Печь 1500 градусов своими руками

Расчёт и изготовление муфельной печи. Часть первая — расчёт мощности печи.

Решил все свои расчёты оформить в отдельную статью. Во-первых, может быть кому-то ещё пригодится. Во-вторых — возможно кто-то обратит внимание на очевидные косяки, которые я упустил из виду. Приступим.

Электрическая печь сопротивления — один из самых простых и доступных видов печей для обжига керамики и плавки некоторых металлов. Высокая температура в рабочей камере достигается за счёт нагрева спирали, изготовленной из проволоки с высоким показателем сопротивления и высокой температурой плавления. Традиционно используется для таких печей нихромовая или фехралевая проволока различных марок. Нихром примерно в два раза дороже фехрали, при этом его рабочая температура несколько ниже. В то же время фехраль при высоких температурах становится хрупким и коэффициент температурного расширения у него выше. То есть при нагреве фехралевая спираль может выйти из пазов, и следовательно на это необходимо обратить отдельное внимание при проектировании.
Нихромовая проволока стоит порядка 2000 рублей за килограмм, фехралевая — меньше 1000. В то же время фехраль сложнее достать на местах. Однако мы никуда не торопимся — поэтому закажем именно фехралевую проволоку с доставкой. Сочетание более выгодной цены и возможности поддерживать более высокую температуру в рабочей камере склонили меня принять решение именно в пользу фехрали. Кроме того сопротивление у фехрали примерно на 25% выше, чем у нихрома, а значит что и проволоки понадобится на 25% меньше(сопротивления метра нихромовой проволоки х20н80 диаметром 1.5мм — 0.62 ома, а фехралевой х23Ю5Т — 0.815 ома)
Для того, чтобы заказать проволоку нужно знать марку сплава, диаметр проволоки и количество погонных метров. Чтож, попробуем всё это дело рассчитать.
Марку выберем Х23Ю5Т. Температура плавления — 1500 градусов, что позволяет разогнать печку до 1200-1300 при хорошей теплоизоляции рабочей камеры.

Объём рассчитываемой печи — 61 литр, рабочая камера 560х340х320.

Для небольших печей мощность подбирается исходя из простой пропорции — 100 ватт мощности на литр объёма камеры, то есть на 61 литр мощность печки составит 6.1 кВт. Первоначально я выполнял расчёт на печь объёмом 67 литров, а так, как пересчитывать лень — то добавим 600 ватт мощности про запас — хуже точно не будет.

Так как в цеху есть три фазы — то печь запитаем от трёхфазной сети. Так как фазы три — то и нагревателей будет тоже три. Итак, от трёхфазной сети нам необходимо отобрать 6.7 кВт мощности.

Для начала вычислим какой ток нам потребуется пропустить через нагревательные элементы при подключении звездой. I=P/U. I = 6700/220 = 30.45А. Но это суммарный ток, раскидаем его на 3 фазы и получим 10.15А на фазу. Очень даже комфортный ток.
При подлкючении треугольником получим ещё более низкий ток — 17,63А — или 5.88 А на фазу. Однако такой ток течёт через нагреватели, подключённые между двумя фазами. По участку цепи, от ввода до соединения нагревателей так же течёт ток 10.15 А. Следовательно разницы особой нет. Какую схему подключения выбрать мы будем решать с точки зрения оптимизации количества проволоки в спирали, так как сопротивление будет разным.

Кстати, теперь мы можем рассчитать и сопротивление проволоки, необходимое для получения проектной мощности.
Для каждого участка цепи звезды это будет R=U/I R=220В/10,15А = 21,67 Ом. Для каждого участка цепи треугольника это будет 380В/5,8А = 64,6 Ом

Сопротивление есть, остаётся найти таблицу и отмерять нужное количество проволоки.
Для выбранной марки фехрали сопротивление одного метра проволоки будет следующим: D=1.5мм — 0.815 Ом, D=2мм — 0.459 Ом, D = 2.5мм — 0.294 Ом, D = 3мм — 0.204 Ом.

Рассмотрим звезду. Сопротивление одного нагревателя должно составлять 21.67 Ом То есть проволоки полторашки нам понадобится 21.67/0,815 = 26.6 метра. На три нагревателя потребуется 80 метров проволоки. Скажем так — не мало. Но с другой стороны мало или много — это суть наши рассуждения и нежелание отдавать лишние деньги, а расчёт говорит, что именно такое количество проволоки нам потребуется. Что — можно заказывать?
Рассчитывать больший диаметр проволоки нет смысла — так как уже у двойки сопротивление в два раза меньше и следовательно нам её потребуется в два раза больше. Расчитывать вариант с треугольником — так же нет смысла, там на контур нам необходимо сопротивление в 64 Ом — а это в три раза больше проволоки. Получается расчёт окончен? Как бы не так!
Давайте посчитаем, какова площадь поверхности наших нагревателей. Зная площадь поверхности, мы сможем посчитать, какое количество энергии излучается с 1 кв.см поверхности.
Площадь поверхности S = Длина (L) x Диаметр (d) х 3.14 (Pi) = 8000(в сантиметрах) х 0.15 (в сантиметрах) х 3.14 = 3768 кв.см. Таким образом 3768 кв.см. излучает 6.7 кВт мощности. То есть с 1 кв.см излучается 1.77 ватта.
То, что мы сейчас посчитали — не что иное, как величина поверхностной нагрузки. Зная это значение мы можем определить — не перекалится ли наша проволока. Дело в том, что с увеличением данного показателя увеличивается разница между температурой в сердцевине проволоки и температурой на её поверхности. При значениях сильно свыше 2 Ватт на кв.см — это значение может различаться на сотню градусов. Чем это чревато думаю понятно — в то время, как наружная поверхность имеет рабочую температуру — сердцевина может разогреться до температур, близких к температуре плавления, что приведёт к перегоранию проволоки. Для отечественных фехралевых проволок значение оптимального коэффициента составляет от 1.2 до 1.4 Вт/кв.см. Значение, полученное нами несколько выше, но всё-же вполне себе применимо.
В качестве иллюстрации посмотрим, что у нас получится, если мы возьмём следующий диаметр — двойку.
21.67/0.459 = 47.21 метра на 1 нагреватель. То есть на 3 нагревателя — 141 метр проволоки!
Рассчитаем значение поверхностной нагрузки — получим 0,76 вт/кв.см. — это очень мало. Почти в два раза меньше рекомендуемого значения — это значит, что проволока будет отдавать тепло менее эффективно. А если взять двойки те же 80 метров? Тогда сопротивление на участке цепи для одного нагревателя составит 12.24 ом, соответственно ток составит 18А, а мощность участка — 4 кВт, три нагревателя дадут 12 кВт мощности, и значение поверхностной нагрузки — 2,38 вт/кв.см.

Что будет, если участок цепи с одним нагревателем пересчитать как участок с двумя параллельно подключенными нагревателями? Тогда сопротивление каждого нагревателя необходимо будет увеличить вдвое, а значит и количество проволоки тоже. Такой финт позволяет сэкономить, если в расчёте допустим проволока диаметром 2 мм не проходит по значению поверхностной нагрузки, и приходится мотать тройку. Тогда вместо одного нагревателя из тройки имеет смысл ставить два параллельно подключённых нагревателя из двойки -метраж и масса выйдут меньше. Но в нашем случае меньше полторашки использовать проволоку нет желания.

Как ещё можно поступить? Можно запитать всю длину проволоки от одной фазы — тогда получим 220/30,45 = 7,22 ома.

Понятное дело, что полторашку тут мы применить не сможем из-за просто зашкаливающей поверхностной нагрузки! Действительно, нам понадобится всего 9 метров проволоки, чтобы получить сопротивление в 7.22 ома, при этом во-первых, это будет очень маленький нагревательный элемент, который не сможет равномерно прогреть весь объём печи, во вторых — как уже говорилось, поверхностная нагрузка составит лютые 15.8 ватт на кв.см.
Но здесь хорошо зайдёт проволока с большим диаметром. Если мы возьмём диаметр 3.5мм с сопротивлением 0.15 ома на метр, то её понадобится всего 48 метров! Поверхностная нагрузка составит 1,27 — что очень хорошо. Однако 48 метров проволоки диаметром 3.5 будут весить 3.7 кг, в то время как 80 метров полторашки весит всего 1.1 кг! Вкупе с тем, что управлять током в 30 А несколько сложнее, нежели током в 10 ампер — то первоначально полученный результат является наиболее оптимальным для данной печи.
Кстати, вот тут можно применить ту самую фишку, с параллельным подключением двух спиралей меньшего диаметра, чем одной большего. Действительно, если мы подключим не 1 спираль диаметром 3.5 мм длиной 48 метров с сопротивлением 7.22 ома, а две спирали из проволоки диаметром 2.0 мм с сопротивлением 14.44 — то получим две спирали по 31.3 метра = 62,6 метра с массой 1.5 кг, что уже неплохо. На каждую спираль прийдётся половина нагрузки — то есть по 3.35 кВт, что в итоге даст нам значение поверхностной нагрузки 3350/(3130х0.2х3.14) = 1.7 вт/кв.см. По факту — те же яйца, только в профиль. Но тут есть момент, который опять таки заставляет меня принять первоначальный расчёт за рабочий. Дело в том, что даже разбив участок на два параллельных мы в итоге ничего не выигрываем. Проволоки всё равно нужно на полкило больше, чем полторашки. Ток, протекающий через 1 контур составит 15 ампер, а не 10, что близко к максимальной нагрузке того же bt139, которым я планирую управлять всем этим зоопарком. В то же время даже если я поставлю по bt139 на каждый контур, повешу гигантский радиатор с активным охлаждением, то всё равно я не смогу подключать эти контуры по отдельности, так как весь ток ломанётся через включённый контур. И тут то симистор точно не выдержит — это раз, а поверхностная нагрузка подключённого контура резво увеличится в два раза.

Остановимся на самом первом варианте:

Всё на сегодня. Голова забита, поэтому мог накосячить. Буду благодарен, если кто-то ткнёт носом в ошибки.

Источник

Муфельная печь для обжига керамики своими руками

Сам термин «муфельная печь» для большинства людей ни о чем не говорит. Нет, это не очередная разновидность отопительных приборов, позволяющих сэкономить на топливе. Это прибор, предназначенный для обжига керамических изделий, выплавки металлов, купелирования, создания монокристаллов и т.д. В медицине используются для обеззараживания инструментов.

Фото 1 Муфельная печь для обжига

Несмотря на компактные размеры, бытовой агрегат обойдется в 35-48 тысяч рублей, что довольно дорого для изготовления hand-made и керамики. Поэтому многие и занимаются поисками, как сделать муфельную печь своими руками. Предлагаем вооружиться рядом инструментов, вспомнить школьный курс физики по термодинамике и приступить к изготовлению.

Разновидности муфельных печей

По конструктивным особенностям устройства подразделяются на:

• трубчатые или цилиндрические;
• горизонтальные или вертикальные.

По виду термообрабатывающего состава:

• воздушные;
• вакуумные;
• на основе инертного газа.

Изготовить в домашних условиях можно только лишь воздушную муфельную печь, поэтому именно о ней и пойдет речь в статье.

По особенностям термоэлектрического нагревателя:

Безусловно, газовая печь обойдет в эксплуатации в 3-4 раза дешевле электрической, за счет экономии топлива, но такую печь, во-первых, запрещено по закону изготавливать и использовать, во-вторых, сделать муфельную печь своими руками на газу технически крайне сложно.

За счет простых материалов печь можно изготовить в любой удобной форме, в том числе и такой, которая идеально подойдет к интерьеру помещения.

Фото 2 Схема промышленной муфельной печи

Изготовление устройства

В данном случае мы расскажем, как сделать вертикальную муфельную печь для обжига керамики своими руками.

Для этого вам понадобятся следующие инструменты:

• углошлифовальная машина (болгарка) и 1-2 круга;
• электро-дуговая сварка и электроды;
• слесарный инструмент, в том числе кусачки;
• 2-миллиметровая нихромовая проволока.

• 2,5 мм стальной лист или корпус б/у духовки;
• уголок;
• арматура;
• базальтовая вата;
• огнеупорный шамотный кирпич;
• огнеупорный раствор;
• герметик силиконовый.

Основные элементы

Корпус

Идеально в качестве основы самодельной муфельной печи для фьюзинга или купелирования подойдет корпус электрической духовки или чудо-печки, поскольку в ней уже предусмотрена вся необходимая изоляция. Понадобится только снять или удалить все пластиковые элементы.

Фото 3 Старая духовка в виде корпуса муфельной печи

Если не получилось найти такую духовку, корпус можно сварить из листа, предварительно нарезанного на заготовки. Свариваете все боковины, зачищаете металлической щеткой или болгаркой швы и покрываете грунтовкой.

Изготовление корпуса из листов, хотя и чуть более сложное, но позволяет сделать ту конструкцию, которая подходит по размерам под конкретное помещение.

Нагревательный элемент

Ключевой компонент устройства, поскольку именно от него зависит температура в печи и скорость нагрева. Также нужно будет сделать и терморегулятор для муфельной печи своими руками, либо приобрести уже готовый. В качестве нагревательного элемента будет выступать нихромовая проволока, диаметр которой подбирается в зависимости от максимальной температуры. Минимальный и самый расходный диаметр – 1,5-2 мм.

Нихром на стандартной спирали выдерживает 1100 градусов, но необходимо исключить попадание воздуха, иначе он сгорит. Лучше всего в муфельную печь подойдет фехраль — его рабочая температура 1300 градусов, да и с воздухом он «дружит».

Фото 4 Нагревательный элемент

Любая электрическая муфельная печь, даже самая маленькая, изготовленная своими руками, при разогреве до 1000 градусов затрачивает около 4 кВт. Перед использованием проверьте всю проводку и установите автомат-стабилизатор на 25 А.

Термоизоляция

Важнейший аспект работы, который отвечает за целостность и эффективность всей конструкции. Внутри муфельной печи устанавливается на огнестойкий клей шамотный кирпич. По размеру печи его обрезают болгаркой. Сверху используется базальтовая вата.

Фото 5 Огнестойкий клей Терракот

На некоторых форумах по изготовлению муфельных печей рекомендуют использовать для кладки асбест. Это действительно огнестойкий материал, но уже при температуре 650 градусов+ он начинает выделять канцерогены.

Изготовление самодельной муфельной печи

Первый пункт можно пропустить тем, кто в качестве корпуса использует старую духовку.

Как сделать корпус

Вырезаете из листа прямоугольник нужного размера, загибается в цилиндр и заваривается шов. Далее из этого же листа вырезаете круг соответствующего диаметра и привариваете его к цилиндру. У вас получается подобие металлической бочки, стороны и дно которой стоит усилить арматурой и уголками.

Объем бочки рассчитывается таким образом, чтобы достаточно места было и для изоляции (ваты и кирпичей) и для обжигаемых материалов.

Фото 6 Корпус печи из бочки

Корпус может быть и прямоугольным – форма никак не влияет на качество печи и эффективность разогрева. На видео вы посмотрите, как сделать прямоугольную муфельную печь своими руками из аналогичных материалов.

Видео 1 Муфельная печь своими руками с описанием

Термоизоляция печи

1. По периметру конструкции выкладывается базальтовая (каменная) вата.

Фото 7 Высокотемпературные маты

Почему именно такая разновидность минеральной ваты выбрана? По нескольким причинам:

• негорючесть – ее используют даже в качестве преграды открытому огню. Вата выдерживает температуру до 1114 градусов, после которой начинает оплавляться, но не гореть;
• природные составляющие – базальт, из которого изготовлена вата, абсолютно натуральный материал, поэтому даже при нагревании не выделяет никаких вредные веществ, в отличие, например, от ваты, изготовленной из шлаков;
• минимальная теплопроводность, которая составляет всего 0,032-0,048 Вт/м/К, что даже меньше чем у пенополистирола.

К корпусу вата крепится специальными керамическими пуговицами

Фото 8 Крепим вату к корпусу печи

1. Далее следует термоизоляция шамотным кирпичом. Требуется именно такой материал, поскольку он на 75% состоит из огнеупорной глины и не лопнет в процессе эксплуатации печи.

Берете 7 кирпичей, нумеруете их для удобства, составляете в подобие трубы. Далее обрезаете торцы болгаркой так, что труба получилась максимально круглой.

Фото 9 Разметка огнеупора муфельной печи

Когда кирпичи нарезаны и собраны, стягиваете их проволокой и проверяете, насколько симметричной получилась конструкция.

1. Делаете 6 мм спираль из нихромовой проволоки, для чего накручиваете ее на любой, подходящий по диаметру круглый предмет, можно даже использовать карандаш.

Имейте в виду, что эксплуатация печи возможна только при условии непрерывного контроля температуры. Иначе это просто дорогая, но очень опасная игрушка. Единственный реальный вариант датчика таких высоких температур (более 1000 градусов) – термопара. Платину для этого не надо искать, вполне подойдет такой вариант:

• железо-константан, 53 мВ/град, термо ЭДС;
• никель-железо, 34 мВ/град., термо ЭДС.

Фото 10 Прокладка нагревательной спирали

1. Раскручиваете кирпичи и нарезаете на внутренней стороне под небольшим углом болгаркой борозды под спираль. Ровность их проверяете уровнем и располагаете так, чтобы витки шли от самого дна до верха. Категорически запрещено допускать соприкосновения витков – будет замыкание цепи. После нарезки борозд вставляете спираль и собираете всю конструкцию снова.

Фото 11 МП сделана своими руками

1. Выводите концы спирали и подключаете их к автомату 25 А.
2. Теперь берете подготовленный ранее стальной цилиндр, на дно его кладете шамотные кирпичи, нарезанные так, чтобы полностью закрыть все днище, заливаете их огнеупорным клеем. Далее помещаете собранную термоконструкцию и также заливаете пространство между бочкой и конструкцией огнеупорным составом.

Фото 12 Готовая конструкция помещается в стальной корпус

Включать можно только тогда, когда полностью высохнет вся конструкция. Через 3-5 дней после изготовления включите прибор на полную мощность, но не закрывайте крышкой – если где-то начинается испарение, отключите и оставьте еще на сутки.

Изготовление крышки

• Вырезаете из стали круг, идентичный по диаметру уже полностью собранной конструкции.
• Сверху на клей «садите» шамотный кирпич – он обеспечит достаточную герметизацию.

• Привариваете по бокам ручки, чтобы было удобно поднимать и снимать крышку, и щеколда для закрывания.

• По краю покрываете огнеупорным силиконом, перед этим обязательно обезжиривается поверхность (подойдет даже «Уайт-Спирит»).

Напомним, когда печь работает, она должна быть закрыта. Излишнее попадание воздуха внутрь приведет к быстрому износу нихрома.

Самая простая муфельная печь для керамики

Для изготовления такого простейшего прибора понадобится только обычная электрическая плитка, глиняный горшок и кусок шамотного кирпича.

• Ставите на печку кусок кирпича так, чтобы обжигаемая керамика не касалась спирали на плитке и закрываете ее горшком. Мощность регулируете терморегулятором.
• Теперь наблюдаете за горшком – как только сквозь его стенки начинает словно просвечиваться красный свет, засекаете время на обжиг. Как правило, это 10-12 часов.

Муфельная печь из горшка

Техника безопасности

1. Работать с печкой можно только при условии, что есть заземление.
2. Запрещено приступать к работе, если есть сколы или трещины на корпусе.
3. Запрещено прикасаться к прибору во время работы.
4. Категорически запрещено трогать работающую спираль.
5. Во время работы за печью необходим постоянный присмотр.

Несмотря на относительную простоту изготовления, среди домашних мастеров такой прибор не сильно распространен. «Виной» этому высокие расходы на электричество. Кто-то считает, что можно сделать муфельную печь и на дровах – ну если получится найти полено, у которого теплотворная способность 14000 ккал/кг, тогда да, получится. Хотя все же лучше в качестве таких «дров» использовать кузнечный горн – именно в таких условиях и была изобретена первая в истории подобная печь.

Если у вас еще остались вопросы, как сделать муфельную печь своими руками, посмотрите видео инструкцию.

Источник