Inductieverhitting, harden en inductiesmelten van metalen

De meest perfecte vorm van verwarming is die waarbij de warmte direct in het verwarmde lichaam wordt gegenereerd. Deze manier van verwarmen wordt heel goed gedaan door een elektrische stroom door het lichaam te laten gaan. Direct - de opname van een verwarmd lichaam in een elektrisch circuit is echter om technische en praktische redenen niet altijd mogelijk.

In deze gevallen kan een perfecte vorm van verwarming worden gerealiseerd met behulp van inductieverwarming, waarbij de warmte ook in het verwarmde lichaam zelf wordt opgewekt, waardoor onnodig, meestal groot, energieverbruik in de wanden van de oven of in andere verwarmingselementen wordt vermeden. Daarom is, ondanks het relatief lage rendement van het genereren van stromen met verhoogde en hoge frequentie, het algehele rendement van inductieverwarming vaak hoger dan met andere verwarmingsmethodes.

De inductiemethode maakt ook snelle verwarming van niet-metalen lichamen mogelijk, gelijkmatig over hun dikte.De slechte thermische geleidbaarheid van dergelijke lichamen sluit de mogelijkheid uit van snelle verwarming van hun binnenste lagen op de gebruikelijke manier, dat wil zeggen door warmte van buitenaf aan te voeren. Bij de inductiemethode wordt warmte zowel in de buitenste als in de binnenste lagen op dezelfde manier gegenereerd, en er kan zelfs een risico op oververhitting van de laatste zijn als de noodzakelijke thermische isolatie van de buitenste lagen niet wordt uitgevoerd.

Een bijzonder waardevolle eigenschap van inductieverhitting is de mogelijkheid van een zeer hoge concentratie van energie in het verwarmde lichaam, gemakkelijk vatbaar voor nauwkeurige dosering. Alleen elektrische boog dezelfde orde van energiedichtheid kan worden verkregen, maar deze verwarmingsmethode is moeilijk te regelen.

De kenmerken en bekende voordelen van inductieverhitting hebben grote mogelijkheden gecreëerd voor toepassing in vele industrieën. Bovendien kunt u hiermee nieuwe soorten structuren creëren die helemaal niet haalbaar zijn voor conventionele warmtebehandelingsmethoden.

Een fysiek proces

In inductieovens en -apparaten komt warmte in een elektrisch geleidend verwarmd lichaam vrij door stromen die erin worden geïnduceerd door een wisselend elektromagnetisch veld. Op deze manier vindt hier directe verwarming plaats.

Inductieverhitting van metalen is gebaseerd op twee natuurkundige wetten: de Faraday-Maxwell-wet van elektromagnetische inductie en de wet van Joule-Lenz. Metalen lichamen (blanks, onderdelen, etc.) worden geplaatst wisselend magnetisch veld, wat een wervelwind in hen opwekt elektrisch veld… De EMF van de inductie wordt bepaald door de veranderingssnelheid van de magnetische flux. Onder invloed van inductie EMF stromen wervelstromen (gesloten in de lichamen) in de lichamen, waardoor warmte vrijkomt volgens de wet van Joule-Lenz… Deze EMF ontstaat in het metaal wisselstroom, zorgt de thermische energie die door deze stromingen vrijkomt ervoor dat metaal opwarmt. Inductieverhitting is direct en contactloos. Hiermee kunt u een temperatuur bereiken die voldoende is om de meest vuurvaste metalen en legeringen te smelten.

Intense inductieverwarming is alleen mogelijk in elektromagnetische velden van hoge intensiteit en frequentie, die worden gecreëerd door speciale apparaten - inductoren. Inductoren worden gevoed door een 50 Hz-netwerk (industriële frequentie-installaties) of door afzonderlijke energiebronnen - midden- en hoogfrequente generatoren en omvormers.

De eenvoudigste inductor van laagfrequente indirecte inductieverwarmingsapparaten is een geïsoleerde draad (verlengd of opgerold) die in een metalen buis is geplaatst of op het oppervlak is gelegd. Terwijl stroom door de inductordraad in de buis vloeit, warmt deze op wervelstromen… Warmte uit de buis (kan ook een smeltkroes, bak zijn) wordt overgedragen op het verwarmde medium (door de buis stromend water, lucht, etc.).

Inductieverhitting en harden van metalen

De meest gebruikte directe inductieverwarming van metalen bij gemiddelde en hoge frequenties. Hiervoor worden inductoren met een speciaal ontwerp gebruikt. De inductor zendt uit elektromagnetische golf, die op het verwarmde lichaam valt en erin sterft. De energie van de geabsorbeerde golf wordt in het lichaam omgezet in warmte. De verwarmingscoëfficiënt is des te hoger naarmate de vorm van de uitgezonden elektromagnetische golf (plat, cilindrisch, enz.) dichter bij de vorm van het lichaam komt. Daarom worden platte inductoren gebruikt voor het verwarmen van platte lichamen, cilindrische (solenoïde) inductoren worden gebruikt voor cilindrische werkstukken.In het algemeen kunnen ze een complexe vorm hebben vanwege de noodzaak om de elektromagnetische energie in de gewenste richting te concentreren.

Een kenmerk van de inductie-energie-invoer is het vermogen om de ruimtelijke opstelling van de stroomzone te regelen wervelstromen.

Ten eerste stromen wervelstromen in het gebied dat door de inductor wordt bestreken. Alleen dat deel van het lichaam dat in magnetisch contact staat met de inductor wordt verwarmd, ongeacht de totale grootte van het lichaam.

Ten tweede hangt de diepte van de wervelstroomcirculatiezone en dus de energieafgiftezone onder andere af van de frequentie van de inductorstroom (neemt toe bij lage frequenties en neemt af bij toenemende frequentie).

De efficiëntie van de energieoverdracht van de inductor naar de verwarmde stroom hangt af van de grootte van de opening ertussen en neemt toe naarmate deze kleiner wordt.

Inductieverwarming wordt gebruikt voor oppervlakteharding van staalproducten, door verwarming voor plastische vervorming (smeden, stampen, persen, enz.), Metaalsmelten, warmtebehandeling (uitgloeien, ontlaten, normaliseren, harden), lassen, gelaagdheid, metaalsolderen.

Indirecte inductieverwarming wordt gebruikt voor het verwarmen van procesapparatuur (pijpleidingen, containers, enz.), het verwarmen van vloeibare media, het drogen van coatings, materialen (bijvoorbeeld hout). De belangrijkste parameter van inductieverwarmingsinstallaties is de frequentie. Voor elk proces (oppervlakteverharding, door verwarming) is er een optimaal frequentiebereik dat de beste technologische en economische indicatoren oplevert. Frequenties van 50 Hz tot 5 MHz worden gebruikt voor inductieverhitting.

Voordelen van inductieverhitting

1) Door elektrische energie rechtstreeks in het verwarmde lichaam over te brengen, kunnen geleidende materialen direct worden verwarmd. In dit geval wordt de verwarmingssnelheid verhoogd in vergelijking met installaties met indirecte actie, waarbij het product alleen vanaf het oppervlak wordt verwarmd.

2) De overdracht van elektrische energie rechtstreeks in het verwarmde lichaam vereist geen contactapparaten. Het is handig in de omstandigheden van geautomatiseerde productieproductie, wanneer vacuüm- en beschermende middelen worden gebruikt.

3) Door het fenomeen oppervlakte-effect komt het maximale vermogen vrij in de oppervlaktelaag van het verwarmde product. Daarom zorgt inductieverhitting tijdens het koelen voor een snelle opwarming van de oppervlaktelaag van het product. Dit maakt het mogelijk om een ​​hoge oppervlaktehardheid van het onderdeel te verkrijgen met een relatief stroperig medium. Inductieve oppervlakteharding is sneller en zuiniger dan andere oppervlaktehardingsmethodes.

4) Inductieverhitting verbetert in de meeste gevallen de productiviteit en verbetert de werkomstandigheden.

Inductie smeltoven

Een inductieoven of -apparaat kan worden gezien als een soort transformator waarin de primaire spoel (inductor) is aangesloten op een wisselstroombron en het verwarmde lichaam zelf dient als secundaire spoel.

Het werkproces van inductiesmeltovens wordt gekenmerkt door elektrodynamische en thermische beweging van vloeibaar metaal in een bad of smeltkroes, wat bijdraagt ​​aan het verkrijgen van metaal met dezelfde samenstelling en zijn uniforme temperatuur door het hele volume, evenals laag metaalafval (meerdere keren minder iets dan in vlamboogovens).

Inductiesmeltovens worden gebruikt bij de productie van gietstukken, ook gevormd, van staal, gietijzer, non-ferrometalen en legeringen.

Inductiesmeltovens kunnen worden onderverdeeld in kanaalovens met industriële frequentie en industriële smeltkroesovens met gemiddelde en hoge frequentie.

Een inductiekanaaloven is een transformator, meestal met een netfrequentie (50 Hz). De secundaire wikkeling van de transformator is een wikkeling van gesmolten metaal. Het metaal is ingesloten in een ringvormig vuurvast kanaal.

De belangrijkste magnetische flux induceert een EMF in het metaal van het kanaal, de EMF creëert een stroom, de stroom verwarmt het metaal, daarom is een inductiekanaaloven vergelijkbaar met een transformator die in kortsluitmodus werkt.

Inductoren van kanaalovens zijn gemaakt van longitudinale koperen buis, het is watergekoeld, het kanaalgedeelte van de haard wordt gekoeld door een ventilator of door een gecentraliseerd luchtsysteem.

Kanaalinductieovens zijn ontworpen voor continu gebruik met zeldzame overgangen van de ene klasse metaal naar de andere. Kanaalinductieovens worden voornamelijk gebruikt voor het smelten van aluminium en zijn legeringen, evenals koper en sommige van zijn legeringen. Andere reeksen ovens zijn gespecialiseerd als mixers voor het vasthouden en oververhitten van vloeibaar ijzer, non-ferrometalen en legeringen voorafgaand aan het gieten in gietvormen.

De werking van een inductiekroesoven is gebaseerd op de absorptie van elektromagnetische energie door een geleidende lading. De cel wordt in een cilindrische spoel geplaatst - een inductor. Vanuit elektrisch oogpunt is een inductiesmeltkroesoven een kortgesloten luchttransformator waarvan de secundaire wikkeling een geleidende lading is.

Inductiekroesovens worden voornamelijk gebruikt voor het smelten van spuitgietmetalen in een batchmodus en, ongeacht de werkingsmodus, voor het smelten van bepaalde legeringen, zoals brons, die de bekleding van kanaalovens nadelig beïnvloeden.