Как сделать печь для плавки металла. Индукционная плавильная печь. Оборудование охлаждающей системы

Индукционная печь используется для плавки цветных и черных металлов. Агрегаты такого принципа действия применяют в следующих сферах: от тончайшего ювелирного дела до промышленной плавки металлов в крупных размерах. В данной статье будут рассмотрены особенности различных индукционных печей.

Индукционные печи для плавки металла

Принцип работы

Индукционный нагрев положен в основу действия печи. Другими словами, электрический ток образовывает электромагнитное поле и получается тепло, которое используется в промышленных масштабах. Этот закон физики изучается в последних классах общеобразовательной школы. Но понятие электрического агрегата и электромагнитных индукционных котлов нельзя путать. Хоть в основе работы и там и тут лежит электричество.

Как это происходит

Генератор подключается к источнику переменного тока, который поступает в него через индуктор, находящийся внутри. Конденсатор задействуется для создания контура колебания, в основе которого лежит постоянная рабочая частота, на которую настраивается система. При возрастании напряжения в генераторе до предела в 200 В индуктор создает магнитное поле переменного действия.

Замыкание цепи происходит, чаще всего, посредством сердечника из ферромагнитного сплава. Переменное магнитное поле начинает взаимодействие с материалом заготовки и создает мощный поток электронов. После вступления в индукционное действие электропроводящего элемента в системе происходит возникновение остаточного напряжения , которое в конденсаторе способствует возникновению вихревого тока. Энергия вихревого тока преобразовывается в тепловую энергию индуктора и происходит нагревание до высоких температур плавления искомого металла.

Тепло, производимое индуктором, применяют:

для расплавления мягких и твердых металлов;
для закаливания поверхности металлических деталей (например, инструмента);
для обработки в термическом режиме уже произведенных деталей;
бытовых потребностей (обогрев и кулинария).

Краткая характеристика различных печей

Разновидности приборов

Индукционные тигельные печи

Является наиболее распространенным типом печного индукционного нагрева. Отличительной чертой, отличной от других видов является то, что в ней переменное магнитное поле появляется при отсутствии стандартного сердечника. Тигель в форме цилиндра размещается внутри индукторной полости . Печь, или тигель изготавливается из материала, который прекрасно сопротивляется огню и подключается к переменному электрическому току.

Положительные аспекты

Тигельные агрегаты относят к экологически чистым источникам тепла , окружающая среда не загрязняется от плавки металлов.

В работе тигельных печей присутствуют недостатки:

при технологической обработке используются шлаки пониженной температуры;
произведенная футеровка тигельных печей имеет низкую стойкость против разрушения, больше всего это заметно при резких скачках температур.

Имеющиеся недостатки не представляют особенных трудностей, достоинства тигельного индукционного агрегата для плавки металла очевидны и сделали такой тип приборов популярным и востребованным среди широкого круга потребителей.

Канальные печи индукционной плавки

Такой тип нашел широкое применение в плавильном деле цветных металлов. Эффективно используется для меди и медных сплавов на основе латуни, мельхиора, бронзы. Активно плавят в канальных агрегатах алюминий, цинк и сплавы в составе этих металлов. Широкое использование печей этого типа ограничено из-за невозможности выполнить футеровку, стойкую к разрушениям, на внутренних стенках камеры.

Расплавленный металл в канальных печах индукционного типа совершает тепловое и электродинамическое движение , что обеспечивает постоянную однородность смешивания компонентов сплава в печной ванне. Использование канальных печей индукционного принципа оправдано в случаях, если к расплавленному металлу и изготовленным слиткам предъявляются особые требования. Сплавы получаются качественными в плане коэффициента насыщения газами, присутствия в металле органических и синтетических примесей.

Индукционные канальные печи работают по типу миксера и предназначаются для выравнивания состава, поддержки постоянной температуры процесса, и выбора скорости разлива в кристаллизаторы или формы. Для каждого сплава и состава литья существуют параметры специальной шихты.

Достоинства

подогревание сплава происходит в нижней части, к которой нет воздушного доступа, что уменьшает испарение с верхней поверхности, нагретой до минимальной температуры;
канальные печи относят к экономичным индукционным печам, так как происходящее расплавление обеспечивается маленьким расходом электрической энергии;
печь имеет высокий коэффициент полезного действия благодаря применению в работе замкнутого контура магнитного провода;
постоянная циркуляция в печи расплавленного металла вызывает ускорение плавильного процесса и способствует однородности перемешивания компонентов сплава.

Недостатки

стойкость каменной внутренней футеровки снижается при использовании высоких температур;
футеровка разрушается при плавлении химически агрессивных сплавов из бронзы, олова и свинца.
при плавлении загрязненной низкосортной шихты происходит засорение каналов;
поверхностный шлак на ванне не нагревается до высокой температуры, что не позволяет проводить операции в промежутке между металлом и укрытием и расплавлять стружку и скрап;
канальные агрегаты плохо переносят перерывы в работе, что заставляет постоянно хранить в жерле печи значительное количество жидкого сплава.

Полное удаление расплавленного металла из печи ведет к ее быстрому растрескиванию. По этой же причине невозможно выполнить быструю перестройку с одного сплава на другой , приходится делать несколько промежуточных плавок, получивших название балластных.

Вакуумные печи индукционного действия

Этот вид имеет широкое применение для плавления сталей высокого качества и никелевых, кобальтовых и железных сплавов жаростойкого качества. Агрегат успешно справляется с плавкой цветных металлов. В вакуумных агрегатах варят стекло, обрабатывают высокой температурой детали, производят монокристаллы .

Печь относят к высокочастотному генератору, расположенному в изолированном от внешней среды индукторе, пропускающем ток высокой частоты. Для создания вакуума из него насосами откачивают воздушные массы. Все операции по введению добавок, загрузке шихты, выдаче металла производится автоматическими механизмами с электрическим или гидравлическим управлением. Из вакуумных печей получают сплавы с небольшими примесями кислорода, водорода, азота, органики. Результат намного превосходит открытые печи индукционного действия.

Жаропрочную сталь из вакуумных печей применяют в инструментальном и оружейном производстве . Некоторые сплавы из никеля, с содержанием никеля и титана являются химически активными, и получить их в других видах печей проблематично. Вакуумные печи выполняют розлив металла поворотом тигеля во внутреннем пространстве кожуха или вращением камеры с неподвижно закрепленной печью. Некоторые модели имеют в дне открывающееся отверстие для слива металла в установленную емкость.

Тигельные печи с транзисторным преобразователем

Применяют для ограниченного веса цветных металлов. Они мобильные, имеют небольшой вес и с легкостью переставляются с места на место. В комплектацию печи входит высоковольтный транзисторный преобразователь универсального действия . Позволяет подобрать мощность, рекомендуемую для подключения в сети, а соответственно ей тип преобразователя, который необходим в этом случае с изменением параметров веса сплава.

Транзисторная индукционная печь широко применяется для металлургической обработки. С ее помощью нагревают детали в кузнечном деле, закаляют металлические предметы. Тигли в транзисторных печах выполняют из керамики или графита, первые предназначены плавить ферромагнитные металлы, такие как чугун или сталь. Графит устанавливается для плавления латуни, меди, серебра, бронзы и золота. На них плавят стекло и кремний. Алюминий хорошо плавится посредством чугунных или стальных тиглей.

Что такое футеровка печей индукционного действия

Ее предназначение состоит в защите печного кожуха от разрушающего действия высоких температур. Побочным действием является сохранение тепла, следовательно, повышается результативность процесса .

Тигель в конструкции индукционной печи выполняется одним из способов:

способом выемки в маленьких по объему печах;
набивным способом из огнеупорного материала в виде кладки;
комбинированным, сочетающим керамику и прокладку буферного слоя в промежутке кладки и индикатора.

Футеровка выполняется из кварцита, корунда, графита, шамотного графита, магнезита. Во все эти материалы домешивают добавки, улучшающих характеристики футеровки, уменьшающих изменения объема, улучшающих спекание, увеличивающие стойкость слоя к агрессивным материалам.

Для выбора того или иного материала для футеровки учитывают ряд сопутствующих условий , а именно, вид металла, цену и огнеупорные свойства тигля, срок службы состава. Правильно подобранный состав футеровки должен обеспечить технические требования для проведения процесса:

получение слитков высокого качества;
наибольшее количество полноценной плавки без проведения ремонтных работ;
безопасную работу специалистов;
стабильность и непрерывность проведения плавильного процесса;
получение качественного материала при использовании экономного количества ресурсов;
применение для футеровки распространенных материалов по невысокой цене;
минимальное влияние на окружающее пространство.

Применение индукционных печей позволяет получить сплавы и металлы отменного качества с минимальным содержанием различных примесей и кислорода, что повышает их применение в сложных областях производства.

Индукционная печь — это печной аппарат, который применяется для плавления цветных (бронзы, алюминия, меди, золота и других) и черных (чугуна, стали и других) металлов за счет работы индуктора. В поле ее индуктора производится ток, он нагревает металл и доводит его до расплавленного состояния.

Свернуть

Вначале на него будет действовать электромагнитное поле, потом электрический ток, а затем уже он пройдет тепловую стадию. Простую конструкцию такого печного устройства можно собрать самостоятельно из различных подручных средств.

Принцип работы

Такое печное устройство является электрическим трансформатором со вторичной короткозамкнутой обмоткой. Принцип действия индукционной печи состоит в следующем:

при помощи генератора в индукторе создается переменный ток;
индуктор с конденсатором создает колебательный контур, он настроен на рабочую частоту;
в случае использования автоколебательного генератора, конденсатор исключается из схемы устройства и в этом случае используется собственный запас емкости индуктора;
создаваемое индуктором магнитное поле может существовать в свободном пространстве или же замыкаться с использованием индивидуального ферромагнитного сердечника;
магнитное поле воздействует на находящуюся в индукторе металлическую заготовку или шихту и образует магнитный поток;
по уравнениям Максвелла он индуцирует в заготовке вторичный ток;
при цельном и массивном магнитном потоке создаваемый ток замыкается в заготовке и происходит создание тока Фуко или вихревого тока;
после образования такого тока вступает в действие закон Джоуля-Ленца, и полученная с помощью индуктора и магнитного поля энергия нагревает заготовку металла или шихту.

Несмотря на многоступенчатую работу, устройство индукционной печи может давать в вакууме или воздухе до 100% КПД. Если среда с магнитной проницаемостью, то этот показатель будет расти, в случае со средой из неидеального диэлектрика, он будет падать.

Устройство

Рассматриваемая печь – своеобразный трансформатор, но только в нем нет вторичной обмотки, ее заменяет помещенный в индуктор металлический образец. Он будет проводить ток, а вот диэлектрики в этом процессе не нагреваются, они остаются холодными.

Конструкция индукционных тигельных печей включает в себя индуктор, который состоит из нескольких витков медной трубки, свернутой в виде катушки, внутри нее постоянно передвигается охлаждающая жидкость. Также индуктор вмещает в себе тигель, который может быть из графита, стали и других материалов.

Кроме индуктора в печи установлен магнитный сердечник и подовый камень, все это заключено в корпус печи. В него входят:

В моделях печей большой мощности кожух ванны обычно выполняется достаточно жестким, поэтому каркас в таком устройстве отсутствует. Крепление корпуса должно выдерживать сильные нагрузки при наклоне всей печи. Каркас чаще всего изготавливается из фасонных балок, выполненных из стали.

Тигельная индукционная печь для плавки металла устанавливается на фундамент, в который вмонтированы опоры, на их подшипники опираются цапфы механизма наклона устройства.

Кожух ванны выполняется из металлических листов, на которые для прочности наваривают ребра жесткости.

Кожух для индукционной единицы используется в качестве соединительного звена между печным трансформатором и подовым камнем. Его для уменьшения потерь тока делают из двух половинок, между которыми предусмотрена изолирующая прокладка.

Стяжка половинок происходит за счет болтов, шайб и втулок. Такой кожух делается литым или сварным, при выборе материала для него отдают предпочтение немагнитным сплавам. Двухкамерная индукционная сталеплавильная печь идет с общим кожухом для ванны и для индукционной единицы.

В небольших печах, в которых не предусмотрено водяного охлаждения имеется вентиляционная установка, она помогает отводить из агрегата излишки тепла. Даже вы случае установки водоохлаждаемого индуктора необходимо вентилировать проем, возле подового камня, чтобы он не перегревался.

В современных печных установках имеется не только водоохлаждаемый индуктор, но и предусмотрено водяное охлаждение кожухов. На каркасе печи могут быть установлены вентиляторы, работающие от приводного двигателя. При значительной массе такого устройства, вентиляционный прибор устанавливают возле печи. Если индукционная печь для производства стали идет со съемным вариантом индукционных единиц, то для каждой из них предусматривается свой вентилятор.

Отдельно стоит отметить механизм наклона, который для малых печей идет с ручным приводом, а для крупных он оснащен гидравлическим приводом, расположенным у сливного носика. Какой бы ни был установлен механизм наклона, он обязан обеспечивать слив полностью всего содержимого ванной.

Расчет мощности

Так как индукционный способ плавки стали менее затратный, чем аналогичных методик, основанных на использовании мазута, угля и других энергоносителей, то расчет индукционной печи начинается с вычисления мощности агрегата.

Мощность индукционной печи подразделяется на активную и полезную, для каждой из них есть своя формула.

В качестве исходных данных нужно знать:

емкость печи, в рассматриваемом для примера случае она равна 8 тоннам;
мощность агрегата (берется максимальное ее значение) – 1300 кВт;
частота тока – 50 Гц;
производительность печной установки – 6 тонн в час.

Требуется также учитывать расплавляемый металл или сплав: по условию он цинковый. Это важный момент, тепловой баланс плавки чугуна в индукционной печи, также как и других сплавов свой.

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

Рпол = Wтеор×t×П,
Wтеор – удельный расход энергии, он теоретический, и показывает перегрев металла на 1 0 С;
П – производительность печной установки, т/ч;
t — температура перегрева сплава или металлической заготовки в ванной печи, 0 С
Рпол = 0,298×800×5,5 = 1430,4 кВт.

Активная мощность:

Р = Рпол/Ютерм,
Рпол – берется с предыдущей формулы, кВт;
Ютерм – КПД литейной печи, его пределы от 0,7 до 0,85, в среднем принимают 0,76.
Р =1311,2/0,76=1892,1кВт, проводится округление значения до 1900 кВт.

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

Ринд = Р/N,
Р – активная мощность печной установки, кВт;
N – количество индукторов, предусмотренных на печи.
Ринд =1900/2= 950 кВт.

Потребление мощности индукционной печью при плавке стали зависит от ее производительности и вида индуктора.

Виды и подвиды

Индукционные печи делятся на два основных вида:

Кроме такого разделения, индукционные печи бывают компрессорными, вакуумными, открытыми и газонаполненными.

Индукционные печи своими руками

Среди имеющихся распространенных методик создания таких агрегатов можно найти пошаговое руководство, как сделать индукционную печь из сварочного инвертора, с нихромовой спиралью или графитовыми щетками, приведем их особенности.

Агрегат из высокочастотного генератора

Она выполняется с учетом расчетной мощности агрегата, вихревых потерь и утечек на гистерезисе. Питание конструкции будет идти от обычной сети в 220 В, но с использованием выпрямителя. Такой вид печи может идти с графитовыми щетками или нихромовой спиралью.

Для создания печи потребуется:

два диода UF4007;
пленочные конденсаторы;
полевые транзисторы в количестве двух штук;
резистор в 470 Ом;
два дроссельных кольца, их можно снять со старого компьютерного системщика;
медный провод Ø сечения 2 мм.

В качестве инструмента используется паяльник и плоскогубцы.

Приведем схему для индукционной печи:

Индукционные портативные плавильные печи такого плана создаются в следующей последовательности:

Транзисторы располагаются на радиаторах. Из-за того, что в процессе плавки металла схема устройства быстро греется, радиатор для нее нужно подбирать с большими параметрами. Допустимо устанавливать несколько транзисторов на один генератор, но в этом случае их нужно изолировать от металла при помощи прокладок, сделанных из пластика и резины.
Изготавливаются два дросселя. Для них берутся два заранее снятые с компьютера кольца, вокруг них обматывают медную проволоку, количество витков ограничено от 7 до 15.
Конденсаторы объединяются между собой в батарею, чтобы на выходе получилась емкость в 4,7 мкФ, их соединение проводится параллельно.
Вокруг индуктора обвивается медная проволока, ее диаметр должен быть 2 мм. Внутренний диаметр обмотки должен совпадать с размером используемого для печи тигля. Всего делают 7-8 витков и оставляют длинные концы, чтобы их можно было подключить к схеме.
В качестве источника к собранной схеме подсоединяется аккумулятор мощностью 12 В, его хватает примерно на 40 минут работы печи.

Если необходимо, то делается корпус из материала с высокой термоустойчивостью. Если же выполняется индукционная плавильная печь из сварочного инвертора, то защитный корпус должен быть обязательно, но его нужно заземлить.

Конструкция с графитовыми щетками

Такая печь используется для выплавки любого металла и сплавов.

Для создания устройства необходимо заготовить:

графитовые щетки;
порошковый гранит;
трансформатор;
шамотный кирпич;
стальная проволока;
тонкий алюминий.

Технология сборки конструкции заключается в следующем:

Прибор с нихромовой спиралью

Такой прибор используется для выплавки больших объемов металла.

В качестве расходных материалов для обустройства самодельной печи используется:

нихром;
асбестовая нить;
кусок керамической трубы.

После подключения всех составляющих печи по схеме, ее работа состоит в следующем: после подачи электрического тока на нихромовую спираль, она передает тепло металлу и плавит его.

Создание такой печи проводится в следующей последовательности:

Такая конструкция отличается высокой производительностью, она долго остывает и быстро нагревается. Но необходимо учесть, что если спираль будет плохо изолирована, то она быстро перегорит.

Цены на готовые индукционные печи

Самодельные конструкции печей будут стоить гораздо дешевле покупных, но их нельзя создать большими объемами, поэтому без готовых вариантов для массового производства расплава не обойтись.

Цены на индукционные печи для плавки металла зависят от их вместимости и комплектации.

Модель	Характеристики и особенности	Цена, рубли
INDUTHERM MU-200	Печь поддерживает 16 температурных программ, максимальная температура нагрева – 1400 0С, контроль за режимом осуществляется с термопарой типа S. Агрегат производит мощность 3,5 кВт.	820 тыс.
INDUTHERM MU-900	Печь работает от электропитания в 380 В, температурный контроль происходит с помощью термопары типа S и может доходить до 1500 0С. Мощность – 15 кВт.	1,7 млн.
УПИ-60-2	Эта индукционная плавильная мини-печь может использоваться для плавки цветных и драгоценных металлов. Заготовки загружаются в графитовый тигель, их нагрев ведется по принципу трансформатора.	125 тыс.
ИСТ-1/0,8 М5	Индуктор печи представляет собой корзину, в которую встроен магнитопровод совместно с катушкой. Агрегат 1 тонну.	1,7 млн.
УИ-25П	Печное устройство рассчитано на загрузку в 20 кг, он оснащен редукторным наклоном плавильного узла. В комплекте к печи идет блок конденсаторных батарей. Мощность установки – 25 кВт. Максимальная t нагрева – 1600 0С.	470 тыс.
УИ-0,50Т-400	Агрегат рассчитан на загрузку в 500 кг, самая большая мощность установки – 525 кВт, напряжение для него должно быть не ниже 380В, максимальная рабочая t – 1850 0С.	900 тыс.
ST 10	Печь итальянской компании оснащена цифровым термостатом, в панель управления встроена технология SMD, которая отличается быстродействием. Универсальный агрегат может работать с разной вместительностью от 1 до 3 кг, для этого ее не нужно переналаживать. Она предназначена для драгоценных металлов, ее max температура – 1250 0С.	1 млн.
ST 12	Статическая индукционная печь с цифровым термостатом. Она может быть дополнена вакуумной литьевой камерой, что дает возможность производить литье прямо рядом с установкой. Управление происходит с помощью сенсорной панели. Максимальная температура – 1250 0С.	1050 тыс.
ИЧТ-10ТН	Печь рассчитана на загрузку в 10 тонн, довольно объемный агрегат, для его установки нужно выделить закрытое цеховое помещение.	8,9 млн.

Вывод

Самостоятельно сделать индукционную печь увлекательно, но это сопряжено с некоторыми ограничениями и неизвестными последствиями, так как нужно опираться на законы физики и химии, а кто в этом не силен, тот не сможет провести процесс безопасно. Для частого использования такой установки лучше подобрать подходящий вариант из представленных выше.

←Предыдущая статья Следующая статья →

Примерная температура плавления алюминия составляет около 660 градусов по Цельсию, что позволяет произвести плавку даже в домашних условиях. Разумеется, на газовой плите достичь такой температуры не удастся, да и проводить подобные работы в помещении крайне нежелательно. В интернете существует множество видео, как самостоятельно своими руками. В этой статье мы рассмотрим наиболее интересные, проверенные и надёжные способы.

Виды

Печи, используемые в промышленности, очень дорого стоят. Их цена составляет тысячи и десятки тысяч долларов. Кроме этого, такие агрегаты занимают непозволительно много места. Алюминий является самым распространённым металлом на Земле, поэтому промышленность в данном направлении продвинулась далеко вперёд. Существует множество типов . Например, наклонные цилиндрические печи, печи с ревербационным тиглем, печи карусельного типа и другие.

Но как поступить, если необходимо изготовить какую-либо деталь в домашних условиях, а возможности заказать её по той или иной причине нет? Отличную мини-печь совершенно несложно изготовить и своими руками , причём, для этого, в основном, не нужно будет искать какие-то специфические материалы, детали и приборы. Большинство из них найдётся практически у каждого дома, в гараже или же на даче.

В сущности, принцип работы всех самодельных печей прост и однотипен. Различия, как правило, лишь в их некоторых конструктивных особенностях. В некотором объёмном термостойком сосуде разжигаются древесные угли (это наиболее удачный вариант топлива для плавки алюминия), в которые или над которыми в тигле размещается сам металл. В качестве тигля может выступать, например, обрезанный корпус огнетушителя , либо даже обыкновенный стальной чайник. Для увеличения температуры углей необходим качественный обдув воздухом со всех сторон (чтобы алюминий разогревался в ёмкости равномерно). Как правило, кислород подаётся через трубу вниз «колодца». Тягу же создать может обыкновенный пылесос, двигатель от старой вытяжки, кулер или даже фен. В принципе, это необходимые условия для создания своеобразной мини плавильни своими руками.

Читайте также: Порядовка печи с лежанкой

В качестве формы для отливки деталей обычно выступает гипс. Если же необходимо отлить обыкновенную цилиндрическую болванку из алюминия, подойдёт и кусок обрезанной стальной трубы. Рассмотрим наиболее интересные и простые конструкции мини печей.

Мини-печь из колёсного диска

Изготовить данную модель очень просто. Колёсный диск желаемого диаметра вкапывается в землю так, чтобы его поверхность совпадала с горизонтом, то есть не выступала над поверхностью земли. Посреди диска внутри получившейся топки должно быть отверстие, через которое пропускаем изогнутый патрубок , выходящий рядом с плавильней. По нему в мини-печь будет снизу поступать кислород. В качестве нагнетателя удобно использовать небольшой кулер , надетый на трубу снаружи. Однако, при такой подаче воздуха, поддув будет крайне некачественным и однонаправленным. Для этого внутри котла на выходе трубы соорудим нечто вроде конфорки. Удобно для этого использовать автомобильный дисковый тормоз , наваренный поверх трубы. После этого в получившуюся мини-плавильню можно засыпать угли и подавать воздух, поднимать их температуру. Алюминиевый лом в тигле размещается среди углей.

Печь из металлического бака

Совсем необязательно печь должна быть утоплена в землю. Несложно изготовить своими руками и переносную печь. Для этого подойдёт любой цилиндрический бак из термостойкого металла , например, бак от старой стиральной машины с вертикальной загрузкой. Изнутри диаметр бака уменьшается за счёт кирпичей и глины. Тем самым, толщина нашей печи составит 10-15 сантиметров. Не забываем монтировать внизу корпуса трубу для надува. Воздух можно подавать в неё любым удобным образом. Тигель с сырьём алюминия вешается внутрь топки. Как можно заметить, принципиальных отличий от предыдущего варианта нет. Его так же просто изготовить своими руками, различия лишь в необходимых инструментах и деталях.

В мире уже сформировались устоявшиеся технологии производства металла и стали, которыми пользуются металлургические предприятия и сегодня. К ним относятся: конверторный способ получения металла, прокатка, волочение, литье, штамповка, ковка, прессование и т. д. Однако наиболее распространенным при современных условиях является переплавка металла и стали в конвекторах, мартеновских печах и электрических печах. Каждая из таких технологий имеет ряд недостатков и преимуществ. Однако наиболее совершенной и новейшей технологией сегодня является получение стали в электрических печах. Основными преимуществами последней над другими технологиями является высокая производительность и экологичность. Рассмотрим как собрать устройство где будет осуществляться плавка металла в домашних условиях своими руками.

Малогабаритная индукционная электрическая печь для плавления металлов в домашних условиях

Плавка металлов в домашних условиях возможна, если иметь электрическую печь, которую можно сделать своими руками. Рассмотрим создание индуктивной малогабаритной электрической печи для получения однородных сплавов (ОС). По сравнению с аналогами создаваемая установка будет отличаться такими особенностями:

низкой себестоимостью (до 10000 руб), тогда как стоимость аналогов составляет от 150000 руб;
возможностью регулирования температурного режима;
возможностью скоростной плавки металлов в небольших объемах, что позволяет использовать установку не только в научной сфере, но и, например, в ювелирной, стоматологической областях и т.д.
равномерностью и скоростью нагрева;
возможностью размещения рабочего органа в печи в вакууме;
сравнительно малыми габаритами;
низким уровнем шума, почти полным отсутствием дыма, что позволит повысить производительность труда при работе с установкой;
возможностью работы как от однофазной, так и от трехфазной сети.

Выбор типа схемы

Наиболее часто, при построении индукционных нагревателей, используются три основных типа схем: полумост, ассиметричный мост и полный мост. При конструировании данной установки были использованы два типа схем – полумост и полный мост с частотным регулированием. Этот выбор был вызван потребностью регулирования коэффициента мощности. Встала проблема поддержания режима резонанса в контуре, поскольку именно с его помощью возможна настройка требуемого значения мощности. Существует два способа регулирования резонанса:

посредством изменения емкости;
с помощью изменения частоты.

В нашем случае поддержка резонанса происходит за счет регулировки частоты. Именно эта особенность и вызвала выбор типа схемы с частотным регулированием.

Анализ составных частей схемы

Анализируя работу индукционной печи для плавки металла в домашних условиях (ИП) можно выделить три основные ее части: генератор, блок силового питания, и силовой блок. Для предоставления необходимой частоты при работе установки используется генератор, который для избежания помех от других блоков установки, соединяется с ними через гальваническую решения в виде трансформатора. Для обеспечения схемы силового напряжения необходим блок силового питания, который обеспечивает безопасную и надежную работу силовых элементов конструкции. Собственно, именно силовой блок формирует необходимы мощные сигналы для создания нужного коэффициента мощности на выходе схемы.

На рисунке 1 приведена общая принципиальная схема индукционной установки.

Создание схемы соединений

Схема соединений (монтажная) показывает соединения составных частей изделия и определяет провода, кабели, которые выполняют эти соединения, а также места их присоединения.

Для удобства дальнейшего монтажа установки была разработана схема соединений, отражающий основные контакты между функциональными блоками печи (рис. 2).

Генератор частоты

Самым сложным блоком ИП является генератор. Он обеспечивает нужную частоту работы установки и создает начальные условия для получения резонансного контура. В качестве источника колебаний используется специализированный контроллер электронных импульсов типа КР1211ЕУ1 (рис.3). Этот выбор был вызван возможностью работы данной микросхемы в достаточно широком частотном диапазоне (до 5 МГц), что позволяет получать высокое значение мощности на выходе силового блока схемы.

На рисунках 4,5 приведены принципиальная схема генератора частоты и схема электрической платы.

Микросхема КР1211ЕУ1 генерирует сигналы заданной частоты, которые можно изменять с помощью регулирующего резистора, установленного вне микросхемой. Далее сигналы попадают на транзисторы, работающие в ключевом режиме. В нашем случае применяются кремниевые полевые транзисторы с изолированным затвором типа КП727. Их преимущества заключаются в следующем: максимально допустимый импульсный ток, который они могут выдерживать, равна 56 А; максимальное напряжение – 50 В. Диапазон этих показателей нас полностью устраивает. Но, в связи с этим возникла проблема значительного перегрева. Именно для решения данного вопроса и нужен ключевой режим, который позволит уменьшить время нахождения транзисторов в рабочем состоянии.

Блок питания

Данный блок обеспечивает подачу питания на исполнительные узлы установки. Главной его особенностью является возможность работы от однофазной и трехфазной сети. Источник питания на 380В используется для повышения коэффициента мощности, выделяемая в индукторе.

Входное напряжение подается на выпрямляющий мост, который преобразует переменное напряжение 220В в постоянное пульсирующее. К выходам моста подключены накопительные конденсаторы, которые поддерживают постоянный уровень напряжения после снятия нагрузки с установки. Для обеспечения надежности работы установки блок оборудован автоматическим выключателем.

Силовой блок

Данный блок обеспечивает непосредственное усиление сигнала и создания резонансного контура, с помощью изменения емкости круга. Сигналы с генератора попадают на транзисторы, которые работают в режиме усиления. Таким образом, они, открываясь в разные моменты времени, будоражат соответствующие электрические цепи, проходящие через повышающий трансформатор и пропускают по нему силовой ток в разных направлениях. В результате на выходе трансформатора (Tr1) мы получаем повышенный сигнал с заданной частотой. Этот сигнал подается на установку с индуктором. Установка с индуктором (Tr2 на схеме) состоит из индуктора и набора конденсаторов (С13 – Сп). Конденсаторы имеют специально подобранную емкость и создают колебательный контур, который позволяет регулировать уровень индуктивности. Этот контур должен работать в режиме резонанса, что вызывает стремительное повышение частоты сигнала в индукторе, и увеличение индукционных токов, за счет которых собственно и происходит нагрев. На рисунке 7 приведена электрическая схема силового блока индукционной печи.

Индуктор и особенности его работы

Индуктор – специальное устройство для передачи энергии от источника питания в изделие, нагревается. Индукторы изготавливают обычно из медных трубок. Во время работы он охлаждается проточной водой.

Плавка цветных металлов в домашних условиях при помощи индукционной печи заключается в проникновении в середину металлов индукционных токов, которые возникают за счет высокой частоты изменения напряжения, приложенного к зажимам индуктора. Мощность установки зависит от величины приложенного напряжения и от ее частоты. Частота влияет на интенсивность индукционных токов и соответственно на температуру в середине индуктора. Чем больше частота и время работы установки, тем лучше перемешиваются металлы. Сам индуктор и направления протекания индукционных токов приведены на рисунке 8.

Для однородного смешивания и избежание загрязнения сплава чужеродными элементами, например электродами из резервуара со сплавом, используют индуктор с обратным витком как показано на рисунке 9. Именно благодаря этому витку создается электромагнитное поле, которое удерживает металл в воздухе, превосходя силу притяжения Земли.

Конечный монтаж установки

Каждый из блоков крепится к корпусу индукционной печи с помощью специальных стоек. Это делается для того чтобы избежать нежелательных контактов токоведущих частей с металлическим покрытием самого корпуса (рис. 10).

Для безопасной работы с установкой, она полностью закрывается прочным корпусом (рис. 11), чтобы таким образом создать преграду между опасными элементами конструкции и телом человека, работающего с ней.

Для удобства наладки индукционной установки в целом было изготовлена панель индикации для размещения метрологических устройств, с помощью которых и происходит контроль за всеми параметрами установки. В таких метрологических устройств относятся: амперметр, который показывает ток в индукторе, вольтметр, подключенный на выходе индуктора, индикатор температурного режима, регулятор частоты генерации сигнала. Все приведенные параметры дают возможность для регулирования режимов работы индукционной установки. Также конструкция оборудована системой ручного включения, и системой индикации процессов нагрева. С помощью показов на устройствах собственно и происходит контроль за работой установки в целом.

Конструирование малогабаритной индукционной установки является достаточно сложным технологическим процессом, так как он должен обеспечить соблюдение большого количества критерий, таких как: удобство конструкции, малогабаритность, портативность и т.д. Данная установка работает по принципу бесконтактной передачи энергии в предмет, нагревается. В следствие целенаправленного движения индукционных токов в индукторе происходит непосредственно сам процесс плавки, продолжительность которого составляет несколько минут.

Создание данной установки является достаточно выгодным, так как область ее применения безгранична, начиная с использования для обычной лабораторной работы и заканчивая изготовлением сложных однородных сплавов из тугоплавких металлов.

ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ – это литейная печь c индуктором для плавки металла. Преимущество в том, что плавильная масса отлично перемешивается до однородного состава, если используется индукционная плавильная печь. Индукционная технология ускоряет процесс плавки металла (время плавки 45 минут), такие печи имеют хорошие характеристики! ZAVODRR – плавильные печи для стали, алюминия, меди от профессионалов!

Как устроены плавильные печи?

Плавильные печи представляют собой рабочую камеру, в которую помещается исходное сырьё (шихта), материалы и интенсифицирующие образование расплава. Камера отделяется от внешнего корпуса с помощью огнеупорной футеровки, а также теплоизолирующего слоя. В зависимости от вида применяемого энергоносителя или способа нагрева (метод индукции, графитовые электроды, газовые горелки), зависит устройство камеры, а так же время и качество материала на выходе. Давайте рассмотрим устройство плавильных печей.

– В дуговых плавильных печах устройство для слива расплава и отделения шлаковых масс расположено в нижней части печи. Электроды помещаются сверху их количество от 1 до 4 штук. В качестве источника питания выступает трансформатор. Недостатком этого способа может быть спекание металла.

– Индукционная плавильная печь состоит из индуктора, внутри которого находится тигель с огнеупорной футеровкой. Оборудование оснащено механизмами загрузки шихты, системами, обеспечивающими полный слив готового расплава, системами управления и регулировки. В индукционных плавильных печах металл сливается сверху. В качестве источника питания выступают тиристорные или транзисторные преобразователи. Качество переплавленного металла таким способом самое лучшее, ведь метод индукции – это постоянное равномерное перемешивание шихты во время плавки; Устройство плавильных печей зависит от их вида.

– Газовые плавильные печи имеют самую простую и дешевую конструкцию. В плавильный узел в нижней части подключена газовая горелка, которая работает от обычного магистрального газа (метана). Как правило, эти печи используют для переплавки металлов с небольшой удельной теплотворной способностью, таких как алюминий или медь.

Плавильные печи – преимущества

При выборе плавильной печи, нужно знать ее недостатки и преимущества. Основное преимущество газовых плавильных печей – это минимальные затраты при плавки металла, ведь газ является самым дешевым энергоносителем. Индукционные плавильные печи позволяют получить отличное качество расплава на выходе. Электродуговые – достичь максимальную температуру плавки, для тугоплавких материалов или сплавов. Все виды печей имеют хорошую автоматизацию процесса и небольшой объём вредных атмосферных выбросов.

Преимущества использования индукционных печей очевидны:

технология производства позволяет получать высококачественные расплавы с однородным химическим составом,
есть возможность введения дополнительных легирующих элементов,
печи обладают высоким КПД около 95%,
сравнительно малый угар,
безопасная для здоровья персонала технология производства,
экономичность производства, достигаемая за счет выделения большого количества тепла металлом, что позволяет потреблять меньшую мощность.

Основными характеристиками тепловых установок является вместимость рабочей камеры, которая предопределяет производительность, тип материала, для выплавки которого она предназначена и номинальная мощность нагревательного элемента, задающая максимальную рабочую температуру, а также энергоёмкость процесса.

Обращая внимание на характеристики оборудования при выборе индукционных печей, стоит уделить особое внимание качеству тигля. В среднем тигель рассчитан на количество плавок от 20 до 60. Комплект индукционной печи, кроме тигля, включает в себя:

преобразователь частоты (транзисторный или тиристорный),
конденсаторные батареи,
плавильные узлы,
водоохлаждаемые кабели,
системы охлаждения и пульты управления.

Управление и контроль над процессом плавки должен осуществлять специально обученный персонал.

Нагревательный элемент таких установок может работать как в промышленных, так и в средних частотах. Преимуществами такого решения является полный контроль над окислительными процессами, а также полный слив расплава. В качестве футеровочных могут быть использованы как кислые, так и основные материалы.

Плавильные печи для плавки металла являются самым востребованным оборудованием для металлургических предприятий. Индукционные плавильные печи делают процесс плавки более экономичным и качественным. В зависимости от типа металла и объема шихты процесс плавки металла в индукционной печи занимает в среднем от 30 минут до 1,5 часов. Индукционные печи позволяют проводить термическую обработку черных, цветных и даже драгоценных металлов.

Плавка стали происходит при температуре 1500-1600 градусов Цельсия. В процессе плавки необходимо снизить содержание веществ, ухудшающих качество стали, таких как сера, фосфор и кислород. Выбор футеровки зависит от состава желаемого расплава. Индукционные печи идеально подходят для производства легированных сталей. Время плавки стали в среднем занимает около 1 часа.

Эти печи работают, преимущественно, на промышленных частотах в 50 Гц и оснащаются высокоточной автоматикой, позволяющей контролировать как температуру, так и интенсивность ликвации. Величина угара в них едва достигает 2%, кроме того, они не требовательны к качеству подготовки шихтовых материалов.

Температура плавления алюминия составляет 660 градусов Цельсия, поэтому важно, чтобы тиристорный преобразователь не был слишком мощным. Плавильный узел для плавки алюминия не стоит использовать для плавки других металлов. Использование индукционной печи для плавки алюминия и его сплавов позволит получить однородный расплав высокого качества.

Отличительной особенностью таких печей является низкая температура разогрева и. как следствие, малое энергопотребление. В качестве основного материала для тигля распространён графит, кроме того, для интенсификации процесса, может быть использован и металлический сердечник, подключаемый к среднечастотной сети через понижающий трансформатор. Максимальная температура нагрева, как правило, не превышает 750 ºС.

Плавильные печи для меди

Плавка меди в индукционной печи занимает не более 40 минут. Процесс получения расплава происходит при температуре 1000-1300 градусов Цельсия. Плавить можно в вакууме, в среде защитных газов или в открытой среде. Благодаря высокой тепло- и электропроводности и гибкости медь широко используется в различных отраслях промышленности.

При производстве медного расплава очень важно обеспечить химическую чистоту, поэтому, печи, в ряде случаев, имеют герметичную рабочую камеру, а индукционный нагрев осуществляется в мягком режиме. Существенных конструктивных отличий от индукционных печей для цветных металлов здесь нет, основное же требование - отсутствие непосредственной реакции между материалом тигля и расплавом.

Плавильные печи – транзисторные

Для расплавления шихты на небольших литейных предприятиях используются транзисторные печи. В таких печах используется среднечастотный индукционный нагреватель. Плавка металлов осуществляется в графитовом тигле. В транзисторных печах происходит динамическая циркуляция металлического расплава внутри тигля, благодаря чему происходит выравнивание температуры по всему объему тигля, что способствует получению однородного химического состава многокомпонентного сплава. В таких печах возможен быстрый переход со сплава одной марки на другой.

Транзисторные индукционные печи отличает универсальность и крайне высокий КПД, который может достигать 99%, вместо привычной медной обмотки, в них применяется нагреватель индукционного типа, собранный на системе взаимосвязанных транзисторов. Преимуществом является и электродинамическая циркуляция, обеспечивающая равномерное перемешивание расплава.

Ещё одной разновидностью индукционных печей являются установки. В которых для стабилизации процесса нагрева и обеспечения возможности его регулирования применяются тиристорные частотные преобразователи тока, обеспечивающего образование электромагнитного поля.