Chức năng và lựa chọn vỏ lò chân không

Sep 11, 2025

Vỏ lò chân không không chỉ đơn thuần là một thùng chứa; đây là thành phần nền tảng quyết định tính toàn vẹn vận hành, độ an toàn và tuổi thọ của lò. Với vai trò là một rào cản kín, chức năng chính của nó là cách ly hoàn toàn buồng làm việc nhiệt độ cao với môi trường bên ngoài, từ đó tạo ra và duy trì môi trường chân không thiết yếu cho nhiều quá trình nhiệt học tinh vi. Nếu không có lớp vỏ chắc chắn này, các quá trình như hàn khuếch tán, xử lý nhiệt, thiêu kết và nấu chảy sẽ bị ảnh hưởng bởi sự nhiễm bẩn từ khí quyển, dẫn đến sản phẩm bị oxy hóa, yếu đi hoặc thất bại sẢN PHẨM . Thiết kế của thân lò là một sự cân bằng kỹ thuật tinh vi, dung hòa giữa các tải cơ học lớn, gradient nhiệt độ nghiêm ngặt và yêu cầu an toàn khắt khe, đồng thời còn đóng vai trò là khung cấu trúc chính để lắp đặt hầu như tất cả các bộ phận khác của lò.

Các chức năng chính và yếu tố thiết kế quan trọng

Các chức năng của vỏ lò chân không là đa dạng. Vai trò rõ ràng nhất của nó là làm một thiết bị chịu áp lực, được thiết kế để chịu được chênh lệch áp suất lớn. Trong quá trình vận hành, áp suất bên trong có thể thấp tới 10-6 mbar hoặc thậm chí thấp hơn, tạo ra áp suất khí quyển nén khoảng 1 bar (14,7 psi) trên mỗi inch vuông bề mặt. Ngược lại, trong quá trình nạp khí nhanh hoặc trong trường hợp rò rỉ nước làm mát, nó phải có khả năng chịu được áp suất dương bên trong. Để quản lý các lực này, vỏ luôn được thiết kế như một thiết bị chịu áp lực theo đúng các tiêu chuẩn quốc tế như ASME Boiler and Pressure Vessel Code.

Thứ hai, vỏ lò cung cấp chức năng Quản lý Nhiệt độ quan trọng. Các thành phần bên trong của lò và bản thân tải làm việc hoạt động ở nhiệt độ cực cao, thường vượt quá 1300°C. Để bảo vệ độ bền cấu trúc của chính vỏ lò và đảm bảo an toàn cho nhân viên cũng như thiết bị xung quanh, vỏ lò được thiết kế phổ biến dưới dạng cấu trúc hai lớp. Khoang trống giữa hai lớp tường trong và ngoài được tuần hoàn bằng nước làm mát, giúp hiệu quả thu nhiệt bức xạ đi qua thành trong. Thiết kế này ngăn ngừa bề mặt ngoài của vỏ đạt đến nhiệt độ nguy hiểm và giảm thiểu các ứng suất nhiệt có thể gây cong vênh hoặc hư hỏng do mỏi theo thời gian.

Cuối cùng, vỏ đóng vai trò là xương sống cấu trúc của toàn bộ hệ thống lò. Nó hỗ trợ trọng lượng của các yếu tố cách nhiệt và sưởi ấm vùng nóng, khối lượng công việc và hệ thống vận chuyển của nó, các cổng bơm chân không, cổng xem, đường truyền điện và các đường thâm nhập nhiệt cặp. Nó phải có độ cứng và sức mạnh đủ để chống biến dạng dưới trọng lượng của chính nó và những tải trọng được gắn, đảm bảo rằng sự sắp xếp chính xác của các thành phần bên trong được duy trì và các niêm phong cửa vẫn được ghép hoàn hảo.

Cấu trúc: Tàu làm mát bằng nước có hai bức tường

Cấu tạo điển hình hai lớp (hoặc có áo bọc) là tiêu chuẩn công nghiệp vì một lý do chính đáng. Lớp trong là hàng rào phòng thủ đầu tiên, chịu tác động của môi trường nhiệt độ cao và chân không. Lớp này được thiết kế mỏng nhất có thể để giảm thiểu khối lượng nhiệt và trọng lượng, nhưng đủ dày để chống lại hiện tượng cong vênh do áp suất khí quyển. Lớp ngoài cung cấp độ bền kết cấu chính và chứa nước làm mát. Khoảng trống giữa hai lớp được lấp đầy bởi các tấm chắn hoặc miếng đệm giữ khoảng cách ổn định, thúc đẩy dòng chảy xoáy của nước nhằm truyền nhiệt hiệu quả hơn, đồng thời tăng độ cứng vững cho toàn bộ cấu trúc.

Các lỗ mở trên thân vỏ, dùng cho cửa, cửa sổ quan sát và các điểm xuyên qua, là những vị trí yếu tiềm tàng. Những khu vực này được gia cố cẩn thận bằng các bích lớn và các tấm đậy dày. Gioăng cửa, thường là vòng đệm đàn hồi O-ring đường kính lớn (như Viton) hoặc gioăng kim loại trong các ứng dụng nhiệt độ cao, đóng vai trò then chốt. Thiết kế bích phải đảm bảo áp suất đồng đều lên gioăng này để đạt được và duy trì độ kín khí yêu cầu. Hình dạng của thân vỏ—tròn hay chữ nhật—cũng là một quyết định quan trọng. Thân vỏ hình trụ có độ bền vốn dĩ cao hơn dưới áp lực và được ưu tiên sử dụng cho các lò lớn hơn, vì chúng chống biến dạng hiệu quả hơn với lượng vật liệu ít hơn. Thân vỏ hình chữ nhật thường được chọn cho các lò nhỏ hơn hoặc trong trường hợp tối ưu hóa không gian trong nhà máy là yếu tố then chốt, nhưng cần được gia cố đáng kể bằng các gân tăng cứng và các tấm dày hơn để ngăn hiện tượng phồng rộp.

Lựa chọn vật liệu: Thép carbon so với thép không gỉ

Việc lựa chọn vật liệu xây dựng là một quyết định kỹ thuật và kinh tế quan trọng, chủ yếu được rút gọn thành hai cấu hình phổ biến:

Cấu tạo hoàn toàn bằng thép carbon: Đây là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất. Thép carbon (như ASTM A36 hoặc A516) có độ bền cơ học tuyệt vời và dễ gia công. Đối với phần lớn các ứng dụng lò chân không nơi quá trình chính là khô (ví dụ: tôi, ủ, hàn trong môi trường không có hydro), và môi trường bên trong sạch, thép carbon là hoàn toàn phù hợp. Điểm yếu chính của nó là khả năng chống ăn mòn kém. Độ ẩm từ không khí, khí thải quy trình còn sót lại, hoặc rò rỉ nước làm mát nhỏ có thể dẫn đến hiện tượng gỉ sét trên bề mặt bên trong. Gỉ này có thể hoạt động như một khe rò ảo, từ từ giải phóng hơi nước vào buồng chân không trong quá trình bơm chân không, làm tăng đáng kể thời gian cần thiết để đạt được áp suất cơ bản và có thể gây nhiễm bẩn cho quá trình.

Cấu tạo có lớp lót hoặc lớp phủ bằng thép không gỉ: Trong cấu hình này, thành trong của vỏ được làm bằng thép không gỉ (thường là loại 304 hoặc 316L), trong khi thành ngoài chịu lực vẫn là thép carbon. Lớp lót bằng thép không gỉ có thể là một tấm mỏng được hàn vào nền thép carbon, hoặc trong các thiết kế tiên tiến hơn, có thể sử dụng tấm phủ liên kết nổ. Ưu điểm chính của thép không gỉ là khả năng chống ăn mòn vượt trội. Điều này khiến nó trở thành lựa chọn bắt buộc cho các quá trình liên quan đến môi trường ăn mòn mạnh, chẳng hạn như những quá trình sử dụng vật liệu hàn chảy hoạt tính phát thải các hợp chất fluoride dễ bay hơi, hoặc trong các lò thiêu kết nơi khí thoát ra từ chất kết dính dư có thể gây ăn mòn. Ngoài ra, nó hoàn toàn loại bỏ vấn đề rò rỉ ảo do gỉ sét, đảm bảo thời gian hút chân không nhanh hơn và môi trường quy trình sạch hơn, điều này rất cần thiết để đạt được độ chân không rất cao hoặc để xử lý các vật liệu cực kỳ phản ứng như titan hoặc zirconium.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lựa chọn

Quyết định giữa việc sử dụng vỏ bằng thép cacbon toàn phần hay vỏ có lớp lót inox không phải là tùy ý; quyết định này được đưa ra dựa trên phân tích cẩn thận một số yếu tố:

Yêu cầu Quy trình: Bản chất của quá trình nhiệt là yếu tố cân nhắc hàng đầu. Các quy trình đòi hỏi độ tinh khiết cao, các quy trình liên quan đến kim loại phản ứng, hoặc bất kỳ ứng dụng nào mà hơi nước là chất gây nhiễm bẩn đều thiên về sử dụng lớp lót bằng thép không gỉ.

Nhu cầu Chống ăn mòn: Nếu lò sẽ tiếp xúc với độ ẩm trong thời gian ngừng hoạt động, hoặc nếu thành phần hóa học của quá trình được biết là tạo ra sản phẩm phụ ăn mòn, thì việc đầu tư vào thép không gỉ là hợp lý để đảm bảo độ tin cậy lâu dài và tránh thời gian ngừng hoạt động tốn kém để tẩy gỉ và làm sạch.

Mức độ chân không và Thời gian bơm giảm áp: Đối với các ứng dụng yêu cầu áp suất nền rất thấp (chân không cao, 10-6 mbar và thấp hơn), vỏ có lớp lót inox gần như luôn luôn cần thiết để giảm thiểu hiện tượng thoát khí và đạt được mức chân không yêu cầu trong thời gian hợp lý.

Tổng chi phí sở hữu (TCO): Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của thân vỏ bằng thép carbon thấp hơn, nhưng cần xem xét tổng chi phí sở hữu. Một thân vỏ có lớp lót inox có thể có chi phí ban đầu cao hơn nhưng có thể mang lại tiết kiệm trong suốt vòng đời nhờ giảm bảo trì, ít sự cố quy trình do nhiễm bẩn và năng suất tổng thể cao hơn.

Tóm lại, vỏ lò chân không là một bộ phận được thiết kế tinh vi, việc lựa chọn nó có vai trò then chốt đối với thành công của toàn bộ hệ thống xử lý nhiệt. Thiết kế dạng hai lớp, làm mát bằng nước giúp giải quyết các thách thức cơ bản về chứa áp suất và quản lý nhiệt. Việc lựa chọn giữa kết cấu thép cacbon và thép không gỉ là sự cân nhắc chiến lược giữa chi phí đầu tư ban đầu và hiệu suất dài hạn, hoàn toàn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, chất lượng chân không cần thiết, cũng như nhu cầu về độ tinh khiết và độ tin cậy trong vận hành. Vỏ lò chân không không chỉ đơn thuần là một cái hộp chứa; nó là bộ phận nền tảng xác định tính toàn vẹn vận hành, an toàn và tuổi thọ của lò. Với vai trò là một rào cản kín, chức năng chính của nó là cách ly hoàn toàn buồng làm việc ở nhiệt độ cao khỏi môi trường bên ngoài, từ đó tạo ra và duy trì môi trường chân không quan trọng cần thiết cho nhiều quá trình nhiệt phức tạp. Nếu không có lớp bao bọc chắc chắn này, các quá trình như hàn khuếch tán, xử lý nhiệt, thiêu kết và nấu chảy sẽ bị ảnh hưởng bởi sự nhiễm bẩn từ khí quyển, dẫn đến sản phẩm bị oxy hóa, yếu đi hoặc thất bại. Thiết kế của vỏ lò là một sự dung hòa kỹ thuật tinh tế, cân bằng giữa tải trọng cơ học lớn, gradient nhiệt độ khắc nghiệt và các yêu cầu an toàn nghiêm ngặt, đồng thời còn đóng vai trò là khung kết cấu chính mà hầu như tất cả các bộ phận khác của lò đều được lắp đặt lên.