Муфельные печи: принцип работы, применение, заводские и самодельные варианты

Что это такое – муфельная печь? И для чего она нужна? Давайте на некоторое время обратимся к мемуарам придворного каретного мастера Франции конца XVII – начала XVIII вв. Жанто. Да, того самого, который изобрел рулевую трапецию. Ее так и называют – трапеция Жанто.

Изобрести-то он изобрел, но пустить идею в дело никак не получалось, полуоси опытных образцов все время ломались. Жанто был в отчаянии, он ожидал от изобретения огромных прибылей. Кареты с передними колесами на цельной оси со шкворнем на раскатах то и дело опрокидывались, и знать с прекрасными спутницами, вплоть до их величеств, летела вон на дорогу, залитую навозом. Тяга-то была живая, на овсе.

И тут в мастерскую наведался некий, к сожалению, не названный, русский дворянин. Петр Первый как раз готовил известное в истории посольство Бековича-Черкасского в Бухару. Звездой даров хану должна была стать роскошная карета; ее-то и прибыл заказать у лучшего европейского мастера наш соотечественник.

Так вот, он, поглядев на излом детали и попробовав ее твердость («Дворянин не погнушался взять в руки напильник!» – восклицает Жанто), дал совет: «Сначала цементируйте в муфеле с молотым скотским рогом, а затем калите. Тогда внутри сталь останется вязкая, не ломкая, а снаружи образуется крепкая каленая корка, долго не сотрется».

Жанто винить не в чем, он был каретником, а не металлургом. И в том, что петровский офицер разбирался в обработке металлов, тоже нет ничего удивительного. Зато сразу ясно, для чего нужен муфель – жаропрочный и непроницаемый контейнер, в котором деталь проходит термообработку. Его роль – изолировать деталь от внешних влияний, в т.ч. и от пламени, во-первых. Во-вторых – обеспечить равномерный нагрев.

Мастера Жанто, скорее всего, грели муфель в обычном кузнечном горне. Но со временем требования к качеству термообработки повышались, разрабатывались новые ее технологии. Уже в начале XIX в. в промышленности широко применялись специальные муфельные печи, разработанные исключительно для нагрева муфельной камеры. В век пластика появились низкотемпературные муфельные печи, в которых композитные детали проходят горячее отверждение.

Сейчас у муфельных печей работы хватает:

• Переплавка ценных металлов и сплавов, когда недопустимо внесение примесей или термохимическое взаимодействие в пламенем.
• Термообработка металлов: цементирование, закалка, отжиг, отпуск, нормализация (состаривание).
• Обжиг керамических изделий, особенно художественных, для получения ровного тона поверхности.
• Сушка электропроводящих материалов; микроволнами, как известно, можно сушить только диэлектрики.
• Сжигание до минеральных компонент путем возгонки летучих (озоление). В связи с этим – такая печальная обязанность, как кремация.

Кроме того, муфельные печи используются в пробирном анализе для т.наз. купелирования, для выращивания монокристаллов и во многих других областях. Напр. в медицине – для высокотемпературной стерилизации.

Делать или покупать?

Своими руками можно сделать печь с муфелем объемом до 5-7 л. Если задаться должным качеством обработки, то работа эта не из простых. Поэтому вначале посмотрим, какие из готовых печей сгодятся для домашнего применения и во что обойдется их приобретение.

Лаборантам, научным работникам, да и просто мастерам хорошо знаком заслуженный ветеран – электрическая муфельная печь ПМ-8 (см. рис.) с объемом муфельной камеры 6,5 л (на рис. справа, 190х120х300 мм). Секрет «пээмки» именно в камере, она изготовлена из жаропрочной керамики методом шликерного литься. Муфель ПМ-8 вечный, за него отдельно на аукционах запрашивают половину стоимости печи.

Муфельная печь ПМ-8

ПМ-8 выпускается в 2-х модификациях, ПМ-8К с ручной предустановкой температуры и релейным управлением, и ПМ-8М с цифровым управлением. Цена заводской, соответственно – около 20 тыс. руб. и от 23 тыс. руб. Цифра 8 в обозначении – количество ступеней регулировки температуры, от 100 до 900 градусов. Потребляемая мощность в режиме разогрева – до 2,4 кВт, т.е. «пээмку» можно включать в квартирную розетку. Б/у ПМ-8 можно брать безбоязненно, конструкция дубовейшая. Правда, цену намного не сбросят.

Единственный недостаток ПМ-8 и ПМ-10 из той же серии – дверца сильно раскаляется. Лаборантов, работающих с «пээмкой», можно узнать по вечно обожженным пальцам.

Ассортимент современных муфельных печей в продаже довольно широк. Напр., российские СИКРОНы (две левые поз. на след. рис.) уже не обжигают, и цена того же уровня – от 23 000 руб. Но муфельные они условно, нагревательная спираль размещена в камере. Поэтому безо всякого в них можно только обжигать керамику, а все операции с металлами нужно производить с большой осторожностью. Особенно – переплавку, СИКРОН для нее вообще не рекомендован.

Современные муфельные печи

Печи СНОЛ (SNOL), средние поз. на рис. – полноценные муфельные. Обжечь СНОЛ, правда, может, если неловко с ним обращаться, боковое открывание дверцы не гарантирует от ожога. Зато выпускаются обширным рядом типоразмеров, от самых маленьких. Но цены явно не русские: самый дешевый СНОЛ меньше чем за 30 000 руб. не найти.

Из отечественных моделей «квартирной» мощности хорошо расходятся МИМП и «Накал», 2 правых поз. на рис. Они дешевле ПМ, купить б/у рабочую за 8-9 тыс. руб. вполне реально. Однако камеры их, похоже, изготавливаются методом спекания керамического порошка, поэтому для регулярной эксплуатации десятилетиями эти печки не предназначены. Впрочем, для эпизодического использования в домашней мастерской вполне подходят.

Еще следует упомянуть израильскую печь специально для керамики Shenpaz. Для налаженного кустарного производства при стабильном сбыте это неплохой вариант. Хотя стоит немало, от $3000, но изделия выходят одно в одно. Shenpaz охотно берут дантисты, он стоит намного дешевле «Фокусов» и пр., а работает так же хорошо.

Если делать, то как?

Большинство описанных в источниках конструкций дадут такое качество обработки, что проще сунуть готовый муфель (см. далее) в любую печь или горн с наддувом. А чтобы «довести их до ума», затрат понадобится не меньше, чем на покупку хорошей заводской б/у. Поэтому далее мы сосредоточимся на печках для мелких тонких и ответственных работ, о которых широким массам читателей, наверное, вообще ничего не известно. Разберемся сначала в ключевых узлах, а затем перейдем к конструкциям.

Схема устройства промышленной муфельной печи показана на рис. Ее упрощение и удешевление можно сразу начать с жаровой трубы: при объемах камеры до 10-20 л и, если печь не предназначена для озоления и кремации, достаточно будет небольшого отверстия в задней стенке муфеля.

Устройство промышленной муфельной печи

Эта печь – камерная, с горизонтальной выгрузкой, такие проще и безопаснее в эксплуатации. Но в некоторых случаях проще в изготовлении и дешевле получаются печи шахтные, с вертикально расположенным глухим муфелем. В них, кроме того, легко обеспечить нагрев без доступа воздуха, если муфель с крышкой. Но в любом случае ключевыми узлами будут система нагрева, собственно камера и термопара для контроля температуры. С теплоизоляцией и общей конструкцией разберемся по ходу дела.

Источник тепла

Говорят, что муфельную печь можно сделать хоть на дровах. Что ж, если найдутся дрова с теплотворной способностью более 14 000 ккал/кг, тогда можно. А нет – обкладывать небольшой муфель огромной поленницей бесполезно, большая часть тепла пойдет на увеличение энтропии Вселенной.

В принципе, необходимую концентрацию тепла может создать каменный или древесный уголь, но только в горне с наддувом. Тогда нет смысла городить целую печь, достаточно по мере надобности помещать муфель в горн, что и делалось в кузнице Жанто. Жидкое топливо дает тепла на единицу его объема более чем достаточно, но само от нагрева испаряется. Если эти газы не улавливать и не заставлять греть муфель, тепло также улетучится без толку.

Остается газ, то ли природный, то ли из газификатора, и электричество. Первый дешевле на единицу тепловыделения, со вторым проще обращаться и управлять им. С этими источниками тепла и будем далее работать.

Термопара

Без непрерывного контроля температуры муфельная печь – просто дорогая и опасная игрушка, за степенью нагрева зачастую нужно следить в закрытом объеме, тут и опыт кузнеца не всегда поможет. Единственный вариант датчика температур до 1000-1300 градусов – термопара. Но думать, где бы «раздобыть» платину, не нужно. Вот два варианта вполне доступных термопар, работоспособных до 1100 градусов:

• Железо-константан, термо Э.Д.С. 53 мВ/град.
• Никель-железо, термо Э.Д.С. 34 мВ/град.

Почти без потери точности железо можно заменить низкоуглеродистой конструкционной сталью, т.е. обычной мягкой стальной проволокой. Никелевая проволока есть в продаже, а константан идет на обмотку школьных реостатов.

Концы проволок сваривать не нужно, достаточно туго-натуго скрутить пассатижами. Они все равно быстро обгорают, не платина же. Тогда конец откусывают с делают новую скрутку. Разумеется, проволоки не должны соприкасаться между собой кроме как в скрутке.

Контроль температуры – обычным бытовым цифровым тестером. Э.Д.С. на концах пары будет меняться в пределах 0,53 (0,34) – 5,3 (3,4) В, «цифровик» такие напряжения ловит надежно. В маленькой камере достаточно одной термопары.

Муфель

Керамика для муфеля нужна не обычная, а с хорошей теплопроводностью. Ее дают присадки редких металлов. Поэтому сделать муфель самому лучше и не пытаться. Где найти готовый посмотрим чуть ниже, а пока покажем, чем плохи самоделки.

Недостатки самодельных муфелей

Слева на рис. – печь с самодельным муфелем из огнеупорной глины. Во-первых, глина, пусть и шамотная, проводит тепло слишком плохо для равномерного прогрева муфеля. Во-вторых, для обжига заготовки нужна температура не ниже, но много выше рабочей. А где взять на хозяйстве 1400-1500 градусов, а для шамота и все 1900? К чему приводит незнание этих условий или пренебрежение ими, там же и видно.

Граненая камера из фасонных шамотных кирпичей (справа на рис) уже долговечнее, но греть ее снаружи любым способом бесполезно. Шамот проводит тепло хоть и лучше, чем красный кирпич, но для муфеля слабовато. Остается расположить открытую электроспираль внутри, но, во-первых, для бытовых приборов это категорически запрещено.

Во-вторых, и главное, муфель будет уже не муфелем. Раскаленные металлы заметно испаряются, кто бывал в литейке, помнит характерный запах. А парам сплава спирали деваться некуда, кроме как в деталь или изделие. В результате – ценный сплав может полностью потерять ценность, состаренный или цементированный металл не набрать прочности или оказаться хрупким, а статуэтка пойти полосами или пятнами.

Так где же взять муфель?

Лучший вариант – керамическая химическая посуда, она продается в магазинах лабораторного оборудования. Форма, размер – на выбор, снабжается крышками. Можно подобрать под печь и с горизонтальной, и с вертикальной нагрузкой. Высокая теплопроводность, отменная химическая стойкость.

Для печей с открытой в двух концов горизонтальной камерой (печей-труб) отлично подойдут куски трубок от разбитых мощных плавких вставок. Они изготавливаются из электрофарфора. Другое его название – циркониевая керамика. Точно такая же, как идет на муфели ПМ. И тоже литая.

Применяются такие большие предохранители на транформаторных подстанциях (ТП) электросетей или распределительных участках (РУ) ЛЭП. Внутренний диаметр – от 5 до 30-40 см. Строгому учету не подлежат, так что можно прикупить или выпросить, не опасаясь тюрьмы.

Проще художникам-керамистам: для обжига керамики достаточно 800 градусов. Поэтому на муфель печи для обжига керамики пойдет любая фаянсовая или фарфоровая посудина подходящего размера и конфигурации. Даже смывной бачок от старого унитаза.

О школьных реостатах

Пытаться превратить в муфель школьный реостат бесполезно: его каркас хрупкий, пористый, а обмотка, раскалившись, замыкает накоротко. Но реостат как он есть держит температуру в 250-300 градусов. Это делает его пригодным для изготовления самодельных карбоновых деталей из углеткани сатинового переплетения и смол горячего отверждения. Маститые авиамоделисты, к примеру, таким способом формуют фюзеляжи, кромки крыльев, лонжероны, нервюры и стрингеры своих летательных аппаратов чемпионатных классов.

Об электрической мощности

Чтобы далее не погрязать в расчетах, определимся сразу с потребляемой печью мощностью. Будем надеяться, что рассчитать сопротивление спирали, диаметр и длину нихромовой проволоки читатель сможет и сам, либо обратится к руководствам по этой теме. Итак:

1. Печи с закрытым муфелем типа ПМ, горизонтальные или вертикальные – 450 Вт/л.
2. Обжиговые печи-колпаки для мелкой керамики – 650-700 Вт/л.
3. Печи-трубы, только горизонтальные – от 1,5 кВт/л.

Во всех случаях предполагается, что теплоизоляция выполнена надлежащим образом, а рабочая температура 1000 градусов. И учтите, потребная для печи мощность пропорциональна ЧЕТВЕРТОЙ степени температуры! Длина печи-трубы должна быть не менее 3-5 ее внутренних диаметров.

Некоторые самоделки

Шахтная печь на газе

Схема газовой вертикальной муфельной печи показана на рис. В ее основе – готовый муфель-химпосуда 1. Размеры горелки 3 показаны условно; большая от кухонной плиты обеспечит нагрев 3-л муфеля до 800 градусов. Общие пропорции примерно такие, как на рис. Некоторое отклонение не критично.

Газовая шахтная муфельная печь

Для нагрева печи покупаем отдельно газовую горелку для бытовой варочной плиты с жиклером и арматурой к ней. Горелку устанавливаем на стальном листе, запитываем от баллона с редуктором. Мощность нагрева регулируется, как и в плите, поворотом ручки жиклера.

Требования к корпусу 3 в стальной обечайке и на ножках не столь высоки, как к муфелю, поэтому его можно сделать самому. Понадобится огнеупорная глина (шамотная, каолин или голубая кембрийская) и распушенный асбест, на наполнение глиняного раствора и теплоизоляцию. При желании асбест можно заменить лучшим по качеству, но более дорогим вспученным вермикулитом.

Глину для формовки корпуса вначале замачивают («квасят»): глиняный порошок в посуде заливают водой до верха засыпки и оставляют «киснуть» на сутки. Далее раствор замешивают до густоты пластилина и добавляют в него 25% по объему шамотного песка (для шамотной глины) или глиняного песка соответствующего сорта.

Примечание: глиняный песок – это перемолотый бой керамики из данной глины. Есть в широкой продаже.

Затем добавляют 1-2 объемных части пушоного асбеста, и раствор тщательно вымешивают. К этому времени нужно подготовить восковую модель (болван) для внутренней конической части корпуса. Внешние части (щеки, выступы под венчик муфеля) формуют или вручную, или на гончарном круге. Под стальные ножки печи сразу делаем отверстия. Или формуем ножки из той же массы, только потом придется болгаркой подгонять, чтобы печь ровно стояла.

Примечание: делать тест на жирность, как для печного кладочного раствора, не нужно. Для небольшой цельной и механически почти не нагруженной детали естественной жирности хорошей глины довольно.

Далее следует сушка в тени при 20-27 градусах в течение 2-х недель. После сушки воск изнутри выплавляют бытовым феном, он пригоден для дальнейшего использования.

Высохший корпус сначала обжигают способом Робинзона Крузо: делают под из выложенных хоть прямо на землю на сухую кирпичей. Под окружают загородкой высотой 0,7-1 м из стальной сетки или перфорированного листа, чтобы потом угли не расползались и доступ воздуха был. Ставят заготовку на под, накрывают любой керамической посудой и заваливают, только осторожно, топливом (углем, дровами) до верха загородки.

Топливо поджигают снизу. Когда прогорит до углей, добавляют еще и еще, пока заготовка не скроется полностью под массой раскаленных углей. Тогда, еще добавляя топлива понемногу, поддерживают процесс 4-6 часов. Далее ждем, когда все угли прогорят до золы, а зола остынет. Только теперь заготовку можно вынимать.

Примечание: обжиг нужно производить под навесом. Ни капли воды на огнище!

Окончательный обжиг корпуса делаем в собранной печи, с уложенной между щеками теплоизоляцией и надетой обечайкой. Муфель ставим на его место, только пустой. Горелку включаем на самый малый огонь, и постепенно, в течение 30-40 мин, доводим пламя до самого сильного. Так греем печку час-полтора, после этого она готова к работе.

Печи для керамики

Простейшая печь для обжига керамики

Простейшая печь для обжига мелкой керамики показана на рис. Бытовая электроплитка, глиняный цветочный горшок подходящего размера – только и всего. Нужно лишь под изделие подставить обломок шамотного кирпича, чтобы спираль не грела его непосредственно из-под низу. Мощность регулируется ЛАТРом или тиристорным регулятором.

Вставлять в отверстие горшка термопару не обязательно, процесс с такой маленькой печи легко регулируется визуально: в сумерки или пасмурный день в комнате бока горшка должны светиться темно-красным. Когда это свечение появится, начинаем отсчет времени обжига, 4-12 час, смотря что обжигается. Виден перекал – убавляем мощность.

Печь для керамики из фаянсового бочонка

Для печи покрупнее (след. рис.) понадобится и муфель побольше. Лучший вариант – фаянсовый бочонок (см. рис. справа ниже), соления в них все равно выходят неважными. В днище бочонка алмазным сверлом сверлят отверстие для термопары и выхода расширившегося воздуха.

Теперь нужен под. Его собирают на сухую из шамотного кирпича на стальном листе и скрепляют рамой из уголка. Внутри, ближе к краю горла бочонка, делают 2-3 кольцевые с переходами канавки и укладывают в них спираль или ТЭН нужной мощности.

Фаянсовый бочонок

Последний этап – внешняя обечайка из оцинковки. Она съемная, ее надевают после того, как изделие установлено на полу и накрыто муфелем. Промежуток между обечайкой и муфелем засыпают асбестом или вермикулитом.

Процедура обжига такая же, как в предыдущем случае, но контроль температуры уже только по термопаре. Бочонок большой, стенки его толстые. Даже если не делать обечайки с засыпкой, пока он засветится, изделие пережжется.

Печи-трубы

Для электропечи-трубы достаточно большого диаметра (скажем, из корпуса плавкой вставки) дадим прежде всего рецепт обмазки нагревателя. Состав – тот же, что и для корпуса газовой печи, но, во-первых, глину замешивают до густоты хорошей сметаны или жидкого творога. Во-вторых, наполнителя-теплоизолятора (асбест, вермикулит) дают 4-5 объемных относительно глины частей.

Следующий момент – намотка спирали. На коренной (начальный по ходу обмотки) конец трубы туго, вплотную друг к другу, мотаем 5-10 витков нихрома и туго-натуго схватываем их металлическим хомутом и винтом с гайкой и пружинной шайбой (гровером). «Уши» хомута должны быть удлиненными и с отверстиями для подвода тока и теплоотвода; об этом см. подробнее ниже, в разделе о мини-печи.

Примечание: первые/последние витки играют роль токосъема. Нихром обладает свойством частичной самоизоляции, потому его и пускают на нагреватели. Просто прижатый хомутом конец провода может дать плохой контакт, а для устранения неисправности придется ломать печь и делать заново.

Далее мотаем в 2 провода: рядом с нихромовым укладываем медный того же диаметра. На конце обмотки делаем токосъем и закрепляем хомутом, как описано выше. Теперь снимаем медь и приступаем к обмазке. Обмазку наносим слоем в 4-12 мм, как раствор ляжет. Затем – неделя сушки, часовой прогон на половинной мощности (напряжение – в 1,4 раза меньше номинального!), и окончательная сборка печи, аналогично описанной ниже.

Примечание: если вы умеете мотать обмотки с переменным шагом, то витки нихрома лучше сгонять к середине трубы и разгонять к краям. Так печь окажется намного экономнее и долговечнее.

Мини-муфель

Резистор типа ПЭВ

Для мелких работ в качестве готового муфеля с нагревателем можно взять проволочный резистор ПЭ или ПЭВ на 50, 100 или 150 Вт (см. рис.).. Мощность его указывается на корпусе после типа, напр. ПЭВ-150. Внутренний диаметр резисторов ПЭВ соответственно около 20, 30 и 38 мм. Около – потому что трубки из электрофарфора разные заводы в разные времена применяли несколько различные.

Величина сопротивления на напряжение 220 В для 50 Вт 910-1000 Ом, для 100 Вт – 430-470 Ом, для 150 Вт – 330-360 Ом. Форсировать нагрев уменьшением сопротивления не нужно, все равно свыше 900 градусов такая печка не даст, а резистор быстро сгорит.

Слабое место ПЭВ как муфеля – контактные хомуты, они сделаны из латуни, поэтому для них необходим теплоотвод. Его делают из медных полосок толщиной не менее 2 мм, как показано на след. рис.. Очень хорошо подойдет эмалированная медная шина для обмоток мощных трансформаторов; эмаль даст дополнительную изоляцию.

Муфельная мини-печь из резистора

После установки теплоотводов (они же ножки), к клеммам резистора подключают провода питания, а ножки-теплоотводы изолируют 2-мя слоями стеклоленты с перехлестом витков на 50%. Изоляцию пропитывают термостойким (не ниже 130 градусов) лаком.

Последние этапы сборки – на печку надевают обечайку из тонкой стали и набивают ее теплоизоляцией. Края обечайки нужно заранее выколотить или загнуть внутрь на прямой угол, чтобы не прорезали изоляцию ножек. Делать полную отбортовку внутрь не нужно, так в обечайке лучше будет держаться изоляция. Все, печка из резистора готова к работе сразу после сборки.

В заключение

Муфельные печи, особенно маленькие, пока мало распространены среди самодельщиков и мастеров-ИП. А зря, эти печки могут очень многое.

рекомендуем:

Индукционная печь Доменная печь Печь для мусора

(4 оценок, среднее: 4,00 из 5)

Загрузка...

Ниже Вы можете поделиться своими мыслями и результатами с нашими читателями и постоянными посетителями.

Также можно задать вопросы автору*, он постарается на них ответить.