Przedsiębiorstwa Grupy Inductotherm wykorzystują indukcję elektromagnetyczną do topienia, ogrzewania i spawania w wielu branżach. Ale czym dokładnie jest indukcja? I czym różni się od innych metod ogrzewania?
Dla typowego inżyniera indukcja jest fascynującą metodą ogrzewania. Obserwowanie, jak kawałek metalu w cewce zmienia kolor na wiśniowo-czerwony w ciągu kilku sekund, może być zaskakujące dla osób nieobeznanych z ogrzewaniem indukcyjnym. Sprzęt do ogrzewania indukcyjnego wymaga zrozumienia fizyki, elektromagnetyzmu, elektroniki mocy i sterowania procesem, ale podstawowe pojęcia stojące za ogrzewaniem indukcyjnym są proste do zrozumienia.
Podstawy
Odkryta przez Michaela Faradaya, indukcja zaczyna się od zwoju materiału przewodzącego (na przykład miedzi). Gdy prąd przepływa przez cewkę, wytwarzane jest pole magnetyczne w cewce i wokół niej. Zdolność pola magnetycznego do wykonania pracy zależy od konstrukcji cewki, jak również od ilości prądu przepływającego przez cewkę.
Kierunek pola magnetycznego zależy od kierunku przepływu prądu, więc prąd zmienny przepływający przez cewkę spowoduje zmianę kierunku pola magnetycznego w tym samym tempie, co częstotliwość prądu zmiennego. Prąd zmienny o częstotliwości 60Hz spowoduje, że pole magnetyczne będzie zmieniać kierunek 60 razy na sekundę. Prąd zmienny o częstotliwości 400 kHz spowoduje, że pole magnetyczne będzie się zmieniać 400 000 razy na sekundę.
Gdy materiał przewodzący, przedmiot obrabiany, jest umieszczony w zmiennym polu magnetycznym (na przykład polu generowanym przez prąd zmienny), w przedmiocie obrabianym zostanie zaindukowane napięcie (prawo Faradaya). Wyindukowane napięcie spowoduje przepływ elektronów: prąd! Prąd płynący przez element roboczy będzie płynął w przeciwnym kierunku niż prąd w cewce. Oznacza to, że możemy kontrolować częstotliwość prądu w obrabianym przedmiocie, kontrolując częstotliwość prądu w cewce.
Jak prąd przepływa przez medium, będzie istniał pewien opór dla ruchu elektronów. Opór ten objawia się jako ciepło (efekt Joule’a). Materiały, które są bardziej odporne na przepływ elektronów będą wydzielały więcej ciepła, gdy przepływa przez nie prąd, ale z pewnością możliwe jest ogrzanie materiałów o wysokiej przewodności (na przykład miedzi) za pomocą prądu indukowanego. Zjawisko to jest krytyczne dla ogrzewania indukcyjnego.
Czego potrzebujemy do ogrzewania indukcyjnego?
Wszystko to mówi nam, że potrzebujemy dwóch podstawowych rzeczy, aby wystąpiło ogrzewanie indukcyjne:
- Zmienne pole magnetyczne
- Materiał przewodzący prąd elektryczny umieszczony w polu magnetycznym
Jak ogrzewanie indukcyjne ma się do innych metod ogrzewania?
Istnieje kilka metod ogrzewania obiektu bez indukcji. Niektóre z bardziej powszechnych praktyk przemysłowych obejmują piece gazowe, piece elektryczne i kąpiele solankowe. Wszystkie te metody opierają się na przekazywaniu ciepła do produktu ze źródła ciepła (palnika, elementu grzejnego, ciekłej soli) poprzez konwekcję i promieniowanie. Po ogrzaniu powierzchni produktu, ciepło jest przenoszone przez produkt za pomocą przewodnictwa cieplnego.
Produkty ogrzewane indukcyjnie nie opierają się na konwekcji i promieniowaniu przy dostarczaniu ciepła do powierzchni produktu. Zamiast tego, ciepło jest generowane w powierzchni produktu przez przepływ prądu. Ciepło z powierzchni produktu jest następnie przekazywane przez produkt za pomocą przewodnictwa cieplnego. Głębokość, do której ciepło jest generowane bezpośrednio przy użyciu prądu indukowanego, zależy od czegoś, co nazywa się elektryczną głębokością odniesienia.
Elektryczna głębokość odniesienia zależy w dużym stopniu od częstotliwości prądu zmiennego przepływającego przez przedmiot obrabiany. Prąd o wyższej częstotliwości spowoduje płytszą elektryczną głębokość odniesienia, a prąd o niższej częstotliwości spowoduje głębszą elektryczną głębokość odniesienia. Głębokość ta zależy również od elektrycznych i magnetycznych właściwości obrabianego przedmiotu.
Przedsiębiorstwa Grupy Inductotherm wykorzystują te zjawiska fizyczne i elektryczne, aby dostosować rozwiązania grzewcze do konkretnych produktów i zastosowań. Staranna kontrola mocy, częstotliwości i geometrii cewki pozwala firmom Grupy Inductotherm projektować urządzenia o wysokim poziomie kontroli procesu i niezawodności niezależnie od zastosowania.
Topienie indukcyjne
W wielu procesach topienie jest pierwszym krokiem do wytworzenia użytecznego produktu; topienie indukcyjne jest szybkie i wydajne. Poprzez zmianę geometrii cewki indukcyjnej, piece do topienia indukcyjnego mogą pomieścić ładunki o wielkości od kubka do kawy do setek ton stopionego metalu. Ponadto, dostosowując częstotliwość i moc, firmy z grupy Inductotherm mogą przetwarzać praktycznie wszystkie metale i materiały, w tym między innymi: żelazo, stal i stopy stali nierdzewnej, miedź i stopy na bazie miedzi, aluminium i krzem. Sprzęt indukcyjny jest projektowany na zamówienie dla każdego zastosowania, aby zapewnić jego maksymalną wydajność.
Główną zaletą, która jest nieodłącznym elementem topienia indukcyjnego, jest mieszanie indukcyjne. W piecu indukcyjnym, metalowy materiał wsadowy jest topiony lub ogrzewany przez prąd generowany przez pole elektromagnetyczne. Kiedy metal staje się stopiony, pole to powoduje również ruch wanny. Jest to tzw. mieszanie indukcyjne. Ten stały ruch naturalnie miesza kąpiel, tworząc bardziej jednorodną mieszankę i pomaga w stopie. Ilość mieszania zależy od wielkości pieca, mocy włożonej w metal, częstotliwości pola elektromagnetycznego oraz rodzaju/ilości metalu w piecu. Ilość mieszania indukcyjnego w danym piecu może być manipulowana dla specjalnych zastosowań, jeśli jest to wymagane.
Indukcyjne topienie próżniowe
Ponieważ ogrzewanie indukcyjne jest realizowane za pomocą pola magnetycznego, przedmiot obrabiany (lub ładunek) może być fizycznie odizolowany od cewki indukcyjnej za pomocą materiału ogniotrwałego lub innego nieprzewodzącego medium. Pole magnetyczne przechodzi przez ten materiał, indukując napięcie w ładunku znajdującym się wewnątrz. Oznacza to, że ładunek lub przedmiot obrabiany może być ogrzewany w próżni lub w starannie kontrolowanej atmosferze. Umożliwia to obróbkę metali reaktywnych (Ti, Al), stopów specjalnych, krzemu, grafitu i innych wrażliwych materiałów przewodzących.
Grzanie indukcyjne
W przeciwieństwie do niektórych metod spalania, grzanie indukcyjne można precyzyjnie kontrolować niezależnie od wielkości partii. Zmieniając natężenie, napięcie i częstotliwość prądu w cewce indukcyjnej, uzyskuje się precyzyjnie dostrojone ogrzewanie, idealne do precyzyjnych zastosowań, takich jak hartowanie w osłonie, hartowanie i odpuszczanie, wyżarzanie i inne formy obróbki cieplnej. Wysoki poziom precyzji jest niezbędny w krytycznych zastosowaniach, takich jak motoryzacja, lotnictwo i kosmonautyka, światłowody, łączenie amunicji, hartowanie i odpuszczanie drutu sprężynowego. Ogrzewanie indukcyjne dobrze sprawdza się w zastosowaniach związanych z metalami specjalnymi, takimi jak tytan, metale szlachetne i zaawansowane kompozyty. Precyzyjna kontrola nagrzewania dostępna dzięki indukcji jest niezrównana. Ponadto, wykorzystując te same podstawy ogrzewania, co w przypadku zastosowania ogrzewania w tyglu próżniowym, ogrzewanie indukcyjne może być prowadzone pod atmosferą dla zastosowań ciągłych. Na przykład jasne wyżarzanie rur i przewodów rurowych ze stali nierdzewnej.
Spawanie indukcyjne wysokiej częstotliwości
Gdy indukcja jest dostarczana przy użyciu prądu wysokiej częstotliwości (HF), możliwe jest równomierne spawanie. W tym zastosowaniu bardzo płytkie elektryczne głębokości odniesienia, które można osiągnąć za pomocą prądu HF. W tym przypadku pasek metalu jest formowany w sposób ciągły, a następnie przechodzi przez zestaw precyzyjnie zaprojektowanych rolek, których jedynym celem jest połączenie uformowanych krawędzi paska i utworzenie spoiny. Tuż przed dotarciem uformowanej taśmy do zestawu rolek, przechodzi ona przez cewkę indukcyjną. W tym przypadku prąd płynie w dół wzdłuż geometrycznej „żyły” utworzonej przez krawędzie taśmy, a nie tylko wokół zewnętrznej strony uformowanego kanału. Gdy prąd płynie wzdłuż krawędzi taśmy, nagrzewają się one do odpowiedniej temperatury zgrzewania (poniżej temperatury topnienia materiału). Gdy krawędzie zostaną dociśnięte do siebie, wszystkie zanieczyszczenia, tlenki i inne nieczystości zostaną wypchnięte na zewnątrz, dając w rezultacie spoinę kuźniczą w stanie stałym.
Przyszłość
W obliczu nadchodzącej ery wysoko zaawansowanych technologicznie materiałów, alternatywnych źródeł energii i potrzeby wzmocnienia pozycji krajów rozwijających się, unikalne możliwości indukcji oferują inżynierom i projektantom przyszłości szybką, wydajną i precyzyjną metodę ogrzewania.