Индукционная плавильная печь своими руками: схема изготовления

Индукционная плавильная печь применяется для плавления металлов и сплавов уже на протяжении последних нескольких десятилетий. Устройство получило широкое распространение в металлургической и машиностроительной областях, а также в ювелирном деле. При желании простую версию этого оборудования можно изготовить своими руками. Рассмотрим принцип работы и особенности применения индукционной печи подробнее.

Индукционная плавильная печь

Принцип индукционного нагрева

Для того чтобы металл перешел из одного агрегатного состояния в другое требуется нагреть его до достаточно высокой температуры. При этом у каждого металла и сплава своя температура плавления, которая зависит от химического состава и других моментов. Индукционная плавильная печь проводит нагрев материала изнутри при создании вихревых токов, которые проходят через кристаллическую решетку. Рассматриваемый процесс связан с явлением резонанса, который становится причиной увеличения силы вихревых токов.

Принцип действия устройства имеет следующие особенности:

1. Пространство, которое образуется внутри катушки, служит для размещения заготовки. Использовать этот метод нагрева в промышленных условиях можно только при условии создания большого устройства, в которое можно будет поместить шихту различных размеров.
2. Устанавливаемая катушка может иметь различную форму, к примеру, восьмерки, но наибольшее распространение получила спираль. Стоит учитывать, что форма катушки выбирается в зависимости от особенностей заготовки, подвергаемой нагреву.

Индукционный нагрев

Для того чтобы создать переменное магнитное поле устройство подключается к бытовой сети электроснабжения. Для повышения качества получаемого сплава с высокой текучестью применяются высокочастотные генераторы.

Устройство и применение индукционной печи

При желании можно создать индукционную печь для плавки металла из подручных материалов. Классическая конструкция имеет три блока:

1. Генератор, который создает ток высокой частоты переменного типа. Именно он создает электрический ток, преобразующийся в магнитное поле, проходящее через материал и ускоряя движение частиц. За счет этого происходит переход металла или сплавов из твердого состояния в жидкое.
2. Индуктор отвечает за создание магнитного поля, которое и нагревает металл.
3. Тигель предназначен для плавки материала. Он помещается в индуктор, а обмотка подключается к источникам тока.

Процесс преобразования электрического тока в магнитное поле сегодня применяется в самых различных отраслях промышленности.

Устройство индукционной плавильной печи

К основным достоинствам индуктора можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Современное устройство способно направлять магнитное поле, за счет чего повышается КПД. Другими словами, проходит нагрев шихты, а не устройства.
2. За счет равномерного распространения магнитного поля заготовка нагревается равномерно. При этом с момента включения устройства до плавки шихты уходит небольшое количество времени.
3. Однородность получаемого сплава, а также его высокое качество.
4. При нагреве и плавлении металла не образуются испарения.
5. Сама установка безопасна в применении, не становится причиной образования токсичных веществ.

Существует просто огромное количество различных вариантов исполнения самодельных индукционных печей, каждая имеет свои определенные особенности.

Виды индукционных печей

Рассматривая классификацию устройств, отметим, что нагрев заготовок может проходить как внутри, так и снаружи катушки. Именно поэтому выделяют два типа индукционных печей:

1. Канальная. Подобного рода устройство имеет небольшие каналы, которые расположены вокруг индуктора. Для генерации переменного магнитного поля внутри расположен сердечник.
2. Тигельная. Эта конструкция характеризуется наличием специальной емкости, которую называют тигель. Изготавливается она из тугоплавкого металла с высоким показателем температуры плавления.

Важно, что канальные индукционные печи обладают большими габаритными размерами и предназначаются для промышленного плавления металла. За счет непрерывного процесса плавки можно получать большой объем расплавленного металла. Канальные индукционные печи применяются для плавки алюминия и чугуна, а также других цветных сплавов.

Тигельные индукционные печи характеризуются относительно небольшими размерами. В большинстве случаев подобного рода устройство применяется в ювелирном деле, а также при плавке металла в домашних условиях.

Устройство индукционной тигельной печи

Индукционная тигельная печь в разрезе

Установки на транзисторах получили довольно большое распространение, так как их можно изготовить своими руками при минимальных временных и денежных затратах.

Изготовление своими руками

При желании рассматриваемое устройство можно собрать в домашних условиях. Простая схема состоит из нижеприведенных элементов:

1. полевые транзисторы;
2. резисторы на 470 Ом;
3. два диода;
4. конденсаторы пленочного типа;
5. обмоточный провод из меди;
6. два кольца от дросселя, которые снимаются с компьютерного блока питания.

Приведенный выше список элементов определяет то, что создать индукционную печь можно при минимальных затратах. Процесс сборки устройства можно охарактеризовать следующим образом:

1. Для начала проводится установка полевых транзисторов на радиаторы. Стоит учитывать, что подобная печь при работе сильно греется. Поэтому следует использовать радиаторы большого размера. Есть возможность провести установку транзисторов и на один радиатор, но придется выполнить их изоляцию.
2. Далее потребуются два дросселя, которые также изготавливаются своими руками. Для этого проводится наматывание медной проволоки на кольца блока питания персонального компьютера. Почему именно эти кольца? Причина довольно проста – при их изготовлении применяется ферромагнитное железо. Следует намотать около 10 витков, а также выдерживать одинаковое расстояние между ними.
3. Важным элементом конструкции можно назвать конденсаторную батарею. При соединении отдельных конденсаторов можно получить батарею емкостью 4,7 мкФ. Соединение отдельных элементов проводится параллельно.
4. Для образования магнитного поля нужно создать обмотку, которая изготавливается из медной проволоки толщиной 2 миллиметра. Достаточно создать около 7-8 витков. Образующееся пространство внутри должно быть таким, чтобы поместилась заготовка, которая будет плавиться. Обмотка должна иметь два длинных конца, которые будут подключаться к источнику тока.
5. В рассматриваемом случае источником питания может стать обычный аккумулятор на 12 В. Ток, который подается на катушку, имеет силу около 10А. Емкости подобного источника тока хватает примерно на 40 минут, после чего приходится проводить зарядку устройства.

Самодельная индукционная печь

Создавая печь своими руками можно провести регулировку мощности, для чего изменяется количество витков. Стоит учитывать, что при повышении мощности устройства требуется более емкая батарея, так как повышается показатель энергопотребления. Для того чтобы снизить температуру основных элементов конструкции устанавливается вентилятор. При длительной эксплуатации печи ее основные элементы могут существенно нагреваться, что стоит учитывать.

Еще большое распространение получили индукционные печи на лампах. Подобную конструкцию можно изготовить самостоятельно. Процесс сборки имеет следующие особенности:

1. Медная трубка применяется для создания индуктора, для чего ее сгибают по спирали. Концы также должны быть большими, что требуется для подключения устройства к источнику тока.
2. Индуктор следует поместить в корпусе. Изготавливается он из термостойкого материала, который может отражать тепло.
3. Проводится соединение каскадов ламп по схеме с конденсаторами и дросселями.
4. Выполняется подключение неоновой лампы-индикатора. Она включается в схему для обозначения того, что устройство готово к работе.
5. В систему подключают подстроечный конденсатор переменной емкости.

Важным моментом является то, как можно провести охлаждение системы. При работе практически всех индукционных печей основные элементы конструкции могут нагреваться до высокой температуры. Промышленное оборудование имеет систему принудительного охлаждения, которое работает на воде или антифризе. Для того чтобы создать конструкцию водяного охлаждения своими руками требуется довольно много средств.

В домашних условиях устанавливается система воздушного охлаждения. Для этого устанавливаются вентиляторы. Следует располагать их так, чтобы обеспечивать беспрерывный поток холодного воздуха к основным элементам конструкции печи.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Индукционные печи для плавки металла

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.

Основные виды плавильных печей

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:

1. Термические. Теплоноситель — топочный газ либо сильно разогретый воздух.
2. 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.
3. 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:

1. Канальные. Роль вторичного витка высокочастотного трансформатора выполняет кольцевой короткозамкнутый канал с расплавленным металлом. Источником энергии обычно служит переменный ток промышленной частоты, либо 400‑Гц генератор.
   Достоинство таких устройств в том, что плавление может выполняться непрерывно с подачей сырья и забором расплавленного материала. Недостаток — сложность начального запуска: требуется предварительное заполнение канала расплавом.

   Еще одним преимуществом является высокий кпд, так как передача высокочастотного поля производится через имеющий малое рассеяние энергии стальной или ферритовый сердечник.

2. Тигельные. Металлическое сырье помещается в термостойкий тигель, находящийся непосредственно внутри рабочей обмотки‑индуктора.
   Готовый расплав выливается из тигля, затем в него закладывается следующая порция.
   Наиболее эффективным для плавления металлов в этом типе печей оказался диапазон частот от десятков до сотен кГц. Генератор таких частот и является источником энергии для тигельной ИПП.

   Преимущество такой конструкции — высокая скорость нагрева и плавления, т. к. потери тепла в тигле очень малы.

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:

1. 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.
2. 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.
3. Подключение защитного заземления.

   Функционирование любых электроплавильных печей без заземления категорически запрещена.

4. 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.

Индукционная печь для плавления: изготовление своими руками

В этой статье предлагаю вам ознакомится с индукционными печами, которые применяют в промышленности для плавки металлов, с их видами и конструкциями.

Если необходимо расплавить цветной или драгоценный металл, то для этого лучше применить индукционную печь, она имеет очень много преимуществ по сравнению с другими видами устройств. А также вы сможете узнать как сделать индукционную печь своими руками и их каких материалов.

Содержание статьи

Индукционная печь и сфера её применения

Индукционные печи применяются для выплавки металлов и отличаются тем, что нагрев в них происходит посредством электрического тока. Возбуждение тока происходит в индукторе, а точнее в непеременном поле.

Плавление металлов в индукционных плавильных печах на сегодняшний день получило широкое распространение за счет их энергоэффективности, надежности, простоты в обслуживание, универсальности, возможности получения высококачественных отливок, а также относительно низкой стоимости.

Для нагрева и плавки железной руды и металлов сталелитейная промышленность применяет различные типы печей для переработки металла.

По виду применяемого топлива индукционные печи бывают – пламенные, к ним относятся мартеновские, доменные, шахтные, газовые тигельные, и печи для плавки металла с электрическим нагревом.

Электропечи имеют классификацию, которая зависит от метода конвертации электрической энергии в тепловую.

Одним из таких методов является плавка металлов в среде индуктивного магнитного поля.

К основным характеристикам индукционных печей относятся:

• название металла, подлежащего плавлению;
• емкость в тоннах;
• мощность в киловаттах;
• напряжение и частота питающей сети, номинальное значение тока и число фаз.

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 индукционных печах 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, индукционной печи — не более часа.
• Аппараты с загрузкой до 200 кг просты в размещении, монтаже и эксплуатации.

Разновидности индукционных печей

В группе производственного металлургического оборудования можно выделить несколько разновидностей печей:

1. Тигельные.

   Один из самых распространенных в металлургии видов.

   В конструкции таких агрегатов отсутствует сердечник. Подобные устройства могут применяться для плавки и обработки любых металлов. Хорошо зарекомендовали себя не только в металлургии, но и в других отраслях, например, в ювелирном деле.

   Важнейшими элементами тигельной печи индукционного типа являются:

   • индуктор;
   • генератор напряжения питания.

   

   Достоинства тигельных плавильных печей:

   • Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;
   • Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты, отходов, выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;
   • Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной или нейтральной) при любом давлении;
   • Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности, особенно на средних частотах;
   • Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создаёт условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулируемого футеровкой. Печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую;
   • Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулировки процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;



2. Канальные.

   По конструкции напоминают трансформатор.



3. Вакуумные.

   Используются в том случае, если необходимо обеспечить удаление из расплава примесей.

Конструкция индукционного нагревателя представляет собой многовитковую катушку цилиндрической формы, которая называется индуктором, через него пропускается электрическое напряжение переменного тока, вследствие чего возникают магнитные поля, возбуждающие вихревые токи.

Во внутреннее пространство индуктора помещается сосуд, или емкость, в которой находится металл или руда. Под воздействием магнитного поля и вихревых токов в металле повышается сопротивление, что по всем законам физики вызывает его нагрев и за счет этого происходит процесс плавки.

Мощность индукционных плавильных печей зависит от величины подаваемого напряжения и частоты электрического тока. Эта зависимость применяется в типах индукционных печей – нагревательные установки для термической обработки и плавильные печи.

Печи промышленного назначения делятся на несколько типов.

• Конструкции средней частоты обычно используются в машиностроении и металлургии. С их помощью плавится сталь, а при использовании графитовых тиглей и цветные металлы.
• Конструкции промышленной частоты применяются при выплавке чугуна.
• Конструкции сопротивления предназначаются для плавки алюминия, алюминиевых сплавов, цинка.

Индукционная печь широко применяется на больших и малых предприятиях для плавки металлов (цветных и черных). В индукционных литейных печах металл или сплав нагревается до изменения своего агрегатного состояния.

При этом, канальные печи, несмотря на более высокий КПД используются гораздо реже — в основном, для получения чугуна высокого качества и сплавов, температура плавления которых является относительно низкой, а также для плавления цветных металлов.

Для стали такие печи не используются, так как температура ее плавления способствует сильному снижению стойкости футеровки (защитной отделки). Также нельзя плавить низкосортную породу, стружку и мелкую породу.

Тигельные печи применяются гораздо чаще из-за простоты эксплуатации и более широких возможностей управления процессом, включая возможность нерегулярного и прерывистого режима работы. Они хороши как для производства большого количества литья в несколько десятков тонн, так и для небольших порций, измеряющихся десятками грамм.

С помощью тигельных печей осуществляется плавка легированных сталей и прочих сплавов, для которых нужна особая чистота химического состава и однородность.

Особенности применения индукционных печей

Индукционная печь — часть индукционной установки, включающая в себя индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и др.

Индукционная тигельная печь (индукционная печь без сердечника), представляет собой плавильный тигель цилиндрической формы, выполненный из огнеупорного материала и помещённый в полость индуктора, подключенного к источнику переменного тока.

Футеровка индукционной плавильной печи должна обладать следующими свойствами:

• высокой огнеупорностью и шлакоустойчивостью;
• высокой термостойкостью;
• высокой механической прочностью;
• минимальной толщиной.

Конструктивная схема индукционных печей имеет свои особенности, которых нет в других конструкциях печей.

Передача электрической энергии к нагреваемому объекту происходит без контакта с электроустановкой.

Выделение тепла происходит непосредственно в месте нагрева, что позволяет максимально использовать энергию образующегося тепла.

Высокая скорость нагрева объекта, помещенного в индуктор.

Индукционные печи для плавки металлов значительно меньше потребляют электроэнергию.

Так как этот метод нагрева происходит непосредственно в среде металла, это позволяет получать их сплавы различных марок и свойств фактически не имеющих примесей и получать отливки равномерные по химическому составу.

В индукционных печах можно плавить различные типы металлов, это стали различных марок, высококачественный чугун, цветные металлы.

Особенность конструкции нагревателей, это малая масса футеровки индукционной печи по сравнению с массой металла, в связи, с чем снижается тепловая энергия печи, позволяет производить плавку периодически, что исключается в печах других конструкций.

К недостаткам индукционных печей можно отнести следующие факторы:

• дорогое и сложное в изготовление электрическое оборудование;
• наличие «холодных» шлаков, которые затрудняют процесс рафинации металла, этот метод термообработки используется при изготовлении высококачественных сталей;
• от резкого перепада температур, низкая долговечность футеровки.

Применение индукционных нагревательных печей позволяет автоматизировать процессы плавки, получать высоко легирующие металлы, обеспечивать хорошие условия труда для обслуживающего персонала. К тому же максимально снижается загрязнение окружающей среды.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла (SiO2). Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

В таких печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.

При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

Преимущества перед другими видами плавильных печей

Индукционные печи – не единственное изобретение, используемое для плавления металлов.

Есть ещё знаменитые мартены, домны и другие виды. Однако рассматриваемая нами печь имеет перед всеми остальными ряд неоспоримых преимуществ.

Печи, работающие на принципе индукции, могут быть довольно компактными, и их размещение не доставит никаких трудностей.

Высокая скорость плавки. Если другие печи для плавки металла требуют несколько часов только на разогрев, индукционная справляется с этим в несколько раз быстрее.

Коэффициент полезного действия лишь немного не достигает отметки в 100 %.

По чистоте расплава индукционная печь уверенно занимает первое место. В других устройствах приготовленная к расплаву заготовка непосредственно соприкасается с нагревательным элементом, что зачастую приводит к загрязнению. Токи Фуко нагревают заготовку изнутри, воздействуя на молекулярную структуру металла, и побочных элементов в неё не попадает.

Последнее преимущество просто необходимо в ювелирном деле, где частота материала повышает его ценность и уникальность.

Индукционные печи используют при плавке металлов принципиально иной метод нагрева. Благодаря этому, усовершенствовалась и технология плавки, расширились возможности переплавления металлов из лома.

Работа индукционных печей построена на принципе выделения тепла металлом при прохождении через него электрического тока. Таким образом, нагрев происходит не за счет тепловых волн, достигающих металла, а за счет превращения металлической массы в самостоятельный источник выделения тепла.

Для создания электромагнитного поля в печи используется индуктор. В связи с этим применяемый принцип плавки обозначается как индукционный нагрев. Индуктор входит в конструкцию плавильного агрегата.

Обязательное условие эффективной работы печи – продуманная система охлаждения. К печи необходимо одновременно подвести и электроснабжение для нагрева металлов, и воду для охлаждения самого индуктора.

При использовании индукционных печей значительно повышается удобство и качество плавки металлов. Под воздействием электромагнитного потока в расплавленной массе металла усиливается циркуляция.

Это способствует повышению однородности полученного в результате плавки металла.

Кроме того, плавильные печи, использующие принцип индукционного нагрева, дают на выходе металл с более высокими показателями и по чистоте, и по однородности.

Повышение качества металла дополняется снижением себестоимости всего процесса плавки. Достигается это за счет экономии электроэнергии, затрачиваемой на весь процесс переплавки металлов.

Высокий коэффициент полезного действия работы печей подобного типа — еще одно дополнительное условие, приводящее к снижению производственных затрат.

В настоящий момент в промышленности чаще используются индукционные печи высокой частоты.

Однако, среднечастотные печи также имеют свои преимущества. Они позволяют снизить расходы электроэнергии почти в два раза.

Индукционные печи среднего нагрева отличаются сжатым временным циклом плавки (от 40 до 45 минут). Это достигается за счет того, что значительно повышен предел допустимой мощности в таких печах.

При использовании печей этого типа расширяются и возможности усовершенствовать технологию плавки металлов. Например, для производства чугуна можно использовать отходы других производств (кузнечного, токарно-фрезерного, прокатного).

Полученный состав чугуна близок к идеальному. Это достигается за счет того, что печи средней частоты дают возможность активнее управлять химическим составом расплавляемого металла.

В целом преимущества использования индукционной переплавки металла повышаются за счет использования разных типов агрегатов.

Индукционные печи средней частоты создают дополнительные преимущества для использования этого метода плавки.

В настоящее время на российских предприятиях используется порядка 23 % индукционных печей. Еще 76 % приходится на газовые вагранки.

Широкомасштабное внедрение на производствах оборудования для индукционной плавки позволит значительно повысить эффективность всего процесса и его производительность, отразится на качестве получаемого металла.

Индукционная печь своими руками

В повседневную жизнь печи, работающие по принципу электромагнитной индукции, пришли из промышленности.

В металлургической отрасли они применяются для плавки цветных и черных металлов.

Конечно, для того, чтобы индукционные отопительные приборы стали пригодны для использования в бытовых условиях, их конструкция претерпела ряд кардинальных изменений. Неизменным остался только принцип преобразования энергии.

Рассмотрим, как можно сделать простейшую индукционную печь своими руками.

При изготовлении необходимо помнить о некоторых важных моментах, влияющих на скорость правления металла.

Это:

• мощность;
• частота;
• вихревые потери;
• интенсивность теплопередачи;
• потери на гистерезисе.

Конструкция индуктора очень проста.

Центром его является электропроводящая заготовка, как правило, графитовая или металлическая.

Вокруг заготовки наматывается провод. Питание осуществляется от мощного генератора, способного запускать токи разной частоты.

В результате вокруг индуктора образуется электромагнитное поле. Оно, в свою очередь, создает вихревые токи в заготовке. Под воздействием токов графит и металл сильно разогреваются и их тепло передается окружающему воздуху помещения.

Во время работы индукционного нагревателя создается высокая температура. Именно этим и объясняется применение подобных печей в промышленности.

Получаемых температур достаточно для плавки и поверхностной закалки металлов, термической обработки металлических заготовок.

В быту индукторы стали применяться относительно недавно.

Необходимо правильно подобрать все необходимые детали схемы для получения достаточных условий для плавки в мастерской.

Если агрегат собирают своими руками, частота генератора должна составлять 27,12 МГц. Катушку следует делать из провода или тонкой медной трубки, при этом не должно быть больше 10 витков.

Мощность электронных ламп должна быть большая.

Схема предусматривает установку неоновой лампы, которая будет использоваться в качестве индикатора готовности устройства. В схеме также предусмотрено применение дросселей и керамических конденсаторов.

К домашней розетке подключение осуществляется через выпрямитель.

Индукционная печь, изготовленная своими руками, выглядит следующим образом: небольшая подставка на ножках, к которой крепится генератор со всеми необходимыми деталями схемы. А уже к генератору подключается индуктор.

Самодельная индукционная печь не таит в себе никаких сложностей, чтобы её не смог собрать обычный человек, хоть немного знакомый с электротехникой.

У неё всего три основных блока:

• Генератор.
• Индуктор.
• Тигель.

Индуктор – медная обмотка, которую можно смастерить самостоятельно. Тигель придётся искать или в соответствующих магазинах, или доставать иными способами. А в качестве генератора могут быть использованы: сварочный инвертор, собственноручно собранная транзисторная или ламповая схема.

Самодельные индукционные печи чаще всего применяются для обогрева помещений.

Небольшие тигельные конструкции хорошо подходят для плавки и обработки металлов в небольших объемах, например, при самостоятельном изготовлении ювелирных украшений или бижутерии.

Индукционная плита – идеальное решение для дачного домика. Даже в городской квартире самоделки нашли свое применение. Их можно применять в качестве дополнительного нагревателя, на случай сбоев в центральной системе отопления.

Промышленные плавильные установки оснащены системой принудительного охлаждения на воде или антифризе.

Выполнение водяного охлаждения в домашних условиях потребует дополнительных затрат, сопоставимых по цене со стоимостью самой установки для плавки металла.

Выполнить воздушное охлаждение с помощью вентилятора можно при условии достаточно удаленного расположения вентилятора.

В противном случае металлическая обмотка и другие элементы вентилятора будут служить дополнительным контуром для замыкания вихревых токов, что снизит эффективность работы установки.

Важным вопросом использования печи индукционного типа является безопасность.При эксплуатации изготовленной своими руками индукционной печи необходимо принимать меры для защиты пользователя печью от возможного высокочастотного излучения и учитывать возможность ожога индуктором.

Индукционная печь на сварочном инверторе

Самый простой и широко распространённый вариант. Усилия придётся затратить лишь на сооружения индуктора.

Берётся медная тонкостенная трубка 8-10 см в диаметре, и загибается по нужному шаблону. Витки должны располагаться на расстоянии 5-8 мм, а их количество зависит от характеристик и диаметра инвертора.

Закрепляется индуктор в текстолитовом или графитовом корпусе, а внутрь установки помещается тигель.

Индукционная печь, созданная на основе инвертора, не обладает какими-либо установками, которые позволяли бы людям устанавливать нужную температуру воды. Поэтому можно говорить о том, что данное оборудование не является совершенно безопасным для постоянного использования.

Поэтому лучше всего во время процесса формирования индукционной печи предусматривать установку автоматики и устройства контроля. В этом случае можно не только повысить безопасность устройства, но и упростить его использование, а ремонт будет требоваться очень редко.

Чтобы во время использования оборудования не возникало перегрева, необходимо выполнить установку элемента аварийного отключения, которым можно управлять с помощью термостата.

Может быть установлен терморегулятор, оснащенный датчиком температуры.

Можно смонтировать реле, которое обеспечивает размыкание цепи в том случае, если температура теплоносителя достигает определенного уровня.

Индукционная печь на транзисторах

В этом случае придётся поработать не только руками, но и головой. И побегать по магазинам в поисках нужных запчастей. Ведь понадобятся транзисторы разной ёмкости, парочка диодов, резисторы, плёночные конденсаторы, два разных по толщине медных провода и парочка колец от дросселей.

1. Перед сборкой необходимо учитывать, что полученная в итоге схема во время работы будет сильно нагреваться. Поэтому необходимо использовать довольно большие радиаторы.
2. Конденсаторы параллельно собираются в батарею.
3. На дроссельные кольца наматывается медная проволока диаметром 1,2 мм. В зависимости от мощности, витков должно быть от 7 до 15.
4. На цилиндрический предмет, подходящий по диаметру к размерам тигля, наматывают 7-8 витком медной проволоки диаметром 2 мм. Концы проволоки оставляют достаточно длинными для подключения.
5. По специальной схеме всё монтируется на плату.
6. Источником питания может быть 12-вольтовый аккумулятор.
7. Если есть необходимость, можно изготовить текстолитовый или графитовый корпус.
8. Мощность устройства регулируется путём увеличения или уменьшения витков обмотки индуктора.

Собрать такое устройство самостоятельно не просто. И браться за эту работу можно только в том случае, когда есть уверенность в правильности своих действий.

Индукционная печь на лампах

В отличие от транзисторной, ламповая печь получится намного мощнее, а значит, и обращаться и с ней и со схемой придётся осторожнее.

1. Соединённые параллельно 4 лучевые лампы будут генерировать токи высокой частоты.
2. Медную проволоку сгибают спиралью. Расстояние между витками 5 и более миллиметров. Сами витки диаметром 8-16 см. Индуктор должен быть такого размера, чтобы внутри легко помещался тигель.
3. Индуктор помещают в корпус из материала, не проводящего ток (текстолит, графит).
4. На корпус можно поставить неоновую лампу-индикатор.
5. Так же можно включить в схему подстроечный конденсатор.

Индукционную печь можно изготовить самостоятельно, но это не всегда целесообразно. Лучше не браться за такую работу, если нет совершенно никаких знаний в области электрооборудования и физики.

Перед тем как приступить к конструированию даже самого простого устройства, его следует разработать, спроектировать и составить схему. Если нет никакого опыта в изготовлении электроприборов, лучше всего приобрести такой агрегат заводского изготовления.

особенности конструкции и изготовление своими руками

На протяжении многих лет люди проводят плавку металла. Каждый материал имеет свою температуру плавления, достигнуть которую можно только при применении специального оборудования. Первые печи для плавки металла были довольно большими и устанавливались исключительно в цехах крупных организаций. Сегодня современная индукционная печь может устанавливаться в небольших мастерских при налаживании производства ювелирных изделий. Она небольшая, проста в обращении и обладает высокой эффективностью.

Принцип действия

Плавильный узел индукционной печи применяется для нагрева самых различных металлов и сплавов. Классическая конструкция состоит из следующих элементов:

1. Сливной насос.
2. Индуктор, охлаждающийся водой.
3. Каркас из нержавеющей стали или алюминия.
4. Контактная площадка.
5. Подина из жаропрочного бетона.
6. Опора с гидравлическим цилиндром и подшипниковым узлом.

Принцип действия основан на создании вихревых индукционных токов Фуко. Как правило, при работе бытовых приборов подобные токи вызывают сбои, но в этом случае они применяются для нагрева шихты до требуемой температуры. Практически вся электроника во время работы начинает нагреваться. Этот негативный фактор применения электричества используется на полную мощность.

Преимущества устройства

Печь плавильная индукционная стала применяться относительно недавно. На производственных площадках устанавливаются знаменитые мартены, доменные печи и другие разновидности оборудования. Подобная печь для плавки металла обладает следующими преимуществами:

1. Применение принципа индукции позволяет делать оборудование компактным. Именно поэтому не возникает проблем с их размещением в небольших помещениях. Примером можно назвать доменные печи, которые могут устанавливаться исключительно в подготовленных помещениях.
2. Результаты проведенных исследований указывают на то, что КПД составляет практически 100%.
3. Высокая скорость плавки. Высокий показатель КПД определяет то, что на разогрев металла уходит намного меньше времени, если сравнивать с другими печами.
4. Некоторые печи при плавке могут привести к изменению химического состава металла. Индукционная занимает первое место по чистоте расплава. Создаваемые токи Фуко проводят нагрев заготовки изнутри, за счет чего исключается вероятность попадания в состав различных примесей.

Именно последнее преимущество определяет распространение индукционной печи в ювелирном деле, так как даже небольшая концентрация посторонней примеси может негативно сказаться на полученном результате.

Рекомендации по размещению печи

В зависимости от особенностей конструкции выделяют напольные и настольные индукционные печи. Независимо от того, какой именно вариант был выбран, выделяют несколько основных правил по установке:

1. При работе оборудования на электросеть оказывается высокая нагрузка. Для того чтобы исключить вероятность возникновения короткого замыкания по причине износа изоляции, при установке должно быть проведено качественное заземление.
2. Конструкция имеет водяной охлаждающий контур, который исключает вероятность перегрева основных элементов. Именно поэтому следует обеспечивать надежный подъем воды.
3. Если проводится установка настольной печи, то следует уделить внимание устойчивости используемого основания.
4. Печь для плавки металла представлена сложным электрическим прибором, при установке которого нужно соблюдать все рекомендации производителя. Особое внимание уделяется параметрам источника питания, который должен соответствовать модели аппарата.
5. Не стоит забывать о том, что вокруг печи должно быть довольно много свободного пространства. Во время работы даже небольшой по объему и массе расплав может случайно выплеснуться из формы. При температуре более 1000 градусов Цельсия он нанесет непоправимый вред различным материалам, а также может стать причиной возгорания.

Во время работы устройство может серьезно нагреваться. Именно поэтому поблизости не должно быть никаких легковоспламеняющихся или взрывчатых веществ. Кроме этого, по технике пожарной безопасности вблизи должен быть установлен пожарный щит.

Разновидности оборудования

Широкое применение получили только два типа печи: тигельные и канальные. Они обладают сходными преимуществами и недостатками, отличия заключаются лишь в применяемом методе работы:

1. В тигельный тип печи приходится проводить загрузку каждой порции шихты отдельно. Принцип работы устройства заключается в следующем: металл загружается внутрь индуктора, после расплавки он сливается и проводится загрузка новой порции. Как правило, подобная модель приобретается для небольших мастерских, когда работа ведется с небольшим количеством сырья.
2. Канальные отличаются тем, что позволяют проводить плавку металла непрерывно. Конструкция позволяет проводить погрузку новой порции металла и слив уже расплавленного во время работы. Недостатком можно назвать лишь то, что трудности возникают на момент слива, так как канал слива должен быть заполнен.

Большей популярностью пользуется тигельная разновидность индукционных печей. Это связано с их высокой производительностью и простотой в эксплуатации. Кроме этого, подобную конструкцию при необходимости можно изготовить самостоятельно.

Самодельные варианты исполнения встречаются довольно часто. Для их создания требуются:

1. Генератор.
2. Тигель.
3. Индуктор.

Опытный электрик при необходимости может сделать индуктор своими руками. Этот элемент конструкции представлен обмоткой из медной проволоки. Тигель можно приобрести в магазине, а вот в качестве генератора используется ламповая схема, собранная своими руками батарея их транзисторов или сварочный инвертор.

Использование сварочного инвертора

Печь индукционная для плавки металла своими руками может быть создана при применении сварочного инвертора в качестве генератора. Этот вариант получил самое широкое распространение, так как прилагаемые усилия касаются лишь изготовления индуктора:

1. В качестве основного материала применяется тонкостенная медная трубка. Рекомендуемый диаметр составляет 8—10 см.
2. Трубка изгибается по нужному шаблону, который зависит от особенностей применяемого корпуса.
3. Между витками должно быть расстояние не более 8 мм.
4. Индуктор располагают в текстолитовом или графитовом корпусе.

После создания индуктора и его размещения в корпусе остается только установить на свое место приобретенный тигель.

Применение транзисторов

Подобная схема довольно сложна в исполнении, предусматривает применение резисторов, нескольких диодов, транзисторов различной емкости, пленочного конденсатора, медного провода с двумя различными диаметрами и колец от дросселей. Рекомендации по сборке следующие:

1. При применении рассматриваемой схемы конструкция будет сильно нагреваться. Именно поэтому следует использовать эффективное охлаждение.
2. Приобретенные конденсаторы собираются в одну схему для получения батареи.
3. В качестве основы для индуктора применяются дроссельные кольца. На них наматывается ранее приобретенная медная трубка диаметром около 1 мм. Количество витков определяет то, какой мощностью будет самодельная печь. Рекомендуемый диапазон от 7 до 15 витков.
4. На предмет цилиндрической формы наматывается вторая медная трубка, диаметр которой должен быть около 2 мм. Стоит учитывать, что концы этой трубки следует оставлять большими, так как они будут использоваться для подключения к источнику питания.
5. В качестве источника питания можно использовать аккумулятор с мощностью 12 В.

Созданная схема помещается в текстолитовый или графитовый корпус, которые являются диэлектриками. Схема, предусматривающая применение транзисторов, довольно сложна в исполнении. Поэтому браться за изготовление подобной печи следует исключительно при наличии определенных навыков работы.

Печь на лампах

В последнее время печь на лампах создают все реже, так как она требует осторожности при обращении. Применяемая схема проще в сравнении со случаем применения транзисторов. Сборку можно провести в несколько этапов:

1. В качестве генератора тока применяются 4 лучевые лампы, которые соединяются при параллельном подключении.
2. Применяемая проволока из меди должна соединяться по спирали. Создаваемые витки должны иметь диаметр от 8 до 16 см, расстояние между ними не менее 5 миллиметров. Стоит учитывать, что понадобится довольно большое количество проволоки, так как внутри витков должен поместиться тигель.
3. Создаваемая спираль помещается в корпус из материала, который не проводит электрический ток.
4. Повысить эффективность схемы можно при дополнительном подключении подстроечного конденсатора.

Применяемые ламы должны быть защищены от механического воздействия.

Охлаждение оборудования

При создании индукционной печи своими руками больше всего проблем возникает с охлаждением. Это связано со следующими моментами:

1. Во время работы нагревается не только расплавляемый металл, но и некоторые элементы оборудования. Именно поэтому для длительной работы требуется эффективное охлаждение.
2. Метод, основанный на применении воздушного потока, характеризуется низкой эффективностью. Кроме этого, не рекомендуется проводить установку вентиляторов вблизи печи. Это связано с тем, что металлические элементы могут оказывать воздействие на генерируемые вихревые токи.

Как правило, охлаждение проводится при подаче воды. Создать водяной охлаждающий контур в домашних условиях не только сложно, но и экономически невыгодно. Промышленные варианты печи имеют уже встроенный контур, к которому достаточно подключить холодную воду.

Техника безопасности

При использовании индукционной печи нужно соблюдать определенную технику безопасности. Основные рекомендации:

1. Нагреваемый металл может иметь очень высокую температуру. Попадание даже одной расплавленной капли на кожу может привести к серьезной травме. Именно поэтому при работе следует быть осторожным, использовать защитную одежду.
2. Производители промышленного оборудования в паспорте указывают довольно много различных параметров, среди которых отметим радиус воздействия электромагнитного поля. Стоит учитывать, что электроника, которая попала в этот радиус, может работать неправильно, а при длительном нахождении и вовсе выйдет из строя.
3. При выборе защитной одежды следует отдавать предпочтение варианту без металлических элементов.

При установке оборудования следует рассмотреть то, как будет проводиться погрузка шихты и извлечение расплавленного металла. Рекомендуется отводить отдельное подготовленное помещение для установки индукционной печи.

Индукционная печь своими руками — схема, как собрать?

Плавка металла методом индукции широко применяется в разных отраслях: металлургии, машиностроении, ювелирном деле. Простую печь индукционного типа для плавки металла в домашних условиях можно собрать своими руками.

Нагрев и плавка металлов в индукционных печах происходят за счет внутреннего нагрева и изменения кристаллической…

Как своими руками собрать индукционную печь для плавки металла в домашних условиях

Плавка металла методом индукции широко применяется в разных отраслях: металлургии, машиностроении, ювелирном деле. Простую печь индукционного типа для плавки металла в домашних условиях можно собрать своими руками.

Принцип действия

Нагрев и плавка металлов в индукционных печах происходят за счет внутреннего нагрева и изменения кристаллической решетки металла при прохождении через них высокочастотных вихревых токов. В основе этого процесса лежит явление резонанса, при котором вихревые токи имеют максимальное значение.

Чтобы вызвать протекание вихревых токов через расплавляемый металл, его помещают в зону действия электромагнитного поля индуктора — катушки. Она может иметь форму спирали, восьмерки или трилистника. Форма индуктора зависит от размеров и формы нагреваемой заготовки.

Катушка индуктора подключается к источнику переменного тока. В производственных плавильных печах используют токи промышленной частоты 50 Гц, для плавки небольших объемов металлов в ювелирном деле используют высокочастотные генераторы, как более эффективные.

Виды

Вихревые токи замыкаются по контуру, ограниченному магнитным полем индуктора. Поэтому нагрев токопроводящих элементов возможен как внутри катушки, так и с внешней ее стороны.

Поэтому индукционные печи бывают двух типов:
• канальные, в которых емкостью для плавки металлов являются каналы, расположенные вокруг индуктора, а внутри него расположен сердечник;
• тигельные, в них используется специальная емкость — тигель, выполненный из жаропр

Индукционная печь для плавки металла своими руками

Многие люди считают, что процесс плавки металла требует огромных сооружений, практически заводов с большим количеством персонала. Но ведь есть ещё такая профессия, как ювелир и такие металлы как золото, серебро, платина и другие, используемые для изготовления ажурных и изысканных украшений, некоторые из которых по праву считаются настоящими произведениями искусства. Ювелирная мастерская – предприятие, не терпящее излишней масштабности. А процесс плавления в них просто необходим. Поэтому индукционная печь для плавки металла здесь необходима. Она и не большая, и очень эффективная, и проста в обращении.

Принцип действия

Принцип работы индукционной печи для плавки металла

Принцип работы индукционной печи является замечательным примером, как нежелательное явление используется с повышенным КПД. Так называемые вихревые индукционные токи Фуко, которые обычно мешают в любом виде электротехники, здесь направлены только на положительный результат.

Для того чтобы структура металла начала нагреваться, а затем и плавиться, его необходимо поместить под эти самые токи Фуко, а образуются они в индукционной катушке, чем по большому счёту и является печь.

Проще говоря, все знают, что во время работы любой электрический прибор начинает нагреваться. Индукционная печь для плавки металла использует этот нежелательных в других случаях эффект на полную мощность.

Преимущества перед другими видами плавильных печей

Компактная индукционная печь для плавки металла

Индукционные печи – не единственное изобретение, используемое для плавления металлов. Есть ещё знаменитые мартены, домны и другие виды. Однако рассматриваемая нами печь имеет перед всеми остальными ряд неоспоримых преимуществ.

• Печи, работающие на принципе индукции, могут быть довольно компактными, и их размещение не доставит никаких трудностей.
• Высокая скорость плавки. Если другие печи для плавки металла требуют несколько часов только на разогрев, индукционная справляется с этим в несколько раз быстрее.
• Коэффициент полезного действия лишь немного не достигает отметки в 100 %.
• По чистоте расплава индукционная печь уверенно занимает первое место. В других устройствах приготовленная к расплаву заготовка непосредственно соприкасается с нагревательным элементом, что зачастую приводит к загрязнению. Токи Фуко нагревают заготовку изнутри, воздействуя на молекулярную структуру металла, и побочных элементов в неё не попадает.

Последнее преимущество просто необходимо в ювелирном деле, где частота материала повышает его ценность и уникальность.

Размещение печи

Компактная индукционная печь, в зависимости от размеров может быть напольной и настольной. Какой бы вариант вы не выбрали, есть несколько основных правил для выбора места, куда её поставить.

• При всей простоте обращения с печью – это всё-таки электрический прибор, который требует соблюдения мер безопасности. И первое, что необходимо учитывать при установке – наличие правильного источника питания, соответствующего модели аппарата.
• Возможность провести качественное заземление.
• Обеспечение установки подводом воды.
• Для настольных печей необходимо устойчивое основание.
• Но самое главное, во время работы ничего не должно мешать. Если даже расплав по объёму и массе не слишком большой, его температура больше 1000 градусов и случайно выплеснуть его из формы, значит, нанести очень сильную травму или себе или тому, что находится рядом.

Про то, что вблизи работающей индукционной печи не должно быть никаких горючих и тем более взрывоопасных материалов и говорить нечего. А вот пожарный щит в шаговой доступности абсолютно необходим.

Виды индукционных печей

Тигельная индукционная печь

Широко применяются два вида индукционных печей: канальный и тигельный. Отличаются они только по методу работы с ними. Во всём остальном, включая преимущества, такие плавильные печи очень схожи. Рассмотрим каждый вариант по отдельности:

• Канальная печь. Основное достоинство этого вида – непрерывный цикл. Загружать новую порцию сырья и выгружать уже расплавленный металл можно прямо во время нагрева. Единственная сложность может возникнуть при запуске. Канал, по которому жидкий металл будет выводиться из печи должен быть заполнен.
• Тигельная печь. В отличие от первого варианта каждую порцию металла придётся загружать отдельно. В этом и смысл. В термостойкий тигель помещается сырьё и ставится внутрь индуктора. После того, как металл расплавится, его сливают из тигля и только потом загружают следующую порцию. Такая печь идеальна для небольших мастерских, где не требуется больших масс расплавленного сырья.

Главное преимущество обоих вариантов в быстроте производства. Однако тигельная печь выигрывает и здесь. Кроме того её вполне можно смастерить своими руками в практически домашних условиях.

Самодельная индукционная печь не таит в себе никаких сложностей, чтобы её не смог собрать обычный человек, хоть немного знакомый с электротехникой. У неё всего три основных блока:

• Генератор.
• Индуктор.
• Тигель.

Индуктор – медная обмотка, которую можно смастерить самостоятельно. Тигель придётся искать или в соответствующих магазинах, или доставать иными способами. А в качестве генератора могут быть использованы: сварочный инвертор, собственноручно собранная транзисторная или ламповая схема.

Индукционная печь на сварочном инверторе

Самый простой и широко распространённый вариант. Усилия придётся затратить лишь на сооружения индуктора. Берётся медная тонкостенная трубка 8-10 см в диаметре, и загибается по нужному шаблону. Витки должны располагаться на расстоянии 5-8 мм, а их количество зависит от характеристик и диаметра инвертора. Закрепляется Индуктор в текстолитовом или графитовом корпусе, а внутрь установки помещается тигель.

Индукционная печь на транзисторах

В этом случае придётся поработать не только руками, но и головой. И побегать по магазинам в поисках нужных запчастей. Ведь понадобятся транзисторы разной ёмкости, парочка диодов, резисторы, плёночные конденсаторы, два разных по толщине медных провода и парочка колец от дросселей.

• Перед сборкой необходимо учитывать, что полученная в итоге схема во время работы будет сильно нагреваться. Поэтому необходимо использовать довольно большие радиаторы.
• Конденсаторы параллельно собираются в батарею.
• На дроссельные кольца наматывается медная проволока диаметром 1,2 мм. В зависимости от мощности, витков должно быть от 7 до 15.
• На цилиндрический предмет, подходящий по диаметру к размерам тигля, наматывают 7-8 витком медной проволоки диаметром 2 мм. Концы проволоки оставляют достаточно длинными для подключения.
• По специальной схеме всё монтируется на плату.
• Источником питания может быть 12-вольтовый аккумулятор.
• Если есть необходимость, можно изготовить текстолитовый или графитовый корпус.
• Мощность устройства регулируется путём увеличения или уменьшения витков обмотки индуктора.

Собрать такое устройство самостоятельно не просто. И браться за эту работу можно только в том случае, когда есть уверенность в правильности своих действий.

Индукционная печь на лампах

В отличие от транзисторной, ламповая печь получится намного мощнее, а значит, и обращаться и с ней и со схемой придётся осторожнее.

• Соединённые параллельно 4 лучевые лампы будут генерировать токи высокой частоты.
• Медную проволоку сгибают спиралью. Расстояние между витками 5 и более миллиметров. Сами витки диаметром 8-16 см. Индуктор должен быть такого размера, чтобы внутри легко помещался тигель.
• Индуктор помещают в корпус из материала, не проводящего ток (текстолит, графит).
• На корпус можно поставить неоновую лампу-индикатор.
• Так же можно включить в схему подстроечный конденсатор.

Изготовления обеих схем требует обладания некими знаниями, получить которые можно, но лучше, если этим займётся настоящий специалист.

Охлаждение

Этот вопрос, наверное, самый сложный из всех тех, которые ставятся перед человеком, решившим самостоятельно собрать плавильный аппарат на основе индукционного принципа. Дело в том, что ставить вентилятор непосредственно вблизи печи не рекомендуется. Металлические и электрические части охлаждающего устройства могут негативно сказаться на работе печки. Стоящий же в отдалении вентилятор может не обеспечить нужное охлаждение, что приведёт к перегреву.

Второй вариант – это провести водяное охлаждение. Однако качественно и правильно выполнить его в домашних условиях не только сложно, но и финансово не выгодно. В этом случае стоит задуматься: не экономнее ли будет приобрести промышленный вариант индукционной печи, выпущенный на заводе, с соблюдением всех необходимых технологий?

Техника безопасности при выплавке металла в индукционной печи

Сильно распространяться на эту тему не нужно, так как практически каждый знает основные положения техники безопасности. Следует остановиться лишь на тех вопросах, которые присущи исключительно этому виду оборудования.

• Начнём всё-таки с личной безопасности. При работе с индукционной печью следует хорошо понимать, что температуры здесь очень сильно повышены, а это риск получения ожогов. Так же прибор электрический и требует повышенного внимания.
• Если вы купили готовую печь, следует обратить внимание на радиус воздействия электромагнитного поля. В противном случае часы, телефоны, видеокамеры и другие электронные гаджеты могут начать сбоить или совсем поломаются.
• Рабочую одежду следует подбирать с неметаллическими застёжками. Их наличие наоборот будет влиять на работу печи.
• Особое внимание в этом отношении следует уделить ламповой печи. Все элементы с высоким напряжением должны быть упрятаны в корпус.

Конечно, в городской квартире вряд ли пригодится такая аппаратура, но радиолюбителям, которые постоянно занимаются лужением, и ювелирных дел мастерам без индукционной печки не обойтись никак. Для них эта вещь очень полезная, можно сказать незаменимая, а как она помогает в их работе, лучше спросить у них самих.

Индукционные нагреватели и печи своими руками: от теории к реализации

Индукционная печь изобретена давно, еще в 1887 г, С. Фарранти. Первая промышленная установка заработала в 1890 г. на фирме Benedicks Bultfabrik. Долгое время индукционные печи и в индустрии были экзотикой, но не вследствие дороговизны электричества, тогда оно было не дороже теперешнего. В процессах, происходящих в индукционных печах, было еще много непонятного, а элементная база электроники не позволяла создавать эффективные схемы управления ими.

В индукционно-печной сфере переворот произошел буквально на глазах в наши дни, благодаря появлению, во-первых, микроконтроллеров, вычислительная мощность которых превышает таковую персональных компьютеров десятилетней давности. Во-вторых, благодаря… мобильной связи. Ее развитие потребовало появления в продаже недорогих транзисторов, способных отдавать мощность в несколько кВт на высоких частотах. Они, в свою очередь, были созданы на основе полупроводниковых гетероструктур, за исследования которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

В конечном итоге, индукционные печки не только совершенно преобразились в промышленности, но и широко вошли в быт. Интерес к предмету породил массу самоделок, которые, в принципе, могли бы быть полезными. Но большинство авторов конструкций и идей (описаний которых в источниках много больше, чем работоспособных изделий) плоховато представляют себе как основы физики индукционного нагрева, так и потенциальную опасность неграмотно выполненных конструкций. Настоящая статья призвана прояснить некоторые наиболее смутные моменты. Материал построен на рассмотрении конкретных конструкций:

1. Промышленной канальной печи для плавки металла, и возможности ее создания самостоятельно.
2. Тигельных печей индукционного типа, самых простых в исполнении и наиболее популярных среди самодельщиков.
3. Индукционных водогрейных котлов, стремительно вытесняющих бойлеры с ТЭНами.
4. Бытовых варочных индукционных приборов, конкурирующих с газовыми плитами и по ряду параметров превосходящих микроволновки.

Примечание: все рассматриваемые устройства основаны на магнитной индукции, создаваемой катушкой индуктивности (индуктором), поэтому и называются индукционными. В них можно плавить/нагревать только электропроводящие материалы, металлы и т.п. Есть еще электроиндукционные емкостные печи, основанные на электрической индукции в диэлектрике между обкладками конденсатора, они применяются для «нежного» плавления и электротермообработки пластиков. Но распространены они гораздо меньше индукторных, рассмотрение их требует отдельного разговора, поэтому пока оставим.

Принцип действия

Принцип работы индукционной печи иллюстрирует рис. справа. В сущности она – электрический трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой:

Принцип действия индукционной печи

• Генератор переменного напряжения G создает в индукторе L (heating coil) переменный ток I1.
• Конденсатор С совместно с L образуют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту, это в большинстве случаев повышает техпараметры установки.
• Если генератор G автоколебательный, то С часто исключают из схемы, используя вместо него собственную емкость индуктора. Она у описанных ниже высокочастотных индукторов составляет несколько десятков пикофарад, что как раз соответствует рабочему диапазону частот.
• Индуктор в соответствии с уравнениями Максвелла создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле с напряженностью H. Магнитное поле индуктора может как замыкаться через отдельный ферромагнитный сердечник, так и существовать в свободном пространстве.
• Магнитное поле, пронизывая помещенную в индуктор заготовку (или плавильную шихту) W, создает в ней магнитный поток Ф.
• Ф, если W электропроводящая, индуцирует в ней вторичный ток I2, то тем же уравнениям Максвелла.
• Если Ф достаточно массивна и цельная, то I2 замыкается внутри W, образуя вихревой ток, или ток Фуко.
• Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца отдает полученную им через индуктор и магнитное поле от генератора энергию, нагревая заготовку (шихту).

Электромагнитное взаимодействие с точки зрения физики достаточно сильно и обладает довольно высоким дальнодействием. Поэтому, несмотря на многоступенчатое преобразование энергии, индукционная печь способна показать в воздухе или вакууме КПД до 100%.

Примечание: в среде из неидеального диэлектрика с диэлектрической проницаемостью >1 потенциально достижимый КПД индукционных печей падает, а в среде с магнитной проницаемостью >1 добиться высокого КПД проще.

Канальная печь

Канальная индукционная плавильная печь – первая из примененных в промышленности. Она и конструктивно похожа на трансформатор, см. рис. справа:

Канальная индукционная печь

1. Первичная обмотка, питаемая током промышленной (50/60 Гц) или повышенной (400 Гц) частоты, выполнена из медной, охлаждаемой изнутри жидким теплоносителем, трубки;
2. Вторичная короткозамкнутая обмотка – расплав;
3. Кольцеобразный тигель из жаростойкого диэлектрика, в котором помещается расплав;
4. Наборный из пластин трансформаторной стали магнитопровод.

Канальные печи используются для переплавки дюраля, цветных спецсплавов, получения высококачественного чугуна. Промышленные канальные печи требуют затравки расплавом, иначе «вторичка» не замкнется накоротко и нагрева не будет. Или между крошками шихты возникнут дуговые разряды, и вся плавка просто взорвется. Поэтому перед пуском печи в тигель наливают немного расплава, а переплавленную порцию выливают не до конца. Металлурги говорят, что канальная печь имеет остаточную емкость.

Канальную печь на мощность до 2-3 кВт можно сделать и самому из сварочного трансформатора промышленной частоты. В такой печи можно расплавить до 300-400 г цинка, бронзы, латуни или меди. Можно переплавлять дюраль, только отливке нужно по остывании дать состариться, от нескольких часов до 2-х недель, в зависимости от состава сплава, чтобы набрала прочность, вязкость и упругость.

Примечание: дюраль вообще был изобретен случайно. Разработчики, обозлившись, что легировать алюминий никак не удается, бросили в лаборатории очередной «никакой» образец и ушли в загул с горя. Протрезвились, вернулись – а никакой изменил цвет. Проверили – а он набрал прочность едва ли не стали, оставшись легким, как алюминий.

«Первичку» трансформатора оставляют штатной, она уже рассчитана на работу в режиме КЗ вторички сварочной дугой. «Вторичку» снимают (ее потом можно поставить обратно и использовать трансформатор по прямому назначению), а вместо нее надевают кольцевой тигель. Но пытаться переделать в канальную печь сварочный ВЧ-инвертор опасно! Его ферритовый сердечник перегреется и разлетится в куски из-за того, что диэлектрическая проницаемость феррита >>1, см. выше.

Проблема остаточной емкости в маломощной печке отпадает: в шихту для затравки кладут проволочку из того же металла, согнутую в кольцо и со скрученными концами. Диаметр проволоки – от 1 мм/кВт мощности печи.

Но появляется проблема кольцевого тигля: единственный подходящий для малого тигля материал – электрофарфор. В домашних условиях обработать его самому невозможно, а где взять покупной подходящий? Прочие огнеупоры не годятся вследствие высоких диэлектрических потерь в них или пористости и малой механической прочности. Поэтому, хотя канальная печь дает плавку высочайшего качества, не требует электроники, а ее КПД уже при мощности 1 кВт превышает 90%, у самодельщиков они не в ходу.

Под обычный тигель

Устройство тигельной индукционной печи

Остаточная емкость раздражала металлургов – сплавы-то плавились дорогие. Поэтому, как только в 20-х годах прошлого века появились достаточно мощные радиолампы, тут же родилась идея: выкинуть на (не будем повторять профессиональные идиомы суровых мужиков) магнитопровод, а обычный тигель засунуть прямо в индуктор, см. рис.

На промышленной частоте так не сделаешь, магнитное поле низкой частоты без концентрирующего его магнитопровода расползется (это т. наз. поле рассеяния) и отдаст свою энергию куда угодно, только не в расплав. Компенсировать поле рассеяния можно повышением частоты до высокой: если диаметр индуктора соизмерим с длиной волны рабочей частоты, а вся система – в электромагнитном резонансе, то до 75% и более энергии ее электромагнитного поля будет сосредоточено внутри «бессердечной» катушки. КПД выйдет соответственный.

Однако уже в лабораториях выяснилось, что авторы идеи проглядели очевидное обстоятельство: расплав в индукторе, хотя бы и диамагнитный, но электропроводящий, за счет собственного магнитного поля от вихревых токов изменяет индуктивность нагревательной катушки. Начальную частоту понадобилось устанавливать под холодную шихту и менять по мере ее плавления. Причем в пределах тем больших, чем больше заготовка: если для 200 г стали можно обойтись диапазоном в 2-30 МГц, то для болванки с железнодорожную цистерну начальная частота будет около 30-40 Гц, а рабочая – до нескольких кГц.

Подходящую автоматику на лампах сделать сложно, «тянуть» частоту за болванкой – нужен высококвалифицированный оператор. Кроме того, на низких частотах сильнейшим образом проявляет себя поле рассеяния. Расплав, который в такой печи еще и сердечник катушки, до некоторой степени собирает магнитное поле возле нее, но все равно, для получения приемлемого КПД понадобилось окружать всю печь мощным ферромагнитным экраном.

Тем не менее, благодаря своим выдающимся достоинствам и уникальным качествам (см. далее) тигельные индукционные печи широко применяются и в промышленности, и самодельщиками. Поэтому остановимся подробнее на том, как правильно сделать такую своими руками.

Немного теории

При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.

Режимы работы тигельной индукционной печи

В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.

Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.

У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.

Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.

О левитации в индукторе

А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.

Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.

Зачем индуктор дома?

Как видим, даже маломощная индукционная печка для квартирной проводки и лимитов потребления мощновата. Для чего же стоит ее делать?

Индукционный нагрев для закалки

Во-первых, для очистки и разделения драгоценных, цветных и редких металлов. Берем, к примеру, старый советский радиоразъем с позолоченными контактами; золота/серебра на плакировку тогда не жалели. Кладем контакты в узкий высокий тигелек, суем в индуктор, плавим на основном резонансе (выражаясь профессионально, на нулевой моде). По расплавлении постепенно снижаем частоту и мощность, давая застыть болванке в течение 15 мин – получаса.

По остывании разбиваем тигелек, и что видим? Латунный столбик с ясно различимым золотым кончиком, который остается только отрезать. Без ртути, цианидов и прочих убийственных реагентов. Нагревом расплава извне любым способом этого не добиться, конвекция в нем не даст.

Индуктор для отпусковой индукционной печи

Ну, золото-золотом, а сейчас и черный металлолом на дороге не валяется. Но вот необходимость равномерного, или точно дозированного по поверхности/объему/температуре нагрева металлических деталей для качественной закалки у самодельщика или ИП-индивидуала всегда найдется. И тут опять выручит печка-индуктор, причем расход электричества будет посильным для семейного бюджета: ведь основная доля энергии нагрева приходится на скрытую теплоту плавления металла. А меняя мощность, частоту и расположение детали в индукторе, можно нагреть именно нужное место именно как надо, см. рис. выше.

Наконец, сделав индуктор специальной формы (см. рис. слева), можно отпустить закаленную деталь в нужном месте, на нарушая цементации с закалкой на конце/концах. Затем, где надо – гнем, плющим, а остальное остается твердым, вязким, упругим. В конце можно снова разогреть, где отпускали, и опять закалить.

Приступаем к печке: что нужно знать обязательно

Электромагнитное поле (ЭМП) воздействует на человеческий организм, хотя бы прогревая его во всем объеме, как мясо в микроволновке. Поэтому, работая с индукционной печью в качестве конструктора, мастера или эксплуатанта, нужно четко уяснить себе суть следующих понятий:

ППЭ – плотность потока энергии электромагнитного поля. Определяет общее физиологическое воздействие ЭМП на организм независимо от частоты излучения, т.к. ППЭ ЭМП одной и той же напряженности растет с ростом частоты излучения. По санитарным нормам разных стран допустимое значение ППЭ от 1 до 30 мВт на 1 кв. м. поверхности тела при постоянном (свыше 1 часа в сутки) воздействии и втрое-впятеро больше при однократном кратковременном, до 20 мин.

Примечание: особняком стоят США, у них допустимая ППЭ – 1000 мВт (!) на кв. м. тела. Фактически, американцы считают началом физиологического воздействия внешние его проявления, когда человеку уже становится плохо, а долговременные последствия облучения ЭМП полностью игнорируют.

ППЭ при удалении от точечного источника излучения падает по квадрату расстояния. Однослойная экранировка оцинковкой или мелкоячеистой оцинкованной сеткой снижает ППЭ в 30-50 раз. Вблизи катушки по ее оси ППЭ будет в 2-3 раза выше, чем сбоку.

Поясним на примере. Есть индуктор на 2 кВт и 30 МГц с КПД в 75%. Следовательно, наружу из него уйдет 0,5 кВт или 500 Вт. На расстоянии в 1 м от него (площадь сферы радиусом 1 м – 12,57 кв. м.) на 1 кв. м. придется 500/12,57=39,77 Вт, а на человека – около 15 Вт, это очень много. Индуктор нужно располагать вертикально, перед включением печи надевать на него заземленный экранирующий колпак, следить за процессом издали, а по его окончании немедленно выключать печь. На частоте в 1 МГц ППЭ упадет в 900 раз, и с экранированным индуктором можно работать без особых предосторожностей.

СВЧ – сверхвысокие частоты. В радиэлектронике СВЧ считают с т.наз. Q-диапазона, но по физиологии СВЧ начинается примерно со 120 МГц. Причина – электроиндукционный нагрев плазмы клеток и резонансные явления в органических молекулах. СВЧ обладает специфически направленным биологическим действием с долговременными последствиями. Достаточно получить 10-30 мВт в течение получаса, чтобы подорвать здоровье и/или репродуктивную способность. Индивидуальная восприимчивость к СВЧ крайне изменчива; работая с ним, нужно регулярно проходить специальную медкомиссию.

Пресечь СВЧ-излучение очень трудно, оно, как говорят профи, «сифонит» сквозь малейшую щелочку в экране или при малейшем нарушении качества заземления. Эффективная борьба с СВЧ-излучением аппаратуры возможна только на уровне его конструирования высококлассными специалистами.

К счастью, диапазон частот, в котором работают индукционные печи, до СВЧ не простирается. Но при неумелом конструировании или пользовании печь может войти в режим, при котором появляется паразитное СВЧ. Разумеется, этого следует всячески избегать.

Компоненты печи

Индуктор

Важнейшая часть индукционной печи – ее нагревательная катушка, индуктор. Для самодельных печей на мощность до 3 кВт пойдет индуктор из голой медной трубки диаметром 10 мм или медной же голой шины сечением не менее 10 кв. мм. Внутренний диаметр индуктора – 80-150 мм, количество витков – 8-10. Витки не должны соприкасаться, расстояние между ними – 5-7 мм. Также никакая часть индуктора не должна касаться его экрана; минимальный зазор – 50 мм. Поэтому для прохождения выводов катушки к генератору нужно предусмотреть окно в экране, не мешающее его снимать/ставить.

Индукторы промышленных печей охлаждают водой или антифризом, но на мощности до 3 кВт описанный выше индуктор при работе его в продолжении до 20-30 мин принудительного охлаждения не требует. Однако он сам при этом сильно нагревается, а окалина на меди резко снижает КПД печи вплоть до потери ею работоспособности. Сделать самому индуктор с жидкостным охлаждением невозможно, поэтому его придется время от времени менять. Применять принудительное воздушное охлаждение нельзя: пластиковый или металлический корпус вентилятора вблизи катушки «притянут» к себе ЭМП, перегреются, а КПД печи упадет.

Примечание: для сравнения – индуктор для плавильной печи на 150 кг стали согнут из медной трубы 40 мм наружным диаметром и 30 внутренним. Число витков – 7, диаметр катушки по внутри 400 мм, высота тоже 400 мм. Для его раскачки на нулевой моде нужно 15-20 кВт при наличии замкнутого контура охлаждения дистиллированной водой.

Генератор

Вторая главная часть печи – генератор переменного тока. Сделать индукционную печь, не владея основами радиоэлектроники хотя бы на уровне радиолюбителя средней квалификации, не стоит и пытаться. Эксплуатировать – тоже, ведь, если печка не под компьютерным управлением, настроить ее в режим можно, только чувствуя схему.

Схема генератора для индукционной печи, дающая паразитное СВЧ

При выборе схемы генератора следует всячески избегать решений, дающих жесткий спектр тока. В качестве антипримера приводим довольно распространенную схему на тиристорном ключе, см. рис. выше. Доступный специалисту расчет по прилагаемой к ней автором осциллограмме показывает, что ППЭ на частотах свыше 120 МГц от индуктора, запитанного таким образом, превышает 1 Вт/кв. м. на расстоянии 2,5 м от установки. Убийственная простота, ничего не скажешь.

Схема лампового генератора для индукционной печи

В качестве ностальгического курьеза приводим еще схему древнего лампового генератора, см. рис. справа. Такие делали советские радиолюбители еще в 50-х годах, рис. справа. Настройка в режим – воздушным конденсатором переменной емкости С, с зазором между пластинами не менее 3 мм. Работает только на нулевой моде. Индикатор настройки – неоновая лампочка Л. Особенность схемы – очень мягкий, «ламповый» спектр излучения, так что пользоваться этим генератором можно без особых мер предосторожности. Но – увы! – ламп для него сейчас не найдешь, а при мощности в индукторе около 500 Вт энергопотребление от сети – более 2 кВт.

Примечание: указанная на схеме частота 27,12 МГц не оптимальна, она выбрана из соображений электромагнитной совместимости. В СССР она была свободной («мусорной») частотой, для работы на которой разрешения не требовалось, лишь бы устройство помех никому не давало. А вообще-то С можно перестраивать генератор в довольно широком диапазоне.

Самодельная тигельная индукционная печь 50-х годов.

На следующем рис. слева – простейший генератор с самовозбуждением. L2 – индуктор; L1 – катушка обратной связи, 2 витка эмалированного провода диаметром 1,2-1,5 мм; L3 – болванка или шихта. В качестве контурной емкости используется собственная емкость индуктора, поэтому эта схема не требует настройки, она автоматически входит в режим нулевой моды. Спектр мягкий, но при неправильной фазировке L1 мгновенно сгорает транзистор, т.к. он оказывается в активном режиме с КЗ по постоянному току в цепи коллектора.

Схема простейшего генератора для индукционной печи

Также транзистор может сгореть просто от изменения наружной температуры или саморазогрева кристалла – каких-либо мер по стабилизации его режима не предусмотрено. В общем, если у вас завалялись где-то старые КТ825 или им подобные, то начинать эксперименты по индукционному нагреву можно с этой схемки. Транзистор должен быть установлен на радиатор площадью не менее 400 кв. см. с обдувом от компьютерного или ему подобного вентилятора. Регулировка можности в индукторе, до 0,3 кВт – изменением напряжения питания в пределах 6-24 В. Его источник должен обеспечивать ток не менее 25 А. Мощность рассеивания резисторов базового делителя напряжения не менее 5 Вт.

Генератор-мультивибратор для индукционной печи

Схема на след. рис. справа – мультивибратор с индуктивной нагрузкой на мощных полевых тразисторах (450 B Uk, не менее 25 A Ik). Благодаря применению емкости в цепи колебательного контура дает довольно мягкий спектр, но внемодовый, поэтому пригоден для разогрева деталей до 1 кг для закалки/отпуска. Главный недостаток схемы – дороговизна компонент, мощных полевиков и быстродействующих (граничная частота не менее 200 кГц) высоковольтных диодов в их базовых цепях. Биполярные мощные транзисторы в этой схеме не работают, перегреваются и сгорают. Радиатор здесь такой же, как и в предыдущем случае, но обдува уже не нужно.

Следующая схема уже претендует на звание универсальной, мощностью до 1 кВт. Это – двухтактный генератор с независимым возбуждением и мостовым включением индуктора. Позволяет работать на 2-3 моде или в режиме поверхностного нагрева; частота регулируется переменным резистором R2, а диапазоны частот переключаются конденсаторами С1 и С2, от 10 кГц до 10 МГц. Для первого диапазона (10-30 кГц) емкость конденсаторов С4-С7 должна быть увеличена до 6,8 мкФ.

Схема универсального генератора для индукционной печи

Трансформатор между каскадами – на ферритовом кольце с площадью сечения магнитопровода от 2 кв. см. Обмотки – из эмалированного провода 0,8-1,2 мм. Радиатор транзисторов – 400 кв. см. на четверых с обдувом. Ток в индукторе практически синусоидальный, поэтому спектр излучения мягкий и на всех рабочих частотах дополнительных мер защиты не требуется, при условии работы до 30 мин в день через 2 дня на 3-й.

Видео: самодельный индукционный нагреватель в работе

Индукционные котлы

Индукционные водогрейные котлы, без сомнения, вытеснят бойлеры с ТЭНами везде, где электричество обходится дешевле других видов топлива. Но их неоспоримые достоинства породили и массу самоделок, от которых у специалиста иной раз буквально волосы дыбом встают.

Скажем, такая конструкция: пропиленовую трубу с проточной водой окружает индуктор, а он запитан от сварочного ВЧ-инвертора на 15-25 А. Вариант – из термостойкого пластика делают пустотелый бублик (тор), по патрубкам пропускают через него воду, а для нагрева обматывают шиной, образующий свернутый в кольцо индуктор.

ЭМП передаст свою энергию воде хорошо; та обладает неплохой электропроводностью и аномально высокой (80) диэлектрической проницаемостью. Вспомните, как стреляют в микроволновке оставшиеся на посуде капельки влаги.

Но, во-первых, для полноценного обогрева квартиры или частного дома зимой нужно не менее 20 кВт тепла, при тщательном утеплении снаружи. 25 А при 220 В дают всего 5,5 кВт (а сколько это электричество стоит по нашим тарифам?) при 100% КПД. Ладно, пусть мы в Финляндии, где электричество дешевле газа. Но лимит потребления на жилье – все равно 10 кВт, а за перебор нужно платить по увеличенному тарифу. И квартирная проводка 20 кВт не выдержит, нужно тянуть отдельный фидер от подстанции. Во что такая работа обойдется? Если еще электрикам далеко до перебора мощности по району и они ее разрешат.

Затем, сам теплообменник. Он должен быть или металлическим массивным, тогда будет действовать только индукционный нагрев металла, или из пластика с низкими диэлектрическими потерями (пропилен, между прочим, к таким не относится, годится только дорогой фторопласт), тогда вода непосредственно поглотит энергию ЭМП. Но в любом случае выходит, что индуктор греет весь объем теплообменника, а воде тепло отдает только внутренняя его поверхность.

В итоге, ценой больших трудов с риском для здоровья, получаем бойлер с КПД пещерного костра.

Индукционный котел отопления промышленного изготовления устроен совсем по-иному: просто, но в домашних условиях невыполнимо, см. рис. справа:

Схема индукционного водогрейного котла

• Массивный медный индуктор подключается непосредственно к сети.
• Его ЭМП греет также массивный металлический лабиринт-теплообменник из ферромагнитного металла.
• Лабиринт одновременно изолирует индуктор от воды.

Стоит такой бойлер в несколько раз дороже обычного с ТЭНом, и пригоден для установки только на пластиковые трубы, но взамен дает массу выгод:

1. Никогда не сгорает – в нем нет раскаленной электроспирали.
2. Массивный лабиринт надежно экранирует индуктор: ППЭ в непосредственной близости от 30 кВт индукционного бойлера – ноль.
3. КПД – более чем 99,5%
4. Абсолютно безопасен: собственная постоянная времени обладающей большой индуктивностью катушки – более 0,5 с, что в 10-30 раз больше времени срабатывания УЗО или автомата. Его еще ускоряет «отдача» от переходного процесса при пробое индуктивности на корпус.
5. Сам же пробой вследствие «дубовости» конструкции исключительно маловероятен.
6. Не требует отдельного заземления.
7. Безразличен к удару молнии; сжечь массивную катушку ей не под силу.
8. Большая поверхность лабиринта обеспечивает эффективный теплообмен при минимальном температурном градиенте, что почти исключает образование накипи.
9. Огромная долговечность и простота пользования: индукционный бойлер совместно с гидромагнитной системой (ГМС) и фильтром-отстойником работает без обслуживания не менее 30 лет.

О самодельных котлах для ГВС

Схема индукционного водонагревателя для ГВС

Здесь на рис. приведена схема маломощного индукционного нагревателя для систем ГВС с накопительным баком. В ее основе – любой силовой трансформатор на 0,5-1,5 кВт с первичной обмоткой на 220 В. Очень хорошо подходят сдвоенные трансформаторы от старых ламповых цветных телевизоров – «гробов» на двухстержневом магнитопроводе типа ПЛ.

Вторичную обмотку с таких снимают, первичку перематывают на один стержень, увеличив количество ее витков для работы в режиме, близком к КЗ (короткому замыканию) по вторичке. Сама же вторичная обмотка – вода в U-образном колене из трубы, охватывающем другой стержень. Пластиковая труба или металлическая – на промчастоте все равно, но металлическая должна быть изолирована от остальной системы диэлектрическими вставками, как показано на рис, чтобы вторичный ток замыкался только через воду.

В любом случае такая водогрейка опасна: возможная протечка соседствует с обмоткой под сетевым напряжением. Если уж идти на такой риск, то в магнитопроводе нужно насверлить отверстие под болт-заземлитель, и прежде всего наглухо, в грунт, заземлить трансформатор и бак стальной шиной не менее 1,5 кв. см. (не кв. мм!).

Далее трансформатор (он должен располагаться непосредственно под баком), с подключенным к нему сетевым проводом в двойной изоляции, заземлителем и водогрейным витком заливают в одну «куклу» силиконовым герметиком, как моторчик помпы аквариумного фильтра. Наконец, крайне желательно весь агрегат подключить к сети через быстродействующее электронное УЗО.

Видео: “индукционный” котел на основе бытовой плитки

Индуктор на кухне

Варочная индукционная плита

Индукционные варочные поверхности для кухни стали уже привычными, см. рис. По принципу действия это та же индукционная печка, только в роли короткозамкнутой вторичной обмотки выступает днище любой металлической варочной посудины, см. рис. справа, а не только из ферромагнитного материала, как часто не знаючи пишут. Просто алюминиевая посуда выходит из употребления; медики доказали, что свободный алюминий – канцероген, а медная и оловянная давно уже не в ходу по причине токсичности.

Бытовая индукционная плитка – порождение века высоких технологий, хотя идея ее зародилась одновременно с индукционными плавильными печами. Во-первых, для изоляции индуктора от стряпни понадобился прочный, стойкий, гигиеничный и свободно пропускающий ЭМП диэлектрик. Подходящие стеклокерамические композиты появились в производстве сравнительно недавно, и на долю верхней пластины плиты приходится немалая доля ее стоимости.

Схема кухонной индукционной плиты

Затем, все варочные посудины разные, а их содержимое изменяет их электрические параметры, и режимы приготовления блюд тоже разные. Осторожным подкручиванием ручек до нужной моды тут и специалист не обойдется, нужен высокопроизводительный микроконтроллер. Наконец, ток в индукторе должен быть по санитарным требованиям чистой синусоидой, а его величина и частота должны сложным образом меняться сообразно степени готовности блюда. То есть, генератор должен быть с цифровым формированием выходного тока, управляемым тем самым микроконтроллером.

Делать кухонную индукционную плиту самому нет смысла: на одни только электронные компоненты по розничным ценам денег уйдет больше, чем на готовую хорошую плитку. И управлять этими приборами пока еще сложновато: у кого есть, тот знает, сколько там кнопочек или сенсоров с надписями: «Рагу», «Жаркое» и т.п. Автор этой статьи видал плитку, где значилось отдельно «Борщ флотский» и «Суп претаньер».

Тем не менее, индукционные плиты имеют массу преимуществ перед прочими:

• Почти нулевая, в отличие от микроволновок, ППЭ, хоть сам на эту плитку садись.
• Возможность программирования для приготовления самых сложных блюд.
• Растопка шоколада, вытапливание рыбьего и птичьего жира, приготовление карамели без малейших признаков пригорания.
• Высокая экономичность как следствие быстрого нагрева и почти полного сосредоточения тепла в варочной посуде.

Разогрев варочной посуды на индукционной плите и газовой конфорке

К последнему пункту: взгляните на рис. справа, там графики разогрева стряпни на индукционной плите и газовой конфорке. Кто знаком с интегрированием, тот сразу поймет, что индуктор на 15-20% экономичнее, а с чугунным «блином» его можно и не сравнивать. Затраты денег на энергоноситель при приготовлении большинства блюд для индукционной плиты сравнимы с газовой, а на тушение и варку густых супов даже меньше. Индуктор пока уступает газу только при выпечке, когда необходим равномерный прогрев со всех сторон.

Видео: неудавшийся индукционный нагреватель из кухонной плиты

В заключение

Итак, индукционные электроприборы для подогрева воды и приготовления пищи лучше покупать готовые, дешевле и проще выйдет. А вот завести самодельную индукционную тигельную печку в домашней мастерской не помешает: станут доступными тонкие способы плавки и термообработки металлов. Нужно только помнить о ППЭ с СВЧ и строго соблюдать правила конструирования, изготовления и эксплуатации.

Загрузка…

Обсуждение темы «Индукционная печь»

Ниже Вы можете поделиться своими мыслями и результатами с нашими читателями и постоянными посетителями.

Также можно задать вопросы автору*, он постарается на них ответить.