Zasada topienia indukcyjnego

W tym artykule dowiesz się:

1. Jaka jest zasada działania ogrzewania indukcyjnego?

2. Jak działa piec indukcyjny?

3. Jakie są zastosowania topienia indukcyjnego?

4. Dlaczego indukcyjny piec do topienia jest przydatny z atomizacją ultradźwiękową?

Zasada działania ogrzewania indukcyjnego

Ogrzewanie indukcyjne umożliwia podgrzanie lub stopienie obiektu bez fizycznego kontaktu. Proces ten wykorzystuje prądy przemienne o wysokiej częstotliwości do ogrzewania materiału przewodzącego prąd elektryczny. Zasada ogrzewania indukcyjnego opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya, które mówi, że zmieniające się pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny w materiale przewodzącym. Podczas nagrzewania indukcyjnego zmienny prąd elektryczny przepływa przez cewkę, tworząc zmienne pole magnetyczne. Jego kierunek może zmieniać się tysiące razy na sekundę. Gdy materiał przewodzący zostanie wprowadzony do tego pola magnetycznego, cewka indukuje przepływ prądu w przetwarzanym materiale. Prądy te, zwane prądami wirowymi, generują ciepło ze względu na opór umożliwiający stopienie materiału. Generowane ciepło jest proporcjonalne do częstotliwości prądu elektrycznego i oporu elektrycznego materiału.

Dodatkowym źródłem mocy nagrzewania indukcyjnego są straty histerezowe. Są one generowane, gdy zmiany kierunku pola magnetycznego zmieniają orientację domeny magnetycznej wewnątrz materiałów. Ten wtórny efekt nagrzewania indukcyjnego jest istotny w przypadku materiałów ferromagnetycznych, takich jak żelazo, nikiel lub kobalt.

Jak działa piec indukcyjny?

Piec indukcyjny to urządzenie elektryczne służące do podgrzewania metalu lub innych materiałów przewodzących. Piec indukcyjny składa się z tygla, w którym znajduje się materiał do podgrzania, oraz cewki indukcyjnej zainstalowanej wokół tygla i podłączonej do źródła zasilania elektrycznego. Miedziana cewka jest zasilana prądem elektrycznym o wysokiej częstotliwości, który generuje zmienne pole magnetyczne wokół tygla. Wówczas możliwe są dwie opcje: tygiel jest wykonany z materiału nieprzewodzącego (np. ceramiki), a pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny w materiale wewnątrz tygla, który generuje ciepło poprzez opór. Druga opcja polega na tym, że tygiel jest również wykonany z materiału przewodzącego, takiego jak grafit. Wówczas zarówno tygiel, jak i surowiec są podgrzewane prądem indukcyjnym. Materiał tygla musi być w stanie wytrzymać wysokie temperatury i zapobiegać zanieczyszczeniu podgrzewanego materiału.

Dodatkowo, piece indukcyjne oferują możliwość nagrzewania w różnych atmosferach. W zależności od przetwarzanego materiału i specyficznych wymagań, nagrzewanie może odbywać się w próżni, w atmosferze gazu obojętnego (takiego jak argon, azot lub hel) lub w atmosferze gazu aktywnego.

Jakie są zastosowania topienia indukcyjnego?

Topienie indukcyjne jest szeroko stosowanym procesem w przemyśle odlewniczym i ma wiele zastosowań. Niektóre z najczęstszych zastosowań topienia indukcyjnego obejmują:

1. Odlewanie metali: topienie metali, takich jak stal, żelazo i aluminium, które są następnie wlewane do form w celu stworzenia odlewów o różnych kształtach i rozmiarach.

2. Obróbka cieplna: proces nagrzewania indukcyjnego jest również stosowany do obróbki cieplnej metali, takich jak stal, w celu poprawy ich właściwości i zwiększenia ich wydajności.

3. Recykling: topienie indukcyjne w tyglu jest popularną metodą recyklingu złomu, ponieważ pozwala na precyzyjne i wydajne topienie różnych stopów metali bez ryzyka zanieczyszczenia.

4. Produkcja wlewków: sprzęt do topienia indukcyjnego jest używany do produkcji wlewków, które są dużymi blokami metalu używanymi jako surowiec do dalszego przetwarzania.

5. Badania wysokotemperaturowe: Topienie indukcyjne jest wykorzystywane w badaniach wysokotemperaturowych do badania właściwości materiałów w podwyższonych temperaturach.

6. Przetwarzanie materiałów ogniotrwałych: Materiały ogniotrwałe mają wysokie temperatury topnienia i są trudne do stopienia tradycyjnymi metodami. Piece indukcyjne są dobrze przystosowane do tego zadania ze względu na wysoką szybkość topienia i precyzyjną kontrolę temperatury.

7. Produkcja proszków metali: piece tyglowe mogą być wykorzystywane w szeregu technik atomizacji, w tym atomizacji gazowej lub ultradźwiękowej.

Ogrzewanie indukcyjne osiąga wysoką wydajność. Oferuje ono szereg zalet w porównaniu z innymi metodami topienia, takich jak zwiększona wydajność energetyczna, precyzyjna kontrola temperatury i zmniejszona emisja. Jest szeroko stosowane w różnych zastosowaniach przemysłowych i badawczych ze względu na swoją niezawodność, wydajność i zdolność do uzyskiwania wysokiej jakości wyników.

Dlaczego indukcyjny piec do topienia jest przydatny przy atomizacji ultradźwiękowej?

Jednym z przykładowych urządzeń wykorzystujących proces topienia indukcyjnego do produkcji proszku metalowego jest rePowder wyposażony w moduł wykorzystujący technologię pieca indukcyjnego. Urządzenie łączy nagrzewanie indukcyjne z technologią ultradźwiękową, tworząc wysokiej jakości, sferyczny proszek metalowy. Może on być wykorzystywany np. w produkcji addytywnej, lutowaniu, powlekaniu powierzchni i nie tylko.

Ogólnie rzecz biorąc, rePowder posiada dwa różne źródła ciepła. Pierwszym z nich jest topnienie w zimnym tyglu za pomocą łuku elektrycznego/zogniskowanej plazmy w celu homogenizacji stopu. Drugim jest bezpośrednie topienie w górnej części sonotrody lub w tyglowym piecu indukcyjnym.

Jednostka indukcyjna jest używana do przetwarzania materiałów lotnych o stosunkowo niskich temperaturach topnienia, które mają tendencję do parowania w plazmie (np. stopy Sn, Zn, Mg, Pb i Al). Może być również stosowany do materiałów o wysokiej pojemności cieplnej i przewodności w temperaturach do 1300 °C (np. metale szlachetne, takie jak stopy Cu, Ag i Au). W procesie indukcyjnym materiały o dowolnym kształcie i formie mogą być umieszczane w tyglu, w tym stop końcowy, stop wzorcowy lub czyste pierwiastki. Stopowanie odbywa się w warunkach stałego mieszania, które jest utrzymywane przez pulsujący generator indukcyjny. Topienie może odbywać się w próżni lub w atmosferze gazu obojętnego. Atomizacja ultradźwiękowa prowadzona jest w atmosferze gazu obojętnego.

Proces indukcji obejmuje topienie materiału w tyglu grafitowym. Następnie stopiony metal jest podawany przez dyszę przez różnicę ciśnień do elementu wibracyjnego, znanego również jako sonotroda. Materiał może być przetwarzany z różnymi częstotliwościami od 20 kHz, wytwarzając proszki o d50 przy 80 µm dla EBM DED lub natrysku termicznego, oraz 40 i 60 kHz wytwarzając proszki o d50 45 i 35 µm dla lpbf i innych technologii proszkowych.