Jak funguje indukční ohřev?

V indukčních pecích a zařízeních se teplo v elektricky vodivém vyhřívaném tělese uvolňuje proudy, které se v něm indukují střídavým elektromagnetickým polem. Dochází zde tedy k přímému vytápění.

Indukční ohřev kovů je založen na dvou fyzikálních zákonech: Faraday-Maxwellův zákon elektromagnetické indukce a Joule-Lenzův zákon. Kovová tělesa (přířezy, díly atd.) jsou umístěna ve střídavém magnetickém poli, které v nich budí vířivé elektrické pole. Indukované emf je určeno rychlostí změny magnetického toku. Pod vlivem indukovaného emf proudí v tělesech vířivé proudy (uzavřené uvnitř těles), které uvolňují teplo podle Joule-Lenzova zákona. Toto EMF vytváří v kovu střídavý proud, tepelná energie uvolněná těmito proudy způsobuje zahřívání kovu. Indukční ohřev je přímý a bezkontaktní. Umožňuje vám dosáhnout teplot dostatečných k roztavení nejhořlavějších kovů a slitin.

Intenzivní indukční ohřev je možný pouze v elektromagnetických polích vysoké intenzity a frekvence, které jsou vytvářeny speciálními zařízeními – induktory. Tlumivky jsou napájeny ze sítě 50 Hz (průmyslové frekvenční nastavení) nebo z jednotlivých zdrojů energie – generátorů a středně a vysokofrekvenčních měničů.

Nejjednodušší induktor pro nízkofrekvenční nepřímá indukční ohřívací zařízení je izolovaný vodič (podlouhlý nebo vinutý) umístěný uvnitř kovové trubky nebo umístěný na jejím povrchu. Když proud protéká vodičem induktoru, v potrubí se indukují vířivé proudy a ohřívají ho. Teplo z potrubí (může to být i kelímek, nádoba) se předává ohřívanému médiu (voda proudící potrubím, vzduch atd.).

Indukční ohřev je nejrozšířenějším přímým indukčním ohřevem kovů na středních a vysokých frekvencích. K tomuto účelu se používají speciálně navržené tlumivky. Induktor vysílá elektromagnetické vlnění, které dopadá na zahřívané těleso a je v něm utlumeno. Energie pohlcené vlny se v těle přeměňuje na teplo. Čím blíže je typ vyzařované elektromagnetické vlny (plochá, válcová atd.) tvaru tělesa, tím vyšší je účinnost ohřevu. K ohřevu plochých těles se proto používají ploché induktory a k ohřevu válcových obrobků válcové (solenoidové) induktory. Obecně mohou mít složitý tvar, kvůli nutnosti koncentrovat elektromagnetickou energii v požadovaném směru.

Charakteristickým rysem indukčního vstupu energie je schopnost regulovat prostorové umístění zóny toku vířivých proudů. Za prvé, vířivé proudy proudí v oblasti pokryté induktorem. Ohřívá se pouze ta část těla, která je v magnetickém spojení s induktorem, bez ohledu na celkové rozměry těla. Za druhé, hloubka zóny cirkulace vířivých proudů a následně zóny uvolňování energie závisí mimo jiné na frekvenci indukčního proudu (při nízkých frekvencích se zvyšuje a s rostoucí frekvencí klesá). Účinnost přenosu energie z induktoru na ohřívaný proud závisí na velikosti mezery mezi nimi a roste s jejím zmenšováním.

Indukční ohřev se používá pro povrchové kalení ocelových výrobků, přes ohřev pro plastickou deformaci (kování, lisování, lisování atd.), tavení kovů, tepelné zpracování (žíhání, popouštění, normalizace, kalení), svařování, navařování a pájení kovy.

Nejdůležitějším parametrem instalací indukčního ohřevu je frekvence. Pro každý proces (povrchové kalení, ohřevem) existuje optimální frekvenční rozsah, který poskytuje nejlepší technologický a ekonomický výkon. Pro indukční ohřev se používají frekvence od 50 Hz do 5 MHz.

Výhody indukčního ohřevu

1) Přenos elektrické energie přímo do ohřívaného tělesa umožňuje přímý ohřev materiálů vodičů. Zároveň se zvyšuje rychlost ohřevu ve srovnání s nepřímými instalacemi, ve kterých je produkt ohříván pouze z povrchu.

2) Přenos elektrické energie přímo do ohřívaného tělesa nevyžaduje kontaktní zařízení. To je výhodné v podmínkách automatizované výroby výrobní linky, při použití vakua a ochranných pomůcek.

3) Díky jevu povrchového efektu se v povrchové vrstvě ohřívaného produktu uvolňuje maximální výkon. Indukční ohřev během kalení proto zajišťuje rychlý ohřev povrchové vrstvy produktu. To umožňuje získat vysokou tvrdost povrchu součásti s relativně viskózním jádrem. Proces povrchového indukčního kalení je rychlejší a ekonomičtější než jiné způsoby povrchového kalení výrobku.

4) Indukční ohřev ve většině případů umožňuje zvýšit produktivitu a zlepšit pracovní podmínky.

Indukční pec nebo zařízení lze považovat za druh transformátoru, ve kterém je primární vinutí (induktor) připojeno ke zdroji střídavého proudu a samotné ohřívané těleso slouží jako sekundární vinutí.

Pracovní proces indukčních tavicích pecí je charakterizován elektrodynamickým a tepelným pohybem tekutého kovu v lázni nebo kelímku, což přispívá k získání kovu homogenního složení a jeho stejnoměrné teplotě v celém objemu, jakož i nízkého kovového odpadu (několikakrát méně než v obloukových pecích).

Indukční tavicí pece se používají při výrobě odlitků, včetně tvarových, z oceli, litiny, neželezných kovů a slitin.

Indukční tavicí pece lze rozdělit na průmyslové frekvenční kanálové pece a průmyslové, středně a vysokofrekvenční kelímkové pece.

Provoz indukční kelímkové pece je založen na absorpci elektromagnetické energie z vodivé vsázky. Klec je umístěna uvnitř válcové cívky – induktoru. Z elektrického hlediska je indukční kelímková pec vzduchový transformátor nakrátko, jehož sekundárním vinutím je vodivá náplň.

Indukční kelímkové pece se používají především k tavení kovů na tvarové odlitky v periodickém provozním režimu a také bez ohledu na provozní režim k tavení některých slitin, např. bronzu, které mají škodlivý vliv na vyzdívku kanálových pecí.