Wie funktioniert ein Induktionsofen?
Ein Induktionsofen ist ein energieeffizienter, sauber schmelzender Ofen, der zum Schmelzen aller Arten von Metallen wie Stahl, Eisen, Kupfer, Zink und Aluminium verwendet wird.1
Da ein Induktionsofen keinen Lichtbogen benötigt, lässt sich die Schmelzwärme leicht regulieren, was ihn zu einer geeigneten Option zur Erhaltung wertvoller Legierungselemente macht. Darüber hinaus erzeugt dieser Ofentyp eine minimale Menge an Abfall und Schadstoffen, was zu einer allgemeinen Reduzierung des COXNUMX-Fußabdrucks beiträgt.
Während des Betriebs eines Induktionsofens bilden feuerfeste Materialien eine wesentliche Barriere zwischen geschmolzenem Material und dem Induktionssystem des Ofens2. Die verschiedenen feuerfesten Materialien von Saint-Gobain Performance Ceramics & Refractories schützen die Ofenschlange vor geschmolzenen Eisen- und Nichteisenmetallen im Inneren des Gefäßes bei hohen Temperaturen. Diese geschützte Kleidung ist daher von grundlegender Bedeutung als Schutzbarriere gegen die intensivsten physikalischen, thermischen und chemischen Belastungen, die während des Betriebs auftreten.3
Prinzipien eines Induktionsofens
Das Faraday'sche Gesetz beschreibt, wie ein Magnetfeld mit einem Stromkreis interagiert, um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, ein Phänomen, das als elektromagnetische Induktion bekannt ist.4,5
Sobald daher ein Stück leitendes Material – beispielsweise eine Ladung oder Ladung in einem Ofen – in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird, wird ein elektrischer Strom erzeugt. Wenn der Strom fließt, trifft er auf Widerstand und gibt über den Joule-Effekt Energie als Wärme ab.
Arten von Induktionsöfen
Es gibt zwei Arten von Induktionsöfen, die jeweils besondere Anforderungen erfüllen:
Rinneninduktionsofen
Ein Kerninduktionsofen (oder Kanalinduktionsofen) arbeitet nach dem Prinzip eines Transformators – bei Netzfrequenz – wobei elektrische Energie von einem Wechselstromkreis auf einen anderen übertragen wird. In einem Rinneninduktionsofen fließt ein Wechselstrom durch eine Primärspule, die einen Eisenkern umgibt.
Eine Sekundärspule besteht aus einer Schleife aus geschmolzenem Metall, die sowohl den Kern als auch die Primärspule umgibt. Wenn Strom durch die Primärseite fließt, induziert er einen größeren Strom in der Sekundärseite, der dann über den Joule-Effekt Wärme erzeugt.
Durch die Konzentration des magnetischen Flusses in der Metallschleife wird eine maximale Leistungsübertragung zwischen Primär- und Sekundärspule gewährleistet, wodurch ein Leistungswirkungsgrad von bis zu 98 % gewährleistet wird. Ein Nachteil eines Rinnenofens besteht darin, dass der Metallkreislauf ständig eingehalten werden muss und daher nur selten abkühlen kann.7
Ein Rinnenofen erfüllt die Anforderungen eines hohen Durchsatzes, hoher Produktionsabläufe, die nur wenige Legierungswechsel erfordern, und kontinuierlicher Gießpläne. Aufgrund der konstanten Betriebsbedingungen und Temperaturen kann sich die Lebensdauer feuerfester Auskleidungen über mehrere Jahre und tausende Einsätze erstrecken. Rinnenöfen werden üblicherweise zum Schmelzen einzelner Legierungen, Eisen, Aluminium, Zink und Kupfer verwendet.
Tiegelinduktionsofen
Ein Tiegelinduktionsofen arbeitet ebenfalls mit der Wirkung eines Transformators. Allerdings wird auf die Sekundärspule verzichtet. Die Primärspule ist eine wassergekühlte Kupferspule, die einen Tiegel oder eine feuerfeste Auskleidung umgibt, die das Metall enthält. Somit induziert die Primärspule einen Strom direkt im Metall.
Ein großer Vorteil des Tiegelinduktionsofens besteht darin, dass er bei Bedarf heruntergefahren und kalt gestartet werden kann, was den Legierungswechsel erheblich vereinfacht. Es kann auch in einem Frequenzbereich von 50 Hz bis 10 kHz betrieben werden und bietet so eine unübertroffene Flexibilität.6,7
Da jedoch kein flusskonzentrierender Kern vorhanden ist, ist die Leistungseffizienz im Vergleich zu einem Rinnenofen geringer (ca. 75 % Leistungseffizienz). Kleinere Tiegelöfen arbeiten mit höheren Frequenzen, wodurch ihre Effizienz erhalten bleibt und eine kräftige Rührwirkung gefördert wird.
Auch die häufigen Legierungswechsel – und wiederkehrende Kühl- und Heizvorgänge – können die Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung verkürzen. Allerdings sind kernlose Feuerfestauskleidungen auch deutlich günstiger und schneller zu wechseln.
Feuerfeste Kleidung in einem Induktionsofen
Für den reibungslosen Betrieb eines Induktionsofens spielen feste Feuerkleidungen eine entscheidende Rolle. Stabile feuerfeste Auskleidungen sorgen für optimale metallurgische Leistung. Als Verbrauchsmaterial unterliegt eine feuerfeste Auskleidung während der Betriebsdauer eines Induktionsofens einer chemischen bzw. physikalische Zersetzung.
Ihre Lebensdauer wird als Auskleidungslebensdauer bezeichnet und spiegelt die Anzahl der Wärmezyklen wider, die sie vor einer Reparatur oder einem Austausch überstehen kann. Von einer stabilen feuerfesten Kleidung wird unter anderem Folgendes erwartet:8
- Geringe Wärmeleitfähigkeit.
- Korrosionsbeständigkeit.
- Beständigkeit gegen Thermoschock.
- Erleichterte Installation.
- Einfache Wartung.
Die Zündung einer feuerfesten Kleidung hängt überwiegend von folgenden Parametern ab: Schlackenbildung, Betriebstemperatur und Ofenkapazität ab. Die Art der im Betrieb entstehenden Schlacke hat großen Einfluss auf die Wahl des feuerfesten Materials: Beispielsweise würde Kieselsäure für saure Schlacken, Magnesia für basische Schlacken und Aluminiumoxid für neutrale Schlacken verwendet.
Die Auswahl des feuerfesten Materials wird auch von anderen Faktoren beeinflusst, wie zum Beispiel:
- Qualität, Größe und Form des Schrotts.
- Auswahl an Legierungsmitteln und Zusatzstoffen.
- Haltezeit.
- Schmelztemperatur.
Anwendungen eines Induktionsofens
Zu den Anwendungen von Induktionsöfen in Gießereien, Metallverarbeitungsbetrieben und anderen Industriezweigen zählen unter anderem:1:
- • Legierungsherstellung, bei der Induktionsrühren für optimale Gleichmäßigkeit und Flexibilität sorgt.
- Beim Schmelzen von Aluminium wird durch Induktionsschmelzen die Energie minimiert, die zur Umwandlung von Aluminiumoxid in Aluminium und seinen Legierungen erforderlich ist.
- Feinguss, bei dem Induktions- und Vakuumöfen zum Einsatz kommen.
- Schrumpfen, Glühen und Hartlöten.
Feuerfest Lösungen von Saint-Gobain
Saint-Gobain Performance Ceramics & Refractories bietet eine große Auswahl an Feuerfestlösungen für Eisen- und Nichteisengießereien. Dazu gehören Design, Installation, Überwachung und Prozessprüfung für optimale Leistung. Saint-Gobain ist spezialisiert Induktionsofen Sprachdienstleistungen Verbesserung der Schlüsselfaktoren, die sich auf die Produktqualität auswirkt, und gleichzeitig eine deutliche Reduzierung des COXNUMX-Fußabdrucks der Kunden.
References
1. Shapet. How Does Induction Furnace Work? [online] Available at: https://www.shapet.com/knowledge-base/how-does-induction-furnace-work-
2. Ruh, E. (1991) Refractory Materials, Metallurgical In: Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials, Elsevier [online] pp. 394–402. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B978008034720250109X
3. Saint-Gobain. Foundry. [online] Available at: https://www.ceramicsrefractories.saint-gobain.com/refractory-solutions/foundry/coreless-induction-furnace
4. Inductotherm. What is Induction? [online] Available at: https://www.inductotherm.com/resources/what-is-induction/
5. Encyclopedia Britannica. Induction Furnace. [online] Available at: https://www.britannica.com/technology/induction-furnace
6. Chem Europe. Induction Furnace. [online] Available at: https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Induction_furnace.html
7. Fanz-Huster, M. (2021) Selecting the Right Unit for Efficient Induction Melting. [online] Available at: https://www.foundrymag.com/melt-pour/article/21151955/selecting-the-right-unit-for-efficient-induction-melting-inductotherm-corp
8. Ispat Guru. Refractory Lining of Coreless Induction Furnace. [online] Available at: https://www.ispatguru.com/refractory-lining-of-coreless-induction-furnace