Inductotherm Groups företag använder elektromagnetisk induktion för smältning, uppvärmning och svetsning inom flera olika branscher. Men vad exakt är induktion? Och hur skiljer det sig från andra uppvärmningsmetoder?

För den typiske ingenjören är induktion en fascinerande uppvärmningsmetod. Att se en metallbit i en spole bli körsbärsröd på några sekunder kan vara överraskande för dem som inte är bekanta med induktionsuppvärmning. Utrustning för induktionsuppvärmning kräver förståelse för fysik, elektromagnetism, kraftelektronik och processtyrning, men de grundläggande begreppen bakom induktionsuppvärmning är enkla att förstå.

Grunderna

Induktion, som upptäcktes av Michael Faraday, börjar med en spole av ledande material (till exempel koppar). När strömmen flyter genom spolen skapas ett magnetfält i och runt spolen. Förmågan hos magnetfältet att utföra arbete beror på spolens utformning samt mängden ström som flyter genom spolen.

Riktningen på magnetfältet beror på riktningen på strömmen, så en växelström genom spolen kommer att resultera i ett magnetfält som ändrar riktning i samma takt som växelströmmen har en frekvens. En växelström på 60 Hz gör att magnetfältet byter riktning 60 gånger per sekund. 400 kHz växelström gör att magnetfältet byter riktning 400 000 gånger per sekund.

När ett ledande material, ett arbetsstycke, placeras i ett föränderligt magnetfält (t.ex. ett fält som alstras med växelström) induceras en spänning i arbetsstycket (Faradays lag). Den inducerade spänningen kommer att resultera i ett flöde av elektroner: ström! Den ström som flyter genom arbetsstycket kommer att gå i motsatt riktning som strömmen i spolen. Detta innebär att vi kan kontrollera frekvensen av strömmen i arbetsstycket genom att kontrollera frekvensen av strömmen i spolen.

När strömmen flyter genom ett medium kommer det att finnas ett visst motstånd mot elektronernas rörelse. Detta motstånd visar sig som värme (Joule-värmeeffekten). Material som är mer motståndskraftiga mot elektronernas flöde kommer att avge mer värme när strömmen flyter genom dem, men det är absolut möjligt att värma upp mycket ledande material (t.ex. koppar) med hjälp av en inducerad ström. Detta fenomen är avgörande för induktionsuppvärmning.

Vad behöver vi för induktionsuppvärmning?

Allt detta säger oss att vi behöver två grundläggande saker för att induktionsuppvärmning ska ske:

1. Ett föränderligt magnetfält
2. Ett elektriskt ledande material som placeras i magnetfältet

Hur är induktionsuppvärmning i jämförelse med andra uppvärmningsmetoder?

Det finns flera metoder för att värma ett föremål utan induktion. Några av de vanligaste industriella metoderna är gasugnar, elektriska ugnar och saltbad. Dessa metoder bygger alla på värmeöverföring till produkten från värmekällan (brännare, värmeelement, flytande salt) genom konvektion och strålning. När produktens yta väl är uppvärmd överförs värmen genom produkten med värmeledning.

Induktionsuppvärmda produkter förlitar sig inte på konvektion och strålning för att leverera värme till produktens yta. Istället genereras värme i produktens yta genom flödet av strömmen. Värmen från produktens yta överförs sedan genom produkten med värmeledning. Det djup till vilket värme genereras direkt med hjälp av den inducerade strömmen beror på något som kallas det elektriska referensdjupet.

Det elektriska referensdjupet beror i hög grad på frekvensen av den växelström som flyter genom arbetsstycket. En ström med högre frekvens ger ett grundare elektriskt referensdjup och en ström med lägre frekvens ger ett djupare elektriskt referensdjup. Detta djup beror också på arbetsstyckets elektriska och magnetiska egenskaper.

Inductotherm-koncernens företag drar nytta av dessa fysikaliska och elektriska fenomen för att skräddarsy uppvärmningslösningar för specifika produkter och applikationer. Den noggranna kontrollen av effekt, frekvens och spolgeometri gör det möjligt för företagen inom Inductotherm Group att utforma utrustning med hög grad av processkontroll och tillförlitlighet oavsett tillämpning.

Induktionssmältning

För många processer är smältning det första steget för att framställa en användbar produkt; induktionssmältning är snabb och effektiv. Genom att ändra geometrin på induktionsspolen kan induktionssmältningsugnarna hålla laddningar som varierar i storlek från volymen av en kaffemugg till hundratals ton smält metall. Genom att justera frekvens och effekt kan företagen inom Inductotherm-koncernen dessutom bearbeta praktiskt taget alla metaller och material, inklusive men inte begränsat till: järn, stål och legeringar av rostfritt stål, koppar och kopparbaserade legeringar, aluminium och kisel. Induktionsutrustningen är skräddarsydd för varje tillämpning för att säkerställa att den är så effektiv som möjligt.

En stor fördel som är inneboende med induktionssmältning är induktiv omrörning. I en induktionsugn smälts eller värms metallladdningsmaterialet genom ström som genereras av ett elektromagnetiskt fält. När metallen blir smält får detta fält också badet att röra sig. Detta kallas induktiv omrörning. Denna konstanta rörelse blandar naturligt badet och ger en mer homogen blandning och underlättar legeringen. Hur mycket omrörning som krävs bestäms av ugnens storlek, den effekt som läggs in i metallen, det elektromagnetiska fältets frekvens och typen/mängden metall i ugnen. Mängden induktiv omrörning i en given ugn kan vid behov manipuleras för speciella tillämpningar.

Induktiv vakuumsmältning

Då induktionsuppvärmning sker med hjälp av ett magnetfält kan arbetsstycket (eller lasten) fysiskt isoleras från induktionsspolen genom eldfast material eller något annat icke-ledande medium. Magnetfältet kommer att passera genom detta material för att inducera en spänning i den last som finns inuti. Detta innebär att lasten eller arbetsstycket kan värmas upp under vakuum eller i en noggrant kontrollerad atmosfär. Detta möjliggör bearbetning av reaktiva metaller (Ti, Al), speciallegeringar, kisel, grafit och andra känsliga ledande material.

Induktionsuppvärmning

Till skillnad från vissa förbränningsmetoder är induktionsuppvärmning exakt kontrollerbar oavsett satsstorlek. Att variera strömmen, spänningen och frekvensen genom en induktionsspole resulterar i en finjusterad konstruerad uppvärmning, perfekt för exakta tillämpningar som till exempel sätthärdning, härdning och anlöpning, glödgning och andra former av värmebehandling. En hög grad av precision är nödvändig för kritiska tillämpningar som fordonsindustrin, flygindustrin, fiberoptik, bindning av ammunition, trådhärdning och anlöpning av fjädertråd. Induktionsuppvärmning lämpar sig väl för specialmetalltillämpningar med titan, ädelmetaller och avancerade kompositer. Den exakta värmekontrollen med induktion är oöverträffad. Med hjälp av samma uppvärmningsprinciper som vid uppvärmning i vakuumdeglar kan induktionsuppvärmning dessutom ske under atmosfär för kontinuerliga tillämpningar. Till exempel blankglödgning av rör av rostfritt stål.

Högfrekvent induktionssvetsning

När induktion levereras med högfrekventa (HF) strömmar är jämn svetsning möjlig. I den här tillämpningen är det mycket grunda elektriska referensdjup som kan uppnås med HF-ström. I detta fall formas en metallremsa kontinuerligt och passerar sedan genom en uppsättning exakt konstruerade valsar, vars enda syfte är att tvinga ihop de formade remsans kanter och skapa svetsen. Precis innan den formade remsan når rullarna passerar den genom en induktionsspole. I det här fallet strömmar strömmen ner längs den geometriska ”vee” som skapats av bandkanterna i stället för bara runt utsidan av den formade kanalen. När strömmen flyter längs bandkanterna värms de upp till en lämplig svetstemperatur (under materialets smälttemperatur). När kanterna pressas ihop tvingas allt skräp, alla oxider och andra föroreningar ut för att resultera i en fast smidesvetsning.

Framtiden

Med den kommande tidsåldern av högteknologiska material, alternativa energikällor och behovet av att stärka utvecklingsländerna erbjuder induktionens unika möjligheter framtidens ingenjörer och konstruktörer en snabb, effektiv och exakt uppvärmningsmetod.