Схема і принцип роботи індукційної печі
Розроблені понад століття тому, індукційні печі міцно входять в наш побут. Це стало можливо завдяки розвитку електроніки. Вибухове зростання потужності контролерів, виконаних на основі кремнієвих напівпровідників і поява в широкому продажі транзисторів, здатних забезпечувати великі потужності (в кілька кіловат) в останні роки набув характеру лавини. Все це подарувало людству неймовірно великі перспективи у розвитку мініатюрних установок, порівнянних за потужністю з промисловими пристроями найближчого минулого.
Використання і будова пристрою
Застосування індукційних печей в домашньому господарстві дозволяє уникнути появи в приміщенні вогнищ відкритого полум'я і є досить ефективним способом плавлення і контрольованого нагрівання металів і сплавів. Це відбувається завдяки тому, що метал нагрівається, розжарюється і розплавляється не під впливом високотемпературних пальників, а за допомогою пропускання через себе струмів великої частоти, що стимулюють активний рух частинок в структурі матеріалу.
Стало можливим поява в побуті:
Компактних канальних індуктивних печей, в яких можна плавити метал і створювати литтям різні вироби і конструкції, очищати від домішок різні дорогоцінні метали і загартовувати вироби, надаючи їм додаткову міцність.- Водогрійних котлів, чия ефективність лежить вже зараз далеко за межами звичайних бойлерів.
- Плит для приготування їжі, які не тільки безпечніше газових за експлуатаційними характеристиками, але й ефективніше деяких мікрохвильових печей в області розігріву їжі і підтримки її температури.
- Тигельних плавилень, які придбали найбільше шанувальників серед людей, що займаються самостійним виготовленням і ремонтом електричних пристроїв.
Крім того, все більшого поширення набувають електроіндукціонние грубки, які працюють не тільки з струмопровідних матеріалом. Їх пристрій трохи відрізняється від звичайних індукційних печей, так як в його основі лежить нагрівання електричної індукцією матеріалу, який не проводить струм (їх ще називають діелектриками) між обкладинками конденсатора, Тобто, його висновками різної полярності. Досягаються температури при цьому не дуже великі (близько 80-150 градусів Цельсія), тому такі установки застосовуються для плавлення пластику або його термічної обробки.
Особливості конструкції і принцип роботи
Індукційна піч працює на основі освіти в ній вихрових електричних струмів. Для цього використовують складається з витків товстого дроту котушку індуктивності, до якої підводиться джерело змінного струму. Саме змінний струм утворює постійно мінливий залежно від поточної частоти магнітне поле. Воно й провокує передачу цих струмів помещаемому всередину котушки речовини разом з великою кількістю тепла. Генератором при цьому може виступати навіть самий звичайний зварювальний інвертор.
Розділяють два види індукційних печей:
- З магнитопроводом, особливістю якої є розташування індуктора усередині об'єму металу, що піддається плавці.
- Без муздрамтеатру – коли індуктор знаходиться зовні.
Конструкція з наявністю муздрамтеатру використовується, наприклад, в канальних печах. У них використовується неразомкнутий металевий (найчастіше – сталевий) муздрамтеатр, всередині якого знаходяться тигель для плавки і індуктор, що утворюють первинну ланцюг обмотки. Як матеріал для тигля можна використовувати графіт, жароміцних глину або будь-який інший непровідний ток матеріал, що володіє відповідною термостійкістю. У ньому розміщують метал, який потрібно розплавити. Це, як правило, всілякі сплави кольорових металів, дюралюміній і чавун.
Генератор такої печі повинен забезпечувати частоту змінного струму в межах 400 герц. Можливі й варіанти використання замість генератора звичайну електричну мережу і живити піч за допомогою струму з частотою в 50 герц, але в цьому випадку температура розігріву буде нижче і для більш тугоплавких сплавів така установка не підійде.
Тигельні же печі, що не мають в своїй конструкції муздрамтеатру, отримали значно більшого поширення серед ентузіастів. Вони використовують струми значно більшої частоти для досягнення більшої щільності поля. Це пов'язано як раз з відсутністю муздрамтеатру – занадто великий відсоток енергії поля розсіюється в просторі. Для протидії цьому необхідно дуже тонко налаштувати піч:
- Забезпечити рівну частоту контуру індукційної установки і напруги від генератора (при використанні інвертора це зробити найлегше).
- Підібрати діаметр плавильного тигля таким чином, щоб він був близький з довжиною хвилі отриманого випромінювання магнітного поля.
Таким чином можна мінімізувати втрати аж до 25% від всієї потужності. Для досягнення ж найкращого результату рекомендується виставляти двічі, а то і тричі більшу частоту джерела змінного струму, ніж резонансну. В цьому випадку дифузія металів, що входять до складу сплаву буде максимальною, а його якість – значно краще. Якщо підвищувати частоту і далі, можна домогтися ефекту виштовхування високочастотного поля до поверхні виробу і так провести його загартування.
Вакуумні плавильні печі
Такий вид установок складно назвати побутовими, але розглянути їх варто через те, що вакуумна плавка має ряд технологічних переваг в порівнянні з іншими видами. За своєю конструкцією вона нагадує тигельну, з тією відмінністю, що сама піч знаходиться у вакуумній камері. Це дозволяє домагатися більшої чистоти процесу розплавлення металу, знизити його окислюваність в процесі обробки і прискорити процес, домагаючись значної економії електроенергії.
Крім того, обмеженість і замкнутість простору сприяє уникнути виділення в навколишній простір шкідливих випарів плавких металів і зберігати чистоту процесу їх обробки. Можливість контролювати склад і процес обробки також є одним з переваг печей цього виду.
Канальні індукційні установки
Ще один вид промислових печей, що мають більш широке застосування, ніж інші. Їх можна використовувати не тільки в якості плавилень, але і як роздавальники підготовленого матеріалу і змішувачі декількох видів сировини. Типові конструкції таких пристроїв включають:
Наявність ванни, в якій знаходиться сировину, яка досягла або досягає заданої температури.- Каналу, по якому розплавлена маса проходить через магнітне поле.
- Муздрамтеатру, що забезпечує постійну циркуляцію рідкого металу.
- Котушки первинної обмотки, яка приводить в дію магнітне поле.
Найменше розмикання контуру, який утворюється рідким металом, магнитопроводом і котушкою призводить до підвищення його власного опору і миттєвого викиду всієї маси сировини з каналу. Для протидії такому явищу всередині каналу залишають «болото» – невелику масу металу, яка підтримується в рідкому вигляді.
Переваги індуктивних печей канального типу:
- Невисока ціна установок.
- Економічність – для підтримки температури всередині ванни, яка погано розсіює тепло, потрібно мала кількість електроенергії.
- Коефіцієнт корисної дії індуктора при роботі дуже високий.
недоліки:
Повільне просування по каналу розплавленого металу ускладнює контроль за його якістю і окисленням.- Необхідність залишати деяку кількість сировини всередині знижує якість хімічного складу наступного завантаження і можливості більш тонкого його контролю.
- Необхідність підтримання герметичності установки через загрозу розриву магнітного поля і освіти вихрового випромінювання. Складність підтримування ізольованості при футеровці внутрішніх стін установки деякими складами.
Основні елементи схеми печі
Для того щоб зібрати установку і виконувати роботи на ній, необхідно знайти підходящу схему індукційної печі і деталі для неї. Для пошуку останніх дуже стане в нагоді наявність одного або декількох непотрібних блоків живлення від комп'ютера, так як більшість деталей можна знайти в них. Типова схема найпростішої печі з саморобним інвертором включатиме такі елементи, як:
Транзистори-польовики, можна використовувати IRFZ46N або аналоги (IRFZ44V, що має силу струму на ніжці стоку в 55 ампер підійде навіть краще). Бажано підбирати польовики з максимально можливим значенням напруги пробою, так вони прослужать набагато довше.- Дроселі, резистори з опором 470 Ом (можна використовувати один ваттнік або два полуваттніка, з'єднаних в схемі послідовно) і дев'ять конденсаторів малої ємності (до 1 мікрофарад) які можна випаять з блоку живлення.
- Радіатори для охолодження транзисторів – польовики в корпусах типу ТЕ-220АВ при роботі мають високу температуру і вибухнути від нестачі відведення тепла від них.
- Дріт з міді діаметром близько міліметра для створення феритових кілець і діаметром в 2 міліметри для створення індуктора.
- Діоди марок UF4007, 2 штуки, але краще мати парочку запасних на випадок, якщо в перший раз зберете щось неправильно – вони вилетять першими.
- Батарею ємністю близько 8-10 ампер-годин. Такі, як правило, витягуються зі старих джерел безперебійного живлення і мають вихідну напругу в 12 вольт.
- Як тигля можна зліпити і обпалити на багатті або за допомогою пальника глиняний горщик потрібного вам діаметра.
Інвертор для установки збирається за схемою, запропонованою С. В. Кухтецкім для лабораторних випробувань. Її легко можна знайти в інтернеті. Потужність інвертора, який живиться від напруги в діапазоні 12-35 вольт становитиме 6 кіловат, а його робоча частота – 40-80 кілогерц, цього буде більш ніж достатньо для домашніх проектів.
Техніка безпеки при роботі
Так як робота з індукційної піччю має на увазі тісний контакт з розплавленим металом і струмами високої частоти і сили, варто потурбуватися про якісне заземлення установки і надійних засобах захисту. При цьому одяг повинен строго відповідати всім вимогам:
Бути виготовленої з щільного плавиться і не горить.- Базовий захисний костюм повинен включати в себе фартух і рукавиці. На ногах по можливості слід носити при роботі взуття з прорезіненой підошвою, ступні ж і шкарпетки повинні бути сухими.
- Для захисту очей варто придбати спеціальні окуляри, це вбереже вас від випадкового потрапляння розпеченого шматка металу в очі.
Не варто забувати і про гарну вентіліруємость приміщення, в якому будуть працювати. Розплавлений метал викидає в повітря хімічні сполуки, які зовсім некорисні для ваших легенів.