El calentamiento por inducción es el proceso de calentar materiales eléctricamente conductores, concretamente metales o semiconductores, mediante inducción electromagnética , mediante 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 y 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 mediante conducción de calor. Por tanto, 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 utilizados en la industria de semiconductores, y para fundir metales refractarios que requieren temperaturas muy altas. También se utiliza en placas de inducción .
Un calentador de inducción consta de un electroimán y un oscilador electrónico que hace pasar una corriente alterna (CA) de alta frecuencia a través del electroimán. El campo magnético que se alterna rápidamente penetra el objeto, generando corrientes eléctricas dentro del conductor llamadas corrientes parásitas . Las corrientes parásitas fluyen a través de la resistencia del material y lo calientan mediante calentamiento Joule . En materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos , como el hierro , el calor también se genera por pérdidas por 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 específico de un artículo aplicable para aplicaciones que incluyen endurecimiento de superficies, fusión, soldadura fuerte y soldadura fuerte, y calentamiento para encajar. Debido a su naturaleza ferromagnética, el hierro y sus aleaciones responden mejor al calentamiento por inducción. Sin embargo, se pueden generar corrientes parásitas en cualquier conductor y la histéresis magnética puede ocurrir 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 por 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 los semiconductores para calentar silicio y otros semiconductores. El calentamiento por inducción a 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 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 resulta útil para garantizar que las adiciones de aleación se mezclen completamente con la masa fundida. La mayoría de los hornos de inducción constan de 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 una cúpula . Los tamaños varían desde un kilogramo de capacidad hasta cien toneladas. Los hornos de inducción a menudo emiten un chirrido o zumbido agudo cuando están funcionando, dependiendo de su frecuencia de funcionamiento. Los metales fundidos incluyen hierro y acero , cobre, aluminio y metales preciosos . Por ser un proceso limpio y sin contacto, se puede utilizar al vacío o en 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.
Se utiliza un proceso similar, a menor escala, para la soldadura por inducción. Los plásticos también se pueden soldar por inducción, si están dopados con cerámica ferromagnética (donde la histéresis magnética de las partículas proporciona el calor necesario) o con partículas metálicas.
De esta manera se pueden soldar las uniones de los tubos. Las corrientes inducidas en un tubo corren a lo largo de la costura abierta y calientan los bordes, lo que genera una temperatura lo suficientemente alta para soldar. En este punto, los bordes de la costura se juntan y se suelda la costura. La corriente de RF también se puede transmitir al tubo mediante cepillos, pero el resultado sigue siendo el mismo: la corriente fluye a lo largo de la costura abierta, calentándola.
En el proceso de impresión rápida por inducción de aditivos metálicos, se alimenta una materia prima de alambre conductor y un gas protector a través de una boquilla en espiral, sometiendo la materia prima a calentamiento por inducción y expulsión de la boquilla como líquido, para rechazarla bajo protección y formar tridimensionales. estructuras metálicas. El principal beneficio del uso del calentamiento por inducción en este proceso es una eficiencia energética y de materiales significativamente mayor , así como un mayor grado de seguridad en comparación con otros métodos de fabricación aditiva, como la sinterización selectiva por láser , que suministra calor al material mediante un potente láser o haz de electrones.
En la cocina por inducción, una bobina de inducción dentro de la placa 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 sola) y velocidad. Las cacerolas no ferrosas, como las de fondo de cobre y las de aluminio , generalmente no son adecuadas. Por conducción térmica , el calor inducido en la base se transfiere a los alimentos del interior. [1]
La soldadura fuerte por inducción se utiliza a menudo en tiradas de producción más altas. Produce resultados uniformes y es muy repetible. Existen muchos tipos de equipos industriales en los que se utiliza soldadura fuerte por inducción. Por ejemplo, la inducción se utiliza para soldar carburo a un eje.
El calentamiento por inducción se utiliza para sellar tapas de contenedores 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 fusionarlo con el recipiente. 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 artículo y hacer que se expanda antes de colocarlo o ensamblarlo. Los rodamientos se calientan habitualmente de esta manera utilizando la frecuencia de servicio (50/60 Hz) y un núcleo tipo transformador de acero laminado que pasa por el centro del rodamiento.
El calentamiento por inducción se utiliza a menudo en el tratamiento térmico de artículos metálicos. Las aplicaciones más comunes son el endurecimiento por inducción de piezas de acero, la soldadura fuerte por inducción como medio para unir componentes metálicos y el recocido por inducción para ablandar selectivamente un área de una pieza de acero.
El calentamiento por inducción puede producir densidades de alta potencia que permiten tiempos de interacción cortos para alcanzar la temperatura requerida. Esto proporciona un control estricto del patrón de calentamiento con el patrón siguiendo muy de cerca el campo magnético aplicado y permite reducir la distorsión térmica y el daño.
Esta capacidad se puede utilizar en el endurecimiento para producir piezas con diferentes propiedades. El proceso de endurecimiento más común es producir un endurecimiento superficial localizado de un área que necesita resistencia al desgaste y al mismo tiempo conservar la dureza de la estructura original como se necesita en otros lugares. 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.
Los límites a la flexibilidad del proceso surgen de la necesidad de producir inductores dedicados para muchas aplicaciones. Esto es bastante costoso y requiere la combinación de altas densidades de corriente en pequeños inductores de cobre, lo que puede requerir ingeniería especializada y "accesorios 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 de un aislamiento térmico , por lo que funciona a bajas temperaturas y tiene una larga vida útil. La frecuencia utilizada oscila entre 30 kHz y 5 kHz, disminuyendo para cañones más gruesos. La reducción del coste 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 del 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 agitador, lo que permite la pirólisis de la biomasa con una buena mezcla y control de temperatura. [4]
La configuración básica es una fuente de alimentación de CA que proporciona electricidad con bajo voltaje pero con muy alta corriente y alta frecuencia. La pieza a calentar se coloca dentro de una bobina de aire impulsada 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 ohmímetros, es la permeabilidad magnética relativa adimensional de la pieza de trabajo y es la frecuencia. del campo CA en Hz. El campo AC se puede calcular mediante la fórmula . [5] La resistencia equivalente de la pieza de trabajo y, por tanto, la eficiencia es función del diámetro de la pieza de trabajo sobre la profundidad de referencia , aumentando rápidamente hasta aproximadamente . [6] 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 de inducción aumenta con la frecuencia, las fuentes a menudo se optimizan para lograr una frecuencia crítica a la que . Si se opera por debajo de la frecuencia crítica, la eficiencia del 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 adicional mínima en la eficiencia del calentamiento, aunque se usa 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. Para el acero, la permeabilidad relativa cae a 1 por encima de la temperatura de Curie . Por tanto, la profundidad de referencia puede variar con la temperatura en un factor de 2 a 3 para conductores no magnéticos y hasta 20 para aceros magnéticos. [7]
Los materiales magnéticos mejoran el proceso de calor 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 se produce por debajo de la temperatura de Curie, donde los materiales conservan sus propiedades magnéticas. Es útil una alta permeabilidad por debajo de la temperatura de Curie en la pieza de trabajo. La diferencia de temperatura, la masa y el calor específico influyen en el calentamiento de la pieza.
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 al dispositivo, convección natural y radiación térmica .
La bobina de inducción suele estar hecha de tubos de cobre y fluido refrigerante . 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 de metal tiene un diámetro grande y está interconectado magnéticamente con un devanado eléctrico energizado por una fuente de CA. Es esencialmente un transformador donde la carga a calentar forma un secundario de cortocircuito de una sola vuelta y está acoplado magnéticamente al primario mediante un núcleo de hierro.
