Die Unternehmen der Inductotherm-Gruppe verwenden elektromagnetische Induktion für Schmelz-, Erwärmungs- und Schweißanwendungen in verschiedenen Branchen. Aber was genau ist Induktion? Und wie unterscheidet sie sich von anderen Erwärmungsmethoden?
Für den typischen Ingenieur ist die Induktion eine faszinierende Methode der Erwärmung. Ein Metallstück in einer Spule innerhalb von Sekunden kirschrot werden zu sehen, kann für diejenigen, die mit der Induktionserwärmung nicht vertraut sind, überraschend sein. Induktionserwärmungsanlagen erfordern ein Verständnis der Physik, des Elektromagnetismus, der Leistungselektronik und der Prozesssteuerung, aber die grundlegenden Konzepte der Induktionserwärmung sind einfach zu verstehen.
Die Grundlagen
Die von Michael Faraday entdeckte Induktion beginnt mit einer Spule aus leitfähigem Material (zum Beispiel Kupfer). Wenn Strom durch die Spule fließt, wird ein Magnetfeld in und um die Spule erzeugt. Die Fähigkeit des Magnetfelds, Arbeit zu verrichten, hängt von der Spulenkonstruktion sowie von der Menge des durch die Spule fließenden Stroms ab.
Die Richtung des Magnetfelds hängt von der Richtung des Stromflusses ab, so dass ein Wechselstrom durch die Spule zu einem Magnetfeld führt, das seine Richtung mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Frequenz des Wechselstroms ändert. Ein Wechselstrom von 60 Hz führt dazu, dass das Magnetfeld 60 Mal pro Sekunde die Richtung wechselt. Bei 400 kHz Wechselstrom wechselt das Magnetfeld 400.000 Mal pro Sekunde.
Wenn ein leitfähiges Material, ein Werkstück, in ein sich änderndes Magnetfeld (z. B. ein mit Wechselstrom erzeugtes Feld) gebracht wird, wird im Werkstück eine Spannung induziert (Faradaysches Gesetz). Die induzierte Spannung führt zum Fluss von Elektronen: Strom! Der Strom, der durch das Werkstück fließt, geht in die entgegengesetzte Richtung wie der Strom in der Spule. Das bedeutet, dass wir die Frequenz des Stroms im Werkstück steuern können, indem wir die Frequenz des Stroms in der Spule steuern.
Wenn Strom durch ein Medium fließt, gibt es einen gewissen Widerstand für die Bewegung der Elektronen. Dieser Widerstand macht sich als Wärme bemerkbar (Joule-Effekt). Materialien, die dem Elektronenfluss einen größeren Widerstand entgegensetzen, geben mehr Wärme ab, wenn Strom durch sie fließt, aber es ist durchaus möglich, hochleitende Materialien (z. B. Kupfer) mit Hilfe eines induzierten Stroms zu erwärmen. Dieses Phänomen ist für die induktive Erwärmung entscheidend.
Was brauchen wir für die induktive Erwärmung?
Aus all dem geht hervor, dass wir für die induktive Erwärmung zwei grundlegende Dinge benötigen:
- Ein sich änderndes Magnetfeld
- Ein elektrisch leitfähiges Material, das in das Magnetfeld gebracht wird
Wie ist die induktive Erwärmung im Vergleich zu anderen Erwärmungsmethoden?
Es gibt verschiedene Methoden, ein Objekt ohne Induktion zu erwärmen. Zu den gängigsten industriellen Verfahren gehören Gasöfen, Elektroöfen und Salzbäder. Diese Methoden beruhen alle auf der Wärmeübertragung von der Wärmequelle (Brenner, Heizelement, Flüssigsalz) auf das Produkt durch Konvektion und Strahlung. Sobald die Oberfläche des Produkts erwärmt ist, wird die Wärme durch Wärmeleitung durch das Produkt übertragen.
Induktionserwärmte Produkte verlassen sich nicht auf Konvektion und Strahlung für die Abgabe von Wärme an die Produktoberfläche. Stattdessen wird die Wärme in der Oberfläche des Produkts durch den Stromfluss erzeugt. Die Wärme von der Produktoberfläche wird dann durch Wärmeleitung durch das Produkt übertragen. Die Tiefe, bis zu der die Wärme direkt durch den induzierten Strom erzeugt wird, hängt von der so genannten elektrischen Referenztiefe ab.
Die elektrische Referenztiefe hängt stark von der Frequenz des Wechselstroms ab, der durch das Werkstück fließt. Ein Strom mit höherer Frequenz führt zu einer geringeren elektrischen Referenztiefe und ein Strom mit niedrigerer Frequenz zu einer größeren elektrischen Referenztiefe. Diese Tiefe hängt auch von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Werkstücks ab.
Die Unternehmen der Inductotherm-Gruppe machen sich diese physikalischen und elektrischen Phänomene zunutze, um maßgeschneiderte Erwärmungslösungen für bestimmte Produkte und Anwendungen anzubieten. Die sorgfältige Kontrolle von Leistung, Frequenz und Spulengeometrie ermöglicht es den Unternehmen der Inductotherm-Gruppe, Geräte mit einem hohen Maß an Prozesskontrolle und Zuverlässigkeit zu entwickeln, unabhängig von der Anwendung.
Induktionsschmelzen
Für viele Prozesse ist das Schmelzen der erste Schritt zur Herstellung eines nützlichen Produkts; Induktionsschmelzen ist schnell und effizient. Durch Änderung der Geometrie der Induktionsspule können Induktionsschmelzöfen Chargen von der Größe eines Kaffeebechers bis zu Hunderten von Tonnen geschmolzenen Metalls aufnehmen. Durch die Anpassung von Frequenz und Leistung können die Unternehmen der Inductotherm-Gruppe praktisch alle Metalle und Materialien verarbeiten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Eisen, Stahl und Edelstahllegierungen, Kupfer und Kupferbasislegierungen, Aluminium und Silizium. Induktionsanlagen werden für jede Anwendung maßgeschneidert, um sicherzustellen, dass sie so effizient wie möglich sind.
Ein wesentlicher Vorteil des Induktionsschmelzens ist das induktive Rühren. In einem Induktionsofen wird das metallische Einsatzmaterial durch den von einem elektromagnetischen Feld erzeugten Strom geschmolzen oder erhitzt. Wenn das Metall schmilzt, bringt dieses Feld auch das Bad in Bewegung. Dies wird als induktives Rühren bezeichnet. Durch diese ständige Bewegung wird das Bad auf natürliche Weise durchmischt, was zu einer homogeneren Mischung führt und das Legieren unterstützt. Die Stärke des Rührens wird durch die Größe des Ofens, die in das Metall eingebrachte Leistung, die Frequenz des elektromagnetischen Feldes und die Art/Menge des Metalls im Ofen bestimmt. Die Menge des induktiven Rührens in einem bestimmten Ofen kann bei Bedarf für spezielle Anwendungen manipuliert werden.
Induktions-Vakuumschmelzen
Da die Induktionserwärmung mit Hilfe eines Magnetfeldes erfolgt, kann das Werkstück (oder die Ladung) physisch von der Induktionsspule durch feuerfestes Material oder ein anderes nicht leitendes Medium isoliert werden. Das Magnetfeld durchdringt dieses Material, um in der darin enthaltenen Last eine Spannung zu induzieren. Dies bedeutet, dass die Ladung oder das Werkstück unter Vakuum oder in einer sorgfältig kontrollierten Atmosphäre erwärmt werden kann. Dies ermöglicht die Bearbeitung von reaktiven Metallen (Ti, Al), Speziallegierungen, Silizium, Graphit und anderen empfindlichen leitfähigen Materialien.
Induktionserwärmung
Im Gegensatz zu einigen Verbrennungsmethoden ist die Induktionserwärmung unabhängig von der Chargengröße genau steuerbar. Das Variieren von Strom, Spannung und Frequenz durch eine Induktionsspule führt zu einer fein abgestimmten technischen Erwärmung, die sich perfekt für präzise Anwendungen wie Einsatzhärten, Härten und Anlassen, Glühen und andere Formen der Wärmebehandlung eignet. Ein hohes Maß an Präzision ist für kritische Anwendungen wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Faseroptik, das Kleben von Munition sowie das Härten und Anlassen von Federdraht unerlässlich. Die induktive Erwärmung eignet sich gut für Spezialmetallanwendungen mit Titan, Edelmetallen und hochentwickelten Verbundwerkstoffen. Die präzise Steuerung der Erwärmung, die mit der Induktion möglich ist, ist unübertroffen. Darüber hinaus kann die Induktionserwärmung unter Verwendung der gleichen Erwärmungsgrundlagen wie bei Vakuumtiegeln für kontinuierliche Anwendungen unter Atmosphäre durchgeführt werden. Zum Beispiel Blankglühen von Rohren aus rostfreiem Stahl.
Hochfrequenz-Induktionsschweißen
Wenn die Induktion mit Hochfrequenzstrom (HF) erfolgt, ist gleichmäßiges Schweißen möglich. Bei dieser Anwendung können mit HF-Strom sehr geringe elektrische Eintauchtiefen erreicht werden. In diesem Fall wird ein Metallband kontinuierlich geformt und durchläuft dann eine Reihe von präzise konstruierten Rollen, deren einziger Zweck es ist, die geformten Bandkanten zusammenzudrücken und die Schweißnaht zu erzeugen. Kurz bevor das geformte Band den Rollensatz erreicht, durchläuft es eine Induktionsspule. In diesem Fall fließt der Strom entlang der von den Bandkanten gebildeten geometrischen „Furche“ nach unten und nicht nur um die Außenseite des geformten Kanals herum. Während der Strom entlang der Bandkanten fließt, erwärmen sich diese auf eine geeignete Schweißtemperatur (unterhalb der Schmelztemperatur des Materials). Wenn die Kanten zusammengepresst werden, werden alle Ablagerungen, Oxide und andere Verunreinigungen herausgedrückt, so dass eine feste Schmiedeschweißung entsteht.
Die Zukunft
Im Zeitalter hochentwickelter Werkstoffe, alternativer Energien und der Notwendigkeit, die Entwicklungsländer zu unterstützen, bieten die einzigartigen Möglichkeiten der Induktion den Ingenieuren und Konstrukteuren der Zukunft eine schnelle, effiziente und präzise Erwärmungsmethode.