Inductotherm Group 旗下各公司運用電磁感應技術,廣泛應用於多個產業的熔化、加熱及焊接領域。但所謂的「感應」究竟是什麼?它又與其他加熱方法有何不同?
對一般工程師而言,感應加熱是一種極具魅力的加熱方法。對於不熟悉感應加熱的人來說,看著線圈中的金屬在短短幾秒內變成櫻桃紅,可能會感到驚訝。感應加熱設備需要具備物理學、電磁學、電力電子學及製程控制的知識,但感應加熱背後的基礎概念卻很容易理解。
基礎知識
由麥可·法拉第發現的電感現象,始於一捲導電材料(例如銅)製成的線圈。當電流通過線圈時,線圈內部及周圍便會產生磁場。該磁場做功的能力,取決於線圈的設計以及流經線圈的電流大小。
磁場的方向取決於電流的方向
磁通量,因此當交流電流通過線圈時,會產生一個磁場,其方向的變化速率與交流電的頻率相同。60Hz 的交流電會使磁場每秒改變方向 60 次;400kHz 的交流電則會使磁場每秒改變方向 400,000 次。
當導電材料(即工件)置於變化磁場中(例如由交流電產生的磁場)時,工件內會產生感應電壓(法拉第定律)。此感應電壓將導致電子流動:即電流! 流經工件的電流方向將與線圈中的電流方向相反。這意味著我們可以透過控制線圈中電流的頻率,來控制工件中電流的頻率。
當電流通過某種介質時,電子的運動會遇到一定的阻力。這種阻力會以熱能的形式表現出來(即焦耳熱效應)。對於電子流動阻力較大的材料,當電流通過時會釋放出更多的熱量;但當然,也可以利用感應電流來加熱導電性極佳的材料(例如銅)。此現象對於感應加熱至關重要。
進行感應加熱需要哪些條件?
以上所述告訴我們,要使感應加熱發生,需要兩個基本條件:一個是變化的磁場,另一個是置於該磁場中的導電材料。
感應加熱與其他加熱方法相比如何?
除了感應加熱外,還有幾種加熱物體的方法。一些較常見的工業做法包括燃氣爐、電爐和鹽浴。這些方法都是依靠熱源(燃燒器、發熱體、液態鹽)透過對流和輻射將熱量傳遞給產品。一旦產品表面被加熱,熱量便會透過熱傳導在產品內部傳播。
感應加熱產品並非依靠對流和輻射將熱量傳遞至產品表面。相反地,熱量是透過電流的流動在產品表面產生的。隨後,產品表面的熱量會透過熱傳導在產品內部傳播。直接利用感應電流產生熱量的深度,取決於所謂的「電學參考深度」。
該 電位基準深度 這在很大程度上取決於
流經工件的交流電。頻率越高的電流,會導致 電位基準深度 而較低頻率的電流將導致更深的 電位基準深度. 此深度亦取決於工件的電學與磁學特性。 參見圖示:高頻(左)與低頻(右)的電學參考深度
Inductotherm 集團旗下各公司善用這些物理與電學現象,為特定產品與應用量身打造加熱解決方案。透過對功率、頻率及線圈幾何形狀的精密控制,Inductotherm 集團旗下各公司得以設計出具備高度製程控制能力與可靠性的設備,無論應用於何種場合皆然。
感應熔煉
對於許多製程而言,熔化是生產有用產品的第一步;感應熔化既快速又高效。透過改變感應線圈的幾何形狀,感應熔化爐可容納從咖啡杯體積到數百噸熔融金屬不等的大小的料匣。此外,藉由調整頻率和功率,Inductotherm Group 旗下公司幾乎可以處理所有金屬和材料,包括但不限於:鐵、鋼以及
不鏽鋼合金、銅及銅基合金、鋁與矽。感應設備會針對每項應用進行客製化設計,以確保其效率達到最高。
感應熔化固有的主要優勢之一便是感應攪拌。在感應爐中,金屬原料是透過電磁場產生的電流來熔化或加熱的。當金屬熔化後,該電磁場也會促使熔池產生運動,這被稱為感應攪拌。這種持續的運動能自然地混合熔池,使混合物更加均勻,並有助於合金化。 攪拌的程度取決於電爐的尺寸、輸入金屬的功率、電磁場的頻率,以及爐內金屬的種類與數量。若因特殊應用需求,可針對特定電爐調整其感應攪拌的程度。
感應真空熔煉
由於感應加熱是透過磁場來實現的,因此工件(或負載)可透過耐火材料或其他非導電介質,與感應線圈在物理上隔離。 磁場將穿過此材料,在其中的負載內感應出電壓。這意味著負載或工件可在真空環境或經過精密控制的氣氛中進行加熱。此特性使得可對活性金屬(如鈦、鋁)、特殊合金、矽、石墨及其他敏感導電材料進行加工處理。
感應加熱
與某些燃燒方法不同,無論批次大小如何,感應加熱皆能精確控制。透過調整感應線圈的電流、電壓和頻率,可實現精細調控的加熱效果,非常適合表面淬火、淬火與回火、退火及其他形式的熱處理等精密應用。對於汽車、航太、光纖、線材淬火以及彈簧線材的淬火與回火等關鍵應用而言,高精度至關重要。 感應加熱特別適用於涉及鈦、貴金屬及先進複合材料的特殊金屬應用。感應加熱所能提供的精確加熱控制能力無與倫比。此外,由於感應加熱與真空坩堝加熱應用採用相同的加熱原理,因此可在有氣氛的環境下進行連續加熱。例如不鏽鋼管及管件的光亮退火。
高頻感應焊接
當使用高頻(HF)電流進行感應加熱時,甚至可以實現焊接。在此應用中,極淺的 電位基準深度 這可透過高頻電流來實現。在此情況下,會連續成形出一條金屬帶,然後使其通過一套
由精密設計的輥組構成,其唯一目的是將成形帶鋼的邊緣擠壓在一起並形成焊縫。在成形帶鋼抵達這組輥組之前,會先通過一個感應線圈。在此情況下,電流會沿著帶鋼邊緣形成的幾何「V」形槽向下流動,而非僅繞過成形槽的外側。 當電流沿著帶材邊緣流動時,邊緣會加熱至適當的焊接溫度(低於材料的熔點)。當邊緣被壓合時,所有碎屑、氧化物及其他雜質都會被擠出,從而形成固態鍛焊接頭。
未來
隨著高度工程化材料與替代能源時代的來臨,以及賦能發展中國家的需求日益增加,感應技術的獨特優勢為未來的工程師與設計師提供了一種快速、高效且精確的加熱方法。