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.
- Во-первых, она изолирует материал от продуктов сгорания топлива (газов, золы, смол).
- Во-вторых, керамика обеспечивает равномерный подвод тепла внутрь камеры.
Таким образом, муфельные печи могут служить устройствами для осуществления производственных процессов и лабораторных исследований.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
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:
- 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.
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:
- Тип нагрева.
- Назначение.
- Вид конструкции.
- Защитная среда.
- Масса материала.
- Объем муфельной камеры.
- Температура нагрева.
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.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
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:
- 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.
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.
