Încalzirea prin inductie

Încalzirea prin inductie

Încalzirea prin inductie functioneaza pe baza transformarii in caldura a energiei electromagnetice absorbite de un material datorita efectului Joule al curentilor turbionari care apar in masa de material din cauza tensiunilor induse de variatia in timp a campului magnetic produs de curentul alternativ care parcurge o bobina inductoare care inconjoara oala (creuzetul) in care se afla materialul ce trebuie topit.

Avantaje fata de incalzirea directa prin rezistenta:

nu necesita contacte electrice;

metoda poate fi utilizata in conditii de productie automatizata in flux tehnologic.

Principalul dezavantaj al metodei incalzirii prin inductie:

necesita surse de alimentare de frecvente diferite de cea industriala;

Încalzirea prin inductie se foloseste la:

topirea sau mentinerea in stare calda a metalelor;

incalzirea in profunzime a semifabricatelor metalice in vederea prelucrarii lor la cald (forjare, matritare, presare, laminare etc.);

calirea in strat de suprafata a pieselor cu geometrie complicata;

aplicatii speciale (agitator inductiv, transport electromagnetic al metalelor topite, sudarea si topirea metalelor etc.).

Dupa frecventa tensiunii generate, sursele de alimentare ale instalatiilor de incalzire prin inductie sunt: de frecventa joasa (sub 50 Hz), de frecventa industriala (50 Hz), de frecventa medie (10010.000)Hz, si de frecventa inalta (1010.000 kHz).

Dupa tipul constructiv, cuptoarele de inductie pot fi:

- cu creuzet (bobina inductoare fara miez de fier);

- cu canal (bobina inductoare cu miez de fier).

2. Cuptoare cu inductie cu creuzet

Sunt cuptoare cu inductie fara miez de fier, care functioneaza pe principiul absorbtiei energiei electromagnetice de catre un material conductor aflat in campul magnetic variabil al unei bobine solenoidale.

Variatia in timp a campului magnetic ale carui linii de camp se inchid prin materialul conductor din creuzet si prin ecranele magnetice amplasate in exteriorul acestuia (figura 5.10) determina aparitia de tensiuni electromotoare induse care forteaza curenti turbionari in materialul conductor care se incalzeste.

Curentii turbionari parcurg numai straturile superficiale ale materialului conductor de grosimi egale cu adancimea de patrundere, iar caldura degajata prin efectul termic al curentilor turbionari depinde de frecventa curentilor, de geometria inductorului si a creuzetului si de proprietatile electrice si magnetice ale materialului conductor.

Fig.5.10. Cuptor de inductie cu creuzet: 1 - creuzet refractar; 2 - ecrane magentice; 3 - inductor (bobina) racit cu apa; 4 - izolatie termica; 5 - circulatia metalului topit; 6 - linie de camp magnetic.

Randamentului cuptorului cu creuzet depinde de frecventa tensiunii de alimentare a inductorului. Frecventa optima se obtine pentru un raport intre diametrul creuzetului si adancimea de patrundere de :

(5.61)

Frecventa minima a tensiunii de alimentare pentru topirea unui metal cu rezistivitatea r Wm] si permeabilitate magnetica relativa , intr-un creuzet cu diametrul rezulta:

(5.62)

Economicitatea cuptorului este strict dependenta de alegerea corecta a frecventei tensiunii de alimentare. La frecvente mai mici decat cea optima, randamentul cuptorului scade considerabil, iar la frecvente mai mari decat frecventa optima, randamentul se modifica nesemnificativ, dar scade factorul de putere al cuptorului.

Dupa frecventa tensiunii de alimentare, cuptoarele de inductie cu creuzet pot fi:

• De frecventa industriala (50 Hz);
• De frecventa medie (1001000) Hz;
• De frecventa inalta (50)kHz.

Cu cat capacitatea cuptorului este mai mica, frecventa tensiunii de alimentare trebuie sa fie mai mare.

Cuptoarele de inductie cu creuzet pentru necesitati industriale se construiesc pentru capacitati de (0,5) tone si avand puteri absorbite de pana la 20 MW.

Cuptoarele de inductie cu creuzet se utilizeaza la:

• Topirea otelurilor superioare si a aliajelor speciale;
• Topirea fontei;
• Topirea metalelor neferoase (aluminiu, cupru, zinc etc.).

Avantaje fata de alte tipuri de cuptoare de topire:

• Permit obtinerea unor temperaturi foarte ridicate in toata masa metalului;
• Uniformizeaza temperatura materialului topit datorita agitatiei baii de metal topit produsa de fortele electrodinamice ale curentilor turbionari;
• Circulatia metalului topit in creuzet favorizeaza accelerarea proceselor chimice si uniformizeaza compozitia incarcaturii cuptorului;
• Oxidarea metalului este redusa;
• Au productivitate ridicata si gabarit relativ redus;
• Reglarea puterii se face simplu;
• Constructie simpla si posibilitatea golirii complete la fiecare sarja;
• Posibilitate de functionare in vid sau in atmosfera controlata.

Dezavantaje:

• Solicitari mecanice mari ale captuselii refractare a creuzetului din cauza agitatiei baii de metal topit;
• Temperatura relativ scazuta a zgurei ingreuneaza operatiunile de indepartare a acesteia;
• Cost ridicat al instalatiilor, daca pentru alimentarea cu energie electrica sunt necesare surse de frecventa diferita de cea industriala;
• Factor de putere scazut (), cuptorul fiind un receptor puternic inductiv.

2.1. Constructia si functionarea cuptoarelor de inductie cu creuzet

Principalele elemente constructive ale unui cuptor de inductie cu creuzet (figura 5.10) sunt urmatoarele:

Inductorul - o bobina cilindrica, realizata din bare din cupru de diferite profile, goale in interior, prin

care circula apa de racire. Bobina este construita intr-un singuir strat, in forma de spirala, izolarea spirelor facandu-se fie prin interstitii de aer de (10-20) mm, fie cu straturi de micanita sau benzi din sticlotextolit.

Creuzetul - de forma tronconica (pentru reducerea efectelor eroziunii peretilor datorita agitatiei baii

de metal topit, are captuseala interioara din material refractar granulat acid, bazic sau netru, in functie de tipul metalelor care urmeaza a fi topite.

Starea captuselii creuzetului trebuie verificata dupa fiecare sarja pentru a se preveni fisurarea acesteia si patrunderea metalului topit la inductor. Uzura captuselii se sesizeaza cu ajutorul unor senzori, dar si prin cresterea factorului de putere al cuptorului cu cca (10 - 30)% fata de valoarea normala, corespunzatoare fazei topite a sarjei.

Creuzetul este invelit exterior de o carcasa metalica.

Ecranele magnetice - au rolul de a inchide campul magnetic din exteriorul inductorului evitand

inchiderea acestuia prin structura metalica constructiva a cuptorului, care daca s-ar incalzi excesiv, ar reduce rezistenta mecanica a elementelor de sustinere. Ele sunt formate din pachete de tole de transformator asezate radial in jurul inductorului, cu ajutorul unui cadru de otel.

Reteaua scurta - formata din cabluri flexibile din cupru, racite cu apa, de lungime suficienta pentru

a permite bascularea creuzetului.

Mecanismul de rasturnare - este de tip electromecanic sau hidraulic si asigura golirea completa a

creuzetului, prin basculare.

Pornirea cuptorului se face prin conectarea acestuia la reteaua electrica de alimentare dupa ce, in prealabil, s-au introdus in creuzet bucati solide de metal cu dimensiuni suficient de mari in raport cu adancimea de patrundere a campului electromagnetic. La pornire si in faza de topire, cuptorul absoarbe un curent foarte mare si se impune reducerea tensiunii de alimentare.

În timpul functionarii, curentii turbionari indusi in baia de metal topit au valori de ordinul miilor de amperi si se afla in campul magnetic al inductorului, de ordinul sutelor de amperi/metru. Apar forte electrodinamice foarte intense care determina agitatia baii de metal topit datorita producerii unor curenti de fluid, ca in figura 5.10. Se manifesta, astfel, o presiune electrodinamica avand valoarea maxima in axa creuzetului si care da suprafetei libere a metalului topit o forma de menisc a carui inaltime se determina egaland presiunea electrodinamica , cu presiunea hidrostatica, ,a meniscului, adica:

sau , (5.63)

de unde : , (5.64)

in care : - densitatea metalului topit;- acceleratia gravitationala.

3. Cuptoare de inductie cu canal

Sunt cuptoare de inductie cu circuit feromagnetic (inductorul plasat pe un miez de fier), care functioneaza pe principiul transformatorului electric. Acest "transformator" are primarul format din bobina inductoare, iar secundarul este constituit dintr-o singura spira reprezentata prin canalul cuptorului, care este umplut cu metal topit, ca in figura 5.11.

Fig.5.11. Schema de principiu a functionarii cuptorului de inductie cu canal.

Inductorul este alimentat cu energie electrica la tensiunea,, iar curentul,, fortat de aceasta tensiune alternativa produce fluxul magnetic alternativ, , concentrat in circuitul feromagnetic. O parte din acest flux magnetic, numit flux magnetic util, , se inchide prin circuitul feromagnetic si inlantuie spira secundara formata din metalul topit din canalul cuptorului, iar o alta parte, numita flux de scapari, , se inchide prin aer inlantuind numai spirele inductorului.

Fluxul magnetic util, , induce in spira secundara o tensiune electromotoare alternativa:

(5.78)

unde: - frecventa tensiunii de alimentare; - numarul de spire ale secundarului.

Spira secundara (metalul topit din canal) fiind in scurtcircuit, curentul, , fortat de t.e.m., , va fi de valoare foarte mare, adica:

, (5.78)

si va produce, prin efect Joule, incalzirea acesteia.

Cuptoarele de inductie construite in prezent se deosebesc de cuptorul prezentat in figura 5.11 prin faptul ca au canalul acoperit de o cuva metalica sau din materiale refractare in care se afla cea mai mare parte a incarcaturii si care comunica direct cu canalul.

Cuptoarele de inductie cu canal se utilizeaza la topirea sau mentinerea in stare calda si supraincalzirea pentru turnare a metalelor feroase (fonta, otel) si a metalelor si aliajelor neferoase (aluminiu, cupru, zinc, alama etc.).

Avantaje fata de cuptoarele de inductie cu creuzet:

• randament si factor de putere mai ridicate;
• consum specific de energie electrica mai redus;
• productivitate mai mare;
• durabilitate mai mare a captuselii refractare a cuvei;
• cheltuieli de investitii mai reduse.

Dezavantaje:

• necesitatea mentinerii in permanenta a unei cantitati de metal in stare topita in canal si cuva;
• imposibilitatea utilizarii aceluiasi cuptor pentru metale si aliaje de marci diferite;
• necesitatea utilizarii de materiale refractare de calitate superioara la confectionarea canalului.

Cuptoarele de inductie cu canal se construiesc pentru capacitati de tone si puteri de kW.

3.1. Constructia si functionarea cuptoarelor de inductie cu canal

Principalele parti componente ale unui cuptor de inductie cu canal sunt:

- cuva;

- unitatile de topire (inductor, circuit feromagnetic si canal);

- instalatia de racire cu apa sau cu aer;

- reteaua scurta;

- mecanismul de golire.

În figura 5.12 este reprezentata o sectiune longitudinala printr-un cuptor de inductie cu canal.

Fig.5.12. Cuptor de inductie cu canal cu circuit feromagnetic in manta: 1 - cuva; 2 - baia de metal topit; 3 - canal; 4 - miez feromagnetic; 5 - inductor; 6 - izolatia inductorului.

Cuva - are captuseala din compozitie sau din caramizi refractare, straturi termoizolante spre exterior si o

manta din tabla de otel care o inveleste.

Canalul - este captusit cu compozitie refractara stampata si sinterizata (praf de samota, magnezita sau

corund avand ca liant acid baric sau lesie bisulfitica). Grosimea peretilor canalului sunt de pentru ca fluxul de scapari sa fie cat mai redus. Captuseala canalului este cea mai solicitata din punct de vedere mecanic si termic.

Inductorul - este o bobina cilindrica intr-un singur strat, cu spire din cupru de sectiune dreptunghiulara

(racire cu aer) sau teava de cupru (racire cu apa). Spirele sunt izolate cu textura de sticla.

Circuitul feromagnetic - realizat in coloana sau in manta, este construit din tole de transformator cu

grosimea de 0,35 mm sau 0,5 mm. Inductorul se fixeaza pe circuitul feromagnetic pe o carcasa cilindrica (izolatia) de azbest, textolit sau azbociment.

Reteaua scurta - face legatura intre unitatea de topire si sursa de alimentare cu energie electrica, fiind

realizatza din cabluri flexibile, care la puteri mari sunt racite cu apa.

Fazele de functionare ale cuptorului de inductie cu canal sunt urmatoarele:

• Pornirea cuptorului se face dupa ce, in prealabil, se curata canalul cu o sarma de otel, se sufla cu aer

comprimat si se incalzeste la flacara de gaz pana la temperaturi de (900-950)⁰C. Se toarna apoi metal topit pe la un capat al canalului pana cand stratul de metal topit atinge o inaltime de cel putin 100 mm in cuva, dupa care se conecteaza cuptorul la reteaua electrica de alimentare.

Observatie

Daca cuptorul s-ar conecta la reteaua electrica inainte de atingerea inaltimii minime a metalului topit in cuva, acesta ar fi expulzat din canal in mod exploziv

Dupa conectarea la reteaua electrica se adauga in cuva bucati solide de metal, care urmeaza sa fie topite.

• Functionarea in regim de topire impune absorbtia puterii maxime de la reteaua electrica.

• Mersul in gol se realizeaza dupa golirea partiala a cuvei, metalul din canal si din cuva mentinandu-se

in stare topita prin continuarea alimentarii cu energie electrica a cuptorului, la putere redusa.

În timpul functionarii cuptorului, interactiunea curentilor turbionari care apar in metalul topit din canal cu campul magnetic variabil, foarte intens, al inductorului determina aparitia unor forte electrodinamice orientate ca in figura 5.12, de la suprafata interioara spre cea exterioara a canalului. Aceste forte electrodinamice agita baia de metal topit, presiunea electrodinamica fiind maxima pe suprafata exterioara a canalului si avand valoarea de:

, (5.79)

unde : - permeabilitatea magnetica a metalului topit din canal.

Presiunea electrodinamica este echilibrata de presiunea hidrostatica a metalului topit din cuva si de presiunea atmosferica (daca cuptorul nu are capac), adica:

, (5.80)

respectiv:  , (5.81)

de unde rezulta inaltimea necesara a baii de metal topit din cuva:

(5.82)

Observatii

Daca conditia de mai sus nu este indeplinita, vana de metal topit din canal se poate intrerupe si metalul din canal se solidifica, fiind expulzat din canal.

Întreruperea vanei de metal topit aflata in canal se mai poate produce si daca metalul este supraincalzit si se vaporizeaza sau daca zgura de la suprafata baii de metal topit este antrenata in interiorul cuvei datorita agitatiei intense a metalului topit. Fenomenul apare numai daca nu se respecta puterile specifice prescrise pentru canal de catre constructor.

4. Utilizari speciale ale incalzirii prin inductie

4.1. Încalzirea in profunzime

Se aplica la semifabricatele din otel, cupru, aluminiu si aliajelor acestora in vederea pregatirii pentru prelucrarea la cald prin forjare, matritare, presare, laminare etc.

Instalatia de incalzire consta dintr-o bobina inductoare cu diametru mare, plasata orizontal si avand spirele din teava de cupru intr-un strat, cu racire cu apa. În interiorul bobinei este plasat un tub din micanita pentru izolarea electrica si termica a bobinei si un alt tub din carton de azbest, concentric cu primul tub. Între tuburi, prin tevi de ghidare din otel nemagnetic, se deplaseaza semifabricatele care trebuie incalzite. Alegerea corecta a frecventei de lucru determina viteze foarte mari de incalzire.

4.2. Calirea in strat de suprafata

Se utilizeaza pentru obtinerea unor straturi dure la suprafata cu mentinerea structurii moi in interiorul pieselor din otel sau din fonta (cazul rotilor dintate, arborilor cotiti, axelor cu came, bolturilor, sculelor aschietoare etc.), cu scopul asigurarii elasticitatii materialului respectiv.

Schimbarea structurii de la suprafata materialelor se obtine prin incalzirea rapida a stratului superficial pana la temperatura de cca. 900⁰C si apoi, racirea brusca in ulei, apa sau aer.

Instalatia pentru incalzirea pieselor in strat superficial este data, schematic, in figura 5.13 si se compune din:

sursa de inalta frecventa, care este un generator de medie frecventa (200 ÷ 10000) Hz sau de inalta

frecventa (0,1 ÷ 10) MHz, la tensiunea de (750 ÷ 1500) V;

transformatorul de adaptare, , care reduce tensiunea la (20 ÷ 75) V;

inductorul de calire, , format dintr-o teava de cupru racita cu apa, avand forma de spira sau alta

forma adaptata piesei care se caleste si in interiorul caruia se introduce piesa respectiva.

condensatorul, , pentru imbunatatirea factorului de putere.

Fig.5 13  Schema de principiu a instalatiei de incalzire in strat superficial.

Utilizand o putere mare pe unitatea de suprafata a piesei (putere specifica de ) la frecventa ridicata se produce, intr-un timp foarte scurt, o incalzire in strat superficial al piesei, caldura neavand timp sa se propage, prin conductie, in interiorul piesei.

Frecventa de lucru se alege pe baza relatiei de legatura stabilita experimental intre adancimea de patrundere, , a campului electromagnetic in piesa si puterea specifica, adica:

(5.106)

Pentru o buna absorbtie a campului electromagnetic in piesa este necesar, insa, ca raportul dintre grosimea piesei, , si adancimea de patrundere sa aiba valori cuprinse intre:

(5.107)

Grosimea stratului superficial calit depinde si de timpul de incalzire, , care in cazul in care se poate determina cu relatia:

(5.108)

unde: - grosimea stratului calit si - puterea specifica .

4.3. Agitatorul inductiv

Se foloseste la cuptoarele cu arc electric, fiind plasat sub cuva de topire a acestora. Constructiv, este

asemanator bobinelor inductoare ale cuptoarelor de inductie, dar este impartit in 2¸3 sectoare alimentate de la o sursa bi- sau trifazata cu frecventa redusa, de cca. 1 Hz. Campul magnetic variabil produs determina o agitatie a metalului topit din cuva cuptorului cu arc electric asemanatoare cu deplasarea rotorului masiv al unui motor asincron.

4.4. Transportul electromagnetic al metalelor topite.

Este utilizat pentru golirea si dozarea automata a metalului topit din creuzetul sau cuva oricarui cuptor de topire. Transportorul electromagnetic este format dintr-un jgheab din material refractar cu lungimea de , prevazut la partea inferioara cu un inductor format dintr-o infasurare trifazata plana, alimentata la frecventa industriala (50 Hz). Interactiunea curentilor turbionari indusi in metalul topit din jgheab determina deplasarea metalului topit spre gura de turnare.

4.5. Încalzirea recipientelor, conductelor si tevilor

Se realizeaza cu un inductor in forma de bobina, plasat in jurul recipientelor sau conductelor. Procedeul este utilizat in industria chimica si in industria petroliera (deparafinarea tevilor de extractie). Puterea specifica poate atinge 50 kW/m², obtinandu-se temperaturi de pana la .

4.6. Sudarea pieselor prin presare

Se practica la semifabricatele sub forma de bare, tevi si laminate, care incalzite la temperaturi de sunt apoi apasate cu presiuni de . Inductorul folosit pentru incalzire consta dintr-o bobina cu o singura spira cu latimea de 10 mm in interiorul careia se introduce piesa care se incalzeste.

4.7. Brazarea prin inductie

Brazarea este operatiunea prin care se realizeaza piese de forme complicate prin lipirea de piese metalice simple. Brazarea prin curenti de radiofrecventa se utilizeaza la lipirea placutelor dure pe suportii cutitelor de strung, lipirea cadrelor de biciclete si motoare etc.