Un fornetto ad induzione in grado di lavorare in atmosfera controllata o sotto vuoto

La realizzazione di questo fornetto è nata dalla necessità di disporre un piccolo forno per la riduzione di piccole quantità di ossidi metallici in atmosfera H₂ sino a temperature di 700ºC e con pressioni sino a 10 bar.
Di norma in campo industriale il forno ad induzione vien usato per fondere metalli, buoni conduttori di corrente, in crogioli di materiali refrattari che sono generalmente degli isolanti.
Nel mio caso usando principalmente ossidi che non sono buoni conduttori non avrei nessun riscaldamento usando l’induzione, il problema è stato risolto usando un crogiolo in acciaio inox, il campo elettromagnetico generato da un oscillatore di potenza ad alta frequenza, genera nel crogiolo esposto all’intenso campo un riscaldamento causato dalle correnti parassite che si generano nel crogiolo che quindi può essere caricato con tutti i materiali compatibile con lo stesso.
Di seguito foto del dispositivo

 

 

Sotto lo schema elettrico del fornetto ad induzione

 

L’alimentazione del fornetto è esterna e richiede un alimentatore in grado di fornire una corrente continua di 20 A con tensioni da un minimo di 12V ad un massimo di 40V, la massima potenza assorbita è di 800W.
Il fornetto è formato da 2 moduli interconnessi , il modulo 1, contiene il generatore di radiofrequenza, la bobina oscillante con il crogiolo, il termoregolatore con termocoppia in ferro-costantana che regola la temperatura raggiunta dal crogiolo ed una ventola per il raffreddamento dell’elettronica e della bobina oscillante.
Il modulo 2 contiene l’elettronica di controllo per l’interfacciamento con data logger e rende possibile la registrazione su PC dei grafici di tensione , corrente , potenza assorbita e naturalmente della temperatura del crogiolo.
Il modulo 2 è contenuto in un contenitore metallico a parte completamente schermato dalle emissioni elettromagnetiche del fornetto.
Per quanto riguarda questo modulo che contiene l’elettronica dedicata al controllo dei parametri di funzionamento rimando a: Sistemi elettronici analogici di controllo e misura dove il circuito è descritto in dettaglio con particolare riguardo alla sua taratura.

 

Il fornetto ha 2 modalità di funzionamento la prima con INT.1 (vedere lo schema) in pos. A si accende il termoregolatore che fa scattare il teleruttore con portata 20A che da tensione all’intero dispositivo, il fornetto inizia a scaldare sino a raggiungere la temperatura impostata sul termoregolatore a questo punto il teleruttore si apre e toglie la tensione.
L' INT. 2 serve per accendere la ventola il cui uso è indispensabile quando la temperatura raggiunta dal crogiolo è sopra i 250ºC.

 

La seconda modalità è a riscaldamento continuo con INT.1 in pos. B, il teleruttore scatta ed accende il forno che resta sempre acceso, la temperatura raggiunta a regime dal crogiolo sarà quella in cui si verifica l’equilibrio fra l’energia termica apportata elettricamente al crogiolo e quella dispersa nell’ ambiente per conduzione convenzione ed irraggiamento. In questo caso è possibile regolare la temperatura da un minimo ad un massimo semplicemente variando la tensione di alimentazione con il variac esterno da 12 a 40V.

 

Assemblaggio dei componenti
Sotto l’oscillatore Royer montato sul suo supporto

 

In questo montaggio ho utilizzato 2 grossi dissipatori fissati alla base su una lastra di PVC per sostenere l’intera elettronica su circuito stampato di vetronite, i mosfet di potenza sono naturalmente fissati ai 2 dissipatori, le ampie alette dei dissipatori che sono raffreddate assieme ai condensatori dall’aria spinta dalla ventola garantiscono che anche alla massima potenza non ci sarà alcun surriscaldamento.

 

Sotto particolari del crogiolo e del suo supporto isolante

 

Il supporto porta crogiolo è stato ricavato da una tazza in porcellana forata sul fondo per permettere il passaggio della termocoppia e riempita opportunamente di cemento per alte temperature per alloggiare correttamente il crogiolo in acciaio inox

 

Di seguito il sistema adoperato per fare il vuoto nel crogiolo e per caricarlo di H₂

 

Il crogiolo si collega tramite un tubicino in acciaio inox e connettori vari alla bombolina di H₂, possibile usare anche un’altra bombola con gas inerti Ar He ecc. sono presenti 2 rubinetti e un bocchettone per fare il vuoto con apposita pompa nel crogiolo prima di immettervi l’idrogeno.
Le tenute al vuoto ed alla pressione (sono ammessi sino a 10 bar) è assicurata da guarnizioni al silicone per alte temperature, sul coperchio del crogiolo vi è una finestra in zaffiro montata su supporto in ottone a sua volta saldato sulla piastra inox del coperchio, per l’osservazione dell’ interno.

 

Sotto una vista dell’oscillatore di potenza all’interno dello chassis del forno e del sistema di fissaggio usato per fissare il crogiolo + rubinetteria allo chassis

 

 

Di seguito alcuni particolari della tazza porta crogiolo e con crogiolo inserito

 

 

Per terminare una vista del modulo 2 del fornetto che contiene l’elettronica analogica per trattare i segnali, V, I e temperatura, da inviare al data logger. La realizzazione di questo modulo è stata completata in un tempo successivo alla realizzazione del fornetto ed ha richiesto una particolare cura nella schermatura, con filtri in ingresso ad ogni canale per abbattere le frequenze generate dall’oscillatore, che altrimenti inibirebbero il funzionamento del circuito.

 

 

Bibliografia:

 

- Electric induction furnace
- Sistemi elettronici analogici di controllo e misura