Печать

Печь для обжига керамики своими руками

       Люди интересующиеся гончарным делом рано или поздно приходят к вопросу покупки собственной муфельной печи для обжига керамики.

Изучив рынок мы с Вами сталкиваемся с необоснованно высокими ценами на муфельные печи. Наша компания занимается изготовлением и продажей муфельных печей для обжига керамики по доступным ценам.

В данной статье мы изложим основные аспекты изготовления муфельных печей.

Расчет габаритных и электрических параметров печи

       Данный этап является основополагающим, так как на нем определяются основные параметры муфельной печи для обжига керамики.

Отправным параметром является внутренний объем муфельной печи. При большом объеме обжигаемых изделий выбираются печи с большим объемом, при малом объеме обжигаемых изделий (гончары-любители)-соответственно печи с меньшим объемом.

Как показывает наша практика изготовления печей для обжига керамики, чаще всего заказывают печь GRIFON-60 на 60 литров. Так как она  сочетает в себе оптимальный объем и цену!

Параллельно теоретическим выкладкам будет вестись расчет печи для обжига керамики на 33 литра.

Расчет объема муфельной печи

       На рисунке ниже представлен муфель печи для обжига керамики, т.е. рабочий слой печи или по другому внутренний изоляционный слой. В основном он имеет плотную структуру, так как чаще всего используется для крепления нагревательных элементов (спиралей), а так же для придания рабочему слою механической прочности.

Так как периметр нашей муфельной печи представляет собой восьмиугольник, то ее объем (V) рассчитывается следующим образом:

       муфель печимуфель печи 

 V=S*H    (дм3=литры),

где S=2*K*(F)2 - площадь дна муфеля; K=2,41 - коэффициент; F- длина внутренней грани муфеля (дм) (см.рис.1); H-высота внутренней части муфеля (дм) (см.рис.1).

Так как объем печи принято выражать в литрах, то все величины должны быть выражены в дециметрах.

 V= 13,76*2,39 = 32,8 ≈ 33 (дм3 ) =33 (литра), где

S= 2*2,41*(1,69)2 = 13,76 (дм);    K=2,41;   F= 169 (мм) = 16,9 (см) = 1,69 (дм);   H= 239 (мм) = 23,9 (см) = 2,39 (дм);

Материалы для изготовления муфеля и крышки печи

       Для изготовления печей мы используем самые современные материалы. Для рабочего слоя футеровки (муфель и крышка печи) мы используем легковесный огнеупорный кирпич, который привозим из Германии. Данный кирпич обладает отличными термо-характеристиками, а именно имеет низкую теплопроводность, высокую термо- и жаростойкость. Классификационная температура применения данного кирпича 1430°С. При всем этом кирпич достаточно легкий за счет малой плотности и хорошо обрабатывается механически. Это позволяет фрезеровать пазы в кирпичах под установку нагревательных элементов. Фрезерование обеспечивает наивысшую точность пазов под спираль.

Легковесный огнеупорный кирпичЛегковесный огнеупорный кирпич  Легковесный огнеупорный кирпичЛегковесный огнеупорный кирпич  Легковесный огнеупорный кирпичЛегковесный огнеупорный кирпич

Крышка печиКрышка печи

Крышка печи изготавливается из двух слоев огнеупорного кирпича. При этом, второй слой перекрывает швы первого слоя, что позволяет увеличить прочность крышки. На большинстве печей западного и Российского производства идет только один слой кирпичей.

Так же в кирпичах выполнены фаски, что предотвращает сколы кирпичей при расширении (нагреве) материала.

Во внешних слоях муфеля и крышки печи мы применяем дополнительные изоляционные огнеупорные слои, которые имеют еще меньшую теплопроводность при значительно меньшем весе.

В качестве таких материалов могут выступать огнеупорные маты из керамического волокна, муллитокремнеземистый картон (МКРКГ) и т.д.       

 

 Таким образом, чем меньше теплопроводность материалов, тем лучше тепловые показатели печи.

Материал

Максимальная температура

применения,°C

Теплопроводность, Вт/м*К Плотность материала, кг/м3
Легковесный кирпич 1430  0,28 при 600°C 770

Керамическое волокно

1260 0,27 при 1000°C 128
Картон МКРКГ-400 1150 0,11 при 600°C 400

 

       Комплексное применение данных материалов  существенно экономит энергоресурсы,  а так же экономит время на разогрев и охлаждение печей. К сожалению многие современные, как западные, так и Российские производители изготавливают печи для обжига из керамики только с применением огнеупорных кирпичей, делая печи менее эффективными. 

Расчет мощности печи для обжига керамики

      Данный этап является не менее важным и на нем мы с Вами определим мощность печи. В зависимости от объема проектируемой печи для обжига, мощность (P) можно рассчитать с помощью следующей формулы:

P=J*V (Вт), где

V- внутренний объем печи (л) (см.раздел расчета объема);

J-удельная мощность, которая определяется исходя из объема печи:

P=81,81*33=2700 (Вт) = 2,7 (кВТ)

Расчет силы тока печи для обжига 

       В данном разделе мы с Вами будем рассчитывать силу тока, т.е. ток который протекает через нагревательный элемент (спираль):

I=P/U (А), где

P-мощность печи для обжига (см.раздел расчета мощности)

U-напряжение питания (В)

Напряжения питания целесообразно выбирать в зависимости от мощности печи для обжига:

I= 2700/220 = 12,27 (А)

       Для вашей собственной безопасности рекомендуем провести отдельную линию проводников от щитка квартиры (дома) до печи. В линию должны быть установлены собственные автоматические выключатели с необходимым номиналом. Сечение проводников выбирается исходя из мощности печи. Выбирайте сечение проводников в большую сторону. 

                                           Табл.1. Выбор сечения провода в зависимости от силы тока или мощности.

  Напряжение питания U = 220 (В)
Сечение провода, (мм2)               Ток,(А) Мощность, (кВт)
 1,5  19  4,1
2,5   27  5,9
4 38 8,3
6 46 10,1
10 70 15,4
16 85 18,7

Расчет сопротивления нагревательного элемента

       Зная силу тока I и напряжение питания U по закону Ома не составит труда вычислить сопротивление R:

R= U/I (Ом) = 220/12,27 = 17,92 (Ом)

На рис.2 изображена спираль муфельной печи с рассчитанными вольт-амперными характеристиками:

     Рис.2 Расчет электрических параметров спирали муфельной печиРис.2 Расчет электрических параметров спирали муфельной печи

Расчет диаметра, длины и удельной поверхностной мощности проволоки нагревательного элемента

      На данном этапе производится выбор материала нагревательного элемента. Хотел бы оговорить, что для данных целей наиболее часто используют нихромы и фехрали.

В печах для обжига керамики GRIFON мы используем суперфехраль GS SY по ряду весомых причин:

 После выбора материала выбирается диаметр проволоки нагревательного элемента.

Диаметр спирали выбирается в зависимости от необходимого удельного электрического сопротивления (сопротивление в 1 метре проволоки, см. табл. 2). Большему  уд. эл. сопротивлению соответствует меньший диаметр проводника, меньшему уд. эл. сопротивлению соответственно больший диаметр.

               Табл.2. Выбор диаметра проволоки в зависимости от нужного диаметра и длины нагревательного элемента

Диаметр

проволоки d, мм

Физические свойства суперфехрали GS SY

Удельное элек-е сопротивление в

1 м проволоки ρ, (Ом/м)

Количество метров

в 1 кг

0,18 54,7 5480
0,2 44,3 4512
0,3 19,7 2000
0,5     7,09 717
0,8 2,76 280
1 1,77 179,5
1,2 1,23 124,5
1,6 0,692 70,1
2 0,452 44,8
3 0,197 19,9
6 0,0491 4,98
8 0,0276 2,8
11 0,0159 1,45

 

       От диаметра проводника зависит так же и длина проволоки нагревательного элемента. Так же хотелось бы отметить, что чем больше диаметр проволоки нагревательного элемента, тем дольше прослужит нагревательный элемент.

Таким образом, комбинируя выше перечисленные параметры подбирается спираль в муфель печи.

Зная необходимое сопротивление R (см. предыдущий раздел) и удельное электрическое сопротивление ρ вычисляется длина проволоки L:

L = R/ρ , (м)

Так как в данной печи мы используем диаметр проволоки d = 2 (мм) , то ρ = 0,452 (Ом/м). Тогда L= 17,92/0,452 = 39,64 (м)=3964 (см)

Самым важным расчетом в этом разделе является вычисление поверхностной мощности проволоки ψ, т.е. мощности которая выделяется с единицы площади проволоки.

В печах с высокими температурами поверхностная мощность ψ фехрали не должна превышать 1,4 Вт/см2 для проволоки диаметром до 4 мм. Если данное значение существенно превысить, то нагревательный элемент не выдержит температуры.

   ψ=P/S , (Вт/см2), где

P- мощность печи,(Вт);

S=3,14*L*d - площадь поверхности  проволоки, (см2), где

L- длина проволоки,(см);

d- диаметр проволоки,(см)

ψ=2700/2489,4=1,08 (Вт/см2),  где S=3,14*3964*0,2=2489,4 (см2). Таким образом ψ=1,08<1,4 (Вт/см2), что удовлетворяет требованию.

Если требование не удовлетворяется, необходимо увеличивать диаметр проволоки или выполнять параллельное соединение.

Процесс навивки и растяжения спирали для печи обжига керамики.

     Навивку проволоки необходимо осуществлять на пруток обеспечивающий необходимый диаметр спирали, т. е.

Dспирали = Dпрутка + 2*Dпроволоки

Далее происходит растяжение спирали на необходимую длину с определенным шагом между витками.

Длина спирали определяется исходя из количества пазов в стенках муфеля для обжига. Т.е. необходимо растянуть спираль так, что бы она заняла все пазы в стенах муфеля.

При этом для исключения  перегревов витков относительно друг друга  необходимо придерживаться правила. А именно, расстояние между витками должно быть в 1,5-2 раза больше, чем диаметр проволоки. 

 Спираль после навивкиСпираль после навивки  Спираль после растяженияСпираль после растяжения

Электрический монтаж муфельной печи

Мы приведем самою простую типовую электрическую принципиальную схему для печи:

                                       Схема электрическая принципиальнаяСхема электрическая принципиальная

Мозгом печи для обжига керамики является программируемый терморегулятор (ПТР).

ПТР предназначен для автоматизированного измерения температуры печи для обжига и ее регулирования по заданному закону (графику, программе).

Выносное исполнение ПТР позволяет исключить:

Подключение термопары и компенсационного провода к программируемому терморегулятору.

Измерение температуры осуществляется с помощью термопары хромель-алюмель (ХА), которая подключается ко входу терморегулятора:

Важно соблюдать полярность термопары, термокомпенсационного провода и входов ПТР соединяемых между собой:

Что бы отличить алюмель от хромели достаточно приложить к проводам магнит, тот который магнитится-алюмель.

Определение полярности термопарыОпределение полярности термопарыАналогичным образом проверяется полярность компенсационного провода.

Помимо этого необходимо заземлить сам ПТР. Заземление выводится на металлический каркас печи.  

 

 

 

 

Внутренние соединения между элементами схемы производятся проводом РКГМ 2,5. 

Концы всех проводов для наилучшего контакта и избегания перегревов необходимо облудить при помощи пайки (если многожильные провода). 

Автоматический диф. выключатель предназначен для защиты проводки и электроники внутри печи от перегрузок и коротких замыканий, а так же от утечки тока на корпус печи.

Процесс работы печи для обжига выглядит следующим образом:

Обрабатывая показания температуры с термопар ПТР подает сигналы (через управляющий вход "А") на управляющий вход симистора (3-й контакт), который в свою очередь осуществляет регулировку тока в нагрузке (спирали). За счет чего в печи понижается или повышается температура по заданной программе.