Inductotherm Group bedrijven gebruiken elektromagnetische inductie voor smelt-, verwarmings- en lastoepassingen in meerdere industrieën. Maar wat is inductie precies? En hoe verschilt het van andere verwarmingsmethoden?
Inductie is voor de doorsnee ingenieur een fascinerende manier van verwarmen. Toekijken hoe een stuk metaal in een spoel in enkele seconden kersenrood kleurt, kan verrassend zijn voor wie niet vertrouwd is met inductieverwarming. Inductieverwarmingsapparatuur vereist een goed begrip van natuurkunde, elektromagnetisme, vermogenselektronica en procesbesturing, maar de basisconcepten achter inductieverwarming zijn eenvoudig te begrijpen.
De grondbeginselen
Ontdekt door Michael Faraday, begint inductie met een spoel van geleidend materiaal (bijvoorbeeld koper). Als er stroom door de spoel loopt, ontstaat er een magnetisch veld in en rond de spoel. Het vermogen van het magnetisch veld om arbeid te verrichten hangt af van het ontwerp van de spoel en van de hoeveelheid stroom die door de spoel vloeit.
De richting van het magnetisch veld hangt af van de richting van de stroom, zodat een wisselstroom door de spoel zal resulteren in een magnetisch veld dat van richting verandert met dezelfde snelheid als de frequentie van de wisselstroom. 60Hz wisselstroom zal het magnetisch veld 60 keer per seconde van richting doen veranderen. 400kHz wisselstroom zal het magnetisch veld 400.000 maal per seconde doen omschakelen.
Wanneer een geleidend materiaal, een werkstuk, in een wisselend magnetisch veld wordt geplaatst (bijvoorbeeld een veld opgewekt met wisselstroom), zal in het werkstuk spanning worden geïnduceerd (wet van Faraday). De geïnduceerde spanning zal resulteren in de stroom van elektronen: stroom! De stroom die door het werkstuk loopt, zal in de tegenovergestelde richting gaan als de stroom in de spoel. Dit betekent dat we de frequentie van de stroom in het werkstuk kunnen regelen door de frequentie van de stroom in de spoel te regelen.
Als stroom door een medium loopt, zal er enige weerstand zijn tegen de beweging van de elektronen. Deze weerstand komt tot uiting in de vorm van warmte (het Jouleverwarmingseffect). Materialen die meer weerstand bieden tegen de stroom van elektronen zullen meer warmte afgeven als er stroom doorheen loopt, maar het is zeker mogelijk om sterk geleidende materialen (bijvoorbeeld koper) te verhitten met behulp van een geïnduceerde stroom. Dit verschijnsel is van cruciaal belang voor inductieve verwarming.
Wat hebben we nodig voor inductieverwarming?
Dit alles leert ons dat we twee basiszaken nodig hebben voor inductieverwarming:
- Een veranderend magnetisch veld
- Een elektrisch geleidend materiaal dat in het magnetisch veld wordt geplaatst
Hoe verhoudt inductieverwarming zich tot andere verwarmingsmethoden?
Er zijn verschillende methoden om een voorwerp zonder inductie te verwarmen. Enkele van de meer gebruikelijke industriële methoden zijn gasovens, elektrische ovens en zoutbaden. Al deze methoden berusten op warmteoverdracht van de warmtebron (brander, verwarmingselement, vloeibaar zout) naar het product via convectie en straling. Zodra het oppervlak van het product is verwarmd, gaat de warmte door het product heen via thermische geleiding.
Inductieverwarmde producten zijn niet afhankelijk van convectie en straling voor de afgifte van warmte aan het productoppervlak. In plaats daarvan wordt warmte aan het oppervlak van het product opgewekt door de stroom. De warmte van het productoppervlak wordt vervolgens door thermische geleiding door het product geleid. De diepte tot waar de warmte direct met de geïnduceerde stroom wordt opgewekt, hangt af van iets dat de elektrische referentiediepte wordt genoemd.
De elektrische referentiediepte hangt sterk af van de frequentie van de wisselstroom die door het werkstuk stroomt. Een stroom met een hogere frequentie zal resulteren in een ondiepere elektrische referentiediepte en een stroom met een lagere frequentie zal resulteren in een diepere elektrische referentiediepte. Deze diepte is ook afhankelijk van de elektrische en magnetische eigenschappen van het werkstuk.
Inductotherm Group bedrijven maken gebruik van deze fysische en elektrische fenomenen om verwarmingsoplossingen op maat te maken voor specifieke producten en toepassingen. De zorgvuldige beheersing van vermogen, frequentie en spoelgeometrie stelt de bedrijven van de Inductotherm Group in staat apparatuur te ontwerpen met een hoog niveau van procesbeheersing en betrouwbaarheid, ongeacht de toepassing.
Inductiesmelten
Voor veel processen is smelten de eerste stap in het produceren van een bruikbaar product; inductiesmelten is snel en efficiënt. Door de geometrie van de inductiespoel te veranderen, kunnen inductiesmeltovens ladingen bevatten die in grootte variëren van het volume van een koffiemok tot honderden tonnen gesmolten metaal. Verder kunnen de bedrijven van de Inductotherm Group door het aanpassen van frequentie en vermogen vrijwel alle metalen en materialen verwerken, inclusief maar niet beperkt tot: ijzer, staal en roestvrijstalen legeringen, koper en koperhoudende legeringen, aluminium en silicium. Inductie-apparatuur wordt op maat ontworpen voor elke toepassing om ervoor te zorgen dat het zo efficiënt mogelijk is.
Een groot voordeel dat inherent is aan inductiesmelten is inductief roeren. In een inductieoven wordt het materiaal van de metalen lading gesmolten of verwarmd door stroom die door een elektromagnetisch veld wordt opgewekt. Wanneer het metaal gesmolten wordt, brengt dit veld ook het bad in beweging. Dit wordt inductief roeren genoemd. Deze constante beweging vermengt het bad op natuurlijke wijze, waardoor een homogener mengsel ontstaat, en helpt bij het legeren. De mate van roeren wordt bepaald door de grootte van de oven, het vermogen dat in het metaal wordt gebracht, de frequentie van het elektromagnetische veld en het type/volume metaal in de oven. De hoeveelheid inductief roeren in een bepaalde oven kan indien nodig voor speciale toepassingen worden gemanipuleerd.
Inductie Vacuüm Smelten
Omdat inductieverhitting wordt bereikt met behulp van een magnetisch veld, kan het werkstuk (of de lading) fysiek worden geïsoleerd van de inductiespoel door vuurvaste materialen of een ander niet-geleidend medium. Het magnetisch veld zal door dit materiaal gaan om een spanning in de lading op te wekken. Dit betekent dat de lading of het werkstuk onder vacuüm of in een zorgvuldig gecontroleerde atmosfeer kan worden verhit. Dit maakt het mogelijk reactieve metalen (Ti, Al), speciale legeringen, silicium, grafiet en andere gevoelige geleidende materialen te verwerken.
Inductieverhitting
In tegenstelling tot sommige verbrandingsmethoden, is inductieverhitting nauwkeurig regelbaar, ongeacht de grootte van de partij. Het variëren van de stroom, het voltage, en de frequentie door een inductiespoel resulteert in fijn-afgestemde gebouwde het verwarmen, perfect voor nauwkeurige toepassingen zoals geval het verharden, het verharden en het aanmaken, het ontharden en andere vormen van thermische behandeling. Een hoog precisieniveau is essentieel voor kritische toepassingen zoals de automobielindustrie, lucht- en ruimtevaart, glasvezeloptica, munitieverbindingen, draadharden en temperen van verendraad. Inductieverhitting is zeer geschikt voor speciale metaaltoepassingen met titanium, edele metalen en geavanceerde composieten. De nauwkeurige verwarmingsregeling die met inductie mogelijk is, is ongeëvenaard. Verder kan inductieverwarming, gebruikmakend van dezelfde verwarmingsprincipes als vacuümkroesverwarmingstoepassingen, onder atmosfeer worden uitgevoerd voor continue toepassingen. Bijvoorbeeld het blankgloeien van roestvast stalen buizen en pijpen.
Hoogfrequent inductielassen
Wanneer inductie wordt geleverd met gebruikmaking van hoogfrequente (HF) stroom, is gelijkmatig lassen mogelijk. In deze toepassing wordt gebruik gemaakt van de zeer geringe elektrische referentiedieptes die met HF-stroom kunnen worden bereikt. In dit geval wordt een strook metaal ononderbroken gevormd, en gaat dan door een reeks nauwkeurig ontworpen rollen, waarvan het enige doel is de gevormde strookranden samen te dwingen en de las tot stand te brengen. Net voordat de gevormde band de reeks walsen bereikt, gaat hij door een inductiespoel. In dit geval vloeit de stroom naar beneden langs de geometrische “vouw” die door de bandranden wordt gevormd, in plaats van alleen rond de buitenkant van het gevormde kanaal. Terwijl de stroom langs de randen van de band loopt, warmen deze op tot een geschikte lastemperatuur (lager dan de smelttemperatuur van het materiaal). Wanneer de randen worden samengedrukt, worden alle puin, oxiden en andere onzuiverheden naar buiten geperst om te resulteren in een smeedlas in vaste toestand.
De toekomst
Met het komende tijdperk van hoogontwikkelde materialen, alternatieve energieën en de noodzaak om ontwikkelingslanden mondiger te maken, bieden de unieke mogelijkheden van inductie ingenieurs en ontwerpers van de toekomst een snelle, efficiënte en nauwkeurige methode om te verwarmen.