Введение
Актуальность. Развитие творчества на уроках технологии (умение создавать что-то новое ориентируясь на свои знания и воображение) у детей одна из самых важных целей образования. Для этого в кабинетах труда есть множество “инструментов” (для обработки дерева, металла).
Я же хочу рассказать про редко встречающийся “инструмент” – Муфельная печь. С помощью это печи можно обрабатывать керамику в множество разновидностей (посуда, эстетические предметы обихода (статуэтки, рамки и т.д.) и т.д.). Для выполнения таких изделий ученики при (должной активности учителя!) должны будут задействовать свое воображения для эскиза, а затем и чертежа своей работы. Также есть межпридметное взаимодействие процессы, происходящие при обработки керамики (химия), чертёж (черчение).
Что такое муфельная печь и её устройство
Муфельная печь и её разновидности
Описание и история изобретения
Муфельная печь - это устройство, внешне напоминающее лабораторный сушильный шкаф и предназначенное для термической обработки различных изделий и образцов. Особенность ее в том, что нагреваемый или обжигаемый в ней предмет не контактирует с продуктами горения, и таких образом образцы или металлы предохраняются от загрязнения посторонними веществами.
История создания муфельных печей уходит в XVII - XVIII века. В то время во Франции жил известный каретный мастер Жато, который занимался изготовлением экипажей и карет для знати и богачей. Жато изобрел рулевую трапецию для экипажей, но ее оси все время ломались и ему никак не удавалось протестировать ее. Но к счастью, в тот период к мастеру обратился русский дворянин с заказом от самого Петра Первого. Он посоветовал мастеру сначала сильно обжечь железо в печи с применением цементирующих веществ, и только затем производить его закалку. Жато последовал совету русского вельможи, и таким образом его изобретение стало удачным. После этого случая подобные печи начали широко применяться и получили название муфельных.
|
|
Современное применение
На сегодняшний день применение муфельных печей и сушильных шкафов отнюдь не ограничивается промышленным использованием. Муфельные печи широко распространены в медицинских, фармацевтических, химических лабораториях и заводах, а также в стоматологии. Их используют для озоления проб спекания (превращение их в золу без сжигания) с целью выявления в пробах марганца, меди и некоторых других металлов. Также они применяются для быстрого высушивания лабораторных образцов, стерилизации медицинского инструментария, нагрева, закалки и обжига материалов в воздушной среде. Кроме того, в муфельных печах проводится лабораторный анализ - окисление и плавление сплавов свинца с золотом или серебром для отделения драгоценных металлов.
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.
Области применения Муфельные печи:
1. Металлургическое производство и исследования в металлургических лабораториях. В муфельных печах разного размера проводят термическую обработку деталей из различных сплавов — закалку и отжиг, отпуск и состаривание. Также в муфелях проводят насыщение поверхности углеродом, азотом, алюминием, кремнием, другими элементами (цементирование, азотирование, цианирование, диффузная металлизация — хромирование, алитирование).
Муфельная печь на металлургическом производстве
2. Переплавка золота и цветных сплавов, при которых недопустимо насыщение сплава посторонними примесями. В такой переплавке необходимо ограничить контакт сплава с продуктами горения или с продуктами окисления нагревательных элементов.
Переплавка металла в муфельной печи
3. Обжиг керамики — используется в процессе производства керамических изделий (посуды, скульптурных украшений из глины). Высокотемпературный обжиг обеспечивает прочность керамической поверхности и её водостойкость.
Обжиг керамики в муфельной печи
4. Сушка электропроводящих материалов и элементов.
Сушка материалов в муфельной печи
5. Стерилизация инструмента (в медицине).
Стерилизация инструмента в медицине
6. Сжигание (кремация).
Кремация в муфельной печи
.2Устройство муфельной печи
Сразу нужно определиться с тем, что же такое муфель, чтобы в дальнейшем не возникало вопросов по названию прибора. Итак, под этим термином понимают закрытую камеру, в которой создается необходимая для того или иного технологического процесса температура, но при этом исключается контакт обрабатываемого материала с самим топливом или с продуктами его сгорания. В случае с электричеством продуктов сгорания уже не может быть просто по определению, но все же название «муфельная печь» прижилось – их за сходности технологических операций, выполняемых с помощью такого оборудования.
Муфельная печь может иметь разную конструкцию. При создании ее электрического варианта используются те или иные нагревательные элементы, в зависимости от того, какая температура должна быть достигнута в рабочей камере. Как правило, диапазон температур лежит в диапазоне от 200 до 1000÷1100 градусов — этого бывает достаточно для качественного обжига керамики, плавления или закалки многих металлов. Но в некоторых случаях необходимо достичь нагрева и до 1300÷1500 градусов — правда, такие печи уже обычно используются в производственных или лабораторных условиях.
Пример распространённой конструкции муфельной печи.
· Нагревательная камера изготавливается из шамотного огнеупорного кирпича или же плит ШПГТ-450, устойчивых к экстремально высоким температурам и химически нейтральных к воздействию щелочей или кислот. Плиты более удобны в использовании, так как имеют достаточно большие линейные размеры. Поэтому, в отличие от кирпича, из одной плиты можно сразу изготовить одну стенку камеры. Кроме того, они обладают оптимальной для подобных условий эксплуатации толщиной, составом и структурным строением, что позволяет быстро нагнетать и поддерживать внутри печи необходимую температуру.
· Для снижения теплопотерь с наружной стороны муфельная камера оборачивается теплоизоляционным жаростойким материалом. Чаще всего для этой цели используется минеральная вата на базальтовой основе, как самая устойчивая к спеканию. Сокращением теплопотерь повышается КПД прибора — печь значительно быстрее нагревается, дольше удерживает высокие температуры и расходует при этом меньше энергии из внешнего источника.
Если для формирования камеры используется шамотный кирпич, то теплоизоляционный слой делается толще. Это и понятно — плиты обладают более высокими термоизоляционными характеристиками и имеют меньшее количество стыковочных швов, которые также часто являются причиной теплопотерь.
Ранее для изоляции муфельной камеры широко использовался асбест. Сегодня же его практически не применяют по двум причинам – он при нагревании выделяет довольно значительное количество вредных веществ, и, нагреваясь до температуры в 1000 и более градусов, теряет свои внутренние связи, постепенно превращаясь в крошку.
· В качестве нагревательного элемента, устанавливаемого внутри камеры, чаще всего используется спираль. При самостоятельной сборке печи и спираль обычно изготавливают своими силами из специальной проволоки, о характеристиках которой будет сказано ниже.
· Для муфельной камеры с помощью сварки изготавливается металлический каркас из стального уголка, который после монтажа в него утепленной муфельной камеры обшивается металлическим листом толщиной в 1,5÷2 мм.
· Дверца камеры должна иметь такую же толщину, что и стены, а также дополнительно оснащена слоем термоизоляции, например, из той же минеральной ваты. Кроме того, на дверцу устанавливается надежный запор, который будет плотно прижимать ее к передней части нагревательной камеры. В качестве запора используются задвижки, закрутки, притягивающие крюки и другие подобные приспособления.
Монтируются дверцы на навесные петли, которые фиксируются на каркасе с помощью сварки. Дверца может быть распашной, откидной или даже съемной, если, например, предполагается изготовить печь, открывающуюся сверху. Последний вариант скорее можно назвать крышкой, нежели дверце. Он довольно удобен в эксплуатации, но вот практичным его никак не назовешь — при снятии крышки камера сразу открывается по все длине, что способствует быстрой и массовой утечке выработанного тепла.
· Для электрического варианта муфельной печи одним из важнейших ее узлов является система управления прибором, включающую в себя достаточно много элементов. Имеет достаточно сложнуюконструкцию, которая собирается согласно проведенным расчетам по заранее составленной схеме. Впрочем, нет недостатка и в готовых решениях этой проблемы.
3Проведение расчетов электрического нагревателя для самодельной муфельной печи
В связи с тем, что эту часть конструкции можно назвать самой сложной, ее расчетам и сборке стоит посвятить отдельный раздел статьи.
Для проведения подобных расчетов потребуются некоторые исходные данные. К ним относятся размеры создаваемого прибора и его предполагаемая мощность, материал изготовления нагревателя, уровень необходимых температур в муфельной камере, размещение и особенности конструкции нагревательных элементов. Результатом же проведения расчетов станет диаметр используемой для нагревательного элемента проволоки и ее необходимая длина.
Нагреватели для муфельной электрической печи чаще всего делаются спиральными – навиваются из проволоки с высокими показателями сопротивления и термостойкости.
Мощность печи напрямую зависит от размера муфельной камеры и материала, применяемого для его изготовления. Объем камеры определяется самостоятельно, в зависимости от параметров изделий, которыев нее будут помещаться для обработки.
В связи с тем, что стенки муфеля изготавливаются чаще всего шамотного кирпича или из плит ШПВ-350, которые обладают высокими теплоизоляционными качествами, а в качестве дополнительного теплоизолятора используются такие материалы, как муллитокремнеземистый войлок (МКРВ) или минеральная вата на базальтовой основе, можно оперировать некоторыми эмпирическими рекомендациями (то есть обоснованными опытом практического применения подобных конструкций).
Итак, при определении мощности будущей печи можно отталкиваться от размеров муфельной камеры (в литрах) и следующих эмпирических значений удельной мощности (Вт/л):
· Чтобы определить объем камеры в литрах, просто перемножают ее линейные размеры (ширину, высоту и глубину), естественно, с учетом используемых единиц измерения. Не забываем, что 1 литр равен 0,001 м³, или 1 дм³, или 1000 см³, или 1000000 мм³.
· По найденному объему камеры определяем оптимальное значение удельной мощности, умножаем его на объем – и получаем искомую величину мощности печи в ваттах.
Есть нюанс – диапазон указанных значений, указанный в таблице, довольно широк. Можно взять или среднее значение, или применить интерполяцию, то есть в максимальной степени привести к показателю объема.
· Далее нужно найти силу тока, проходящего через нагревательный элемент, для обесечениярассчитанной мощности. Это просто: подставляем значения в формулу закона Ома – и определяем значение силы тока в амперах:
I = P / U.
I – сила тока, проходящего через нагреватель.
Р – определённая выше мощность муфельной печи;
U – напряжение питания. Расчёты проводим в данном случае для однофазной сети, то есть напряжение равно 220 вольт.
Упростим несколько читателю задачу – ниже размещен калькулятор, который позволит быстро и точно найти мощность муфельной печи, исходя из размеров рабочей камеры, и силу тока на нагревательном элементе.