Tổng quan về lịch sử phát triển của lò đứng

Chương : TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LÒ ĐỨNG I. CẤU TẠO CỦA LÒ ĐỨNG Các lò đừng từ lâu được sử dụng trong luyện kim để nấu lại các phế liệu chất lượng thấp như các lò nấu gang phế liệu, lò luyện thép. Trong đó, dùng để nấu lại hợp kim phế liệu là phổ biến. Nhưng trong thời gian dài chúng làm việc không thường xuyên cho năng suất thấp và nhược điểm cấu tạo. Sự khủng hoảng năng lượng đã thúc đẩy các nhà luyện kim nghiên cứu lò đứng dạng mới đảm bảo cho phân phối, xưởng đúc rạ các hợp kim tiêu chuẩn, đặc biệt là có thể kiểm soát được chất lượng hợp kim đúc, nâng cao chất lượng cho sản phẩm đúc. Việc nghiên cứu thực hiện tại nước Anh cho thấy rằng trong lò đúng thí nghiệm với chiều cao 1120mm và mặt cắt ngang có kích thước 230 x 250 (mm), nâng nhiệt độ nhôm cao hơn nhiệt độ nóng chảy không quá 10 – 20oC, lượng cháy hao nhôm khoảng 0,4% đối với liệu bình thường và 2,7% khi nấu lấy nhôm. Hiệu suất chung của các lò này từ 50,7 – 70,5%. Tiếp tục phát triển theo hướng này trong cấu tạo lò nấu có gắn cổ lưới kim loại nhôm nóng chảy qua đó mà rơi xuống buồng dưới. Nhưng cấu tạo này do cổ lưới nhanh chóng bị hỏng nên không tồn tại lâu. Từ kết quả của các công trình nghiên cứu hệ thống lò nấu nhôm thỏi và nhôm vụn công nghiệp đượcxây dựng tại một nhà máy ở Xcốtlen. Hình 1: Sơ đồ lò đứng Hệ thống lò này bao gồm lò đứng để nấu, lò tiền để giữ nhiệt và máy nâng nạp liệu có năng suất 1,5 – 1,6 tấn/h. (hình 1) - Tất cả các quá trình nạp liệu, nấu chảy và rót vào lò tiền được tự động hóa. Lò đứng có hiệu suất cao vào khoảng 50%, nhưng chúng vẫn tồn tại một số nhược điểm sau: + Nấu chảy trong buồn đốt trước nên dẫn đến việc cháy hao nhiều. + Thường xuyên bị đông đặc ở vùng lạnh của lò đứng (ở góc tường lò) dẫn đến việc treo liệu. Từ đó người ta đặt hệ thống đẩy đặc biệt. + Không có sự khuấy trộn kim loại thường xuyên nên làm giảm vận tốc trutyền nhiệt từ bể chứa đến liệu rắn ở trung tâm. Cấu tạo hoàn chỉnh hơn là lò đứng của nhiệt (hình 2) đã được phổ biến rộng rãi trong sản xuất. Ở Nhật có hơn 30 lò đứng, dạng như vậy đang làm việc với vận tốc nấu chảy lớn, được đảm bảo với nhiệt đối lưu từ bể đốt với ngọn lửa mạnh đặt phần dưới đầu tường thân đứng đến liệu và sử dụng nhiệt khí thải có hiệu quả. - Một số đặc tính của lò đứng dạng này: Năng suất lò: 1500kg/h Nhiệt độ rót kim loại: 750oC Năng suất béc đốt: KJ/h. - Béc chính (2 cái): 104,7.104 (KJ/h)/1 béc - Béc chính (1 cái): 167,4.104 (KJ/h) Aùp suất ga: 9,81.103 (Pa) Aùp suất không khí: 14,7.103 (Pa) Sau đây là các số liệu làm việc của lò Bảng thông số làm việc của lò Mẻ nấu thứ 1 Mẻ nấu thứ 2 Mẻ nấu thứ 3 Nhiệt độ nấu, oC 750 710 720 Thời gian nấu, phút 38 33 33 Nhiệt cung cấp x 4,186KJ 870145 775167 704637 Hiệu suất lò, % 41,2 44,7 49,6 Tiêu hao nhiệt x4,186KJ/tấn 580096 516778 469751 Chú thích: Lượng kim loại nấu chảy trong tất cả các mẻ là 1500Kg. cháy hao kim loại trong lò này khi nấu 100%, phế liệu là 1,8%. Các lò phán xạ đốt dầu mazut thì tỷ lệ cháy hao co hơn rất nhiều vào khoảng 3,8 – 4%. Thành phần khí cháy của lò dạng trên không có oxy tự do. Đây là một trong những nguyên nhân giảm cháy hao đáng kể của lò dùng nhiên liệu ga. Điều kiện quan trọng để lò đứng làm việc bình thường là phân bố liệu không đồng đều theo mặt cắt của thân đứng khi nạp liệu. II. Trước đây đã nhận thấy lò đứng ưu điểm hơn nhiều so với lò phản xạ. Nhược điểm chung của cấu tạo lò đứng là nấu chảy liệu ở trong buồng đốt trước nên dẫn đến cháy hao kim loại. Thay thế cho kiểu này là đặt máy của bể chứa và đáy của thành phần đứng lò cùng một mức có thể đạt được sự nấu chảy của liệu đã nung nóng trong nhôm lỏng, khi đó có thể loại trừ việc nấu chảy liệu trên mức kim loại lỏnáy của thành phần đứng lò cùng một mức có thể đạt được sự nấu chảy của liệu đã nung nóng trong nhôm lỏng, khi đó có thể loại trừ việc nấu chảy liệu trên mức kim loại lỏng. Sự trao đổi nhiệt trong quá trình nấu chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau: Hình 1: Sơ đồ truyền nhiệt (chèn hình) Nhiệt từ bét đốt đến kim loại theo hai con đường. 1. Đến kim loại lỏng qua bề mặt bể chứa 2. Đến liệu rắn trong thân đứng từ khí chảy Theo trình tự nhiệt thu được bởi mặt thoáng kim loại lỏng truyền qua ranh giới giữa pha lỏng và kim loại rắn rơi xuống nhôm lỏng bởi áp lực của cốt liệu, các liệu rắn này đã được nung đến nhiệt độ 300 – 400oC bởi nhiệt độ của khói thải. Trong chế độ tĩnh, bỏ qua sự truyền nhiệt qua bể xây, lượng nhiệt hấp thu bởi bề mặt chứa bằng nhiệt truyền từ kim loại lỏng đến liệu rắn. Xem mô hình là đẳng nhiệt với bề mặt, bể chứa 2 x 3m, nghiên cứu việc đặt béc đốt kiểu éA-102, ééB-100 (hình 2) ta có 1 số sơ đồ đặt béc sau: Hình : 1. Một béc đốt dạng éA-100 trên vòm lò 2. Hai béc đốt dạng ééB-100 trên vòm lò 3. Hai béc đốt dạng ééB-100. Trên tường lò đặt nghiêng 1 góc 15 – 17o so với bề mặt và song song nhau (một phương án đặt béc) và chéo nhau 1 góc 60o (phương án khác). Việc lắp đặt các béc dựa trên cơ sở nghiên cứu sự tác dụng tương hổ giữa các luồng phen sao cho truyền nhiệt có hiệu quả. Hình 2: Sơ đồ đặt béc (chèn hình) - Xác định phương án tối ưu của khoảng cách giữa các bét đốt với khoảng cách này sử dụng ba phương án đặt béc với khoảng cách chéo nhau. Béc đặt theo trục x, một béc đặt theo tại trung tâm lò với khoảng cách q = 100, 160 và 310mm so với trục của béc thứ 1. - Hệ số trao đổi nhiệt riêng trong các sơ đồ đặt béc khác nhau được thể hiện trong bảng sau: Bảng: So sánh hệ số trao đổi nhiệt riêng j trong các sơ đồ đặt béc khác nhau. Dạng béc Vị trí trên hình Sơ đồ đặt béc Hệ số trao đổi nhiệt riêng j ééA-102 1 Tại trung tâm vòm lò 14,7 ééB-100 3 Đặt ở đầu lò song song nhau và nghiêng 1 góc 15 – 17o so với mặt thoáng kim loại 21,6 ééB-100 4 Đặt ở đầu lò chéo nhau 1 góc 60o và nghiêng 1 góc 15 – 17o so với mặt thoáng kim loại 16,5 ééB-100 2 Đặt trên vòm, q = 100mm 29,0 ééB-100 2 Đặt trên vòm, q = 160mm 31,3 ééB-100 2 Đặt trên vòm, q = 130mm 26,3 Với dạng éA-100 thì đặt 1 béc, còn các trường hợp còn lại đặt hai béc. Phân tích kết quả nghiên cứu cho thấy hợp lý nhất là béc ééB-100 đặt trên vòm lò với khoảng các q = 160mm. - Cơ chế nấu liệu rắn trong kim loại lỏng được nghiên cứu rất ít. Khi nhúng các cục liệu vào kim loại lỏng, đầu tiên bề mặt ranh giới diễn ra sự đông đặc một phần một phần kim loại lỏng trong một thời gian còn khả năng thu nhiệt từ liệu và làm chảy liệu. - Sự trao đổi nhiệt trong phần thân đứng được gọi là chế độ phân lớp của sự trao đổi nhiệt ngược chiều xác định bởi bề mặt phát triển của liệu chịu tác động nhiệt có mặt tất cả các dạng trao đổi nhiệt (bức xạ, đối lưu và truyền nhiệt). Trong trường hợp này chưa xác định được phân tích cực của bề mặt thu nhiệt và các dạng truyền nhiệt gắn chặt với nhau nên rất khó phântích chúng. THỬ NGHIỆM LÒ NẤU NHÔM LIÊN TỤC Để nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt một cách tổng thể với các mục đích thu được những thông số nhiệt kỹ thuật và thông số công nghệ các nhà nghiên cứu luyện kim đã xây dựng và thiết kế mẫu lò buồng đứng thu nhỏ. Hình : Lò buồng đứng có dạng hộp chữ nhật (hình vẽ) bao gồm thân đứng và buồn dưới cung cấp nhiệt bởi 2 béc đốt với sự thổi không khí cưỡng bức, lượng không khí tối đa 21m3/h ở phía thân đứng liệu được nạp vào qua đỉnh lò. Theo mức độ chảy liệu, nhôm lỏng được rót liên tục qua lỗ rót vào khuôn kết tinh phục vụ cho các qui trình công nghệ tiếp theo: cán, dập, . Để khuấy trộn kim loại lỏng trong lò, ta bơm khí động học được gắn vào lò, sản phẩm cháy được đưa ra ngoài qua lỗ trên đỉnh phần thân đứng khí lò làm việc, nghiên cứu sự phụ thuộc năng suất lò và hiệu suất nhiệt vào lượng ga cháy và lò thí nghiệm thu được kết quả biểu diễn qua hình sau: Hình : Rõ ràng khi khuấy trộn kim loại lỏng trong quá trình nấu, năng suất của lò tăng 10 – 20% và tăng hệ số có ích 5 – 10%. Kết quả tính toán xác định hệ số truyền nhiệt theo thể tích trong phần thân đứng 35W/m3.K. Hệ số truyền nhiệt theo bề mặt là 4,64W/m2.K. Do hướng béc đốt vào kim loại từ vị trí đặt trên vòm lò, thu được hệ số truyền nhiệt tổng cộng qua bề mặt kim loại lỏng ẩ này gấp hai đến bốn lần cao hơn hệ số truyền nhiệt trong lò phản xạ. Trong thời gian nấu, lượng gas cung cấp 16m3/h, vận tốc của dòng khí thổi vào bề mặt kim loại lỏng lớn nên làm rách lớp bề mặt. Để xác định vận tốc thổi cho phép hay thông số khó liên quan là tỉ số khoảng cách từ miệng phun béc đốt đến bề mặt thoáng kim loại và đường kính miệng phun béc đốt l/do, có thể sử dụng công thức: wx: vận tốc dòng khí tại thời điểm gặp bề mặt kim loại wg: vận tốc dòng khí ra khỏi miệng phun béc đốt l: Khoảng cách từ miệng phun béc đốt đến bề mặt kim loại do: Đường ki1nh bụng phun béc đốt Theo số liệu thu được trên lò buồng đứng vận tốc dòng khí cho phép tối đa 20m/h nên có thể qui ra công thức tính khoảng cách từ miệng phun mẻ đốt đến bề mặt kim loại: l = (0,315wg – 1,9)do Theo công thức này có thể chọn chiều cao tối ưu của không gian lò, trong đó có thể đạt được hệ số truyền nhiệt tối đa và mặt khác sẽ giảm cháy kim loại tối thiểu. Hình : Công nghệ chuẩn bị các hợp kim nhôm biến dạng trong chế độ liên tục được thực hiện trên lò nấu đúc liên tục. Hệ thống bao gồm lò nấu liên tục dạng buồn đứng, hai lò tiền đốt bằng điện trở, bộ máy đúc thủy lực (hình ). Lò có dạng hình chữ nhật cơ bản theo chiều cao. Không gian làm việc gồm hai buồng riêng biệt thông với nhau trong phần dưới của thân đứng và buồng đo béc đốt gas đặt thẳng đứng từ vòm lò của buồng đốt qua vòm của tường ngăn đi vào thân đứng lò và sau đó vào hệ thống hút khói. Để khuấy trộn kim loại lỏng trong buồng đốt dùng các bơm khí động học. Kim loại lỏng từ lò tự cháy qua lổ rót đặt ở ngang mức nhôm trong cùng. Để thao tác trong buồng đốt, bên tường hông có đặt cửa lò. Nạp liệu vào phần đứng lò thực hiện theo chu kỳ bởi trục tải trục tải thùng nạp liệu. Phần trên của thân đứng có nắp đậy khi nạp liệu người ta mở ra. Để giảm nhiệt độ khói thải trước quạt hút khí trên lò đặt hệ thống thổi không khí vào phần trên của thân đứng. Sự khuấy trộn cưỡng bức kim loại lỏng thực hiện bởi các khí động lực, làm tăng quá trình nấu chảy, đồng thời làm đồng đều nhiệt độ và thành phần hóa lực trong toàn bộ thể tích buồng lò. Để xác định hiệu quả khuấy trộn kim loại lỏng trong buồng lò dưới béc đốt, người ta đo nhiệt động ở đáy lò, ở phần giữa và bề mặt của kim loại lỏng. Kết quả, dẫn ra phía dưới, khẳng định sự đồng đều nhiệt độ trong buồng lò không có liệu ở phần thân đứng. Nhiệt độ Không khuấy trộn Thực hiện khuấy trộn Đáy lò 692 674 Giữa lò 695 678 Mặt trên cùng 742 682 Trong quá trình thử nghiệm lò, xuất hiện các khuyết điểm sau của lò: Thường nạp liệu không đảm bảo sự phân bố liệu đồng đều theo phần thân đứng, bởi do đó ???? lớn của thân đứng và khói thả ra phần thân đứng thu một bên nên có phần tường lò và liệu ở vùng đó không được nung máy. Điều này dẫn đến sự xuống liệu trong phần thân không đều làm cản trở chế độ làm việc bình thường của lò. Hệ thống thổi không khí để làm giảm nhiệt độ khí thải trước quạt hút. Đồng thời việc thổi không khí và phần trên của thân đứng, do độ cao của thân đứng không lớn nên làm người liệu và hiệu suất nhiệt của lò. Công suất lò nhỏ và diện tích bề mặt tiếp xúc kim loại lỏng, liệu rắn lớn nên không thể được nhiệt độ nhôm lỏng, trong chế độ nấu liên tục có hiện tượng treo liệu. Việc tính cân bằng nhiệt của lò nấu liên tục với năng suất 2 tấn/h thực hiện theo kết quả đo các thông số của lò khi nấu chảy nhôm ??????. Dưới dây là các số liệu phân bố nhiệt có ích Q theo các giai đoạn nung nóng, nấu chảy, nâng cao nhiệt nhiệt độ nhôm lỏng. Tiêu hao riêng x 4,19 KJ/Kg Tiêu hao chung x 4,19KJ/h Tiêu hao chung % Nung nóng liệu trong phần thân đứng từ 0 đến 306oC 70,5 141,0 26,9 Nung nóng liệu trong lò từ 306oC đến 660oC 81,5 16+3,0 31,0 Nếu chảy liệu 92,4 184,8 35,2 Nâng nhiệt độ nhôm lỏng từ 660 đến 720oC 18,0 36,0 6,9 Tổng cộng 262,4 524,8 100,0 Trong quá trình xác định đặc tính nhiệt kỹ thuật, đáng giá được hệ số truyền nhiệt trong lò. Trong điều kiện nạo vào lò liệu có kính cỡ nhỏ, khối lượng cục 15Kg và tiêu hao gas trung bình av 720W/m3.K (Khối lượng chất liệu 1T/m3). Hệ số truyền nhiệt từ béc đốt và tường lò nung đỏ đến kim loại lỏng 208w/m2.K. Điều này đạt được do kết quả truyền nhiệt không ngừng khi đặt béc đốt thẳng đứng trên vòm lò của buồng đốt. Hệ số truyền nhiệt từ kim loại lỏng đến phần liệu trung tâm trong bể chứa nhiệt tính rất khó khăn do sự phức tạp của việc xác định bề mặt tiếp xúc có hiệu quả. Nếu công nhận bềm mặt tiếp xúc bằng diện tích mặt cắt ngang của bể chứa nhôm tại vòm chắn giữa buồng đốt và thân đứng thì hệ số truyền nhiệt gần 464W/m2.K. Do công suất nhiệt của lò nhỏ nên mức độ nung nóng kim loại lỏng nhỏ, bơm khí động lực để khuấy trộn được đóng điện trog thời gian ngắn việc kiểm tra cho thấy trên một phần hiện tính đáng kể của đáy lò trong buồng đốt có trải kim loại chưa ????lỏng. Trong điều kiện này được giải thích bởi sự trao đổi nhiệt, trao đổi đáng kể. Tất cả được giải thích bởi sự trao đổi nhiệt từ kim loại lỏng đến kim loại rắn thấp. Dựa trên các số liệu thu được có thể tính hiệu suất của lò: Hiệu suất của lò cho thấy mặc dù lò có những khuyết điểm như xuống liệu không đều, nạp liệu không đều theo mặt cắt của phần thân đứng, các chỉ số nhiệt của lò chiếm ưu thế hơn lò phản xạ. Để khắc phục các nhược điểm của lò, việc cải tạo lò được thực hiện bằng cách tăng công suất nhiệt của lò, giảm độ sâu của phần chứa nhôm đảm bảo được sự nung nóng đồng đều hiện trạng phần thân đứng. Ngoài ra còn tăng công suất bơm khuấy trộn kim loại lỏng. Sau khi cải tạo lò, trên hệ thống nấu đúc liên tục thực hiện một loạt nấu để xác định đặc tính công nghệ lò: Đo nhiệt độ ở phần chứa nhôm thân đứng, xác định tiêu hao gas. Aùp suất dưới vòm là điều chỉnh tự động. Trong thời gian chạy lò xác định định mức tất cả các nguyên công công nghệ. Năng suất lò khi nạp liệu đầy phần thân đứng 4,5T/h. Năng suất trung bình của lò từ lúc bắt đầu rót đến khi liệu trong phần thân đứng chảy hoàn toàn 4T/h. Đồ thị nhiệt độ khí thải đo được như hình 5. Chèn hình Trong chế độ làm việc ổn định với lượng tiêu hao gas 210m3/h hiệu suất lò đạt được 65%. Trong thời gian khởi động, hiệu suất trung bình cao hơn 60%. Cân bằng nhiệt theo sơ đồ hình 6. Khi cho lò chạy hết công suất không thấy hiện tượng treo liệu từ các thỏi nhôm có khối lượng 15gKg. Nhiệt độ liệu rắn trước khi nhúng vào nhôm lỏng không vượt quá 650oC, nhiệt độ khí đi ra khỏi thân đứng không vượt quá 350K. Trong trường hợp nạp vào thân đứng lò liệu có kích cỡ lớn (khối lượng 1T) nhiệt độ khí đi ra khỏi thân đứng tăng lên đến 570oC, hiệu suất lò giảm còn 45%.