Induksjonsoppvarming - Induction heating

Komponent i Stirling radioisotopgenerator blir oppvarmet ved induksjon under testing

Induksjonsoppvarming er prosessen med å varme elektrisk ledende materialer som metaller ved elektromagnetisk induksjon , gjennom varmeoverføring som passerer gjennom en induksjonsspole som skaper et elektromagnetisk felt i spolen for å smelte ned stål, kobber, messing, grafitt, gull, sølv, aluminium og karbid. En induksjonsvarmer består av en elektromagnet og en elektronisk oscillator som sender en høyfrekvent vekselstrøm (AC) gjennom elektromagneten. Det raskt vekslende magnetfeltet trenger inn i objektet og genererer elektriske strømmer inne i lederen, kalt virvelstrømmer . Virvelstrømmene strømmer gjennom materialets motstand , og varmer det ved Joule -oppvarming . I ferromagnetiske og ferrimagnetiske materialer, for eksempel jern , genereres varme også ved magnetiske hysteresetap . Den frekvens av den elektriske strøm som brukes for induksjonsoppvarming er avhengig av objektstørrelse, materialtype, kopling (mellom arbeidspolen og gjenstanden som skal oppvarmes) og inntrengningsdybden.

Et viktig trekk ved induksjonsoppvarmingsprosessen er at varmen genereres inne i selve objektet, i stedet for av en ekstern varmekilde via varmeledning. Dermed kan gjenstander varmes opp veldig raskt. I tillegg trenger det ikke være noen ekstern kontakt, noe som kan være viktig der kontaminering er et problem. Induksjonsoppvarming brukes i mange industrielle prosesser, for eksempel varmebehandling i metallurgi , Czochralski krystallvekst og soneraffinering som brukes i halvlederindustrien, og for å smelte ildfaste metaller som krever svært høye temperaturer. Det brukes også i induksjonskoketopper for oppvarming av beholdere med mat; dette kalles induksjonskoking .

applikasjoner

Induksjonsoppvarming av 25 mm metallstang ved bruk av 15 kW ved 450 kHz.
Smeltende silisium i digel ved 1450 ° C for Czochralski krystallvekst, 1956

Induksjonsoppvarming tillater målrettet oppvarming av et aktuelt element for applikasjoner, inkludert overflateherding, smelting, lodding og lodding og oppvarming. Jern og dets legeringer reagerer best på induksjonsoppvarming, på grunn av deres ferromagnetiske natur. Virvelstrømmer kan imidlertid genereres i enhver leder, og magnetisk hysterese kan forekomme i ethvert magnetisk materiale. Induksjonsoppvarming har blitt brukt til å varme opp væskeledere (for eksempel smeltede metaller) og også gassformede ledere (for eksempel et gassplasma - se Induksjonsplasmateknologi ). Induksjonsoppvarming brukes ofte til å varme grafittdigler (som inneholder andre materialer) og brukes mye i halvlederindustrien for oppvarming av silisium og andre halvledere. Bruksfrekvens (50/60 Hz) induksjonsoppvarming brukes til mange rimelige industrielle applikasjoner, da det ikke er nødvendig med omformere .

Ovn

En induksjonsovn bruker induksjon for å varme metall til smeltepunktet. Når det er smeltet, kan det høyfrekvente magnetfeltet også brukes til å røre det varme metallet, noe som er nyttig for å sikre at legeringstilsetninger blandes fullt ut i smelten. De fleste induksjonsovner består av et rør med vannkjølte kobberringer som omgir en beholder med ildfast materiale. Induksjonsovner brukes i de fleste moderne støperier som en renere metode for smelting av metaller enn en etterklangovn eller en kuppel . Størrelsene varierer fra et kilo kapasitet til hundre tonn. Induksjonsovner avgir ofte et høyt sutret eller nynning når de er i gang, avhengig av driftsfrekvensen. Metaller som smeltes inkluderer jern og stål , kobber, aluminium og edle metaller . Fordi det er en ren og berøringsfri prosess, kan den brukes i vakuum eller inert atmosfære. Vakuumovner bruker induksjonsvarme til produksjon av spesialstål og andre legeringer som oksiderer ved oppvarming i nærvær av luft.

Sveising

En lignende, mindre skala prosess brukes for induksjonssveising. Plast kan også sveises ved induksjon, hvis de enten er dopet med ferromagnetisk keramikk (der magnetisk hysterese av partiklene gir den nødvendige varmen) eller av metalliske partikler.

Sømmer av rør kan sveises på denne måten. Strømmer indusert i et rør løper langs den åpne sømmen og varmer kantene, noe som resulterer i en temperatur som er høy nok til sveising. På dette tidspunktet tvinges sømkantene sammen og sømmen sveises. RF -strømmen kan også overføres til røret med børster, men resultatet er fortsatt det samme - strømmen strømmer langs den åpne sømmen og varmer den.

Produksjon

I metoden for hurtig tilførsel av utskriftsmetall i metall, ledes et ledende trådråmateriale og beskyttelsesgass gjennom en opprullet dyse som utsetter råmaterialet for induksjonsoppvarming og utstøting fra dysen som væske for å nekte under skjerming å danne tredimensjonale metallkonstruksjoner. Kjernefordelen med prosessuell bruk av induksjonsoppvarming i denne prosessen er betydelig større energi- og materialeffektivitet samt en høyere grad av sikkerhet sammenlignet med andre additive produksjonsmetoder, for eksempel selektiv lasersintring , som leverer varme til materiale ved hjelp av en kraftig laser eller elektronstråle.

Matlaging

Etter induksjon, en induksjonspole inne i kokk-topp varmer jernet bunnen av kokekaret ved hjelp av magnetisk induksjon. Bruk av induksjonskokere gir sikkerhet, effektivitet (induksjonstoppen er ikke oppvarmet selv) og hastighet. Ikke-jernholdige panner som kobberbunnede panner og aluminiumspanner er generelt uegnet. Ved induksjon overføres varmen som induseres i basen til maten inni ved ledning.

Lodding

Induksjonslodding brukes ofte i høyere produksjonskjøringer. Den gir ensartede resultater og er veldig repeterbar. Det er mange typer industrielt utstyr der induksjonslodding brukes. For eksempel brukes induksjon for lodding av karbid til aksel.

Forsegling

Induksjonsoppvarming brukes i lokketetning av beholdere i næringsmiddel- og farmasøytisk industri. Et lag med aluminiumsfolie legges over flasken eller krukkeåpningen og oppvarming ved induksjon for å smelte den til beholderen. Dette gir en sabotasjebestandig forsegling, siden endring av innholdet krever at folien brytes.

Oppvarming for å passe

Induksjonsoppvarming brukes ofte til å varme et element som får det til å ekspandere før montering eller montering. Lagre blir rutinemessig oppvarmet på denne måten ved bruk av nyttefrekvens (50/60 Hz) og en kjerne av transformertype av laminert stål som passerer gjennom midten av lageret.

Varmebehandling

Induksjonsoppvarming brukes ofte i varmebehandlingen av metallgjenstander. De mest vanlige anvendelser er induksjon herding av ståldeler, induksjon lodding / lodding som et middel for sammenføyning metallkomponenter og induksjonsglødning for selektivt å bløtgjøre et område av en stål del.

Induksjonsoppvarming kan produsere tettheter med høy effekt som tillater korte interaksjonstider å nå den nødvendige temperaturen. Dette gir tett kontroll over varmemønsteret med mønsteret som følger det påførte magnetfeltet ganske tett og tillater redusert termisk forvrengning og skade.

Denne evnen kan brukes ved herding for å produsere deler med varierende egenskaper. Den vanligste herdingsprosessen er å produsere en lokal overflateherding av et område som trenger slitestyrke, samtidig som det beholder seigheten til den opprinnelige strukturen etter behov andre steder. Dybden på induksjonsherdede mønstre kan kontrolleres gjennom valg av induksjonsfrekvens, effekttetthet og interaksjonstid.

Grenser for fleksibiliteten i prosessen stammer fra behovet for å produsere dedikerte induktorer for mange applikasjoner. Dette er ganske dyrt og krever sammensetning av høystrømstettheter i små kobberinduktorer, noe som kan kreve spesialisert konstruksjon og "kobbertilpasning".

Plastbehandling

Induksjonsoppvarming blir brukt i plastsprøytestøpemaskiner . Induksjonsoppvarming forbedrer energieffektiviteten for injeksjon og ekstruderingsprosesser. Varme genereres direkte i fatet på maskinen, noe som reduserer oppvarmingstid og energiforbruk. Induksjonsspolen kan plasseres utenfor varmeisolasjon, så den fungerer ved lav temperatur og har lang levetid. Frekvensen som brukes varierer fra 30 kHz ned til 5 kHz, og reduseres for tykkere fat. Reduksjonen i kostnadene for inverterutstyr har gjort induksjonsoppvarming stadig mer populær. Induksjonsoppvarming kan også brukes på former, noe som gir jevnere formtemperatur og forbedret produktkvalitet.

Pyrolyse

Induksjonsoppvarming brukes for å få biokull i pyrolysen av biomasse. Varme genereres direkte i en ristereaktorvegg som muliggjør pyrolyse av biomassen med god blanding og temperaturkontroll.

Detaljer

Det grunnleggende oppsettet er en vekselstrømforsyning som gir strøm med lav spenning, men veldig høy strøm og høy frekvens. Arbeidsstykket som skal varmes opp, er plassert inne i en luftspole som drives av strømforsyningen, vanligvis i kombinasjon med en resonanttank kondensator for å øke den reaktive effekten. Det vekslende magnetfeltet induserer virvelstrømmer i arbeidsstykket.

Frekvensen til den induktive strømmen bestemmer dybden som de induserte virvelstrømmene trenger inn i arbeidsstykket. I det enkleste tilfellet av en solid rundstang, reduseres den induserte strømmen eksponentielt fra overflaten. En "effektiv" dybde av de strømførende lagene kan utledes som , hvor er dybden i centimeter, er arbeidsemnets resistivitet i ohm-centimeter, er den dimensjonsløse relative magnetiske permeabiliteten til arbeidsstykket, og er frekvensen til arbeidsstykket AC -felt i Hz. AC -feltet kan beregnes ved hjelp av formelen . Den tilsvarende motstand av arbeidsstykket og således at effektiviteten er en funksjon av arbeidsstykket diameter over referansedybden , øker raskt opp til omtrent . Siden emnets diameter fastsettes av applikasjonen, bestemmes verdien av referansedybden. Å redusere referansedybden krever at frekvensen økes. Siden kostnaden for induksjonskraftforsyninger øker med frekvensen, blir forsyninger ofte optimalisert for å oppnå en kritisk frekvens . Hvis den drives under kritisk frekvens, reduseres oppvarmingseffektiviteten fordi virvelstrømmer fra hver side av arbeidsstykket påvirker hverandre og avbrytes. Å øke frekvensen utover den kritiske frekvensen skaper minimal ytterligere forbedring i varmeeffektiviteten, selv om den brukes i applikasjoner som søker å varmebehandle bare overflaten av arbeidsstykket.

Relativ dybde varierer med temperaturen fordi resistivitetene og permeabiliteten varierer med temperaturen. For stål faller den relative permeabiliteten til 1 over Curie -temperaturen . Dermed kan referansedybden variere med temperaturen med en faktor 2–3 for ikke -magnetiske ledere, og med så mye som 20 for magnetiske stål.

Anvendelser av frekvensområder
Frekvens (kHz) Type arbeidsemne
5–30 Tykke materialer (f.eks. Stål ved 815 ° C med diameter 50 mm eller mer).
100–400 Små arbeidsstykker eller grunt gjennomtrengning (f.eks. Stål ved 815 ° C med en diameter på 5-10 mm eller stål ved 25 ° C med en diameter på rundt 0,1 mm).
480 Mikroskopiske stykker

Magnetiske materialer forbedrer induksjonsvarmeprosessen på grunn av hysterese . Materialer med høy permeabilitet (100–500) er lettere å varme opp med induksjonsoppvarming. Hystereseoppvarming skjer under Curie -temperaturen, der materialer beholder sine magnetiske egenskaper. Høy permeabilitet under Curie -temperaturen i arbeidsstykket er nyttig. Temperaturforskjell, masse og spesifikk varme påvirker oppvarmingen av emnet.

Energioverføringen til induksjonsoppvarming påvirkes av avstanden mellom spolen og arbeidsstykket. Energitap oppstår gjennom varmeledning fra emne til armatur, naturlig konveksjon og termisk stråling .

Induksjonsspolen er vanligvis laget av kobberrør og kjølevæske . Diameter, form og antall svinger påvirker effektiviteten og feltmønsteret.

Kjernetype ovn

Ovnen består av en sirkulær ildsted som inneholder ladningen som skal smeltes i form av en ring. Metallringen er stor i diameter og er magnetisk sammenkoblet med en elektrisk vikling som drives av en vekselstrømskilde. Det er i hovedsak en transformator der ladningen som skal varmes opp danner en enkelt sving kortslutning sekundær og er magnetisk koblet til primæren av en jernkjerne.

Referanser

  1. ^ Valery Rudnev Handbook of Induction Heating CRC Press, 2003 ISBN  0824708482 side 92
  2. ^ Valery Rudnev Handbook of Induction Heating CRC Press, 2003 ISBN  0824708482 side 92
  3. ^ Dong-Hwi Sohn, Hyeju Eom og Keun Park, Anvendelse av høyfrekvent induksjonsoppvarming til sprøytestøping av høy kvalitet , i Plast Engineering Årlige tekniske konferanseprosedyrer ANTEC 2010 , Society of Plastics Engineers , 2010
  4. ^ Sanchez Careaga, FJ, Porat, A, Briens, L, Briens, C. Pyrolyse -ristereaktor for produksjon av biokull. Can J Chem Eng. 2020; 1– 8. https://doi.org/10.1002/cjce.23771
  5. ^ S. Zinn og SL Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN  0871703084 side 15
  6. ^ S. Zinn og SL Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN  0871703084 side 19
  7. ^ S. Zinn og SL Semiatin Elements of Induction Heating ASM International, 1988 ISBN  0871703084 side 16
  • Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler og Rudolph A. Bierwirth, Teori og anvendelse av radiofrekvent oppvarming . New York, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
  • Hartshorn, Leslie, Radiofrekvent oppvarming . London, G. Allen & Unwin, 1949. LCCN 50002705
  • Langton, LL, Radiofrekvent varmeutstyr, med spesiell henvisning til teori og design av selvopphissede effektoscillatorer . London, Pitman, 1949. LCCN 50001900
  • Shields, John Potter, radio- og radiofrekvensoppvarming . 1. utg., Indianapolis, HW Sams, 1969. LCCN 76098943
  • Sovie, Ronald J. og George R. Seikel, radiofrekvent induksjonsoppvarming av lavtrykksplasmaer . Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration; Springfield, Va .: Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, oktober 1967. Teknisk note fra NASA. D-4206; Utarbeidet ved Lewis Research Center.