Společnosti skupiny Inductotherm používají elektromagnetickou indukci pro tavení, ohřev a svařování v různých odvětvích. Co je však přesně indukce? A jak se liší od jiných metod ohřevu?
Pro typického inženýra je indukce fascinující metodou ohřevu. Sledování kusu kovu v cívce, který se během několika sekund zbarví do třešňově červené barvy, může být pro ty, kteří indukční ohřev neznají, překvapivé. Zařízení pro indukční ohřev vyžadují pochopení fyziky, elektromagnetismu, výkonové elektroniky a řízení procesů, ale základní koncepty indukčního ohřevu jsou jednoduché na pochopení.
Základy
Indukce, kterou objevil Michael Faraday, začíná s cívkou z vodivého materiálu (například mědi). Jak cívkou protéká proud, vytváří se v ní a kolem ní magnetické pole. Schopnost magnetického pole konat práci závisí na konstrukci cívky a také na velikosti proudu protékajícího cívkou.
Směr magnetického pole závisí na směru protékajícího proudu, takže střídavý proud procházející cívkou bude mít za následek změnu směru magnetického pole stejnou rychlostí, jakou se mění frekvence střídavého proudu. Střídavý proud o frekvenci 60 Hz způsobí, že magnetické pole změní směr 60krát za sekundu. Střídavý proud 400 kHz způsobí, že se magnetické pole přepne 400 000krát za sekundu.
Pokud je vodivý materiál, obrobek, umístěn do měnícího se magnetického pole (například pole generovaného střídavým proudem), indukuje se v obrobku napětí (Faradayův zákon). Výsledkem indukovaného napětí bude tok elektronů: proud! Proud protékající obrobkem půjde opačným směrem než proud v cívce. To znamená, že frekvenci proudu v obrobku můžeme řídit řízením frekvence proudu v cívce.
Při průchodu proudu prostředím bude existovat určitý odpor proti pohybu elektronů. Tento odpor se projeví jako teplo (Jouleův jev ohřevu). Materiály, které jsou vůči toku elektronů odolnější, budou při průchodu proudu vydávat více tepla, ale určitě je možné pomocí indukovaného proudu zahřívat vysoce vodivé materiály (například měď). Tento jev je pro indukční ohřev rozhodující.
Co potřebujeme pro indukční ohřev?
Z toho všeho vyplývá, že k indukčnímu ohřevu potřebujeme dvě základní věci:
- Měnící se magnetické pole
- Elektricky vodivý materiál umístěný do magnetického pole
Jaký je indukční ohřev ve srovnání s jinými způsoby ohřevu?
Existuje několik metod ohřevu objektu bez indukce. Mezi nejběžnější průmyslové postupy patří plynové pece, elektrické pece a solné lázně. Všechny tyto metody se spoléhají na přenos tepla na výrobek ze zdroje tepla (hořák, topné těleso, kapalná sůl) prostřednictvím konvekce a sálání. Jakmile je povrch výrobku zahřátý, teplo prochází výrobkem tepelnou kondukcí.
Indukčně ohřívané výrobky se při dodávce tepla na povrch výrobku nespoléhají na konvekci a sálání. Místo toho se teplo vytváří na povrchu výrobku průtokem proudu. Teplo z povrchu výrobku se pak tepelnou kondukcí přenáší přes výrobek. Hloubka, do které se teplo generuje přímo pomocí indukovaného proudu, závisí na něčem, co se nazývá elektrická referenční hloubka.
Elektrická referenční hloubka výrazně závisí na frekvenci střídavého proudu protékajícího obrobkem. Proud o vyšší frekvenci bude mít za následek menší elektrickou referenční hloubku a proud o nižší frekvenci bude mít za následek větší elektrickou referenční hloubku. Tato hloubka závisí také na elektrických a magnetických vlastnostech obrobku.
Společnosti skupiny Inductotherm využívají těchto fyzikálních a elektrických jevů k přizpůsobení řešení ohřevu pro konkrétní výrobky a aplikace. Pečlivé řízení výkonu, frekvence a geometrie cívek umožňuje společnostem skupiny Inductotherm Group navrhovat zařízení s vysokou úrovní řízení procesů a spolehlivosti bez ohledu na aplikaci.
Indukční tavení
Pro mnoho procesů je tavení prvním krokem při výrobě užitečného výrobku; indukční tavení je rychlé a účinné. Změnou geometrie indukční cívky mohou indukční tavicí pece pojmout vsázky o velikosti od objemu hrnku na kávu až po stovky tun roztaveného kovu. Dále mohou společnosti skupiny Inductotherm nastavením frekvence a výkonu zpracovávat prakticky všechny kovy a materiály, mimo jiné: železo, ocel a slitiny nerezové oceli, měď a slitiny na bázi mědi, hliník a křemík. Indukční zařízení je navrženo na míru pro každou aplikaci tak, aby byla zajištěna co nejvyšší účinnost.
Významnou výhodou, která je vlastní indukčnímu tavení, je indukční míchání. V indukční peci se kovová vsázka materiálu taví nebo zahřívá proudem generovaným elektromagnetickým polem. Když se kov roztaví, způsobí toto pole také pohyb lázně. Tomu se říká indukční míchání. Tento neustálý pohyb přirozeně promíchává lázeň a vytváří homogennější směs a napomáhá legování. Míra míchání je určena velikostí pece, výkonem vloženým do kovu, frekvencí elektromagnetického pole a typem/objemem kovu v peci. Množství indukčního míchání v dané peci lze v případě potřeby manipulovat pro speciální aplikace.
Indukční vakuové tavení
Protože se indukční ohřev provádí pomocí magnetického pole, může být obrobek (nebo zátěž) fyzicky izolován od indukční cívky žáruvzdorným nebo jiným nevodivým prostředím. Magnetické pole prochází tímto materiálem a indukuje napětí v zátěži, která je v něm obsažena. To znamená, že zátěž nebo obrobek lze zahřívat ve vakuu nebo v pečlivě kontrolované atmosféře. To umožňuje zpracování reaktivních kovů (Ti, Al), speciálních slitin, křemíku, grafitu a dalších citlivých vodivých materiálů.
Indukční ohřev
Na rozdíl od některých spalovacích metod je indukční ohřev přesně kontrolovatelný bez ohledu na velikost dávky. Změna proudu, napětí a frekvence procházející indukční cívkou vede k přesně vyladěnému inženýrskému ohřevu, který je ideální pro přesné aplikace, jako je kalení, kalení a popouštění, žíhání a další formy tepelného zpracování. Vysoká úroveň přesnosti je nezbytná pro kritické aplikace, jako je automobilový a letecký průmysl, optická vlákna, lepení munice, kalení a popouštění pružinového drátu. Indukční ohřev je vhodný pro speciální kovové aplikace zahrnující titan, drahé kovy a pokročilé kompozity. Přesné řízení ohřevu, které je u indukce k dispozici, je bezkonkurenční. Kromě toho lze indukční ohřev při použití stejných základů ohřevu jako při ohřevu ve vakuovém kelímku provádět v atmosféře pro kontinuální aplikace. Například žíhání trubek a trubek z nerezavějící oceli za světla.
Vysokofrekvenční indukční svařování
Pokud je indukce dodávána pomocí vysokofrekvenčního (VF) proudu, je možné i svařování. V této aplikaci se projeví velmi malá elektrická referenční hloubka, které lze dosáhnout pomocí VF proudu. V tomto případě se pás kovu kontinuálně formuje a poté prochází soustavou přesně konstruovaných válců, jejichž jediným účelem je přitlačit formované okraje pásu k sobě a vytvořit svar. Těsně předtím, než tvarovaný pás dosáhne sady válců, prochází indukční cívkou. V tomto případě proud teče dolů podél geometrického „závitu“ vytvořeného okraji pásu, a nikoli pouze kolem vnější strany tvarovaného kanálu. Jak proud teče podél okrajů pásu, zahřívají se na vhodnou svařovací teplotu (nižší než teplota tání materiálu). Po přitlačení okrajů k sobě se vytlačí všechny nečistoty, oxidy a další příměsi a výsledkem je kovářský svar v pevném stavu.
Budoucnost
S přicházejícím věkem vysoce technických materiálů, alternativních energií a potřebou posílit postavení rozvojových zemí nabízejí jedinečné schopnosti indukce inženýrům a konstruktérům budoucnosti rychlý, účinný a přesný způsob ohřevu.