Lò nung con thoi là dạng lò nung gián đoạn, có kích thước đa dạng phù hợp với nhiều quy mô sản xuất từ nhỏ đến trung bình và thậm chí đáp ứng được nhu cầu sản xuất với quy mô lớn. Lò con thoi có quy trình nung phù hợp với nhiều loại sản phẩm và do đó, dễ điều tiết cơ cấu sản phẩm hơn so với các dạng lò nung liên tục. Đặc biệt, nhiên liệu sử dụng cho lò nung con thoi rất phong phú, lắp đặt đơn giản, phù hợp với hoạt động sản xuất các sản phẩm gốm sứ, vật liệu chịu lửa tại Việt Nam.

Mặc dù có mặt tại Việt Nam chưa lâu nhưng để bắt kịp với sự phát triển của ngành công nghiệp lò nung trên thế giới, cần thiết phải làm chủ được công nghệ chế tạo lò nung con thoi, cũng như ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến như tự động hóa quá trình nung, internet vạn vật. Đứng trước yêu cầu đó, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đã đề xuất và được Bộ Công Thương phê duyệt thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lò nung con thoi sử dụng nhiên liệu LPG với nhiệt độ nung tối đa tới 1500°C – điều khiển tự động quá trình nung, dùng trong công nghiệp gốm sứ”. 

Mục tiêu chính của đề tài nhằm thiết kế, chế tạo lò nung con thoi sử dụng nhiên liệu gas LPG dung tích nhỏ 1,2m³, đốt cưỡng bức, có nhiệt độ nung tới 1500°C. Đồng thời, xây dựng phần mềm điều khiển tự động quá trình nung, môi trường nung thông quá kiểm soát nhiệt độ lò và hàm lượng khí CO trong khí thải.

Theo Ths Cao Thọ Tùng - Chủ nhiệm đề tài, để hoàn thành các mục tiêu đã đề ra, nhóm thực hiện đã tiến hành tính toán cấu trúc lò nung phù hợp với nhiệt độ làm việc tới 1500°C; đồng thời, lựa chọn hệ thống gia nhiệt phù hợp với yêu cầu nung nhiệt độ cao và kiểm soát môi trường nung. Từ đó, xây dựng phần mềm điều khiển tự động quá trình gia nhiệt theo phương pháp so sánh nhiệt độ và kiểm soát môi trường nung thông qua các tham số điều khiển; xác định tốc độ nâng nhiệt giới hạn của lò nung trong từng giai đoạn nhiệt cụ thể để lựa chọn chế độ nung hợp lý cho từng loại sản phẩm.

Đối với việc chế tạo lò nung nói chung và lò nung con thoi nói riêng, việc lựa chọn vòi đốt đóng vai trò vô cùng quan trọng. Do đó, để chủ động trong việc điều khiển nhiệt độ và môi trường nung, cũng như hiệu suất làm việc của vòi đốt, đề tài lựa chọn phương án sử dụng ngọn lửa đi xuống, tức là sử dụng phương pháp đốt cưỡng bức với vòi đốt lồng ống. Phương án này cho phép điều khiển chủ động lượng gas và gió cấp vào lò nung, từ đó chủ động được việc điều khiển môi trường nung cũng như nhiệt độ. Ngoài ra, phương án ngọn lửa đi xuống cũng cho thấy ngọn lửa có thời gian lưu trong lò do dòng nhiệt di chuyển từ trên xuống dưới vào kênh khói trên xe và sau đó thoát ra từ ống khói ở trên cao. Điều này sẽ giúp ổn định nhiệt độ các khu vực trong lò, đảm bảo độ đồng đều nhiệt độ trong lò.

Kết quả, sau gần 3 năm triển khai thực hiện (từ 4/2021- 12/2023), Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đã chế tạo thành công lò nung con thoi sử dụng nhiên liệu  LPG có nhiệt độ nung tới 1500 độ C. Lò nung có kết cấu khung gồm các bộ phận: cột chống vỏ lò; ghế lò; khung ống khói; xe lò; cửa lò; bộ trục xoay cửa lò

Lò nung sau khi vận hành thử nghiệm tự động cho thấy đã đạt nhiệt độ nung cao nhất theo dự kiến cài đặt và thực tế là 1505°C; Cấu trúc lò nung được xác định là phù hợp khi nhiệt độ bề mặt gạch tiếp xúc với không khí là 75°C; Hệ thống gia nhiệt theo nguyên tắc đốt cường bức gió cho phép điều khiển độc lập làm hượng gas và gió cấp vào vòi đốt, thuận lợi cho quá trình điều khiển nhiệt độ và môi trường nung.

Lò nung có tốc độ nâng nhiệt giới hạn trong từng giai đoạn nhiệt cụ thể như sau: ở nhiệt độ 200-300^oC tốc độ nâng nhiệt tối thiểu là 0.3^o, tốc độ tối đa là 3.0^o; ở nhiệt độ 300-1000^oC tốc độ nâng nhiệt tối thiểu là 1.0^o, tốc độ tối đa là 5.0^o; ở nhiệt độ 1000-1250^oC tốc độ nâng nhiệt tối thiểu là 0.5^o, tốc độ tối đa là 2.0^o; ở nhiệt độ 1250-1400^oC tốc độ nâng nhiệt tối thiểu là 0.5^o, tốc độ tối đa là 1.0^o;ở nhiệt độ 1400-1500^oC tốc độ nâng nhiệt tối thiểu là 0.25^o, tốc độ tối đa là 0.5^o.

Theo chia sẻ của nhóm thực hiện đề tài, quá trình nung tự động có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng do lượng gas, gió cấp vào hệ thống luôn được kiểm soát. Để có thể nâng cao hiệu suất tiết kiệm năng lượng, chương trình vận hành tự động cần sự cải tiến về mặt thuật toán. Điều này hiện nay chưa được nghiên cứu kỹ cũng như các số liệu thu được trong quá trình nhóm thực hiện đề tài vận hành thử nghiệm là chưa đủ để đưa ra kết quả thống kê cụ thể. Quá trình cải tiến phần mềm mặc dù không ảnh hưởng đến phần cứng của lò nung nhưng cần được nhiều bước hiệu chỉnh tham số trong chương trình hoặc thay đổi toàn bộ chương trình nếu cầu thiết.

Do đó, nhóm thực hiện đề tài mong muốn tiếp tục được mở rộng nghiên cứu để hoàn thiện lò nung hiệu quả, tăng tính thực tế và khả năng cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu. Để phù hợp hơn với quá trình nung sản phẩm gốm sứ, cần có sự điều chỉnh trong thiết kế vòi đốt để đảm bảo giai đoạn nhiệt độ thấp ban đầu vận hành chính xác, hạn chế sốc nhiệt gây nứt vỡ sản phẩm tại giai đoạn đó.