Самодельная индукционная печь для плавки. Как выбрать индукционную печь

Домашняя индукционная печь справляется с плавкой относительно небольших порций металла. Однако такой горн не нуждается ни в дымоходе, ни в мехах, подкачивающих воздух в зону плавки. А всю конструкцию подобной печи можно разместить на письменном столе. Поэтому разогрев с помощью электрической индукции является оптимальным способом плавки металлов в домашних условиях. И в этой статье мы рассмотрим конструкции и схемы сборки подобных печей.

Как устроена индукционная печь – генератор, индуктор и тигель

В заводских цехах можно встретить канальные индукционные печи для плавки цветных и черных металлов. У этих установок очень высокая мощность, задаваемая внутренним магнитопроводом, который повышает плотность электромагнитного поля и температуру в тигле печи.

Однако канальные конструкции расходуют большие порции энергии и занимают много места, поэтому в домашних условиях и небольших мастерских применяется установка без магнитопровода – тигельная печь для плавки цветного/черного металла. Такую конструкцию можно собрать даже своими руками, ведь тигельная установка состоит из трех основных узлов:

• Генератора, выдающего переменный ток с высокими частотами, которые необходимы для повышения плотности электромагнитного поля в тигле. Причем, если диаметр тигля можно будет сопоставить с длинной волны частоты переменного тока, то такая конструкция позволит трансформировать в тепловую энергию до 75 процентов электричества, потребляемого установкой.
• Индуктора – медной спирали, созданной на основе точного просчета не только диаметра и количества витков, но и геометрии проволоки, используемой в этом процессе. Контур индуктора должен быть настроен на усиление мощности в результате возникновения резонанса с генератором, а точнее с частотой питающего тока.
• Тигля – тугоплавкого контейнера, в котором и происходит вся плавильная работа, инициируемая за счет возникновения в структуре металла вихревых токов. При этом диаметр тигля и прочие габариты этого контейнера определяются строго по характеристикам генератора и индуктора.

Такую печь может собрать любой радиолюбитель. Для этого ему нужно найти правильную схему и запастить материалами и деталями. Перечень всего этого вы сможете найти ниже по тексту.

Из чего собирают печи – подбираем материалы и детали

В основе конструкции самодельной тигельной печи лежит простейший лабораторный инвертор Кухтецкого. Схема этой установки на транзисторах имеет следующий вид:

На основе этого рисунка-схемы вы сможете собрать индукционную печь, используя следующие компоненты:

• два транзистора – желательно полевого типа и марки IRFZ44V;
• медный провод диаметром 2 миллиметра;
• два диода марки UF4001, еще лучше - UF4007;
• два дроссельных кольца – их можно извлечь из старого блока питания от десктопа;
• три конденсатора емкостью по 1 мкФ каждый;
• четыре конденсатора емкостью по 220нФ каждый;
• один конденсатор с емкостью 470 нФ;
• один конденсатор с емкостью 330 нФ;
• один резистор на 1 ватт (или 2 резистора по 0,5 ватта каждый), рассчитанный на сопротивление 470 Ом;
• медный провод диаметром 1,2 миллиметра.

Кроме того, вам понадобится пара радиаторов – их можно снять со старых материнских плат или кулеров для процессоров, и аккумуляторная батарея емкостью не менее 7200 мАч от старого источника бесперебойного питания на 12 В. Ну а емкость-тигель в данном случае фактически не нужна – в печи будет плавиться прутковый металл, который можно удерживать за холодный торец.

Пошаговая инструкция для сборки – несложные операции

Распечатайте и повесьте над рабочим столом чертеж лабораторного инвертора Кухтецкого. После этого разложите все радиодетали по сортам и маркам и разогрейте паяльник. Закрепите два транзистора на радиаторах. А если вы будете работать с печью дольше 10-15 минут подряд, закрепите на радиаторах кулеры от компьютера, подключив их к рабочему блоку питания. Схема распиновки транзисторов из серии IRFZ44V выглядит следующим образом:

Возьмите медную проволоку на 1,2 миллиметра и намотайте на ее на ферритовые кольца, сделав по 9-10 витков. В итоге у вас получатся дроссели. Расстояние между витками определяется диаметром кольца, исходя из равномерности шага. В принципе все можно сделать "на глаз", варьируя число витков в пределах от 7 до 15 оборотов. Соберите батарею из конденсаторов, соединяя все детали параллельно. В итоге у вас должна получиться батарея на 4,7 мкФ.

Теперь сделайте индуктор из медной 2-миллиметровой проволоки. Диаметр витков в этом случае может равняться диаметру фарфорового тигля или 8-10 сантиметрам. Число витков не должно превышать 7-8 штук. Если в процессе испытаний мощность печи покажется вам недостаточной – переделайте конструкцию индуктора, меняя диаметр и число витков. Поэтому на первых парах контакты индуктора лучше сделать не паянными, а разъемными. Далее соберите все элементы на плате из текстолита, опираясь на чертеж лабораторного инвертора Кухтецкого. И подключите к контактам питания аккумулятор на 7200 мАч. Вот и все.

В статье рассмотрены схемы промышленных индукционных плавильных печей (канальных и тигельных) и индукционных закалочных установок с питанием от машинных и статических преобразователей частоты.

Схема индукционной канальной печи

Почти все конструкции промышленных индукционных канальных печей выполняются с отъемными индукционными единицами. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Индукционная единица состоит из следующих элементов, кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Индукционные единицы выполняются как однофазными, так и двухфазными (сдвоенными) с одним или двумя каналами на один индуктор. Индукционная единица подключается ко вторичной стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройства. Иногда включаются два контактора с параллельно работающими силовыми контактами в главной цепи.

На рис. 1 приведена схема питания однофазной индукционной единицы канальной печи. Реле максимального тока РМ1 и РМ2 служат для контроля и отключения печи при перегрузках и коротких замыканиях.

Трехфазные трансформаторы используются для питания трехфазных или двухфазных печей, имеющих либо общий трехфазный магнитопровод, либо два или три отдельных магнитопровода стержневого типа.

Для питания печи в период рафинирования металла и для поддержания режима холостого хода служат автотрансформаторы для более точного регулирования мощности в период доводки металла до нужного химического состава (при спокойном, без бурления, режиме расплавления), а также для начальных пусков печи при первых плавках, которые проводятся при малом объеме металла в ванне для обеспечения постепенной сушки и спекания футеровки. Мощность автотрансформатора выбирают в пределах 25-30% мощности основного трансформатора.

Для контроля температуры воды и воздуха, охлаждающих индуктор и кожух индукционной единицы, устанавливают электроконтактные термометры, выдающие сигнал при превышении температуры свыше допустимой. Питание печи автоматически отключается при повороте печи для слива металла. Для контроля положения печи служат конечные выключатели, сблокированные с приводом электропечи. У печей и миксеров непрерывного действия при сливе металла и загрузке новых порций шихты отключение индукционных единиц не производится.

Рис. 1. Принципиальная схема питания индукционной единицы канальной печи: ВМ - выключатель мощности, КЛ - контактор, Тр - трансформатор, С - конденсаторная батарея, И - индуктор, ТН1, ТН2 - трансформаторы напряжения, 777, ТТ2 - трансформаторы тока, Р - разъединитель, ПР - предохранители, РМ1, РМ2 - реле максимального тока.

Для обеспечения надежного питания при эксплуатации и в аварийных случаях приводные двигатели механизмов наклона индукционной печи, вентилятора, привод загрузочно-разгрузочных устройств и системы управления питаются от отдельного трансформатора собственных нужд.

Схема индукционной тигельной печи

Промышленные индукционные тигельные печи емкостью более 2 т и мощностью свыше 1000 кВт питаются от трехфазных понижающих трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой, подключаемых к высоковольтной сети промышленной частоты.

Печи выполняют однофазными, и для обеспечений равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство, состоящее из реактора L с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи Сс, подключаемых с индуктором по схеме треугольника (см. АРИС на рис. 2). Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ-А имеют 9 - 23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.

Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400 - 2500 кВ-А, при потребляемой мощности свыше 1000 кВт также устанавливают симметрирующие устройства, но на стороне ВН силового трансформатора. При меньшей мощности печи и питании от высоковольтной сети 6 или 10 кВ можно отказаться от симметрирующего устройства, если колебания напряжения при включении и выключении печи будут находиться в допустимых пределах.

На рис. 2 приведена схема питания индукционной печи промышленной частоты. Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Рп и cosфи путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.

Рис. 2. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи: ПСН - переключатель ступеней напряжения, С - симметрирующая емкость, L - реактор симметрирующего устройства, С-Ст - компенсирующая конденсаторная батарея, И - индуктор печи, АРИС - регулятор симметрирующего устройства, АРИР - регулятор режима, 1K-NK - контакторы управления емкостью батареи, ТТ1, ТТ2 - трансформаторы тока.

На рис. 3 приведена принципиальная схема питания индукционных тигельных печей от машинного преобразователя средней частоты. Печи оснащены автоматическими регуляторами электрического режима, системой сигнализации «проедания» тигля (для высокотемпературных печей), а также сигнализацией о нарушении охлаждения в водоохлаждаемых элементах установки.

Рис. 3. Схема питания индукционной тигельной печи от машинного преобразователя средней частоты со структурной схемой автоматического регулирования режима плавки: М - приводной двигатель, Г -генератор средней частоты, 1K-NK - магнитные пускатели, ТИ - трансформатор напряжения, ТТ - трансформатор тока, ИП - индукционная печь, С - конденсаторы, ДФ - датчик фазы, ПУ - переключающее устройство, УФР - усилитель-фазорегулятор, 1КЛ, 2КЛ - линейные контакторы, БС - блок сравнения, БЗ - блок защиты, ОВ - обмотка возбуждения, РН - регулятор напряжения.

Схема индукционной закалочной установки

На рис. 4 приведена принципиальная электрическая схема питания индукционного закалочного станка от машинного преобразователя частоты. Помимо источника питания М-Г схема включает в себя силовой контактор К, закалочный трансформатор ТрЗ, на вторичную обмотку которого включен индуктор И, компенсирующую конденсаторную батарею Ск, трансформаторы напряжения и тока ТН и 1TT, 2ТТ, измерительные приборы (вольтметр V, ваттметр W, фазометр) и амперметры тока генератора и тока возбуждения, а также реле максимального тока 1РМ, 2РМ для защиты источника питания от коротких замыканий и перегрузок.

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема индукционной закалочной установки: М -приводной двигатель, Г - генератор, ТН, ТТ - трансформаторы напряжения и тока, К - контактор, 1PM, 2РМ, ЗРМ - реле тока, Рк - разрядник, А, V, W - измерительные приборы, ТрЗ - закалочный трансформатор, OВГ -обмотка возбуждения генератора, РР - разрядный резистор, РВ - контакты реле возбуждения, PC - регулируемое сопротивление.

Для питания старых индукционных установок для термообработки деталей используют электромашинные преобразователи частоты - приводной двигатель синхронного или асинхронного типа и генератор средней частоты индукторного типа, в новых индукционных установках - статические преобразователи частоты.

Схема промышленного тиристорного преобразователя частоты для питания индукционной закалочной установки показана на рис. 5. Схема тиристорного преобразователя частоты состоит из выпрямителя, блока дросселей, преобразователя (инвертора), цепей контроля и вспомогательных узлов (реакторов, теплообменников и пр.). По способу возбуждения инверторы выполняются с независимым возбуждением (от задающего генератора) и с самовозбуждением.

Тиристорные преобразователи могут устойчиво работать как с изменением частоты в широком диапазоне (при самонастраивающемся колебательном контуре в соответствии с изменяющимися параметрами нагрузки), так и при неизменной частоте с широким диапазоном изменения параметров нагрузки в связи с изменением активного сопротивления нагреваемого металла и его магнитных свойств (для ферромагнитных деталей).

Рис. 5. Принципиальная схема силовых цепей тиристорного преобразователя типа ТПЧ-800-1: L - сглаживающий реактор, БП - блок пуска, ВА - выключатель автоматический.

Преимуществами тиристорных преобразователей являются отсутствие вращающихся масс, малые нагрузки на фундамент и малое влияние коэффициента использования мощности на снижение КПД, КПД составляет 92 - 94% при полной нагрузке, а при 0,25 снижается только на 1 - 2%. Кроме того, поскольку частота может быть легко изменена в определенном диапазоне, нет необходимости регулирования емкости для компенсации реактивной мощности колебательного контура.

Индукционная плавка - широко распространенный в черной и цвет­ной металлургии процесс. Плавка в устройствах с индукционным нагревом нередко превосходит плавку в топливных печах по эффективности исполь­зования энергии, качеству продукта и гибкости производства. Эти пре-

современных электротехнологий

имущества обусловлены специфическими физическими характеристиками индукционных печей.

При индукционной плавке происходит перевод твердого материала в жидкую фазу под воздействием электромагнитного поля. Так же как в слу­чае индукционного нагрева, тепло выделяется в расплавляемом материале вследствие эффекта Джоуля от наведенных вихревых токов. Первичный ток, проходящий через индуктор, создает электромагнитное поле. Вне за­висимости от того, концентрируется электромагнитное поле магнитопро - водами или нет, связанная система индуктор - загрузка может быть пред­ставлена как трансформатор с магнитопроводом или как воздушный трансформатор. Электрический КПД системы сильно зависит от влияющих на поле характеристик ферромагнитных конструктивных элементов.

Наряду с электромагнитными и тепловыми явлениями в процессе индукционной плавки важную роль играют электродинамические силы. Эти силы должны учитываться, особенно в случае плавки в мощных ин­дукционных печах. Взаимодействие индуктированных электрических то­ков в расплаве с результирующим магнитным полем вызывает механиче­скую силу (силу Лоренца)

Давление Потоки расплава

Рис. 7.21. Действие электромагнитных сил

Например, вызванное силами турбулентное движение расплава име­ет очень большое значение как для хорошего теплообмена, так и для пере­мешивания и адгезии непроводящих частиц, находящихся в расплаве.

Различают два основных типа индукционных печей: индукционные тигельные печи (ИТП) и индукционные канальные печи (ИКП). В ИТП расплавляемый материал обычно загружается кусками в тигель (рис. 7.22). Индуктор охватывает тигель и расплавляемый материал. Из-за отсутствия концентрирующего поля магнитопровода электромагнитная связь между

современных электротехнологий

индуктором и загрузкой сильно зависит от толщины стенки керамического тигля. Для обеспечения высокого электрического КПД изоляция должна быть как можно тоньше. С другой стороны, футеровка должна быть доста­точно толстой для того, чтобы противостоять термическим напряжениям и

движению металла. Следовательно, следует искать компромисс между электрическими и прочностными критериями.

Важными характеристиками индукционной плавки в ИТП являются движение расплава и мениск как результат воздействия электромагнитных сил. Движение расплава обеспечивает как равномерное распределение температуры, так и однородный химический состав. Эффект перемешива­ния у поверхности расплава снижает потери материала во время дозагруз - ки малоразмерной шихты и добавок. Несмотря на использование дешевого материала воспроизводство расплава постоянного состава обеспечивает высокое качество литья.

В зависимости от размеров, рода расплавляемого материала и облас­ти применения ИТП работают на промышленной частоте (50 Гц) или сред-

современных электротехнологий

них частотах до 1000 Гц. Последние приобретают все более важное значе­ние благодаря высокой эффективности при плавке чугуна и алюминия. По­скольку движение расплава при постоянной мощности ослабляется с по­вышением частоты, на более высоких частотах становятся доступными бо­лее высокие удельные мощности и, как следствие, большая производи­тельность. Вследствие более высокой мощности сокращается время плав­ки, что ведет к повышению КПД процесса (по сравнению с печами, рабо­тающими на промышленной частоте). С учетом других технологических преимуществ, таких как гибкость при смене выплавляемых материалов, среднечастотные ИТП разработаны как мощные плавильные установки, доминирующие в настоящее время в чугунолитейном производстве. Со­временные мощные среднечастотные ИТП для плавки чугуна имеют ем­кость до 12 т и мощность до 10 МВт. ИТП промышленной частоты разра­батываются для больших емкостей, чем среднечастотные, до 150 т для плавки чугуна. Интенсивное перемешивание ванны имеет особое значение при выплавке однородных сплавов, например латуни, поэтому в этой об­ласти широко используются ИТП промышленной частоты. Наряду с при­менением тигельных печей для плавки в настоящее время их используют также для выдержки жидкого металла перед разливкой.

В соответствии с энергетическим балансом ИТП (рис. 7.23) уровень электрического КПД почти для всех типов печей составляет около 0,8. Приблизительно 20 % исходной энергии теряется в индукторе в виде Джо - улева тепла. Отношение тепловых потерь через стенки тигля к индуктиро­ванной в расплаве электрической энергии достигает 10 %, поэтому полный КПД печи составляет около 0,7.

Вторым широко распространенным типом индукционных печей яв­ляются ИКП. Они применяются для литья, выдержки и, особенно, плавки в черной и цветной металлургии. ИКП в общем случае состоит из керамиче­ской ванны и одной или нескольких индукционных единиц (рис. 7.24). В

принципе, индукционная единица может быть представлена как трансфор-

Принцип действия ИКП требует наличия постоянно замкнутого вто­ричного витка, поэтому эти печи работают с жидким остатком расплава. Полезное тепло генерируется главным образом в канале, имеющем малое сечение. Циркуляция расплава под действием электромагнитных и терми­ческих сил обеспечивает достаточный перенос тепла в основную массу расплава, находящуюся в ванне. До настоящего времени ИКП проектиро­вались на промышленную частоту, однако исследовательские работы про­водятся и для более высоких частот. Благодаря компактной конструкции печи и очень хорошей электромагнитной связи ее электрический КПД дос­тигает 95%, а общий КПД - 80 % и даже 90 % в зависимости от расплав­ляемого материала.

В соответствии с технологическими условиями в разных областях применения ИКП требуются различные конструкции индукционных кана­лов. Одноканальные печи используются в основном для выдержки и литья,

современных электротехнологий

реже плавки стали при установленных мощностях до 3 МВт. Для плавки и выдержки цветных металлов предпочтительнее двухканальные конструк­ции, обеспечивающие лучшее использование энергии. В установках для плавки алюминия каналы выполняются прямыми для удобства очистки.

Производство алюминия, меди, латуни и их сплавов является основ­ной областью применения ИКП. Сегодня наиболее мощные ИКП емкостью

до 70 т и мощностью до 3 МВт используются для плавки алюминия. Наря­ду с высоким электрическим КПД в производстве алюминия очень важны низкие потери расплава, что и предопределяет выбор ИКП.

Перспективными применениями технологии индукционной плавки являются производство высокочистых металлов, таких как титан и его сплавы, в индукционных печах с холодным тиглем и плавка керамики, на­пример силиката циркония и оксида циркония.

При плавке в индукционных печах ярко проявляются преимущества индукционного нагрева, такие как высокая плотность энергии и произво­дительность, гомогенизация расплава благодаря перемешиванию, точный

современных электротехнологий

энергетический и температурный контроль, а также простота автоматиче­ского управления процессом, легкость ручного управления и большая гиб­кость. Высокие электрический и тепловой КПД в сочетании с низкими по­терями расплава и, следовательно, экономией сырья обусловливают низ­кий удельный расход энергии и экологическую конкурентоспособность.

Превосходство индукционных плавильных устройств над топливны­ми непрерывно возрастает благодаря практическим исследованиям, под­крепленным численными методами решения электромагнитной и гидроди­намической задач. В качестве примера можно отметить внутреннее покры­тие медными полосами стального кожуха ИКП для плавки меди. Умень­шение потерь от вихревых токов повысило КПД печи на 8 %, и он достиг 92 %.

Дальнейшее улучшение экономических показателей индукционной плавки возможно за счет применения современных технологий управле­ния, таких как тандем или управление двойным питанием. Две ИТП тан­дема имеют один источник питания, и пока в одной идет плавка, в другой расплавленный металл выдерживается для разливки. Переключение источ­ника питания с одной печи на другую повышает коэффициент его исполь­зования. Дальнейшим развитием этого принципа является управление двойным питанием (рис. 7.25), которое обеспечивает продолжительную одновременную работу печей без переключения с помощью специальной автоматики управления процессом. Следует также отметить, что неотъем­лемой частью экономики плавки является компенсация общей реактивной мощности.

В заключение для демонстрации преимуществ энерго - и материалос­берегающей индукционной технологии можно сравнить топливный и элек­тротермический способы плавки алюминия. Рис. 7.26 показывает значи­тельное снижение энергопотребления на тонну алюминия при плавке в

Глава 7. Энергосберегающие возможности современных электротехнологий

□ потери металла; Щ плавление

современных электротехнологий

индукционной канальной печи емкостью 50 т. Потребляемая конечная энергия уменьшается примерно на 60 %, а первичная на 20 %. Наряду с этим значительно сокращается выброс СО2. (Все расчеты основываются на типичных для Германии коэффициентах преобразования энергии и выде­ления СО2 при работе смешанных электростанций). Полученные результа­ты подчеркивают особое влияние потерь металла при плавке, связанных с его окислением. Их компенсация требует большого дополнительного рас­хода энергии. Примечательно, что в производстве меди потери металла при плавке также велики и должны учитываться при выборе той или иной технологии плавки.

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 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

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

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.

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

Свернуть

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

Принцип работы

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

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

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

Устройство

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Расчет мощности

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

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

В качестве исходных данных нужно знать:

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

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

Полезная мощность, которая передается жидкому металлу:

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

Активная мощность:

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

На заключительном этапе рассчитывается мощность индуктора:

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

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

Виды и подвиды

Индукционные печи делятся на два основных вида:

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

Индукционные печи своими руками

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

Агрегат из высокочастотного генератора

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

Для создания печи потребуется:

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

В качестве инструмента используется паяльник и плоскогубцы.

Приведем схему для индукционной печи:

Индукционные портативные плавильные печи такого плана создаются в следующей последовательности:

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

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

Конструкция с графитовыми щетками

Такая печь используется для выплавки любого металла и сплавов.

Для создания устройства необходимо заготовить:

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

Технология сборки конструкции заключается в следующем:

Прибор с нихромовой спиралью

Такой прибор используется для выплавки больших объемов металла.

В качестве расходных материалов для обустройства самодельной печи используется:

• нихром;
• асбестовая нить;
• кусок керамической трубы.

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

Создание такой печи проводится в следующей последовательности:

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

Цены на готовые индукционные печи

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

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

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

Вывод

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

←Предыдущая статья Следующая статья →