El calentamiento por inducción es el proceso de calentar materiales conductores de electricidad, es decir, metales o semiconductores, mediante inducción electromagnética , a través de la transferencia de calor que pasa a través de un inductor que crea un campo electromagnético dentro de la bobina para calentar y posiblemente fundir acero, cobre, latón, grafito, oro, plata, aluminio o carburo.
Una característica importante del proceso de calentamiento por inducción es que el calor se genera dentro del propio objeto, en lugar de mediante una fuente de calor externa a través de la conducción de calor. De este modo, los objetos se pueden calentar muy rápidamente. Además, no es necesario que haya ningún contacto externo, lo que puede ser importante cuando la contaminación es un problema. El calentamiento por inducción se utiliza en muchos procesos industriales, como el tratamiento térmico en metalurgia , el crecimiento de cristales de Czochralski y el refinado por zonas utilizado en la industria de semiconductores, y para fundir metales refractarios que requieren temperaturas muy altas. También se utiliza en cocinas de inducción .
Un calentador de inducción consta de un electroimán y un oscilador electrónico que pasa una corriente alterna (CA) de alta frecuencia a través del electroimán. El campo magnético alterno rápido penetra el objeto, generando corrientes eléctricas dentro del conductor llamadas corrientes de Foucault . Las corrientes de Foucault fluyen a través de la resistencia del material y lo calientan mediante calentamiento Joule . En materiales ferromagnéticos y ferromagnéticos , como el hierro , el calor también se genera por pérdidas de histéresis magnética . La frecuencia de la corriente eléctrica utilizada para el calentamiento por inducción depende del tamaño del objeto, el tipo de material, el acoplamiento (entre la bobina de trabajo y el objeto a calentar) y la profundidad de penetración.
El calentamiento por inducción permite el calentamiento dirigido de un elemento aplicable para aplicaciones que incluyen endurecimiento de superficies, fusión, soldadura fuerte y blanda, y calentamiento para ajustar. Debido a su naturaleza ferromagnética, el hierro y sus aleaciones responden mejor al calentamiento por inducción. Sin embargo, se pueden generar corrientes de Foucault en cualquier conductor y puede producirse histéresis magnética en cualquier material magnético. El calentamiento por inducción se ha utilizado para calentar conductores líquidos (como metales fundidos) y también conductores gaseosos (como un plasma de gas; consulte Tecnología de plasma de inducción ). El calentamiento por inducción se utiliza a menudo para calentar crisoles de grafito (que contienen otros materiales) y se utiliza ampliamente en la industria de semiconductores para el calentamiento de silicio y otros semiconductores. El calentamiento por inducción de frecuencia de servicio (50/60 Hz) se utiliza para muchas aplicaciones industriales de menor costo, ya que no se requieren inversores .
Un horno de inducción utiliza la inducción para calentar el metal hasta su punto de fusión. Una vez fundido, el campo magnético de alta frecuencia también se puede utilizar para agitar el metal caliente, lo que es útil para garantizar que las adiciones de aleación se mezclen completamente en la masa fundida. La mayoría de los hornos de inducción consisten en un tubo de anillos de cobre enfriados por agua que rodean un recipiente de material refractario . Los hornos de inducción se utilizan en la mayoría de las fundiciones modernas como un método más limpio para fundir metales que un horno de reverbero o un cubilote . Los tamaños varían de un kilogramo de capacidad a cien toneladas. Los hornos de inducción a menudo emiten un zumbido o zumbido agudo cuando están en funcionamiento, dependiendo de su frecuencia de operación. Los metales fundidos incluyen hierro y acero , cobre, aluminio y metales preciosos . Debido a que es un proceso limpio y sin contacto, se puede utilizar en un vacío o una atmósfera inerte. Los hornos de vacío utilizan calentamiento por inducción para producir aceros especiales y otras aleaciones que se oxidarían si se calentaran en presencia de aire.
Un proceso similar, a menor escala, se utiliza para la soldadura por inducción. Los plásticos también pueden soldarse por inducción, ya sea si están dopados con cerámica ferromagnética (donde la histéresis magnética de las partículas proporciona el calor necesario) o con partículas metálicas.
Las costuras de los tubos se pueden soldar de esta manera. Las corrientes inducidas en un tubo recorren la costura abierta y calientan los bordes, lo que da como resultado una temperatura lo suficientemente alta para la soldadura. En este punto, los bordes de la costura se unen y la costura se suelda. La corriente de RF también se puede transmitir al tubo mediante escobillas, pero el resultado sigue siendo el mismo: la corriente fluye a lo largo de la costura abierta y la calienta.
En el proceso de impresión aditiva de metales por inducción rápida, se introduce una materia prima de alambre conductor y un gas de protección a través de una boquilla en espiral, sometiendo la materia prima a calentamiento por inducción y expulsándola desde la boquilla como líquido, con el fin de que se deseche bajo protección para formar estructuras metálicas tridimensionales. El beneficio principal del uso del calentamiento por inducción en este proceso es una eficiencia energética y de material significativamente mayor , así como un mayor grado de seguridad en comparación con otros métodos de fabricación aditiva, como la sinterización selectiva por láser , que proporciona calor al material utilizando un potente láser o haz de electrones.
En la cocina de inducción, una bobina de inducción dentro de la placa de cocción calienta la base de hierro de los utensilios de cocina mediante inducción magnética. El uso de cocinas de inducción produce seguridad, eficiencia (la placa de inducción no se calienta por sí misma) y velocidad. Las ollas no ferrosas, como las ollas con fondo de cobre y las ollas de aluminio , generalmente no son adecuadas. Por conducción térmica , el calor inducido en la base se transfiere a los alimentos que se encuentran en el interior. [1]
La soldadura fuerte por inducción se utiliza a menudo en producciones más grandes. Produce resultados uniformes y es muy repetible. Hay muchos tipos de equipos industriales en los que se utiliza la soldadura fuerte por inducción. Por ejemplo, la inducción se utiliza para soldar carburo a un eje.
El calentamiento por inducción se utiliza para sellar las tapas de los envases en las industrias alimentaria y farmacéutica. Se coloca una capa de papel de aluminio sobre la abertura de la botella o frasco y se calienta por inducción para fusionarla con el envase. Esto proporciona un sello a prueba de manipulaciones, ya que para alterar el contenido es necesario romper el papel de aluminio. [2]
El calentamiento por inducción se utiliza a menudo para calentar un elemento y hacer que se expanda antes de su montaje o ensamblaje. Los cojinetes se calientan habitualmente de esta manera utilizando la frecuencia de la red eléctrica (50/60 Hz) y un núcleo de acero laminado de tipo transformador que pasa por el centro del cojinete.
El calentamiento por inducción se utiliza a menudo en el tratamiento térmico de elementos metálicos. Las aplicaciones más comunes son el endurecimiento por inducción de piezas de acero, la soldadura por inducción como medio para unir componentes metálicos y el recocido por inducción para ablandar selectivamente una zona de una pieza de acero.
El calentamiento por inducción puede producir altas densidades de potencia que permiten tiempos de interacción cortos para alcanzar la temperatura requerida. Esto permite un control estricto del patrón de calentamiento, que sigue muy de cerca el campo magnético aplicado y permite reducir la distorsión térmica y los daños.
Esta capacidad se puede utilizar en el endurecimiento para producir piezas con propiedades variables. El proceso de endurecimiento más común consiste en producir un endurecimiento localizado de la superficie de un área que necesita resistencia al desgaste, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad de la estructura original que se necesita en otras partes. La profundidad de los patrones endurecidos por inducción se puede controlar mediante la elección de la frecuencia de inducción, la densidad de potencia y el tiempo de interacción.
Las limitaciones a la flexibilidad del proceso surgen de la necesidad de producir inductores dedicados para muchas aplicaciones. Esto es bastante costoso y requiere la concentración de altas densidades de corriente en pequeños inductores de cobre, lo que puede requerir ingeniería especializada y "ajuste de cobre".
El calentamiento por inducción se utiliza en máquinas de moldeo por inyección de plástico . El calentamiento por inducción mejora la eficiencia energética de los procesos de inyección y extrusión. El calor se genera directamente en el cilindro de la máquina, lo que reduce el tiempo de calentamiento y el consumo de energía. La bobina de inducción se puede colocar fuera del aislamiento térmico , por lo que funciona a bajas temperaturas y tiene una larga vida útil. La frecuencia utilizada varía de 30 kHz a 5 kHz, disminuyendo para cilindros más gruesos. La reducción en el costo de los equipos inversores ha hecho que el calentamiento por inducción sea cada vez más popular. El calentamiento por inducción también se puede aplicar a los moldes, lo que ofrece una temperatura de molde más uniforme y una mejor calidad del producto. [3]
El calentamiento por inducción se utiliza para obtener biocarbón en la pirólisis de biomasa. El calor se genera directamente en las paredes del reactor vibratorio, lo que permite la pirólisis de la biomasa con un buen mezclado y control de la temperatura. [4]
Los mecánicos utilizan el calentamiento por inducción para quitar los tornillos oxidados. El calor ayuda a eliminar la tensión inducida por el óxido entre las roscas. [5]
La configuración básica es una fuente de alimentación de CA que proporciona electricidad con bajo voltaje pero muy alta corriente y alta frecuencia. La pieza de trabajo que se va a calentar se coloca dentro de una bobina de aire accionada por la fuente de alimentación, generalmente en combinación con un condensador de tanque resonante para aumentar la potencia reactiva. El campo magnético alterno induce corrientes parásitas en la pieza de trabajo.
La frecuencia de la corriente inductiva determina la profundidad a la que las corrientes parásitas inducidas penetran en la pieza de trabajo. En el caso más simple de una barra redonda sólida, la corriente inducida disminuye exponencialmente desde la superficie. La profundidad de penetración en la que se concentrará el 86% de la potencia se puede derivar como , donde es la profundidad en metros, es la resistividad de la pieza de trabajo en ohmios-metros, es la permeabilidad magnética relativa adimensional de la pieza de trabajo y es la frecuencia del campo de CA en Hz. El campo de CA se puede calcular utilizando la fórmula . [6] La resistencia equivalente de la pieza de trabajo y, por lo tanto, la eficiencia, es una función del diámetro de la pieza de trabajo sobre la profundidad de referencia , aumentando rápidamente hasta aproximadamente . [7] Dado que el diámetro de la pieza de trabajo lo fija la aplicación, el valor de está determinado por la profundidad de referencia. Disminuir la profundidad de referencia requiere aumentar la frecuencia. Dado que el costo de las fuentes de alimentación por inducción aumenta con la frecuencia, las fuentes a menudo se optimizan para lograr una frecuencia crítica en la que . Si se opera por debajo de la frecuencia crítica, la eficiencia de calentamiento se reduce porque las corrientes parásitas de ambos lados de la pieza de trabajo chocan entre sí y se cancelan. Aumentar la frecuencia más allá de la frecuencia crítica crea una mejora mínima en la eficiencia de calentamiento, aunque se utiliza en aplicaciones que buscan tratar térmicamente solo la superficie de la pieza de trabajo.
La profundidad relativa varía con la temperatura porque las resistividades y la permeabilidad varían con la temperatura. En el caso del acero, la permeabilidad relativa cae a 1 por encima de la temperatura de Curie . Por lo tanto, la profundidad de referencia puede variar con la temperatura en un factor de 2-3 para conductores no magnéticos y hasta en 20 para aceros magnéticos. [8]
Los materiales magnéticos mejoran el proceso de calentamiento por inducción debido a la histéresis . Los materiales con alta permeabilidad (100–500) son más fáciles de calentar con calentamiento por inducción. El calentamiento por histéresis ocurre por debajo de la temperatura de Curie, donde los materiales conservan sus propiedades magnéticas. Una alta permeabilidad por debajo de la temperatura de Curie en la pieza de trabajo es útil. La diferencia de temperatura, la masa y el calor específico influyen en el calentamiento de la pieza de trabajo.
La transferencia de energía del calentamiento por inducción se ve afectada por la distancia entre la bobina y la pieza de trabajo. Las pérdidas de energía se producen por conducción de calor desde la pieza de trabajo hasta el dispositivo, convección natural y radiación térmica .
La bobina de inducción suele estar hecha de tubos de cobre y refrigerante líquido . El diámetro, la forma y el número de vueltas influyen en la eficiencia y el patrón de campo.
El horno consta de un hogar circular que contiene la carga a fundir en forma de anillo. El anillo metálico es de gran diámetro y está interconectado magnéticamente con un devanado eléctrico energizado por una fuente de corriente alterna. Es esencialmente un transformador donde la carga a calentar forma un secundario de cortocircuito de una sola vuelta y está acoplado magnéticamente al primario por un núcleo de hierro.
