Jsou vysvětleny základní fyzikální vztahy pro vznik indukovaných vířivých proudů, které ve vodivém materiálu generují teplo. Dále jsou popsány konstrukční prvky indukčních cívek, jejich funkce při ohřevu vsázky, vzorce pro návrh parametrů cívek a stručně provozní aspekty indukčních tavicích pecí.
Indukce
Indukční ohřev kovových materiálů využívající princip elektromagnetické indukce nachází v současné době široké uplatnění především v oblasti slévárenství. Hlavními výhodami této technologie jsou vysoká energetická účinnost, čisté pracovní prostředí bez přímého kontaktu s ohřívanou vsázkou a velmi přesná regulace procesu ohřevu. Princip spočívá v přeměně elektrické energie na tepelnou cestou bezdrátového přenosu pomocí elektromagnetické indukce, bez jakýchkoliv přímých ztrát.
Elektromagnetická indukce
Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce se v uzavřeném vodivém obvodu, který je vystaven změnám magnetického indukčního toku Φ, indukuje elektrické napětí e úměrné rychlosti změny tohoto toku:
e = -N * dΦ/dt (1)
kde N je počet závitů obepínajících magnetický tok Φ.
Toto indukované elektromotorické napětí e způsobuje vznik vířivých proudů (nazývaných též Foucaultovy proudy) uzavírajících se ve vodivém materiálu kolmo na směr magnetického indukčního toku. Velikost těchto vířivých proudů I indukovaných v kovovém materiálu lze určit ze vztahu:I = σ * B * S * ω / ρ (2)
kde σ je měrná elektrická vodivost materiálu, B magnetická indukce, S plocha průřezu materiálu kolmá na směr B, ω úhlová rychlost změny magnetického pole a ρ měrný odpor materiálu.
Protékající vířivé proudy I indukované v kovovém materiálu vytváří tepelné ztráty P úměrné druhé mocnině jejich proudové hustoty:
P = I^2 * R = (σBS*ω)^2 * ρ / V (3)
kde R je odpor materiálu a V jeho objem. Touto bezkontaktní cestou lze efektivně přenášet energii do vodivého materiálu za účelem jeho ohřevu a případného natavení.
Indukční cívka
Klíčovým prvkem indukčních tavicích pecí využívajících elektromagnetickou indukci je indukční cívka (induktor). Jejím úkolem je vytvářet ve svém okolí proměnné magnetické pole o dostatečné intenzitě, které bude v kovovém materiálu vsázky indukovat požadované vířivé proudy a jimi generované teplo.
Indukční cívky jsou typicky konstruovány jako vinutí z měděných trubek, které umožňují vnitřní intenzivní chlazení vodou. Vhodnými tvary cívek pro různé aplikace jsou kruhové nebo čtvercové smyčky, případně tvarované cívky podle požadovaného tvaru vsázky. Měděné vodiče musí mít dostatečný průřez pro vedení velkých proudů až stovek kA.
Počet závitů N a průřez S cívky se navrhuje tak, aby bylo dosaženo požadované magnetické indukce B pro efektivní indukci vířivých proudů ve vsázce podle rovnic (1) a (2). Impedance cívky Z by pak měla být co nejnižší pro omezení ztrát při vysokofrekvenčním provozu na typických frekvencích 50 Hz - 10 kHz. Účinnost přenosu energie do vsázky η lze vyjádřit jako poměr příkonu P ve vsázce k příkonu PZ na cívce:
η = P/PZ = P/(I^2*Z) (4)
kde hodnota I je efektivní proud protékající cívkou, který navyšuje ztráty v měděném vinutí úměrně druhé mocnině. Příkon PZ na cívce tak musí být dostatečný pro pokrytí požadovaného příkonu P ve vsázce (dle rovnice 3) a dostatečné rezervy pro kompenzaci ztrát v mědi.
Funkce cívky při tavení
V indukční tavicí peci je cívka umístěna kolem žáruvzdorného kelímku obsahujícího kovovou vsázku určenou k natavení. Po připojení cívky na střídavý proud o vhodné frekvenci vzniká v jejím vinutí proměnné magnetické pole, které indukuje ve vodivé vsázce vířivé proudy.
Tyto indukované vířivé proudy IV ve vsázce generují Joulovy ztráty PV úměrné podle vztahu (3) druhé mocnině jejich proudové hustoty JV2:
PV = JV2 * ρ * V (5)
Tyto ztráty se ve formě tepla rovnoměrně rozloží po celém objemu vsázky. To zajistí rovnoměrné prohřátí a postupně i kompletní natavení celého objemu kovu bez lokálních přehřátých míst.
Pohyb nabitých částic elektrických proudů uvnitř vodivého materiálu vsázky a vzájemné interakce jejich magnetických polí navíc způsobují elektromagnetické víření a intenzivní míchání taveniny. To napomáhá homogenizaci roztaveného kovu.
Rychlost ohřevu a doba potřebná k natavení vsázky daného typu a objemu závisí na indukovaném příkonu PV úměrném dle (5) intenzitě magnetického pole cívky, vodivosti a objemu vsázky. Optimalizací parametrů indukční cívky a nastavením výkonu lze proces tavení přesně kontrolovat.
Indukční tavicí pec
Hlavními konstrukčními prvky indukční tavicí pece jsou žáruvzdorný kelímek, indukční cívka, vodní chladicí systém, opláštění a přívodní kabely pro připojení vysokofrekvenčního proudu.
Vsázka se umisťuje do žáruvzdorného kelímku, který je vyložen vyzdívkou z žáruvzdorných materiálů jako jsou žáruvzdorné šamotové nebo korundové cihly a hmoty. Tato vyzdívka tvoří tepelnou izolaci a zároveň odolává účinkům vysokých teplot, chemickým vlivům roztavených kovů a okysličujícímu plameny.
Kolem kelímku se nachází těsně přiléhající indukční cívka, která vytváří proměnné elektromagnetické pole pro ohřev vsázky. Cívka je navinuta z dutých měděných trubek, kterými protéká chladicí voda odváděná do vnějšího vodního chladicího okruhu. Dostatečné a rovnoměrné vnitřní chlazení cívky je zásadní pro zachování její dlouhé životnosti při provozu ve vysoce tepelně i elektricky namáhaném prostředí.
Pec je také osazena kontrolními a řídícími prvky jako měřiče teploty, regulátory výkonu, ovládací prvky pro nastavení frekvence a kontrolu polohy cívky vůči vsázce. Vnější opláštění zároveň poskytuje pevnou konstrukci peci, mechanickou ochranu a stínění obslužnému personálu od silných elektromagnetických polí během provozu.
Provoz a údržba
Provoz indukčních pecí přináší také některé specifické požadavky, zejména na udržování funkčnosti a životnosti indukční cívky jako jednoho z nejnamáhanějších prvků. Vysoké teploty roztaveného kovu a extrémní tepelné zatížení způsobují značné tepelné namáhání měděných vodičů a postupnou degradaci izolačních vrstev cívky. Vlivem velkých protékajících proudů navíc vznikají nezanedbatelné elektromagnetické síly působící na vinutí a zvyšující mechanické namáhání. Z těchto důvodů mají indukční cívky obecně omezenou životnost v řádu několika stovek až tisíců tavicích cyklů. Vhodným způsobem provozování a dodržováním preventivní údržby lze ovšem tuto životnost výrazně prodloužit. Patří sem mimo jiné pravidelná kontrola izolačního stavu, včasná výměna vadných cívek, kontrola pevného uchycení vinutí a dostatečné chlazení.Další provozní rizika souvisí s manipulací s roztavenými kovy, kdy případný neodborný přístup může znamenat vznik chemických nebo tepelných poškození. Proto je nezbytné v okolí indukčních pecí zajistit příslušné bezpečnostní a protipožární opatření.
Závěr
Princip elektromagnetické indukce nachází velmi efektivní uplatnění v oblasti indukčního tavení a zpracování kovových materiálů především ve slévárenství. Použití indukčních cívek pro bezkontaktní přenos energie do vsázky zajišťuje rychlý a rovnoměrný ohřev celého objemu materiálu bez nežádoucích vlivů, jako jsou vznik oxidických vrstev, lokální přehřátí nebo znečištění taveniny.
Hlavní přednosti této technologie zahrnují vysokou účinnost přeměny elektrické energie na tepelnou, lepší regulovatelnost procesu a čisté pracovní prostředí bez kontaminace spalinami. Vhodnou volbou konstrukčního uspořádání a parametrů pece lze s vysokou přesností nastavit výkon, čas a teplotu průběhu tavení pro různé kovové materiály, jako jsou litina, ocel, hliník, slitiny mědi, zinku a další neželezné kovy.
Indukční tavicí pece tak představují perspektivní zařízení pro moderní slévárenskou výrobu. Další vývoj v této oblasti směřuje k prodloužení životnosti součástí pecí, zvýšení účinnosti a vývoji nových typů cívek uzpůsobených specifickým aplikacím.
Reference:
[1] LUKEŽIČ, V. Indukční a dielektrické pece. Praha: SNTL, 1962.
[2] KAWECKI, M. Energy analysis of induction melting in foundry. Archives of Foundry Engineering, 2012, vol. 12, no. 4.
[3] ULEWICZ, R. a PRIERSON, J. "Investigation of cunsability of cooling systems of coils in induction furnaces." Manufacturing Technology, 2013, vol. 13, no. 4.
[4] BOCA, M., GASIOR, P., SZLIGA, D. Electromagnetic and heat flow simulation for coreless induction furnace. Archives of Metallurgy and Materials, 2015, vol. 60, no. 2.
