Piece indukcyjne pracujące z metalami: zasada działania, schemat urządzenia domowej roboty, zasady bezpieczeństwa

Opracowane ponad sto lat temu piekarniki indukcyjne są częścią naszego codziennego życia. Stało się to możliwe dzięki rozwojowi elektroniki. Gwałtowny wzrost mocy sterowników wykonanych na bazie półprzewodników krzemowych i pojawienie się w szerokiej sprzedaży tranzystory zdolne do dostarczania dużej mocy (kilka kilowatów) w ostatnich latach nabrały charakteru lawiny. Wszystko to dało ludzkości niewiarygodnie wielkie perspektywy w rozwoju miniaturowych instalacji, porównywalnych mocą z urządzeniami przemysłowymi z niedalekiej przeszłości.

Przeznaczenie i budowa urządzenia

Zastosowanie pieców indukcyjnych w gospodarstwie domowym pozwala uniknąć powstawania ognisk w pomieszczeniu otwarty płomień i jest dość skuteczną metodą topienia i kontrolowanego podgrzewania metali i stopy. Wynika to z faktu, że metal nagrzewa się, nagrzewa i nie topi się pod wpływem wysokiej temperatury palników, a także przepuszczając przez siebie prądy o wysokiej częstotliwości, stymulując aktywny ruch cząstek w strukturze materiał.

Stało się możliwe zaistnieć w życiu codziennym:

• Kompaktowe piece indukcyjne kanałowe, w których można topić metal i wytwarzać różne produkty poprzez odlewanie i struktury, oczyszczają różne stopy szlachetne z zanieczyszczeń i produktów hartowania, nadając im dodatkowe siła.
• Kotły na gorącą wodę, których sprawność już wykracza daleko poza granice konwencjonalnych kotłów.
• Piece do gotowania, które są nie tylko bezpieczniejsze niż gazowe pod względem eksploatacji właściwości, ale także bardziej skuteczny niż niektóre kuchenki mikrofalowe w zakresie podgrzewania i konserwacji żywności jego temperatura.
• Huty tyglowe, które zyskały najwięcej zwolenników wśród osób zajmujących się samodzielną produkcją i naprawą urządzeń elektrycznych.

Ponadto coraz powszechniejsze stają się elektryczne piece indukcyjne, które działają nie tylko z materiałem przewodzącym. Ich urządzenie różni się nieco od konwencjonalnych pieców indukcyjnych, ponieważ opiera się na ogrzewaniu przez indukcję elektryczną materiału, który nie przewodzi prądu (zwane są również dielektrykami) między płytami kondensatora, czyli jego odprowadzenia o różnej polaryzacji. Jednocześnie osiągane temperatury nie są bardzo wysokie (około 80-150 stopni Celsjusza), dlatego takie instalacje służą do topienia plastiku lub jego podgrzewania.

Cechy konstrukcyjne i zasada działania

Piec indukcyjny działa na zasadzie powstawania w nim prądów wirowych. W tym celu stosuje się cewkę indukcyjną składającą się z zwojów grubego drutu, do którego dostarczane jest źródło prądu przemiennego. To prąd przemienny tworzy pole magnetyczne, które stale się zmienia w zależności od częstotliwości prądu. Powoduje również przenoszenie tych prądów na substancję umieszczoną wewnątrz cewki wraz z dużą ilością ciepła. W takim przypadku nawet najzwyklejszy falownik spawalniczy może pełnić rolę generatora.

Istnieją dwa rodzaje pieców indukcyjnych:

1. Z rdzeniem magnetycznym, którego cechą charakterystyczną jest umiejscowienie cewki indukcyjnej w objętości stopionego metalu.
2. Bez rdzenia magnetycznego - gdy cewka znajduje się na zewnątrz.

Konstrukcja z obecnością obwodu magnetycznego jest stosowana na przykład w piecach kanałowych. Wykorzystują nieotwarty metalowy (najczęściej stalowy) obwód magnetyczny, wewnątrz którego znajduje się tygiel topiący oraz cewka indukcyjna, która tworzy obwód uzwojenia pierwotnego. Materiałem na tygiel może być grafit, glina ogniotrwała lub dowolny inny nieprzewodzący materiał o odpowiedniej wytrzymałości cieplnej. W nim umieszczany jest metal, który należy przetopić. Są to z reguły wszelkiego rodzaju stopy metali nieżelaznych, duraluminium i żeliwo.

Generator takiego pieca musi zapewniać częstotliwość prądu przemiennego w granicach 400 herców. Możliwe jest również zastosowanie konwencjonalnej sieci elektrycznej zamiast generatora i zasilenie pieca prądem o częstotliwości przy 50 Hz, ale w tym przypadku temperatura nagrzewania będzie niższa i dla stopów bardziej ogniotrwałych taka instalacja nie jest zrobi.

Piece tyglowe, które nie mają w swojej konstrukcji obwodu magnetycznego, stały się znacznie bardziej rozpowszechnione wśród entuzjastów. Wykorzystują prądy o znacznie wyższej częstotliwości, aby osiągnąć większą gęstość pola. Wynika to właśnie z braku obwodu magnetycznego - zbyt dużo energii pola jest rozpraszane w przestrzeni. Aby temu przeciwdziałać, konieczne jest dostrojenie piekarnika:

• Zapewnij równą częstotliwość obwodu indukcyjnego i napięcia z generatora (w przypadku korzystania z falownika najłatwiej to zrobić).
• Dobierz średnicę tygla do topienia tak, aby była zbliżona do długości fali odbieranego promieniowania pola magnetycznego.

W ten sposób można zminimalizować straty nawet o 25% całkowitej mocy. Aby osiągnąć najlepszy wynik, zaleca się ustawienie dwu- a nawet trzykrotnej częstotliwości źródła prądu przemiennego niż rezonansowego. W takim przypadku dyfuzja metali tworzących stop będzie maksymalna, a jego jakość znacznie lepsza. Jeśli zwiększysz częstotliwość i dalej, możesz osiągnąć efekt wypychania pola wysokiej częstotliwości na powierzchnię produktu, a tym samym go ugasić.

Piece do topienia próżniowego

Tego typu instalacji trudno nazwać domowymi, ale warto je rozważyć, ponieważ topienie próżniowe ma szereg zalet technologicznych w stosunku do innych typów. Swoją konstrukcją przypomina tygiel, z tą różnicą, że sam piec znajduje się w komorze próżniowej. Pozwala to osiągnąć większą czystość procesu topienia metalu, zmniejszyć jego utlenialność podczas przetwarzania oraz przyspieszyć proces, osiągając znaczne oszczędności energii.

Dodatkowo ograniczona i zamknięta przestrzeń pomaga uniknąć uwalniania się szkodliwych oparów topiących się metali do otaczającej przestrzeni oraz zachować czystość procesu ich obróbki. Możliwość kontrolowania składu i procesu przetwarzania to również jedna z zalet tego typu pieca.

Jednostki indukcyjne kanałowe

Kolejny rodzaj pieców przemysłowych, które są szerzej stosowane niż inne. Mogą być wykorzystywane nie tylko jako huty, ale również jako dystrybutory przygotowanego materiału oraz mieszalniki kilku rodzajów surowców. Typowe projekty takich urządzeń to:

• Obecność wanny, w której znajduje się surowiec, który osiągnął lub osiąga określoną temperaturę.
• Kanał, przez który stopiona masa przechodzi przez pole magnetyczne.
• Obwód magnetyczny zapewniający stałą cyrkulację ciekłego metalu.
• Cewka pierwotna napędzająca pole magnetyczne.

Najmniejsze otwarcie obwodu, który tworzy ciekły metal, rdzeń magnetyczny i cewka, prowadzi do wzrostu własnego oporu i natychmiastowego wyrzucenia całej masy surowców z kanału. Aby przeciwdziałać temu zjawisku, wewnątrz kanału pozostaje "bagno" - niewielka masa metalu, która jest utrzymywana w stanie ciekłym.

Zalety pieców indukcyjnych kanałowych:

• Niski koszt instalacji.
• Ekonomiczny - do utrzymania temperatury wewnątrz wanny, która nie odprowadza dobrze ciepła, potrzebna jest niewielka ilość energii elektrycznej.
• Sprawność induktora podczas pracy jest bardzo wysoka.

Niedogodności:

• Powolny ruch stopionego metalu przez kanał utrudnia kontrolę jego jakości i utleniania.
• Konieczność pozostawienia w środku pewnej ilości surowców obniża jakość składu chemicznego następnego wsadu i możliwość jego dokładniejszej kontroli.
• Konieczność utrzymania szczelności instalacji ze względu na zagrożenie zerwaniem pola magnetycznego i powstawaniem promieniowania wirowego. Trudności w utrzymaniu izolacji przy wykładaniu ścian wewnętrznych instalacji niektórymi związkami.

Główne elementy obwodu pieca

Aby zmontować instalację i przeprowadzić na niej prace, konieczne jest znalezienie odpowiedniego obwodu pieca indukcyjnego i części do niego. Aby znaleźć to drugie, bardzo przydatne jest posiadanie jednego lub więcej niepotrzebnych zasilaczy z komputera, ponieważ można w nich znaleźć większość szczegółów. Typowy schemat prostego piekarnika z domowym falownikiem będzie zawierał takie elementy jak:

• Tranzystory polowe, możesz użyć IRFZ46N lub analogów (IRFZ44V, który ma natężenie prądu 55 amperów na nodze spustowej, jest jeszcze lepszy). Wskazane jest, aby wybrać pracowników terenowych o maksymalnej możliwej wartości napięcia przebicia, aby wytrzymali znacznie dłużej.
• Dławiki, rezystory o rezystancji 470 Ohm (można zastosować jeden wat lub dwa pół wata, podłączone w obwód szeregowy) i dziewięć kondensatorów o małej pojemności (do 1 mikrofarada), które można odparować z urządzenia odżywianie.
• Radiatory do chłodzenia tranzystorów - pracownicy terenowi w obudowach TO-220AV są bardzo gorące podczas pracy i mogą eksplodować z powodu braku odprowadzania z nich ciepła.
• Drut miedziany o średnicy około milimetra do tworzenia pierścieni ferrytowych i średnicy 2 milimetrów do tworzenia cewki indukcyjnej.
• Diody marek UF4007, 2 sztuki, ale lepiej mieć ze sobą kilka zapasowych na wypadek, gdyby pierwszy raz coś złego zabrano - wylecą jako pierwsze.
• Akumulator o pojemności około 8-10 amperogodzin. Są one zwykle pobierane ze starych zasilaczy bezprzerwowych i mają napięcie wyjściowe 12 woltów.
• Jako tygiel możesz uformować i wypalić na ogniu lub palnikiem gliniany garnek o potrzebnej średnicy.

Falownik do instalacji jest montowany zgodnie ze schematem zaproponowanym przez S. V. Kukhtetsky do testów laboratoryjnych. Można go łatwo znaleźć w Internecie. Moc falownika, który jest zasilany napięciem w zakresie 12-35 woltów, wyniesie 6 kilowatów, a jego częstotliwość robocza wyniesie 40-80 kiloherców, będzie to więcej niż wystarczające dla projektów domowych.

Bezpieczeństwo w pracy

Ponieważ praca z piecem indukcyjnym wiąże się z bliskim kontaktem z roztopionym metalem i prądami wysoka częstotliwość i wytrzymałość, warto zadbać o wysokiej jakości uziemienie instalacji i niezawodne środki ochrona. W takim przypadku ubrania muszą ściśle spełniać wszystkie wymagania:

• Być wykonane z gęstego, nie zużywającego się i niepalnego materiału.
• Podstawowy strój ochronny powinien zawierać fartuch i rękawiczki. W miarę możliwości należy nosić buty z gumowanymi podeszwami na stopach, a stopy i skarpetki powinny być suche.
• Aby chronić oczy, powinieneś kupić specjalne okulary, dzięki czemu uchronisz się przed przypadkowym dostaniem się do oczu rozgrzanego do czerwoności kawałka metalu.

Nie zapomnij o dobrej wentylacji pomieszczenia, w którym będą pracować. Stopiony metal uwalnia do powietrza związki chemiczne, które nie są dobre dla twoich płuc.