Індукційна тигельна піч: принцип роботи, схема та відгуки

Завдяки появі в сучасному виробництві доступних електронних та ізоляційних компонентів поле застосування індукційного нагріву стає все більш широким. Дана технологія застосовується не тільки в металургії, але і при розробці побутової техніки.

Принцип індукційного нагріву

В основі роботи індукційної печі лежить трансформаторний принцип обміну енергією. Індуктор виготовляється з мідної трубки, яка потім закручується в многовитковую котушку. До первинної ланцюга індуктора підводиться змінний струм, що призводить до формування навколо нього змінного магнітного поля. Під впливом магнітного поля в тілі, розміщеному всередині індуктора, виникає електричне поле, що згодом призводить до процесу нагрівання. Потужність, а відповідно, і тепло, що виділяється індукційної тигельної плавильної піччю, безпосередньо залежать від частоти змінного магнітного поля. Отже, для ефективної експлуатації піч потребує струмах високої частоти.

Застосування індукційних печей

Індукційний нагрів може використовуватися для роботи з будь-яким матеріалом: метал, шлак, газ і т. д. Головна перевага його застосування — безконтактна передача тепла. Також індукційний нагрів дозволяє досягти практично будь-яких швидкостей нагрівання — все залежить від потужності генератора, що живить піч. Теплові втрати при такому нагріванні мінімальні. Максимальна температура, до якої можна розігріти предмет в печі, обмежується тільки стійкістю вогнетривкого матеріалу. Процес безконтактної передачі тепла до нагрівається матеріалу дає можливість проводити нагрівання у вакуумному середовищі.


Згідно відгуками металургів, сфера застосування індукційних печей дещо обмежена у зв'язку з наявними недоліками. До мінусів тигельної печі відносяться:

висока ціна на електрообладнання;

холодні шлаки, ускладнюють рафінувальний процес;

знижена стійкість футеровки під час температурних стрибків між плавками.

Схема тигельної індукційної печі

Індукційна тигельна піч має наступну конструкцію. Головним елементом печі виступає тигель (7), накритий кришкою (1). Тигель розташовується всередині нагрівального індуктора (3), виготовленого у формі многовитковой котушки. Котушка являє собою мідну трубку, всередині якої, з метою охолодження, постійно циркулює вода. Магнітний потік від індуктора проходить по магнитопроводам (4), які виготовлені з спеціальної трансформаторної сталі. Поворотний вузол (2) передбачений для нахилу печі під час розливу розплавленої рідини. Піч встановлена на меллоконструкции (5). Охолодження здійснюється за допомогою шлангів водяного охолодження (6). Для обслуговування печі використовується допоміжна майданчик (8). Також схема тигельної печі включає в себе трансформатор, конденсатори, блок управління і систему відкачування газів. Харчування тигельної електричної печі виробляється струмами з частотою 50 Гц.

Особливості внутрішніх елементів конструкції

Найчастіше індуктор виконується з трубки круглого перерізу. Але бувають ситуації, в яких кругла мідна трубка не застосовна. У певних випадках для конструювання індукційної тигельної печі використовують профільовані елементи, завдяки яким зменшується магнітний потік розсіювання. Трубки індуктора ізолюють між собою склотканиною, просоченої спеціальним лаком. Захищені витки стискуються блоками, виготовлені з діелектричного матеріалу. Індуктор і тигель, розміщений всередині котушки, встановлюється на піддон, виготовлений з вогнетривких цеглин або жаростійкого бетону. У промислових умовах процес виготовлення тигля відбувається прямо в печі. При цьому індуктор в зібраному стані встановлюють на піддон і ізолюють азбестом. Після цього піддон засипається вогнетривким порошком, який ущільнюється за допомогою пневматичної установки. Зазор між встановленим на днище шаблоном і індуктором заповнюється порошками з вогнетривких матеріалів.
Футеровку зони над індуктором забезпечує вогнетривка цегла. Комір і зливний жолоб також футерують вогнетривким цеглою. Робота індукційної тигельної печі відбувається у важких умовах, тому до якості використовуваних жароміцних матеріалів пред'являються підвищені вимоги. На довговічність футеровки впливає склад вогнетривкої маси, режим роботи і застосовувана частота електричного струму. Як правило, тигель витримує до 100 плавок, а потім виходить з ладу.

Конструкція зовнішніх елементів

Каркас плавильної тигельної печі являє собою базу, до якої кріпляться всі її елементи. На великих промислових пристроях каркас має вигляд суцільного кожуха. Всі деталі каркаса повинні мати високу міцність, у зв'язку з впливом на них електромагнітного поля індуктора. Оболонка при певних умовах може нагріватися так само, як і матеріал у печі. Щоб зменшити нагрів, каркас раціонально виготовляти з неелектропровідних матеріалів. Однак, оскільки діелектричні матеріали мають високу ціну, матеріалом для каркаса зазвичай служить сталь. Сталева конструкція розбивається на кілька елементів, які, в свою чергу, ізолюються один від одного. Для зниження електромагнітного поля поблизу каркаса використовуються екрани. Захисний екран встановлюється між індуктором і корпусом печі. Екран має форму циліндра і виконується з алюмінію або міді.
Поворотний вузол - важливий елемент конструкції. Головна вимога до механізму повороту - забезпечення нахилу для повного зливу металу. Механізми повороту можуть використовуватися різні. У печах невеликого об'єму використовується ручна або електрична лебідка. Промислові печі нахиляють з допомогою кран-балки. Печі великого об'єму можуть обладнуватися гідравлічним приводом нахилу. Кришка, якою накривається тигельна піч для плавки, служить для підтримки температури всередині агрегату на більш високому рівні. Однак враховуючи, що накривати піч можна тільки після повного розплавлення шихти, застосування кришки не є обов'язковим.

Виготовлення печі своїми руками

Індукційні печі знайшли широке застосування не тільки в промисловості, але і в побуті. Можна знайти схеми великої кількості саморобних пристроїв, однак частина з них у кращому випадку просто не запрацює, а в гіршому — завдасть шкоди здоров'ю свого творця. Про такі наслідки застерігають багато любителів. У повсякденному житті метод індукційного нагріву застосовується в таких пристроях:

канальна піч для плавки металу;

тигельна індукційна піч — найбільш проста в конструюванні, і в зв'язку з цим найбільш популярна серед ентузіастів, судячи з відгуків;

водогрійний котел, робота якого заснована на методі індукції;

індукційні варильні поверхні, що становлять конкуренцію популярним газових плит.

Канальна піч

Даний тип печей застосовується для отримання чавуну високої якості, а також при плавці дюралю та кольорових спецсплавов. Канальна піч потужністю до 3 кВт виготовляється самостійно з зварювального трансформатора, частота якого відповідає промислової. Така піч дозволяє розплавити болванку бронзи або міді вагою до півкілограма. Канальна піч також дозволяє переплавляти дюраль, тільки обов'язково потрібно враховувати, що за плавкою повинен слідувати процес «старіння». Час цього процесу може становити до 2 тижнів і залежить від складу сплаву. Для виготовлення печі первинну обмотку зварювального трансформатора залишають без змін, а на місце вторинної обмотки поміщають тигель кільцевого типу. Найкращим матеріалом для тигля невеликий канальної печі є электрофарфор. Інші варіанти не підійдуть з-за низької міцності і діелектричних втрат. За відгуками металургів-любителів, проблема полягає в тому, що обробити электрофарфор самостійно не представляється можливим, а знайти відповідний елемент у продажу дуже малоймовірно. Саме через дефіцитного тигля, канальна піч у ентузіастів широкого застосування не знайшла, хоча даний тип печі і має ККД понад 90 %.

Індукційна тигельна піч

Виготовлена своїми руками тигельна піч використовується перш за все при очищенні цінних металів. Наприклад, маючи в наявності радиоразъем, виготовлений в Радянському Союзі, можна добути з його контактів певну кількість золота. Використовуючи зовнішній нагрів, такого результату досягти неможливо. Крім золотодобування, така піч часто використовується з метою рівномірного нагріву металу, що потрібно для якісної загартування. Змінюючи положення деталі в індукторі і корегуючи його потужність, можна досягти заданої температури на конкретній ділянці металу. Важливо, що використання такої печі буде достатньо бюджетних, адже практично всі енергія спрямована на процес нагрівання деталі.

Індукційні котли

Індукційні водонагрівальні котли мають всі шанси в майбутньому витіснити звичайні бойлери. Мінусом такого водонагрівача користувачі вважають високу ціну, але при цьому, систематизуючи численні відгуки, можна виділити кілька переваг:

Надійність. В котлі немає электроспирали, яка є слабкою ланкою звичайного бойлера.

Коефіцієнт корисної дії майже 100 %.

Безпека. Доступ електрики до корпусу котла неможливий завдяки особливостям конструкції.

Пристрій не потребує спеціального заземленні.

Стійкий до стрибка напруги в електричній мережі.

Не утворює накип.

Довговічність. Котел здатний відпрацювати без обслуговування близько 30 років.

Саморобний водогрійний котел

Основою такого водонагрівача служить силовий трансформатор потужністю до 15 кВт, первинна обмотка якого розрахована на напругу 220 В. Відмінно підійде трансформатор від лампового кольорового телевізора. Вторинну обмотку слід зняти, а кількість витків первинної необхідно збільшити. Умільці радять і застерігають: використання такого саморобного пристрою небезпечно, тому трансформатор слід заземлити, а сам прилад підключати через швидкодіючий УЗО.

Індуктор на кухні

Індукційні кухонні варильні поверхні вже не викликають подиву і широко застосовуються в побуті. В основі роботи пристрою лежать ті ж принципи, що і в індукційній печі, з тим лише відмінністю, що вторинну обмотку являє собою металеве дно посуду. Використання таких плит стало можливим завдяки появі у виробництві діелектрика, який, крім виконання завдання ізолювання індуктора, повинен володіти ще міцнісними та гігієнічними характеристиками. Задовольняє всім вимогам матеріал з'явився відносно недавно, і його вартість складає значну частину в загальній ціні плити. Користувачі в один голос стверджують: самостійне виготовлення індукційної плити не має сенсу з двох причин. Перша — приготування страв на такий варильної поверхні вимагає тонкої настройки для кожного типу їжі. Для необхідного коригування всіх електричних параметрів в процесі приготування потрібно мікроконтролер. Друга причина — ціна електронних деталей, з яких складається плита. В сумі всі елементи обійдуться набагато дорожче, ніж вартість вже готового приладу. Індукційна плита має такі позитивні якості:

відсутність, на відміну від мікрохвильових печей, стороннього випромінювання;

можливість програмування плити під свою манеру приготування їжі;

приготування таких страв, як карамель, без перегріву і пригорання;

економічність, завдяки раціональному використанню енергії нагріву.