Inductief verwarmen

Hoe werkt inductief verwarmen?

Bij inductief verwarmen wordt warmte opgewekt met een wisselend magnetisch veld. Dit magnetische veld wekt, in een elektrisch geleidend materiaal, kringstromen op. Deze kringstromen ontwikkelen warmte in het materiaal op dezelfde manier als dat bij weerstandsverwarming gebeurd. Bij inductief verwarmen is geen warmteoverdrachtsmedium nodig. De energie wordt via het magnetische veld aan het te verwarmen product overgedragen. Het hele volume van het product wordt gelijktijdig verwarmd.

Omdat de energieoverdracht bij verwarmen geschiedt via een magnetisch veld vertoont het verwarmingscircuit voor inductieve verwarming grote gelijkenis met een transformatorcircuit. Er is een primaire wikkeling, een spoel, die is aangesloten op een inductie generator. In de spoel wordt het magnetische veld opgewekt. De secundaire wikkeling wordt gevormd door het te verwarmen materiaal zelf.

Materialen moeten geschikte eigenschappen hebben willen ze inductief kunnen worden verwarmd. Inductieve technieken worden vooral gebruikt voor het verwarmen van goed geleidende materialen zoals metalen. De mate waarin een product inductief kan worden verwarmd wordt bepaald door de soortelijke weerstand en in mindere mate door de magnetische permeabiliteit van het materiaal. Voor het verwarmen van niet goed geleidende materialen wordt een andere elektrotechnologie gebruikt; diëlektrisch verwarmen.

In de techniek van het inductief verwarmen is de indringdiepte van het magnetische veld in het materiaal een belangrijk factor bij inductief verwarmen. Naarmate de indringdiepte kleiner wordt dan de afmetingen van het product, wordt de buitenkant van het product sneller warm dan het inwendige.

Installatie

Voor wat betreft de frequentie kunnen inductieve installaties worden onderverdeeld in:

• laagfrequente installaties; 50 Hz tot 500 Hz
• middenfrequente installaties; 500 Hz tot 10.000 Hz
• hoogfrequente installaties; 10 kHz tot 2.000 kHz

De laag- en middenfrequenties worden vooral toegepast voor het volumetrisch verwarmen van metalen, terwijl de hoge frequenties vooral worden toegepast voor verwarmen van metalen oppervlakken.

Verschillende frequenties leiden tot verschillende uitvoeringen van de inductieve verwarmingsinstallatie.

Bij lage frequenties is de vermogensdichtheid relatief laag. Om voldoende vermogen te ontwikkelen is een hoge magnetische veldsterkte nodig. Daarvoor wordt een ijzerkern gebruikt. Het product is als een kortgesloten secundaire wikkeling om de kern aangebracht. Het magnetische veld gaat door de ijzerkern heen. Deze bouwwijze wordt vooral toegepast voor ringvormige producten en voor smeltovens met een cirkelvormig of op een andere wijze rondom gesloten smeltvat.

Voor hogere frequenties wordt inductieve verwarming meestal uitgevoerd zonder ijzerkern. De primaire wikkeling, de spoel, is rechtstreeks om of boven het te verwarmen materiaal aangebracht. Ook hier vormt het materiaal de secundaire wikkeling. Het magnetische veld gaat hier door het materiaal heen.

Toepassingen

Inductieve verwarming wordt in een groot aantal industriële processen toegepast. In grote lijnen kan worden gezegd dat inductieve verwarming overal toepasbaar is waar metalen moeten worden verhit. De tabel geeft een aantal toepassingen in verschillende sectoren van de industrie.

Voorbeelden toepassingen

Smelten van metalen en metaallegeringen

Voor het smelten van metalen en metaallegeringen in de zware metaalindustrie worden laagfrequente installaties in de vorm van kroesovens gebruikt. Dank zij halfgeleidertechnieken worden in toenemende mate middenfrequente installaties ingezet. Kroesovens hebben meestal een groot vermogen, tot 40 MW. De oven kan tot 100 ton metaal bevatten waarmee tot 70 ton per uur kan worden gesmolten. De smelttijden liggen rond 1 tot 2 uur. De figuur geeft een 2 x 600 kW installatie voor het smelten van metalen. Op de voorgrond zijn de kroesovens zichtbaar, op de achtergrond de inductie installaties. Volgens Heatwaves worden in diverse Nederlandse gieterijen in totaal ongeveer 30 inductie installaties toegepast voor het smelten van metalen.

Smelten van amalgaan

Voor specifieke doeleinden worden voor het smelten van metalen ook inductie installaties met kleinere vermogens toegepast. De figuur (met dank aan Heatwaves) geeft een 20 kW installatie voor het smelten van amalgaam, het basismateriaal voor het vervaardigen van tandartsvullingen. Het linker deel in de figuur is de generator met de koelsectie, het rechter deel is de oven in een stand waarbij het gesmolten amalgaan wordt uitgegoten. Voordelen van inductief smelten van amalgaam zijn de korte smelttijden en de kleinere kans op oxidatie als gevolg van de korte smelttijden.

Inductief solderen

Een voorbeeld van een bijzondere manier van inductief solderen. Verschillende geïsoleerde roestvrij stalen communicatie aders worden, onder vacuüm, gesoldeerd in een roestvrijstalen schijf. Met de methode is een hoge kwaliteit verbinding te bereiken, ook omdat er geen soldeerflux hoeft te worden gebruikt. In de figuur (met dank aan Ambrell) is de inductiespoel duidelijk te herkennen.

Inductief harden van metalen

Het effect van kleine indringdiepten bij hoge frequenties wordt nuttig gebruikt bij het harden van metalen oppervlakken. Harden is het verwarmen van metalen voor verbetering van de mechanische eigenschappen. Het oppervlak of het snijvlak van tandwielen, scharen, knippers, aslagers en dergelijke wordt gehard. De figuur (met dank aan Ambrell) geeft een aantal voorbeelden van producten waarvan het oppervlak door inductief verwarmen is gehard. Door het toepassen van een hoge frequentie wordt alleen een relatief dunne oppervlakte laag van het product verwarmd; de bulk van het materiaal wordt niet verwarmd. Het toepassen van deze techniek levert energiebesparing op vergeleken met een totale verwarming van het product.

Links voor aanvullende informatie