Lò hầm: Công nghệ xử lý nhiệt liên tục trong sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Lò nung đường hầm là hệ thống gia nhiệt liên tục bao gồm một đường hầm dài, cách nhiệt, qua đó vật liệu được vận chuyển trong khi chịu sự xử lý nhiệt có kiểm soát. Loại lò chuyên dụng này cho phép xử lý nhiệt đồng đều thép và các sản phẩm kim loại khác khi chúng di chuyển qua các vùng nhiệt độ khác nhau trên hệ thống băng tải hoặc lò nung con lăn.

Lò nung đường hầm là công nghệ nền tảng trong sản xuất thép hiện đại, cho phép xử lý liên tục, khối lượng lớn, cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất so với lò nung từng mẻ. Chúng cho phép kiểm soát chính xác các chu trình gia nhiệt, ngâm và làm mát quan trọng để đạt được các đặc tính luyện kim mong muốn.

Trong bối cảnh rộng hơn của ngành luyện kim, lò nung hầm kết nối các hoạt động luyện thép chính và hoàn thiện sản phẩm cuối cùng bằng cách tạo điều kiện cho các quy trình xử lý nhiệt thiết yếu như ủ, chuẩn hóa và giảm ứng suất. Khả năng duy trì cấu hình nhiệt độ ổn định trong khi xử lý dòng vật liệu liên tục khiến chúng trở nên không thể thiếu trong các cơ sở sản xuất thép hiện đại.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Lò nung hầm hoạt động theo nguyên lý truyền nhiệt thông qua cơ chế bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt. Ở cấp độ vi cấu trúc, môi trường gia nhiệt được kiểm soát cho phép thao tác chính xác cấu trúc tinh thể của thép, tạo điều kiện cho các chuyển đổi pha cần thiết để đạt được các tính chất cơ học mong muốn.

Độ dốc nhiệt độ của lò tạo ra sự khuếch tán có kiểm soát của cacbon và các nguyên tố hợp kim khác trong cấu trúc vi mô của thép. Tính di động của nguyên tử này cho phép đồng nhất hóa, kết tinh lại, tinh chế hạt hoặc tăng trưởng hạt có kiểm soát tùy thuộc vào quy trình xử lý nhiệt cụ thể.

Các cơ chế vật lý bên trong lò nung đường hầm ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động lệch pha, quá trình tôi luyện kết tủa và chuyển đổi pha quyết định cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng của sản phẩm thép.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả hoạt động của lò hầm là mô hình truyền nhiệt kết hợp định luật dẫn nhiệt của Fourier, định luật làm mát của Newton và định luật Stefan-Boltzmann về bức xạ. Các nguyên lý này chi phối cách năng lượng nhiệt di chuyển từ các bộ phận gia nhiệt đến thép đang được xử lý.

Hiểu biết lịch sử về công nghệ lò nung đường hầm đã phát triển từ các khái niệm gia nhiệt đơn giản vào đầu thế kỷ 20 thành các hệ thống điều khiển theo vùng tinh vi với khả năng quản lý bầu khí quyển chính xác vào những năm 1960. Các mô hình động lực học chất lưu tính toán (CFD) hiện đại đã cải thiện hơn nữa hiểu biết của chúng ta về các mô hình dòng nhiệt.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để lập mô hình cấu hình nhiệt, mô hình động học phản ứng để kiểm soát khí quyển và mô hình chuyển đổi luyện kim dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình xử lý.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình xử lý lò hầm ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của thép bằng cách cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sắp xếp lại nguyên tử. Các chu trình gia nhiệt và làm mát được kiểm soát cho phép thao tác ranh giới hạt thông qua các cơ chế kết tinh lại, phục hồi và phát triển hạt.

Các chuyển đổi cấu trúc vi mô được tạo điều kiện thuận lợi bởi lò nung đường hầm bao gồm các chuyển đổi pha (austenit thành ferit, peclit, bainit hoặc martensite), kết tủa cacbua và hòa tan các pha không mong muốn. Những thay đổi này trực tiếp xác định các tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo và độ dai.

Nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản làm nền tảng cho hoạt động của lò nung đường hầm là mối quan hệ thời gian-nhiệt độ-biến đổi (TTT), mối quan hệ này kết nối các thông số xử lý với sự tiến hóa của cấu trúc vi mô và các tính chất vật liệu kết quả.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tốc độ truyền nhiệt trong lò nung đường hầm có thể được biểu thị như sau:

$$Q = hA(T_s - T_∞)$$

Trong đó $Q$ biểu thị tốc độ truyền nhiệt (W), $h$ là hệ số truyền nhiệt (W/m²·K), $A$ là diện tích bề mặt của vật liệu (m²), $T_s$ là nhiệt độ bề mặt (K) và $T_∞$ là nhiệt độ lò xung quanh (K).

Công thức tính toán liên quan

Hồ sơ nhiệt độ dọc theo chiều dài của lò hầm có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng:

$$T(x) = T_∞ + (T_i - T_∞)e^{-\frac{hP}{ṁc_p}x}$$

Trong đó $T(x)$ là nhiệt độ tại vị trí $x$ (K), $T_i$ là nhiệt độ ban đầu (K), $P$ là chu vi được nung nóng (m), $ṁ$ là lưu lượng khối lượng (kg/s) và $c_p$ là nhiệt dung riêng (J/kg·K).

Hiệu suất nhiệt của lò nung đường hầm có thể được tính như sau:

$$η = \frac{Q_{hữu ích}} {Q_{đầu vào}} = \frac{ṁc_p(T_{ra} - T_{vào})}{Q_{nhiên liệu}} $$

Trong đó $η$ là hiệu suất, $T_{out}$ và $T_{in}$ là nhiệt độ ra và vào (K), và $Q_{fuel}$ là năng lượng đầu vào từ nhiên liệu (W).

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định hoạt động ở trạng thái ổn định với sự phân bố nhiệt độ đồng đều trong mỗi vùng. Chúng trở nên kém chính xác hơn trong các điều kiện tạm thời như khởi động lò hoặc thay đổi tốc độ sản xuất.

Điều kiện ranh giới cần được cân nhắc cẩn thận, đặc biệt là tại các lối vào và lối ra của lò nung nơi mà tổn thất nhiệt là đáng kể. Các mô hình cũng giả định sự cách nhiệt hoàn hảo giữa các vùng, điều này hiếm khi đạt được trong thực tế.

Các mô hình toán học này thường giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất và bỏ qua các biến đổi về độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và độ phát xạ xảy ra khi thép trải qua quá trình chuyển đổi pha trong quá trình nung nóng.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM C1055: Hướng dẫn tiêu chuẩn về điều kiện bề mặt của hệ thống sưởi ấm gây ra thương tích do bỏng tiếp xúc - cung cấp hướng dẫn về nhiệt độ bề mặt an toàn và phương pháp thử nghiệm.

ISO 13577-1: Lò công nghiệp và thiết bị xử lý liên quan - An toàn - Phần 1: Yêu cầu chung đối với lò công nghiệp.

Quy trình đặc biệt CQI-9: Đánh giá hệ thống xử lý nhiệt - tiêu chuẩn của ngành công nghiệp ô tô nêu rõ các yêu cầu đối với khảo sát tính đồng nhất nhiệt độ của lò nung đường hầm.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Cặp nhiệt điện là thiết bị đo chính, thường là loại K hoặc loại N để đo nhiệt độ xử lý thép, được lắp đặt ở các vị trí chiến lược trong toàn bộ lò để theo dõi nhiệt độ.

Camera ảnh nhiệt hồng ngoại cung cấp khả năng đo nhiệt độ không tiếp xúc trên diện tích lớn hơn, giúp xác định các điểm nóng hoặc lạnh có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Các hệ thống tiên tiến sử dụng đầu dò oxy để theo dõi và kiểm soát thành phần khí quyển của lò, đặc biệt quan trọng đối với các quy trình đòi hỏi thế carbon cụ thể hoặc điều kiện oxy hóa/khử.

Yêu cầu mẫu

Các khảo sát về độ đồng đều nhiệt độ tiêu chuẩn yêu cầu tải thử nghiệm mô phỏng các điều kiện sản xuất, thường sử dụng các mẫu thử có gắn cặp nhiệt điện.

Các yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm loại bỏ cặn, dầu hoặc các chất gây ô nhiễm khác có thể ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt hoặc tạo ra các phản ứng không mong muốn trong bầu không khí của lò.

Các mẫu thử phải có khối lượng nhiệt đại diện cho vật liệu sản xuất để phản ánh chính xác tốc độ gia nhiệt và độ dốc nhiệt độ xảy ra trong quá trình hoạt động bình thường.

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ thử nghiệm tiêu chuẩn dao động từ 650°C đến 1250°C tùy thuộc vào quy trình xử lý nhiệt cụ thể đang được đánh giá. Điều kiện môi trường phải phù hợp với thông số kỹ thuật sản xuất về thành phần khí quyển.

Tốc độ vận chuyển vật liệu qua lò phải phù hợp với tốc độ sản xuất để đánh giá chính xác cấu hình nhiệt trong điều kiện vận hành.

Các thông số quan trọng bao gồm tính đồng nhất nhiệt độ trong các vùng (thường là ±5-10°C), tính ổn định của thành phần khí quyển và tốc độ băng tải hoặc con lăn ổn định.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm việc ghi lại nhiệt độ liên tục tại nhiều điểm trong lò và bên trong các mẫu thử, thường ở khoảng thời gian từ 1-10 giây.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán nhiệt độ trung bình, độ lệch chuẩn, giá trị tối đa/tối thiểu và tốc độ làm nóng/làm mát trên các vùng khác nhau.

Giá trị đồng nhất nhiệt độ cuối cùng được tính toán bằng cách so sánh nhiệt độ đo được với điểm đặt và xác định xem các biến thể có nằm trong phạm vi dung sai cho phép theo tiêu chuẩn hiện hành hay không.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi nhiệt độ điển hình	Loại quy trình	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Carbon Thấp	850-950°C	Ủ	Tiêu chuẩn ASTM A1011
Thép Cacbon trung bình	830-870°C	Chuẩn hóa	SAE J1268
Thép Cacbon Cao	750-800°C	Hình cầu hóa	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép hợp kim	900-1050°C	Austenit hóa	SAE J404

Sự thay đổi trong mỗi phân loại thường là kết quả của các nguyên tố hợp kim cụ thể làm thay đổi nhiệt độ chuyển đổi. Ví dụ, mangan và niken làm giảm nhiệt độ tới hạn trong khi crom và silic làm tăng nhiệt độ tới hạn.

Các phạm vi nhiệt độ này phải được diễn giải cùng với các yêu cầu về thời gian lưu trú, vì sự kết hợp giữa thời gian và nhiệt độ quyết định mức độ chuyển đổi cấu trúc vi mô. Các phần dày hơn cần thời gian dài hơn ở nhiệt độ để đạt được các đặc tính đồng nhất.

Một xu hướng đáng chú ý giữa các loại thép là hàm lượng hợp kim cao hơn thường đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn để đạt được các đặc tính mong muốn, trong khi mức thay đổi cho phép giảm khi hàm lượng hợp kim tăng.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến sự thay đổi nhiệt độ bên trong lò nung đường hầm khi thiết kế chu trình gia nhiệt, thường dành thêm thời gian để đảm bảo nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ mặt cắt ngang của vật liệu dày hơn.

Hệ số an toàn 1,2-1,5 thường được áp dụng cho tính toán thời gian lưu trú để thích ứng với các biến thể về thành phần vật liệu, độ dày tiết diện và kiểu tải lò.

Quyết định lựa chọn vật liệu cho các thành phần lò hầm phải cân bằng giữa hiệu suất nhiệt, độ bền và chi phí, trong đó vật liệu chịu lửa được lựa chọn dựa trên nhiệt độ vận hành tối đa và khả năng tương thích với khí quyển.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Sản xuất ô tô phụ thuộc rất nhiều vào lò nung đường hầm để xử lý nhiệt các bộ phận truyền động, bộ phận động cơ và các thành phần cấu trúc đòi hỏi tính chất cơ học chính xác và độ ổn định về kích thước.

Dây chuyền xử lý dải thép kết hợp lò nung hầm để ủ liên tục, mạ kẽm và các hoạt động phủ khác, trong đó việc kiểm soát nhiệt độ chính xác ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và độ bám dính của lớp phủ.

Sản xuất vật liệu xây dựng sử dụng lò nung đường hầm để gia công thanh cốt thép, hình dạng kết cấu và các sản phẩm tấm, nơi cần có năng suất cao và tính chất cơ học đồng nhất.

Đánh đổi hiệu suất

Hiệu suất năng lượng thường xung đột với tính đồng nhất của nhiệt độ, vì tốc độ tuần hoàn cao hơn sẽ cải thiện tính đồng nhất nhưng lại làm tăng mức tiêu thụ năng lượng do yêu cầu công suất quạt lớn hơn.

Năng suất sản xuất phải cân bằng với chất lượng gia nhiệt, vì tốc độ băng tải nhanh hơn sẽ làm tăng sản lượng nhưng có thể dẫn đến thời gian ngâm không đủ và tính chất không đồng đều.

Các kỹ sư phải cân bằng chi phí vốn ban đầu với hiệu quả hoạt động, vì việc kiểm soát khu vực tinh vi hơn và cách nhiệt tốt hơn sẽ làm tăng chi phí trả trước nhưng lại giảm mức tiêu thụ năng lượng dài hạn.

Phân tích lỗi

Nứt ứng suất nhiệt là dạng hỏng hóc thường gặp ở vật liệu chịu lửa trong lò nung đường hầm, do nhiệt độ thay đổi đột ngột hoặc sự giãn nở chênh lệch giữa các vật liệu liền kề.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu bằng sự hình thành các vết nứt nhỏ trong quá trình tuần hoàn nhiệt, tiến triển thành vết nứt có thể nhìn thấy, bong tróc và cuối cùng là hỏng cấu trúc của các thành phần chịu lửa.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế mối nối giãn nở phù hợp, lựa chọn vật liệu chịu lửa thích hợp có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp và thực hiện các quy trình gia nhiệt và làm mát có kiểm soát trong quá trình khởi động và tắt lò.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ xử lý cần thiết, trong đó thép có hàm lượng carbon cao hơn thường yêu cầu nhiệt độ austenit hóa thấp hơn để ngăn chặn sự phát triển quá mức của hạt.

Các nguyên tố vi lượng như bo có thể làm thay đổi đáng kể độ cứng, đòi hỏi phải điều chỉnh tốc độ làm mát bên trong hoặc sau lò nung đường hầm để đạt được các đặc tính mong muốn.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng nhiều yếu tố để đạt được nhiệt độ chuyển đổi tương thích với khả năng của lò nung hiện có trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu về tính chất cuối cùng.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn thường cho phép rút ngắn thời gian ngâm ở nhiệt độ cao, cải thiện năng suất lò và hiệu quả năng lượng.

Sự phân bố pha trước khi vào lò ảnh hưởng đến tính đồng nhất của quá trình gia nhiệt, với các cấu trúc không đồng nhất thường cần thời gian dài hơn để đạt được sự chuyển đổi hoàn toàn.

Các tạp chất và khuyết tật có thể hoạt động như những chất tập trung ứng suất trong quá trình gia nhiệt và làm nguội, có khả năng dẫn đến nứt hoặc biến dạng ở sản phẩm cuối cùng.

Xử lý ảnh hưởng

Các thông số xử lý nhiệt quyết định trực tiếp cấu trúc vi mô cuối cùng, với sự kết hợp nhiệt độ và thời gian được lựa chọn để đạt được các chuyển đổi pha cụ thể.

Quá trình gia công cơ học trước khi đưa vào lò nung hầm sẽ ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại, trong đó vật liệu bị biến dạng nặng sẽ kết tinh lại dễ dàng hơn ở nhiệt độ thấp hơn.

Tốc độ làm mát, đặc biệt là ở các phần làm mát của lò nung đường hầm, ảnh hưởng rất lớn đến các sản phẩm chuyển pha, quyết định xem austenit có chuyển thành ferit, peclit, bainit hay martensit hay không.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của vật liệu chịu lửa, nhiệt độ cao hơn sẽ đẩy nhanh các cơ chế xuống cấp như biến dạng, ăn mòn hóa học và mỏi nhiệt.

Thành phần khí quyển lò ảnh hưởng đến các phản ứng bề mặt, trong đó điều kiện oxy hóa có khả năng gây ra quá trình khử cacbon trong khi điều kiện khử có thể gây ra quá trình cacbon hóa.

Tiếp xúc lâu dài với bầu khí quyển của quá trình có thể dẫn đến sự phân hủy dần dần của vật liệu chịu lửa thông qua phản ứng với các chất dễ bay hơi như kim loại kiềm, lưu huỳnh hoặc clorua.

Phương pháp cải tiến

Những cải tiến về luyện kim bao gồm phát triển thành phần thép có cửa sổ xử lý rộng hơn, ít nhạy cảm hơn với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ.

Những cải tiến dựa trên xử lý bao gồm triển khai hệ thống đốt xung cho đầu đốt để cải thiện tính đồng đều của nhiệt độ đồng thời giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Việc tối ưu hóa thiết kế như cải tiến các gói cách nhiệt, đầu đốt phục hồi hoặc tái sinh và hệ thống bịt kín tiên tiến ở lối vào và lối ra của lò có thể cải thiện đáng kể hiệu suất nhiệt.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ liên tục là ứng dụng cụ thể của công nghệ lò nung tuynel để làm mềm và kết tinh lại dải thép cán nguội trong một quá trình liên tục.

Lò nung con lăn là thiết kế lò nung dạng đường hầm cụ thể, trong đó sản phẩm được vận chuyển trên các con lăn làm mát bằng nước thay vì băng tải hoặc dầm di động.

Lò nung là một dạng thiết kế trong đó vật liệu được nung nóng được tách ra khỏi sản phẩm đốt cháy bằng ống hoặc buồng bảo vệ, đảm bảo điều kiện xử lý sạch.

Các thuật ngữ này đại diện cho các ứng dụng chuyên biệt hoặc các biến thể thiết kế của khái niệm lò hầm cơ bản, mỗi thuật ngữ được tối ưu hóa cho các yêu cầu sản phẩm hoặc điều kiện xử lý cụ thể.

Tiêu chuẩn chính

ISO 13577 (Phần 1-4) cung cấp hướng dẫn toàn diện về an toàn lò công nghiệp, bao gồm các điều khoản cụ thể về thiết kế, vận hành và bảo trì lò đường hầm.

Đánh giá hệ thống xử lý nhiệt CQI-9 là tiêu chuẩn của ngành công nghiệp ô tô nêu rõ các yêu cầu chi tiết về kiểm soát quy trình, bao gồm tính đồng nhất nhiệt độ, làm nguội và bảo trì phòng ngừa.

Các tiêu chuẩn quốc gia như DIN 17052 (Đức) và JIS G 0303 (Nhật Bản) đưa ra các yêu cầu cụ thể cho từng khu vực có thể khác nhau về phương pháp thử nghiệm và tiêu chí chấp nhận.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cải thiện hiệu quả năng lượng thông qua công nghệ đầu đốt tiên tiến, hệ thống thu hồi nhiệt thải và các thuật toán điều khiển tinh vi giúp tối ưu hóa kiểu đốt.

Các công nghệ mới nổi bao gồm các hệ thống điều khiển dự đoán mô hình có thể dự đoán những thay đổi về tải và điều chỉnh các thông số lò một cách chủ động thay vì bị động.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ kết hợp nhiều hơn quá trình số hóa thông qua các cảm biến IoT, bản sao kỹ thuật số để mô phỏng quy trình và tối ưu hóa dựa trên AI để cải thiện hơn nữa hiệu quả năng lượng và tính nhất quán về chất lượng sản phẩm.