Муфельные печи: принцип работы и сфера применения

В этой статье расскажу о таком важном и интересном агрегате как муфельная печь.

Применение таких печей разнообразно, но принцип работы один – нагревание различных деталей и материалов до необходимой температуры и термической обработки. Известно ли, что ювелирные мастерские, студии керамики или гончарные мастерские используют в своем производстве именно муфельные печи.

Отмечу, что можно приобрести готовую печь, но её стоимость зачастую очень высока. Однако, сделать муфельную печь своими руками быстро и достаточно легко, если есть все материалы. Обо всем этом также вы найдете познавательную информацию в этой статье.

Что представляет собой муфельная печь

Муфельные печи — это оборудование для нагрева различных материалов — керамики, золото, серебра, платины, химических веществ. По своей особенности широкого спектра и применяются практически везде.

Электрическая муфельная печь применяется для термической обработки материалов на многих производствах в основном химических лабораториях и научных институтах. Муфель в ней используется в основном керамический.

В технически устаревших печах сфера применения муфельных печей ограничивается температурным максимумом – 1150 градусов. Это объясняется расположением нагревательных элементов за керамическим муфелем, что не позволяет применить данные агрегаты при температуре рабочего пространства свыше 1150 градусов.

Это происходит из-за необходимости увеличения температуры на нагревательных элементах, выше возможного уровня их использования.

Для снижения перехода температур между температурой внутри муфеля и нагревателя, муфель изготавливается из керамики.

Принцип работы отличается еще и большим расходом электроэнергии, поскольку массивный муфель разогревается не быстро. Этим объясняется использование некоторыми производителями муфелей из волокнистых материалов. В такой печи нагревательные элементы находятся внутри.

Принцип работы устройства – устранение прямого излучения нагревателей на материал, поддающийся термообработке.

Однако у волокнистого муфеля есть серьезный недостаток: волокно неустойчиво к газовыделению, что происходит особенно активно при обжиге керамики, обработке металлов. Выделение солей и выгорание масла разрушают волокно.

Муфельная печь с выносным блоком управления нагрева являются новой веткой в развитии электрических печей сопротивления.

Рабочая камера сделана из высокотемпературного и прочного термоизоляционного материала.

Нагреватели расположены в пазах электропечи, что облегчает их замену и препятствует их замыканию при соприкосновении с садкой.

Она может использоваться при стандартной температуре от 50 до 1250 градусов, но может быть изготовлена и до 1600 градусов.

Муфельные печи используются по своему прямому назначению для обжига, закалки металлов и стали при высоких температурах, разнообразных лабораторных исследованиях.

На сегодня существует большое разнообразие данного вида печей, но каждая из них может применяться для отдельных вариантов обработки и закаливания материала, а именно:

• получение и создания особенных ювелирных изделий из серебра и золота;
• применяя высокие температуры, для переплавки драгоценных металлов и изделий с наличием повреждений;
• создание более прочной структуры и обжига изделий на основе керамики;
• формирование необходимого изделия и выплавки на основе воска;
• закалка металлических изделий, производство форм для литья металлов.

Нагревательные компоненты печи

Данные устройства в электрической печи имеют два типа: закрытые и открытые. В случае с закрытыми нагревателями их расположение находится внутри муфеля, где они разогревают возделываемый материал до нужного температурного режима. Нагревательные элементы намеренно ставятся под защиту муфеля, во избежание воздействия вредных веществ при их выделении от воздействия высокой температуры, чтобы они не образовывали коррозийные процессы. Кроме того, конструкция муфеля, основного рабочего объема муфельных печей, оберегает нагревательные механизмы от поражения либо прикосновения их поверхностей садки. А сама заготовка, которая подвергается нагреву, набирает необходимую температуру без образования окалины.

Открытый тип нагревателей более быстро разогревают печь и равномерно распределяют температуру по всей рабочей камере. Их проще ремонтировать и менять на новые, за счет свободного доступа к их установке и креплениям. В случае потребности отвода вредоносных испарений из камеры и извлечения высокого уровня равномерности температуры, на одну из стенок рабочей камеры монтируются вентиляторы. Материалом из которого изготавливают нагревательные элементы является фехраль, который раньше не был известен, но благодаря современным технологиям удалось получить данный сплав, который удовлетворяет все необходимые характеристики для изготовления нити. Основным элементом нагревателя является фехралевая нить, которую наматывают на глиняную трубку по спирали. В стандартном исполнении муфельной печи такой тип нагревателей обычно устанавливают с двух сторон для более равномерного прогрева возделываемого материала. В некоторых случаях, когда того требуют возделываемые материалы, трубчатый нагреватель может устанавливаться не только по бокам, но и на своде рабочей камеры, не только в качестве дополнительного источника тепла, но и за счет тройной точки воздействия более равномерного прогрева. Средняя бесперебойная работоспособность такого типа нагревателя составляет около 2500 часов, и может варьироваться в зависимости от частоты использования муфельной печи.

Если в ходе термической обработки основной акцент деятельности агрегата обусловлен враждебными и вредоносными веществами, то в дополнение к основному оборудованию должны подключаться дополнительные механизмы, ликвидирующие либо ослабляющие воздействия вышеописанных вредных веществ. Особенную угрозу для нагревательных элементов представляет углерод, который выделяется в процессе сгорания масла, парафина, воска и подобных материалов. Этот химический элемент в виде сажи скапливается на плоскости нагревателя и самих стен рабочей камеры, что может послужить причиной кратковременного замыкания и перегревания нагревателей. Для того чтобы удалить с камеры все плохие вещества, печь может оборудоваться приточной пылевытяжной вентиляционной системой, специальными сливными отводами, решетчатый дном для удаления частиц грязи и прочего. В большинстве случаев, при покупке новой муфельной печи, к ней в наборе должен идти запасной нагреватель, того же вида, который установлен внутри устройства с завода.

Разновидности муфельных печей

Муфельные печи подразделяются по типу нагрева:

• Электрические муфельные печи — являются разновидностью камерных электрических печей сопротивления.
• Газовые муфельные печи.

По защитному режиму обработки:

• Воздушные: нагрев в воздушной среде (общее назначение).
• С защитной газовой атмосферой: нагрев в специальной газовой среде (водород, аргон, гелий, азот, восстановительные газы, азотирующие газы и др.).
• Вакуумные: нагрев в вакууме.

По конструкции:

• Вертикальной загрузки (горшковые).
• Колпаковые (с отделением от пода).
• Горизонтальной загрузки (простые).
• Трубчатые (поверка термопар).

Чтоб купить муфельную печь для начала нужно определиться для каких целей она будет использоваться, какого размера заготовки, либо химические образцы в ней будут нагреваться и до какой температуры.

Размер и температура нагрева рабочей камеры, очень важен т.к. от этих двух параметров во многом зависит цена.

В данное время на рынке существует много муфельных печей с самыми разными названиями:

• лабораторная муфельная печь;
• муфельная печь ювелирная;
• стоматологическая муфельная печь;
• промышленная муфельная печь;
• учебная муфельная печь.

Из всего многообразия, не всегда можно выбрать муфельную печь по заданным параметрам и за приемлемую цену.

По этому, постараемся разобраться, что объединяет все эти муфельные печи и в чём их отличия.

Лабораторная муфельная печь

Лабораторная муфельная печь — используют в лаборатории и проводят в ней, множество различных испытаний с материалами: термообработка (нагрев, закалка, обжиг) аналитических работ, лабораторные химические анализы с максимальной точностью нагрева и контроля заданной температуры, поэтому их покупают с программным управлением и температурой нагрева от 1100 градусов.

Ювелирная муфельная печь

Муфельная печь для ювелиров, используют для плавки драгоценных металлов, поэтому её можно отнести к категории, профессиональные плавильные ювелирные печи.

Чаще всего приобретают, ювелирные муфельные для плавки, серебра, золота и платины.

Чтоб выбрать подходящую плавильную ювелирную, для плавки таких металлов, нужно исходить из температуры плавления золота, серебра, платины и т.д.

При работе с драгоценными металлами в печи ювелирной, не нужно экономить на стоимости и купить ювелирную печь с 30-ю программами контроля температуры, PID (ПИД) автоматического управления.

В отличии от лабораторной муфельной, муфельную печь ювелирную, нужно выбирать немного по другим техническим параметрам.

Ювелирная муфельная печь, должна быть с размером рабочей камеры, максимум 200×200×200 мм и температурой нагревая, не более 1200 градусов цельсия.

Так как, ювелир работает с небольшим количеством драгоценного металла и нет смысла переплачивать за большой объём рабочей камеры.

Стоматологическая муфельная печь

В стоматологии, муфельная печь, чаще всего используется для сушки, обжига, прогрева (ортопедическая стоматология).

Муфельные печи для керамики, чаще всего покупают для стоматологии с температурой нагрева от 1100 до 1200 градусов цельсия. С размером рабочей камеры от 100×100×100 мм до 200×200×200 мм.

Для такой специализации, подойдёт муфельная печь с небольшим объёмом рабочей камеры, от 100×100×100 мм до 200×200×200 мм но можно и больше.

Промышленная муфельная печь

Отличия промышленных муфельных печей от всех остальных это размер рабочей камеры, не меньше 200×200×200мм и температура нагрева рабочей камеры 1400 градусов до 1750 градусов (можно нагревать и выше но при нагреве до 1800 градусов быстро приходит в негодность нагревательный элемент).

В данном случае, цена муфельной складывается не от размера рабочей камеры, а от температуры нагрева.

На промышленных производствах, стараются использовать муфельные печи с максимальной температурой и комплектацией т.к. деятельность таких предприятий очень обширна и эти агрегаты выполняют очень много функций, практически эксплуатация таких печей идёт по всем параметрам.

Учебная муфельная печь

Если вам понадобилась учебная муфельная печь, предназначенная для отжига, закалки и обжига то вам подойдёт муфельная печь с максимальным нагревом рабочей камеры 1100 градусов и со стандартным размером рабочей камеры 100×100×100 такие печи обычно называют «мини муфельная печь» либо «маленькая муфельная печь».

Чтоб выбрать муфельную печь, нужно учитывать каких знаний вы хотите достичь при работе с муфельной печью.

Муфельные печи бывают самые разные от простых (на уровне пользования бытовой микроволновой печью) до сложных муфельных печей, управления которыми осуществляется через персональный компьютер или ноутбук.

Отличительные особенности моделей лабораторных электропечей

Выбирая модель лабораторной высокотемпературной электропечи, следует учесть по каким основным параметрам они различаются.

— Максимальная температура нагрева: данный параметр является одним из основных, который стоит рассматривать при выборе модели. Современные модели электропечей способны поддерживать температуру в камере до 900-1300 гр.С. При подборе модели следует учесть требования методик, по которым планируется проведение исследований.

— Объем камеры. У лабораторных электропечей объем камеры, как правило, небольшой, варьируется в диапазоне от 2 до 15 литров. Наравне с максимальной температурой данный параметры является основным, который влияет на стоимость прибора и возможность его использования.

— Тип нагревателя: закрытый (изолированный), открытый или полуоткрытый. В моделях до 1000 гр., как правило, используются закрытые нагревательные элементы. Материал камеры предотвращает воздействие продуктов термообработки на нагревательные элементы и обеспечивает равномерный прогрев объема камеры. Но для достижения более высоких температур, используются открытые или полуоткрытые нагревательные элементы. Нагрев камеры происходит, как правило, с трех или четырех сторон.

— Тип терморегулятора. Как правило, при проведении рутинных лабораторных работ требуется нагрев до определенной температуры и поддержания в течение определенного времени. В таком случае можно выбрать модель с простым (иногда называют базовым) одноступенчатым терморегулятором. Если же модель будет использоваться в исследовательских научных целях, возможно потребуется более сложных программируемый многоступенчатый терморегулятор, который позволит задавать поэтапное изменение температуры, время выдержки, скорость изменения температуры. Очевидно, что модели с программируемым терморегулятором, при равных прочих характеристиках, будут иметь значительно выше цену, чем с обычным цифровым регулятором.

— Наличие специальной системы подачи воздуха и отвода продуктов сгорания (принудительная вентиляция). Данная опция необходима при проведении исследований, в ходе которых интенсивно выделяются продукты сгорания, например в процессе озоления проб. Для размещения муфельной печи в лаборатории используют специальные вытяжные шкафы.

— Материал нагревательной камеры: керамика или термоволокно. Камера из керамики дольше нагревается, но при этом она более прочная и более химически стойкая. Камера из волокна быстрее нагревается и остывает, что позволяет ускорить работу и сэкономить электроэнергию. Стоимость моделей с камерой из керамики выше, чем из волокна.

— Возможность подключения компьютера. Данная опция предусмотрена в некоторых моделях, но, в основном используется, при проведении научных исследований.

В качестве примера муфельной печи с системой подачи воздуха и отводов продуктов сгорания, можно рассмотреть модель торговой марки СНОЛ.

Перед подачей воздуха в камеру, он подогревается проходя через каналы с электронагревателями. Предварительный нагрев воздуха обеспечивает равномерность распределения температуры в камере. Нагреватели в данной модели изолированные, что позволяет избежать их контакта с выделяющимися в процессе озоления газами, аэрозолями и сажей. Применение изолированных нагревателей положительно сказывается на их сроки эксплуатации. Камера выполнена из керамики, имеет гладкую поверхность, что облегчает ее очистку.

При планировании приобретения муфельной печи, стоит заранее рассмотреть необходимость установки вытяжного устройства, т.к. его монтаж производится непосредственно на предприятии-изготовителе и установить его самостоятельно в последствии не получится.

Для чего необходима муфельная печь

Муфельная печь используется:

1. Для термообработки.

   В термообработку муфельных печей входит (закалка, отжиг, отпуск, нормализация, обжиг).

   Термическая обработка металлов и сплавов в ней производится с целью улучшения их служебных свойств.

2. Для отжига (гомогенизация и нормализация).

   Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

3. Дисперсионное твердение (старение).

   После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

4. Для закалки материала.

   Закалку в муфельной печи проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита (повышение твёрдости). Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.

5. Для отпуска материала.

   Отпуск в муфельной печи необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочность.

6. Для сжигания (озоление).

   Метод применяется тогда, когда имеется специальное задание исследовать объекты биологического происхождения на наличие марганца, меди и некоторых других металлов.

7. Для высушивания.

   Высушивание в муфельной печи — намеренное удаление влаги (обычно воды, иногда — жидкой фракции произвольного химического состава) из материала.

В муфельных печах чаще всего проводят обжиг.

При обжиге керамических изделий в муфельной печи, происходят сложнейшие физико-химические процессы, в результате которых керамическая масса – механическая смесь минеральных частиц – становится камнеподобным материалом – прочным, твердым, химически стойким, с присущими только ему эстетическими свойствами.

Обжиг керамических изделий — это важная и завершающая стадия технологического процесса керамических изделий, конечная и важная стадия любого керамического производства.

Так же обжиг применяют ювелиры для обжига ювелирных и художественных изделий из цветных металлов.

При обжиге сырца в муфельной печи образуется искусственный каменный материал, который в отличие от глины не размывается водой и обладает относительно высокой прочностью. Это объясняется физико-химическими процессами, происходящими в глине под влиянием повышенных температур.

При нагреве в муфельной печи сырых керамических изделий до 110 градусов удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной. Суммарные затраты на обжиг достигают 35-40 % себестоимости товарной продукции.

Лабораторная муфельная печь предназначена для лабораторных анализов (купелирование).

Лабораторные анализы — окислительное плавление сплава свинца с золотом или серебром с целью выделения их в чистом виде.

Купелирование в муфельной печи основано на том, что свинец и другие неблагородные металлы при высокой температуре легко окисляются кислородом воздуха, тогда как золото и серебро не изменяются.

Возможные проблемы при создании печи

При изготовлении устройства сложности возникают с подбором материала и монтажом системы контроля за температурой.

Неправильно выбранные материалы приводят к быстрому разрушению муфеля.

Так, некоторые мастера из экономии используют кирпич низкого качества, глиняно-песчаный раствор вместо шамотного. Это приводит к появлению трещин в муфеле и потере тепла.

Потрескавшийся муфель на время заделывают раствором шамотной глины. Камеру нужно вынуть и заменить на новую.

Если печь подключают к сети без терморегулятора, температура в муфеле не контролируется. Это приводит к порче изделий, которые требуют обжига при заданной температуре.

Для решения проблемы следует приобрести терморегулятор и электрическое оборудование, собрать блок управления и подключить его к нагревательным элементам муфеля.

Для удобства сборки его лучше изготовить со съемными передней и задней крышками, которые крепятся на винтах. К передней крышке крепится на петле дверца, которая должна откидываться горизонтально. На дверце при помощи двух болтов через асбестовые прокладки устанавливается керамический элемент, а зазоры заделываются глиной.

Концы нихромовой проволоки выводятся к задней крышке корпуса. На оба вывода должны быть нанизаны керамические изолирующие «бусы». Проволока присоединяется к штырьковому разъему. Такие разъемы, а также изолирующие «бусы» можно взять от старых электроприборов. К разъему будет присоединен стандартный шнур с вилкой для включения в электрическую сеть.

Все свободное пространство между нагревательными элементами и корпусом следует плотно забить асбестовой крошкой. Кроме того, в конструкции печи должна быть предусмотрена клемма заземления.

Для удобства работы в нагревательной камере нужно сделать два небольших отверстия: одно на задней стенке диаметром 10 мм – для установки термопары, другое на дверце диаметром 18–20 м – для наблюдения за внутренним пространством печи во время работы. Оба отверстия должны быть снабжены закрывающими металлическими шторками.

На дно рабочей камеры следует положить пластину-подкладку из тонкой нержавеющей стали 0,5–0,8 мм.

Печь рассчитана на 220 В переменного тока. Разогревается до максимальной температуры 950 градусов в течение часа. Вес печи около 10 кг.