Le società del Gruppo Inductotherm utilizzano l'induzione elettromagnetica per applicazioni di fusione, riscaldamento e saldatura in diversi settori industriali. Ma cos'è esattamente l'induzione? E in cosa si differenzia dagli altri metodi di riscaldamento?
Per l'ingegnere medio, l'induzione è un metodo di riscaldamento affascinante. Vedere un pezzo di metallo all'interno di una bobina diventare rosso fuoco nel giro di pochi secondi può sorprendere chi non ha familiarità con il riscaldamento a induzione. Le apparecchiature di riscaldamento a induzione richiedono una conoscenza della fisica, dell'elettromagnetismo, dell'elettronica di potenza e del controllo dei processi, ma i concetti di base alla base di questo metodo sono semplici da comprendere.
Le nozioni di base
Scoperta da Michael Faraday, l'induzione ha origine da una bobina di materiale conduttivo (ad esempio, il rame). Quando la corrente attraversa la bobina, si genera un campo magnetico all'interno e intorno alla bobina stessa. La capacità del campo magnetico di svolgere lavoro dipende dalla struttura della bobina e dall'intensità della corrente che la attraversa.
La direzione del campo magnetico dipende dalla direzione della corrente
flusso; pertanto, una corrente alternata che attraversa la bobina genererà un campo magnetico la cui direzione varia alla stessa frequenza della corrente alternata. Una corrente alternata a 60 Hz farà cambiare direzione al campo magnetico 60 volte al secondo. Una corrente alternata a 400 kHz farà cambiare direzione al campo magnetico 400.000 volte al secondo.
Quando un materiale conduttivo, ovvero un pezzo da lavorare, viene posto in un campo magneticovariabile(ad esempio, un campo generato da corrente alternata), nel pezzo da lavorare viene indotta una tensione (Legge di Faraday). La tensione indotta determina un flusso di elettroni: la corrente! La corrente che attraversa il pezzo da lavorare scorrerà in direzione opposta rispetto a quella nella bobina. Ciò significa che possiamo controllare la frequenza della corrente nel pezzo da lavorare regolando la frequenza della corrente nella bobina.
Quando la corrente attraversa un mezzo, si verifica una certa resistenza al movimento degli elettroni. Tale resistenza si manifesta sotto forma di calore (effetto Joule). I materiali che oppongono maggiore resistenza al flusso degli elettroni emanano più calore quando vengono attraversati dalla corrente, ma è certamente possibile riscaldare anche materiali altamente conduttivi (ad esempio il rame) utilizzando una corrente indotta. Questo fenomeno è fondamentale per il riscaldamento induttivo.
Cosa serve per il riscaldamento a induzione?
Tutto ciò ci indica che, affinché si verifichi il riscaldamento a induzione, sono necessarie due condizioni fondamentali: un campo magnetico variabile eun materiale elettricamente conduttivo posto all’interno di tale campo magnetico.
In che modo il riscaldamento a induzione si differenzia dagli altri metodi di riscaldamento?
Esistono diversi metodi per riscaldare un oggetto senza ricorrere all’induzione. Tra le pratiche industriali più comuni figurano i forni a gas, i forni elettrici e i bagni di sale. Tutti questi metodi si basano sul trasferimento di calore dalla fonte di calore (bruciatore, elemento riscaldante, sale liquido) al prodotto tramite convezione e irraggiamento. Una volta riscaldata la superficie del prodotto, il calore si propaga all’interno di esso per conduzione termica.
I prodotti riscaldati per induzione non si avvalgono della convezione e della radiazione per trasferire il calore alla superficie del prodotto. Il calore viene invece generato nella superficie del prodotto dal flusso di corrente. Il calore proveniente dalla superficie del prodotto viene quindi trasferito all’interno del prodotto tramite conduzione termica. La profondità alla quale il calore viene generato direttamente tramite la corrente indotta dipende da un parametro denominato“profondità di riferimento elettrica”.
Il profondità di riferimento elettrica dipende in larga misura dalla frequenza di
la corrente alternata che attraversa il pezzo in lavorazione. Una corrente a frequenza più elevata determinerà una profondità minore profondità di riferimento elettrica e una corrente a frequenza più bassa determinerà una profondità maggiore profondità di riferimento elettrica. Tale profondità dipende anche dalle proprietà elettriche e magnetiche del pezzo da lavorare. Vedi immagine: Profondità di riferimento elettrica per le alte frequenze (a sinistra) e le basse frequenze (a destra)
Le società del Gruppo Inductotherm sfruttano questi fenomeni fisici ed elettrici per personalizzare soluzioni di riscaldamento adatte a prodotti e applicazioni specifici. L'attento controllo della potenza, della frequenza e della geometria delle bobine consente alle società del Gruppo Inductotherm di progettare apparecchiature che garantiscono elevati livelli di controllo del processo e di affidabilità, indipendentemente dall'applicazione.
Fusione per induzione
In molti processi, la fusione rappresenta la prima fase della produzione di un prodotto utile; la fusione a induzione è veloce ed efficiente. Modificando la geometria della bobina di induzione, i forni di fusione a induzione possono contenere carichi di dimensioni variabili dal volume di una tazza da caffè a centinaia di tonnellate di metallo fuso. Inoltre, regolando la frequenza e la potenza, le società del Gruppo Inductotherm sono in grado di lavorare praticamente tutti i metalli e i materiali, tra cui, a titolo esemplificativo ma non esaustivo: ferro, acciaio e 
leghe di acciaio inossidabile, rame e leghe a base di rame, alluminio e silicio. Le apparecchiature a induzione vengono progettate su misura per ogni singola applicazione, al fine di garantire la massima efficienza possibile.
Uno dei principali vantaggi intrinseci alla fusione a induzione è l’agitazione induttiva. In un forno a induzione, il carico metallico viene fuso o riscaldato dalla corrente generata da un campo elettromagnetico. Quando il metallo diventa fuso, questo campo provoca anche il movimento del bagno. Questo fenomeno è chiamato agitazione induttiva. Questo movimento costante mescola naturalmente il bagno, producendo una miscela più omogenea e favorendo la lega. L’entità dell’agitazione è determinata dalle dimensioni del forno, dalla potenza immessa nel metallo, dalla frequenza del campo elettromagnetico e dal tipo e dalla quantità di metallo presente nel forno. Se necessario, l’entità dell’agitazione induttiva in un dato forno può essere regolata per applicazioni speciali.
Fusione sotto vuoto per induzione
Poiché il riscaldamento a induzione avviene tramite un campo magnetico, il pezzo da lavorare (o carico) può essere fisicamente isolato dalla bobina di induzione mediante un materiale refrattario o un altro mezzo non conduttore. Il campo magnetico attraverserà questo materiale per indurre una tensione nel carico in esso contenuto. Ciò significa che il carico o il pezzo da lavorare può essere riscaldato sotto vuoto o in un’atmosfera accuratamente controllata. Ciò consente la lavorazione di metalli reattivi (Ti, Al), leghe speciali, silicio, grafite e altri materiali conduttivi sensibili.
Riscaldamento a induzione
A differenza di alcuni metodi di combustione, il riscaldamento a induzione è controllabile con precisione indipendentemente dalle dimensioni del lotto. La regolazione della corrente, della tensione e della frequenza attraverso una bobina di induzione consente di ottenere un riscaldamento ottimizzato, perfetto per applicazioni di precisione quali la cementazione, la tempra e il rinvenimento, la ricottura e altre forme di trattamento termico. Un elevato livello di precisione è essenziale per applicazioni critiche quali il settore automobilistico, aerospaziale, delle fibre ottiche, la tempra di fili metallici e il rinvenimento di fili per molle. Il riscaldamento a induzione è particolarmente indicato per applicazioni su metalli speciali quali il titanio, i metalli preziosi e i compositi avanzati. Il controllo preciso del riscaldamento offerto dall’induzione non ha eguali. Inoltre, utilizzando gli stessi principi di riscaldamento delle applicazioni con crogiolo sotto vuoto, il riscaldamento a induzione può essere effettuato in atmosfera per applicazioni in continuo. Ad esempio, la ricottura a lucido di tubi e condutture in acciaio inossidabile.
Saldatura a induzione ad alta frequenza
Quando l'induzione viene generata tramite corrente ad alta frequenza (HF), è possibile anche la saldatura. In questa applicazione, lo spessore molto ridotto profondità di riferimento elettriche che si può ottenere con la corrente ad alta frequenza. In questo caso, una striscia di metallo viene formata in modo continuo e poi passa attraverso un gruppo 
di rulli progettati con estrema precisione, il cui unico scopo è quello di premere insieme i bordi del nastro sagomato e creare la saldatura. Appena prima che il nastro sagomato raggiunga la serie di rulli, passa attraverso una bobina a induzione. In questo caso, la corrente scorre lungo la “V” geometrica creata dai bordi del nastro, anziché solo lungo il perimetro esterno del canale sagomato. Man mano che la corrente scorre lungo i bordi del nastro, questi si riscaldano fino a raggiungere una temperatura di saldatura adeguata (inferiore alla temperatura di fusione del materiale). Quando i bordi vengono pressati l’uno contro l’altro, tutti i detriti, gli ossidi e le altre impurità vengono espulsi, dando origine a una saldatura per forgiatura allo stato solido.
Il futuro
Con l’avvento dell’era dei materiali altamente ingegnerizzati, delle energie alternative e della necessità di potenziare i paesi in via di sviluppo, le capacità uniche dell’induzione offrono agli ingegneri e ai progettisti del futuro un metodo di riscaldamento rapido, efficiente e preciso.