Calentamiento por inducción

El calentamiento por inducción es el proceso de calentar materiales conductores de electricidad, es decir, metales o semiconductores, mediante inducción electromagnética , a través de la transferencia de calor que pasa por un inductor que crea un campo electromagnético dentro de la bobina para calentar y posiblemente fundir acero, cobre, latón, grafito, oro, plata, aluminio o carburo.

Una característica importante del calentamiento por inducción es que el calor se genera dentro del propio objeto, en lugar de mediante una fuente de calor externa por conducción térmica. De esta forma, los objetos se pueden calentar muy rápidamente. Además, no requiere contacto externo, lo cual es 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 Czochralski y el refinado por zonas en la industria de semiconductores, así como para fundir metales refractarios que requieren temperaturas muy elevadas. También se utiliza en placas de inducción .

Un calentador por 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 varía rápidamente , penetra en el objeto, generando corrientes eléctricas en su interior, denominadas corrientes parásitas . Estas corrientes fluyen a través de la resistencia del material y lo calientan por efecto Joule . En materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos , como el hierro , el calor también se genera por pérdidas de 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 calentar selectivamente un elemento para aplicaciones como el endurecimiento superficial, la fusión, la soldadura fuerte y blanda, y el calentamiento para ajuste. 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; véase Tecnología de plasma por inducción ). El calentamiento por inducción se utiliza frecuentemente para calentar crisoles de grafito (que contienen otros materiales) y se emplea ampliamente en la industria de semiconductores para el calentamiento de silicio y otros semiconductores. El calentamiento por inducción a frecuencia estándar (50/60  Hz) se utiliza para muchas aplicaciones industriales de bajo costo, ya que no requiere inversores .

The basic setup is an AC power supply that provides electricity with low voltage but very high current and high frequency. The workpiece to heat is placed inside an air coil driven by the power supply, usually in combination with a resonant tank capacitor to increase the reactive power. The alternating magnetic field induces eddy currents in the workpiece.

The frequency of the inductive current determines the depth that the induced eddy currents penetrate the workpiece. In the simplest case of a solid round bar, the induced current decreases exponentially from the surface. The penetration depth ${\displaystyle \delta }$ in which 86% of power will be concentrated, can be derived as ${\displaystyle \delta =503{\sqrt {\frac {\rho }{\mu f}}}}$, where ${\displaystyle \delta }$ is the depth in meters, ${\displaystyle \rho }$ is the resistivity of the workpiece in ohm-meters, ${\displaystyle \mu }$ is the dimensionless relative magnetic permeability of the workpiece, and ${\displaystyle f}$ is the frequency of the AC field in Hz. The AC field can be calculated using the formula ${\displaystyle {\frac {1}{T}}}$.^[5] The equivalent resistance of the workpiece and thus the efficiency is a function of the workpiece diameter ${\displaystyle a}$ over the reference depth ${\displaystyle d}$, increasing rapidly up to about ${\displaystyle a/d=4}$.^[6] Since the workpiece diameter is fixed by the application, the value of ${\displaystyle a/d}$ is determined by the reference depth. Decreasing the reference depth requires increasing the frequency. Since the cost of induction power supplies increases with frequency, supplies are often optimized to achieve a critical frequency at which ${\displaystyle a/d=4}$. If operated below the critical frequency, heating efficiency is reduced because eddy currents from either side of the workpiece impinge upon one another and cancel out. Increasing the frequency beyond the critical frequency creates minimal further improvement in heating efficiency, although it is used in applications that seek to heat treat only the surface of the workpiece.

Relative depth varies with temperature because resistivities and permeability vary with temperature. For steel, the relative permeability drops to 1 above the Curie temperature. Thus the reference depth can vary with temperature by a factor of 2–3 for nonmagnetic conductors and by as much as 20 for magnetic steels.^[7]

Magnetic materials improve the induction heat process because of hysteresis. Materials with high permeability (100–500) are easier to heat with induction heating. Hysteresis heating occurs below the Curie temperature, where materials retain their magnetic properties. High permeability below the Curie temperature in the workpiece is useful. Temperature difference, mass, and specific heat influence the workpiece heating.

The energy transfer of induction heating is affected by the distance between the coil and the workpiece. Energy losses occur through heat conduction from workpiece to fixture, natural convection, and thermal radiation.

The induction coil is usually made of copper tubing and fluid coolant. Diameter, shape, and number of turns influence the efficiency and field pattern.

El horno consta de un hogar circular que contiene la carga a fundir en forma de anillo. Este anillo metálico, de gran diámetro, está conectado magnéticamente a un devanado eléctrico alimentado por una fuente de corriente alterna. Esencialmente, se trata de un transformador donde la carga a calentar forma un secundario de cortocircuito de una sola espira y está acoplada magnéticamente al primario mediante un núcleo de hierro.

• Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler y Rudolph A. Bierwirth, Teoría y aplicación del calentamiento por radiofrecuencia . Nueva York, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
• Hartshorn, Leslie, Calefacción por radiofrecuencia . Londres, G. Allen & Unwin, 1949. LCCN 50002705
• Langton, LL, Equipos de calefacción por radiofrecuencia, con especial referencia a la teoría y el diseño de osciladores de potencia autoexcitados . Londres, Pitman, 1949. LCCN 50001900
• Shields, John Potter, Fundamentos del calentamiento por radiofrecuencia . 1.ª ed., Indianápolis, HW Sams, 1969. LCCN 76098943
• Sovie, Ronald J., y George R. Seikel, Calentamiento por inducción de radiofrecuencia de plasmas de baja presión . Washington, DC  : Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio; Springfield, Va.: Centro de Intercambio de Información Científica y Técnica Federal, octubre de 1967. Nota técnica de la NASA. D-4206; Preparado en el Centro de Investigación Lewis.

• Calentamiento dieléctrico
• Cocina de inducción