Fisica del riscaldamento a induzione: effetto pelle, profondità di penetrazione ed efficienza di accoppiamento
Dall'esterno, il riscaldamento a induzione sembra magia: una barra di metallo entra in una bobina, si riscalda in pochi secondi ed esce dall'altro lato a una temperatura precisa. All'interno, la fisica che lo governa è ben compresa e le equazioni di progettazione sono sufficientemente accurate da permettere di progettare un riscaldatore senza mai costruire un prototipo. Ogni decisione relativa al riscaldamento a induzione – frequenza, geometria della bobina, densità di potenza – si riconduce a tre concetti fondamentali: effetto pelle, profondità di penetrazione ed efficienza di accoppiamento. Se questi concetti sono corretti, il resto è questione di dettagli.
Effetto sulla pelle e profondità di penetrazione
Quando una corrente alternata scorre attraverso un conduttore, la densità di corrente non è uniforme lungo la sezione trasversale. La corrente si concentra in superficie e la densità diminuisce esponenzialmente con la profondità. Questo è l'effetto pelle.
La profondità alla quale la densità di corrente scende al 37% (1/e) del valore superficiale è la profondità di penetrazione. La profondità di penetrazione dipende dalla frequenza, dalla permeabilità e dalla resistività del materiale. La formula è:
delta = 503 x sqrt(rho / (mu xf))
dove delta è la profondità di penetrazione in metri, rho è la resistività in ohm-metri, mu è la permeabilità relativa e f è la frequenza in Hz.
Per il rame a temperatura ambiente a 10 kHz, la profondità di penetrazione è di circa 0,65 mm. Per l'acciaio a 800 gradi Celsius (al di sopra della temperatura di Curie, dove μ scende a 1) a 10 kHz, la profondità di penetrazione è di circa 5 mm. La profondità di penetrazione è il parametro chiave nel riscaldamento a induzione: determina quanto in profondità viene generato il calore e determina la frequenza minima necessaria per riscaldare in modo efficiente una determinata barra di dimensioni specifiche.
Il problema dell'accoppiamento
Il riscaldamento a induzione è un problema di accoppiamento tra la bobina e il pezzo in lavorazione. La bobina produce un campo magnetico, il quale induce correnti parassite nel pezzo, e queste correnti parassite generano un campo magnetico contrario che annulla parzialmente quello originale. Di conseguenza, solo una frazione del flusso magnetico generato dalla bobina raggiunge effettivamente il pezzo.
L'efficienza di accoppiamento è il rapporto tra la potenza erogata al pezzo in lavorazione e la potenza erogata alla bobina. Un riscaldatore a induzione ben progettato ha un'efficienza di accoppiamento compresa tra l'80 e il 95%. Un riscaldatore progettato male (ampio traferro, frequenza errata, geometria della bobina non idonea) potrebbe avere un'efficienza di accoppiamento compresa tra il 30 e il 50%, e la restante potenza viene dispersa nella bobina, nei cavi e nell'acqua di raffreddamento.
L'accoppiamento dipende dalla frequenza, dalle dimensioni del pezzo, dall'intercapedine d'aria e dalla geometria della bobina. Una frequenza più elevata garantisce un accoppiamento migliore per pezzi di piccole dimensioni, mentre una frequenza inferiore è ideale per pezzi di grandi dimensioni. Gli ingegneri di MONTE INTELLIGENCE utilizzano la simulazione FEA per ottimizzare la geometria della bobina per ogni applicazione, e i risultati della simulazione vengono convalidati rispetto ai test al banco prima che il riscaldatore venga immesso in produzione.
Temperatura di Curie e transizione magnetica
L'acciaio è ferromagnetico al di sotto della temperatura di Curie (circa 770 gradi Celsius) e paramagnetico al di sopra di essa. La permeabilità diminuisce di un fattore da 5 a 10 quando l'acciaio attraversa il punto di Curie, e la profondità di penetrazione aumenta di un fattore da 2 a 3.
Ciò implica che un riscaldatore a induzione che funziona alla frequenza corretta per l'acciaio freddo potrebbe non essere accoppiato correttamente quando l'acciaio è caldo. Una frequenza troppo elevata per l'acciaio freddo, al contrario, provoca un riscaldamento non uniforme nella zona calda. La soluzione standard consiste nell'utilizzare un sistema a doppia frequenza o un convertitore di frequenza che regola la frequenza in base alla temperatura del pezzo in lavorazione.
Per il riscaldamento a cuore di grandi billette di acciaio (diametro superiore a 100 mm), la frequenza è tipicamente compresa tra 50 e 200 Hz e la configurazione a doppia frequenza è raramente necessaria. Per l'indurimento superficiale di piccoli pezzi (diametro inferiore a 50 mm), la frequenza è compresa tra 10 e 100 kHz e la configurazione a doppia frequenza è comune per gestire la transizione di Curie.
Densità di potenza e velocità di riscaldamento
La densità di potenza (kW per cm² di superficie del pezzo) è il parametro chiave per la velocità di riscaldamento. Un'applicazione di indurimento superficiale in genere funziona con una potenza da 1 a 5 kW per cm² e una velocità di riscaldamento da 100 a 500 gradi Celsius al secondo. Un'applicazione di riscaldamento in profondità funziona con una potenza da 0,1 a 0,5 kW per cm² e una velocità di riscaldamento da 1 a 10 gradi Celsius al secondo.
Un'elevata densità di potenza garantisce un riscaldamento rapido ma una profondità di penetrazione limitata. Una bassa densità di potenza consente un riscaldamento più lento ma una temperatura più uniforme. La scelta dipende dall'applicazione: per la tempra superficiale è preferibile un'elevata densità di potenza, mentre per il riscaldamento completo è preferibile una bassa densità di potenza.
Geometria della bobina
La geometria della bobina è adattata al pezzo in lavorazione. Per il riscaldamento di barre, la bobina è un avvolgimento elicoidale attorno alla barra. Per la tempra superficiale di pezzi piani, la bobina è un induttore a forma di disco che si posiziona sopra il pezzo. Per geometrie complesse (ingranaggi, alberi a camme, alberi a gomito), la bobina è un induttore sagomato che si adatta al profilo del pezzo.
La bobina è realizzata in tubo di rame, attraverso il quale scorre l'acqua di raffreddamento. Il rame ha tipicamente una sezione trasversale rettangolare (da 10 x 10 mm a 20 x 20 mm) per applicazioni ad alta potenza e una sezione trasversale rotonda (da 6 a 10 mm di diametro) per applicazioni a bassa potenza. La bobina viene avvolta su un supporto e l'insieme viene montato in un telaio che posiziona la bobina rispetto al pezzo in lavorazione.
Integrazione di Quench
Per la tempra superficiale, il riscaldatore a induzione è seguito da un sistema di tempra integrato. La tempra avviene tipicamente tramite getto d'acqua o soluzione polimerica, con tempi controllati dal sistema di controllo del riscaldatore. L'anello di tempra è montato sul telaio del riscaldatore e il pezzo passa attraverso il riscaldatore e il sistema di tempra con un unico movimento lineare o rotatorio.
La progettazione del processo di tempra è fondamentale per la qualità del pezzo. Una tempra insufficiente provoca punti molli; una tempra eccessiva causa crepe. La portata, la temperatura e la durata della tempra sono tutte definite dalla ricetta di processo, che viene memorizzata nel sistema di controllo del riscaldatore per ogni singolo pezzo.
Selezione della frequenza nella pratica
Le gamme di frequenza standard per il riscaldamento a induzione sono:
Da 1 a 10 kHz: riscaldamento completo di billette di grandi dimensioni, preriscaldamento per forgiatura
Da 10 a 100 kHz: indurimento superficiale di componenti di piccole e medie dimensioni
Da 100 kHz a 1 MHz: indurimento superficiale di piccole parti, brasatura
Sopra 1 MHz: applicazioni specializzate, uso di laboratorio
I riscaldatori a induzione MONTE INTELLIGENCE coprono la gamma di frequenze da 1 kHz a 100 kHz, la gamma standard industriale per la tempra superficiale e il riscaldamento a penetrazione. I riscaldatori sono disponibili con potenze da 50 kW a 2 MW, con una gamma di dimensioni e geometrie standard delle bobine.
Efficienza totale del sistema
L'efficienza complessiva di un sistema di riscaldamento a induzione è data dal rapporto tra il calore erogato al pezzo in lavorazione e la potenza elettrica prelevata dalla rete. Un sistema ben progettato ha un'efficienza complessiva compresa tra il 70 e l'85%. Le perdite sono dovute a: inverter (dal 3 al 5%), bobina e cablaggio (dal 5 al 10%), acqua di raffreddamento (dal 5 al 10%) e irraggiamento e convezione dal pezzo in lavorazione (dal 2 al 5%).
L'efficienza complessiva di un piano cottura a induzione è superiore del 30-50% rispetto a quella di un forno a gas per il riscaldamento completo, e del 50-100% per la tempra superficiale. Il risparmio energetico è significativo e, nella maggior parte dei mercati, il costo totale di proprietà è inferiore.
Contatta MONTE INTELLIGENCE per informazioni sul riscaldamento a induzione.
Per gli acquirenti che valutano apparecchiature di riscaldamento a induzione, il team di ingegneri di MONTE INTELLIGENCE può esaminare i requisiti dell'applicazione e consigliare frequenza, potenza nominale e geometria della bobina. Visitawww.cnlymonte.com/products-medium-frequency-furnace.html Per le specifiche del prodotto, per discutere del progetto, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "fisica del riscaldamento a induzione" e dettagli sulla geometria del pezzo, la ricetta del processo e l'obiettivo di produttività.
