Принцип работы муфельной печи и ее применение

Муфельные печи — это устройства с древней историей. Мастера издавна применяли их для обработки керамики, стекла и металла. Суть работы ее сводится к нагреву материала опосредованно, без контакта с источником тепла (пламенем). Делается это путем нагрева особой керамической емкости, которая и называется муфелем.

Назначение

В производственной практике муфели применяются как для исследований, так и изготовления деталей или целых изделий. Современные муфельные печи для нагрева используют не только древесный уголь (в комплекте с мехами), но и газ, и электричество. Последнее особенно удобно из-за простоты конструкции и невысокой стоимости данного вида энергии.

Все основные функции муфелей можно свести к следующим:

• Обжиг — работа с керамикой и эмалями.
• Отпуск — касается прежде всего металлических изделий со значительным внутренним напряжением кристаллической структуры.
• Закалка — часто финальная стадия обработки металлических изделий, придает им высокие эксплуатационные качества.
• Отжиг — применяется при работе как с металлами, так и со стеклом.
• Плавление — для стекла и металлов.
• Сушка — керамические изделия (применяется терморегулятор, диапазон — от 10 до 50 градусов).
• Озоление — чаще всего встречается в лабораторно-исследовательской практике, суть его в полном удалении летучих соединений из материала и превращении его в золу.

Характеристики

Все муфельные печи как фабричного, так и самодельного происхождения отличаются несколькими базовыми характеристиками:

• Объем рабочей камеры — он может колебаться от 1 до 100 литров. Конкретное значение зависит от того, для чего будет применяться это оборудование
• Мощность в кВт — от ее значения зависит не только теплотворная способность устройства, но и тип электропитания — до 5 кВт используют бытовой ток, а если мощность больше, то исключительно трехфазный.

• Тип нагревательных элементов — чаще всего это спирали или стержни из нихрома, фехраля или вольфрама
• Наличие блока терморегуляции и его особенности (программируемый или нет, плавный или ступенчатый)
• Общий вес устройства — при его больших значениях потребуется надежное основание, и выбор места установки существенно ограничится

Виды

Большинство современных муфельных устройств можно разделить на три группы по особенностям их конструкции, типу нагревательного элемента и возможным режимам обработки материала

Тип нагревательного элемента

В муфелях чаще всего применяются газовые или электрические нагревательные элементы. Первые представляют собою тарельчатые или трубчатые горелки, а вторые — проволочные спирали, ленты или стержни. Диаметр проволоки обычно не менее 2.5-3 мм. Иногда ее заключают в трубку из кварцевого стекла — так повышается защита металла нагревателя от окисления кислородом и водяными парами.

В качестве металлов для электрического нагревателя наиболее расхожи нихром и фехраль, гораздо реже применяются вольфрам, платина или тантал (в средах инертных газов).

Конструкция

По типу конструкции муфели бывают:

• Колпаковые — обрабатываемый материал помещается на термостойкий поддон, который и накрывается сверху муфелем с нагревательными элементами (как колпаком)
• Камерные — это емкость цилиндрической или кубической формы, материал в которую загружается через дверцу на одной из боковых сторон (горизонтально). Нагревающие элементы расположены по всем внутренним сторонам в особых канавках.
• Шахтные — имеют второе название — горшковые. По сути это перевернутый вариант колпаковых муфелей. Здесь материал загружается через верхнюю крышку в довольно глубокую внутреннюю емкость печи.
• Тоннельные — называются так по сходству с одноименным строительным сооружением. Часто такие муфели интегрированы в конвейер. Деталь поступает ко входу на специальной ленте, ею же перемещается внутри печи и выходит с обратной стороны.

Режим обработки

Муфели могут быть универсальными (чаще всего это небольшие лабораторные установки) и специализированными:

• для обработки и плавки металлов (до 1600 градусов)
• для сушки и обжига керамики (от 100 до 600 градусов)
• для озоления и плавки различных химических соединений (около 1000 градусов)
• для варки стекла и нанесения эмалей, глазури на керамику и металл (около 1000-1300 градусов)

Критерии выбора

Выбирая муфельную печь, нужно основываться на ее предназначении и условиях будущей эксплуатации. Прежде всего нужно обратить внимание на рабочий объем муфеля, тип нагревательного элемента, возможные температуры, потребляемый ток и общую функциональность.

Допустимые нагрузки и режимы температур

Все печи по мощности делятся на две группы:

• до 5 кВт — питаются от бытовой сети в 220 В
• от 6 кВт и более — им нужна трехфазная сеть на 380 В

В обоих случаях линия питания должна быть выделенной и оснащенной индивидуальными средствами автоматической защиты.

По температурным режимам печи могут быть до 900 градусов — это специализированные на обжиге керамики устройства, имеющие значительный внутренний объем. Также муфели могут иметь рабочую температуру от 1200 до 1600 градусов — наиболее универсальные для лабораторий и производственных мастерских устройства.

Функциональность

Под функциональностью подразумеваются прежде всего габариты, вес устройства, способ загрузки материала и наличие дополнительных функций. Под последними понимается прежде всего возможность максимально точного контроля температуры и управления ее изменением в автоматическом режиме. Все перечисленное должно отвечать особенностям производственного или исследовательского процесса, в которых предполагается задействовать муфель.

Спираль для нагрева и рабочий объем камеры

Нагревательный элемент чаще всего имеет вид спирали с диаметром витков около 0.5-1 см. Толщина самой проволоки от 2.5 до 3-4 мм. Размещается она в особых канавках по поверхности всех стенок и дна муфеля. Крепеж, предохраняющий спирали от провисания, выполняется из керамических трубочек или шпилек. На дно устанавливается опорная решетка для тигеля из термостойкой стали.

В среднем рабочий объем муфеля равен 10-30 литрам. Большие объемы имеют устройства, специализированные на сушке и обжиге керамики (до 100-200 литров).

Рекомендации по использованию

Конкретные требования к эксплуатации муфеля всегда излагаются в прилагаемой к нему инструкции от производителя. Ее всегда нужно тщательно изучать до начала работ с устройством. Чаще всего возникают вопросы по эксплуатации печей для керамики и стекла

Печь для керамики

Данное устройство практически всегда имеет значительный объем, но работает на относительно низких температурах. Это обычно 800-900 градусов. Отличает данные печи появление водяных испарений и конденсата. Следовательно устройство должно быть заземлено, установлено в удобном для загрузки и выгрузки материала месте. Работник, обслуживающий такой муфель, должен иметь рабочий халат, фартук, перчатки и очки для защиты от раскаленного воздуха и материалов.

Для стекла

Муфельные печи для обработки стекла всегда имеют значительно меньший объем (около 10 литров), но используют высокие температуры — до 1200-1300 градусов. Всегда нужно помнить о вероятности токсичных испарений из присадок для стекла (при его варке) и разбрызгивании расплава.

Условия безопасной установки

Изготовив или приобретя фабричную модель муфельной печи, нужно установить ее в мастерской или лаборатории с соблюдением всех правил безопасности. По сути они сводятся к набору широко известных требований по эксплуатации нагревательного оборудования на электричестве и газе:

1. Для питания устройства проводится отдельная линия, в нее встраиваются надежные средства защиты от замыкания, соответствующие мощности печи.
2. Муфель имеет значительный вес и при работе сильно нагревается, поэтому он должен стоять на надежном и негорючем основании.
3. Недопустимо использовать это оборудование в помещениях с высокой влажностью — велик риск удара током и раскрошивания внутренней футеровки.
4. Все манипуляции с муфелем нужно производить в средствах защиты от высокой температуры для рук и лица (перчатки и очки).
5. В обязательном порядке оборудование должно быть заземлено.

Самостоятельное изготовление

Самостоятельно изготовить муфельную печь своими руками при наличии соответствующих материалов не составляет особого труда. Для этого нужно обладать навыками работы с металлом, кирпичом и электротехническими схемами. Из инструментов необходим следующий минимальный набор:

• Дрель с набором сверл по металлу.
• Угловая шлифмашина с несколькими абразивными и шлифовальными дисками.
• Инверторный сварочный аппарат и несколько электродов к нему.
• Ручные пилы по металлу с запасными полотнами.
• Пассатижи и кусачки.

Понадобится также и некоторое количество материалов. Их точное число зависит от проекта, по которому будет строиться печь, и вычисляется в каждом случае отдельно. Нужно приобрести:

• Металлический уголок 5×5 см и толщиною 2-3 мм
• Листовая сталь толщиною 2-3 мм
• Метизы для крепежа и изготовления запорных элементов (болты и муфты)
• Шамотный кирпич
• Базальтовая или перлитовая вата в виде готовых матов
• Силиконовый герметик для печных работ
• Фарфоровые трубки внутренним диаметром 4-5 мм
• Электрический провод в термостойкой изоляции
• Электронные детали для блока терморегулирования (тиристоры с радиаторами, мощные резисторы для балласта, готовый электронный термометр на термопаре, тумблеры и автоматические предохранители на 15-20 ампер)
• Нихромовая или фехралевая проволока диаметром 2-3 мм и длиною 10-15 метров (в катушке)

Все перечисленное пригодится как для постройки электрической, так и газовой муфельной печи. В последнем случае электронные компоненты не пригодятся. Нужен будет только полупроводниковый термометр. Конкретную схему или чертеж можно подобрать в интернете или использовать одну из приводимых здесь. Размеры муфельной печи можно менять при необходимости. Главное — правильно пересчитать величину нагревательной спирали.

Газовая муфельная печь изготавливается из горелки и керамического муфеля (делается из подходящего по свойствам керамического сосуда). Пламя горелки нагревает наружную поверхность керамики и не контактирует с содержимым муфеля. Подобное устройство всегда имеет малый рабочий объем и применяется для изготовления и обработки небольших металлических или керамических поделок (например, закалка или отпуск клинков ножей, обжиг миниатюрных скульптур). Большие муфельные печи изготовить в условиях домашней мастерской затруднительно, а эксплуатация ее будет небезопасна.

Если нужна печь с рабочим объемом от 10 литров, то правильным выбором будет муфельная электропечь — она практичнее и много безопаснее. Суть ее самостоятельного изготовления сводится к сварке основного каркаса из металлического уголка и листа. На него изнутри монтируется термоизоляция из двух слоев — базальтовой ваты (внешний) и шамотного кирпича (внутенний). В кирпиче проделываются пилой, УШМ и стамеской канавки или желобковые углубления для нагревательных спиралей. Чаще всего делают два независимых контура (могут работать одновременно).

Дверцу уплотняют с помощью нескольких слоев силиконового герметика. Со временем он износится, но его легко подновить. В финале сборки печи подключают к блоку терморегулятора — он позволит контролировать внутреннюю температуру и плавно ее менять. Часто дополнительно устанавливают электронные программируемые блоки — они не только выполняют измерительные функции, но и позволяют производить термообработку по сложной программе без контроля со стороны человека.

Отзывы

Николай М.: «Два года назад самостоятельно собрал первую свою муфельную печь. Делал работающую на электричестве. Рабочий объем — 90 литров. С тех пор успешно применяю для обжига керамики. Нареканий по работе особых нет. Совет всем, кто будет делать ее как и я самостоятельно — не экономьте на качестве термоизоляции и позаботьтесь об удобстве смены нихромовых спиралей — они иногда перегорают. Если не подумать заранее, замена нагревательных элементов превращается в по-сути новую сборку-разборку муфеля».

Олег В.: «У меня собственная зубоврачебная практика. Три года назад решил заняться протезированием и для этих целей приобрел SNOL 7.2(8.2)-1100. Качество муфеля достойное. Работает интенсивно до сих пор. И я и мои пациеты довольны — коронки льются на ура. Средства потраченные на данное оборудование вернулись буквально за полгода его эксплуатации».

Муфельная печь — это отличное приспособление для работы не только с керамикой, но и со стеклом, металлами. Ее приобретение не повредит любой серьезной мастерской. В домашних же условиях есть возможность существенно сэкономить средства и построить этот нужный агрегат своими руками из элементарных материалов. Его качество будет таково, что не сильно уступит фабричным моделям.