Inductotherm-konserniin kuuluvat yritykset käyttävät sähkömagneettista induktiota sulatus-, lämmitys- ja hitsaussovelluksiin useilla eri toimialoilla. Mutta mitä induktio tarkalleen ottaen on? Ja miten se eroaa muista lämmitysmenetelmistä?

Tyypilliselle insinöörille induktio on kiehtova lämmitysmenetelmä. Induktiolämmitykseen perehtymättömille voi olla yllättävää seurata, kuinka kelassa oleva metallipala muuttuu kirsikanpunaiseksi muutamassa sekunnissa. Induktiolämmityslaitteet vaativat ymmärrystä fysiikasta, sähkömagnetismista, tehoelektroniikasta ja prosessinohjauksesta, mutta induktiolämmityksen peruskäsitteet ovat yksinkertaisia ymmärtää.

Perusasiat

Michael Faradayn löytämä induktio lähtee liikkeelle johtavasta materiaalista (esimerkiksi kuparista) tehdystä kelasta. Kun virta kulkee kelan läpi, kelan sisään ja ympärille syntyy magneettikenttä. Magneettikentän kyky tehdä työtä riippuu kelan rakenteesta sekä kelan läpi kulkevan virran määrästä.

Magneettikentän suunta riippuu virran kulkusuunnasta, joten kelan läpi kulkeva vaihtovirta aiheuttaa magneettikentän suunnan muuttumisen samassa tahdissa vaihtovirran taajuuden kanssa. 60 Hz:n vaihtovirta aiheuttaa sen, että magneettikenttä vaihtaa suuntaa 60 kertaa sekunnissa. 400 kHz:n vaihtovirta aiheuttaa magneettikentän vaihtumisen 400 000 kertaa sekunnissa.

Kun johtava materiaali, työkappale, asetetaan muuttuvaan magneettikenttään (esimerkiksi vaihtovirralla tuotettuun kenttään), työkappaleeseen indusoituu jännite (Faradayn laki). Indusoitu jännite johtaa elektronien virtaukseen: virtaan! Työkappaleen läpi kulkeva virta kulkee vastakkaiseen suuntaan kuin kelan virta. Tämä tarkoittaa, että voimme säädellä työkappaleessa kulkevan virran taajuutta säätelemällä kelassa kulkevan virran taajuutta.

Kun virta virtaa väliaineen läpi, elektronien liikkeelle on jonkin verran vastusta. Tämä vastus näkyy lämpönä (Joulen lämmitysilmiö). Materiaalit, jotka vastustavat paremmin elektronien virtausta, luovuttavat enemmän lämpöä, kun virta kulkee niiden läpi, mutta hyvin johtavia materiaaleja (esimerkiksi kuparia) on toki mahdollista lämmittää indusoidun virran avulla. Tämä ilmiö on kriittinen induktiolämmityksen kannalta.

Mitä tarvitsemme induktiolämmitykseen?

Kaikki tämä kertoo meille, että tarvitsemme kaksi perusasiaa, jotta induktiolämmitys voisi tapahtua:

1. Muuttuva magneettikenttä
2. Sähköä johtava materiaali, joka on sijoitettu magneettikenttään

Miten induktiolämmitys vertautuu muihin lämmitysmenetelmiin?

Kappaleen lämmittämiseen on useita menetelmiä ilman induktiota. Joitakin yleisempiä teollisia käytäntöjä ovat kaasu-uunit, sähköuunit ja suolakylvyt. Nämä menetelmät perustuvat kaikki lämmön siirtymiseen tuotteeseen lämmönlähteestä (poltin, lämmityselementti, nestemäinen suola) konvektion ja säteilyn kautta. Kun tuotteen pinta on lämmitetty, lämpö siirtyy tuotteen läpi lämmön johtumisen avulla.

Induktiolämmitteiset tuotteet eivät luota konvektioon ja säteilyyn lämmön luovuttamisessa tuotteen pinnalle. Sen sijaan lämpö tuotetaan tuotteen pinnassa virran virtauksen avulla. Tuotteen pinnalta tuleva lämpö siirtyy sitten tuotteen läpi lämmön johtumisen avulla. Syvyys, johon asti lämpöä tuotetaan suoraan indusoidun virran avulla, riippuu jostakin, jota kutsutaan sähköiseksi referenssisyvyydeksi.

Sähköinen referenssisyvyys riippuu suuresti työkappaleen läpi kulkevan vaihtovirran taajuudesta. Korkeamman taajuuden virta johtaa matalampaan sähköiseen viitesyvyyteen ja matalamman taajuuden virta johtaa syvempään sähköiseen viitesyvyyteen. Tämä syvyys riippuu myös työkappaleen sähköisistä ja magneettisista ominaisuuksista.

Inductotherm-konserniin kuuluvissa yrityksissä hyödynnetään näitä fysikaalisia ja sähköisiä ilmiöitä, jotta voidaan räätälöidä kuumentamisratkaisuja tietyille tuotteille ja sovelluksille. Tehon, taajuuden ja kelan geometrian huolellisen hallinnan ansiosta Inductotherm-konsernin yritykset voivat suunnitella laitteita, joilla on korkea prosessinohjaus ja luotettavuus sovelluksesta riippumatta.

Induktiosulatus

Monissa prosesseissa sulatus on ensimmäinen vaihe käyttökelpoisen tuotteen tuottamisessa; induktiosulatus on nopea ja tehokas. Induktiokelan geometriaa muuttamalla induktiosulatusuunit voivat pitää sisällään panoksia, joiden koko vaihtelee kahvimukin tilavuudesta satoihin tonneihin sulaa metallia. Lisäksi taajuutta ja tehoa säätämällä Inductotherm-konsernin yritykset voivat käsitellä lähes kaikkia metalleja ja materiaaleja, kuten muun muassa rautaa, terästä ja ruostumattoman teräksen seoksia, kuparia ja kuparipohjaisia seoksia, alumiinia ja piitä. Induktiolaitteet suunnitellaan räätälöidysti kutakin sovellusta varten, jotta varmistetaan, että ne ovat mahdollisimman tehokkaita.

Induktiosulatukseen liittyvä merkittävä etu on induktiivinen sekoittaminen. Induktiouunissa metallipanosmateriaali sulatetaan tai kuumennetaan sähkömagneettisen kentän tuottaman virran avulla. Kun metalli sulaa, tämä kenttä saa myös kylpyammeen liikkumaan. Tätä kutsutaan induktiiviseksi sekoittamiseksi. Tämä jatkuva liike sekoittaa luonnollisesti kylpyammeen, jolloin se sekoittuu homogeenisemmaksi ja auttaa seostamisessa. Sekoituksen määrä määräytyy uunin koon, metalliin syötetyn tehon, sähkömagneettisen kentän taajuuden ja uunissa olevan metallin tyypin/määrän mukaan. Induktiivisen sekoituksen määrää tietyssä uunissa voidaan tarvittaessa säätää erityissovelluksia varten.

Induktiotyhjiösulatus

Koska induktiolämmitys tapahtuu magneettikentän avulla, työkappale (tai kuorma) voidaan fyysisesti eristää induktiokelasta tulenkestävällä aineella tai muulla ei-johtavalla väliaineella. Magneettikenttä kulkee tämän materiaalin läpi indusoidakseen jännitteen sen sisällä olevaan kuormaan. Tämä tarkoittaa, että kuormaa tai työkappaletta voidaan lämmittää tyhjiössä tai tarkoin valvotussa ilmakehässä. Tämä mahdollistaa reaktiivisten metallien (Ti, Al), erikoisseosten, piin, grafiitin ja muiden herkkien johtavien materiaalien käsittelyn.

Induktiokuumennus

Toisin kuin jotkin polttomenetelmät, induktiokuumennus on tarkasti hallittavissa eräkoosta riippumatta. Induktiokelan läpi kulkevan virran, jännitteen ja taajuuden muuttaminen johtaa hienosäädettyyn suunniteltuun lämmitykseen, joka sopii erinomaisesti tarkkoihin sovelluksiin, kuten kotelokarkaisuun, karkaisuun ja karkaisuun, hehkutukseen ja muihin lämpökäsittelymuotoihin. Korkea tarkkuus on välttämätöntä kriittisissä sovelluksissa, kuten autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusalalla, kuituoptiikassa, ampumatarvikkeiden liimauksessa sekä jousilangan karkaisussa ja karkaisussa. Induktiokuumennus soveltuu hyvin erikoismetallisovelluksiin, joissa käytetään titaania, jalometalleja ja kehittyneitä komposiitteja. Induktiolämmityksen tarkka lämmityksen hallinta on vertaansa vailla. Lisäksi induktiokuumennusta voidaan käyttää samoilla lämmitysperiaatteilla kuin tyhjiöaaltouunin lämmityssovelluksia, ja induktiokuumennusta voidaan käyttää ilmakehän alla jatkuvissa sovelluksissa. Esimerkiksi ruostumattomasta teräksestä valmistettujen putkien kirkashehkutus.

Korkeataajuinen induktiohitsaus

Kun induktiota syötetään korkeataajuisella (HF) virralla, tasainen hitsaus on mahdollista. Tässä sovelluksessa HF-virralla saavutettavat erittäin matalat sähköiset viitesyvyydet. Tällöin metallinauhaa muotoillaan yhtäjaksoisesti, minkä jälkeen se kulkee tarkasti suunniteltujen telojen läpi, joiden ainoa tarkoitus on pakottaa muotoillut nauhan reunat yhteen ja luoda hitsaus. Juuri ennen kuin muotoiltu nauha saavuttaa rullasarjan, se kulkee induktiokelan läpi. Tällöin virta kulkee alaspäin nauhan reunojen luomaa geometrista ”vee:tä” pitkin sen sijaan, että se kulkisi vain muotoillun kanavan ulkopuolella. Kun virta kulkee nauhan reunoja pitkin, ne lämpenevät sopivaan hitsauslämpötilaan (alle materiaalin sulamislämpötilan). Kun reunat puristetaan yhteen, kaikki roskat, oksidit ja muut epäpuhtaudet pakotetaan ulos, jolloin tuloksena on kiinteä takomahitsi.

Tulevaisuus

Tulevaisuuden huipputeknisten materiaalien, vaihtoehtoisten energiamuotojen ja kehitysmaiden voimaannuttamistarpeen aikakauden lähestyessä induktiohitsauksen ainutkertaiset kyvykkyysominaisuudet tarjoavat tulevaisuudessakin insinööreille ja suunnittelijoille nopean, tehokkaan ja tarkan lämmitysmenetelmän.