Riscaldamento a induzione - Induction heating

Il componente del generatore di radioisotopi Stirling viene riscaldato per induzione durante il test

Il riscaldamento a induzione è il processo di riscaldamento di materiali elettricamente conduttivi come i metalli mediante induzione elettromagnetica , attraverso il trasferimento di calore che passa attraverso una bobina di induzione che crea un campo elettromagnetico all'interno della bobina per fondere acciaio, rame, ottone, grafite, oro, argento, alluminio e carburo. Un riscaldatore a induzione è costituito da un elettromagnete e un oscillatore elettronico che fa passare una corrente alternata ad alta frequenza (CA) attraverso l'elettromagnete. Il campo magnetico rapidamente alternato penetra nell'oggetto, generando correnti elettriche all'interno del conduttore, chiamate correnti parassite . Le correnti parassite attraversano la resistenza del materiale e la riscaldano per riscaldamento Joule . Nei materiali ferromagnetici e ferrimagnetici , come il ferro , il calore è generato anche dalle perdite per isteresi magnetica . La frequenza della corrente elettrica utilizzata per il riscaldamento a induzione dipende dalle dimensioni dell'oggetto, dal tipo di materiale, dall'accoppiamento (tra la bobina di lavoro e l'oggetto da riscaldare) e dalla profondità di penetrazione.

Una caratteristica importante del processo di riscaldamento a induzione è che il calore viene generato all'interno dell'oggetto stesso, anziché da una fonte di calore esterna tramite conduzione di calore. Così gli oggetti possono essere riscaldati molto rapidamente. Inoltre, non è necessario alcun contatto esterno, il che può essere importante quando la contaminazione è un problema. Il riscaldamento a induzione viene utilizzato in molti processi industriali, come il trattamento termico in metallurgia , la crescita dei cristalli Czochralski e la raffinazione a zone utilizzate nell'industria dei semiconduttori e per fondere metalli refrattari che richiedono temperature molto elevate. Viene utilizzato anche nei piani cottura ad induzione per riscaldare contenitori di alimenti; questa si chiama cottura a induzione .

Applicazioni

Riscaldamento a induzione di una barra metallica da 25 mm utilizzando 15 kW a 450 kHz.
Silicio di fusione in crogiolo a 2.650 ° F (1.450 ° C) per la crescita dei cristalli Czochralski 1956

Il riscaldamento a induzione consente il riscaldamento mirato di un articolo applicabile per applicazioni tra cui tempra superficiale, fusione, brasatura e saldatura e riscaldamento per adattarsi. Il ferro e le sue leghe rispondono meglio al riscaldamento ad induzione, per la loro natura ferromagnetica. Tuttavia, le correnti parassite possono essere generate in qualsiasi conduttore e l' isteresi magnetica può verificarsi in qualsiasi materiale magnetico. Il riscaldamento a induzione è stato utilizzato per riscaldare conduttori liquidi (come i metalli fusi) e anche conduttori gassosi (come un plasma di gas, vedere Tecnologia del plasma a induzione ). Il riscaldamento a induzione viene spesso utilizzato per riscaldare crogioli di grafite (contenenti altri materiali) ed è ampiamente utilizzato nell'industria dei semiconduttori per il riscaldamento del silicio e di altri semiconduttori. Il riscaldamento a induzione a frequenza di rete (50/60 Hz) viene utilizzato per molte applicazioni industriali a basso costo poiché non sono necessari inverter .

Forno

Un forno a induzione utilizza l'induzione per riscaldare il metallo fino al suo punto di fusione. Una volta fuso, il campo magnetico ad alta frequenza può essere utilizzato anche per agitare il metallo caldo, il che è utile per garantire che le aggiunte di lega siano completamente miscelate nella massa fusa. La maggior parte dei forni a induzione è costituita da un tubo di anelli di rame raffreddati ad acqua che circondano un contenitore di materiale refrattario . I forni a induzione sono utilizzati nella maggior parte delle fonderie moderne come metodo più pulito di fusione dei metalli rispetto a un forno a riverbero oa un cubilotto . Le dimensioni vanno da un chilogrammo di capacità a un centinaio di tonnellate. I forni a induzione spesso emettono un lamento acuto o un ronzio quando sono in funzione, a seconda della loro frequenza operativa. I metalli fusi includono ferro e acciaio , rame, alluminio e metalli preziosi . Poiché è un processo pulito e senza contatto, può essere utilizzato sotto vuoto o in atmosfera inerte. I forni sottovuoto utilizzano il riscaldamento a induzione per la produzione di acciai speciali e altre leghe che si ossiderebbero se riscaldati in presenza di aria.

Saldatura

Un processo simile, su scala ridotta, viene utilizzato per la saldatura a induzione. Le materie plastiche possono anche essere saldate per induzione, se sono drogate con ceramiche ferromagnetiche (dove l'isteresi magnetica delle particelle fornisce il calore richiesto) o da particelle metalliche.

Le cuciture dei tubi possono essere saldate in questo modo. Le correnti indotte in un tubo corrono lungo la cucitura aperta e riscaldano i bordi determinando una temperatura sufficientemente elevata per la saldatura. A questo punto, i bordi della cucitura vengono forzati insieme e la cucitura viene saldata. La corrente RF può anche essere convogliata al tubo tramite spazzole, ma il risultato è sempre lo stesso: la corrente scorre lungo la cucitura aperta, riscaldandola.

Produzione

Nel processo di stampa additiva per metalli Rapid Induction Printing, una materia prima di filo conduttore e gas di protezione viene alimentata attraverso un ugello a spirale, sottoponendo la materia prima al riscaldamento a induzione e all'espulsione dall'ugello come liquido, al fine di rifiutare sotto schermatura per formare tridimensionali strutture metalliche. Il vantaggio principale dell'uso procedurale del riscaldamento a induzione in questo processo è un'efficienza energetica e dei materiali significativamente maggiore, nonché un grado di sicurezza più elevato rispetto ad altri metodi di produzione additiva, come la sinterizzazione laser selettiva , che fornisce calore al materiale utilizzando un potente laser o fascio di elettroni.

cucinando

Nella cottura a induzione, una bobina di induzione all'interno del piano cottura riscalda la base in ferro delle pentole per induzione magnetica. L'utilizzo dei fornelli a induzione produce sicurezza, efficienza (il piano cottura a induzione non si riscalda da solo) e velocità. Le pentole non ferrose come le pentole con fondo in rame e le pentole in alluminio sono generalmente inadatte. Per induzione, il calore indotto nella base viene trasferito per conduzione al cibo all'interno.

brasatura

La brasatura a induzione viene spesso utilizzata in cicli di produzione più elevati. Produce risultati uniformi ed è molto ripetibile. Esistono molti tipi di apparecchiature industriali in cui viene utilizzata la brasatura a induzione. Ad esempio, l'induzione viene utilizzata per la brasatura del metallo duro sull'albero.

Sigillatura

Il riscaldamento a induzione viene utilizzato nella sigillatura di tappi di contenitori nell'industria alimentare e farmaceutica. Uno strato di foglio di alluminio viene posto sopra l'apertura della bottiglia o del barattolo e riscaldato per induzione per fonderlo al contenitore. Ciò fornisce un sigillo a prova di manomissione, poiché l'alterazione del contenuto richiede la rottura della pellicola.

Riscaldamento per adattarsi

Il riscaldamento a induzione viene spesso utilizzato per riscaldare un oggetto facendolo espandere prima del montaggio o dell'assemblaggio. I cuscinetti vengono normalmente riscaldati in questo modo utilizzando una frequenza di rete (50/60 Hz) e un nucleo di tipo trasformatore in acciaio laminato che passa attraverso il centro del cuscinetto.

Trattamento termico

Il riscaldamento a induzione viene spesso utilizzato nel trattamento termico di articoli in metallo. Le applicazioni più comuni sono la tempra a induzione di parti in acciaio, la saldatura /brasatura a induzione come mezzo per unire componenti metallici e la ricottura a induzione per ammorbidire selettivamente un'area di una parte in acciaio.

Il riscaldamento a induzione può produrre densità ad alta potenza che consentono brevi tempi di interazione per raggiungere la temperatura richiesta. Ciò fornisce uno stretto controllo del modello di riscaldamento con il modello che segue il campo magnetico applicato abbastanza da vicino e consente una riduzione della distorsione termica e dei danni.

Questa capacità può essere utilizzata nell'indurimento per produrre parti con proprietà variabili. Il processo di indurimento più comune consiste nel produrre un indurimento superficiale localizzato di un'area che necessita di resistenza all'usura, pur mantenendo la tenacità della struttura originale come richiesto altrove. La profondità dei modelli temprati a induzione può essere controllata tramite la scelta della frequenza di induzione, della densità di potenza e del tempo di interazione.

I limiti alla flessibilità del processo derivano dalla necessità di produrre induttori dedicati per molte applicazioni. Questo è piuttosto costoso e richiede lo smistamento di densità di corrente elevata in piccoli induttori di rame, che possono richiedere ingegneria specializzata e "raccordo in rame".

Lavorazione plastica

Il riscaldamento a induzione viene utilizzato nelle macchine per lo stampaggio a iniezione di materie plastiche . Il riscaldamento a induzione migliora l'efficienza energetica per i processi di iniezione ed estrusione. Il calore viene generato direttamente nella canna della macchina, riducendo i tempi di riscaldamento e il consumo di energia. La bobina di induzione può essere posizionata all'esterno dell'isolamento termico, quindi funziona a bassa temperatura e ha una lunga durata. La frequenza utilizzata va da 30 kHz fino a 5 kHz, diminuendo per botti più spesse. La riduzione dei costi delle apparecchiature inverter ha reso sempre più popolare il riscaldamento a induzione. Il riscaldamento a induzione può essere applicato anche agli stampi, offrendo una temperatura dello stampo più uniforme e una migliore qualità del prodotto.

Pirolisi

Il riscaldamento a induzione viene utilizzato per ottenere biochar nella pirolisi della biomassa. Il calore viene generato direttamente nelle pareti di un reattore agitatore che consente la pirolisi della biomassa con una buona miscelazione e controllo della temperatura.

Dettagli

La configurazione di base è un alimentatore CA che fornisce elettricità a bassa tensione ma corrente molto alta e alta frequenza. Il pezzo da riscaldare è posto all'interno di una bobina d'aria azionata dall'alimentatore, solitamente in combinazione con un condensatore a serbatoio risonante per aumentare la potenza reattiva. Il campo magnetico alternato induce correnti parassite nel pezzo.

La frequenza della corrente induttiva determina la profondità con cui le correnti parassite indotte penetrano nel pezzo. Nel caso più semplice di una barra tonda piena, la corrente indotta diminuisce esponenzialmente dalla superficie. Una profondità "effettiva" degli strati percorsi da corrente può essere derivata come , dove è la profondità in centimetri, è la resistività del pezzo in ohm-centimetri, è la permeabilità magnetica relativa adimensionale del pezzo ed è la frequenza del Campo AC in Hz. Il campo AC può essere calcolato utilizzando la formula . La resistenza equivalente del pezzo e quindi l'efficienza è funzione del diametro del pezzo rispetto alla profondità di riferimento , aumentando rapidamente fino a circa . Poiché il diametro del pezzo è fissato dall'applicazione, il valore di è determinato dalla profondità di riferimento. La diminuzione della profondità di riferimento richiede l'aumento della frequenza. Poiché il costo degli alimentatori a induzione aumenta con la frequenza, gli alimentatori sono spesso ottimizzati per raggiungere una frequenza critica alla quale . Se si opera al di sotto della frequenza critica, l'efficienza di riscaldamento è ridotta perché le correnti parassite da entrambi i lati del pezzo si scontrano e si annullano. L'aumento della frequenza oltre la frequenza critica crea un ulteriore miglioramento minimo dell'efficienza di riscaldamento, sebbene venga utilizzato in applicazioni che cercano di trattare termicamente solo la superficie del pezzo.

La profondità relativa varia con la temperatura perché le resistività e la permeabilità variano con la temperatura. Per l'acciaio, la permeabilità relativa scende a 1 sopra la temperatura di Curie . Pertanto la profondità di riferimento può variare con la temperatura di un fattore di 2-3 per i conduttori non magnetici e fino a 20 per gli acciai magnetici.

Applicazioni delle gamme di frequenza
Frequenza (kHz) Tipo di pezzo
5–30 Materiali spessi (es. acciaio a 815 °C con diametro 50 mm o superiore).
100–400 Pezzi piccoli o penetrazione poco profonda (ad es. acciaio a 815 °C con diametro di 5–10 mm o acciaio a 25 °C con un diametro di circa 0,1 mm).
480 Pezzi microscopici

I materiali magnetici migliorano il processo di induzione del calore a causa dell'isteresi . I materiali ad alta permeabilità (100-500) sono più facili da riscaldare con il riscaldamento a induzione. Il riscaldamento per isteresi avviene al di sotto della temperatura di Curie, dove i materiali mantengono le loro proprietà magnetiche. È utile un'elevata permeabilità al di sotto della temperatura di Curie nel pezzo in lavorazione. La differenza di temperatura, la massa e il calore specifico influenzano il riscaldamento del pezzo.

Il trasferimento di energia del riscaldamento a induzione è influenzato dalla distanza tra la bobina e il pezzo. Le perdite di energia si verificano per conduzione di calore dal pezzo in lavorazione all'attrezzatura, convezione naturale e radiazione termica .

La bobina di induzione è solitamente costituita da tubi di rame e refrigerante fluido . Diametro, forma e numero di giri influenzano l'efficienza e il modello di campo.

Forno tipo nucleo

Il forno è costituito da un focolare circolare che contiene la carica da fondere sotto forma di anello. L'anello metallico è di grande diametro ed è magneticamente interconnesso con un avvolgimento elettrico energizzato da una sorgente CA. Si tratta essenzialmente di un trasformatore in cui la carica da riscaldare forma un secondario di cortocircuito a spira singola ed è accoppiato magneticamente al primario da un nucleo di ferro.

Riferimenti

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