Induktionserwärmung: Alles, was Sie schon immer wissen wollten, aber nie zu fragen wagten (Oktober 2016)

Frage des Monats:In unserem Werk verarbeiten wirStangen und Knüppel aus Kupferlegierungen. Zum Erhitzen von Knüppeln aus den Legierungen C14500, C44300, C46400, C48500, C64200 und anderen werden Gasöfen eingesetzt. Die Durchmesser der Knüppel und Stangen liegen im Bereich von 200 bis 240 mm. Die maximale Temperatur unseres Ofens beträgt^{860 °C}, was für diese Aufgaben ausreichend ist. Wir bauen unser Geschäft jedoch aus und verarbeiten nun auch Sorten wie C71500, C63000 und einige andere Kupferlegierungen, die Temperaturen von^{950 °C bis 1050 °C}erfordern. Könnten wir unseren Gasofen zum Vorwärmen der Knüppel nutzen und anschließend ein Portalsystem einsetzen, um die Knüppel zu einem Induktionsofen zu transportieren, wo die Enderwärmung stattfindet?

Antwort: Ja, dieser Ansatz wird Ihnen helfen, die Investitionskosten zu senken, da Ihr neues Induktionssystem lediglich eine Erhöhung der mittleren (durchschnittlichen) Temperatur der Knüppel auf unter^{200 °C}erfordert. Je nach erforderlicher Produktionsrate und geforderter Temperaturgleichmäßigkeit (von der Oberfläche bis zum Kern und von einem Ende zum anderen) können Sie eine Reihe statischer Induktionsheizgeräte einsetzen, um die Zieltemperaturen zu erreichen. Beachten Sie, dass Sie bei deutlich variierenden Längen Ihrer Knüppel/Stäbe die elektromagnetischen Endeffekte durch den Einsatz von einstellbaren Windungen, Magnetflussverlängerern und/oder Flusskonzentratoren angemessen kontrollieren müssen. Angesichts der Durchmesser Ihrer Knüppel ist der Einsatz niedriger Frequenzen (50–120 Hz) höchstwahrscheinlich angemessen. Die Transportzeit der Knüppel nach dem Vorwärmen im Gasofen und der Enderwärmung im Induktionssystem sollte so kurz wie möglich gehalten werden. Lange Transportzeiten können die im Gasofen erzielte Temperaturgleichmäßigkeit beeinträchtigen, was einen Ausgleich durch die Induktionserwärmung erforderlich macht und die Systemauslegung erschwert.

Die Herausforderungen bei der Induktionserwärmung von Kupferlegierungen wie beispielsweise C71500 hängen mit deren extrem geringer Wärmeleitfähigkeit zusammen. Im Fall von C71500 ist die Wärmeleitfähigkeit der Legierung mehr als14-malgeringer als die von reinem Kupfer und mehr als12-mal geringerals die der Legierung C14500, die Sie derzeit bearbeiten. Aufgrund der mangelnden Wärmeleitung findet eine deutlich geringere Wärmeübertragung von der Oberfläche zum Kern statt, was zu einem verminderten Wärmeausgleichseffekt und erhöhten Temperaturgradienten führt. Daher ist ausreichend Zeit erforderlich.

Zudem beträgt die elektrische Leitfähigkeit von C71500 nur 4,6 % derjenigen von reinem Kupfer. Dies erhöht die Stromtiefeneindringung und den elektrischen Wirkungsgrad, senkt jedoch den erforderlichen Stromverbrauch: Das bedeutet, dass die maximal erforderliche Leistung bei einem Barren ähnlicher Größe und einer ähnlichen Produktionsrate für eine andere Kupferlegierung wie beispielsweise C14500 irreführend sein könnte. Der spezifische elektrische Widerstand der Kupferlegierung C71500 beträgt nur etwa 54 % desjenigen von austenitischem Edelstahl, und ihre Wärmeleitfähigkeit ist etwa 1,6-mal so hoch wie die von Nichteisen-Edelstahl. Mit anderen Worten: Sowohl in elektromagnetischer als auch in thermischer Hinsicht verhält sich die Kupferlegierung C71500 bei der Induktionserwärmung eher wie Edelstahl als wie Kupfer.

Bei der Konstruktion eines Induktionsheizgeräts, das hinter einem Gasofen angeordnet werden soll, müssen die Feinheiten neuer Kupferlegierungen berücksichtigt werden. Zur Ermittlung der Feinheiten der Induktionserwärmung von Werkstücken aus verschiedenen Legierungen sollte eine numerische Computermodellierung herangezogen werden.

Dr. Valery Rudnev, FASM
Leiter Wissenschaft und Technologie
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com