Cách thức lò khí truyền nhiệt từ ngọn lửa đến vật cần gia công quyết định chất lượng sản phẩm, hiệu suất năng lượng và phạm vi các quy trình mà lò có thể thực hiện. Ba phương pháp cơ bản — đốt trực tiếp, đốt gián tiếp có ống giảm âm và ống bức xạ — mỗi phương pháp đều có ưu điểm riêng, và việc lựa chọn sai phương pháp cho ứng dụng cụ thể sẽ dẫn đến các vấn đề về chất lượng, chi phí năng lượng quá cao, hoặc cả hai.
MONTE INTELLIGENCE cung cấp lò đốt khí với cả ba cấu hình. Bài viết này so sánh các thiết kế dựa trên các tiêu chí quan trọng đối với các hoạt động xử lý nhiệt.
Lò đốt trực tiếp sử dụng khí tự nhiên (hoặc khí nhiên liệu khác) đốt trực tiếp trong buồng đốt, và sản phẩm cháy — ngọn lửa và khí thải nóng — tiếp xúc trực tiếp với vật cần gia công. Các đầu đốt tạo lửa trong buồng đốt, khí nóng lưu thông xung quanh vật cần gia công (nhờ đối lưu tự nhiên hoặc quạt tuần hoàn), và khí thải thoát ra ngoài qua ống khói. Đây là cấu hình đơn giản và tiết kiệm năng lượng nhất vì không có rào cản nào giữa nguồn nhiệt và vật cần gia công — toàn bộ năng lượng đốt cháy đều được sử dụng để làm nóng vật cần gia công, ngoại trừ nhiệt lượng cảm ứng được truyền đi trong khí thải.
Hạn chế của phương pháp nung trực tiếp là phôi gia công tiếp xúc trực tiếp với môi trường khí thải. Sản phẩm cháy chứa carbon dioxide (CO2) và hơi nước (H2O) - cả hai đều có tính oxy hóa đối với thép ở nhiệt độ xử lý nhiệt. Thép được nung trong lò nung trực tiếp sẽ hình thành lớp oxit (lớp vảy cán) trên bề mặt. Đối với nhiều ứng dụng - như nung nóng trước khi rèn, tôi hóa, giảm ứng suất, ủ trước khi gia công - điều này có thể chấp nhận được vì lớp vảy sẽ được loại bỏ trong quá trình gia công tiếp theo hoặc không gây hại cho sản phẩm.
Phương pháp gia nhiệt trực tiếp không được chấp nhận khi chất lượng bề mặt là yếu tố cực kỳ quan trọng. Quá trình thấm cacbon, thấm cacbonitrit, tôi cứng bề mặt và bất kỳ quy trình nào yêu cầu hàm lượng cacbon cụ thể đều không thể chịu được môi trường sản phẩm cháy không kiểm soát. Đối với những ứng dụng này, sản phẩm cháy phải được tách biệt khỏi khối lượng công việc, dẫn đến việc sử dụng cấu hình gia nhiệt gián tiếp.
Lò nung gián tiếp sử dụng một ống cách nhiệt – một lớp vỏ bằng hợp kim hoặc gốm chịu nhiệt ngăn cách buồng đốt với buồng làm việc. Các đầu đốt hoạt động bên ngoài ống cách nhiệt, làm nóng thành ống, từ đó tỏa nhiệt vào vật cần gia công bên trong. Một bầu không khí được kiểm soát – khí thu nhiệt, hỗn hợp nitơ-hydro, v.v. – được duy trì bên trong ống cách nhiệt để bảo vệ vật cần gia công. Sản phẩm cháy không bao giờ tiếp xúc với vật cần gia công.
Ống nung là bộ phận quan trọng quyết định chất lượng của loại lò này. Đối với nhiệt độ lên đến khoảng 950°C, ống nung có thể được chế tạo từ hợp kim chịu nhiệt — thường là RA330, Incoloy 800HT, hoặc hợp kim niken cao cấp đúc — với tuổi thọ thiết kế từ 3-5 năm. Đối với nhiệt độ cao hơn, lên đến 1150°C, người ta sử dụng ống nung bằng silicon carbide, nhưng loại này dễ vỡ và đắt hơn. Ống nung chiếm một phần chi phí đầu tư đáng kể — thường là 15-25% tổng chi phí lò — và việc thay thế nó sau này là một khoản chi phí bảo trì lớn.
Điểm hao phí năng lượng của ống giảm nhiệt là sự giảm nhiệt độ trên thành ống. Để làm nóng buồng làm việc đến 850°C, nhiệt độ buồng đốt phải cao hơn — thường là 950-1050°C — để tạo lực đẩy cho quá trình truyền nhiệt qua ống giảm nhiệt. Nhiệt độ buồng đốt cao hơn đồng nghĩa với nhiệt độ khí thải cao hơn và tổn thất nhiệt lớn hơn, làm giảm hiệu suất nhiệt của lò nung từ 10-20% so với lò nung trực tiếp tương đương.
Hệ thống gia nhiệt bằng ống bức xạ là một biến thể của khái niệm đốt gián tiếp đã trở thành tiêu chuẩn cho các lò nung liên tục, bao gồm cả lò nung băng tải lưới. Thay vì một buồng đốt lớn duy nhất, lò nung sử dụng nhiều ống bức xạ — các ống hợp kim kín chạy xuyên qua buồng lò. Đầu đốt hoạt động bên trong ống, sản phẩm cháy di chuyển qua ống (thường có sự tuần hoàn bên trong để cải thiện độ đồng đều truyền nhiệt), và thoát ra ở đầu đối diện. Bề mặt ngoài của ống bức xạ nhiệt đến vật cần gia công.
Hệ thống ống bức xạ mang lại nhiều ưu điểm so với lò nung đơn. Các ống có thể được bố trí để cung cấp nhiệt đồng đều hơn — thường là theo hàng phía trên và phía dưới vật cần nung — so với lò nung đơn, vốn chủ yếu làm nóng từ hai bên và phía trên. Các ống riêng lẻ có thể được tháo ra và thay thế mà không cần mở buồng lò, giảm thời gian ngừng hoạt động để bảo trì. Đường kính ống đủ nhỏ (thường là 100-200 mm) để độ dày thành ống có thể ở mức vừa phải (5-8 mm) mà vẫn đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn đầy đủ.
Thiết kế ống bức xạ phổ biến nhất là ống chữ U: ngọn lửa từ đầu đốt đi vào một nhánh của chữ U, khí thải đi đến đầu kín và quay trở lại qua nhánh còn lại ra ống xả. Thiết kế này cung cấp khả năng truyền nhiệt tốt vì ngọn lửa có nhiệt độ cao nằm ở một nhánh và khí thải mát hơn ở nhánh kia, tạo ra nhiệt độ bề mặt ống đồng đều hơn so với thiết kế ống thẳng. Ống chữ W và ống hồi nhiệt một đầu (ống SER) được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu lượng nhiệt tỏa ra trên mỗi ống cao hơn.
Việc lựa chọn vật liệu ống phụ thuộc vào nhiệt độ lò nung. Đối với nhiệt độ lên đến 950°C, ống hợp kim đúc HK-40 (25% Cr, 20% Ni) hoặc HP (25% Cr, 35% Ni) cung cấp tuổi thọ sử dụng phù hợp. Đối với nhiệt độ cao hơn hoặc trong môi trường chứa khí cacbon hóa có thể gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại, cần sử dụng các hợp kim niken cao hơn hoặc ống gốm (cacbua silic). Tuổi thọ của ống trong điều kiện xử lý nhiệt thông thường dao động từ 2-5 năm, với các kiểu hỏng hóc bao gồm đứt gãy do biến dạng dẻo (do tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao dưới trọng lượng của chính ống), oxy hóa (thành ống mỏng đi từ phía buồng đốt) và cacbon hóa (hấp thụ cacbon làm giòn ống).
MONTE INTELLIGENCE đề xuất cấu hình gia nhiệt dựa trên nhiệt độ quy trình, yêu cầu về môi trường, khối lượng sản xuất và ngân sách đầu tư. Đối với các ứng dụng gia nhiệt sơ bộ và chuẩn hóa trong quá trình rèn, phương pháp đốt trực tiếp mang lại tỷ lệ chi phí/hiệu suất tốt nhất. Đối với xử lý nhiệt trong môi trường được kiểm soát, thiết kế ống bức xạ hoặc lò nung kín được chỉ định dựa trên hình dạng lò và nhiệt độ hoạt động.
Để được tư vấn cấu hình lò đốt khí phù hợp với quy trình cụ thể của bạn, vui lòng liên hệ helenxu@cnlymonte.com.
