Муфельные печи для обжига керамики, как они работают

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:

• рабочую камеру;
• корпус;
• нагревательные 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:

• Можно с большой степенью точности задавать нужную температуру;
• Электроника позволяет задавать время включения и выключения нагревательных элементов;
• Мастер получает возможность снимать показатели температуры в любой момент времени;
• Появляется возможность программировать сложные циклы нагрева и остывания муфелей.

Классификация муфельных печей

Изделия классифицируются по трем признакам – используемое топливо для разогрева камеры, форма самого аппарата, и используемый термообрабатывающий состав. По виду топлива делятся на:

Схема печи

• электрические;
• газовые;
• угольные.

Эксплуатация промышленных газовых моделей обходится почти в 4 раза дешевле, чем электрических, за счет значительной экономии энергии. Что касается печей, которые собираются в домашних условиях, то газовые варианты практически не встречаются  из-за опасности подключения. Для угольных вариантов необходимо использование наддува, что сказывается на их компактности.

Идеальным вариантом является использование электричества за счет его безопасности и возможности точной регулировки создаваемой температуры. Мощность компактных муфельных печей не превышает 4-5 кВт, поэтому для их работы достаточно заземленной силовой розетки и надежного провода.

По форме печи нагревательные делятся на следующие виды:

• горизонтальные;
• вертикальные (шахтная печь);
• трубчатые;
• колпаковые.

Чертеж горизонтальной печи

При сборке муфельных печей в домашних условиях чаще всего выбирается первый вариант из-за простоты и надежности реализации.

По используемому составу подразделяются на:

• воздушные;
• вакуумные;
• использующие инертные газы.

Воздушная печь

В домашних условиях возможно изготовить только воздушный вариант.

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:

• Закалка, отпуск, отжиг, нормализация металла, а также другие способы его термообработки.
• Обжиг изделий из керамики.
• Озоление органических образцов.
• Кремация.
• Купелирование руд для определения наличия в них благородных металлов.
• Синтез и выращивание монокристаллов.
• Проведение лабораторных исследований.
• Плавление драгоценных металлов в ювелирном производстве.
• Сушка.

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.

Критерии выбора

Выбирая муфельную печь, нужно основываться на ее предназначении и условиях будущей эксплуатации. Прежде всего нужно обратить внимание на рабочий объем муфеля, тип нагревательного элемента, возможные температуры, потребляемый ток и общую функциональность.

Допустимые нагрузки и режимы температур

Все печи по мощности делятся на две группы:

• до 5 кВт — питаются от бытовой сети в 220 В
• от 6 кВт и более — им нужна трехфазная сеть на 380 В

В обоих случаях линия питания должна быть выделенной и оснащенной индивидуальными средствами автоматической защиты.

По температурным режимам печи могут быть до 900 градусов — это специализированные на обжиге керамики устройства, имеющие значительный внутренний объем. Также муфели могут иметь рабочую температуру от 1200 до 1600 градусов — наиболее универсальные для лабораторий и производственных мастерских устройства.

Функциональность

Под функциональностью подразумеваются прежде всего габариты, вес устройства, способ загрузки материала и наличие дополнительных функций. Под последними понимается прежде всего возможность максимально точного контроля температуры и управления ее изменением в автоматическом режиме. Все перечисленное должно отвечать особенностям производственного или исследовательского процесса, в которых предполагается задействовать муфель.

Спираль для нагрева и рабочий объем камеры

Нагревательный элемент чаще всего имеет вид спирали с диаметром витков около 0.5-1 см. Толщина самой проволоки от 2.5 до 3-4 мм. Размещается она в особых канавках по поверхности всех стенок и дна муфеля. Крепеж, предохраняющий спирали от провисания, выполняется из керамических трубочек или шпилек. На дно устанавливается опорная решетка для тигеля из термостойкой стали.

В среднем рабочий объем муфеля равен 10-30 литрам. Большие объемы имеют устройства, специализированные на сушке и обжиге керамики (до 100-200 литров).