Муфельная печь - незаменимый инструмент для литья цветных металлов в домашних условиях. Вы уже наверняка знаете, что в муфельной печи можно плавить алюминий, медь, другие цветные металлы, обжигать керамику, закалять сталь и так далее. Меня на данный момент муфельная печь интересует как печь для плавки алюминия, поэтому конструкция моей муфельной печи ориентирована на литье алюминия в домашних условиях.

Чтобы расплавить алюминий, его нужно нагреть до температуры выше 660°С. Значит наша муфельная печь для плавки алюминия должна развивать гораздо большую температуру, т.к. часть тепла будет уходить на нагрев окружающей среды (так называемые теплопотери).

Требуемой, и даже большей, температуры достаточно легко добиться самыми разными способами. Различные конструкции муфельных печей, которые я встречал в сети, позволяют использовать в качестве источника тепла практически все, начиная от электрических нагревателей, газа и угля, заканчивая дровами.

Я в качестве нагревательного элемента выбрал электрический нагреватель (ТЭН), отказавшись от газа, хотя газ гораздо более экономичен. Все дело в том, что электрическим нагревателем гораздо проще управлять, а возможность гибкого управления муфельной печью нам может потребоваться в будущем при литье полимеров, закалке и искусственном старении металлов… да мало-ли еще для чего! Лучше предусмотреть такую возможность.

Итак, перейдем непосредственно к конструкции моей домашней муфельной печи для плавки алюминия.

Попросту говоря, муфельная печь состоит из нагревательной камеры, аккумулятора тепла из огнеупорного материала и теплоизоляции, которая не дает остывать аккумулятору тепла.

Аккумулировать тепло желательно для того, чтобы обеспечить непрерывный процесс литья алюминия. Если вам нужно отлить несколько изделий, то, скорее всего, плавить алюминий придется несколько раз. Так вот, аккумулятор тепла как раз и нужен для того, чтобы муфельная печь не успела остыть между двумя последовательными закладками алюминия. Но тут тоже важно не перестараться. Сделав слишком большой аккумулятор мы рискуем сделать печь для плавки алюминия слишком инерционной. Для выходя на рабочий режим ей придется слишком долго прогреваться, что также является негативным фактором при литье алюминия в домашних условиях.

В качестве аккумулятора тепла я использовал обычный огнеупорный кирпич, который просто так валялся возле сарая (слегка переоборудованного в мастерскую). Собственно говоря, вся конструкция моей муфельной печи отталкивается от этой кучки кирпичей в количестве 7 штук.

Как видно на фото, я отсек с каждой стороны кирпича некий сектор при помощи болгарки и алмазного круга. Этот спил позволяет состыковать огнеупорный кирпич в виде своеобразной трубы, образующей рабочую камеру, в которой будет располагаться ТЭН муфельной печи. Кирпичи можно временно стянуть проволокой, чтобы они случайно не рассыпались и не раскрошились.

Кстати говоря, пилить огнеупорный кирпич болгаркой очень легко - идет, как по маслу. Однако при этом образуется фонтан пыли, которая оседает в радиусе пяти метров от места проведения работ. Некоторые советуют место пила поливать водой из шланга, но я не пробовал. Мне кажется, проще просто пилить на открытом воздухе (на даче, около гаража и т.д.).

Далее огнеупорную камеру нужно упаковать в какой-то корпус. Люди пишут, что можно использовать для этого металлическое ведро из под краски, но у меня эти кирпичи помещались в ведро впритык, и совсем не оставалось места под теплоизоляцию. Поэтому я решил изготовить свое собственное «ведро».

Для изготовления корпуса своей муфельной печи я взял отрезок старого металлического листа толщиной миллиметра полтора + слой ржавчины. Высоту ведра рассчитываем с запасом, т.к. наша рабочая камера также будет устанавливаться на слой из огнеупорных кирпичей с теплоизоляцией.

Просто так скрутить лист в трубу ровно не очень получилось, поэтому я решил использовать направляющие в виде колец из тонкой арматуры. Арматуру гнул, используя в качестве оправы бревно. Далее концы арматуры привариваются друг к другу, и получившееся яйцо доводится до формы, близкой к кольцу, при помощи обыкновенного молотка.

Полученные кольца надеваем на скрученный лист и привариваем по всей длине окружности, прижимая лист к кольцу пасатижами или клещами. Сразу хочу попросить прощения за качество сварки - варить научился всего пару недель назад, поэтому читая «приварил», в голове держим профессиональный термин сварщика - «присрал».

Дно корпуса муфельной печи изготовил из того же листа. Приварил к нижнему кольцу, а лишние углы срезал болгаркой.

Хочу еще раз обратить внимание на пространство между стенками корпуса и огнеупорным кирпичом. Оно будет заполняться теплоизоляцией и специальной огнеупорной заливкой, о которой расскажу немного позднее. Оставляя место, держите в голове то количество материала, которое вы сможете достать. Мне удалось добыть пару-тройку листов асбеста в качестве теплоизолятора, и немного асбестовой веревки. Вообще говоря, чем больше слой теплоизоляции, там лучше. На этом экономить не рекомендуется!

Далее нам нужно подготовить внутреннюю поверхность рабочей камеры нашей муфельной печи для укладки ТЭНа, который будет располагаться по спирали сверху вниз. Для этого в огнеупорном кирпиче нужно пропилить соответствующие канавки, в которые утопится ТЭН. Это позволит ему сидеть в рабочей камере муфельной печи достаточно прочно без какого-либо дополнительного крепления.

Пронумеровываем кирпичи и раскладываем на ровной поверхности один за другим плотно прижав друг к другу, подровняв их по уровню снизу.

Далее прикладываем к огнеупорным кирпичам нагревательную спираль нашей муфельной печи и отмечаем, какой ширины нужно пропилить под нее канавку. Про изготовление самой спирали ТЭНа муфельной печи для плавки алюминия в домашних условиях я расскажу ниже.

Размечаем канавки под спираль ТЭНа на двух крайних кирпичах (номера 1-ый и 7-ой), и соединяем их линиями при помощи уровня или правила со смещением в одну канавку, т.е. канавку 1 кирпича 1 соединяем с канавкой 2 кирпича 7. Разметив таким образом канавки и соединив потом кирпичи, мы получим спиральное расположение ТЭНа в рабочей камере нашей муфельной печи.

Но это потом. А пока снова займемся пропилом канавок в огнеупорном кирпиче. Поднимая столбы пыли не забываем следить за глубиной канавок. Мне в этом помог сам алмазный диск, на котором рабочая поверхность отделена от остальной поверхности четко различимой границей, до которой я и погружал диск болгарки в кирпич.

При работе с болгаркой не забывайте о безопасности! Работайте в специальных защитных очках, маске или вообще в шлеме, так как ТехноБлог Dimanjy за отпиленные руки и ноги ответственности не несет! Также хорошо использовать респиратор, чтобы не дышать пылью.

Итак, канавки готовы - пробуем, что у нас получилось…

Замечательно! Канавки довольно точно стыкуются между собой и образуют спираль внутри рабочей камеры муфельной печи.

Теперь немного поговорим о намотке самой спирали. В качестве материала для спирали можно использовать нихром или фехраль. Последнюю народ рекомендует, как более надежную, но мне удалось достать только нихромовую проволоку. В конечном счете это особого значения не имеет. Разница заключается лишь в расчете необходимой длины проволоки для спирали ТЭНа.

Температура нагрева нихрома зависит от силы тока, который протекает через проволоку (измеряется в Амперах, А). Сила тока, в свою очередь, зависит от прикладываемого напряжения (в Вольтах, В) и от сопротивления нихромовой проволоки. Прикладываемое напряжение нам известно - это напряжение питающей сети 220 В, а вот сопротивление нихромового провода зависит от диаметра сечения и его длины: чем больше длина, тем больше сопротивление; чем больше диаметр провода, тем меньше сопротивление.

Я отыскал в недрах Сети таблицу нагрева нихромовой проволоки в зависимости от силы пропускаемого тока. Из нее видно, что провод диаметром 1.2 мм (мне удалось достать именно такого диаметра) будет нагреваться до 1000°С при токе порядка 20 А. Прикинем мощность такого ТЭНа: 220В умножаем на 20А, получаем 4400 Вт (Ватт мощности) или 4.4 кВт. Ого, не кисло получается! Памятуя о том, что нас интересует плавка алюминия в домашних условиях, а температура его плавления составляет 660°С, округлим мощность до 4 кВт и будем плясать от этого значения.

Формулу для расчета необходимой длины нихромового провода для ТЭНа муфельной печи заданной мощности также очень легко отыскать в сети. Я для удобства загнал эту формулу в электронную таблицу. В ней достаточно в первой колонке указать диаметр вашего нихромового провода и требуемую мощность ТЭНа. Выкладываю для всеобщего пользования на своем ТехноБлоге Dimanjy: скачать Расчет нихромового нагревателя.

Задав диаметр 1.2 мм и мощность в 4000 Вт, я получил требуемую длину провода 12.3 метра. Далее все просто: отмеряем, отрезаем и наматываем спиральку. Нихромовую спираль я мотал на сварочный электрод диаметром 3.5 мм. Сперва удавалось зажать электрод в шуруповерт и мотать достаточно быстро в полуавтоматическом режиме, но где-то на середине намотки электрод начинал крошиться. Пришлось наматывать вручную. Долго, но зато спираль очень легко слезает с электрода, чего не скажешь при намотке с использованием шуруповерта - спираль получается плотной и крепко сидит на оправе. Приходится долго мучиться, чтобы снять уже намотанную спираль. Могу посоветовать использовать вместо электрода стальной пруток нужного диаметра. Уж он-то не будет крошиться. А я этот момент сразу не продумал, схватив что под руку подвернулось

Ток в таком ТЭНе по расчетам должен быть порядка 18 А. Хочу сразу предупредить, что такой ток накладывает некоторые ограничения на проводку сети питания 220 В. Я провел в свою мастерскую сеть проводом с диаметром всего 1.5 мм, поэтому после первых тестов муфельной печи выявился серьезный нагрев проводки. Так и пожар нетрудно устроить! Опытным путем удалось установить, что провод диаметром 2.5 мм уже не греется. Теперь придется менять всю проводку до моей мастерской Да, и не забудьте поставить соответствующий автомат. Я влепил на 25 А.

После намотки спирали, ее необходимо немного растянуть таким образом, чтобы витки не соприкасались друг с другом. Это очень важно, иначе мы рискуем получить замыкание витков, что приведет к снижению сопротивления и превышению расчетной мощности. Можно так перекоротить витки, что ток будет близок к току короткого замыкания и наш автомат будет все время выбивать, а муфельная печь так и не нагреется.

Однако что же мы видим на фото? Видно нагретую спираль ТЭНа, но она почему-то доходит только до половины рабочей камеры! Как же так? Это первый подводный камень на нашем пути! Дело в том, что рассчитанная ранее длина нихромового провода получилась таковой, что ее не хватает для изготовления спирали, заполняющей весь объем рабочей камеры муфельной печи.

На самом деле я сперва намотал ТЭН где-то на 2 кВт. Он как раз получился такой длины, что полностью укладывался в рабочий объем. Но когда я включил этот ТЭН, оказалось, что он вообще не нагревается до необходимой температуры. Визуально он не краснел, а жару давал только чтобы пожарить сосиски. Недолго думая в взял и разрезал его ровно посередине. В результате у меня получилось два ТЭНа по 4 кВт!

Тут же родилась идея. А что, если сделать муфельную печь с двумя ТЭНами? Отсюда вытекают сразу несколько преимуществ. Во-первых, мы можем включить только один нижний ТЭН, если нам надо плавить алюминий дома в небольших количествах. Во-вторых, мы можем включить параллельно оба ТЭНа, если нам нужно плавить алюминий в муфельной печи в промышленных масштабах Только нужно помнить, что потребляемая мощность такой печки перевалит за 8 кВт. Ох, держись проводка! Ну и в третьих, мы можем подключить два ТЭНа последовательно, в результате чего получится муфельная печь на 2кВт, в которой можно что-то сушить, прогревать, вытапливать воск из форм и многое другое, где нужны более низкие температуры в диапазоне до 400°С. Смотрите, как гибко получается!

Воодушевившись этой идеей, я немного модифицировал один из кирпичей рабочей камеры муфельной печи, пропилив в нем три канавки под выводы моих ТЭНов. Так как выводы будут греться не меньше самой спирали, я использовал обычную керамическую плитку для создания своеобразных каналов под выводы. Для этого от плитки отрезаются болгаркой с алмазным кругом три полоски и в них выпиливаются канавки (удобнее сперва пропилить канавку, затем отрезать полоску). Эти самодельные керамические каналы вставляются в кирпич, как показано на фото.

Применив такие керамические каналы под выводы нихромовых ТЭНов, я добился еще одного замечательного свойства моей муфельной печи - ремонтопригодности. Если какой либо из ТЭНов перегорит со временем, его очень легко можно будет заменить на новый. Просто вытаскиваем старый и вставляем новый! Вы же помните, что спираль ТЭНа никак не закреплена внутри рабочей камеры муфельной печи, а просто утоплена в канавки и надежно там сидит за счет собственной пружинистости.

Теперь переходим к завершающему этапу сборки самодельной муфельной печи - помещению рабочей камеры в корпус и теплоизоляции. Для этого берем наше изготовленное ранее ведро и укладываем на его дно листовой асбест. Поверх асбеста кладем небольшой слой огнеупорной заливки. В качестве такой заливки я использовал обычную шамотную глину, слегка разбавленную водой. Если нет шамотной глины, то можно использовать специальный огнеупорный клей, который используется при кладке каминов. Обычно его можно купить в соответствующих каминных магазинах.

На заливку устанавливаем еще пару огнеупорных кирпичей, на которые будет устанавливаться сама рабочая камера. Я взял один кирпич и распилил его продольно. В результате получилось два тонких огнеупорных кирпича. Кладем их ровной плоскостью вверх. Обратите внимание на фото - я использовал небольшую опалубку из ломаного гипсокартона. Это нужно для того, чтобы донная заливка не касалась стенок ведра - туда будет укладываться еще асбест.

Поверх донных кирпичей также наносим небольшой слой огнеупорного раствора и устанавливаем рабочую камеру. Установка камеры производится по одному кирпичу в порядке нумерации. У каждого кирпича перед установкой тем же огнеупорным раствором промазываются боковины, которые будут соприкасаться с соседними кирпичами. После установки всех кирпичей выравниваем их так, чтобы камера получилась по центру нашей конструкции.

После этого вынимаем опалубку и начинаем набивать к стенкам корпуса асбестовую теплоизоляцию. Некоторые люди советуют сперва увлажнить асбестовые листы. Но мои лежали в сарае и были уже достаточно влажные, т.к. крыша сарая слегка подтекает

После набивки теплоизоляции сверлим отверстия в боковой стенке корпуса муфельной печи под выводы ТЭНов. Отверстия лучше сделать побольше и запихнуть в них трубчатые керамические изоляторы, чтобы выводэ ТЭНа ни в коем случае не коснулись металлического корпуса муфельной печи! После этого заливаем оставшееся пространство огнеупорным раствором (в моем случае шамотной глиной с водой). Трамбуем и выравниваем при помощи шпателя.

Все почти готово. Теперь я уложил спираль ТЭНа в рабочую камеру муфельной печи и продел выводы в заготовленные керамические каналы и изоляторы. Если есть терпение ждать несколько суток, пока раствор застынет - ждите! Я же думаю, что моя шамотная глина лишь быстрее просохнет, если слегка прокалить муфельную печь. Ну максимум немного потрескается. Да и терпения у меня столько нету Врубаем!

После включения вся влага начинает интенсивно испаряться, прогорает всякий шлак, поэтому может немного попахивать. Прогревать нужно постепенно с перерывами минут по 20. Крайне рекомендую делать это на свежем воздухе, т.к. асбест вроде как считается канцерогеном, и дышать этим не следует. Я, правда, живу в одном из самых экологически грязных регионов нашей страны, где работает сразу два металлургических завода, поэтому не особо запариваюсь на этот счет. Как говорится, «поздно пить Боржоми!»

Осталось закастрюлить крышку для нашей муфельной печи. Этого сделать я пока не успел. Допишу позднее. Следите за обновлениями!

Самый главный вопрос для начинающего керамиста это не «где взять глину«, т.к. ее можно найти где угодно, и не «как сделать гончарный круг из стиральной машинки», т.к. можно лепить и без круга. Самый главный вопрос - «где обжигать?» Для обжига керамики нужна специальная печь, нагревающая изделия до температуры в 1000°С.

Можно, конечно, купить готовую печь, если позволяют средства. Или же сделать печь для керамики самому. Мы рассмотрим, как своими руками сделать печь для обжига керамики объёмом около 30 литров и работающую от сети 220В.

. Нагревательный элемент расположен снаружи вокруг камеры.

Есть два типа электрических печей для обжига: муфельные и камерные. У муфельной печи нагревательные элементы располагаются вокруг муфеля - цельной емкости из огнеупорного материала. Такими печками оборудованы наши отечественные школы.

У камерной печи - нагревательные элементы - внутри. Этот тип для нас предпочтительнее, т. к. мы хотим сделать печку не очень маленькую, а слепить большой и прочный муфель довольно сложно. К тому же в муфельной печи потери тепла значительно больше, чем в камерной.

Изготовление печи для обжига керамики.

Первым делом нужно найти корпус для будущей печки. Для этого достаточно немного оглядеться по сторонам. У нас нашлась вот такая стиральная машинка, а точнее то, что от нее осталось.

Если же вы оказались в таком месте, где старые стиральные машинки и холодильники не выбрасывают, то можно прикупить лист оцинковки и собрать корпус из него. Размеры корпуса: около полуметра ширина и длина, высота - немного меньше метра.

Металлическая коробка у нас есть, теперь нужно укрепить дно нашей будущей печки. Для этого лучше всего использовать уголок. У нас уголка под рукой не оказалось, поэтому мы приварили обычную трубу, миллиметров 15 в диаметре. По углам привариваем кусочки из трубы диаметром побольше - это будут ножки.

Также нужно будет укрепить верх корпуса, дверцу и хотя бы одно ребро, на которое будут приварены петли для дверцы.

На дно выкладываем слой базальтовой ваты толщиной около 10 мм. (Такой же слой нужно будет проложить и по стенкам.) Для того, чтобы вата не смялась под весом камеры, нужно проложить несколько кусочков квадратной трубы или уголка. После этого закрываем вату листом металла.

Теперь нужно определиться с огнеупорами, из которых будет сделана камера.

Вариант 1 . Очень хороший вариант - волокнистые огнеупорные плиты. Их можно заказать нужного размера, или разрезать на месте. Понадобится всего шесть таких плит.

Шамотный кирпич.

Вариант 2 - шамотный огнеупорный кирпич. Обычно везде продается тяжелый шамотный кирпич. Из него кладут камины и другие печи. Для нашей же печки лучше использовать легковесы - марки ША или ШЛ. В наших окрестностях таких кирпичей почему-то никто не продает, в итоге кирпичи нашлись у друзей. Кирпичи оказались б/у, на зато достались совершенно бесплатно.

Для связки кирпичей лучше всего использовать мертель, соответствующий марке кирпича. Но есть варианты попроще. Например огнеупорная глина или готовая огнеупорная кладочная смесь. Смесь можно найти там, где продаются камины, или же там, где вы найдете огнеупорный кирпич. А для того, чтобы приклеить кирпич к металлическому листу к смеси нужно добавить цемент - до 30%.

Камера печи для обжига керамики.

Приступаем к кладке. Кирпичи должны быть плотно подогнаны друг к другу. Швы - не больше 5 мм. Для этого некоторые кирпичи нужно подпилить до нужных размеров. Если же вам достанется б/у кирпич, как в нашем случае, то на каждом нужно будет еще и опилить края, чтобы сформировать ровные грани.

	Сначала выкладываем дно печи. Огнеупорная смесь затворяется водой, размешивается. Для наружнего слоя делаем отдельный расствор - с цементом. Перед кладкой каждый кирпич нужно вымочить в воде, иначе смесь будет высыхать на нем очень быстро.
	Теперь поднимаем стенки. Между кирпичем и коробом прокладываем базальтовую вату и лист металла. (Если же укладывать кирпичи не торцом, а плашмя, то можно обойтись и без слоя ваты.
	С верхом придется повозиться подольше: крайние кирпичи наклонены немного вверх, между ними - в середине закладываются блоки в виде трапеции. Дверцу также выкладывем кирпичём, по периметру вырезаем четверть, так чтобы образовался выступ, который будет заходить в окно печи.
	Теперь можно приварить петли и притереть нашу дверцу. Важно сделать так, чтобы зазор между кирпичами дверцы и корпуса был как можно меньше.

Когда кладка готова и немного подсохла приступаем к следующему этапу. Теперь нужно сформировать канавки для укладки нагревательных элементов. В нашем случае это будут спирали из нихромовой проволоки диаметром 1мм. Диаметр витка проволоки где-то 6-7 мм. Такой же толщины и глубины и делаем канавки.

Спирали можно найти уже готовые, (например на рынке) или свить самим из нихромовой или фехралевой проволоки. Важно, чтобы витки спирали не соприкосались друг с другом.

Сделаем два контура спиралей, так чтобы можно было регулировать температуру переключателем как в электрической плитке. Концы проволоки выводим наверх. Наверху, снаружи устанавливаем керамическую пластину от электроплитки и закрепляем болтами концы проволоки.

Переключатель спиралей . Вот такой переключатель нам нужен. С одной стороны 2 контакта, с другой - 3. Устанавливаем переключатель, так чтобы его выступающий штырь выходил наружу, на переднюю панель. Подсоединяем провода. К двум контактам подходят фаза и ноль.

В итоге должно получиться так:

В третьем - подключаются оба контура параллельно, это самая высокая температура.

Вот, собственно и все. Теперь нужно хорошенько высушить нашу печку. Для этого ее нужно поставить в теплое место - к батарее отопления или на солнце и забыть про нее на месяц, а лучше на два. После этого, нужно будет окончательно просушить печку, включив ее в сеть на первой «скорости» на несколько часов. Когда из нее престанит валить пар - печка высохла. Можно начинать обжиг.

Подключать такую печь желательно к усиленной розетке - той, к которой подключается электроплита. Или провести толстый провод от щитка. Также хорошо бы поставить еще дополнительный автоматический выключатель (автомат защиты).

Да, и последнее: не забывайте - с такой электрической печью для обжига, тем более с открытыми спиралями, нужно быть очень осторожным. Любая оплошность может привесть к очень печальным последствиям. Если вы слабо разбираетесь в электрике, обязательно посоветуйтесь со специалистом. Ни в коем случае не прикасайтесь к спиралям под напряжением. Чтобы обезопасить себя и своих близких, можно поставить концевой выключатель, - так, чтобы при открывании дверцы печь выключалась. И заземление - тоже одно из условий безопасности.

Существенное техническое дополнение от

Расчёт нагревателей печи для обжига керамики.

Формулы и принцип расчёта подходит, как для камерных, так и для муфельных печей. Хоть представленный расчёт упрощенный, но тем не менее, его более чем достаточно для изготовления самодельной муфельной, камерной печи, электротигеля и т.п.

Коротко, вся суть расчёта заключается в том, что исходя из заданной мощности оборудования подобрать нагреватель такого сопротивления, чтобы проходящий через него ток был необходимой плотности, и был способен разогреть нагреватель до заданной температуры.

Температура до которой раскалиться нагреватель зависит от удельного сопротивления материала нагревателя (физическое свойство), его сечения и тока который через него проходит.

Существуют профессиональные, сложные методы расчёта, учитывающие много различных нюансов, но все они, в итоге, базируется на описаном выше принципе.

Пример расчёта нагревателя для печи.

Требуется : печь для обжига керамики мощностью 3 кВт., напряжение сети U = 220 В; температура нагревателя 950°C.

Расчётную температуру следует брать с некоторым запасом. Заданная исходная мощность определяется эмпирически исходя из 100 Вт. мощности на 1 литр объёма камеры печи. 3 кВт мощности - достаточно для камеры объёмом в!!! 30 литров. Это уже крупная печь!!!

Для работы при таких температурах можно использовать как нихром, так и фехраль.

Недостатки нихрома : 1200°C - это практически предельная температура работы, а значит такой нагреватель будет не очень долговечен. Из достоинств : широко доступен, дёшев, хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах.

Недостатки фехрали : при высоких температурах очень хрупок и очень сильно удлиняется, отчего спираль может выпадать из пазов. Дешевые марки могут вступать в реакцию с шамотной камерой и окислами железа. Из достоинств : выдерживает более высокие температуры, до 1400°C.

В качестве нагревателя в нашем варианте лучше выбрать нихром.

1 . Сначала необходимо определить силу тока, которая будет проходить через нагревательный элемент. формула "Закон Ома", где U - напряжение сети; P - мощность в Ватах; А - сила тока в Амперах.
I = P / U = 3000 / 220 = 13,64 А .

2 . Теперь нужно найти необходимое сопротивление R нагревателя:
R = U / I = 220 / 13,64 = 16,13 Ом ;

В нихромовой проволоке нужно создать такую плотность тока при вычисленной его силе (А), чтобы она смогла разогреться до нужной температуры. Если взять кусок нихромовой проволоки, пусть даже подходящей по сопротивлению, но маленького сечения, то плотность тока будет такой, что проволока сгорит. Если сечение окажется слишком большим, то проволока не выдаст нужной температуры, даже при полном потреблении расчётной мощности.

3 . Диаметр проволоки следует подбирать по таблице, приведённой в ГОСТ 12766.1-90 "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия."

Согласно этого ГОСТа для наших условий подходит нихромовая проволока диаметром 0,9 мм. , сечение такой проволоки составит (площадь круга, геометрия 7 класс) = 0,636 мм 2 . Удельное сопротивление нихрома такого диаметра составит ρ = 1,11 Ом · мм 2 / м.

4. Определим необходимую длину нихромовой проволоки.
R = ρ · l / S ,
где R - сопротивление нагревателя; Ом, ρ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя [Ом · мм2 / м]; l - длина нагревателя, м; S - площадь поперечного сечения, мм 2 .

Таким образом, получим длину нагревателя:
l = R · S / ρ = 16,13 · 0,636 / 1,11 = 9,24 м .

Скорость разогревания печи.

Для того чтобы, убедиться, что изначальная мощность выбрана правильно, можно очень просто подсчитать скорость разогревания печи до максимальной температуры, как на холостом ходу, так и в рабочем.

Для подсчёта необходимо знать такую физическую величину, как удельная теплоёмкость материалов. Это физические данные, их получают эксперементальным путём и они есть в таблицах свойств материалов. Удельная теплоёмкость шамотно-глиняных материалов, в среднем = 0,88 кДж/кг °С.

Для расчёта необходимо будет узнать общий вес (в килограммах) футеровки печи, т.е. того самого шамотного кирпича, из которого сложена камера печи, т.к. он тоже забирает тепло от нагревателя. И общий вес загруженных в печь керамических изделий. Допустим он составит 10 кг.

Базовая формула: Q=cm(t2 -t1) , где t1 - начальная температура (температура окружающей среды); t2 - максимальная температура разогрева; m - масса в кг.; c - удельная теплоёмкость; Q - колличество теплоты в джоулях для разогрева массы m до температуры t2 .

Отсюда, необходимое колличество теплоты: Q=cm(t2 -t1) = 0,88х10(950-20)=8184 кДж.

КПД камерной печи, с учётом теплопотерь через минеральную вату, дверцу и т.п. = 70%, т.е. коэффициент 0,7. Отсюда, для разогрева печи необходимо Q итог = 8184/0,7 = 11690 кДж.

Далее, применим закон Джоуля-Ленца: Q итог = I 2 х Rt , где I 2 - ток в нагревателях, А; R - сопротивление нагревателя; t - искомое время нагрева. Отсюда t = Q / I 2 R = 11690/ 13,64 2 х 16,13 = 3,9 часа.

Итог.

Для такой самодельной печи, мощностью 3 кВт, время нагрева до максимальной температуры вполне нормально. Плавный продолжительный нагрев идёт на пользу при обжиге керамики, когда все процессы преобразования в глине происходят равномерно.

Если нужно, чтобы печь разогревалась быстрее, то достаточно увеличить мощность нагревателей или уменьшить толщину футеровки. В последнем случае надо всего навсего распилить шамотные кирпичи пополам по толщине и улучшить теплоизоляцию минеральной ватой.

Вспомогательная информация.

Спирали для муфельной печи изготавливаем под заказ по размерам заказчика любой формы и мощности различного напряжения 220В или 380В (1-2дня)

Изготавливаем спирали из различных сплавов

Спираль из нихрома Х20Н80 Спираль из фехраля Х23Ю5Т Спираль из Кантала А1

Нагревательный элемент ― является ремонтным комплектом к промышленной электросковороде типа СЭСМ.

Нагревательный элементсостоит из одной спирали из нихрома на которую надеты специальные керамические изоляторы.

Нагреватели. Материалы для изготовления нагревателей

Непосредственно нагреватель – один из самых важных элементов печи, именно он осуществляет нагрев, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Поэтому нагреватели должны соответствовать ряду требований, которые приведены ниже.

Требования к нагревателям

Основные требования к нагревателям (материалам нагревателей):

1. Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность ― механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость ― сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах (более подробно свойства жаростойкости и жаропорочности описаны на странице “Жаропрочные сплавы и стали” ).
2. Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением. Говоря простым языком, чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагреватель большей длины и с меньшей площадью поперечного сечения. Не всегда в печи может быть размещен достаточно длинный нагреватель. Также стоит учитывать, что, чем больше диаметр проволоки, из которой сделан нагреватель, тем дольше срок его службы . Примерами материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый сплав нихром Х20Н80 , Х15Н60 , железохромоалюминиевый сплав фехраль Х23Ю5Т , которые относятся к прецизионным сплавам с высоким электрическим сопротивлением.
3. Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.
4. Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, например карборунд, который является неметаллическим нагревателем, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.
5. Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, ― чтобы из них можно было изготовить проволоку , ленту , а из ленты ― сложные по конфигурации нагревательные элементы. Такженагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.

Материалы для изготовления нагревателей

Наиболее подходящими и самыми используемыми в производстве нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением . К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромоникелевые ), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые ). Марки и свойства данных сплавов рассмотрены в ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки» . Представителями хромоникелевых сплавов является нихром марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С), железохромоалюминиевых – фехраль марок Х23Ю5Т (950-1400 °С), Х27Ю5Т (950-1350 °С), Х23Ю5 (950-1200 °С), Х15Ю5 (750-1000 °С). Также существуют железохромоникелевые сплавы ― Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Перечисленные выше сплавы обладают хорошими свойствами жаропрочности и жаростойкости, поэтому они могут работать при высоких температурах. Хорошую жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, которая образуется на поверхности материала. Температура плавления пленки выше температуры плавления непосредственно сплава, она не растрескивается при нагреве и охлаждении.

Приведем сравнительную характеристику нихрома и фехрали.
Достоинства нихрома:

1. хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах;
2. сплав крипоустойчив;
3. имеет хорошие технологические свойства – пластичность и свариваемость;
4. хорошо обрабатывается;
5. не стареет, немагнитен.

Недостатки нихрома:

1. высокая стоимость никеля ― одного из основных компонентов сплава;
2. более низкие рабочие температуры по сравнению с фехралью.

Достоинства фехрали:

1. более дешевый сплав по сравнению с нихромом, т.к. не содержит никель ;
2. обладает лучшей по сравнению с нихромом жаростойкостью, напрмер, фехраль Х23Ю5Т может работать при температуре до 1400 °С (1400 °С ― максимальная рабочая температура для нагревателя из проволоки Ø 6,0 мм и более; Ø 3,0 ― 1350 °С; Ø 1,0 ― 1225 °С; Ø 0,2 ― 950 °С).

Недостатки фехрали:

1. хрупкий и непрочный сплав, данные негативные свойства особенно сильно проявляются после пребывания сплава при температуре большей 1000 °С;
2. т.к. фехраль имеет в своем составе железо, то данный сплав является магнитным и может ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре;
3. имеет низкое сопротивление ползучести;
4. взаимодействует с шамотной футеровкой и окислами железа;
5. во время эксплуатации нагреватели из фехрали существенно удлиняются.

Также сравнение сплавов фехраль и нихром производится на странице Х20Н80 ― описание .

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т.е. с добавлением 3% алюминия, что значительно улучшило жаростойкость сплавов, а наличие никеля практически исключило имеющиеся у железохромоалюминиевых сплавов недостатки. Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обрабатываются, механически прочны, нехрупки. Максимальная рабочая температура сплава Х15Н60ЮЗ составляет 1200 °С.

Помимо перечисленных выше сплавов на основе никеля, хрома, железа, алюминия для изготовления нагревателей применяют и другие материалы: тугоплавкие металлы, а также неметаллы.

Среди неметаллов для изготовления нагревателей используют карборунд, дисилицид молибдена, уголь, графит. Нагреватели из карборунда и дисилицида молибдена используют в высокотемпературных печах. В печах с защитной атмосферой применяют угольные и графитовые нагреватели.

Среди тугоплавких материалов в качестве нагревателей могут использоваться вольфрам , молибден , тантал и ниобий. В высокотемпературных вакуумных печах и печах с защитной атмосферой применяются нагреватели из молибдена и вольфрама . Молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1700 °С в вакууме и до 2200 °С – в защитной атмосфере. Такая разница температур обусловлена испарением молибдена при температурах выше 1700 °С в вакууме. Вольфрамовые нагреватели могут работать до 3000 °С. В особых случаях применяют нагреватели из тантала и ниобия.

Расчёт нагревателя.

Про расчёт нагревателя в сети много материалов. Все они обладают различной степенью научности сего вопроса. Например, здесь можно не только почитать различные соображения, но и рассчитать нагреватель на встроенном калькуляторе. Входными данными являются мощность печи, материал нагревателя, температуры нагревателя и нагреваемого изделия, конструкция и размещение нагревателей. На выходе получаем диаметр и длину проволоки нагревателя. Но при ближайшем рассмотрении выясняется, что диаметр выбран из соображений экономии материала проволоки и условия эксплуатации близки к идеальным. В жизни обычно бывает всё наоборот. Обычно в закромах лежит моток старого нихрома и его владельца мучит вопрос, можно ли его использовать на благо человека. И с мощностью печи тоже сплошные вопросы.
Поэтому приведу свою методику расчёта, пусть и не такую научную, но основанную на своём опыте изготовления подобных устройств.
Итак, первое с чем надо определиться, это мощность печи. Мощность напрямую зависит от величины муфеля и применяемой футеровки. Величину (объём) муфеля определяете сами, в зависимости от величины нагреваемых изделий.
Для современных печей с применением волокнистых теплоизоляторов (МКРВ, ШПВ-350 и т. п.) примерная мощность на литр объёма будет:
Объём камеры печи (литров) Удельная мощность (Вт/литр)
1-5 500-300
5-10 300-120
10-50 120-80
50-100 80-60
100-500 60-50
Допустим, например, у вас объём камеры 3 литра, поэтому мощность печи будет 1200 Вт. У меня объём муфеля чуть больше литра, поэтому мощность нагревателя возьмём 500 Вт.
Далее, вычисляем ток через нагреватель:
I = P / U = 500/220 = 2,27 A
И величину сопротивления нагревателя
R = U/I = 220/2,27 = 97 Ом
Далее лезем в закрома и смотрим диаметр имеющегося нихрома. У меня оказался нихром диаметром 0,65 мм. Далее по таблице прикидываем, выдержит ли наш нихром такой ток.

Диаметр (мм) 0,17 0,3 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85
Допустимый ток (А) 1 2 3 4 5 6 7

Как видим, при диаметре 0,65 допустимый ток 5 А, так что наши 2,27 А он выдержит с большим запасом. Вообще, при изготовлении нагревателя, нужно брать проволоку потолще, потому что чем толще проволока, тем больше выдерживаемая ей температура и срок службы.
Максимальные рабочие температуры нагревательных элементов. Здесь:
GS 40 Нихром
GS 23-5 Еврофехраль
GS SY Суперфехраль
GS T Еврофехраль

НО! Это палка о двух концах. Сильно утолщать диаметр проволоки мы не можем, потому что чтобы получить расчётное сопротивление 97 Ом, придётся очень сильно увеличивать длину проволоки, что может быть не приемлемо из конструктивных соображений.
По таблице определяем номинальное сопротивление 1 погонного метра проволоки. Здесь:
GS 40 Нихром
GS 23-5 Еврофехраль
GS SY Суперфехраль
GS T Еврофехраль

Итак, из таблицы для диаметра 0,65 мм берём (и последующим измерением прибором подтверждаем), номинальное сопротивление 3,2 ОМ/метр. Следовательно, длина проволоки будет:
L = R/3,2 = 97/3,2 = 30 Метров
Вот и расплата за излишний диаметр провода излишним метражём. Но это не беда, потому что мотать как есть этот провод не буду, да и есть опасность не уследить и допустить межвитковое замыкание на нашем муфеле. Этот провод нужно навить на стержень. Кончик проволоки вместе со стержнем зажимается в патрон сверлильного станка, на худой конец, патрон ручной дрели. Проволока подаётся под небольшим натягом.

При навивке необходимо соблюсти следующие рекомендации. Диаметр стержня для навивки проволоки диаметром до 4,5 мм должен быть не меньше:
- для нихромов четырёхкратному диаметру проволоки;
- для фехралей пятикратному диаметру проволоки.
Для всех сплавов при диаметре больше 4,5 мм, не менее шестикратному диаметру проволоки.
Есть ещё одна засада при работе с фехралем. Фехраль, в отличие от нихрома, после прокалки становится хрупким, поэтому его уже кантовать не стоит.
Готовую спираль равномерно растягиваем до длины, комфортной для обмотки муфеля. Но не больше, потому что сжать равномерно будет уже значительно трудней. Обматываем муфель по канавкам и наносим обмазку