Calentamiento por inducción: todo lo que quería saber, pero no se atrevía a preguntar (febrero de 2018)

Pregunta del mes: Tenemosprevisto utilizar la inducción para calentar materiales metálicos compuestos antes de la unión por difusión. ¿Existe algún problema en cuanto al ruido excesivo? ¿Han observado que algunas frecuencias son más ruidosas que otras? En caso afirmativo, ¿disponen de alguna solución para reducir el nivel de ruido?

Respuesta: Enla gran mayoría de las aplicaciones de calentamiento por inducción, el ruido industrial no alcanza un nivel apreciable. Por lo tanto, no hay motivo para preocuparse por un ruido excesivo, aunque hay algunas excepciones. Las frecuencias más bajas suelen dar lugar a una mayor corriente en la bobina, lo que aumenta las fuerzas electromagnéticas y la vibración de las espiras de la bobina. Por lo tanto, es razonable esperar que un sistema que utilice la frecuencia de red (60 Hz) genere un ruido industrial de mayor intensidad en comparación con uno que funcione a 3 kHz o 30 kHz. Además, es muy probable que los sistemas con una mayor potencia en kW también generen más ruido. Por lo tanto, suponiendo que todos los demás factores sean idénticos, un sistema de 500 kW puede producir más ruido que uno de 100 kW.

Al hablar del ruido audible, debemos tener en cuenta los dos factores principales que influyen en cómo nos afecta el ruido industrial: la magnitud y el nivel de molestia o incomodidad. Por ejemplo, el ruido audible de baja frecuencia (p. ej., 50-60 Hz) podría tener una magnitud mayor, pero quizá no resulte tan molesto para el oído humano en comparación con un ruido de menor magnitud a una frecuencia más elevada (p. ej., 1 kHz).

A continuación se enumeran las cuatro fuentes principales de generación de ruido durante el calentamiento por inducción:

• Ruido generado por la fuente de alimentación.En el mercado hay disponibles numerosasfuentes de alimentación. Para el calentamiento por inducción, las combinaciones de potencia y frecuencia que utilizan inversores de un solo módulo varían desde la frecuencia de red hasta varios cientos de kHz, con niveles de potencia que superan los 1000 kW incluso para frecuencias en el rango de los 800 kHz. Las características de diseño de las fuentes de alimentación modernas, basadas en tecnología de semiconductores, permiten un funcionamiento prácticamente silencioso. Por lo tanto, el ruido procedente de la fuente de alimentación no suele ser motivo de preocupación.
• Ruido generado por la vibración de las espiras de la bobina de cobre.Los dos métodos principales para fabricar bobinas de inducción pueden clasificarse como de bobinado abierto o encapsuladas en material refractario [Ref. 1]. El método de bobinado abierto facilita la reparación en caso de avería, pero las espiras de la bobina deben fijarse mediante pernos y soportes adecuados para eliminar o minimizar la vibración y el ruido. Una bobina revestida con un material refractario moldeable (por ejemplo, cementos de calidades especiales) ofrece mayor durabilidad y una vida útil más larga, al tiempo que elimina o reduce drásticamente la vibración de las espiras de cobre de la bobina. Las bobinas de inducción diseñadas adecuadamente no presentan niveles de ruido problemáticos.
• Ruido generado por la vibración de la pieza de trabajo o por ondas sonoras resonantes (efecto amplificador).Si una pieza de trabajo está compuesta por varias partes sueltas, estas pueden vibrar y producir ruido. Para evaluar esta posibilidad, sería necesario analizar la geometría específica de la pieza de trabajo. En determinadas aplicaciones de unión por difusión se puede aplicar presión para minimizar la posibilidad de que se produzcan vibraciones en los componentes individuales. Al calentar por inducción piezas huecas (por ejemplo, el calentamiento por inducción de tubos o conductos de paredes relativamente delgadas), ciertas frecuencias, en combinación con densidades de potencia suficientemente altas, podrían emitir ondas sonoras resonantes de una magnitud apreciable, que superen el límite audible. En casos como este, el ruido audible también puede ser un factor dominante que influya en gran medida en la selección de la frecuencia. Cada tubo tiene su propia frecuencia de resonancia estructural (SRF), que depende del diámetro, el espesor de la pared, el material, la longitud y otros factores. Cuando la frecuencia de calentamiento de la bobina de inducción se aproxima lo suficiente a la frecuencia de resonancia propia del tubo, pueden producirse vibraciones de alta amplitud y un ruido audible excesivo. En otras palabras, al igual que un receptor de radio transforma las ondas electromagnéticas en sonido audible, pueden producirse mecanismos algo similares que hacen que un tubo o una tubería actúe como amplificador al tratar con determinadas frecuencias. La decisión de si el ruido podría reducirse eligiendo una frecuencia diferente (más alta o más baja) depende de una combinación entre la frecuencia de auto-resonancia estructural (SRF) de una pieza tubular concreta y la frecuencia aplicada por el calentador por inducción. Por lo tanto, en casos como este, resulta útil medir la SRF de la pieza de trabajo simplemente golpeándola con un martillo y midiendo el ruido resonante audible con algún tipo de receptor acústico capaz de detectar la frecuencia y la amplitud de la señal medida. De este modo, se pueden tomar decisiones más acertadas a la hora de determinar si una determinada frecuencia mejoraría el nivel de ruido o no, en comparación con una frecuencia que produzca un ruido inaceptable. Por ejemplo, si la SRF de una pieza determinada es de 300 Hz, cuanto más alejada esté la frecuencia seleccionada, menor será el ruido que se producirá. En este caso, 6 kHz produciría un ruido notablemente menor en comparación con 1 kHz. Por el contrario, si la SRF es de 5 kHz, el uso de 6 kHz empeorará la situación en comparación con 500 Hz. A menudo se utiliza una atmósfera protectora o reductora durante el calentamiento de materiales metálicos. Por lo tanto, si su sistema de inducción se ubica dentro de una cámara o recinto hermético al gas, esto reducirá sustancialmente el nivel de ruido.

• Ruido generado por la vibración de los cables de alimentación, las barras colectoras y los accesorios.La probabilidad de que se utilice un diseño inadecuado de los accesorios, los cables de alimentación y las barras colectoras esmuy baja. No obstante, cualquier duda al respecto puede ser resuelta por un experto en calentamiento por inducción.

En la ref. 1 se puede encontrar más información sobre estos puntos.

Dr. Valery Rudnev, FASM
Director de Ciencia y Tecnología
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com

Referencia

1. V. Rudnev, D. Loveless y R. Cook, *Manual de calentamiento por inducción*, 2.ª edición, CRC Press, 2017.