В металлургической промышленности широко применяются индукционные печи. Такие печи нередко изготавливают самостоятельно. Для этого необходимо знать их принцип работы и конструктивные особенности. Принцип работы таких печей был известен еще два столетия назад.

Индукционные печи способны решать следующие задачи:

• Плавка металла.
• Термообработка металлических деталей.
• Очистка драгоценных металлов.

Такие функции имеются в промышленных печах. Для бытовых условий и обогрева помещения существуют печи специальной конструкции.

Принцип действия

Работа индукционной печи заключается в нагревании материалов путем использования свойств вихревых токов. Чтобы создать такие токи применяется специальный индуктор, который состоит из катушки индуктивности с несколькими витками провода большого поперечного сечения.

К индуктору подводится сеть питания переменного тока. В индукторе переменный ток создает магнитное поле, которое меняется с частотой сети, и пронизывает внутреннее пространство индуктора. При помещении какого-либо материала в это пространство, в нем возникают вихревые токи, осуществляющие его нагревание.

Вода в работающем индукторе нагревается и кипит, а металл начинает плавиться при достижении соответствующей температуры. Условно можно разделить индукционные печи на типы:

• Печи с магнитопроводом.
• Без магнитопровода.

Первый тип печей содержит индуктор, заключенный в металл, что создает особый эффект, повышающий плотность магнитного поля, поэтому нагревание осуществляется качественно и быстро. В печах без магнитопровода индуктор находится снаружи.

Виды и особенности печей

Индукционные печи можно разделить на виды, которые обладают своими особенностями работы и отличительными признаками. Одни служат для работ в промышленности, другие применяются в быту, для приготовления пищи.

Вакуумные индукционные печи

Такая печь предназначена для плавки и литья сплавов индукционным методом. Она состоит из герметичной камеры, в которой расположена тигельная индукционная печь с литейной формой.

В вакууме можно обеспечить совершенные металлургические процессы, получать качественные отливки. В настоящее время вакуумное производство перешло на новые технологические процессы из непрерывных цепочек в вакуумной среде, которая дает возможность создавать новые изделия, и уменьшать издержки производства.

Достоинства вакуумной плавки

• Жидкий металл можно выдерживать в вакууме длительное время.
• Повышенная дегазация металлов.
• В процессе плавки можно производить дозагрузку печи и воздействовать на процесс рафинирования и раскисления в любое время.
• Возможность постоянного контроля и регулировки температуры сплава и его химического состава во время работы.
• Высокая чистота отливок.
• Быстрый нагрев и скорость плавки.
• Повышенная гомогенность сплава из-за качественного перемешивания.
• Любая форма сырья.
• Экологическая чистота и экономичность.

Принцип действия вакуумной печи состоит в том, что в тигле, находящемся в вакууме с помощью индуктора высокой частоты плавят твердую шихту и очищают жидкий металл. Вакуум создается путем откачки воздуха насосами. При вакуумной плавке достигается большое снижение водорода и азота.

Канальные индукционные печи

Печи с электромагнитным сердечником (канальные) широко применяются в литейном производстве для цветных и черных металлов в качестве раздаточных печей, миксеров.

1 — Ванна
2 — Канал
3 — Магнитопровод
4 — Первичная катушка

Переменный магнитный поток проходит по магнитопроводу, контуру канала в виде кольца из жидкого металла. В кольце возбуждается электрический ток, который разогревает жидкий металл. Магнитный поток образуется первичной обмоткой, работающей от переменного тока.

Чтобы усилить магнитный поток, используется замкнутый магнитопровод, который выполнен из трансформаторной стали. Пространство печи соединяется двумя отверстиями с каналом, поэтому при наполнении печи жидким металлом создается замкнутый контур. Печь не сможет работать без замкнутого контура. В таких случаях сопротивление контура большое, и в нем течет малый ток, который назвали током холостого хода.

Вследствие перегрева металла и действия магнитного поля, которое стремится вытолкнуть металл из канала, жидкий металл в канале постоянно движется. Так как металл в канале нагрет выше, чем в ванне печи, то металл постоянно поднимается в ванну, из которой поступает металл с меньшей температурой.

Если металл слить ниже допустимой нормы, то жидкий металл будет выбрасываться из канала электродинамической силой. В итоге произойдет самопроизвольное выключение печи и разрыв электрического контура. Чтобы избежать таких случаев печи оставляют некоторое количество металла в жидком виде. Его называют болотом.

Канальные печи разделяют на:

• Плавильные печи.
• Миксеры.
• Раздаточные печи.

Чтобы накопить некоторое количество жидкого металла, усреднения химического состава его и выдержки, используют миксеры. Объем миксера рассчитывают равным не ниже двукратной часовой выработки печи.

Канальные печи разделяют на классы по расположению каналов:

• Вертикальные.
• Горизонтальные.

По форме рабочей камеры:

• Барабанные индукционные печи.
• Цилиндрические индукционные печи.

Барабанная печь выполнена в виде стального сварного цилиндра с двумя стенками на торцах. Для поворота печи применяются приводные ролики. Чтобы повернуть печь, необходимо включить привод электродвигателя с двумя скоростями и цепной передачей. Двигатель имеет пластинчатые тормоза.

На торцевых стенках есть сифон для заливки металла. Для загрузки присадок и снятия шлаков имеются отверстия. Также для выдачи металла имеется канал. Канальный блок состоит из индуктора печи с V-образными каналами, сделанными в футеровке при помощи шаблонов. При первой же плавки эти шаблоны расплавляются. Обмотка и сердечник охлаждаются воздухом, корпус блока охлаждается водой.

Если канальная печь имеет другую форму, то выдача металла осуществляется с помощью наклона ванны гидроцилиндрами. Иногда металл выдавливают избыточным давлением газа.

Достоинства канальных печей

• Малый расход электроэнергии вследствие малых потерь тепла ванны.
• Повышенный электрический КПД индуктора.
• Малая стоимость.

Недостатки канальных печей

• Сложность регулировки химического состава металла, так как наличие оставленного жидкого металла в печи создает трудности при переходе от одного состава к другому.
• Малая скорость движения металла в печи уменьшает возможности технологии плавки.

Конструктивные особенности

Каркас печи изготавливается из листовой стали с низким содержанием углерода толщиной от 30 до 70 мм. Внизу каркаса есть окна с присоединенными индукторами. Индуктор выполнен в виде стального корпуса, первичной катушки, магнитопровода и футеровки. Его корпус сделан разъемным, а части изолированы между собой прокладками для того, чтобы части корпуса не создавали замкнутый контур. В противном случае будет создаваться вихревой ток.

Магнитопровод выполнен из пластин специальной электротехнической стали 0,5 мм. Пластины изолированы между собой для снижения потерь от вихревых токов.

Катушка изготавливается из медного проводника сечением, зависящим от тока нагрузки и метода охлаждения. При воздушном охлаждении допустимый ток 4 ампера на мм 2 , при охлаждении водой допустимый ток 20 ампер на мм 2 . Между футеровкой и катушкой монтируют экран, который охлаждается водой. Экран изготовлен из магнитной стали или меди. Для отведения тепла от катушки монтируют вентилятор. Чтобы получить точные размеры канала, применяют шаблон. Он выполнен в виде полой стальной отливки. Шаблон ставится в индуктор до того момента, пока не будет заполнения огнеупорной массой. Он находится в индукторе при разогреве и сушке футеровки.

Для футеровки применяют огнеупорные массы влажного и сухого вида. Влажные массы используют в виде набивных или заливных материалов. Заливные бетоны используют при сложной форме индуктора, если нельзя уплотнить массу по всему объему индуктора.

Такой массой наполняют индуктор и уплотняют вибраторами. Сухие массы уплотняют вибраторами высокой частоты, набивные массы уплотняют пневматическими трамбовками. Если в печи будет выплавляться чугун, то футеровку выполняют из оксида магния. Качество футеровки определяется по температуре охлаждающей воды. Наиболее эффективным методом проверки футеровки является проверка по значению индуктивного и активного сопротивления. Эти измерения проводятся с помощью контрольных приборов.

В электрооборудование печи входит:

• Трансформатор.
• Батарея конденсаторов для компенсации потерь электрической энергии.
• Дроссель для подсоединения 1-фазного индуктора к 3-фазной сети.
• Щиты управления.
• Кабели питания.

Чтобы печь нормально функционировала, к питанию подключают на 10 киловольт, который имеет на вторичной обмотке 10 ступеней напряжения для регулировки мощности печи.

Набивочные материалы футеровки содержат:

• 48% сухого кварца.
• 1,8% кислоты борной, просеянной через мелкое сито с ячейками 0,5 мм.

Массу для футеровки готовят в сухом виде с помощью смесителя, и последующей просевкой через сито. Приготовленная смесь не должна храниться более 15 часов после подготовки.

Футеровку тигля производят с помощью уплотнения вибраторами. Электрические вибраторы используются для футеровки больших печей. Вибраторы погружают в пространство шаблона и производят уплотнение массы через стенки. При уплотнении вибратор передвигают краном и вертикально вращают.

Тигельные индукционные печи

Основными компонентами тигельной печи являются индуктор и генератор. Для изготовления индуктора используется медная трубка в виде намотанных 8-10 витков. Формы индукторов могут выполняться различных видов.

Этот вид печи наиболее распространенный. В конструкции печи нет сердечника. Распространенная форма печи представляет собой цилиндр из огнестойкого материала. Тигель находится в полости индуктора. К нему подводится питание переменного тока.

Преимущества тигельных печей

• Энергия выделяется при загрузке материала в печь, поэтому вспомогательные нагревательные элементы не нужны.
• Достигается высокая однородность многокомпонентных сплавов.
• В печи можно создать реакцию восстановления, окисления, независимо от величины давления.
• Высокая производительность печей из-за повышенной удельной мощности на любых частотах.
• Перерывы в плавке металла не влияют на эффективность работы, так как для разогрева не требуется много электроэнергии.
• Возможность любых настроек и простая эксплуатация с возможностью автоматизации.
• Нет местных перегревов, температура выравнивается по всему объему ванны.
• Быстрое плавление, позволяющее создать качественные сплавы с хорошей однородностью.
• Экологическая безопасность. Внешняя среда не подвергается никакому вредному воздействию печи. Плавка также не оказывает вреда природе.

Недостатки тигельных печей

• Малая температура шлаков, применяющихся для обработки зеркала расплава.
• Малая стойкость футеровки при резких температурных перепадах.

Несмотря на имеющиеся недостатки, тигельные индукционные печи получили большую популярность на производстве и в других областях.

Индукционные печи для отопления помещения

Чаще всего такая печь устанавливается в помещении кухни. В ее конструкции основной частью является сварочный инвертор. Конструкция печи обычно совмещается с водонагревательным котлом, который дает возможность для отопления всех помещений в здании. Также есть возможность подключения подачи горячей воды в здание.

Эффективность работы такого устройства небольшая, однако, нередко такое оборудование все-таки применяется для отопления дома.

Конструкция нагревающей части индукционного котла подобна трансформатору. Наружный контур – это обмотки своеобразного трансформатора, которые подключаются к сети. Второй контур внутренний – это устройство обмена теплом. В нем происходит циркуляция теплоносителя. При подключении питания катушка создает переменное . В итоге внутри теплообменника индуцируются токи, которые осуществляют его нагревание. Металл нагревает теплоноситель, который обычно состоит из воды.

На таком же принципе основана работа бытовых индукционных плит, в которых в качестве вторичного контура выступает посуда из специального материала. Такая плита намного экономичнее обычных плит из-за отсутствия тепловых потерь.

Водонагреватель котла оснащен устройствами управления, которые дают возможность поддержания температуры теплоносителя на определенном уровне.

Отопление электроэнергией является дорогим удовольствием. Оно не может создать конкуренцию с твердым топливом и газом, дизельным топливом и сжиженным газом. Одним из методов снижения расходов является установка теплоаккумулятора, а также подключение котла в ночное время, так как ночью чаще всего действует льготное начисление за электричество.

Для того, чтобы принять решение об установке индукционного котла для дома, необходимо получить консультацию у профессиональных специалистов по теплотехнике. У индукционного котла практически нет преимуществ перед обычным котлом. Недостатком является высокая стоимость оборудования. Обычные котел с ТЭНами продается уже готовым к установке, а индукционный нагреватель требует дополнительного оборудования и настройки. Поэтому, прежде чем приобрести такой индукционный котел, необходимо произвести тщательный экономический расчет и планировку.

Футеровка индукционных печей

Процесс футеровки необходим для обеспечения защиты корпуса печи от воздействия повышенных температур. Она дает возможность значительно сократить потери тепла, увеличить эффективность плавки металла или нагрева материала.

Для футеровки применяют кварцит, являющийся модификацией кремнезема. К материалам для футеровки предъявляются некоторые требования.

Такой материал должен обеспечить 3 зоны состояний материала:

• Монолитная.
• Буферная.
• Промежуточная.

Только наличие трех слоев в покрытии способно защитить кожух печи. На футеровку отрицательно влияет неправильная укладка материала, плохое качество материала и тяжелые условия работы печи.

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.

Определите необходимый размер вашей печи. Для литья небольших предметов весом менее 1-2 килограмм, таких как ручная печать и т.п., достаточно будет 30-сантиметровой (12 дюймов) плавильной камеры с тиглем вместимостью 1 литр.

Подберите материалы, которые выдержат температуры, создаваемые в вашей печи. В нашем примере в качестве топлива мы используем древесный уголь, поскольку он доступен и недорог. Температура его горения (теплотворность) в потоке воздуха составляет около 1250 градусов Цельсия. В то же время температура горения каменного угля в воздушном потоке превышает 1650 градусов Цельсия, так что древесный уголь более пригоден в качестве топлива для плавильной печи, собранной из легко доступных конструкционных материалов - ведь в пламени каменного угля, обдуваемого воздухом, расплавится даже сталь. Мы используем для изготовления плавильной камеры листовую оцинкованную сталь 14-го калибра.

Сделайте из вашего материала два цилиндра. На рисунке изображены цилиндры высотой около 30 сантиметров (12 дюймов), свернутые из листового материала, хотя алюминий вполне можно расплавить и в банках из-под краски или металлических ведрах для мусора. Но такие ненадежные емкости придут в негодность после нескольких плавок, поэтому лучше, приложив небольшие усилия, сделать более надежную емкость, которая выдержит запланированное вами число плавок.

• Внутренний цилиндр должен быть достаточно большим, чтобы вместить ваш плавильный тигель, оставив при этом место для топлива вокруг тигля; также он должен быть достаточно глубоким, чтобы вы смогли накрыть этот цилиндр вместе с тиглем крышкой, как будет описано ниже. Для тигля диаметром 20 сантиметров (8 дюймов) понадобится камера диаметром 36 сантиметров (14 дюймов), а если глубина тигля также составляет 20 сантиметров (8 дюймов), то высота камеры должна быть не менее 30 сантиметров (12 дюймов).
• Внешняя стенка камеры (больший цилиндр) предназначена для обеспечения дополнительной безопасности в случае расплавления внутренней стенки, а также для лучшей теплоизоляции внутренней камеры. Внешняя камера должна быть больше в диаметре на 10 см (4 дюйма), и по крайней мере на 5-10 см (несколько дюймов) выше, чем внутренняя. Согласно приведенной выше схеме, диаметр внешнего цилиндра составляет 41 см (16 дюймов), а его высота - 41-46 см (16-18 дюймов).