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 .

La configuración básica consiste en una fuente de alimentación de corriente alterna que proporciona electricidad de bajo voltaje , pero con una corriente y frecuencia muy elevadas. La pieza a calentar se coloca dentro de una bobina de aire alimentada por la fuente de alimentación, generalmente en combinación con un condensador resonante para aumentar la potencia reactiva. El campo magnético alterno induce corrientes parásitas en la pieza.

La frecuencia de la corriente inductiva determina la profundidad a la que penetran las corrientes parásitas inducidas en la pieza de trabajo. En el caso más simple de una barra redonda sólida, la corriente inducida disminuye exponencialmente desde la superficie. La profundidad de penetración${\displaystyle \delta }$en la que se concentrará el 86% de la potencia, se puede derivar como${\displaystyle \delta =503{\sqrt {\frac {\rho }{\mu f}}}}$, dónde${\displaystyle \delta }$es la profundidad en metros,${\displaystyle \rho }$es la resistividad de la pieza de trabajo en ohm-metros,${\displaystyle \mu }$es la permeabilidad magnética relativa adimensional de la pieza de trabajo, y${\displaystyle f}$es la frecuencia del campo de CA en Hz. El campo de CA se puede calcular utilizando la fórmula${\displaystyle {\frac {1}{T}}}$. ^{[ 5 ]} La resistencia equivalente de la pieza de trabajo y, por lo tanto, la eficiencia, es función del diámetro de la pieza de trabajo.${\displaystyle a}$sobre la profundidad de referencia${\displaystyle d}$, aumentando rápidamente hasta aproximadamente${\displaystyle a/d=4}$. ^{[ 6 ]} Dado que el diámetro de la pieza de trabajo está fijado por la aplicación, el valor de${\displaystyle a/d}$está determinado por la profundidad de referencia. Disminuir la profundidad de referencia requiere aumentar la frecuencia. Dado que el costo de las fuentes de alimentación de inducción aumenta con la frecuencia, las fuentes a menudo se optimizan para lograr una frecuencia crítica en la que${\displaystyle a/d=4}$Si se opera por debajo de la frecuencia crítica, la eficiencia de calentamiento se reduce debido a que las corrientes parásitas de ambos lados de la pieza chocan entre sí y se anulan. Aumentar la frecuencia por encima de la frecuencia crítica apenas mejora la eficiencia de calentamiento, aunque se utiliza en aplicaciones que buscan tratar térmicamente solo la superficie de la pieza.

La profundidad relativa varía con la temperatura debido a que la resistividad y la permeabilidad varían con la temperatura. En el caso del acero, la permeabilidad relativa disminuye a 1 por encima de la temperatura de Curie . Por lo tanto, la profundidad de referencia puede variar con la temperatura en un factor de 2 a 3 para conductores no magnéticos y hasta en 20 para aceros magnéticos. ^{[ 7 ]}

Los materiales magnéticos mejoran el proceso de calentamiento por inducción debido a la histéresis . Los materiales con alta permeabilidad (100-500) se calientan más fácilmente mediante inducción. El calentamiento por histéresis se produce por debajo de la temperatura de Curie, donde los materiales conservan sus propiedades magnéticas. Una alta permeabilidad por debajo de la temperatura de Curie en la pieza de trabajo resulta ventajosa. La diferencia de temperatura, la masa y el calor específico influyen en el calentamiento de la pieza.

La transferencia de energía en el calentamiento por inducción se ve afectada por la distancia entre la bobina y la pieza de trabajo. Las pérdidas de energía se producen por conducción de calor desde la pieza de trabajo hasta el soporte, convección natural y radiación térmica .

La bobina de inducción suele estar hecha de tubos de cobre y un fluido refrigerante . El diámetro, la forma y el número de espiras influyen en la eficiencia y el patrón de campo.

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.

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• Calentamiento dieléctrico
• Cocina de inducción