Le aziende del gruppo Inductotherm utilizzano l’induzione elettromagnetica per applicazioni di fusione, riscaldamento e saldatura in diversi settori. Ma cos’è esattamente l’induzione? E come si differenzia dagli altri metodi di riscaldamento?

Per l’ingegnere tipico, l’induzione è un metodo di riscaldamento affascinante. Guardare un pezzo di metallo in una bobina diventare rosso ciliegia in pochi secondi può essere sorprendente per chi non ha familiarità con il riscaldamento a induzione. Le attrezzature per il riscaldamento a induzione richiedono una comprensione della fisica, dell’elettromagnetismo, dell’elettronica di potenza e del controllo dei processi, ma i concetti di base del riscaldamento a induzione sono semplici da capire.

Le basi

Scoperto da Michael Faraday, l’induzione inizia con una bobina di materiale conduttore (per esempio, rame). Quando la corrente scorre attraverso la bobina, si produce un campo magnetico dentro e intorno alla bobina. La capacità del campo magnetico di fare lavoro dipende dal design della bobina e dalla quantità di corrente che scorre attraverso la bobina.

La direzione del campo magnetico dipende dalla direzione del flusso di corrente, quindi una corrente alternata attraverso la bobina provocherà un campo magnetico che cambia di direzione alla stessa velocità della frequenza della corrente alternata. La corrente alternata a 60Hz farà sì che il campo magnetico cambi direzione 60 volte al secondo. La corrente alternata a 400kHz farà sì che il campo magnetico cambi 400.000 volte al secondo.

Quando un materiale conduttivo, un pezzo di lavoro, è posto in un campo magnetico che cambia (per esempio, un campo generato con la corrente alternata), la tensione sarà indotta nel pezzo di lavoro (legge di Faraday). La tensione indotta provocherà un flusso di elettroni: la corrente! La corrente che scorre attraverso il pezzo da lavorare andrà nella direzione opposta a quella della corrente nella bobina. Questo significa che possiamo controllare la frequenza della corrente nel pezzo da lavorare controllando la frequenza della corrente nella bobina.

Come la corrente scorre attraverso un mezzo, ci sarà una certa resistenza al movimento degli elettroni. Questa resistenza si manifesta come calore (effetto Joule). I materiali che sono più resistenti al flusso di elettroni emetteranno più calore quando la corrente li attraversa, ma è certamente possibile riscaldare materiali altamente conduttivi (per esempio, il rame) usando una corrente indotta. Questo fenomeno è fondamentale per il riscaldamento induttivo.

Di cosa abbiamo bisogno per il riscaldamento a induzione?

Tutto questo ci dice che abbiamo bisogno di due cose fondamentali per il riscaldamento a induzione:

1. Un campo magnetico che cambia
2. Un materiale elettricamente conduttivo posto nel campo magnetico

Come fa il riscaldamento a induzione rispetto ad altri metodi di riscaldamento?

Ci sono diversi metodi per riscaldare un oggetto senza induzione. Alcune delle pratiche industriali più comuni includono forni a gas, forni elettrici e bagni di sale. Questi metodi si basano tutti sul trasferimento di calore al prodotto dalla fonte di calore (bruciatore, elemento riscaldante, sale liquido) attraverso la convezione e la radiazione. Una volta che la superficie del prodotto è riscaldata, il calore si trasferisce attraverso il prodotto con la conduzione termica.

I prodotti riscaldati a induzione non si basano su convezione e radiazione per la fornitura di calore alla superficie del prodotto. Invece, il calore è generato nella superficie del prodotto dal flusso di corrente. Il calore dalla superficie del prodotto viene poi trasferito attraverso il prodotto con la conduzione termica. La profondità alla quale il calore viene generato direttamente usando la corrente indotta dipende da qualcosa chiamato profondità elettrica di riferimento.

La profondità elettrica di riferimento dipende molto dalla frequenza della corrente alternata che scorre attraverso il pezzo. Una corrente di frequenza più alta risulterà in una profondità di riferimento elettrico più bassa e una corrente di frequenza più bassa risulterà in una profondità di riferimento elettrico più profonda. Questa profondità dipende anche dalle proprietà elettriche e magnetiche del pezzo da lavorare.

Le aziende del gruppo Indutotherm sfruttano questi fenomeni fisici ed elettrici per personalizzare soluzioni di riscaldamento per prodotti e applicazioni specifiche. L’attento controllo della potenza, della frequenza e della geometria della bobina permette alle aziende del Gruppo Inductotherm di progettare attrezzature con alti livelli di controllo del processo e affidabilità, indipendentemente dall’applicazione.

Fusione a induzione

Per molti processi la fusione è il primo passo per produrre un prodotto utile; la fusione a induzione è veloce ed efficiente. Cambiando la geometria della bobina di induzione, i forni di fusione a induzione possono contenere cariche che vanno dal volume di una tazza di caffè a centinaia di tonnellate di metallo fuso. Inoltre, regolando la frequenza e la potenza, le aziende del gruppo Inductotherm possono lavorare praticamente tutti i metalli e i materiali, compresi, ma non solo: ferro, acciaio e leghe di acciaio inossidabile, rame e leghe a base di rame, alluminio e silicio. Le attrezzature a induzione sono progettate su misura per ogni applicazione per garantire la massima efficienza possibile.

Un grande vantaggio inerente alla fusione a induzione è l’agitazione induttiva. In un forno a induzione, il materiale della carica metallica viene fuso o riscaldato dalla corrente generata da un campo elettromagnetico. Quando il metallo diventa fuso, questo campo fa muovere anche il bagno. Questo si chiama agitazione induttiva. Questo movimento costante mescola naturalmente il bagno producendo una miscela più omogenea e aiuta a legare. La quantità di agitazione è determinata dalle dimensioni del forno, dalla potenza messa nel metallo, dalla frequenza del campo elettromagnetico e dal tipo/quantità di metallo nel forno. La quantità di agitazione induttiva in un dato forno può essere manipolata per applicazioni speciali, se necessario.

Fusione sotto vuoto a induzione

Perché il riscaldamento a induzione è realizzato usando un campo magnetico, il pezzo da lavorare (o il carico) può essere fisicamente isolato dalla bobina di induzione da un refrattario o da un altro mezzo non conduttore. Il campo magnetico passerà attraverso questo materiale per indurre una tensione nel carico contenuto all’interno. Ciò significa che il carico o il pezzo da lavorare può essere riscaldato sotto vuoto o in un’atmosfera attentamente controllata. Questo permette la lavorazione di metalli reattivi (Ti, Al), leghe speciali, silicio, grafite e altri materiali conduttivi sensibili.

Riscaldamento a induzione

A differenza di alcuni metodi di combustione, il riscaldamento a induzione è precisamente controllabile indipendentemente dalle dimensioni del lotto. Variando la corrente, la tensione e la frequenza attraverso una bobina di induzione si ottiene un riscaldamento finemente regolato, perfetto per applicazioni precise come la cementazione, la tempra e il rinvenimento, la ricottura e altre forme di trattamento termico. Un alto livello di precisione è essenziale per applicazioni critiche come quelle automobilistiche, aerospaziali, fibre ottiche, incollaggio di munizioni, tempra di fili e rinvenimento di fili per molle. Il riscaldamento a induzione è adatto per applicazioni di metalli speciali che coinvolgono il titanio, i metalli preziosi e i compositi avanzati. Il controllo preciso del riscaldamento disponibile con l’induzione è impareggiabile. Inoltre, utilizzando gli stessi principi di riscaldamento delle applicazioni di riscaldamento a crogiolo sotto vuoto, il riscaldamento a induzione può essere effettuato sotto atmosfera per applicazioni continue. Per esempio la ricottura brillante di tubi in acciaio inossidabile.

Saldatura a induzione ad alta frequenza

Quando l’induzione è fornita utilizzando la corrente ad alta frequenza (HF), è possibile una saldatura uniforme. In questa applicazione le profondità di riferimento elettrico molto basse che possono essere raggiunte con la corrente HF. In questo caso, una striscia di metallo viene formata in modo continuo, e poi passa attraverso una serie di rulli progettati con precisione, il cui unico scopo è quello di forzare i bordi della striscia formata insieme e creare la saldatura. Appena prima che la striscia formata raggiunga la serie di rulli, passa attraverso una bobina d’induzione. In questo caso la corrente scorre lungo la “vena” geometrica creata dai bordi della striscia, invece di girare intorno all’esterno del canale formato. Mentre la corrente scorre lungo i bordi della striscia, questi si riscaldano fino a una temperatura di saldatura adatta (inferiore alla temperatura di fusione del materiale). Quando i bordi vengono premuti insieme, tutti i detriti, gli ossidi e le altre impurità vengono forzati fuori per ottenere una saldatura allo stato solido.

Il futuro

Con l’avvento dell’era dei materiali altamente ingegnerizzati, delle energie alternative e la necessità di dare potere ai paesi in via di sviluppo, le capacità uniche dell’induzione offrono agli ingegneri e ai designer del futuro un metodo di riscaldamento veloce, efficiente e preciso.