Lò nhiệt độ cao: Loại, thành phần & thiết kế nhiệt

A lò nhiệt độ cao được xác định không chỉ bởi nhiệt độ hoạt động tối đa của nó mà bởi Toàn bộ hệ thống nhiệt—các bộ phận làm nóng, gói cách nhiệt, kết cấu buồng và hệ thống điều khiển—phải hoạt động đáng tin cậy và có độ đồng đều nhiệt độ chính xác ở nhiệt độ duy trì trên 1000°C . Thách thức kỹ thuật cơ bản là ở những nhiệt độ này, các vật liệu thông thường nhanh chóng hỏng hóc: các bộ phận làm nóng niken-crom bị oxy hóa và chảy xệ, gạch nung alumina-silicat trở nên dẫn điện và các cặp nhiệt điện không còn hiệu chuẩn nữa. Việc lựa chọn lò nung nhiệt độ cao cho một quy trình cụ thể—cho dù đó là nung gốm ở 1600°C, xử lý nhiệt kim loại ở 1200°C hay thử nghiệm vật liệu ở 1800°C—được điều chỉnh bởi sự tương tác giữa trần nhiệt độ yêu cầu, không khí trong buồng, mức độ ô nhiễm cho phép và tần suất chu kỳ nhiệt. Vật liệu của bộ phận làm nóng là yếu tố chính quyết định khả năng của lò, với các nguyên tố cacbua silic chiếm ưu thế trong phạm vi từ 1200°C đến 1550°C, các nguyên tố molypden disilicide bao phủ từ 1500°C đến 1800°C, và các nguyên tố than chì hoặc vonfram cần thiết cho nhiệt độ trên 1800°C trong môi trường bảo vệ hoặc chân không .

Vật liệu bộ phận làm nóng và vỏ bọc hoạt động của chúng

Bộ phận làm nóng là bộ phận chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt và truyền nó vào khối lượng công việc, đồng thời các đặc tính vật liệu của nó xác định nhiệt độ tối đa, khả năng tương thích với không khí và tuổi thọ của lò. Vật liệu phần tử phải có điểm nóng chảy cao, khả năng chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ vận hành, độ bền nóng đủ để hỗ trợ trọng lượng của chính nó và điện trở có thể dự đoán được không bị già đi đến mức không thể chấp nhận được trong suốt thời gian sử dụng của phần tử. Bảng dưới đây liệt kê các vật liệu làm phần tử gia nhiệt ở nhiệt độ cao có ý nghĩa thương mại phù hợp với phạm vi hoạt động thực tế và các hạn chế của chúng.

Các nguyên tố cacbua silic là đặc trưng của ngành công nghiệp lò nung nhiệt độ cao trong phạm vi 1200°C đến 1550°C vì chúng mang lại sự cân bằng thuận lợi về chi phí, tính sẵn có và hiệu suất trong không khí và môi trường trung tính. Các nguyên tố này được sản xuất bằng cách kết tinh lại các hạt cacbua silic ở nhiệt độ cao, tạo ra loại gốm xốp, tự liên kết có khả năng dẫn điện. Điện trở của phần tử SiC tăng theo thời gian sử dụng của nó —một hiện tượng được gọi là lão hóa—khi các ranh giới hạt bị oxy hóa và tiết diện dẫn điện hiệu dụng giảm đi. Tiêu chí cuối đời thường là điện trở tăng 100% so với giá trị ban đầu, tại thời điểm đó, phần tử không còn có thể cung cấp công suất định mức ở điện áp khả dụng. Nguồn điện của lò phải được thiết kế với các điểm điện áp trên máy biến áp để bù đắp cho hiệu ứng lão hóa này và điện trở của phần tử phải được theo dõi định kỳ để dự đoán tuổi thọ sử dụng còn lại. Một bộ phận hoạt động ở nhiệt độ 1550°C trong không khí có thể có tuổi thọ sử dụng từ 2.000 đến 4.000 giờ, trong khi bộ phận tương tự hoạt động ở 1300°C có thể kéo dài 10.000 giờ hoặc hơn, phản ánh mối quan hệ hàm mũ giữa nhiệt độ và tốc độ oxy hóa.

Hệ thống cách nhiệt: Sợi, gạch và vi xốp

Hệ thống cách nhiệt của lò nhiệt độ cao phục vụ hai mục tiêu trái ngược nhau: giảm thiểu tổn thất nhiệt từ buồng ra môi trường, đòi hỏi độ dày cách nhiệt tối đa và độ dẫn nhiệt tối thiểu, và giảm thiểu khối lượng nhiệt của lò, xác định tốc độ gia nhiệt và làm mát cũng như năng lượng tiêu thụ trong mỗi chu kỳ. Vật liệu cách nhiệt phải có độ dẫn nhiệt thấp ở nhiệt độ vận hành, độ bền nóng đủ để hỗ trợ trọng lượng của chính nó và khả năng chống lại không khí lò và bất kỳ chất dễ bay hơi nào phát sinh từ khối lượng công việc. Ba loại vật liệu cách nhiệt nhiệt độ cao chính và phạm vi ứng dụng của chúng như sau.

Chăn và bảng bằng sợi gốm

Sợi gốm alumino-silicat, được sản xuất bằng cách nấu chảy và tạo sợi hỗn hợp alumina và silica, là vật liệu cách nhiệt chủ yếu cho các lò nung nhiệt độ cao lên đến xấp xỉ 1400°C (nhiệt độ phân loại) . Sợi được sản xuất dưới dạng len số lượng lớn, chăn kim, tấm tạo hình chân không hoặc mô-đun tạo hình ướt. Độ dẫn nhiệt của chăn sợi gốm mật độ 128 kg/m³ ở 1000°C là xấp xỉ 0,25 đến 0,35 W/m·K , bằng khoảng một phần ba đến một nửa so với gạch chịu lửa cách nhiệt ở cùng nhiệt độ. Khối lượng nhiệt thấp của vật liệu cách nhiệt dạng sợi—nhiệt dung riêng nhân với mật độ của nó—cho phép lò nung nóng từ môi trường xung quanh đến 1200°C trong 30 đến 60 phút, so với vài giờ đối với lò lót gạch có công suất tương đương. Sự đánh đổi là sợi gốm dễ bị hư hại hơn do bị tấn công hóa học bởi chất trợ dung và hơi kiềm, đồng thời bề mặt sợi bị biến dạng và trở nên dễ vỡ sau khi tiếp xúc kéo dài trên nhiệt độ phân loại của nó. Đối với nhiệt độ trên 1400°C, sợi alumina đa tinh thể (PCW) có nhiệt độ phân loại là 1600°C được sử dụng, với chi phí cao hơn đáng kể.

Gạch chịu lửa cách nhiệt (IFB)

Gạch chịu lửa cách nhiệt là dạng vật liệu chịu lửa xốp, nhẹ được tạo ra bằng cách kết hợp các chất tạo lỗ chân lông dễ cháy—mùn cưa, hạt polystyrene hoặc carbon—vào đất sét chịu lửa hoặc thân alumina cháy hết trong quá trình nung, để lại một mạng lưới các lỗ chân lông kín. Nhiệt độ phân loại của IFB dao động từ 1260°C (Cấp 23) đến 1760°C (Cấp 32), với hàm lượng alumina tăng và mật độ tăng theo cấp nhiệt độ. IFB cấp 26 (phân loại 1430°C, 45% alumina) có mật độ xấp xỉ 780 kg/m³ và độ dẫn nhiệt là 0,35 W/m·K ở 1000°C. Khối lượng nhiệt cao hơn của lớp lót gạch so với sợi có nghĩa là làm nóng và làm mát chậm hơn nhưng mang lại độ bền cao hơn cho các lò nung chịu sự lạm dụng cơ học, môi trường mài mòn hoặc tải và dỡ các phôi nặng thường xuyên.

Cách nhiệt vi mô

Vật liệu cách nhiệt vi mô là hỗn hợp của các hạt silica bốc khói có kích thước dưới micron, chất làm mờ (thường là cacbua silic hoặc titan dioxide) để ngăn chặn sự truyền nhiệt bức xạ và sợi gia cố. Kích thước lỗ rỗng trong bột nén nhỏ hơn đường đi tự do trung bình của các phân tử không khí ở áp suất khí quyển, giúp ngăn chặn sự dẫn truyền khí và mang lại cho vật liệu khả năng dẫn nhiệt hiệu quả. 0,020 đến 0,030 W/m·K ở 800°C -thấp hơn độ dẫn nhiệt của không khí tĩnh. Các tấm vi xốp, có nhiệt độ sử dụng tối đa từ 1000°C đến 1100°C, được sử dụng làm lớp cách nhiệt phía sau lớp lót gạch hoặc sợi gốm mặt nóng để giảm tổng độ dày thành cho một tỷ lệ tổn thất nhiệt nhất định. Chúng đặc biệt có giá trị trong các lò nung nơi kích thước vỏ bên ngoài bị hạn chế bởi cơ sở hạ tầng hiện có hoặc nơi nhiệt độ vỏ bên ngoài thấp nhất có thể là yêu cầu về an toàn hoặc quy trình.

Khí quyển buồng: Vận hành không khí, khí trơ và chân không

Bầu không khí bên trong lò nhiệt độ cao quyết định môi trường hóa học trong đó các bộ phận làm nóng, vật liệu cách nhiệt và khối lượng công việc hoạt động. Một lò được thiết kế để vận hành bằng không khí có các bộ phận làm nóng và cách nhiệt tạo thành các lớp oxit bám dính, bảo vệ ở nhiệt độ. Cùng một lò không thể hoạt động trong môi trường khử mà không thay đổi việc lựa chọn nguyên tố và hóa học cách nhiệt. Ba loại khí quyển chính và ý nghĩa kỹ thuật của chúng là:

• Không khí (oxy hóa): Môi trường mặc định cho hầu hết các lò nung trong phòng thí nghiệm và công nghiệp. Các nguyên tố disilicide silicon cacbua và molypden tạo thành một lớp thủy tinh silica (SiO₂) bảo vệ trên bề mặt của chúng giúp hạn chế quá trình oxy hóa thêm. Vật liệu cách nhiệt bằng sợi gốm và gạch chịu lửa hoàn toàn tương thích. Hàm lượng oxy trong không khí hỗ trợ quá trình đốt cháy các chất kết dính hữu cơ và chất gây ô nhiễm từ khối lượng công việc, được thoát ra ngoài qua khí thải lò.
• Khí trơ (Nitơ, Argon): Được sử dụng để ngăn chặn quá trình oxy hóa khối lượng công việc—thường gặp trong xử lý nhiệt thép không gỉ, titan và kim loại phản ứng. Nitơ là sự lựa chọn kinh tế hơn nhưng phản ứng với một số vật liệu nhất định: nó tạo thành titan nitrit trên bề mặt titan và nó có thể phản ứng với các bộ phận làm nóng gốc silicon ở nhiệt độ trên 1300°C để tạo thành silicon nitrit, làm thay đổi điện trở của nguyên tố. Argon thực sự trơ với tất cả các vật liệu ở mọi nhiệt độ thực tế của lò và được chỉ định khi nitơ không tương thích về mặt hóa học với khối lượng công việc hoặc các bộ phận bên trong lò. Lò phải được thanh lọc để loại bỏ lượng oxy dư trước khi nung, thường yêu cầu Trao đổi thể tích 5 đến 10 buồng với khí trơ trước khi chu trình gia nhiệt bắt đầu.
• chân không: Cung cấp môi trường sạch nhất có thể để xử lý kim loại phản ứng, siêu hợp kim và gốm sứ tiên tiến. Mức chân không cần thiết tùy thuộc vào ứng dụng: độ chân không thô 10⁻² mbar là đủ để ngăn chặn quá trình oxy hóa thô của hầu hết các vật liệu; cần có độ chân không cao từ 10⁻⁵ đến 10⁻⁶ mbar cho các quy trình mà ngay cả lượng oxy hoặc hơi nước cũng sẽ làm suy giảm tính chất vật liệu. Vùng nóng của lò trong lò chân không thường được xây dựng từ vật liệu cách nhiệt bằng than chì và các bộ phận làm nóng bằng than chì, vì những vật liệu này ổn định trong chân không ở nhiệt độ rất cao và có áp suất hơi thấp. Hệ thống bơm chân không—bao gồm một máy bơm cánh quạt quay, một máy thổi rễ và một máy bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử cho chân không cao—phải có kích thước để đạt được thời gian bơm xuống cần thiết và để xử lý tải thoát khí từ lớp cách nhiệt và khối lượng công việc trong chu trình gia nhiệt.

Đo và kiểm soát nhiệt độ trên 1000°C

Đo nhiệt độ chính xác là nền tảng của quá trình xử lý nhiệt độ cao có thể tái tạo và cặp nhiệt điện là cảm biến chính cho nhiệt độ lên tới xấp xỉ 1700°C trong không khí . Các loại cặp nhiệt điện được sử dụng trong lò nhiệt độ cao và giới hạn ứng dụng của chúng là Loại K (chromel-alumel, lên đến 1200°C liên tục), Loại S (bạch kim so với bạch kim-10% rhodium, lên đến 1450°C liên tục), Loại B (bạch kim-6% rhodium so với bạch kim-30% rhodium, lên đến 1700°C liên tục) và Loại R (bạch kim so với bạch kim-13% rhodium, lên đến đến 1450°C liên tục). Loại B là lựa chọn tiêu chuẩn cho phạm vi 1500°C đến 1700°C trong không khí vì hàm lượng rhodium trên cả hai chân giảm thiểu sự di chuyển rhodium, đây là cơ chế trôi dạt chính trong cặp nhiệt điện Loại S và Loại R ở nhiệt độ cao.

Trên 1700°C, hoặc trong môi trường giảm khí quyển và chân không nơi cặp nhiệt điện bạch kim bị nhiễm bẩn và giòn, nhiệt kế hồng ngoại không tiếp xúc thay thế cặp nhiệt điện làm phương pháp đo chính. Hỏa kế hai màu (tỷ lệ) đo bức xạ nhiệt do mục tiêu phát ra ở hai bước sóng khác nhau và tính toán nhiệt độ từ tỷ lệ cường độ, giúp loại bỏ lỗi gây ra bởi sự thay đổi độ phát xạ và do sự suy giảm của đường quang do khói hoặc hơi. Nhiệt kế kế phải được nhìn qua cửa sổ trong suốt ở các bước sóng đo—thạch anh cho nhiệt độ lên tới 1100°C, sapphire cho nhiệt độ lên tới 1800°C và kẽm selenua hoặc canxi florua cho các ứng dụng chuyên dụng. Cửa sổ phải được giữ sạch sẽ và không có chất ngưng tụ, chất này sẽ hấp thụ bức xạ hồng ngoại và khiến nhiệt độ đo được ở mức thấp.

Bộ điều khiển nhiệt độ lò sử dụng một Thuật toán PID (tỷ lệ-tích phân-đạo hàm) để điều chỉnh công suất được cung cấp cho các bộ phận làm nóng để đáp ứng với sự chênh lệch giữa nhiệt độ đo được và điểm đặt. Các thông số PID phải được điều chỉnh theo các đặc tính nhiệt cụ thể của lò—khối lượng nhiệt, thời gian đáp ứng của bộ phận làm nóng và tốc độ thất thoát nhiệt—để đạt được khả năng kiểm soát ổn định mà không bị vọt lố khi khởi động hoặc dao động tại điểm đặt. Một lò được điều chỉnh tốt có thể duy trì độ đồng đều nhiệt độ từ ±1°C đến ±5°C trên khắp vùng làm việc, tùy thuộc vào thiết kế lò, phân vùng phần tử và sự hiện diện của quạt tuần hoàn để truyền nhiệt đối lưu ở nhiệt độ thấp hơn. Độ đồng đều nhiệt độ của vùng làm việc được xác minh bằng khảo sát độ đồng đều nhiệt độ (TUS) mỗi AMS 2750 (đối với xử lý nhiệt hàng không vũ trụ) hoặc theo thông số kỹ thuật quy trình hiện hành, trong đó nhiều cặp nhiệt điện khảo sát được đặt trong lò để lập bản đồ phân bố nhiệt độ tại điểm đặt quy trình.

Cung cấp và điều khiển điện: Thyristor, Máy biến áp và Hiệu suất năng lượng

Nguồn điện cho lò nhiệt độ cao phải cung cấp năng lượng được kiểm soát cho các bộ phận làm nóng trên nhiều điện trở của bộ phận, từ khả năng chịu lạnh thấp khi khởi động đến điện trở cao hơn ở nhiệt độ vận hành và phải tính đến sự lão hóa của các bộ phận cacbua silic trong suốt thời gian sử dụng của chúng. Việc kiểm soát công suất đạt được bằng cách Bộ điều khiển nguồn thyristor (SCR) điều chỉnh nguồn điện xoay chiều cho các phần tử bằng cách sử dụng điều khiển kích hoạt theo góc pha hoặc kích hoạt liên tục (không chéo). Việc nung góc pha mang lại độ phân giải điều khiển tốt hơn và được sử dụng khi thời gian phản ứng nhiệt của lò ngắn. Việc kích hoạt liên tục sẽ kiểm soát nguồn điện bằng cách bật và tắt các chu kỳ hoàn chỉnh của dạng sóng AC, giúp giảm nhiễu điện và sóng hài nhưng tạo ra đầu ra điều khiển thô hơn. Việc lựa chọn giữa hai chế độ phụ thuộc vào đặc tính điện của lò và độ nhạy của các yêu cầu về chất lượng điện năng của khu vực.

Đối với các lò nung sử dụng chất khử silic cacbua silic và molypden, máy biến áp đa điểm được đặt giữa bộ điều khiển công suất và các phần tử. Máy biến áp giảm điện áp cung cấp xuống mức điện áp thấp—thường là 10 đến 60 vôn—mà các phần tử có điện trở thấp yêu cầu và nhiều điểm nhấn cho phép tăng điện áp trong suốt tuổi thọ của phần tử để bù đắp cho sự tăng điện trở do lão hóa. Máy biến áp phải được định mức cho dòng điện đầy tải ở điện áp vòi tối đa và trở kháng của nó phải phù hợp với tải phần tử để tránh sụt áp quá mức. Đối với các lò công nghiệp lớn có công suất trên 100 kW, việc phân phối điện được phân vùng - buồng được chia thành các vùng gia nhiệt được điều khiển độc lập, mỗi vùng có cặp nhiệt điện, bộ điều khiển và nguồn điện riêng - để đạt được độ đồng đều nhiệt độ cần thiết trên toàn bộ khối lượng làm việc.

Các ứng dụng trên phổ nhiệt độ

Lò nung nhiệt độ cao rất cần thiết trong các ngành công nghiệp cần xử lý nhiệt ở nhiệt độ được kiểm soát trên 1000°C để phát triển các đặc tính vật liệu mong muốn. Các loại ứng dụng chính và phạm vi nhiệt độ điển hình của chúng là:

• Thiêu kết gốm (1200°C đến 1800°C): Sự cô đặc của bột gốm nén - alumina, zirconia, silicon nitride, silicon cacbua - bằng cách khuếch tán trạng thái rắn hoặc thiêu kết pha lỏng. Môi trường lò (không khí, nitơ, chân không) và đặc tính nhiệt (tốc độ gia nhiệt, thời gian dừng, tốc độ làm mát) rất quan trọng để đạt được mật độ mục tiêu, kích thước hạt và tính chất cơ học. Gốm sứ tiên tiến dành cho thiết bị điện tử, thiết bị cấy ghép y tế và áo giáp được nung kết trong lò nhiệt độ cao với khả năng kiểm soát khí quyển chính xác.
• Xử lý nhiệt kim loại (1000°C đến 1350°C): Việc làm cứng, ủ dung dịch và giảm ứng suất của thép công cụ, thép không gỉ, siêu hợp kim gốc niken và hợp kim titan. Lò phải cung cấp nhiệt độ đồng đều và, đối với nhiều hợp kim, một bầu không khí bảo vệ hoặc chân không để ngăn chặn quá trình oxy hóa bề mặt và khử cacbon.
• Liên kết hàn và khuếch tán (1000°C đến 1200°C): Việc nối các kim loại bằng cách sử dụng hợp kim phụ làm nóng chảy và chảy vào khe hở bằng tác động mao dẫn. Hàn nhiệt độ cao trong chân không hoặc khí quyển hydro được sử dụng cho các bộ trao đổi nhiệt hàng không vũ trụ, cánh tuabin và các bộ phận của lò phản ứng hạt nhân trong đó mối nối hàn phải duy trì độ bền ở nhiệt độ sử dụng.
• Kiểm tra vật liệu (lên đến 1800°C): Việc đo các đặc tính cơ học—độ bền kéo, độ rão, độ uốn và độ nén—ở nhiệt độ mà vật liệu sẽ trải qua khi sử dụng. Lò thử nghiệm phải có độ đồng đều nhiệt độ rất chặt chẽ và được trang bị máy đo độ giãn và cảm biến tải hoạt động chính xác ở nhiệt độ thử nghiệm.
• Quá trình thiêu kết luyện kim bột và ép phun kim loại (MIM) (1200°C đến 1450°C): Quá trình thiêu kết bột kim loại đã nén—thép không gỉ, thép công cụ, cacbua vonfram—đến mật độ gần như đầy đủ. Môi trường lò (hydro, nitơ-hydro hoặc chân không) rất quan trọng để giảm oxit bề mặt trên các hạt bột và kiểm soát hàm lượng carbon của phần thiêu kết.

Hệ thống an toàn và các mối nguy hiểm khi vận hành

Việc vận hành an toàn lò nung nhiệt độ cao đòi hỏi phải có các biện pháp kiểm soát kỹ thuật nhằm giải quyết các mối nguy hiểm về nhiệt độ cực cao, bầu không khí dễ cháy hoặc ngạt thở và khả năng hư hỏng vật liệu chịu lửa. Các hệ thống an toàn chính bao gồm một mạch bảo vệ quá nhiệt dự phòng sử dụng cặp nhiệt điện độc lập và bộ điều khiển được đặt ở nhiệt độ cao hơn điểm đặt quy trình nhưng thấp hơn nhiệt độ thiết kế tối đa của lò; nếu cặp nhiệt điện điều khiển chính bị hỏng hoặc bộ điều khiển gặp trục trặc, bộ điều khiển quá nhiệt sẽ cắt điện các bộ phận làm nóng. Mạch an toàn độc lập này là bắt buộc đối với hoạt động không có người giám sát và đối với các lò xử lý khối lượng công việc có giá trị trong đó một sự kiện quá nhiệt sẽ phá hủy sản phẩm và có thể là cả lò.

Đối với các lò hoạt động với môi trường dễ cháy—hydro, khí tạo thành hoặc khí thu nhiệt—cần có hệ thống an toàn bổ sung. Lò phải được làm sạch không khí bằng khí trơ trước khi đưa hydro vào và quá trình làm sạch phải được xác minh bằng máy phân tích oxy để xác nhận nồng độ oxy nằm dưới giới hạn nổ dưới. A ngọn lửa cháy hoặc chất đánh lửa có xúc tác tại ống xả lò đảm bảo rằng mọi hydro không phản ứng đều được đốt cháy an toàn trước khi nó đi vào khí quyển trong phòng. Đường cấp khí phải có van điện từ thường đóng, không đóng được do mất điện, dòng khí sẽ dừng ngay lập tức. Phải có thể tiếp cận được mạch dừng khẩn cấp có dây cứng để cắt tất cả dòng khí và năng lượng sưởi ấm từ vị trí người vận hành. Đối với lò chân không, rủi ro an toàn chính là nổ buồng chân không và buồng phải được thiết kế và chế tạo theo mã bình áp suất thích hợp—Bộ luật nồi hơi và bình áp suất ASME Phần VIII hoặc tiêu chuẩn quốc gia tương đương—với thiết bị giảm áp giúp ngăn không cho buồng bị tăng áp vượt quá giới hạn thiết kế.