Индукторы для плавильных печей. Как своими руками собрать индукционную печь для плавки металла в домашних условиях. Особенности конструкции индукционных термопечей

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок - так можно добиться их максимальной эффективности.

Плавка металла методом индукции широко применяется в различных 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 происходит за счет внутреннего нагрева и изменения кристаллической решетки металла при прохождении через нее 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 жаропрочного материала, обычно съемный.

Канальная печь слишком габаритная и рассчитана на промышленные объемы плавки металлов. Ее используют при выплавке чугуна, алюминия и других цветных металлов. Тигельная печь достаточно компактная, ей пользуются ювелиры, радиолюбители, такую печь можно собрать своими руками и применять в домашних условиях.

устройство
Самодельная печь для плавки металлов имеет достаточно простую конструкцию и состоит из трех основных блоков, помещенных в общий корпус:
генератор переменного тока высокой частоты;
индуктор — спиралевидная обмотка из медной проволоки или трубки, выполненная своими руками;
тигель.

Тигель помещают в индуктор, концы обмотки подключают к источнику тока. При протекании тока по обмотке вокруг нее возникает электромагнитное поле с изменяемым вектором. В магнитном поле возникают вихревые токи, направленные перпендикулярно его вектора и проходят по замкнутому контуру внутри обмотки. Они проходят через металл, положенный в тигеле, при этом нагревая его до температуры плавления.

Индукционная печь и ее преимущества:

Быстрый и равномерный нагрев металла сразу после включения установки;
направленность нагрева — греется только металл, а не вся установка;
высокая скорость плавления и однородность расплава;
отсутствует испарение легирующих компонентов металла;
установка экологически чистая и безопасная.

В качестве генератора индукционной печи для плавки металла может быть использован сварочный инвертор. Также можно собрать генератор по представленным ниже схемам своими руками.

Печь для плавки металла на сварочном инверторе
Эта конструкция отличается простотой и безопасностью, так как все инверторы оборудованы внутренними защитами от перегрузок. Вся сборка печи в этом случае сводится к изготовлению своими руками индуктора. Выполняют его обычно в форме спирали из медной тонкостенной трубки диаметром 8-10 мм. Ее сгибают по шаблону нужного диаметра, располагая витки на расстоянии 5-8 мм. Количество витков — от 7 до 12 в зависимости от диаметра и характеристик инвертора. Общее сопротивление индуктора должно быть таким, чтобы не вызвать перегрузки по току в инверторе, иначе он будет отключаться внутренней защитой. Индуктор можно закрепить в корпусе из графита или текстолита и установить внутрь тигель. Можно просто поставить индуктор на термостойкую поверхность. Корпус не должен проводить ток, иначе замыкания вихревых токов будет проходить через него, и мощность установки снизится. По этой же причине не рекомендуется располагать в зоне плавления посторонние предметы. При работе от сварочного инвертора его корпус нужно обязательно заземлить! Розетка и проводка должны быть рассчитаны на потребляемый инвертором ток.

Индукционная печь на транзисторах: схема

Существует множество различных способов собрать индукционный нагреватель своими руками.
Чтобы собрать установку своими руками, понадобятся следующие детали и материалы:
два полевых транзистора типа IRFZ44V;
два диода UF4007 (можно также использовать UF4001)
резистор 470 Ом, 1 Вт (можно взять два последовательно соединенных по 0,5 Вт)
пленочные конденсаторы на 250 В: 3 штуки емкостью 1 мкФ; 4 штуки — 220 нФ; 1 штука — 470 нФ; 1 штука — 330 нФ;
медные обмоточные провода в эмалевой изоляции Ø1,2 мм;
медные обмоточные провода в эмалевой изоляции Ø2 мм;
два кольца от дросселей, снятых с компьютерного блока питания.

* Полевые транзисторы устанавливают на радиаторы. Поскольку схема в процессе работы сильно греется, радиаторы должны быть достаточно большими. Можно установить их и на один радиатор, но тогда нужно изолировать транзисторы от металла с помощью прокладок и шайб из резины и пластика.
* Необходимо изготовить два дросселя. Для их изготовления нужна медная проволока диаметром 1,2 мм, ее наматывают на кольца, снятые с блока питания любого компьютера. Эти кольца состоят из порошкового ферромагнитного железа. На них необходимо намотать от 7 до 15 витков провода, пытаясь выдерживать расстояние между витками.
* Собирают вышеперечисленные конденсаторы в батарею общей емкостью 4,7 мкФ. Соединение конденсаторов — параллельное.
* Выполняют обмотку индуктора из медной проволоки диаметром 2 мм. Наматывают на подходящий по диаметру тигля цилиндрический предмет 7-8 витков обмотки, оставляют достаточно длинные концы для подключения к схеме.
* Соединяют элементы на плате согласно схеме. В качестве источника питания используют аккумулятор на 12 В, 7,2 A / h. Ток в режиме работы — около 10 А, емкости аккумулятора в этом случае хватит примерно на 40 минут. При необходимости производят корпус печи из термостойкого материала, например, текстолита. Мощность устройства можно изменить, поменяв количество витков обмотки индуктора и их диаметр.

При длительной работе элементы нагревателя могут перегреваться! Для их охлаждения можно использовать вентилятор.

Индукционная печь на лампах

Более мощную индукционную печь для плавки металлов можно собрать своими руками на электронных лампах. Для генерации высокочастотного тока используются 4 лучевые лампы, соединенные параллельно. Как индуктор используется медная трубка диаметром 10 мм. Установка оснащена подстроечным конденсатором для регулирования мощности. Представляется частота — 27,12 МГц.

Для составления схемы необходимы:
4 электронные лампы — тетрода, можно использовать 6L6, 6П3 или Г807;
4 дросселя на 100 … 1000 мкГн;
4 конденсатора на 0,01 мкФ;
неоновая лампа-индикатор;
подстроечный конденсатор.

Сборка устройства своими руками:
1. Из медной трубки выполняют индуктор, сгибая ее в форме спирали. Диаметр витков — 8-15 см, расстояние между витками не менее 5 мм. Концы лудят. Диаметр индуктора должен быть больше диаметра размещающегося внутри тигля на 10 мм.
2. Размещают индуктор в корпусе. Его можно изготовить из термостойкого не проводящего ток материала, либо из металла, предусмотрев термо- и электроизоляцию от элементов схемы.
3. Собирают каскады ламп по схеме с конденсаторами и дросселями. Каскады соединяют в параллель.
4. Подключают неоновую лампу-индикатор — она будет сигнализировать о готовности схемы к работе. Лампу выводят на корпус установки.
5. В схему включают подстроечный конденсатор переменной емкости, его ручку также выводят на корпус.

Индукционная печь — охлаждение схемы

Промышленные плавильные установки оснащены системой принудительного охлаждения водой или антифризом. Выполнение водяного охлаждения в домашних условиях потребует дополнительных расходов, 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. Элементы электронной и ламповой схемы также способны активно нагреваться. Для их охлаждения предусматриваются теплоотводящие радиаторы.

Меры безопасности при работе
Основная опасность при работе с самодельной установкой — опасность получения ожогов от нагревательных элементов установки и расплавленного металла.
Ламповая схема включает элементы с высоким напряжением, поэтому ее нужно разместить в закрытом корпусе, исключив случайное прикосновение к элементам.
Электромагнитное поле способно влиять на предметы, находящиеся вне корпуса прибора. Поэтому перед работой лучше надеть одежду без металлических элементов, убрать из зоны действия сложные устройства: телефоны, цифровые камеры.

Индукционная печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формировании. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, изменяя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок — так можно добиться их максимальной эффективности.

Индукционная печь часто используется в сфере металлургии, поэтому данное понятие хорошо знакомо людям, которые в той или иной степени связаны с процессом плавки различных металлов. Устройство позволяет преобразовывать электричество, образованное магнитным полем, в тепло.

Подобные устройства продаются в магазинах по довольно высокой цене, но если вы обладаете минимальными навыками использования паяльника и умеете читать электронные схемы, то можно попробовать изготовить индукционную печь своими руками.

Самодельное устройство вряд ли подойдёт для выполнения сложных задач, но вполне справится с базовыми функциями. Собрать устройство можно на основе рабочего сварочного инвертора из транзисторов, либо на лампах. Самым производительным при этом является именно устройство на лампах за счёт высокого КПД.

Принцип работы индукционной печи

Нагревание металла, помещённого внутрь устройства, происходит путём перехода электромагнитных импульсов в энергию тепла. Электромагнитные импульсы вырабатываются катушкой с витками из медной проволоки или трубы.

Схема индукционной печи и схемы проведения нагрева

При подключении устройства через катушку начинает проходить электрический ток, а вокруг появляется электрическое поле со временем меняющее своё направление. Впервые работоспособность такой установки была описана Джеймсом Максвеллом.

Объект, который нужно нагреть, необходимо поместить внутрь катушки или недалеко от неё. Целевой предмет будет пронизываться потоком магнитной индукции, а внутри появится магнитное поле вихревого типа. Таким образом, индукционная энергия перейдёт в тепловую.

Разновидности

Печи на индукционной катушке, принято подразделять на два вида в зависимости от типа конструкции:

• Канальные;
• Тигельные.

В первых устройствах металл для расплавки находится перед индукционной катушкой, а в печах второго типа помещается внутри неё.

Собрать печь можно, соблюдая следующие шаги:

1. Медную трубу сгибаем в виде спирали. Всего необходимо сделать около 15 витков, расстояние между которыми должно быть не меньше 5 мм. Внутри спирали должен свободно располагаться тигель, где и будет происходить процесс выплавки;
2. Изготавливаем надёжный корпус для устройства, который не должен проводить электрический ток, и обязан выдерживать высокие температуры воздуха;
3. Дросселя и конденсаторы собираются по обозначенной выше схеме;
4. К схеме подключается неоновая лампа, которая будет сигнализировать о том, что устройство готово к работе;
5. Также припаивается конденсатор для подстройки ёмкости.

Использование для обогрева

Индукционные печи подобного вида могут использоваться и для обогрева помещения. Чаще всего их используют вместе с котлом, который дополнительно производит нагрев холодной воды. На деле конструкции применяются крайне редко из-за того, что в результате потерь электромагнитной энергии КПД устройства минимален.

Ещё один недостаток основан на потреблении устройством больших объёмов электроэнергии в процессе работы, потому устройство относится к категории экономически невыгодных.

Охлаждение системы

Устройство, собранное самостоятельно, необходимо оборудовать системой охлаждения, так как при работе все составные части будут находиться под воздействием высоких температур, конструкция может перегреться и сломаться. В печах, продающихся в магазине, охлаждение производится водой или антифризом.

При выборе охладителя для дома предпочтение отдаётся вариантам, которые наиболее выгодны для реализации с экономической точки зрения.

Для домашних печей можно попробовать использовать обычный лопастной вентилятор. Обращайте внимание на то, что устройство не должно стоять слишком близко к печи, так как металлические детали вентилятора негативно воздействуют на работоспособность устройства, а также способны размыкать вихревые потоки и снижать производительность всей системы.

Меры предосторожности при использовании устройства

Работая с устройством следует придерживаться следующих правил:

• Некоторые элементы установки, а также металл, который плавится, подвергаются сильному нагреву, в результате чего существует риск получить ожог;
• При использовании ламповой печи, обязательно размещайте её в закрытом корпусе, иначе велика вероятность поражения электрическим током;
• Перед работой с устройством уберите из зоны работы прибора все металлические элементы и сложные электронные приборы. Использовать устройство не стоит людям, у которых установлен кардиостимулятор.

Печь для плавки металлов индукционного типа может применяться при лужении и формовке металлических деталей.

Самодельную установку легко подогнать под работу в конкретных условиях, меняя некоторые настройки. Если придерживаться указанных схем при сборе конструкции, а также соблюдать элементарные правила безопасности, самодельное устройство практически не будет уступать магазинным бытовым приборам.

Самым совершенным видом нагрева является такой, при котором тепло создается непосредственно в нагреваемом теле. Такой способ нагрева очень хорошо осуществляется пропусканием через тело электрического тока. Однако, прямое - включение нагреваемого тела в электрическую цепь не всегда возможно по причинам технического и практического характера.

В этих случаях совершенный вид нагрева может быть осуществлен применением индукционного нагрева, при котором тепло также создается в самом нагреваемом теле, что исключает излишний, обычно большой, расход энергий в стенках печи или в других нагревающих элементах. Поэтому, несмотря на сравнительно невысокий к. п. д. генерирования токов повышенной и высокой частоты, общий к. п. д. индукционного нагрева оказываётся часто выше, чем .

Индукционный способ позволяет также осуществлять быстрый нагрев неметаллических тел равномерно по всей их толщине. Плохая теплопроводность таких тел исключает возможность быстрого нагрева их внутренних слоев обычным способом, т. е. подводом тепла извне. При индукционном способе тепло образуется одинаково как в наружных слоях, так и во внутренних и может даже возникнуть опасность перегрева последних, если не сделать необходимой теплоизоляции наружных слоев.

Особо ценным свойством индукционного нагрева является возможность весьма высокой концентрации энергии в нагреваемом теле, легко поддающейся точной дозировке. Только можно получить тот же порядок плотности энергии, однако, этот способ нагрева трудно поддается контролю.

Особенности и общеизвестные преимущества индукционного нагрева создали широкие возможности применения его во многих отраслях промышленности. Кроме того, он позволяет создавать новые виды конструкций, которые вовсе не осуществимы пои обычных способах термообработки.

Физический процесс

В индукционных печах и устройствах тепло в электропроводном нагреваемом теле выделяется токами, индуктированными в нем переменным электромагнитным полем. Таким образом, здесь осуществляется прямой нагрев.

Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах: и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в , которое возбуждает в них вихревое . ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту . Эта ЭДС создает в металле , тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

Интенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами - индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания - генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.

Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты - изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее . Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).

Индукционный нагрев и закалка металлов

Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает , которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой электромагнитной волны (плоская, цилиндрическая и т. д.) к форме тела. Поэтому для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания .

Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела.

Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты).

Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.

Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов.

Косвенный индукционный нагрев применяют для обогрева технологического оборудования (трубопроводы, емкости и т. д.), нагрева жидких сред, сушки покрытий, материалов (например, древесины). Важнейший параметр установок индукционного нагрева - частота. Для каждого процесса (поверхностная закалка, сквозной нагрев) существует оптимальный диапазон частот, обеспечивающий наилучшие технологические и экономические показатели. Для индукционного нагрева используют частоты от 50Гц до 5Мгц.

Преимущества индукционного нагрева

1) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.

2) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.

3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.

4) Индукционный нагрев в большинстве случаев позволяет повысить производительность и улучшить условия труда.

Индукционные плавильные печи

Индукционную печь или устройство можно рассматривать как своего рода трансформатор, в котором первичная обмотка (индуктор) подключена к источнику переменного тока, а вторичной обмоткой служит само нагреваемое тело.

Для рабочего процесса индукционных плавильных печей характерно электродинамическое и тепловое движение жидкого металла в ванне или тигле, способствующее получению однородного по составу металла и его равномерной температуры по всему объему, а также малый угар металла (в несколько раз меньше, чем в дуговых печах).

Индукционные плавильные печи применяют при производстве литья, в том числе фасонного, из стали, чугуна, цветных металлов и сплавов.

Индукционные плавильные печи можно разделить на канальные печи промышленной частоты и тигельные печи промышленной, средней и высокой частоты.

Индукционная канальная печь представляет собой трансформатор, обычно промышленной частоты (50 Гц). Вторичной обмоткой трансформатора служит виток из расплавленного металла. Металл заключен в кольцевом канале из огнеупора.

Основной магнитный поток наводит в металле канала ЭДС, ЭДС создает ток, ток нагревает металл, поэтому, индукционная канальная печь подобна трансформатору, работающему в режиме короткого замыкания.

Индукторы канальных печей выполняют из продольной медной трубки, он имеет водяное охлаждение, канальная часть подового камня охлаждается от вентилятора или от централизованной воздушной системы.

Индукционные канальные печи предназначены для непрерывной работы с редкими переходами с одной марки металла на другую. Индукционные канальные печи, в основном применяют для плавки алюминия и его сплавов, а также меди и некоторых ее сплавов. Другие серии печей специализированы как миксеры для выдержки и перегрева жидкого чугуна, цветных металлов и сплавов перед разливкой в литейные формы.

Работа индукционной тигельной печи основана на поглощении электромагнитной энергии проводящей садки. Садка размещена внутри цилиндрической катушки - индуктора. С электрической точки зрения, индукционная тигельная печь представляет собой короткозамкнутый воздушный трансформатор, вторичной обмоткой которого является проводящая садка.

Индукционные тигельные печи используют преимущественно для плавки металлов на фасонное литье при периодическом режиме работы, а также вне зависимости от режима работы - для плавки некоторых сплавов, например бронз, которые пагубно влияют на футеровку канальных печей.