муфельная печь что это такое фото
Муфельная печь — преимущества, устройство, цены и сфера применения
Муфельная печь — это нагревательное устройство, внутри которого расположен специальный кожух — муфель. Он отделяет внутреннее рабочее пространство от топки (нагревателей). Таким образом, внутренняя камера защищает рабочую зону от угарных газов, а нагреваемые детали — от взаимодействия с этими газами. Как устроен муфель и изготавливается ли муфельная печь своими руками?
Муфельные печи: преимущества и недостатки
Муфель защищает зону нагрева от газов или продуктов испарений нагревательных элементов. Это создаёт условия для термической обработки деталей, для насыщения их поверхности определёнными элементами (углеродом, азотом, хромом). Также муфель используют для переплавки золота, обжига изделий из глины.
Камера муфельной печи
Кроме защитных свойств, внутренняя камера обеспечивает равномерное распределение температуры по всей рабочей зоне. Это создаёт одинаковые условия для термической обработки деталей на поддоне.
Муфельная печь серийного производства
Из недостатков муфелей стоит отметить низкую скорость нагрева до высоких температур, а значит, сложность скоростных режимов термической обработки в таких печах. Кроме того, разогрев самого муфеля требует дополнительного расхода энергии, а значит муфельные печи — более затратны в эксплуатации, чем печи без муфеля.
Муфельные печи: сфера применения
Перечислим сферу применения муфельных печей:
1. Металлургическое производство и исследования в металлургических лабораториях. В муфельных печах разного размера проводят термическую обработку деталей из различных сплавов — закалку и отжиг, отпуск и состаривание. Также в муфелях проводят насыщение поверхности углеродом, азотом, алюминием, кремнием, другими элементами (цементирование, азотирование, цианирование, диффузная металлизация — хромирование, алитирование).
Муфельная печь на металлургическом производстве
2. Переплавка золота и цветных сплавов, при которых недопустимо насыщение сплава посторонними примесями. В такой переплавке необходимо ограничить контакт сплава с продуктами горения или с продуктами окисления нагревательных элементов.
Переплавка металла в муфельной печи
3. Обжиг керамики — используется в процессе производства керамических изделий (посуды, скульптурных украшений из глины). Высокотемпературный обжиг обеспечивает прочность керамической поверхности и её водостойкость.
Обжиг керамики в муфельной печи
4. Сушка электропроводящих материалов и элементов.
Сушка материалов в муфельной печи
5. Стерилизация инструмента (в медицине).
Стерилизация инструмента в медицине
6. Сжигание (кремация).
Кремация в муфельной печи
Особенности муфельной печи для плавки металлов
Как устроены муфельные печи: конструкция
Главный конструктивный элемент печи — муфель. В его камеру загружают детали для термической обработки (или золото для переплавки, медицинский инструмент для температурной обработки, керамику для обжига). Муфель делают из химически инертного материала.
Камеру муфеля располагают внутри печи. При этом пространство между наружным кожухом и внутренней камерой заполняют теплоизолятором. Качественная теплоизоляция определяет КПД работы устройства, а также его безопасность (ограничивает сильный нагрев кожуха и не допускает возможности обжечься об него).
Камера муфельной печи
Нагревательные элементы располагают снаружи муфеля или в его стенках. Они нагревают внутреннюю камеру, которая в свою очередь передают тепло рабочему пространству. Работой нагревательных элементов управляет регулятор. Он контролирует температуру и время нагрева, весь процесс термической обработки. Уровень автоматического регулирования влияет на цену нагревательного устройства. Чем больше регулирующих функций, тем дороже печь.
Муфель: конструкция и материалы
Для изготовления внутренней камеры используются следующие материалы:
Выбор материала для изготовления муфеля определяется условиями работы и предназначением печи. Например, муфель из огнеупорных волокон используется для нагрева в нейтральной среде. Корундовые камеры — можно использовать в химических средах. А вот керамический муфель — универсален. Благодаря инертности его используют для различных задач (переплавки, термической обработки, обжига).
Самодельная конструкция муфельной печи
В один и тот же корпус можно загружать муфели из разных материалов (для разных целей нагрева и обработки). Таким образом, внутренняя камера является сменным элементом, который может иметь вид горшка или колпака, загружаться с боку или сверху. Конструктивно муфели делят на следующие группы:
Нагревательные элементы
Для нагрева стенок внутренней камеры устанавливают нагревательные элементы. В качестве них используется проволока из термостойкого металла или сплава. При прохождении тока по проволокам они разогреваются и выделяют тепло. Для увеличения площади отдачи проволоку наматывают в виде спирали.
Нагревательный элемент муфельной печи
Также различают открытые и закрытые нагреватели. Открытые нагреватели имеют более высокую скорость нагрева, при поломке — легко заменяются новыми. Но при этом — быстрее окисляются (из-за нагрева) и чаще выходят из строя.
Закрытые нагреватели располагают внутри стенок муфеля. Они защищены от окисления, поэтому более долговечны. Недостатки: более длительный нагрев и большая стоимость ремонта (в случае поломки необходима замена всего муфеля).
Виды муфельных печей
Муфельные печи классифицируют по нескольким признакам. По способу нагрева их делят:
По виду защитной атмосферы:
Рабочая температура внутри печи может варьироваться от +400ºC до 2500ºC. По этому признаку муфельные печи классифицируют на типы:
Примечание: Температура нагрева определяет цену печи. Чем сильнее нагревает печь, тем выше её стоимость. Кроме того, цены муфелей зависят от размеров и функциональной оснастки (наличия термопар, вида нагревателей, автоматики).
Муфельная печь своими руками
В домашних условиях своими руками можно собрать простую конструкцию печи. При этом муфельная печь «своими руками» будет работать на электричестве. Главный элемент — муфель — можно изготовить из глины или сложить из шамотного кирпича.
Для глиняного муфеля делают заготовку из картона или фанеры. Полученный короб покрывают слоем глины толщиной от 1 см, сушат до затвердевания (3-5 дней) и обжигают в угольной печи. Температура обжига составляет 700-800ºC. Этого достаточно для остекловывания глиняной структуры и получения прочной внутренней камеры.
Муфельная печь, изготовленная своими руками
Полученный керамический муфель обматывают проволокой (нихромовой или фехралевой, диаметром 1 мм) — она будет работать в качестве нагревательного элемента. Для того чтобы закрепить проволоку на кожухе, её покрывают вторым слоем глины (который также сушат и обжигают в угольной печи). Концы проволоки для дальнейшего подключения к электросети отставляют открытыми.
Для складывания шамотного муфеля в каждом кирпичике проделывают канавки (для расположения нагревательных спиралей). После складывания кирпичей в канавках располагают спиральную проволоку. Для закрепления в канавках спираль обмазывают глиной или укрепляют проволокой.
Готовую внутреннюю камеру размещают в металлическом корпусе. Его сваривают из листов стали толщиной 2 мм и более. В корпусе оставляют отверстия для подсоединения к нагревательной проволоке.
Внутрь кожуха помещают готовый муфель, подсоединяют контакты и делают теплоизоляцию. В качестве изолирующего материала используют базальтовую вату или асбестовую крошку (асбест — более вредный вариант, при его нагреве выделяются канцерогены).
Примечание: Такая муфельная печь своими руками позволяет обжигать изделия из керамики. Для металлургического отжига или переплавки цветных сплавов необходима печь промышленного производства.
Самостоятельное изготовление муфельной печи
Печи СНОЛ: цены и модели
Производитель электропечей СНОЛ (SNOL) предлагает различные нагревательные печи и камеры. Муфельные варианты СНОЛ — это лабораторные электропечи для термической обработки деталей в воздушной среде. Они обустроены электрическими спиральными нагревателями и прямоугольной внутренней камерой. Сфера применения печей СНОЛ: термическая и химико-термическая обработка, нагрев образцов, прокаливание.
Модельный ряд СНОЛ предоставляет печи с разными рабочими температурами и разным объёмом рабочего пространства. Рабочие температуры СНОЛ составляют 100-1300ºC. В моделях под заказ рабочие температуры могут быть выше — до 1600ºC. Объём рабочих камер — 3, 6 или 10 л. Используются полузакрытые и закрытые нагреватели. В модификациях с объёмом рабочей камеры 3 и 6 л нагреватели расположены с трёх сторон. В модификациях с камерой 10 л — нагреватели с 4-х сторон внутренней камеры.
Муфельная печь SNOL
Материал муфеля — керамика или волокно. Есть модели СНОЛ, в которых внутренняя камера выполнена из нержавеющей стали, из кирпича. Модульная конструкция печи позволяет при необходимости быстро и несложно заменить любой элемент.
Качество и надёжность работы нагревательных устройств СНОЛ обеспечивают японские программируемые терморегуляторы, фехралевые нагреватели.
Цены на печи СНОЛ — демократичны.
Муфельная печь — устройство, необходимое для работы металлургической лаборатории. Оно также востребовано в ювелирном деле и керамическом производстве, используется в медицине (для обработки инструмента). Конструкция отличается простотой. Для отжига керамических изделий муфель можно изготовить своими руками. Для более ответственных видов химико-термической обработки лучше приобрести печь заводского изготовления. Это будет гарантировать её качество и безопасность.
Описание работы муфельной печи Snol-7.2/1100
Муфельные печи для обжига керамики, как они работают
Муфельные печи – отнюдь не современные устройства. Идея создания печей для обжига керамики и термической обработки металла или стекла зародилась достаточно давно.
Основная особенность муфельной печи заключается в возможности нагрева материала опосредованным путем, то есть без прямого контакта с пламенем или иным источником тепла.
Основу конструкции составляет муфель – керамическая емкость, выполняющая сразу несколько функций.
Таким образом, муфельные печи могут служить устройствами для осуществления производственных процессов и лабораторных исследований.
Современные печи работают от электричества. На первый взгляд может показаться, что при наличии электронагревателей необходимость керамической капсулы отпадает, но это ошибочное мнение. Обжиг керамики или термообработка металлов являются сложными процессами, и необходимые условия их реализации можно создать только в муфельных печах.
Из истории возникновения
История знает один очень интересный факт, связанный с появлением муфельных печей. Их родиной считается Франция, однако здесь не обошлось без российских умельцев. Известный каретный мастер Жанто, занимающийся изготовлением экипажей для знати и королевского двора, в конце 17 века изобрел рулевую трапецию. Слабым звеном в конструкции являлась ось поворотного шкворня, которая постоянно ломалась.
Однажды к мастеру обратился российский дворянин с заказом роскошного экипажа от имени Петра I. Этот экипаж должен был достаться в подарок одному азиатскому хану. Первым делом заказчик обратил внимание на прочность оси и, не получив удовлетворения, подсказал мастеру способ изготовления прочных материалов.
Задача мастера заключается в том, что поверхность оси необходимо цементировать. Заготовка по всей толщине обладает разными показателями прочности. Снаружи она покрывается твердой каленой коркой, а внутри остается достаточно вязкой. Подобное цементирование возможно произвести только в специальной печи, где достигается высокая температура.
Первая муфельная печь (muffla — муфта, глиняный ящик) изготавливалась из глины. В состав материала для цементирования добавлялись измельченные в порошок рога крупного скота. Поначалу такая печь имела определенную область применения, поэтому называлась системой сооружения осей.
Область применения муфельных печей
Сегодня муфельная печь – достаточно востребованное устройство. Она применяется в различных производственных сферах. Важной особенностью муфельной печи является возможность регулировать температуру, достигать высоких значений температуры, изолировать материал от воздействия внешних факторов. В печи производят не только термическую обработку материалов. Они пригодны для хранения образцов, если заданы определенные температурные условия.
Можно выделить основные области применения муфельных печей:
Также муфельные печи нашли применение в стоматологии. Качественные металлокерамические конструкции, используемые в протезировании, получаются только в подобных печах, где каждое изделие равномерно прогревается до высоких температур.
Виды муфельных печей
Существует несколько классификаций печей, так как в определенных областях одни факторы являются решающими, а другие – нет. К таким факторам относят следующие характеристики:
По типу нагрева муфельные печи подразделяются на газовые и электрические. Электрические варианты практически вытеснили газовые устройства, так как считаются более практичными. Кроме того, удельная теплота сгорания газа ограничена, а при помощи электроприборов можно добиться высоких температур.
По назначению муфельные печи делятся на лабораторные (мобильные устройства для проведения научных исследований), промышленные (стационарные устройства, установленные на промышленных предприятиях), ювелирные (используются для обжига керамики или плавки драгоценных металлов), учебные.
Разделение печей по виду конструкции основано на их функциональности и вариации способов загрузки материала. Выделяют печи вертикальной или горизонтальной загрузки, трубчатые печи, служащие для поверки термопар, а также колпаковые печи, предназначенные для обжига крупных деталей.
В колпаковой печи деталь помещается на отдельный под, выполненный в виде поддона. Сверху, как колпаком, она накрывается муфелем, оснащенным нагревательными элементами.
Самый простой по конструкции вид – камерные печи. Одна из стенок камеры является дверцей, через которую загружают и выгружают материал. Нагревательные элементы расположены на остальных стенках в специальных канавках. Шахтные или горшковые печи по своей сути похожи на перевернутые колпаковые печи. Материал загружается в углубление муфеля и сверху накрывается плоской крышкой. Наиболее сложные – тоннельные печи. Они оборудованы конвейером или интегрированы в конвейер.
Температурный режим в муфельной печи провоцирует нежелательные химические реакции на поверхности обрабатываемого материала. С этой целью обжиг деталей производится в защитной среде. От типа среды зависит устройство печи. Воздушные печи – самые простые по своей конструкции. В них нагревание происходит в атмосферном воздухе. Печи с газовой защитой позволяют производить нагрев в среде аргона, водорода, гелия и других газов. Бывают и вакуумные печи. В них нагрев детали производится в вакууме.
В некоторых случаях целесообразно классифицировать печи по их характеристикам. Важнейшая характеристика – объем муфеля. Самодельные или фабричные печи отличаются объемом, который может варьироваться от 1 до 100 литров. Обычно объем выбирается при конструировании печи с учетом области ее будущего применения. Еще одна важная характеристика – мощность печи. Она характерна как для электрических нагревателей, так и для газовых печей. При покупке или изготовлении муфельной печи важно учитывать тип электропитания, то есть в однофазную или трехфазную цепь включается устройство.
Устройство и принцип работы
Муфель является основным рабочим элементом печи. Он представляет собой резервуар, выполненный из керамики или специального волокна. Форма резервуара зависит от функционала печи, но обычно муфель изготавливают в виде полуцилиндра. Нагревательные элементы укладываются в специальные канавки, сделанные в стенках муфеля. Они не соприкасаются с обрабатываемым материалом, что служит одной из особенностей такого вида печей.
Печи для обжига керамики оснащены стационарным муфелем. Некоторые виды устройств имеют внешние нагреватели и сменный муфель. Во всех случаях материал, подлежащий нагреванию, защищен от прямого воздействия излучения. В свою очередь, нагреватели не покрываются выделяющимися в процессе нагрева агрессивными частицами и парами.
В строении муфельной печи можно выделить следующие ключевые элементы:
В рабочей камере происходит термическая обработка материала. Именно она изготовлена из огнеупорной керамики и называется муфелем. Корпус выполняет эстетическую функцию и функцию изолятора. Благодаря теплоизоляционной прослойке, печь внутри муфеля сохраняет высокую температуру длительное время и обеспечивает медленное и равномерное остывание материала. Например, при обжиге керамики материал и печь должны охлаждаться до температуры в 400 градусов медленно, в течение нескольких часов. В противном случае на изделии будут образовываться трещины, а сама печь выйдет из строя.
Строение муфельной печи не оставалось неизменным и с течением времени претерпело некоторые видоизменения. Неизменной оставалась лишь основная суть ее работы. Конструкция должна обеспечить изолирование материала от внешней среды, а также равномерное нагревание по всему объему. Система вентиляции устроена так, что выделяемые при нагревании вредные вещества выводятся из камеры. Постоянство температуры обеспечивает естественная или принудительная конвекция. Нагреватели могут быть разных размеров и принимать различную форму. Они устанавливаются по всему периметру муфеля. Здесь важно рассчитать, какое именно количество теплоты необходимо получить для термообработки того или иного материала.
Нагреватели отличаются по конструкции, материалу изготовления и способу обустройства. Они бывают трубчатыми, ленточными или спиральными. В качестве материала используется, в основном, нихром, вольфрам, фехраль или никелин. Принято различать всего два типа устройства нагревателей – открытые и закрытые. Особую популярность получили нагревательные элементы, выполненные в виде спирали из нихрома.
Современные муфельные печи оснащаются модулями управления, позволяющими регулировать температурный режим. Первые регуляторы были механическими или аналоговыми. Со временем они стали вытесняться программируемыми электронными блоками. У электронных регуляторов температурного режима есть определенные преимущества:
Как происходит обжиг керамики в муфельной печи
Можно рассмотреть пример работы с электрической муфельной печью при обжиге керамики. Загружать материал в муфель следует таким образом, чтобы было задействовано максимальное пространство рабочей камеры. Для этого производят пробную загрузку на специальном рабочем столе. Уложив все элементы, мастер определяет требуемые габариты, следовательно, количество задействованных огнеупорных полок. Чтобы увеличить срок службы муфеля, рекомендуется перед первым применением покрыть полки (лещадки) раствором каолина. Порошок каолина разводится в воде и полученная смесь наносится на лещадки с помощью кисточки.
Важно помнить, что плотность глазурованных и неглазурованных изделий различна, поэтому внизу должны находиться более тяжелые элементы, а легкие размещаются сверху.
Можно допускать соприкосновение неглазурованных изделий. Если обжигаются толстые черепки в виде плиток, то их ставят на ребро. Расстояние между черепками или расстояние до нагревательных элементов не должно быть меньше 2-3 см. В противном случае неизбежна деформация изделий. Глазурованные элементы размещают в муфеле на специальных подставках, чтобы они не соприкасались друг с другом.
На этапе обжига изначально ведется медленное повышение температуры. Это обусловлено тем, что заготовки в течение нескольких часов досушиваются. Происходит выпаривание связанной воды. Температура в муфеле повышается до 200 градусов. Процесс досушки происходит при открытых технологических отверстиях, чтобы выходила испарившаяся влага. Занимает данный этап около 1 часа времени.
Далее температура более высокими темпами поднимается до 300-500 градусов. Но при прохождении границы в 600 градусов следует проявлять осторожность и бдительность. Дело в том, что при этой температуре происходит диссоциация глинистого вещества, в результате которой интенсивно выделяются пары, образовавшиеся из химически связанной воды. Пары выходят под большим давлением, поэтому велика вероятность разрыва изделий, даже высохших. Вторым фактором, заставляющим снизить темп повышения температуры, является резкое расширение кварца.
Следующая температурная ступень составляет 570-600 градусов. Керамические изделия выдерживаются в данном температурном режиме около 30 минут. Скорость повышения температуры может быть высокой, тем не менее, необходимо соблюдать установленную выдержку, чтобы материал нагрелся по всему объему. При последующем обжиге соблюдается скорость нагрева 150 градусов/20 минут.
Важным этапом работы с керамикой является охлаждение печи. Считается, что печь должна остывать примерно столько же по времени, сколько длилось ее нагревание. В противном случае на заготовках будут образовываться трещины. Резкое охлаждение негативно влияет на керамику самого муфеля. Опытные мастера советуют снижать температуру до 450-400 градусов в течение нескольких часов. Необходимо помнить, что чем больше масса заготовки, тем более количество теплоты она отдаст при остывании. Дверцу муфеля не следует открывать, пока в рабочей зоне не восстановится температура 200 градусов. Разгрузка муфельной печи производится при температуре не выше 60 градусов. Приведенная схема не является единственной, но в других алгоритмах также предусмотрено постепенное изменение температурного режима.