گرمایش القایی چیست؟

گرمایش القایی

جنس قطعه کاری ممکن است فلزی باشد مانند فولاد، مس، آلومینیوم، برنج یا می‌تواند یک نیمه‌رسانا باشد مانند کربن، گرافیت یا کاربید سیلیکون. برای گرم کردن مواد غیرهادی مانند پلاستیک یا شیشه، از القا برای گرم کردن یک واسط رسانای الکتریکی، معمولاً گرافیت، استفاده می‌شود که سپس گرما را به ماده غیرهادی منتقل می‌کند.

گرمایش القایی در فرآیندهایی استفاده می‌شود که دماها به اندازه ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد (۲۱۲ درجه فارنهایت) پایین و تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد (۵۴۳۲ درجه فارنهایت) بالا هستند. این روش می‌تواند در فرآیندهای گرمایش کوتاه که کمتر از نیم ثانیه طول می‌کشند و همچنین در فرآیندهای گرمایش طولانی که برای چندین ماه فعال هستند، مورد استفاده قرار گیرد.

گرمایش القایی در پخت‌وپز خانگی و تجاری استفاده می‌شود و در بسیاری از کاربردها مانند ذوب، عملیات حرارتی، پیش‌گرمایش برای جوشکاری، بریزینگ (لحیم‌کاری سخت)، لحیم‌کاری نرم، خشک‌کردن، آب‌بندی، فیتینگ با انقباض در صنعت، و همچنین در تحقیقات و توسعه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایای گرمایش القایی

• گرمایش سریع
• گرمایش دقیق و تکرارپذیر
• گرمایش کارآمد
• گرمایش ایمن به دلیل عدم وجود شعله
• طول عمر بیشتر ابزارهای ثابت به دلیل گرمایش دقیق

گرمایش القایی چگونه کار می‌کند؟

کویل القایی چگونه کار می‌کند‌؟

سیم‌پیچ برای انتقال انرژی به قطعه، با استفاده از یک میدان الکترومغناطیسی متناوب، به کار می‌رود. این میدان باعث القای جریان الکتریکی در قطعه شده و در نتیجه آن را گرم می‌کند.

جریان متناوب که از طریق کویل عبور می‌کند، میدان الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که جریان الکتریکی را در قطعه القا می‌کند. این جریان در قطعه به صورت معکوس و مشابه جریان موجود در کویل است.

کویل، که به عنوان القاگر نیز شناخته می‌شود، بخشی از سیستم گرمایش القایی است که مشخص می‌کند قطعه به چه میزان مؤثر و کارآمد گرم می‌شود.

کویل‌ها از نظر پیچیدگی متنوع هستند، از یک سیم‌پیچ ساده مارپیچ (یا سلونوئید که شامل تعدادی دور لوله مسی پیچیده شده به دور یک محور است) تا یک کویل از جنس مس جامد با دقت ماشین‌کاری-شده که به هم بریز شده است.

دو روش برای گرمایش القایی وجود دارد:

1. گرمایش ناشی از جریان‌های گردابی که به دلیل تلفات I²R ناشی از مقاومت الکتریکی ماده قطعه ایجاد می‌شود.

2. گرمایش هیسترزیس که در آن انرژی، توسط میدان مغناطیسی متناوب ناشی از کویل و تغییر قطبیت مغناطیسی قطعه، تولید می‌شود. گرمایش هیسترزیس در قطعه تا دمای کوری رخ می‌دهد، زمانی که تراوایی مغناطیسی ماده به ۱ کاهش می‌یابد و گرمایش هیسترزیس به حداقل می‌رسد. پس از آن، اثر باقی‌مانده گرمایش القایی از طریق گرمایش ناشی از جریان‌های گردابی صورت می‌گیرد.

فرکانس عملیاتی چیست؟

فرکانس عملیاتی برای یک سیستم گرمایش القایی با توجه به قطعه‌ای که قرار است گرم شود و ماده‌ای که از آن ساخته شده است تعیین می‌شود. مهم است که از سیستمی استفاده کنید که توان را در بازه فرکانس‌های مناسب برای کاربرد مورد نظر تأمین کند.

برای درک دلایل مختلف فرکانس‌های کاری، بیایید نگاهی به ویژگی‌ای به نام «اثر پوست» بیندازیم. وقتی میدان الکترومغناطیسی جریانی را در قطعه القا می‌کند، این جریان عمدتاً در سطح قطعه جریان می‌یابد. هرچه فرکانس کاری بالاتر باشد، عمق پوست (skin depth) کمتر خواهد بود؛ و هرچه فرکانس کاری پایین‌تر باشد، عمق پوست بیشتر و نفوذ اثر حرارتی بیشتر است.

عمق پوست یا عمق نفوذ به فرکانس کاری، ویژگی‌های مواد و دمای قطعه وابسته است. به عنوان مثال، در جدول زیر، یک میله فولادی با قطر 20 میلی‌متر می‌تواند با استفاده از سیستم القای 3 کیلوهرتز تا دمای 540 درجه سانتی‌گراد (1000 درجه فارنهایت) برای کاهش تنش حرارت داده شود. با این حال، برای سخت کردن همان میله تا دمای 870 درجه سانتی‌گراد (1600 درجه فارنهایت)، به سیستم 10 کیلوهرتز نیاز است.

به‌طور کلی، گرم کردن قطعات کوچک‌تر با استفاده از القا نیاز به فرکانس‌های عملیاتی بالاتری دارد (اغلب بیشتر از 50 کیلوهرتز)، و قطعات بزرگ‌تر به طور مؤثرتری با فرکانس‌های عملیاتی پایین‌تر گرم می‌شوند. با استفاده از منابع تغذیه القایی مدرن با کنترل‌های میکروپروسسوری، فرایندهای حرارتی قابل تکرار و مؤثر به راحتی قابل دستیابی است به شرطی که هر قطعه در موقعیت ثابتی درون سیم‌پیچ قرار گیرد.

یک سیستم گرمایش القایی از چه اجزایی تشکیل شده است؟

یک سیستم گرمایش القایی شامل یک منبع تغذیه (یا مبدل)، یک مدار تانک (یا هد) و یک کویل (سیم‌پیچ) است. در کاربردهای صنعتی، معمولاً جریان کافی از طریق سیم‌پیچ عبور می‌کند که نیاز به خنک‌سازی با آب دارد، بنابراین یک نصب معمول شامل یک سیستم خنک‌سازی با آب نیز می‌باشد.

منبع تغذیه جریان متناوب را از خط AC به جریان متناوبی تبدیل می‌کند که با ترکیب ظرفیت موجود در هد، القای کویل و مقاومت قطعه هماهنگ است.

عواملی که باید در نظر گرفته شوند

• جنس قطعه کار تعیین‌کننده نرخ و قدرت حرارت مورد نیاز است؛ فولاد و آهن به‌خاطر مقاومت بالاترشان به‌راحتی گرم می‌شوند، در حالی که مس و آلومینیوم به‌دلیل مقاومت پایین‌ترشان نیاز به قدرت بیشتری برای گرم شدن دارند.
• برخی از فولادها مغناطیسی هستند، بنابراین هم مقاومت فلز و هم خواص هیسترزیس آن هنگام گرم شدن با القاء الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در دماهای بالاتر از دمای کوری (500 تا 600 درجه سانتی‌گراد / 1000 تا 1150 درجه فارنهایت)، فولاد خواص مغناطیسی خود را از دست می‌دهد، اما گرم کردن با جریان‌های گردابی روش گرمایش برای دماهای بالاتر را فراهم می‌آورد.
• قدرت مورد نیاز به عوامل زیر بستگی:

1. نوع ماده
2. اندازه قطعه
3. افزایش دمای مورد‌نیاز
4. زمان رسیدن به دما

فرکانس عملیاتی سیستم گرمایش القایی عاملی است که باید بر اساس اندازه قطعه کار مورد نظر در نظر گرفته شود. قطعات کوچکتر برای گرم شدن مؤثر به فرکانس بالاتری (>50 کیلوهرتز) نیاز دارند، در حالی که قطعات بزرگتر از فرکانس پایین‌تر (>10 کیلوهرتز) بهره‌مند می‌شوند که نفوذ بیشتر گرمای تولید شده را فراهم می‌آورد.

با افزایش دمای قطعه گرم شده، اتلاف حرارت از قطعه نیز افزایش می‌یابد. اتلاف حرارت که به‌صورت تابش و جابه‌جایی از قطعه کار می‌باشد، در دماهای بالاتر به عامل مهم‌تری تبدیل می‌شود. در دماهای بالا، تکنیک‌های عایق‌بندی معمولاً به‌کار می‌روند تا اتلاف حرارت را به حداقل رسانده و قدرت سیستم القا را کاهش دهند.

چکیده

در این مقاله، اصول و کاربردهای گرمایش القایی به‌عنوان یک روش کارآمد و سریع برای گرم کردن فلزات و مواد رسانا بررسی شده است. با تمرکز بر عوامل مؤثر مانند نوع ماده، اندازه قطعه کار، فرکانس عملیاتی و زمان رسیدن به دمای مطلوب، فرآیندهای مربوط به گرمایش القایی تحلیل شدند. همچنین، تأثیر دماهای بالا بر اتلاف حرارت و اهمیت استفاده از روش‌های عایق‌بندی برای بهبود بهره‌وری سیستم مورد بحث قرار گرفت. این مقاله به‌طور کلی نشان می‌دهد که چگونه بهینه‌سازی عوامل مختلف می‌تواند کارایی این تکنولوژی را افزایش داده و مصرف انرژی را کاهش دهد.

با اقتباس از سایت http://www.ambrell.com