Tài liệu De_tai_nhom_va_cong_nghe_day_cap_nhom copy

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội của đất nước, nhu cầu về sử dụng điện năng của người dân cũng ngày một tăng cao. Việc cải tạo, nâng cấp và xây dựng thêm các nhà máy điện còng nh các mạng truyền tải điện là một yêu cầu cấp thiết của ngành điện lực. Nhu cầu về dây cáp điện của các công ty điện lực và các công ty xây lắp điện do đó cũng tăng mạnh. Việc đầu tư trang thiết bị máy móc và dây chuyền sản xuất hiện đại để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nhằm cạnh tranh với các sản phẩm cáp ngoại nhập là nhiệm vụ cơ bản, hàng đầu được đặt ra với các công ty sản xuất cáp điện lực Việt Nam. Công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Để nâng cấp và hoàn thiện dây chuyền sản xuất dây cáp nhôm của mình nhằm tạo ra những sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao, công ty đã đầu tư và xây dựng thêm nhiều trang thiết bị máy móc mới. Một trong số đó là các lò điện trở có không khí tuần hoàn cưỡng bức để ủ các rulô cáp nhôm. Là sinh viên ngành Nhiệt – Lạnh, được giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế các lò điện trở này, em đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu đặc điểm kỹ thuật của các loại lò điện trở cũng như đặc tính của nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm ở nước ta để tìm ra phương án thiết kế cho phù hợp. Sau hơn 3 tháng thực hiện, được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS. TS. Phạm Văn Trí cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân, bản đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành. Nội dung chính của bản đồ án tốt nghiệp bao gồm: Chương 1. Nhôm và công nghệ sản xuất dây cáp nhôm. Chương 2. Tổng quan về lò điện và các loại lò điện trở. Chương 3. Chọn cấu trúc lò và tính toán các kích thước cơ bản của lò. Chương 4.Tính thời gian nung kim loại. Chương 5. Tính toán cân bằng nhiệt và xác định công suất điện của lò. Chương 6. Tính toán dây điện trở làm việc ở chế độ trao đổi nhiệt đối lưu Chương 7. Đo và khống chế chế độ nhiệt độ của lò. Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định thiết kế cấu trúc lò và đưa ra các thông số kỹ thuật của lò nhưng do lần đầu tiên được giao nhiệm vụ thiết kế, kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn hẹp nên không tránh khỏi sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của thầy cô và các bạn. Em xin gửi tới PGS. TS. Phạm Văn Trí, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, lòng biết ơn sâu sắc. Em xin gửi tới Ban giám đốc công ty cơ điện Trần Phú, Ban giám đốc công ty liên doanh cáp điện lực Daesung – Việt Nam, KS. Vũ Tuấn Anh, các thầy cô giáo trong Viện khoa học và công nghệ Nhiệt – Lạnh, gia đình và bạn bè, những người đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên em trong thời gian em thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này, lời cảm ơn chân thành. CHƯƠNG 1 NHÔM VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DÂY CÁP NHÔM 1.1. TÍNH CHẤT VÀ VAI TRÒ CỦA NHÔM TRONG ĐỜI SỐNG – KĨ THUẬT 1.1.1. Tính chất của nhôm Nhôm là nguyên tố hoá học thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần hoàn. Nhôm thuộc chu kì 3, có số hiệu nguyên tử Z = 13, kí hiệu hoá học Al. Nguyên tử Al có 13 electron với cấu hình điện tử e như sau: 1s22s22p63s23p1. Với cấu hình này, Al có 3 electron ở líp ngoài cùng (3 electron hoá trị) do vậy nhôm thường có hoá trị III (Al 3+).Tuy nhiên, nhôm cũng có hoá trị I (Al1+) và gần đây, người ta đã điều chế được nhôm hoá trị II (Al2+). Nhôm có bán kính nguyên tử 1,4 A0, bán kính ion 0,86 A0 và nguyên tử lượng là 26,98 đ.v.C. Do có 3 electron hoá trị nên trong các phản ứng hoá học nhôm thể hiện tính nhường e (tính kim loại). Với độ âm điện lớn, nguyên tử nhôm có hoạt tính rất mạnh. Nhôm có thể phản ứng với ôxi trong không khí và tạo thành một líp màng ôxit (Al2O3) máng, líp màng này rất bền vững nên líp nhôm ở bên trong không tiếp tục bị ôxi hoá. Vì vậy, nhôm có khả năng chống ăn mòn rất tốt. Còng do có hoạt tính rất lớn nên trong tự nhiên, nhôm thường tồn tại dưới dạng các hợp chất vô cơ như : muối phèn (K2SO4.Al2(SO4)3. 21H2O), quặng bôxit (Al2O3. nH2O), . . . Xét về mặt vật lí, nhôm là kim loại nhẹ (khối lượng riêng 2,7 g/cm 3), màu trắng bạc, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng (660 ữ 670) 0C . Nhôm rất dẻo, dễ dát mỏng và kéo sợi. Do có cấu tạo tinh thể dạng lập phương tâm diện, mật độ electron tù do lớn nên nhôm có độ dẫn nhiệt tốt. Độ dẫn điện của nhôm cũng rất tốt. Độ dẫn điện của nhôm bằng 2/3 độ dẫn điện của đồng. Hệ số dẫn nhiệt của nhôm lớn gấp 3 lần hệ số dẫn nhiệt của sắt. Các tính chất của nhôm như : tỉ trọng, nhiệt độ chảy, nhiệt độ sôi, nhiệt dung riêng, độ dẫn điện . . . phô thuộc rất nhiều vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm. - Nhiệt độ chảy: Nhiệt độ chảy của nhôm sẽ tăng khi độ sạch của nhôm tăng ( xem bảng 1. 1 ) . Bảng 1. 1: Quan hệ giữa hàm lượng và nhiệt độ chảy của nhôm. Hàm lượng [% Al] 99,2 99,5 99,6 99,9 99,996 Nhiệt độ chảy [0C] 657 658 658,7 659,8 660,24 - Tỉ trọng của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và nhiệt độ của nhôm (xem bảng 1. 2). Bảng 1.2: Quan hệ giữa tỉ trọng của nhôm với nhiệt độ và độ sạch. Tỉ trọng của nhôm Độ sạch Nhôm rắn ở 200C Nhôm lỏng ở 10000C 99,250 2,7270 2,3110 99,400 2,7060 2,2910 99,750 2,7030 2,2890 99,751 2,6960 2,2890 99,996 2,6989 2,2890 - Nhiệt độ sôi: Ở áp suất thường, nhiệt độ sôi của nhôm gần bằng 25000C, nhưng ở trong chân không thì nhiệt độ sôi giảm xuống (xem bảng1.3) Bảng 1. 3: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ sôi của nhôm. Áp suất [mm Hg] Nhiệt độ 0,002 5 1400 0,01 0,10 1,00 10,0 100 760 1000 2086 1480 1634 1880 2002 2382 2760 2830 3000 sôi [K] - Nhiệt dung riêng : Nhiệt dung riêng của nhôm thay đổi khi nhiệt độ thay đổi (xem bảng 1.4): Bảng 1. 4: Nhiệt dung riêng của nhôm trong khoảng 0 ữ 1000 0C. Nhiệt độ [0C] Nhiệt dung Nhiệt độ [0C] Nhiệt dung (trạng thái rắn) riêng [kJ/kg.K] (trạng thái lỏng) riêng [kJ/kg.K] 100 0,9456 657 1,634 200 0,9615 700 1,598 300 0,9987 750 1,565 400 1,3704 800 1,531 500 1,0100 900 1,482 600 1,0264 1000 1,444 657 1,0350 - Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nhôm tăng theo độ sạch (xem bảng 1. 5): Bảng 1. 5: Quan hệ giữa độ dẫn điện với độ sạch của nhôm. Độ sạch [% Al] Nhiệt độ [0C] Điện trở suất x 10-3 [Ώ.mm2/m] So với độ dẫn điện của đồng [%] 99,500 0 25,300 62,50 99,959 0 24,500 64,50 99,971 20 26,690 64,90 99,996 20 26,548 65,49 1.1.2. Vai trò của nhôm trong đời sống – kĩ thuật Nhôm là kim loại được sử dụng rộng rãi (sau sắt) trong nhiều ngành kinh tế - kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Những ứng dụng này của nhôm liên quan chặt chẽ đến tính chất vật lí và hoá học của nhôm. Nhôm và hợp kim nhôm có đặc tính: nhẹ, bền đối với không khí và nước. Nhôm được dùng làm vật liệu chế tạo máy bay, ô tô , tên lửa, tầu vũ trụ… Nhôm và hợp kim nhôm có màu trắng bạc được dùng trong xây dựng nhà cửa và trang trí nội thất. Nhôm có tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt nên được dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng . Nhôm được dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, dụng cụ đun nấu. Giấy nhôm không gây độc hại nên được dùng để bao gói thực phẩm, bánh kẹo. Bét nhôm dùng chế tạo hỗn hợp tecmic (hỗn hợp bột nhôm và ôxit sắt từ) để hàn kim loại, điều chế một số kim loại trong phòng thí nghiệm. Nhôm siêu sạch dùng để chế tạo bán dẫn Al - Sb. Loại bán dẫn này chịu được nhiệt độ cao nên được dùng nhiều trong kĩ thuật điện tử. 1.2. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT TIÊU THỤ VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁP NHÔM Ở NƯỚC TA HIỆN NAY 1.2.1. Tình hình sản xuất – tiêu thụ cáp nhôm ở nước ta hiện nay Hiện nay, ở nước ta, dây cáp nhôm được sản xuất bởi rất nhiều công ty như : Công ty cơ điện Trần Phú (Hà Nội), Liên doanh LG – Vina (Hải Phòng), Liên doanh CFT – Cadivi (Hồ Chí Minh), Liên doanh Daesung – Việt Nam (Cơ khí Yên Viên), . . . với nhiều chủng loại và mẫu mã khác nhau. Sản phẩm chủ yếu của các công ty này là: Cáp nhôm có lõi thép, cáp nhôm không có lõi thép, cáp nhôm có lõi thép bọc vỏ và cáp nhôm không có lõi thép bọc vỏ, các loại dây điện trần, dây điện bọc vá, . . . Các sản phẩm này có chất lượng tốt, mẫu mã đa dạng và phong phú nên không chỉ được thị trường trong nước chấp nhận mà còn rất được ưa chuộng ở nước ngoài. Sản phẩm của các công ty này đã được xuất khẩu sang : Đài Loan, Nhật Bản, Hàn Quốc,… với số lượng ngày càng tăng. Ở trong nước, với chiến lược phát triển mạng lưới điện quốc gia đến năm 2010 của ngành điện lực, nhu cầu tiêu thụ cáp điện của các công ty xây lắp điện cũng tăng mạnh. Chỉ tính riêng ở công ty cơ điện Trần Phú, lượng cáp điện được đặt hàng trong năm 2004 là: Cáp nhôm không lõi thép: 1200 tấn. Cáp nhôm có lõi thép: 600 tấn. Cáp nhôm bọc PVC: 8000 tấn. Nhu cầu về cáp điện của thị trường đối với các công ty khác cũng khá lớn. Đây là điều kiện rất thuận cho việc đầu tư sản xuất - kinh doanh của các công ty sản xuất dây cáp điện ở nước ta trong thời gian tới. 1.2.2. Công nghệ sản xuất dây cáp nhôm Để tạo ra những sản phẩm có chất lượng và hình thức đặc trưng, mỗi công ty đều có dây chuyền công nghệ, thiết bị sản xuất và công nghệ chế tạo riêng biệt khác nhau. Nhưng nhìn chung tất cả các sản phẩm do các công ty ở nước ta sản xuất đều trải qua các giai đoạn công nghệ sau: - Nhập nhôm thỏi từ nước ngoài về. - Nấu chảy nhôm thỏi trong lò. - Đúc cán nhôm 8 liên tục. - Kéo nhôm 8 thành 2 ( Henrich ). - Bện khung cứng. Dây chuyền công nghệ sản xuất cáp nhôm được trình bày trên hình 1.1: CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN VÀ LÒ ĐIỆN TRỞ. 2.1. LÒ ĐIỆN VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG CỦA LÒ ĐIỆN 2.1.1. Lò điện và đặc điểm của lò điện Lò điện là thiết bị biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nóng hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và các hợp kim khác nhau... Lò điện có ưu điểm: - Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong thể tích nhỏ. - Tạo ra được tốc độ nung lớn do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao. - Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ điều chỉnh chế độ điện và chế độ nhiệt của lò. - Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc trong môi trường có khí bảo vệ nên kim loại Ýt bị tổn hao. trong m«i trêng cã khÝ b¶o vÖ nªn kim lo¹i Ýt bÞ tæn hao. - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ liệu và vận chuyển vật phẩm . chuyÓn vËt phÈm . - Đảm bảo được điều kiện lao động hợp vệ sinh: không có bụi, khói, Ýt tiếng ồn. Điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ. Lò điện có nhược điểm: - Năng lượng điện đắt so với các năng lượng khác: than, dầu, khí... - Yêu cầu người vận hành lò điện phải có trình độ cao, nghiệp vụ tốt. 2.1.2. Lĩnh vực sử dụng của lò điện Với những ưu, nhược điểm của lò điện đã trình bày ở trên, lò điện được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật: - Trong luyện kim và chế tạo máy, lò điện có một vị trí quan trọng và thường được dùng để: thêng ®îc dïng ®Ó: + Sản xuất thép chất lượng cao. + Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. + Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo dây kéo sợi. - Trong công nghiệp hoá học lò điện được sử dụng để: + Sản xuất CaC2, SiC, B4C. + Sản xuất CS2, C2H2... + Sản xuất các kim loại kiềm thổ. - Trong các lĩnh vực công nghiệp khác: + Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được sử dụng để: sấy, mạ vật phẩm và chế biến thực phẩm. + Trong các lĩnh vực khác, lò điện được sử dụng để sản xuất: gốm, sứ, thuỷ tinh, các loại vật liệu chịu lửa... Ngoài ra, lò điện còn được sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt: bếp điện, nồi cơm điện, bình nước nóng, thiết bị nung, rán, sấy điện... 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN NĂNG THÀNH NHIỆT NĂNG Điện năng được biến đổi thành nhiệt năng theo các phương pháp sau : - Phương pháp điện trở. - Phương pháp cảm ứng. - Phương pháp hồ quang điện. - Phương pháp điện môi. - Phương pháp Plasma. 2.2.1. Phương pháp điện trở ( hình 2.1 ) Phương pháp điện trở dùa trên định luật Joule-Lence: Khi dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở R thì trên dây dẫn sẽ toả ra một lượng nhiệt, lượng nhiệt này được tính theo công thức: Q = R.I2.t [J] Trong đó: - R : điện trở của dây dẫn, [ ]. - I : cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn, [A]. - t : thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s]. Nguyên lý làm việc của lò điện trở được trình bày trên hình 2.1: Hình 2.1. Nguyên lý làm việc của lò điện trở. a - Đốt nóng trực tiếp. b - Đốt nóng gián tiếp 1 - Cầu dao điện. 4 - Vật liệu được nung nóng trực tiếp. 2 - Biến áp. 5 - Vật liệu được nung nóng gián tiếp. 3 - Đầu cấp điện. 6 - Dây điện trở. 2.2.2. Phương pháp cảm ứng ( hình 2.2 ) Phương pháp cảm ứng dùa trên định luật cảm ứng điện từ của Faraday: Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì tạo ra từ trường biến thiên xung quanh cuộn cảm. Từ trường biến thiên này tác động lên vật dẫn (vật nung hoặc nấu chảy) làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vật dẫn - dòng điện xoáy (dòng Fucô). Những phần của vật dẫn có dòng điện xoáy sẽ toả nhiệt. Những phần không có dòng điện xoáy chạy qua sẽ nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt hoặc đối lưu từ phần kim loại nóng có dòng điện xoáy chạy qua. Nguyên lý làm việc của lò điện cảm ứng được trình bày trên hình 2.2: 2 1 3 3 4 1 4 a) b) Hình 2.2. Nguyên lý làm việc của lò điện cảm ứng a. Lò điện cảm ứng có kênh. b. Lò điện cảm ứng kiểu nồi. 1. Mạch dẫn từ . 3. Nồi lò, chứa vật liệu cần gia công. 2. Vòng cảm ứng. 4. Tường lò bằng vật liệu chịu nóng. 2.2.3. Phương pháp hồ quang điện ( hình 2.3 ) Phương pháp hồ quang điện dùa trên nguyên lý phát nhiệt của ngọn lửa hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tượng phóng điện qua chất khí. Bình thường thì khí không dẫn điện, nhưng nếu ion hoá khí và dưới tác dụng của điện trường thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang. Người ta dùng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang để gia nhiệt cho vật nung hoặc nấu chảy. Nguyên lý làm việc của lò hồ quang điện được trình bày trên hình 2.3: H×nh 2.4. Nguyªn lý lµm viÖc cña lß hå quang ®iÖn. Hình 2.3. Nguyên lý làm việc của lò điện hồ quang a – Lò hồ quang trực tiếp. 1 – Điện cực. 2 – Ngọn lửa hồ quang. b – Lò hồ quang gián tiếp. 3 – Vật gia công nhiệt. 4 – Tường lò. 2.2.4. Phương pháp điện môi ( hình 2.4 ) Phương pháp điện môi dùa trên nguyên tắc: Nếu đặt các vật liệu rắn, không dẫn điện vào vùng điện trường có tần số cao thì các nguyên tử, các phân tử của vật đó sẽ bị phân cực. Sự phân cực này có tần số bằng tần số biến đổi của điện trường và tần số này thường rất lớn. Đối với sự phân cực có tần số lớn thì sẽ sinh ra nhiệt ma sát, nhiệt ma sát này toả ra trong toàn bộ thể tích của vật nung. Trong lò nung điện môi, vật liệu nung được đặt giữa các phần điện cực. Các điện cực này có thể tiếp xúc với vật nung hoặc đặt cách xa vật nung một khoảng nào đó. Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi được trình bày trên hình 2.4: Hình 2.4. Nguyên lý làm việc của lò nung điện môi. 2.2.5. Phương pháp Plasma ( hình 2.5 ) Phương pháp Plasma dùa trên nguyên tắc phát nhiệt Plasma: Đã là sự toả nhiệt trong luồng không khí được ion hoá dưới tác dụng của hồ quang điện. Do khí bị ion hoá và bị nén trong thể tích không lớn nên mật độ nhiệt rất cao và nhiệt độ đạt được cũng rất lớn (10000 20000) OC. Nguyên lý làm việc của lò điện Plasma được trình bày trên hình 2.5: 1. Bể lò kim loại. 2. Cuộn cảm để nung nóng và khuấy trộn kim loại. 3. Nồi lò bằng vật liệu chịu nóng. 4. Ngọn lửa hồ quang. 5. Èng bao quanh điện cực. 6. Điện cực graphit. 7. Đường thổi khí Argon. 8. Điện cực gắn vào nồi lò. Hình 2.5. Nguyên lý làm việc của lò điện Plasma. 2.3. PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN 2.3.1. Phân loại lò điện Theo phương pháp biến đổi điện năng thành nhiệt năng người ta chia lò điện thành các loại sau: - Lò điện trở. - Lò điện cảm ứng. - Lò điện hồ quang. - Lò nung điện môi. - Lò điện Plasma. Đối với từng loại lò người ta lại phân chia ra cụ thể hơn theo nguyên lý phát nhiệt hoặc theo cấu trúc lò. Lò điện trở được phân thành lò điện trở tác dụng trực tiếp và lò điện trở tác dụng gián tiếp. Lò điện cảm ứng phân thành lò điện cảm ứng có lõi sắt (lò điện cảm ứng có kênh) và lò điện cảm ứng không có lõi sắt (lò nồi). Lò điện hồ quang được phân thành lò điện hồ quang trực tiếp và lò điện hồ quang gián tiếp. 2.3.2. Sơ đồ phân loại lò điện Sự phân loại lò điện được trình bày trên hình 2.6 và hình 2.7 : lß ®iÖn Hình 2.6. Sơ đồ phân loại lò điện. lß kiÓu nåi lß ®iÖn c¶m øng lß ®iÖn plasma lß cã kªnh lß ®iÖn hå quang gi¸n tiÕp lß ®iÖn m«i trùc tiÕp gi¸n tiÕp trùc tiÕp lß ®iÖn trë 2.4. VẬT LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO DÂY ĐIỆN TRỞ 2.4.1. Yêu cầu của vật liệu chế tạo dây điện trở Dây điện trở là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao do đó phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Chịu nóng tốt, Ýt bị ôxi hoá ở nhiệt độ cao. - Có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao, có thể tự bền vững dưới tải trọng của dây. - Điện trở suất phải lớn: Tạo cho dây điện trở có cấu trúc gọn khi cùng đáp ứng một công suất yêu cầu, dễ dàng bố trí trong lò. - Hệ số nhiệt điện trở nhỏ: Hầu hết các vật liệu chế tạo dây điện trở đều có hệ số nhiệt điện trở nhỏ và dương (nhiệt độ càng cao, điện trở càng lớn). - Các kích thước phải ổn định : Mét số vật liệu, ngày càng chảy dài ra, đứng về mặt cấu tạo, lắp ráp không thuận lợi, khi xây lò và lắp ráp phải chừa chỗ dự phòng cho sự dãn dài của dây, như vậy không đạt yêu cầu chắc chắn. - Các tính chất điện phải ổn định hoặc Ýt thay đổi. - Dễ gia công: Kéo dây, dễ hàn, đối với vật liệu phi kim loại phải Ðp khuôn được. Để thoả mãn 7 yêu cầu trên, trong thực tế rất khó có vật liệu nào đáp ứng được, nhưng người ta đã chọn được một số vật liệu thoả mãn tốt các yêu cầu chính để chế tạo dây điện trở. Các vật liệu đó là: Crôm - Niken, Crôm Nhôm, Crôm - Nhôm - Sắt, Cacbuarun (SiC),... 2.4.2. Vật liệu kim loại Đa số các lò điện trở dùng dây điện trở bằng hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm), hợp kim Crôm - Nhôm - Sắt. Những hợp kim này có điện trở suất lớn. Các kim loại nguyên chất Ýt được sử dụng vì: điện trở suất của chúng không lớn, hệ số nhiệt điện trở lớn, dễ bị ôxi hoá trong không khí. Những kim loại có nhiệt độ chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta), Vonfram (W) được dùng làm dây điện trở trong các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. Trong những lò làm việc ở nhiệt độ thấp, chế độ làm việc ngắn thì có thể sử dụng thép xây dựng làm dây điện trở. a) Hợp kim Nicrôm Hợp kim Nicrôm có độ bền nóng tốt vì có líp màng crôm ôxit (Cr 2O3) bảo vệ rất chắc chắn, chịu được sự thay đổi nhiệt độ tốt nên có thể làm việc trong các lò có chế độ làm việc gián đoạn. Hợp kim Nicrôm có cơ lý tính tốt ở nhiệt độ thường cũng như nhiệt độ cao: dẻo, dễ gia công, dễ hàn, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở nhỏ, không có hiện tượng già hoá. Nicrôm là vật liệu đắt tiền nên người ta có khuynh hướng tìm các loại vật liệu khác thay thế. b) Hợp kim Sắt - Crôm - Nhôm Hợp kim này chịu được nhiệt độ cao, thoả mãn các yêu cầu về tính chất dẫn điện, nhưng có nhược điểm là: giòn, khó gia công, kém bền cơ học ở nhiệt độ cao. Vì vậy khi thiết kế cần lưu ý tránh tác động tải trọng của chính dây điện trở. Một nhược điểm nữa của hợp kim này là ở nhiệt độ cao dễ bị các ôxit sắt, ôxit silic tác dụng hoá học, phá hoại líp màng bảo vệ của các ôxit nhôm và crôm. Vì vậy, tường lò (ở những nơi tiếp xúc với dây điện trở) phải là vật liệu chứa nhiều Alumin (Al2 O3 ≥ 70%, Fe2O3 ≤ 1%) . Độ dãn dài của hợp kim này tới 30%  40% đã gây khó khăn khi lắp đặt dây trong lò, vì vậy cần tránh đoản mạch khi dây dãn dài và cong. Ở Liên Xô cũ, người ta đã chế tạo được hai hợp kim эи - 595 và эи - 626 có nhiệt độ làm việc đạt 13000C. Chúng là hợp kim Crôm có hàm lượng lớn, được biến tính bằng các kim loại kiềm thổ nên tăng độ dẻo ở 1000 0C, do vậy có độ bền cao. Các dây điện trở được tiêu chuẩn hoá khi sản xuất. Dây điện trở bằng hợp kim X13ю4; OX23ю5A; X27ю5A; X20H80 có các loại: Dây tròn có đường kính d [mm]: Đường kính 2 2,2 2,5 2,8 3 3,5 4 4,5 dây ( d ) [ mm ] 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 5 Dây điện trở có tiết diện hình chữ nhật (a x b) [mm x mm]: Tiết diện của 1,0x8 1,0x10 1,2x10 1,2x12 1,2x15 1,2x20 1,4x10 dây 1,4x15 1,4x20 1,5x10 1,5x12 1,5x15 1,5x20 1,8x15 1,8x18 1,8x20 2,0x15 2,0x20 2,0x25 2,2x20 2,2x25 2,5x20 2,5x25 2,5x30 2,5x40 3,0x25 3,0x30 3,0x40 (axb) [ mm x mm] Những kích thước được dùng phổ biến là: - Dây điện trở tiết diện tròn có cấu trúc xoắn lò xo: Đường kính dây : 5 ; 5,5 ; 6 ; 6,5 ; 7 [mm]. - Dây điện trở dạng lõi có cấu trúc dích dắc: Đường kính dây: 8; 8, 5; 9 [mm]. §êng kÝnh d©y: 8; 8, 5; 9 [mm]. - Dây có tiết diện hình chữ nhật có cấu trúc dích dắc : Tiết diện dây: 2 x 20; 2, 5 x 25 ; 3 x 30 [mm]. TiÕt diÖn d©y: 2 x 20; 2, 5 x 25 ; 3 x 30 [mm]. - Dây diện trở làm việc trong các lò có đối lưu tuần hoàn hoặc trong các buồng nung không khí thường có: Đường kính dây: 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 [mm]. Tiết diện dây: 1 x 10; 1, 2 x 12 ; 1,5 x 15 [mm x mm]. 2.4.3. Vật liệu phi kim loại Các vật liệu phi kim loại được sử dụng làm dây nung thường là: Cacbuarun (SiC), than và grafit , cripton. a) Vật liệu Cacbuarun Cacbuarun là hợp chất của cacbon và silic, được chế tạo dưới dạng thanh. Các thanh Cacbuarun chỉ khác nhau về cấu trúc và phương pháp chế tạo. Cacbuarun chịu được nhiệt độ cao 1350 14000C nên có thể đảm bảo cho lò đạt tới nhiệt độ 1350 1400 0C. Điện trở suất của Cacbuarun lớn hơn nhiều so với kim loại, chúng đạt tới (800 900) .mm2/m vì vậy các thanh Cacbuarun thường có kích thước lớn . Các thanh Cacbuarun giòn, tăng nhiệt độ nhanh khi nung nên phải sấy và nâng nhiệt từ từ. Điện trở của thanh Cacbuarun giảm khi nhiệt độ tăng. Khi làm việc, thanh nung Cacbuarun bị già hoá (điện trở tăng lên khi thời gian sử dụng tăng). Sau 60 80 giê làm việc đầu tiên, điện trở tăng 20%, sau đó tăng chậm hơn. Vì điện trở tăng dần do bị già hoá, nên để đảm bảo công suất, phải tăng điện áp cấp vào lò (P = U 2/R), cho nên lò làm việc với thanh Cacbuarun thường phải có máy biến áp nhiều nấc điện áp để điều chỉnh điện áp thứ cấp. Thời gian sử dụng các thanh nung Cacbuarun từ 1000 đến 2000 [h] khi nhiệt độ lò là 14000C. Nếu nhiệt độ lò cao hơn 14000C, thời gian làm việc giảm đi nhiều lần. Nếu nhiệt độ lò trong khoảng 1200 0C ữ 13000C thì thời gian làm việc tăng 2 ữ 3 lần so với ở 14000C. Do các thanh nung Cacbuarun bị già hoá khác nhau, ta không nên đấu nối tiếp các thanh nung Cacbuarun. Các đặc trưng kỹ thuật của các thanh nung Cacbuarun do Liên Xô sản xuất được trình bày ở bảng 2. 1: Bảng 2.1. Các đặc trưng kỹ thuật của thanh đốt SiC ( Liên Xô sản xuất). Kích thước [mm] Điện trở ban Diện tích bề đầu của thanh Chiều dài Đường Kiểu thanh đốt mặt làm ở điều kiện toàn thanh kính hai việc [cm2] nóng [Ώ] ( L ∑) đầu( D ) Thanh nung công nghiệp KHC – 25 x 300 406 236 0,77 ữ 1,75 KHC – 25 x 300 1120 25 236 1,10 ữ 1,55 KHC – 25 x 400 1120 25 314 1,20 ữ 1,80 KHC – 32 x 560 711 564 1,20 ữ 2,80 KHMB – 25 x 400 640 314 1,10 ữ 2,00 Dùng trong phòng thí nghiệm KHM – 8 x 100 270 14 25,1 1,0 ữ 2,0 KHM – 8 x 150 270 14 37,8 1,5 ữ 3,0 KHM – 8 x 150 320 14 37,8 1,5 ữ 3,0 KHM – 8 x 150 420 14 37,8 1,5 ữ 3,0 KHM – 8 x 180 300 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 180 350 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 180 400 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 180 480 14 45,2 1,8 ữ 3,6 KHM – 8 x 200 500 14 50,2 2,0 ữ 4,0 KHM – 8 x 250 450 14 62,5 2,5 ữ 5,0 KHM – 12 x 250 750 18 94,2 1,5 ữ3,0 KHM – 14 x 300 800 23 132 1,75 ữ 3,50 Dùng trong công nghiệp và phòng thí nghiệm KH - 12 x 200 280 75,4 4,4 ữ 9,0 KH - 12 x 200 320 86,5 4,5 ữ 9,0 KH - 16 x 230 320 115 4,5 ữ 9,0 Ghi chó: 1. Sai số điện trở không lớn hơn 4%. 2. Hai chữ số viết ở mác thanh đốt: - Chữ số thứ nhất là đường kính phần làm việc. - Chữ số thứ hai là chiều dài phần làm việc. b) Vật liệu than và grafit Than và grafit được dùng để chế tạo dây đốt dưới dạng thanh, ống, tấm hoặc nồi. Ta trộn thêm một lượng nhỏ samốt vào grafit để tăng độ bền, tăng điện trở suất, nhưng lại làm giảm nhiệt độ làm việc. Khi nung, than và grafit dễ bị ôxi hoá trong không khí nên thường được dùng trong các lò có khí bảo vệ hoặc tính toán với thời gian làm việc ngắn. c) Vật liệu Cripton Cripton là hỗn hợp của grafit, cacbuarun và đất sét. Chúng được tạo hạt có đường kính 2 3 mm. Ở dạng hạt, xuất hiện điện trở tiếp xúc giữa các hạt nên điện trở suất của Cripton lớn hơn điện trở suất của than và grafit. Điện trở suất của Cripton phô thuộc nhiều vào độ nén chặt giữa các hạt . Trong các lò thí nghiệm, nhiệt độ lò đạt 1800 0C. Cripton bị cháy dần khi làm việc, nhưng giá thành của lò rẻ và lò có cấu tạo đơn giản nên lò Cripton vẫn được sử dụng khá rộng rãi. 2.4.4. Cấu trúc của dây điện trở kim loại Trong các lò điện trở, dây điện trở thường có tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ nhật. Từ hai loại tiết diện này, người ta tạo ra các kiểu cấu tróc dây khác nhau: - Dây điện trở tròn có cấu trúc xoắn (xoắn trụ hoặc xoắn phẳng). - Dây điện trở tròn có cấu trúc dích dắc. - Dây điện trở tiết diện chữ nhật, cấu trúc dích dắc. Kích thước cơ bản của các loại dây được mô tả trên hình 2. 7: