Древние гончары, обжигавшие керамические изделия в горнах, иногда находили на их дне блестящие твердые кусочки с необычными свойствами. С того самого момента, когда они стали задумываться, что это за чудные вещества, как они там появились, а также куда их можно применить с пользой, и родилась металлургия - ремесло и искусство обработки металлов.
А основным инструментом для извлечения из руды новых чрезвычайно полезных материалов стали термоплавильные горны. Конструкции их прошли долгий путь развития: от примитивных одноразовых куполов из глины, разогреваемых дровами до современных электропечей с автоматическим управлением процессом плавления.
В металлоплавильных агрегатах нуждаются не только гиганты черной металлургии, использующие вагранки, домны, мартены и регенераторные конвертеры с выработкой за один цикл в несколько сотен тонн.
Такие величины характерны для выплавки чугуна и стали, на долю которых приходится до 90% промышленного производства всех металлов.
В цветной же металлургии и во вторичной переработке - объемы значительно меньшие. А мировые обороты производства редкоземельных металлов и вообще исчисляются несколькими килограммами в год.
Но потребность в плавке металлопродукции возникает не только при ее массовом производстве. Значительный сектор рынка металлообработки занимает литейное производство, где требуются металлоплавильные агрегаты сравнительно небольшой выработки - от нескольких тонн до десятков килограммов. А для штучного ремесленного и декоративно‑прикладного производства и ювелирного дела находят применение плавильные аппараты с выработкой в несколько килограммов.
Все виды металлоплавильных устройств можно поделить по типу источника энергии для них:
- Термические. Теплоноситель - топочный газ либо сильно разогретый воздух.
- Электрические. Используют различные тепловые действия электрического тока:
- Муфельные. Разогрев помещенных в теплоизолированный корпус материалов спиральным ТЭНом.
- Сопротивления. Нагрев образца прохождением через него тока большой величины.
- Дуговые. Используют высокую температуру электрической дуги.
- Индукционные. Плавление металлического сырья внутренним теплом от действия вихревых токов.
- Потоковые. Экзотические плазменные и электронно‑лучевые аппараты.
Поточная электронно‑лучевая плавильная печь
Термическая мартеновская печь
Электро-дуговая печь
При небольших объемах выработки наиболее целесообразным и экономичным оказывается использование электрических, в особенности, индукционных плавильных печей (ИПП).
Устройство индукционных электропечей
Если говорить кратко, то действие их основана на явлении токов Фуко - вихревых индукционных токов в проводнике. В большинстве случаев инженеры‑электротехники борются с ними, как с вредным явлением.
Например, именно из‑за них сердечники трансформаторов выполняются из стальных пластин или ленты: в сплошном куске металла эти токи могут достигать значительных величин, приводящим к бесполезным потерям энергии на его нагревание.
В индукционно‑плавильной электропечи это явление применяется с пользой. По сути она и представляет собой своеобразный трансформатор, в котором роль короткозамкнутой вторичной обмотки, а в некоторых случаях и сердечника выполняет расплавляемый металлический образец. Именно металлический - нагревать в ней можно только проводящие электричество материалы, диэлектрики же будут оставаться холодными. Роль индуктора - первичной обмотки трансформатора выполняют несколько витков толстой свернутой в катушку медной трубки, по которой циркулирует охлаждающая жидкость.
Кстати, на том же принципе действуют ставшие чрезвычайно популярными кухонные варочные поверхности с индукционным высокочастотным нагревом. Положенный на них кусок льда даже не растает, а поставленная металлическая посуда нагреется почти мгновенно.
Особенности конструкции индукционных термопечей
Существует два основных типа ИПП:
Для обоих видов металлоплавильных агрегатов нет принципиальных различий в типе рабочего сырья: они с успехом плавят и черные и цветные металлы. Необходимо только выбрать соответствующий рабочий режим и тип тигля.
Параметры выбора
Таким образом, основными критериями выбора того или иного вида термопечи являются объемы и непрерывность производства. Для небольшой литейной мастерской, например, в большинстве случаев подойдет тигельная электропечь, а предприятию по переработке вторсырья - канальная.
Кроме того, в числе основных параметром тигельной термопечи - объем одной плавки, исходя из которого и следует выбирать конкретную модель. Немаловажными характеристиками являются также максимальная рабочая мощность и тип тока: однофазный или трехфазный.
Выбор места для монтажа
Размещение индукционной печи в цехе или мастерской должно обеспечивать свободный подход к ней для безопасного выполнения всех технологический операций в процессе плавки:
- загрузки сырья;
- манипуляций во время рабочего цикла;
- выгрузки готового расплава.
Место установки должно быть обеспечено необходимыми электрическими сетями с требуемым рабочим напряжением и количеством фаз, защитным заземлением с возможностью быстрого аварийного отключения агрегата. Также установку нужно обеспечить подводом воды для охлаждения.
Настольные конструкции небольших габаритов должны тем не менее устанавливаться на прочные и надежные индивидуальные основания, не предназначенные для других операций. Напольным аппаратам также необходимо обеспечить прочный укрепленный фундамент.
В районе выгрузки расплава запрещено располагать пожаро‑ и взрывоопасные материалы. Рядом с местом размещения печи необходимо повесить пожарный щит со средствами тушения.
Инструкция по монтажу
Промышленные термоплавильные агрегаты - устройства с большим энергопотреблением. Их установка и электромонтаж должны проводиться квалифицированными специалистами. Подключение небольших агрегатов с загрузкой до 150 кг может быть выполнено квалифицированным электриком с соблюдением обычных правил монтажа электроустановок.
Например, печь ИПП‑35, мощностью 35 кВт с объемом выработки черных металлов 12 кг, а цветных - до 40 имеет массу 140 кг. Соответственно, установка ее будет заключаться в следующих шагах:
- Выбор подходящего места размещения с прочным основанием для термоплавильного узла и высоковольтного индукционного блока с водяным охлаждением и конденсаторной батареей. Расположение агрегата должно соответствовать всем эксплуатационным требованиям и правилам электро‑ и пожарной безопасности.
- Обеспечение установки линией водоохлаждения. Описываемая электроплавильная печь в комплекте поставки не имеет средств охлаждения, которые нужно приобрести дополнительно. Лучшим решением для нее будет двухконтурная градирня с замкнутым циклом.
- Подключение защитного заземления.
Функционирование любых электроплавильных печей без заземления категорически запрещена.
- Подведению отдельной электрической линии с кабелем, сечение которого обеспечивает соответствующую нагрузку. Силовой щит также должен обеспечивать требуемую нагрузку с запасом по мощности
Для маленьких мастерских и домашнего применения выпускаются мини‑печи, например, УПИ‑60‑2, мощностью 2 кВт с объемом тигля 60 см³ для плавления цветных металлов: меди, латуни, бронзы ~ 0,6 кг, серебра ~ 0,9 кг, золота ~ 1,2 кг. Вес самой установки - 11 кг, габариты - 40х25х25 см. Ее монтаж заключается в размещении на металлическом верстаке, подведении проточного водяного охлаждения и включении в розетку.
Технология использования
Перед началом работы с тигельной электропечью следует обязательно проверить состояние тиглей и футеровки - внутренней защитной теплоизоляции. Если она рассчитана на применение двух видов тиглей: керамических и графитовых, необходимо выбрать по инструкции соответствующий загружаемому материалу.
Обычно керамические тигли используются для черных металлов, графитовые - для цветных.
Порядок работы:
- Тигель вставить внутрь индуктора и, загрузив рабочим материалом, накрыть теплоизоляционной крышкой.
- Включить водяное охлаждение. Многие модели электроплавильных агрегатов не запустятся, если нет необходимого давления воды.
- Процесс плавки в тигельной ИПП начинается с ее включения и выхода на рабочий режим. Если есть регулятор мощности, перед включением установить его в минимальное положение.
- Плавно поднять мощность до рабочей, соответствующей загруженному материалу.
- После расплавления металла мощность снизить до четверти от рабочей для поддержания материала в расплавленном состоянии.
- Перед разливом убрать регулятор до минимума.
- По окончании плавки - обесточить установку. Водяное охлаждение отключить после ее остывания.
Все время плавки агрегат должен находиться под наблюдением. Любые манипуляции с тиглями нужно производить с помощью щипцов и в защитных рукавицах. В случае возгорания установку следует немедленно обесточить и сбить пламя брезентом либо затушить любым огнетушителем, кроме кислотного. Заливать же водой категорически запрещено.
Преимущества индукционных печей
- Высокая чистота получаемого расплава. В других типах металлоплавильных термопечей обычно имеется прямой контакт теплоносителя с материалом, и, как следствие, - загрязнение последнего. В ИПП нагрев производится поглощением внутренней структурой проводящих материалов электромагнитного поля индуктора. Поэтому такие печи идеальны для ювелирных производств.
Для термических печей главной проблемой является уменьшение содержания в расплавах черных металлов фосфора и серы, ухудшающих их качество.
- Высокий кпд индукционно‑плавильных устройств, доходящий до 98%.
- Большая скорость плавки благодаря нагреву образца изнутри и, как следствие высокая производительность ИПП, особенно для маленьких рабочих объемов до 200 кг.
Разогревание муфельной электропечи с загрузкой 5 кг происходит в течение нескольких часов, ИПП - не более часа.
- Аппараты с загрузкой до 200 кг просты в размещении, монтаже и эксплуатации.
Главный недостаток электроплавильных устройств, и индукционные не являются исключением, - относительная дороговизна электроэнергии как теплоносителя. Но несмотря на это высокий кпд и хорошая производительность ИПП, в значительной мере окупают их в процессе эксплуатации.
В видео представлена индукционная печь во время работы.
Индукционные печи были изобретены аж в 1887 году. И уже через три года появилась первая промышленная разработка, с помощью которой плавили различные металлы. Хотелось бы отметить, что в те далекие годы эти печи были в диковинку. Все дело в том, что ученые того времени не совсем понимали, какие процессы происходят в ней. Сегодня в этом разобрались. Нас же в этой статье будет интересовать тема – индукционная печь своими руками. Насколько проста ее конструкция, можно ли в домашних условиях собрать этот агрегат?
Принцип работы
Начинать сборку надо, разобравшись в принципе работы и устройстве прибора. С этого и начнем. Обратите внимание на рисунок выше, по нему и будем разбираться.
В состав прибора входят:
- Генератор G, который создает переменный ток.
- Конденсатор С вместе с катушкой L создает колебательный контур, который и обеспечивает установку высокой температурой.
Внимание! В некоторых конструкциях используется так называемый автоколебательный генератор. Это дает возможность убрать из схемы конденсатор.
- Катушка в окружающем пространстве образует магнитное поле, в котором присутствует напряжение, обозначенное на нашем рисунке буквой «Н». Само магнитное поле существует в свободном пространстве, а может замыкаться через ферромагнитный сердечник.
- Оно же действует и на шихту (W), в которой создает магнитный поток (Ф). Кстати, вместо шихты может быть установлена какая-нибудь заготовка.
- Магнитный поток индуцирует вторичное напряжение, равное 12 В. Но это происходит лишь в том случае, если W является электропроводящим элементом.
- Если нагреваемая заготовка большая и цельная, то внутри нее начинает действовать так называемый ток Фуко. Он вихревого типа.
- При этом вихревые токи передают от генератора через магнитное поле тепловую энергию, тем самым нагревая заготовку.
Электромагнитное поле достаточно широкое. И даже многоступенчатость преобразования энергии, которое присутствует в самодельных индукционных печах, обладает максимальным КПД – до 100%.
Тигельная печь
Разновидности
Существуют две основные конструкции индукционных печей:
- Канальные.
- Тигельные.
Не будем здесь расписывать все их отличительные особенности. Просто отметим, что канальный вариант – это конструкция, которая похожа на сварочный аппарат. К тому же, чтобы плавить металл в таких печах, приходилось оставлять немного расплава, без которого процесса просто не получалось. Второй вариант – это усовершенствованная схема, где используется технология без остаточного расплава. То есть, тигель просто устанавливается прямо в индуктор.
Как это работает
Зачем дома нужна такая печь?
Вообще, вопрос достаточно интересен. Давайте рассмотрим вот такую ситуацию. Существует достаточно большое количество советских электрических и электронных приборов, в которых использовались золотые или серебряные контакты. Изъять эти металлы можно разными способами. Один из них – индукционная печка.
То есть, берете контакты, складываете их в узкий и длинный тигель, который устанавливаете в индуктор. Через минут так 15-20, снизив мощность, остудив аппарат и разбив тигелек, вы получите стержень, на конце которого вы обнаружите золотой или серебряный кончик. Срезаете и сдаете в ломбард.
Хотя необходимо отметить, что с помощью этого самодельного агрегата можно проводить различные процессы с металлами. К примеру, можно провести закалку или отпуск.
Катушка с батарейкой (генератором)
Компоненты печки
В разделе «Принцип работы» мы уже упоминали о всех частях индукционной печи. И если с генератором все понятно, то с индуктором (катушкой) надо бы разобраться. Для нее подойдет медная трубочка. Если вы собираете аппарат мощностью 3 кВт, то вам потребуется трубка диаметром 10 мм. Сама же катушка скручивается диаметром 80-150 мм, при количестве витков от 8 до 10.
Обратите внимание, что витки медной трубки не должны соприкасаться друг с другом. Оптимальное расстояние между ними 5-7 мм. Сама катушка не должна касаться экрана. Расстояние между ними – 50 мм.
Обычно промышленные индукционные печи имеют узел охлаждения. В домашних условиях сделать такое невозможно. Но для агрегата мощностью 3 кВт работа до получаса ничем не грозит. Правда, со временем на трубке будет образовываться медная окалина, которая снижает КПД прибора. Так что периодически катушку придется менять.
Генератор
В принципе, сделать генератор своими руками – не проблема. Но это возможно лишь в том случае, если вы обладаете достаточными знаниями в радиоэлектронике на уровне среднего радиолюбителя. Если таковых знаний нет, тогда забудьте об индукционной печке. Самое главное, что и эксплуатировать этот прибор тоже надо умеючи.
Если вы встали перед дилеммой выбора схемы генератора, тогда примите один совет – у него должен отсутствовать жесткий спектр тока. Для того чтобы было понятнее, о чем идет речь, предлагаем самую простую схему генератора для индукционной печи на фотографии снизу.
Схема генератора
Необходимые знания
Электромагнитное поле действует на все живое. В качестве примера можно привести мясо в микроволновке. Поэтому стоит позаботиться о безопасности. И, неважно, вы собираете печь и тестируете ее или работаете на ней. Есть такой показатель, как плотность потока энергии. Так вот он зависит от именно от электромагнитного поля. И чем выше частота излучения, тем хуже человеческому организму.
Во многих странах приняты меры безопасности, в которых учитывается плотность потока энергии. Есть разработанные допустимые пределы. Это 1-30 мВт на 1 м² тела человека. Эти показатели действуют, если облучение происходит не больше одного часа в сутки. Кстати, установленный оцинкованный экран снижает плотность потолка в 50 раз.
Не забудьте оценить статью.
Индукционные нагреватели можно разделить на промышленные и бытовые. Одним из основных способов выработки тепла для плавления металла в металлургической промышленности являются печи индукционного типа. Приборы, работающие по индукционному принципу, являются сложным электрооборудованием и продаются в широком ассортименте.
Технология индукции заложена в основе таких приборов из нашей повседневности как микроволновки, электродуховки, индукционные кухонные плиты, водогрейные котлы, печи системы отопления. Кухонные плиты с индукционным принципом работы удобны, практичны и экономичны, но требуют применения специальной посуды .
Наиболее распространены в быту печи с индукционным принципом работы для обогрева помещений. Вариантами такого обогрева являются котельные установки или автономные агрегаты. В ювелирном деле и в небольших мастерских незаменимы индукционные печи небольшого размера для плавления металла.
Достоинства плавления
Индукционный нагрев является прямым, бесконтактным и его принцип позволяет использовать выработанное тепло с максимальной эффективностью. Коэффициент полезного действия (КПД) при использовании этого способа стремится к 90%. Во время процесса плавления происходит тепловое и электродинамическое движение жидкого металла, что способствует равномерной температуры по всему объёму однородного материала.
Технологический потенциал таких устройств создаёт преимущества:
- быстродействие – сразу после включения можно использовать;
- высокая скорость процесса плавления;
- возможность регулировки температуры расплава;
- зонная и фокусированная направленность энергии;
- однородность расплавленного металла;
- отсутствие угара от легирующих элементов;
- экологическая чистота и безопасность.
Преимущества обогрева
Схемы
Мастеру, умеющему читать электрические схемы, вполне по силам сделать печь для обогрева или индукционную плавильную печь своими руками. Целесообразность монтажа самодельного агрегата каждый мастер должен определять для себя сам. Также необходимо хорошо представлять потенциальную опасность от неграмотно выполненных подобных конструкций.
Для создания работоспособной печи без готовой схемы надо иметь представление об основах физики индукционного нагрева. Без определённых знаний конструировать и монтировать подобный электроприбор не представляется возможным. Конструирование устройств состоит из разработки, проектирования, составления схемы.
Для тех разумных хозяев, кому нужна безопасная индукционная печь, схема особенно важна, так как объединяет все наработки домашнего умельца. Такие популярные приборы, как индукционные печи, схемы сборки имеют разнообразные, где мастера имеют возможность выбора:
- ёмкости печи;
- рабочей частоты;
- способа футеровки.
Характеристики
При создании индукционной плавильной печи своими руками необходимо учитывать определённые технические характеристики
, влияющие на скорость плавления металла:
- генераторная мощность;
- импульсная частота;
- потери на вихревые потоки;
- гистерезисные потери;
- интенсивность теплопередачи (охлаждение).
Принцип работы
Основа работы индукционной печи - получение тепла от электричества, вырабатываемого переменным электромагнитным полем (ЭМП) катушкой индуктивности (индуктором). То есть электромагнитная энергия преобразуется в вихревую электрическую, а затем в тепловую.
Замкнутые внутри тел (вихревые) токи выделяют тепловую энергию, которая нагревает металл изнутри. Многоступенчатое преобразование энергии не снижает эффективности работы печи. Из-за простого принципа работы и возможности самостоятельной сборки по схемам повышается рентабельность использования таких приборов.
Эти эффективные устройства в упрощённом варианте и с уменьшенными габаритами работают от стандартной сети в 220В, но необходимо наличие выпрямителя. В таких устройствах возможно нагревание и плавление только электропроводящих материалов.
Конструкция
Индукционное устройство своего рода трансформатор, в котором питаемый от источника переменного тока индуктор - первичная обмотка , нагреваемое тело – вторичная обмотка.
Наипростейшим индуктором нагрева низкой частоты можно считать изолированный проводник (прямая сердцевина или спираль), расположенный по поверхности или внутри металлической трубы.
Основными узлами устройства , работающего по принципу индукции, считают:
Питание от генератора запускает мощные токи различной частоты в индуктор, который создаёт электромагнитное поле. Это поле является источником вихревых токов, которые поглощаются металлом и расплавляют его.
Система отопления
При монтаже самодельных индукционных нагревателей в системе отопления мастера нередко используют недорогие модели сварочных инверторов (преобразователи постоянного напряжения в переменное). Потребление энергии инвертором большое, поэтому для постоянной работы таких систем нужен кабель сечением 4–6 мм2 вместо обычных 2,5 мм2.
Такие системы отопления должны быть закрытыми и управляться автоматически. Также для безопасности работы необходим насос для принудительной циркуляции теплоносителя, приспособления для отвода попавшего в систему воздуха, манометр. От потолка и пола нагреватель должен находиться на расстоянии не менее 1 м, а от стен и мебели не менее 30 см.
Генератор
Питание от установки промышленной частоты в 50 Гц получают индукторы в заводских условиях. А от генераторов и преобразователей высокой, средней и низких частот (индивидуальных источников питания) индукторы работают и в быту. Наиболее эффективно привлечение к сборке высокочастотных генераторов. В индукционных мини-печах могут использоваться токи разных частот
.
Генератор переменного тока не должен давать жёсткий спектр тока. По одной из наиболее популярных схем сборки индукционных печей в бытовых условиях рекомендуется частота генератора 27,12 МГц. Собирают один из таких генераторов из деталей:
- 4 тетрода (электронные лампы) большой мощности (марки 6п3с), с параллельным подключением;
- 1 неоновая дополнительная - индикатор готовности устройства к работе.
Индуктор
Различные модификации индуктора могут быть представлены в форме трилистника, восьмёрки и в других вариантах. Центром узла является электропроводящая графитовая или металлическая заготовка, вокруг которой наматывается проводник.
До высоких температур хорошо разогреваются графитовые щётки (плавильные печи) и нихромовая спираль (нагревательный прибор). Проще всего изготавливается индуктор виде спирали, внутренний диаметр которой 80–150 мм. Материалом для нагревательной змейки проводника также зачастую служит медная трубка или провод ПЭВ 0,8.
Количество витков нагревательной катушки должно быть не менее 8–10. Необходимое расстояние между витками 5–7 мм, а диаметр медной трубки обычно составляет 10 мм. Минимальный зазор между индуктором и другими частями прибора должен быть не менее 50 мм.
Виды
Различают виды индукционных печей своими руками:
- канальные – расплавляемый металл располагается в жёлобе вокруг сердечника индуктора;
- тигельные – металл находится в вынимаемом тигле внутри индуктора.
На больших производствах канальные печи работают от устройств промышленной частоты, а тигельные печи на промышленной, средней и высокой частоте. В металлургической промышленности тигельный тип печей используется при выплавке:
- чугуна;
- стали;
- меди;
- магния;
- алюминия;
- драгоценных металлов.
Канальный вид индукционных печей применяют при выплавке:
- чугуна;
- различных цветных металлов и их сплавов.
Канальные
Индукционная печь канального типа должна иметь при своём разогреве электропроводящее тело в зоне тепловыделения. При первичном запуске такой печи внутрь зоны плавления заливают расплавленный металл или вставляют заготовленный металлический шаблон. По завершении плавки металла сырьё сливают не полностью, оставляя «болото» на следующую плавку.
Тигельные
Тигельные индукционные печи наиболее популярны у мастеров, потому что просты в исполнении. Тигля - специальная вынимаемая ёмкость, помещаемая в индуктор вместе с металлом для последующего нагрева или плавления. Тигля может быть изготовлена из керамики, стали, графита и многих других материалов. Отличается от канального типа отсутствием сердечника.
Охлаждение
Увеличивает эффективность работы плавильной печи в промышленных условиях и в бытовых небольших приборах заводского изготовления охлаждение. В случае непродолжительной работы и малой мощности самодельного прибора можно обойтись и без этой функции.
Самостоятельно выполнить задачу охлаждения домашнему мастеру не представляется возможным. Окалина на меди может привести к утрате работоспособности прибора, поэтому потребуется регулярная замена индуктора.
В промышленных условиях применяется водяное охлаждение, при помощи антифриза, а также комбинируют с воздушным. Принудительное воздушное охлаждение в самодельных бытовых приборах неприемлемо, так как вентилятор может перетянуть на себя ЭМП, что приведёт к перегреву корпуса вентилятора и понижению КПД печи.
Безопасность
При работе с печью следует остерегаться термических ожогов и учитывать высокую пожарную опасность прибора. При работе приборов их запрещается перемещать. Особенно предусмотрительными надо быть при установке печей обогрева в жилых помещениях.
ЭМП воздействует и разогревает всё окружающее пространство и эта особенность тесно связана с мощностью и частотой излучения прибора. Мощные промышленные устройства могут воздействовать на металлические детали рядом с собой, на ткани людей, на предметы в карманах одежды.
Необходимо учитывать возможное воздействие таких приборов во время работы на людей с имплантированными кардиостимуляторами. При покупке приборов с индукционным принципом работы необходимо внимательно прочитать инструкцию по эксплуатации.