Муфельная печь для чего используется
Муфельные печи для обжига керамики, как они работают
Муфельные печи – отнюдь не современные устройства. Идея создания печей для обжига керамики и термической обработки металла или стекла зародилась достаточно давно.
Основная особенность муфельной печи заключается в возможности нагрева материала опосредованным путем, то есть без прямого контакта с пламенем или иным источником тепла.
Основу конструкции составляет муфель – керамическая емкость, выполняющая сразу несколько функций.
Таким образом, муфельные печи могут служить устройствами для осуществления производственных процессов и лабораторных исследований.
Современные печи работают от электричества. На первый взгляд может показаться, что при наличии электронагревателей необходимость керамической капсулы отпадает, но это ошибочное мнение. Обжиг керамики или термообработка металлов являются сложными процессами, и необходимые условия их реализации можно создать только в муфельных печах.
Из истории возникновения
История знает один очень интересный факт, связанный с появлением муфельных печей. Их родиной считается Франция, однако здесь не обошлось без российских умельцев. Известный каретный мастер Жанто, занимающийся изготовлением экипажей для знати и королевского двора, в конце 17 века изобрел рулевую трапецию. Слабым звеном в конструкции являлась ось поворотного шкворня, которая постоянно ломалась.
Однажды к мастеру обратился российский дворянин с заказом роскошного экипажа от имени Петра I. Этот экипаж должен был достаться в подарок одному азиатскому хану. Первым делом заказчик обратил внимание на прочность оси и, не получив удовлетворения, подсказал мастеру способ изготовления прочных материалов.
Задача мастера заключается в том, что поверхность оси необходимо цементировать. Заготовка по всей толщине обладает разными показателями прочности. Снаружи она покрывается твердой каленой коркой, а внутри остается достаточно вязкой. Подобное цементирование возможно произвести только в специальной печи, где достигается высокая температура.
Первая муфельная печь (muffla — муфта, глиняный ящик) изготавливалась из глины. В состав материала для цементирования добавлялись измельченные в порошок рога крупного скота. Поначалу такая печь имела определенную область применения, поэтому называлась системой сооружения осей.
Область применения муфельных печей
Сегодня муфельная печь – достаточно востребованное устройство. Она применяется в различных производственных сферах. Важной особенностью муфельной печи является возможность регулировать температуру, достигать высоких значений температуры, изолировать материал от воздействия внешних факторов. В печи производят не только термическую обработку материалов. Они пригодны для хранения образцов, если заданы определенные температурные условия.
Можно выделить основные области применения муфельных печей:
Также муфельные печи нашли применение в стоматологии. Качественные металлокерамические конструкции, используемые в протезировании, получаются только в подобных печах, где каждое изделие равномерно прогревается до высоких температур.
Виды муфельных печей
Существует несколько классификаций печей, так как в определенных областях одни факторы являются решающими, а другие – нет. К таким факторам относят следующие характеристики:
По типу нагрева муфельные печи подразделяются на газовые и электрические. Электрические варианты практически вытеснили газовые устройства, так как считаются более практичными. Кроме того, удельная теплота сгорания газа ограничена, а при помощи электроприборов можно добиться высоких температур.
По назначению муфельные печи делятся на лабораторные (мобильные устройства для проведения научных исследований), промышленные (стационарные устройства, установленные на промышленных предприятиях), ювелирные (используются для обжига керамики или плавки драгоценных металлов), учебные.
Разделение печей по виду конструкции основано на их функциональности и вариации способов загрузки материала. Выделяют печи вертикальной или горизонтальной загрузки, трубчатые печи, служащие для поверки термопар, а также колпаковые печи, предназначенные для обжига крупных деталей.
В колпаковой печи деталь помещается на отдельный под, выполненный в виде поддона. Сверху, как колпаком, она накрывается муфелем, оснащенным нагревательными элементами.
Самый простой по конструкции вид – камерные печи. Одна из стенок камеры является дверцей, через которую загружают и выгружают материал. Нагревательные элементы расположены на остальных стенках в специальных канавках. Шахтные или горшковые печи по своей сути похожи на перевернутые колпаковые печи. Материал загружается в углубление муфеля и сверху накрывается плоской крышкой. Наиболее сложные – тоннельные печи. Они оборудованы конвейером или интегрированы в конвейер.
Температурный режим в муфельной печи провоцирует нежелательные химические реакции на поверхности обрабатываемого материала. С этой целью обжиг деталей производится в защитной среде. От типа среды зависит устройство печи. Воздушные печи – самые простые по своей конструкции. В них нагревание происходит в атмосферном воздухе. Печи с газовой защитой позволяют производить нагрев в среде аргона, водорода, гелия и других газов. Бывают и вакуумные печи. В них нагрев детали производится в вакууме.
В некоторых случаях целесообразно классифицировать печи по их характеристикам. Важнейшая характеристика – объем муфеля. Самодельные или фабричные печи отличаются объемом, который может варьироваться от 1 до 100 литров. Обычно объем выбирается при конструировании печи с учетом области ее будущего применения. Еще одна важная характеристика – мощность печи. Она характерна как для электрических нагревателей, так и для газовых печей. При покупке или изготовлении муфельной печи важно учитывать тип электропитания, то есть в однофазную или трехфазную цепь включается устройство.
Устройство и принцип работы
Муфель является основным рабочим элементом печи. Он представляет собой резервуар, выполненный из керамики или специального волокна. Форма резервуара зависит от функционала печи, но обычно муфель изготавливают в виде полуцилиндра. Нагревательные элементы укладываются в специальные канавки, сделанные в стенках муфеля. Они не соприкасаются с обрабатываемым материалом, что служит одной из особенностей такого вида печей.
Печи для обжига керамики оснащены стационарным муфелем. Некоторые виды устройств имеют внешние нагреватели и сменный муфель. Во всех случаях материал, подлежащий нагреванию, защищен от прямого воздействия излучения. В свою очередь, нагреватели не покрываются выделяющимися в процессе нагрева агрессивными частицами и парами.
В строении муфельной печи можно выделить следующие ключевые элементы:
В рабочей камере происходит термическая обработка материала. Именно она изготовлена из огнеупорной керамики и называется муфелем. Корпус выполняет эстетическую функцию и функцию изолятора. Благодаря теплоизоляционной прослойке, печь внутри муфеля сохраняет высокую температуру длительное время и обеспечивает медленное и равномерное остывание материала. Например, при обжиге керамики материал и печь должны охлаждаться до температуры в 400 градусов медленно, в течение нескольких часов. В противном случае на изделии будут образовываться трещины, а сама печь выйдет из строя.
Строение муфельной печи не оставалось неизменным и с течением времени претерпело некоторые видоизменения. Неизменной оставалась лишь основная суть ее работы. Конструкция должна обеспечить изолирование материала от внешней среды, а также равномерное нагревание по всему объему. Система вентиляции устроена так, что выделяемые при нагревании вредные вещества выводятся из камеры. Постоянство температуры обеспечивает естественная или принудительная конвекция. Нагреватели могут быть разных размеров и принимать различную форму. Они устанавливаются по всему периметру муфеля. Здесь важно рассчитать, какое именно количество теплоты необходимо получить для термообработки того или иного материала.
Нагреватели отличаются по конструкции, материалу изготовления и способу обустройства. Они бывают трубчатыми, ленточными или спиральными. В качестве материала используется, в основном, нихром, вольфрам, фехраль или никелин. Принято различать всего два типа устройства нагревателей – открытые и закрытые. Особую популярность получили нагревательные элементы, выполненные в виде спирали из нихрома.
Современные муфельные печи оснащаются модулями управления, позволяющими регулировать температурный режим. Первые регуляторы были механическими или аналоговыми. Со временем они стали вытесняться программируемыми электронными блоками. У электронных регуляторов температурного режима есть определенные преимущества:
Как происходит обжиг керамики в муфельной печи
Можно рассмотреть пример работы с электрической муфельной печью при обжиге керамики. Загружать материал в муфель следует таким образом, чтобы было задействовано максимальное пространство рабочей камеры. Для этого производят пробную загрузку на специальном рабочем столе. Уложив все элементы, мастер определяет требуемые габариты, следовательно, количество задействованных огнеупорных полок. Чтобы увеличить срок службы муфеля, рекомендуется перед первым применением покрыть полки (лещадки) раствором каолина. Порошок каолина разводится в воде и полученная смесь наносится на лещадки с помощью кисточки.
Важно помнить, что плотность глазурованных и неглазурованных изделий различна, поэтому внизу должны находиться более тяжелые элементы, а легкие размещаются сверху.
Можно допускать соприкосновение неглазурованных изделий. Если обжигаются толстые черепки в виде плиток, то их ставят на ребро. Расстояние между черепками или расстояние до нагревательных элементов не должно быть меньше 2-3 см. В противном случае неизбежна деформация изделий. Глазурованные элементы размещают в муфеле на специальных подставках, чтобы они не соприкасались друг с другом.
На этапе обжига изначально ведется медленное повышение температуры. Это обусловлено тем, что заготовки в течение нескольких часов досушиваются. Происходит выпаривание связанной воды. Температура в муфеле повышается до 200 градусов. Процесс досушки происходит при открытых технологических отверстиях, чтобы выходила испарившаяся влага. Занимает данный этап около 1 часа времени.
Далее температура более высокими темпами поднимается до 300-500 градусов. Но при прохождении границы в 600 градусов следует проявлять осторожность и бдительность. Дело в том, что при этой температуре происходит диссоциация глинистого вещества, в результате которой интенсивно выделяются пары, образовавшиеся из химически связанной воды. Пары выходят под большим давлением, поэтому велика вероятность разрыва изделий, даже высохших. Вторым фактором, заставляющим снизить темп повышения температуры, является резкое расширение кварца.
Следующая температурная ступень составляет 570-600 градусов. Керамические изделия выдерживаются в данном температурном режиме около 30 минут. Скорость повышения температуры может быть высокой, тем не менее, необходимо соблюдать установленную выдержку, чтобы материал нагрелся по всему объему. При последующем обжиге соблюдается скорость нагрева 150 градусов/20 минут.
Важным этапом работы с керамикой является охлаждение печи. Считается, что печь должна остывать примерно столько же по времени, сколько длилось ее нагревание. В противном случае на заготовках будут образовываться трещины. Резкое охлаждение негативно влияет на керамику самого муфеля. Опытные мастера советуют снижать температуру до 450-400 градусов в течение нескольких часов. Необходимо помнить, что чем больше масса заготовки, тем более количество теплоты она отдаст при остывании. Дверцу муфеля не следует открывать, пока в рабочей зоне не восстановится температура 200 градусов. Разгрузка муфельной печи производится при температуре не выше 60 градусов. Приведенная схема не является единственной, но в других алгоритмах также предусмотрено постепенное изменение температурного режима.
Муфельные печи: особенности, сфера применения, как выбрать печь
Муфельная печь — это печь особой конструкции, в которой нагреваемый предмет не контактирует с веществами, выделяющимися при сгорании топлива (газами, сажей, копотью). Для этого используют так называемый муфель — огнеупорную камеру, выполняющую роль преграды между топливом и нагреваемыми объектами. Муфель обычно изготавливают из огнестойкого кирпича, керамического волокна или жаропрочной стали. Благодаря муфелю удается избежать загрязнения дорогих металлов или химически чистых образцов посторонними веществами.
Достоинства муфельных печей:
— широкий разброс размеров, можно подобрать печь необходимого объема;
— регулируемый и широкий диапазон рабочих температур;
— равномерный нагрев.
Типы печей
Муфельные печи можно классифицировать по разным параметрам.
1. По типу нагревательного элемента:
— газовые;
— электрические.
2. По типу обработки:
— с обычной воздушной камерой;
— с камерой, заполненной определенным газом (возможны различные варианты, так как это печи для специальной обработки в газовой среде);
— вакуумные печи.
3. По способу загрузки:
— с горизонтальной загрузкой;
— вертикальной загрузки;
— трубчатые;
— колпаковые (для очень больших деталей, когда колпак легче переместить к детали, а не найти печь с камерой подходящего размера).
4. По величине нагрева:
— печи умеренного нагрева рассчитаны на температуру 100-500 °С;
— среднего нагрева — 400-800 °С;
— высокотемпературные печи нагревают в диапазоне 400-1400 °С;
— печи со сверхвысоким температурным режимом способны обеспечить нагрев до 2000 °С.
5. По назначению:
— промышленные (объемом рабочей камеры более 500 л);
— лабораторные;
— ювелирные;
— стоматологические;
— учебные.
Муфельные печи используются:
— в ювелирном производстве;
— для купелирования благородных металлов;
— в геофизических лабораториях;
— в химических лабораториях;
— для таких аналитических работ как сжигание, высушивание, нагрев, выращивание кристаллов;
— для обжига керамических и фарфоровых изделий;
— для производства предметов из воска;
— для плавки и закалки металлов, обжига литейных форм;
— в стоматологии;
— в пищепроме;
— для кремации.
Как выбрать печь
В первую очередь, нужно решить, какой температурный диапазон и объем рабочей камеры должен быть у печи. Потом определите, насколько для вас важна скорость нагрева и насколько сложным может быть алгоритм нагрева. Другие важные параметры выбора: стоимость, равномерность и скорость прогрева камеры, безопасность. Печи с вертикальной загрузкой нагреваются быстрее. Зато горизонтальные печи в несколько раз вместительнее.
Печи с открытым нагревательным элементом нагреваются быстрее и до более высокой температуры. В тоже время, такой нагревательный элемент больше подвержен воздействию агрессивных веществ, которые выделяются при обработке предметов, но и ремонтировать открытый элемент проще. Муфельные печи с закрытым элементом служат дольше, нагреваются равномернее, но медленнее, и для ремонта нагревательного элемента придется заменить всю камеру, так как он встроен в муфель.
Самыми простыми являются печи с одноступенчатым терморегулятором, когда камера нагревается до определенной температуры и далее эта температура поддерживается на постоянном уровне. Такие печи, например, подходят для простых задач обжига и сушки. Для аналитических работ лучше выбрать печь с программным управлением, такую как ЭКПС 10. Печи этого типа позволяют программировать процесс нагрева в несколько этапов. Они управляются микропроцессором, снабжены цифровым индикатором для настроенных параметров, звуковым сигнализатором; есть возможность запускать программу в автоматическом режиме.
Что такое муфельная печь и как с ней работать
Многие сферы производства сталкиваются с необходимостью нагрева сырья/заготовок до высоких температур. Нагрев востребован и в ремонтных мастерских. Подавляющее большинство материалов не рассчитано на нагрев открытым пламенем. Применение открытого огня считается признаком дурного тона и показателем низкой культуры производства. Для нагрева материалов принято использовать муфельные печи.
Впервые муфельная печь использовалась на рубеже XVII-IIXX веков. Ее изобрел известный французский инженер Жанто, специализирующийся на изготовлении карет и конных повозок. Первая муфельная печь использовалась для закалки осей и элементов подвески элитных карет.
Муфельная печь – изолированная нагревательная камера, которая применяется для плавки и закалки металлов, обжига керамики, стерилизации инструментов/посуды, подготовки лабораторных образцов и пр. Главной особенностью данного типа печей является нагрев материала в изолированной среде. Сама камера защищена со всех сторон, кроме переда, муфельной оболочкой. Содержимое камеры не контактирует ни с открытой атмосферой, ни нагревательным элементом.
Нагрев в изолированном муфеле дает возможность проводить высококачественную термообработку материалов. Нагреваемые предметы сохраняют свой изначальный состав, при условии существенного улучшения структуры. Повышение качественных характеристик структуры достигается путем медленного нагрева, длительной выдержки и охлаждения с регулируемой скоростью.
Нижэе будет рассказано, как выбрать муфельную печь.
Разновидности муфельных печей
Современные нагревательные печи с муфельной конструкцией представлены широким видовым разнообразием. Можно насчитать сотни модификаций муфельных печей. При этом муфельные нагреватели имеют достаточно узкую специализацию. Печи данного типа приобретаются в основном под конкретно взятые технологические операции.
Хотя встречаются и «универсальные» модели, но их возможности не уходят далеко от потенциала узкоспециализированных аналогов.
В первую очередь муфельные печи можно классифицировать по методу нагрева:
Существует мнение, что газовые печи обеспечивают возможность нагрева муфеля до более высокой температуры. Есть газовые муфели с нагревом до 2000 ˚С. Классические же электрические нагреватели позволяют добиваться в среднем температуры 1300 ˚С.
Но в электрические печи все чаще и чаще внедряются современные технологии, дающие возможность выходить на аналогичный с газовыми моделями температурный режим. При использовании специального волокнистого нагревательного материала, который доходит до поверхностного слоя муфельной изоляции, температуру печи можно повысить до 1700 ˚С и даже более того.
Разумеется, в некоторых мастерских и производственных площадках находится место старым твердотопливным печам. Муфели данного типа нагреваются обыкновенной дровяной/угольной топкой. Главным преимуществом твердотопливных муфелей является существенное снижение финансовых затрат на энергоноситель.
В прошлом муфельные печи для нужд производства топились отходами деревообрабатывающей промышленности. В данном случае стоимость самого процесса термообработки можно считать нулевой.
Но в твердотопливных муфелях есть один существенный минус. Такие печи не позволяют регулировать на тонком уровне температурный режим. То есть обыкновенной дровяной топкой сложно добиться стабильности нагрева. Этот момент крайне важен, так как современные технологии термообработки предполагают соблюдение температурного режима с точностью до ±1 ˚С.
Какие еще виды муфельных печей существуют.
Классификация по типу рабочей среды
Муфельные печи могут обеспечивать нагрев заготовок в различных средах:
Простейшим видом муфельных печей являются нагреватели с традиционной воздушной камерой. Камера нагрева в таких печах представлена просто полым пространством, в которое помещается заготовка.
Во многих случаях наличие воздуха не является критичным для термообработки. Но все же существуют некоторые технологические операции, для которых наличие воздуха в камере нагрева либо нежелательно, либо недопустимо.
При закалке многих марок стали и различных сплавов воздух вступает в реакцию с поверхностным слоем металлов, что ухудшает эксплуатационные характеристики заготовок. Специально для таких случаев разработаны печи с подачей в камеру нагрева инертных газов или углекислоты. Нейтральный газ вытесняет воздух, создавая надежную защитную прослойку.
Печи, которые приспособлены для плавки металлов нередко оснащаются камерой нагрева с вакууматором. Расплавленный в условиях вакуума металл обретает особо качественную структуру. В вакууме часто плавят алюминий.
Дополнительно муфельные печи с разнотипными камерами нагрева нередко оснащаются вытяжкой. Вентиляция отводит из камеры нагрева продукты сгорания, влагу и прочие испарения, наличие которых нежелательно при термообработке.
Как выбрать муфельную печь по температуре нагрева.
Температура нагрева муфельной печи
При выборе муфельной печи в первую очередь следует обращать внимание на температурный режим камеры нагрева. Ведь от температуры напрямую зависит область использования нагревательной установки.
Очень часто муфельные печи используются для плавки металлов и сплавов. Если мастер имеет дело с какой-то определенной группой металлов, то нет смысла переплачивать за печь с более высокой температурой нагрева.
Ювелиры чаще всего сталкиваются с необходимостью плавки:
Температура плавки серебра составляет 960,8 ˚С. Золото плавится при температуре 1063 ˚С. Медь является немного более тугоплавкой, для нее нужно 1083,4 ˚С. Если же ювелир использует в украшениях платину, придется брать более мощную печь, ведь этот металл плавится при температуре 1768 ˚С.
Касательно платины, этот металл редко плавят в муфельной печи. Из-за повышенного порога температурной стойкости для плавки патины чаще всего используют индукционные печи, а иногда и тигельные нагреватели.
Если мастер имеет дело с плавкой железа (сталь или чугун), то печь должна нагреваться до 1539 ˚С. Для плавки свинца и алюминия можно использовать нагреватели попроще. Свинец начинает «плыть» уже при температуре 327,5 ˚С, а алюминию нужна температура 660,1 ˚С.
Нередко муфельные печи используются просто для термообработки металлических заготовок, а не для их расплава. Термообработка по большей части предназначена для изделий из стали. В качестве термообработки могут использоваться следующие технологические операции:
Непосредственная закалка стали проводится при температуре 1000-723 ˚С. Но процессу закалки обычно предшествует отжиг и нормализация, которые проводятся при температуре 1000—1130 ˚С. Благодаря отпуску сталь избавляется от внутренних напряжений, данный вид температурной обработки проводится в диапазоне нагрева 800-500 ˚С.
Стоит отдельно заметить, что для закалки стальных заготовок металл подвергается нагреву в защитной среде. Для удешевления производства вместо инертных газов могут использоваться жидкости. Закалка стали нередко производится в масле и растворе едкого натра (каустическая сода).
Что еще нужно знать про виды муфельных печей.
Конструкция муфельной печи
Основу муфельной печи составляет изолированная от источника тепла камера нагрева, то есть муфель. Сам муфель – это полая оболочка прямоугольной формы. Оболочка чаще всего является керамической, а иногда шамотной. Но могут использоваться и другие материалы.
В крупносерийном производстве используются печи со съемным муфелем. В данном случае после нагрева материала до определенной температуры муфель извлекается и отправляется охлаждаться в другое место. Вместо него в печь загружается другой муфель, с новой заготовкой внутри, цикл термообработки повторяется.
Касательно электрических печей, то муфель обмотан снаружи тепловым нагревательным элементом. Это может быть проволока или лента из вольфрама, молибдена, различных жаростойких сплавов.
В промышленных муфельных установках, которые используются в дорогостоящем производстве, нагревательным элементом может выступать платина и ее сплавы.
Сам нагревательный элемент обычно защищается отдельно. Он просто замазывается жаростойким цементным раствором, образуя с муфелем единую конструкцию. Между муфелем и наружным корпусом печи обязательно предусматривается пространство, которое заполняется негорючей минеральной ватой. Слой изоляции предотвращает нагрев печного корпуса до опасно высокой температуры.
Управляет температурным режимом электроника. На панель управления выносится регулятор температуры. В муфельных печах продвинутого класса имеется LCD-экран.