Principio físico del calentamiento por inducción

EL PROYECTO A SIDO REALIZADO POR LA ESCUELA
DE INGENIERIA TÉCNICA DE TERRASA
A CARGO DE :
DAVID RODRIGUEZ
DAVID RIBAS
ANDRÉS LARA
CON EL APOYO Y APORTACIÓN DE BIBLIOGRAFIA TÉCNICA Y
PRACTICA DE INDUSTRIAL GILBA S.L.
1.1 Principio físico del calentamiento por inducción
El calentamiento por inducción es una aplicación muy directa de la conjunción de las
leyes de la inducción (ley de Faraday y Ampere) y del efecto joule. Sí en un dispositivo
apropiado llamado inductor, que normalmente es el arrollamiento bobinado de un
conductor, se hace pasar una determinada corriente eléctrica, se genera un campo
magnético cuya amplitud y distribución viene dada por la ley de Ampere.
 
Ni   Hdl  Hl
Donde N es el número de espiras del inductor, i la corriente que lo atraviesa, H el campo
magnético y l la longitud del circuito.
Si la corriente inducida en el inductor es alterna se conseguirá crear un campo
magnético variable en el tiempo que en la sección especificada generará un flujo
magnético también alterno. Según la ley de Faraday en toda sustancia conductora que se
encuentra en el interior de un campo magnético variable se genera una fuerza
electromotriz cuyo valor es:
  N
dØ
dt
Donde ε la fem inducida, N el número de espiras del inductor y Ø el flujo del campo
magnético.
A las corrientes provocadas por esta fem en el interior de la sustancia conductora les
llamaremos corrientes inducidas o corrientes de Foucault iF y son las responsables
últimas del calentamiento por efecto Joule cuya ley es:
P  iF2 Req
Donde P es la potencia disipada en la resistencia equivalente de la pieza a calentar Req
por la que circula la corriente inducida iF.
La figura 1.1 muestra una imagen gráfica del fenómeno.
Figura 1.1. Principio del calentamiento por inducción.
El proceso de transferencia de energía entre el inductor y el material a calentar es
similar por su principio al de un transformador en el que el primario está constituido por
el arrollamiento del inductor y la superficie de la pieza representa un secundario de una
sola espira.
La resistencia equivalente de la pieza es de valor muy pequeño por lo que para generar
pérdidas apreciables por efecto Joule (i2R) son necesarias grandes corrientes inducidas.
La disipación de calor por efecto Joule se realiza en el interior mismo de la sustancia
donde han sido creadas las corrientes inducidas con lo que el calentamiento por
inducción se convierte en un método de calentamiento de materiales conductores en el
que no hay transferencia de calor desde una fuente externa de modo que no hay pérdidas
de energía “electromagnética” que se convierte en energía “calorífica” directamente al
material a calentar.
Figura 1.2 Circuito equivalente del inductor-carga.
Por lo tanto, en el calentamiento del material no hay piezas de la fuente de energía en
contacto con la pieza a tratar térmicamente, ni gases de combustión, ni cualquier otro
elemento que limite la posición o forma del material a calentar que puede estar en un
entorno aislado de la fuente, sumergido en un liquido, cubierto por sustancias aislantes,
en atmósferas gaseosas o incluso en el vacío.
1.2Propiedades del calentamiento por inducción
El calentamiento es controlado pues, por un “generador electrónico” de corrientes
alternas con lo que es fácil conseguir un óptimo control de la cantidad de calor que se
entrega a la pieza y por lo tanto se puede fijar con precisión la temperatura final o
incluso la curva de evolución de la temperatura del material a calentar en función del
tiempo.
En el caso del calentamiento por inducción el cuerpo a calentar se puede llevar a una
temperatura mucho más elevada que el de la “fuente” cosa que no se puede conseguir
por métodos de calentamiento clásicos. De este modo se puede conseguir, prácticamente
sin limitaciones, grandes densidades de potencia en el material a calentar.
La bobina inductora no tiene porque tener forma de solenoide ya que cualquier
conductor atravesado por corrientes alternas crea un campo magnético también alterno
que genera corrientes inducidas en un cuerpo conductor situado en su proximidad. Por
lo tanto, se puede decir que no hay ninguna limitación en las dimensiones y forma de
material a calentar. Esto supone una nueva ventaja ya que no es solo posible calentar
materiales conductores de cualquier dimensión o forma, sino que además, se puede
calentar solo la porción del material que se desea. Es incluso posible calentar diferentes
zonas de la pieza con la misma o diferentes temperaturas mediante un correcto diseño
de la geometría del inductor o la asociación de varios de ellos.
Además, y gracias al efecto piel que más tarde analizaremos, se puede utilizar la energía
transmitida en calentar sólo la superficie del material, lo que supone, frente a otros
procesos de calentamiento, un gran ahorro de energía.
Por lo tanto, el calentamiento por inducción representa para la industria y demás campos
de aplicación un método de calentamiento de materiales conductores de alta fiabilidad,
versatilidad, eficacia y seguridad. Fiabilidad porque supone un proceso técnicamente
controlable. Versatilidad es posible realizar el calentamiento especificado sin grandes
esperas de subida y bajada de temperatura. Eficacia porque el rendimiento del proceso
es muy elevado. Seguridad porque el calentamiento se realiza sin emisión de gases u
otros residuos, radiaciones electromagnéticas peligrosas ni cualquier otro elemento que
ponga en peligro la seguridad de las personas.
1.3 Aplicaciones del calentamiento por inducción
Las aplicaciones típicas del calentamiento están localizadas fundamentalmente en la
industria de transformaciones metálicas. A continuación se da una relación de las más
importantes.
Fusión
Los materiales son llevados a su temperatura de fusión en el interior de un crisol.
Forja
Se consigue un calentamiento homogéneo del material para un posterior proceso de
conformado mecánico.
Tratamientos térmicos
Los más comunes son los temples, revenidos de piezas de acero.
El temple lo trataremos en más profundidad en temas posteriores.
En los revenidos y los calentamientos controlados de la pieza reducen tensiones
mecánicas y posteriores movimientos.
Soldadura
Mediante un calentamiento media/alta temperatura de partes de una misma pieza o
piezas distintas se consiguen con aportación de material soldaduras de alta calidad.
Una aplicación especial de soldadura, en la que prácticamente imprescindible el uso del
calentamiento por inducción, es la soldadura de tubo en la que los bordes de una banda
de acero previamente conformado se sueldan longitudinalmente para producir de modo
continuo tubo de alta calidad.
Existen además otras posibles aplicaciones como son:
Sellado de envases
La embocadura de algunos envases de material plástico se consiguen sellar una fina
cubierta metálica que se caliente por inducción consiguiéndose un posterior pegado
debido a la fusión del plástico del envase que está en contacto con la lámina metálica.
Curado de adhesivos y pastas sellantes (bonding)
En el sector del automóvil se suelen usar pastas especiales para asegurar el perfecto
sellado y unión de diversas piezas sobretodo de la carrocería de los vehículos. Mediante
el calentamiento por inducción de las superficies metálicas donde han sido depositadas
estas pastas se obtiene una gran mejora del curado de estas, optimizando su distribución
y acelerando su fraguado.
Sobrecalentamiento de gases ionizados
En la generación de plasmas gaseosos de alta temperatura es posible, mediante la
inducción, aumentar aun más la temperatura del gas ya que este, en forma de plasma, es
conductor
Fabricación de semiconductores
El calentamiento por inducción se utiliza también en procesos de crecimiento de
cristales de germanio y silicio, dopaje y deposición epitaxial.
1.4 Características del calentamiento por inducción
Para las aplicaciones del calentamiento por inducción, son dos las características más
importantes que definen la eficacia térmica y energética del proceso:
-
El efecto piel que caracteriza la distribución de las corrientes inducidas en la
pieza.
- La potencia disipada en la pieza que caracteriza el rendimiento del fenómeno
eléctrico.
Los parámetros más importantes que intervienen en el proceso del calentamiento por
inducción son:
-
La frecuencia de la corriente.
La naturaleza del material a calentar y su estado.
La intensidad de campo magnético inductor.
El acoplamiento entre el inductor y la pieza a calentar.
El tipo de inductor y sus características geométricas.
La naturaleza del material conductor del inductor.
La distribución de la corriente y la energía disipada en la pieza pueden ser determinadas
rigurosamente utilizando las leyes de Maxwell que resumen las leyes fundamentales del
Electromagnetismo.
1.5 Efecto piel. Profundidad de penetración
La profundidad de penetración anteriormente citado como efecto piel, se puede resumir
de esta manera:
“Contra más grande sea la frecuencia de las corrientes en un conductor más se
concentrarán estas en la superficie.”
En la figura 1.3 se muestra gráficamente la distribución de la corriente en función de la
distancia desde la superficie al centro del material.
Figura 1.3. Distribución de la corriente en función de la profundidad.
“todo ocurre como si reemplazaremos le distribución decreciente real de la corriente
por otra corriente uniforme i0 (corriente en la superficie) en el espesor δ (profundidad de
penetración).”


f 0  r
donde se tiene:
ρ
μ0
μr
f
resistividad del material
permeabilidad magnética del vacío 4π10-7
permeabilidad magnética relativa del material
frecuencia de trabajo
En la figura 1.4 se encuentran las curvas de evolución de la profundidad de penetración
en función de la frecuencia para algunos materiales.
Figura 1.4. Curva de la profundidad de penetración en función de la frecuencia para
diversos materiales.
Por lo tanto la elección de la frecuencia de funcionamiento es uno de los parámetros
más importantes que se han de tener en cuenta en el diseño de una aplicación de
calentamiento por inducción.
Así, por ejemplo, para la forja de metales con simetría cilíndrica donde se pretende un
calentamiento homogéneo de la pieza en todo su diámetro, se ha de utilizar una
frecuencia tal que se asegure que la profundidad de penetración sea mayor que el radio
de la pieza.
Sin embargo para temples donde se especifique una profundidad reducida, la frecuencia
de trabajo debe ser alta.
1.6 Equipos para calentamiento por inducción.
Un equipo de calentamiento por inducción se compone esencialmente de los siguientes
componentes:
-
-
-
-
Uno o varios inductores de calentamiento. El inductor es el responsable directo
de la generación de los campos magnéticos en las proximidades del material a
calentar.
Sistema de alimentación eléctrica. Es necesario un generador eléctrico para la
alimentación del inductor con la frecuencia y potencia que requiere la
aplicación.
Batería de condensadores de compensación. Se requiere para conseguir que el
factor de potencia de la carga del sistema de alimentación eléctrica sea próximo
a la unidad a la frecuencia de funcionamiento.
Equipo de refrigeración. El inductor y demás componentes (condensadores,
elementos de potencia, etc.) necesitan disipar grandes potencias. El elemento
refrigerante usado suele ser agua en la mayoría de los casos.
-
Sistema de control de la aplicación. Comprende un manipulador de las piezas a
calentar y un control de los parámetros del calentamiento (potencia, tiempo de
calentamiento, etc.).
Figura 1.5. Esquema de una aplicación de calentamiento por inducción.
Los inductores se construyen generalmente con cobre electrolítico para reducir el
máximo las perdidas por efecto Joule. Aún así, estas perdidas son grandes y es
necesario utilizar perfiles de cobre que permitan el paso de agua de refrigeración ya que
la mayoría de los casos la refrigeración por aire es insuficiente.
La concepción geométrica del inductor está en función de la aplicación del
calentamiento y su diseño es, es ciertos casos, de gran dificultad.
El sistema de alimentación eléctrica esta constituido por un convertidor que a partir de
corrientes a la frecuencia de red obtiene otra corriente de la frecuencia deseada
destinada a la alimentación del inductor de calentamiento.
1.6.1. Convertidores rotativos
Su utilización corresponde a las aplicaciones de media frecuencia (250 Hz a 10 kHz). Se
compone esencialmente de un motor asíncrono trifásico alimentado por una red de 50
Hz acoplado mecánicamente a un alternador monofásico de la frecuencia requerida.
Este alternador alimenta la carga formada por el inductor y los condensadores de
compensación. La frecuencia de funcionamiento es, por lo tanto, fija ya que el acoplo
entre el motor y el alternador así lo es.
Figura 1.6. Esquema de un generador rotativo.
En la actualidad los convertidores rotativos han quedado prácticamente en desuso ya
que han sido ampliamente superados por otros tipos de generadores estáticos en calidad
y rendimiento.
1.6.2. Generadores con tubo electrónico “Tryodo”
Hasta la aparición de los generadores a transistores las aplicaciones de frecuencias por
encima de 10 kHz se han resuelto mediante el uso de generadores con tubo electrónico
que pueden funcionar desde 4 kHz hasta 2Mhz con potencias entre 1Kw y más de un 1
MW.
Se compone esencialmente de las siguientes partes:
-
-
Una fuente de tensión continua de 5KV a 15KV compuesta por un
transformador trifásico elevador y un rectificador de alta tensión. Normalmente
la regulación de la tensión de salida se realiza mediante un control de fase en el
primario del transformador.
Una etapa osciladora compuesta por un circuito oscilante con uno o varios
triodos (tubo electrónico) para su excitación.
Un transformador de adaptación del circuito de carga.
Dentro de un esquema general existen dos variantes dependiendo de cual es la conexión
de los condensadores de compensación. Los generadores “clásicos” tienen estos
condensadores en el circuito de alta tensión mientras que en los generadores
“aperiódicos” van conectados en el secundario del transformador de adaptación, en el
circuito de baja tensión.
Una de las mayores ventajas de estos generadores es que son circuitos autooscilantes y
por lo tanto, su funcionamiento es, en principio, independiente de la frecuencia de la
carga.
Figura 1.7. Diagrama de bloques de los generadores con válvula.
1.6.3. Generadores estáticos con tiristores.
Este tipo de generadores trabaja a media frecuencia de 3 Hz a 10 kHz. Existen en la
actualidad varias estructuras distintas de generadores con tiristores de las que se pueden
destacar dos grandes familias:
-
Generadores con carga paralelo.
Generadores con carga serie.
1.6.3.1. Generadores con carga paralelo
Se componen fundamentalmente de lo siguiente:
-
-
Un transformador de entrada destinado a adaptar la tensión de la red a la de
salida.
Un rectificador trifásico completo controlado con una inductancia de aislamiento
con lo que este conjunto se convierte en una fuente de corriente continua
regulada.
Un puente inversor monofásico destinado a transformar la corriente continua del
rectificador en corriente de media frecuencia.
-
El circuito de carga formado por el paralelo del inductor y los condensadores de
compensación.
Ante un pulso se corriente, este circuito de carga tiende a oscilar a su frecuencia de
resonancia. De esta manera con un adecuado circuito de control de la secuencia de
conducción de los tristores, el inversor puede funcionar automáticamente a la frecuencia
de resonancia de la carga. La frecuencia de funcionamiento es por lo tanto variable y
autoajustabla dentro de un rango aproximado del 25% alrededor de la frecuencia
nominal de funcionamiento.
La tensión de salida del inversor es directamente proporcional a la del rectificador para
un factor de potencia en la carga dado, con lo que se puede regular fácilmente la
potencia entregada a la carga mediante el control del rectificador.
Figura 1.8. Diagrama de bloques de los generadores paralelo.
La posibilidad de disponer de tiristores de gran capacidad de corriente permite que la
gama de este tipo de generadores vaya desde algunas decenas de kilovatios a 2 o 3
megavatios.
1.6.3.2. Generadores con carga serie
Estos generadores estáticos con tiristores se componen de :
-
-
Un conjunto de bobinas que aseguren el correcto filtraje de la red.
Un rectificador trifásico completo no controlado por un condensador de filtrado.
De esta manera el conjunto rectificador y condensador constituye una fuente de
tensión.
Un puente inversor monofásico con tiristores.
El circuito de carga formado por la serie del inductor y los condensadores de
compensación.
Mediante el correcto disparo de los tiristores se obtiene una corriente sinusoidal a través
de la carga. La frecuencia de la oscilación está, por lo tanto, fijada por el control del
inversor y se puede regular la potencia de salida acercando más o menos esta frecuencia
a la de resonancia serie de la carga.
Figura 1.9. Diagrama de bloques de los generadores serie.
La ventaja de este tipo de generadores estriba esencialmente en que no es necesario
ningún circuito auxiliar de arranque. Esta cualidad es particularmente interesante para
las aplicaciones de calentamientos de alta cadencia, ya que se puede entregar la potencia
máxima casi instantáneamente. Además, la fuente de tensión esta formada por un
rectificador no controlado y un condensador de filtro cuyo coste y complejidad es
mucho menor que la del rectificador controlado y la voluminosa inductancia de
aislamiento que constituye la fuente de corriente en un generador paralelo.
Sin embargo, existen algunos inconvenientes frente al generador paralelo como son:
-
La regulación de salida es menos precisa sobre todo a bajas cargas.
La protección ante cortocircuitos es la carga es más complicada.
1.6.4 Generadores con transistores.
El uso de transistores permite un mayor control y rapidez de los procesos de
conmutación de tal modo que estos generadores pueden trabajar a mayores frecuencias
que los generadores con tiristores.
En la actualidad existen diferentes tipos de transistores útiles para las aplicaciones de
calentamiento por inducción y que cubren las diferentes gamas de potencia y frecuencia.
Estos son el transistor bipolar, usualmente con estructura Darlington, el transistor IGBT
y el transistor MOS.
En el cuadro siguiente se muestraza capacidad actual de los generadores transistorizados
frente a los que usan tiristores para el caso de carga paralelo.
Figura 1.10. Capacidad actual de generadores con tiristores y transistores.
1.6.5. Tipos de generadores en relación con la aplicación.
Como ya se citó en el apartado 1.3, las siguientes aplicaciones del calentamiento por
inducción caracterizan por si mismas la potencia y frecuencia del generador que ha de
instalarse en cada caso. En la siguiente tabla se muestran las gamas de potencia y
frecuencia que requieren las distintas aplicaciones así como el tipo de generador usado.
La utilización de generadores con válvula o tubo electrónico aparece indicada para
ciertas aplicaciones aunque hay en día sean sustituidos en la prácticamente mayoría de
los casos por generadores transistorizados.
Figura 1.11. Tipos de generadores y gamas de potencia y frecuencia en función de la
aplicación.
Apéndice
Endurecimiento por inducción
Este proceso depende, para su operación, del calentamiento localizado que producen las
corrientes inducidas en un metal bajo la acción de un campo magnético rápidamente
cambiante. La operación es semejante a la de un transformador en el cual el primario o
bobina de trabajo está constituido por varias vueltas de tubo capilar de cobre enfriadas
por agua, y la pieza que va a endurecerse desempeña el papel del secundario de un
aparato de inducción de alta frecuencia.
Cuando la corriente alterna de alta frecuencia pasa por la bobina de trabajo o primario,
se forma un campo magnético de alta frecuencia, el cual induce corrientes parásitas de
alta frecuencia y corrientes de histéresis en el metal. El calentamiento resulta de la
resistencia del metal al paso de estas corrientes. Las corrientes inducidas de alta
frecuencia tienden a viajar por la superficie del metal, lo cual se conoce como efecto
piel; por tanto, es posible calentar una capa poco profunda del acero sin calentar el
interior. Sin embargo, el calor aplicado a la superficie tiende a fluir hacia el centro por
conducción; de este modo, el tiempo de calentamiento es un factor importante para
controlar la profundidad de la zona endurecida.
En los procesos por lote, la temperatura generalmente se controla especificando en
forma automática el tiempo por ciclo. En los procesos continuos, la velocidad de pasaje
de la pieza a través de las bobinas se ajusta para obtener la temperatura requerida.
Debido a que estos métodos de control de temperatura son indirectos, las condiciones
que producen la profundidad requerida de la superficie endurecida suelen determinarse
experimentalmente. Un pirómetro de radiación puede utilizarse para medir y controlar la
temperatura real de la pieza y mejorar la uniformidad del endurecimiento.
Los aceros al carbono con un contenido intermedio de carbono se emplean para la
mayoría de las aplicaciones, sobre todo para producir superficies endurecidas delgadas.
El carbono se disuelve completamente aun en el corto tiempo requerido para calentar el
acero hasta la temperatura de templado. Los aceros aleados también pueden endurecerse
por inducción y son necesarios particularmente cuando se requieren superficies
endurecidas profundas. Los aceros de baja aleación se endurecen fácil y
superficialmente mediante este método, pero los aceros altamente aleados son mas
lentos y pueden necesitar un aumento de temperatura a fin de lograr la estructura
deseada para un endurecimiento satisfactorio; sin embargo, debido al rápido
calentamiento, los aceros aleados pueden calentarse a temperaturas mayores mediante el
endurecimiento por inducción, más que por medio de los métodos convencionales, sin
peligro de un excesivo crecimiento del grano. Las piezas de acero endurecidas en su
superficie por inducción generalmente sufren menor distorsión total que si se hubieran
templado después de calentarlas en un horno. La micro estructura del acero antes del
endurecimiento por inducción es importante para seleccionar el ciclo de calentamiento
que se va a emplear. Las estructuras que después del templado y revenido tienen los
carburos pequeños uniformemente dispersos se austenizan más fácilmente; en
consecuencia, se pueden obtener superficies endurecidas de poca profundidad con
máxima dureza superficial mediante grandes rapideces de calentamiento. Las
estructuras perlita-ferrita, típicas de aceros normalizados, laminados en caliente y
recocidos con 0,40 a 0,50 % de carbono, también responden de forma satisfactoria al
endurecimiento por inducción.
Las piezas típicas que se han endurecido por inducción son varillas para pistón, flechas
para bomba, engranes para rueda dentada y levas.