không cần tính lượng nhiệt mất do tường lò tích nhiệt; lò nhiệt luyện làm việc chu kỳ thì không tính lượng nhiệt mất do bức xạ qua cửa mở…. 6.2. LƯỢNG TIÊU HAO NHIÊN LIỆU VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT NHIỆT. 6.2.1 LƯỢNG TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Lượng nhiên liệu cần thiết B ( kg/s, m3/s ) được xác định qua việc giải phương trình cân bằng các khoản nhiệt thu và nhiệt chi ở phần tính toán trên. Theo đó , hay: , (6.16) 6.2.2 SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU TIÊU CHUẨN , kg nhiên liệu tiêu chuẩn / kg kim loại (6.17) Với B- lượng tiêu hao nhiên liệu, kg/s, m3/s; P- năng suất lò, kg/h; - nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kg, kJ/m3 29300- nhiệt trị thấp của nhiên liệu tiêu chuẩn, kJ/kg, kJ/m3 Suất tiêu hao nhiên liệu tiêu chuẩn nằm trong phạm vi: 0,05 ÷ 0,15 Đối với lò nung liên tục; 0,1 ÷ 0,25 Đối với lò buồng cán, rèn; 0,1 ÷ 0,5 Đối với lò buồng nhiệt luyện. 6.2.3.HỆ SỐ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CÓ ÍCH (6.18) Với: - lượng nhiệt nung kim loại, W; - lượng nhiệt tỏa do các phản ứng tỏa nhiệt, W - lượng nhiệt do đốt cháy nhiên liệu, W Hệ số này có các giá trị: 0,3 ÷ 0,5 Đối với lò nung liên tục; 0,15 ÷ 0,3 Đối với lò buồng cán, rèn; 0,05 ÷ 0,2 Đối với lò buồng nhiệt luyện. 6.3 BẢNG CÂN BẰNG NHIỆT CỦA LÒ Với mục đích dễ dàng so sánh, đánh giá các khoản nhiệt thu, chỉ cần phải tính tỷ lệ phần trăm từng khoản rồi lập bảng cân bằng nhiệt theo bảng dưới đây: Các khoản nhiệt thu W % Các khoản nhiệt chi W % 1 Nhiệt do đốt cháy nhiên liệu 70÷100 1 Nhiệt do nung kim loại 10÷50 2 Nhiệt do nung không khí 0÷15 2 Nhiệt để nung xỉ 0÷20 3 Nhiệt do nung nhiên liệu 0÷10 3 Nhiệt do các phản ứng thu nhiệt 0÷4 4 Nhiệt tỏa do oxy hóa kim loại 1÷5 4 Nhiệt mất do cháy không hoàn toàn hóa học 0,5÷5 5 Nhiệt mất do cháy không hoàn toàn cơ học 0,5÷3 6 Nhiệt mất qua thể xây lò 4÷10 7 Nhiệt mất do bức xạ qua cửa mở 0÷4 8 Nhiệt mất theo khí lò khi mở cửa 0÷5 9 Nhiệt mất theo sản phẩm cháy 30÷80 10 Nhiệt mất do nung nóng các cơ cấu trong lò 0÷5 11 Nhiệt mất do nước làm nguội 0÷20 12 Nhiệt mất do tường tích nhiệt 0÷40 13 Sai số <0,3 Tổng 100 Tổng 100 Chú ý: 1. Không phải loại lò nào cũng có đủ các khoản nhiệt nêu trên, thí dụ - Các khoản 1, 6, 7, 11 có hầu hết ở các lò - Các khoản 2, 3 có trong các lò luyện và lò nấu chảy - Các khoản 4, 5, 8, 9 có trong các lò đốt nhiên liệu cháy có ngọn lửa - Khoản 10 có trong các lò dùng xích tải, xe goòng, giá đỡ kim loại. - Khoản 12 có trong các lò làm việc theo chu kỳ 2. Đối với lò điện, tổng các khoản nhiệt thu ( cũng là công suát lò P ) bằng các khoản nhiệt chi 3. Trong các lò nung sấy vật liểu ẩm cần tính một số khoản nhiệt chi sau: - Lượng nhiệt để làm bốc hơi nước từ vật phẩm - Lượng nhiệt cho các phản ứng thu nhiệt khi nung - Lượng nhiệt do bụi sản phẩm theo khí lò ra ngoài. Chương 7- MỘT SỐ LÒ CÔNG NGHIỆP 7.1. LÒ CAO 7.1.1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Lò cao là thiết bị lơn, phức tạp nhất để luyện gang. Cấu tạo lò được trình bày trên hình 7.1. Phần trên cổ lò có các thiết bị cấp liệu ( Phểu nạp liệu, xi kíp chuyển liệu), ống thoát khí. Lò được đặt trên móng bê tông chịu nhiệt. Thân và cổ lò xây trên một vành đỡ lớn hình khuyên bằng thép dày, dưới có cột đỡ, chân cột có các bulong bắt liền vào nền bê tông. Bên ngoài lò được bọc vỏ kim loại day 20 đến 25mm ở phần trên, còn phần dưới dày 35÷40 mm. Bên trong vỏ lò xây bằng gạch chịu lửa. Phần thân và bụng lò xây bằng gạch samôt chất lượng cao, còn nồi lò, phần dưới đáy lò xây bằng gạch cacbon. Phần trên giữa đáy xây bằng gạch cacbon. Phần trên giữa đáy xây bằng gạch cac nhôm chứa hơn 45% Al2O5 để giảm mạch nhiệt, tăng độ bền của đáy. Áp suất khí trong lò cao lên tới (0,3÷0,5).106 pa, nên lớp lót chịu lửa được bọc thép tấm dày 20÷40 mm. Chiều dày lớp lót phần trên thân lò khoảng 900÷1000 mm, còn phía dưới thân lò khoảng 1300÷1500 mm. Để tăng độ bền lớp lót, tường lò được làm nguội bằng nước giữa vỏ lò và lớp lót. Phía trong cổ lò lót thép tấm để chống va đập, bào mòn của quặng. Hình 7.1. Kết cấu lò cao 1- cổ lò; 2- thân lò; 3- bụng lò; 4- hông lò; 5- lỗ tháo xỉ; 6- lỗ tháo gang; 7- nồi lò; 8-mắt gió Các nguyên liệu chính là quặng sắt và than được xe kíp chất vào phểu lò. Không khí được nung trước với nhiệt dộ 1000÷1250 0C trong các lò Caopơ ( một lò cao thường có 4 lò caopơ: 3 lò đốt khì lò cao để nung gạch, còn 1 lò để nung không khí, làm việc thay phiên nhau), sau đó thổi vào lò qua các mắt gió. Trong lò hai luồng di chuyển ngược chiều nhau: nguyên liệu từ trên xuống, từ dưới lên là luồng khí lò hình thành do nhiên liệu cháy và phản ứng của nó với nguyên liệu. Do các phản ứng hóa học, gang và xỉ tọa thành chuyển động xuống dưới tích tụ ở nồi lò qua máng chảy vào nơi chứa. Bảng 7.1. Các kích thước cơ bản của lò cao Các thông số Các kích thước (m) và thể tích (m3) có ích 1000 1500 2000 3000 5000 Chiều cao có ích Chiều cao nồi lò Chiều cao thân lò Đường kính nồi lò Số mắt gió 25, 5 2, 9 14, 5 7, 2 14 27, 8 3, 2 16, 3 8, 6 18 29, 4 3, 6 18, 2 9, 7 20 31, 2 3, 9 18, 7 11, 6 28 32, 2 4, 5 19, 5 14, 9 36 7.1.2. CHẾ ĐỘ NHIỆT Trong lò cao xảy ra đồng thời các quá trình khí động học, nhiệt học và hóa học. Nguyên liệu chuyển động từ trên xuống với các quy trình: sấy, phân li, hoàn nguyên, nóng chảy và tạo xỉ. Nhiệt độ khí thoát ra từ lớp liệu ở cổ lò khoảng 250 đến 4000C, còn ở nồi lò đạt tới 20000C. Trong lò cao có hai cách hoàn nguyên sắt từ oxit của nó: bằng các khí CO, H2 ( hoàn nguyên gián tiếp với sự tỏa nhiệt ) và cacbon cứng ( hoàn nguyên trực tiếp với sự thu nhiệt ). Khi nhiệt độ gần 9000C bắt đầu tạo xỉ và pha lỏng, sự kết dính biến mềm phối liệu quặng xảy ra trước khi tạo xỉ. Các phản ứng chính và sự phân bố các vùng được trình bày tóm tắc ở hình 7.2 Hình 7.2. Các phản ứng chính và sự phân bố cá vùng trong lò cao Cường độ công tác lò được quyết định tốc độ hoàn nguyên sắt bởi khí lò. Để cường hóa quá trình đó bởi các khí hoàn nguyên ( CO, H2 ) thì lớp liệu phải có độ thông khí tốt, nên yêu cầu than, quặng cần được xếp theo thứ tự và kích thước của chúng phải hợp lý ( với than là 20÷60 mm, còn quặng 10÷15 mm) Một thông số quan trọng quyết định đến quá trình và chất lượng gang là nhiệt độ vùng mắt gió ( tại vùng tâm mắt gió có nhiệt độ khoảng 1800÷20000C, còn ở trục lò 1400÷1500 0C, nhiệt độ gang ra lò 1450÷1520 0C ) Thông số chủ yếu về công tác nhiệt của lò là hiệu suất nhiệt, có giá trị 42÷45%. Nếu sử dụng được cả lượng nhiệt của khí lò ( với lượng khí ra khỏi lò khoảng 1600÷1900 m3/tấn gang có nhiệt trị 3,8 –÷ 4,2 kJ/m3) thì hiệu suất nhiệt của lò đạt tới 80÷85%. Do đó, tính ưu việt cơ bản của lò cao là năng suất và hiệu suất nhiệt lớn, còn nhược điểm cơ bản là yêu cầu đối với đặc tính của nguyên liệu và tiêu tốn nhiều than cốc đắt tiền. Tóm tắt nguyên lý luyện gang là: Quặng sắt + than + trợ dung + gió nóng = gang + xỉ + khí + bụi lò. Dây chuyền công nghệ sản xuất gang như sơ đồ dưới đây: Hình 7.3. Sơ đồ dây chuyền công nghệ của lò cao. 7.2 LÒ LUYỆN THÉP Phụ thuộc vào dạng năng lượng sử dụng, lò luyện thép được chia thành 3 nhóm: lò thổi oxy, lò ngọn lửa ( lò Mactanh ) và lò điện. Ở đây ta chỉ xem xét lò thổi oxy, là nhóm được phát triển mạnh mẽ trong quá trình sản xuất thép trên thế giới hiện nay. 7.2.1.CẤU TẠO NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Lò thổi oxy ( lò LD: Linz-Donawitz ) là một thùng hình quả lê có lớp lót ở trong, làm bằng thép tấm dày 30÷110mm, phía trên có lỗ hỗng – miệng lò. Miệng lò để đưa nguyên liệu vào, đưa ống thổi oxy từ trên xuống, rót xỉ, sau đó là thép ra. Hình 7.4. Lò luyện thép LD có vành đỡ và đáy lắp 1-khung lò; 2- vỏ lò; 3- ổ đở trục; 4- miệng rót; 5- vành đỡ; 6- trục chính; 7- cơ cấu quay; 8- đáy lắp. Lò được trình bày trên hình 7.4. Vỏ lò được kê trên gối đỡ đặt trên bệ máy. Lò có thể quay trên cổ trục quay quanh trục ngang 3600 để thực hiện các công việc: rót gang, thép vụn vào, rót thép, xỉ ra… Trong thời gian thổi oxy thì lò ở vị trị thẳng đứng. Cơ cấu quay của lò LD gồm hai hay một số động cơ điện truyền lực quay cho cổ trục. Kích thước cơ bản của lò được trình bày trong bảng 7.2. Bảng 7.2- kích thước cơ bản của lò LD Các thông số Kích thước cơ bản của lò thổi theo dung tích ( T ) 50 100 250 Tổng số chiều cao, m 7,9 8,7 9,7 Đường kính vỏ, m 5,2 5,7 8,3 Đường kính cổ lò, m 1,6 1,7 2,6 Kích thước bẻ lò: Đường kính, m 3,6 4,0 6,5 Chiều sâu, m 1,1 ÷1,2 1,5÷1,6 1,6÷1,8 Thể tích riêng, m3/T 1,0 0,8 0,72 Vỏ và đáy lò được lớp một lớp gạch chịu nhiệt. Phần trụ của lò gồm ba lớp: lớp trong cùng là lớp làm việc với vật liệu chịu lửa gồm nhựa than, đôlômit, manhê độ dày 600÷800 mm. Lớp giữa là hỗn hợp vật liệu như trên đầm chặt, dày 50 ÷150 mm. Lớp tiếp giáp vỏ dày 150÷ 300 mm là gạch manhe. Lớp làm việc trên đáy lò là hỗn hợp nhựa- đôlômit, lớp ngoài là gạch crom-manhe, dày 800 ÷900 mm. Oxy thổi vào lò LD với áp suất 9 ÷14 at qua ống phun đặt đứng, di chuyển lên xuống theo trục lò. Ống phun gồm ba ống đồng tâm: oxy được cấp vào ống tâm, còn ống giữa và ống ngoài tạo thành kênh vành khuyên dẫn nước làm mát. Phần dưới ống phun là mỏ phun bằng đồng từ 3 đến 4 lỗ phun Lavan, đường kính 30÷55mm với góc nghiên 8÷150 so với trục ống phun ( với lò dung tích lớn dùng ống phun 6 lỗ ) Trình tự mẻ luyện: khi lò hơi nghiên so với phương thẳng đứng thì liệu được đưa vào lò ( sắt thép vụn chiếm 20% ), và rót gang lỏng. Để điều chỉnh lượng và thành phàn xỉ người ta cho thêm các nguyên liệu tạo xỉ: đá vôi ( 5÷7% ), một ít quặng sắt, huỳnh thạch. Sau đó lò được quay về trạng thái cân bằng và đưa ống cấp oxy xuống. Khoảng cách giữa mỏ phun với bề mặt kim loại tùy thuộci dung tích lò, áp suất oxy, cấu tạo mỏ phun và dao động trong khoảng 800÷1500mm. Sau khi kết thúc quá trình oxy hóa gang và nung kim loại đến nhiệt độ cần thiết ( 1580÷16500C ), ngừng cấp oxy. Quay nghiên lò, rót thép, sau đó là xỉ vào gáo chứa, đồng thời cho thêm các chất hợp kim, chất khử oxy để tinh luyện thép theo thành phần mong muốn. 7.2.2. CHẾ ĐỘ NHIỆT Bản chất quá trình luyện thép là sự oxy hóa các tạp chất của kim loại bởi oxy của quặng sắt, oxy được thổi vào bể kim loại lỏng với phản ứng quan trọng nhất: phản ứng oxy hóa cacbon. Chính tốc độ oxy hóa cacbon sẽ quyết định tốc độ quá trình luyện thép trong lò LD. Khi thổi oxy vào bể lò sẽ xảy ra phản ứng sơ cấp đạt nhiệt độ 2200÷25000C. Do nồng độ oxy và nhiệt độ cao nên phản ứng oxy hóa các tạp chất xảy ra mãnh liệt: 2C+O2=2CO C+FeO=Fe +CO Si +O2=SiO2 Si +2FeO = SiO2 +2Fe Mn +O2=2MnO Mn +FeO =MnO +Fe Ngoài các phản ứng oxy hóa trên trong quá trình luyện gang thành thép còn xảy ra sự khử lưu huỳnh và phốt pho. Trong mẻ luyện thép có 50% nhiệt do gang lỏng mang vào và 50% nhiệt do phản ứng tỏa nhiệt ( trong đó có 60÷65% do phản ứng oxy hóa cacbon ) Hệ số sử dụng nhiệt của lò thổi oxy cao hơn nhiều so với phương pháp luyện thép khác. Hiệu suất nhiệt của lò đạt 70%, trong khi đó ở lò Mactanh chỉ đạt khoảng 30%. Ngoài ra, khí thải đi ra khỏi lò có nhiệt trị ( 10÷11,5)106J/m3 được đốt cháy hoàn toàn trong các nồi hơi sử dụng nhiệt. Ưu điểm chinhscuar lò LD là năng suất cao, không cần tiêu thụ nhiên liệu. Còn nhược điểm chính là chưa có khả năng sử dụng thép vụn với lượng lớn trong phối liệu. 7.3.LÒ ỐNG QUAY 7.3.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Hệ thống là ống quay sản xuất xi măng bao gồm bộ phận chuẩn bị và cung cấp nhiệu liệu, lò quay với các thiết bị truyền động, cấp nhiệt bên trong và bên ngoài lò, thiết bị làm nguội klinke, thiết bj thông gió và lắng bụi. Bộ phận chính của lò ống quay là thân lò làm bằng thép CT3, có độ dày 20÷70mm: đường kính D đến 7m hoặc lớn hơn; chiều dài L=40÷230m hay lớn hơn. Góc nghiên của lò 3÷50, số vòng quay 0,5÷9 vòng phút. Thân lò có thể chế tạo theo kiểu hàn hoặc tán rive. Đường kính lò thường có giá trị không đổi suốt chiều dài lò. Cũng có loại đường kính thu hẹp ở vùng phân tích với mục đích giảm khối lượng sắt thép và gạch chịu lửa. Trong vỏ thép là lớp lót xây bằng gạch chịu lửa, đảm bảo chịu mài mòn, nhiệt độ cao, ăn mòn hóa học, dao động nhiệt độ.. Theo chiều dài lò người ta dùng nhiều loại vật liệu khác nhau. Để tiết kiệm, có thể dùng gạch cách nhiệt giữa vỏ lò và gạch chịu lửa. Theo kích thước người ta phân loại lò ngắn (L/D32) Theo cấu tạo, phân loại lò có thiết bị trao đổi nhiệt ( TBTĐN ) bên trong và lò có TBTĐN bên ngoài. Theo phương pháp sản xuất xi măng, phân loại lò cho phương pháp ướt, phương pháp khô. Hình 7.5- Lò ống quay sản xuất xi măng theo phương pháp ướt Trên hình 7.5 trình bày loại lò quay phổ biến nhất theo phương pháp ướt. Thân lò 1 và vành lò 2, đặt trên con lăn chịu lực 3 dưới một góc 3÷40 và quay với tốc độ 0,5÷12 vòng/phút nhờ động cơ điện 4 qua hộp giảm tốc 5, bánh răng vành 6. Để hạn chế sự dịch chuyển của lò dọc theo trục, trên mỗi lò còn có con lăn chặn. Cơ cấu dẫn động phụ 7 được sư dụng khi sửa chữa, trong giai đoạn khởi động và ngừng lò. Nguyên liệu được đưa vào ống 8 bằng gầu hoặc phễu nạp liệu. Do sự quay và độ nghiên của thân lò, vật liệu sẽ di chuyển từ đầu cao ( nguội ) xuống đầu thấp ( nóng ). Từ phía đầu 9 nhiên liệu được cấp vào lò, sản phẩm cháy chuyển động ngược chiều với vật liệu. Bộ hàm lọc 10, mà che mạch 11, bộ trao đổi nhiệt 12 có nhiệm vụ làm tốt hơn sự truyền nhiệt và lọc bụi cho khí lò. Bụi được bơm khí nén đưa đến phễu 13, qua bộ phận tiếp liệu biên 14 vào phần bên trong lò. Hai đầu ống lò gắn với hai bộ phận cố định bằng các khớp đầu lò ( nhiều vòng kim loại lồng vào nhau, ống thép chun gắn vào phần cố định..) để đảm bảo độ kín. Đầu phía vùng nung là chỗ quan sát, điều khiển vòi phun nhiên liệu, đầu phía nguội là phòng lắng bụi. Để tăng cường trao đổi nhietj giữa khí với vật liệu nung, giảm nhiệt độ khói, trong lò còn có các thiết bị trao đổi nhiệt như: xích, cánh xới, bộ phận hâm..Thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài gồm 3 kiểu: thiết bị cô đặc bùn ( dùng cho phương pháp ướt ), băng xích TĐN và xyclon TĐN ( dùng cho phương pháp khô ). 7.3.2 CHẾ ĐỘ NHIỆT Trình tự các quá trình nung hỗn hợp liệu xi măng theo phương pháp ướt bao gồm: thoát hơi nước, nung nóng liệu, phân hóa các sản phẩm, giai đoạn tạo mới và làm nguội sản phẩm. Đoạn lò ở phía đầu nạp liệu, vật liệu được gia nhiệt tới 90÷1000C và thoát khoảng 90% lượng ẩm. Tiếp theo là vùng sấy mà trong đó có các thiết bị TĐN kim loại, nhiệt độ vật liệu tăng đến 200÷2500C. Sau đó là vùng dehydrat, nhiệt độ vật liệu lên tới 450÷5000C, các tạp chất hữu cơ trong liệu sẽ cháy và xảy ra phân hóa caolimit kèm theo sự sinh hơi nước dính kết hóa học. Đoạn lò tiếp theo, vật liệu có nhiệt độ 500÷7500C, gọi là vùng nung. Tiếp đến là vùng khử khí cacbonic (canxi hóa ), xảy ra sự phân hủy cacbonat canxi và manhe bắt đầu ở nhiệt độ gần 7000C và kết thúc khí hơn 900oC. Sau giai đoạn phân hóa là giai đoạn tạo mới. Vùng đầu trên trong giai đoạn này nhiệt độ tăng lên 13000C. Tiếp theo là vùng thiêu kết, nơi xảy ra sự nóng chảy các khoáng chất tạo thành trước đó, nhiệt độ vật liệu tăng đến 1400÷14700C. Ở trạng thái hai pha của vật liệu sẽ tạo thành klinke, chủ yếu là alit ( C3S ). Ở phía đầu ra liệu vùng thiêu kết giáp với vùng làm nguội, nhiệt độ klinke trước khi ra khỏi lò giảm xuống 1250÷10000C. Quá trình làm nguội kết thúc trong buồng làm mát, khi klinke ra khỏi đây, nhiệt độ của nó chỉ còn khoảng 50÷3000C. 7.4. LÒ ĐIỆN Lò điện được biên soạn thành giáo trình riêng, ở đây chỉ giới thiệu lò điện hồ quang trong công nghiệp sản xuất thép. 7.4.1.CẤU TẠO Trong lò điện năng lượng cung cấp để thực hiện quá trình công nghệ là điện năng. Môi trường khí lò có nhiệt độ cao, có thể là hoàn nguyên hoặc oxy hóa cho phép luyện thép có chất lượng cao với dung tích lò 50÷200T và là thiết bị cơ bản để sản xuất thép có chất lượng cao ( thép hợp kim ) từ sắt thép vụn, gang thỏi. Cấu tạo lò được trình bà trên hình 7.6. Bảng 7.3. các đặc tính cơ bản lò điện hồ quang Các thông số Dung tích lò, T 50 100 200 Công suất máy biến áp, W 20 40 65 Đường kính điện cực, m 0.5 0.55 0.61 Đường kình bề lò cỡ mức cửa, m 4.56 5.4 7.0 Chiều sâu bể lò, m 0.89 1.1 1.5 Chi phí điện năng, 106J/T 1590 1500 1400 Lò dùng dòng điện ba pha với ba điện cực. Buồng làm việc của lò gồm không gian lò và bể lò bán cầu, nóc tháo rời. Đáy lò được xay dựng bằng gạch manhedit, trên được đầm hỗn hợp bột manhe, hắc ín. Tường và nóc xây bawnngf gạch manhedit-cromit gắn vào vòng thép, phía ngoài có vỏ lò bọc. Trên nóc có 3 lỗ để dặt điện cực graphit. Lò có 1 đến 2 cửa để bồi dưỡng, sửa chữa, nắp cửa được làm mát bằng nước. Ở các lò lớn có các thiết bị chất liệu và nóc tháo rời nhờ cơ cấu riêng. Thiets bị quay lò đảm bảo cho lò có thể quay quanh trục đứng một góc 800 để thực hiện các quá trình rót gang, tháo xỉ, sửa lò.. Các điện cực dịch chuyển lên xuống nhờ cơ cấu nâng hạ. Ở thiết bị điện của lò phải có bộ chỉnh lưu để tăng tính tự cảm, tránh nguy cơ ngắt mạch của điện cực. Do có thiết bị điện tư để tạo sự xáo trộn kim loại lỏng nên vỏ lò cần chế tạo bằng thép không từ tính. Các đặc trưng cơ bản của lò hồ quang luyện thép được trình bày ở bảng 7.3 7.4.2. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC Quá trình luyện thép trong lò điện hồ quang như sau: vá vỏ, chất liệu, chảy lỏng phối liệu, giai đoạn oxy hóa, hoàn nguyên, tháo kim loại và xỉ. Giai đoạn vá lò thực hiện giữa hai mẻ luyện bằng phun bột manhedit lên đáy lò để tạo hình đáy bán cầu. Sau khi đưa liệu vào lò, đặt nóc vào vị trí, điện cực hạ xuống tới mức phối liệu và cấp điện. Mỗi điện cực tạo một hồ quang điện với nhiện độ khác nhau từ 20000C đến 80000C, tỏa nhiệt lượng lớn và kim loại bắt đầu nóng chảy. Theo mức chảy lỏng phối liệu, kim loại chảy xuống đáy lò, dưới điện cực tạo thành hốc trong phối liệu và dần hình thành giếng chứa điện cực và hồ quang. Giai đoạn này cần sử dụng toàn bộ công suất định mức của biến ấp lò, đồng thời hồ quang có chế độ cháy không ổn định, chiều dài hồ quang ngắn (10÷15mm ), công suất điện dao động đột ngột. Sau khi tạo giếng trong phối liệu ổn định, nóc lò với điện cực được nâng lên và quay vỏ lò một góc nhất định, tiếp tục tạo 3 giếng khác trong phối liệu. Sau đó cho lò quay theo chiều ngược lại để chảy lỏng phần phối liệu còn lại. Để tăng cường độ chảy lỏng phối liệu, có thể bổ sung các mỏ đốt khí oxy đặt trên tường lò. Cuối giai đoạn chảy lỏng, chiều dài hồ quang tăng lên, lượng nhiệt bức xạ từ bề mặt chảy lỏng tới nóc, tường lò tương đối lớn, vì thế cần giảm công suất máy biến áp (20÷30% ) để bảo vệ nóc. Giai đoạn hoàn nguyên bắt đầu khi hàm lượng cacbon trong bể đạt trị số yêu cầu. Xỉ oxit sắt được tháo ra, sau đó đưa vào lò lượng xỉ hoàn nguyên ( cho thêm bột cốc vào xỉ ) có hàm lượng canxi cao(>60%) rồi tiếp tục giai đoạn tinh luyện: khử oxy, lưu huỳnh đồng thời cho thêm vào bể lò các nguyên tố hợp kim Fero. Ở giai đoạn hoàn nguyên tiến hành việc xáo trộn kim loại nhờ thiết bị điện tử, công suất điện giảm 30÷40% so với định mức, ché độ điện ôn hòa. Ưu điểm của lò điện hồ quang là luyện được thép chất lượng cao, còn nhược điểm: tiêu tốn nhiều năng lượng điện ( xấp xỉ 800kw.h/T ). TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Văn Trí, Dương Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn – Lò Công Nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. Hà Nội 1999 Hoàng Kim Cơ, Phạm Kim Đĩnh, Lê Xuân Khuông - Kỹ Thuật Nhiệt Luyện Kim. Nhà xuất bản Giáo dục 1998 Hoàng Kim Cơ, Đỗ Ngan Thanh – Tính Toán Kỹ Thuật Nhiệt Luyện Kim. Nhà xuất bản Giáo dục 2001