Ogrzewanie indukcyjne - Induction heating

Element generatora radioizotopów Stirlinga jest podgrzewany przez indukcję podczas testowania

Ogrzewanie indukcyjne to proces nagrzewania materiałów przewodzących prąd elektryczny, takich jak metale, za pomocą indukcji elektromagnetycznej , poprzez przenoszenie ciepła przechodzącego przez cewkę indukcyjną, która wytwarza pole elektromagnetyczne w cewce w celu stopienia stali, miedzi, mosiądzu, grafitu, złota, srebra, aluminium i węglik. Nagrzewnica indukcyjna składa się z elektromagnesu i oscylatora elektronicznego, który przepuszcza prąd przemienny o wysokiej częstotliwości (AC) przez elektromagnes. Szybko zmieniające się pole magnetyczne wnika w obiekt, wytwarzając wewnątrz przewodnika prądy elektryczne , zwane prądami wirowymi . Prądy wirowe przepływają przez opór materiału i ogrzewają go przez ogrzewanie Joule'a . W materiałach ferromagnetycznych i ferrimagnetycznych , takich jak żelazo , ciepło jest również generowane przez straty histerezy magnetycznej . Częstotliwość prądu elektryczne stosowane do ogrzewania indukcyjnego, zależy od wielkości obiektu, rodzaju materiału, hak (między wzbudnika i obiektem do ogrzania) i głębokości penetracji.

Ważną cechą procesu nagrzewania indukcyjnego jest to, że ciepło wytwarzane jest wewnątrz samego obiektu, a nie przez zewnętrzne źródło ciepła poprzez przewodnictwo cieplne. Dzięki temu przedmioty mogą być bardzo szybko nagrzewane. Ponadto nie musi być żadnego kontaktu zewnętrznego, co może być ważne, gdy problemem jest zanieczyszczenie. Nagrzewanie indukcyjne jest wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych, takich jak obróbka cieplna w metalurgii , wzrost kryształów Czochralskiego i rafinacja strefowa stosowana w przemyśle półprzewodników oraz do topienia metali ogniotrwałych wymagających bardzo wysokich temperatur. Jest również stosowany w płytach indukcyjnych do podgrzewania pojemników z żywnością; nazywa się to gotowaniem indukcyjnym .

Aplikacje

Nagrzewanie indukcyjne pręta metalowego 25 mm przy mocy 15 kW przy 450 kHz.

Topienie krzemu w tyglu w 2650 ° F (1450 ° C) dla wzrostu kryształów Czochralskiego , 1956

Nagrzewanie indukcyjne umożliwia ukierunkowane nagrzewanie odpowiedniego elementu w zastosowaniach obejmujących utwardzanie powierzchniowe, topienie, lutowanie i lutowanie oraz podgrzewanie w celu dopasowania. Żelazo i jego stopy najlepiej reagują na nagrzewanie indukcyjne ze względu na ich ferromagnetyczny charakter. Jednak prądy wirowe mogą być generowane w dowolnym przewodniku, a histereza magnetyczna może wystąpić w dowolnym materiale magnetycznym. Ogrzewanie indukcyjne jest używane do podgrzewania przewodników płynnych (takich jak stopione metale), a także przewodników gazowych (takich jak plazma gazowa — patrz Technologia plazmy indukcyjnej ). Ogrzewanie indukcyjne jest często stosowane do ogrzewania tygli grafitowych (zawierających inne materiały) i jest szeroko stosowane w przemyśle półprzewodników do ogrzewania krzemu i innych półprzewodników. Nagrzewanie indukcyjne o częstotliwości sieciowej (50/60 Hz) jest stosowane w wielu tańszych zastosowaniach przemysłowych, ponieważ falowniki nie są wymagane.

Piec

Stanowi piec indukcyjny zastosowania indukcyjną do ogrzewania metalu do jego punktu topnienia. Po stopieniu pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości można również wykorzystać do mieszania gorącego metalu, co jest przydatne do zapewnienia pełnego wymieszania dodatków stopowych ze stopem. Większość pieców indukcyjnych składa się z rurki chłodzonych wodą miedzianych pierścieni otaczających pojemnik z materiału ogniotrwałego . Piece indukcyjne są stosowane w większości nowoczesnych odlewni jako czystsza metoda topienia metali niż piec rozbłyskowy czy żeliwiak . Rozmiary wahają się od kilograma pojemności do stu ton. Piece indukcyjne często emitują wysoki jęk lub buczenie, gdy są uruchomione, w zależności od częstotliwości pracy. Do stopionych metali należą żelazo i stal , miedź, aluminium i metale szlachetne . Ponieważ jest to proces czysty i bezkontaktowy, może być stosowany w próżni lub w atmosferze obojętnej. Piece próżniowe wykorzystują nagrzewanie indukcyjne do produkcji stali specjalnych i innych stopów, które utleniałyby się po podgrzaniu w obecności powietrza.

Spawalniczy

Podobny proces na mniejszą skalę stosuje się do zgrzewania indukcyjnego. Tworzywa sztuczne mogą być również zgrzewane indukcyjnie, jeśli są domieszkowane ceramiką ferromagnetyczną (gdzie histereza magnetyczna cząstek zapewnia wymagane ciepło) lub cząstkami metalowymi.

W ten sposób można zgrzewać szwy rur. Prądy indukowane w rurze biegną wzdłuż otwartego szwu i podgrzewają krawędzie, co powoduje, że temperatura jest wystarczająco wysoka do spawania. W tym momencie krawędzie szwu są dociskane do siebie, a szew jest zgrzewany. Prąd RF może być doprowadzony do rurki za pomocą szczotek, ale rezultat jest ten sam – prąd płynie wzdłuż otwartego szwu, podgrzewając go.

Produkcja

W procesie drukowania addytywnego z metalu metodą Rapid Induction Printing, przewodzący materiał drutowy i gaz osłonowy są podawane przez zwiniętą dyszę, poddając surowiec nagrzewaniu indukcyjnemu i wyrzucaniu z dyszy w postaci cieczy, aby uniknąć pod osłoną formowania trójwymiarowego konstrukcje metalowe. Podstawową korzyścią proceduralnego zastosowania nagrzewania indukcyjnego w tym procesie jest znacznie większa wydajność energetyczna i materiałowa, a także wyższy stopień bezpieczeństwa w porównaniu z innymi metodami wytwarzania addytywnego, takimi jak selektywne spiekanie laserowe , które dostarczają ciepło do materiału za pomocą potężnego wiązka laserowa lub elektronowa.

Gotowanie

Podczas gotowania indukcyjnego cewka indukcyjna wewnątrz płyty grzewczej podgrzewa żelazną podstawę naczynia za pomocą indukcji magnetycznej. Korzystanie z kuchenek indukcyjnych zapewnia bezpieczeństwo, wydajność (płyta indukcyjna sama się nie nagrzewa) i szybkość. Patelnie z metali nieżelaznych, takie jak patelnie z dnem miedzianym i patelnie aluminiowe, są generalnie nieodpowiednie. Poprzez indukcję ciepło indukowane w podstawie jest przenoszone do żywności w środku przez przewodzenie.

Mosiężnictwo

Lutowanie indukcyjne jest często stosowane w większych seriach produkcyjnych. Daje jednolite rezultaty i jest bardzo powtarzalny. Istnieje wiele rodzajów urządzeń przemysłowych, w których stosuje się lutowanie indukcyjne. Na przykład Indukcja jest używana do lutowania węglika do wału.

Opieczętowanie

Ogrzewanie indukcyjne stosuje się do zamykania wieczek pojemników w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Warstwę folii aluminiowej umieszcza się na otworze butelki lub słoika i podgrzewa przez indukcję w celu stopienia jej z pojemnikiem. Zapewnia to uszczelnienie odporne na manipulacje, ponieważ zmiana zawartości wymaga zerwania folii.

Ogrzewanie, aby dopasować

Ogrzewanie indukcyjne jest często używane do nagrzewania przedmiotu, powodując jego rozszerzenie przed dopasowaniem lub montażem. Łożyska są rutynowo podgrzewane w ten sposób przy użyciu częstotliwości sieciowej (50/60 Hz) i laminowanego stalowego rdzenia transformatorowego przechodzącego przez środek łożyska.

Obróbka cieplna

Ogrzewanie indukcyjne jest często stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów metalowych. Najczęstsze zastosowania to hartowanie indukcyjne części stalowych, lutowanie indukcyjne /lutowanie twarde jako sposób łączenia elementów metalowych oraz wyżarzanie indukcyjne w celu selektywnego zmiękczenia powierzchni części stalowej.

Nagrzewanie indukcyjne może wytwarzać wysokie gęstości mocy, które umożliwiają krótkie czasy interakcji, aby osiągnąć wymaganą temperaturę. Daje to ścisłą kontrolę nad wzorem nagrzewania z wzorem podążającym dość ściśle za przyłożonym polem magnetycznym i pozwala na zmniejszenie zniekształceń termicznych i uszkodzeń.

Ta zdolność może być wykorzystana do hartowania do produkcji części o różnych właściwościach. Najczęstszym procesem hartowania jest wytworzenie zlokalizowanego utwardzenia powierzchniowego obszaru, który wymaga odporności na zużycie, przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości pierwotnej struktury wymaganej w innych miejscach. Głębokość wzorów utwardzanych indukcyjnie można kontrolować poprzez wybór częstotliwości indukcyjnej, gęstości mocy i czasu interakcji.

Ograniczenia elastyczności procesu wynikają z konieczności wytwarzania dedykowanych cewek indukcyjnych do wielu zastosowań. Jest to dość kosztowne i wymaga uporządkowania wysokich gęstości prądu w małych miedzianych cewkach indukcyjnych, co może wymagać specjalistycznej inżynierii i „dopasowania miedzianego”.

Obróbka tworzyw sztucznych

Ogrzewanie indukcyjne stosowane jest we wtryskarkach do tworzyw sztucznych . Ogrzewanie indukcyjne poprawia efektywność energetyczną procesów wtrysku i wytłaczania. Ciepło jest generowane bezpośrednio w beczce maszyny, co skraca czas nagrzewania i zużycie energii. Cewka indukcyjna może być umieszczona poza izolacją termiczną, dzięki czemu działa w niskiej temperaturze i ma długą żywotność. Stosowana częstotliwość waha się od 30 kHz do 5 kHz, zmniejszając się w przypadku grubszych beczek. Obniżenie kosztów urządzeń inwerterowych sprawiło, że ogrzewanie indukcyjne stało się coraz bardziej popularne. Ogrzewanie indukcyjne można również stosować do form, zapewniając bardziej równomierną temperaturę formy i lepszą jakość produktu.

Piroliza

Ogrzewanie indukcyjne służy do uzyskania biowęgla w procesie pirolizy biomasy. Ciepło jest bezpośrednio generowane w ściankach reaktora z wytrząsaniem, co umożliwia pirolizę biomasy przy dobrym mieszaniu i kontroli temperatury.

Detale

Podstawowa konfiguracja to zasilacz prądu przemiennego, który dostarcza energię elektryczną o niskim napięciu, ale bardzo wysokim prądzie i wysokiej częstotliwości. Obrabiany przedmiot jest umieszczany wewnątrz cewki powietrznej napędzanej przez zasilacz, zwykle w połączeniu z kondensatorem rezonansowym w celu zwiększenia mocy biernej. Zmienne pole magnetyczne indukuje prądy wirowe w przedmiocie obrabianym.

Częstotliwość prądu indukcyjnego określa głębokość, na jaką indukowane prądy wirowe wnikają w przedmiot obrabiany. W najprostszym przypadku litego okrągłego pręta indukowany prąd maleje wykładniczo od powierzchni. „Efektywną” głębokość warstw przewodzących prąd można wyznaczyć jako , gdzie jest głębokością w centymetrach, jest opornością przedmiotu obrabianego w om-centymetrach, jest bezwymiarową względną przenikalnością magnetyczną przedmiotu i jest częstotliwością Pole AC w ​​Hz. Pole AC można obliczyć za pomocą wzoru . Równoważny opór przedmiotu obrabianego, a tym samym wydajność, jest funkcją średnicy przedmiotu obrabianego na głębokości odniesienia , gwałtownie wzrastając do około . Ponieważ średnica przedmiotu obrabianego jest ustalana przez aplikację, wartość jest określana przez głębokość referencyjną. Zmniejszenie głębokości referencyjnej wymaga zwiększenia częstotliwości. Ponieważ koszt zasilaczy indukcyjnych wzrasta wraz z częstotliwością, zasilacze są często optymalizowane w celu osiągnięcia krytycznej częstotliwości, przy której . W przypadku pracy poniżej częstotliwości krytycznej wydajność ogrzewania jest zmniejszona, ponieważ prądy wirowe z obu stron obrabianego przedmiotu zderzają się ze sobą i znoszą. Zwiększenie częstotliwości poza częstotliwość krytyczną powoduje minimalną dalszą poprawę wydajności nagrzewania, chociaż jest ona wykorzystywana w zastosowaniach, które mają na celu obróbkę cieplną tylko powierzchni przedmiotu obrabianego. ${\displaystyle d=5000{\sqrt {\frac {\rho}}{\mu f}}}}$${\displaystyle d}$${\ Displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle \ mu}$${\displaystyle f}$${\displaystyle {\frac {1}{T}}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle d}$${\displaystyle a/d=4}$${\displaystyle a/d}$${\displaystyle a/d=4}$

Głębokość względna zmienia się wraz z temperaturą, ponieważ oporności i przepuszczalność zmieniają się wraz z temperaturą. W przypadku stali przepuszczalność względna spada do 1 powyżej temperatury Curie . Tak więc głębokość referencyjna może zmieniać się wraz z temperaturą o współczynnik 2-3 dla przewodników niemagnetycznych i nawet 20 dla stali magnetycznych.

Materiały magnetyczne poprawiają proces nagrzewania indukcyjnego dzięki histerezie . Materiały o wysokiej przepuszczalności (100–500) łatwiej ogrzewa się za pomocą nagrzewania indukcyjnego. Nagrzewanie histeretyczne następuje poniżej temperatury Curie, gdzie materiały zachowują swoje właściwości magnetyczne. Przydatna jest wysoka przepuszczalność poniżej temperatury Curie w przedmiocie obrabianym. Różnica temperatur, masa i ciepło właściwe wpływają na nagrzewanie się przedmiotu obrabianego.

Na przenoszenie energii nagrzewania indukcyjnego ma wpływ odległość między cewką a przedmiotem obrabianym. Straty energii powstają w wyniku przewodzenia ciepła od elementu obrabianego do osprzętu, naturalnej konwekcji i promieniowania cieplnego .

Cewka indukcyjna jest zwykle wykonana z rur miedzianych i płynu chłodzącego . Średnica, kształt i liczba zwojów wpływają na wydajność i wzór pola.

Piec typu rdzeniowego

Piec składa się z okrągłego paleniska, które zawiera wsad do przetopu w postaci pierścienia. Metalowy pierścień ma dużą średnicę i jest magnetycznie połączony z uzwojeniem elektrycznym zasilanym prądem zmiennym. Jest to zasadniczo transformator, w którym podgrzewany ładunek tworzy zwarcie wtórne z pojedynczym zwojem i jest magnetycznie sprzężone z uzwojeniem pierwotnym za pomocą żelaznego rdzenia.

Bibliografia

• Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler i Rudolph A. Bierwirth, Teoria i zastosowanie ogrzewania częstotliwościami radiowymi . Nowy Jork, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
• Hartshorn, Leslie, Ogrzewanie częstotliwości radiowej . Londyn, G. Allen i Unwin, 1949. LCCN 50002705
• Langton, LL, Radiowe urządzenia grzewcze, ze szczególnym uwzględnieniem teorii i konstrukcji samowzbudnych oscylatorów mocy . Londyn, Pitman, 1949. LCCN 50001900
• Shields, John Potter, ABC ogrzewania falami radiowymi . 1. wydanie, Indianapolis, HW Sams, 1969. LCCN 76098943
• Sovie, Ronald J. i George R. Seikel, Nagrzewanie indukcyjne o częstotliwości radiowej plazmy niskociśnieniowej . Waszyngton, DC: Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej; Springfield, Wirginia: Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, październik 1967. Nota techniczna NASA. D-4206; Opracowano w Lewis Research Center.