CONSIDERAŢII PRIVIND CONSTRUCŢIA UNUI CUPTOR DE ÎNCĂLZIRE CU INDUCŢIE PENTRU SINTERIZAREA PIESELOR DIN PULBERI Tiberiu Pârvulescu, Şef de lucrări, drd. ing. Gheorghe Floriganţă, prof. dr. ing. UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA ABSTRACT Paper presents some consideration about a new configuration for a heating induction furnace, usually coreless or chanell type. The efficiency of the furnace is determined for various coil and magnetic design, who are diferent in this case. There are considerations refferent to heating coil and his cooling system, magnetic core and schematic diagram of power supply. This induction heating furnace is used for heating of powdered - metal preform for sintering. 1. Introducere

Cuptoarele de încălzire prin inducţie se folosesc pe scară largă în industria metalurgică pentru topirea metalelor, încălzirea pentru forjare, dar pot fi folosite la încălzirea pentru sinterizare a pieselor presate din pulberi metalice. Cuptorul prezentat are o nouă configuraţie şi este o combinaţie între cuptoarele clasice cunoscute: cuptoarele de inducţie fără miez şi cuptoarele cu canale convenţionale. Factorul determinant care influenţează randamentul unui sistem de încălzire prin inducţie este bobina inductoare, în concepţia bobinei trebuie să se aibă în vedere un randament ridicat şi adaptarea la mediul de lucru (mediul protector în cazul încălzirii pentru sinterizare). Un astfel de cuptor prezintă o serie de avantaje dar şi dezavantaje ( în special legate de utilizarea unor materiale deosebite). Realizarea unui cuptor este un proces costisitor, alegerea unei variante constructive trebuie bine analizată. O problemă specială este şi sursa de alimentare, cu totul deosebită în acest caz, o sursă de 20 kW la 20 kHz, apropiată de frecvenţa de rezonanţă (15 kHz) 2. Construcţia cuptorului Costrucţia cuptorului este prezentată în figura 1. Pentru costrucţia creuzetului se va folosi un material refractar care se poate turna într-o formă din polistiren. Peretele cuptorului se realizează din oţel inoxidabil (nemagnetic). În cavitatea de la partea inferioară a creuzetului se află plasată bobina inductoare şi miezul magnetic. Creuzetul are un volum util de circa 6,5 dm 3. Dimensiunile cuptorului sunt date în figura 2.

“CONSTANTIN BRÂNCUSI” UNIVERSITY – ENGINEERING FACULTY

U N I V E R S I T Y ’ S D A YU N I V E R S I T Y ’ S D A YU N I V E R S I T Y ’ S D A YU N I V E R S I T Y ’ S D A Y 8 th INTERNATIONAL CONFERENCE

Târgu Jiu, May 24-26, 2002

Târgu Jiu, Geneva Street, nr.3, 1400, Gorj, România,Tel.+4053215848, Fax+4053214462, www.utgjiu.ro

Fig. 1. Construcţia cuptorului Fig. 2. Construcţia şi dimensiunile

(schema de principiu) cuptorului

2. Bobina inductoare Bobina inductoare este elementul principal în influenţarea randamentului unui astfel de cuptor de încălzire. Pierderile în bobină sunt pierderi prin conducţie datorate curenţilor intenşi necesari pentru a produce câmpul magnetic necesar pentru încălzirea piesei de lucru. Bobinele inductoare convenţionale sunt construite din conducte tubulare de cupru şi sunt răcite cu apă pentru a disipa căldura. Un rol important îl au efectul pelicular şi efectul de proximitate, care duc la o proastă utilizare a cuprului. O abordare alternativă este utilizarea unui conductor liţat de cupru, care permite utilizarea în totalitate a cuprului, scăzând rezistenţa şi pierderile din bobină. Răcirea liţei este mai complicată dacă se foloseşte ţeavă convenţională din cupru. Conductorul liţat din cupru se plasează într-o ţeavă din plastic, tip pexal, conectată la restul sistemului de răcire prin îmbinări de colţ (coturi) din cupru. Apa de răcire este astfel pompată prin ţeava de plastic şi înconjoară conductorul liţat, ducând la o răcire eficientă. Bobina este prezentată în figura 3. în care sunt date şi dimensiunile bobinei.

Fig. 3. Bobina din conductor liţat 3. Miezul magnetic Pentru a concentra fluxul în bobină se foloseşte un miez răcit cu apă. Miezul se costruieşte din ferită şi este fixat cu răşină epoxidică pe o placă de cupru. În figura 4 este prezentat miezul magnetic cu sistemul de răcire.

Fig. 4. Miezul magnetic şi sistemul de răcire 4. Schema electrică

Schema electrică de alimentare este prezentată în figura 5. Este o sursă de alimentare de 20 kW la 20 kHz, un invertor utilizat ca sursă. Este un invertor cu topologie serie LLC. Această topologie are anumite avantaje dar şi dezavantaje la utilizarea într-o astfel de aplicaţie.

D1 - D6 punte integrată de diode, 1200 V, 60 A D7 - D10 diode cu revenire rapidă, 1000 V, 60 A S1 - S4 tranzistoare poartă bipolare, 1000 V, 60 A, două în paralel C1 condensator de intrare, 35,2 μF, 630 V c.c. C R condensator de rezonanţă, 6,7 μF, 650 V la 20 kHz L1 bobină de intrare cu miez de aer, 14 μH la 20 kHz

LR inductanţa bobinei inductoare, ± 13 μH, dependentă de sarcină R P rezistenţa echivalentă a sarcinii,dependentă de sarcină.

Fig.5.Schema electrică

Avantajele sunt: • inductorul de intrare protejază invertorul la scurtcircuitele din bobina de încălzire • curentul prin comutatoare este mult mai mic decât cel din cuva de rezonanţă, reducând pierderile prin connducţie. • se poate obţine o tensiune joasă în bobina de încălzire fără a utiliza un transformator, ceea ce este avantajos pentru izolaţia între spirele bobinei • folosirea unei bobine de intrare face posibil ca inductorul să fie plasat la o distanţă sigură de bobina inductoare; inductanţa cablurilor de conexiune trebuie să fie inclusă în calculul inductanţei de intrare. Dezavantajele sunt: • curnţii intenşi din cuva rezonantă necesită folosirea unui condensator cu regim nominal la frecvenţa de rezonanţă; astfel de condensatoare sunt deosebite, foarte costisitoare. • deoarece invertorul este alimentat cu tensiune trifazată trebuie să se asigure un regim echilibrat, astfel încât diodele comutatoare de pe o fază să nu fie simultan cuplate, ceea ce ar crea un scurtcircuit pe c.c. 5. Materiale utilizate în construcţia cuptorului

La construcţia cuptorului se folosesc o serie de materiale, indicate în Tabelul 1., cu referire la figurile 1 şi 2. Tab. 1. Componenta cuptorului Material Caracteristici Material refractar Keratab ultrafin* AlO > 90 % ; 1700 oC Perete cuptor Oţel inoxidabil Nemagnetic Opritor de flux Cupru Răcit cu apă Material încălzit Metal Aluminiu, oţel, piese presate

din pulberi metalice

* Material ceramic sub formă de pulbere, amestecat cu 16 % din greutate apă apoi turnat. Materialul ceramic copt are o rezistenţă mecanică de 40 - 60 Mpa.

6. Randamentul Randamentul sistemului se determină cu relaţia:

Total

w

PP

=η .100 % (1)

unde Pw sunt pierderile în sarcină PTotal sunt pierderile totale Referindu-ne la toate componentele sistemului relaţia (1) se poate scrie:

( )

100.In

OpritorBobinaInvIn

PPPPP ++−

=η % (2)

unde PIn este puterea de intrare , PInv este puterea în invertor PBobină este puterea în bobină , POpritor este puterea în opritorul de flux. Randamentul poate fi determinat şi cu relaţia:

PereteMiezPiesaBobina

Piesa

PPPPP

+++=η .100 % (3)

unde PPiesă este puterea disipată în masa metalului încălzit (piesa de lucru) PBobină este puterea disipată de bobina inductoare PMiez este puterea disipată de miez PPerete este puterea disipată de pereţii cuptorului.

7. Concluzii

Cuptorul de incălzire prin inducţie cu rezonanţă prezentat, este un cuptor alimentat cu medie frecvenţă la 20 kHz. Avantajele şi dezavantajele unui astfel de cuptor sunt: Avantajele: ● un cuplaj mai bun decât la un cuptor fără miez, datorită miezului magnetic ce ghidează fluxul. ● unele probleme cum sunt blocarea, supraâcălzirea localizată asociate cu canalul existent la un cuptor de inducţie cu canal, sunt înlăturate. ● accesibilitate şi întreţinere uşoară a miezului şi bobinei mobile ● folosirea frecvenţelor ridicate face posibile densităţi ridicate de putere ● sistemul poate fi pornit imediat după o eventuală întrerupere de energie fără a fi nevoie de o masă de metal topită de amorsare. ● se pot combina un număr de astfel de sisteme, având posibilitatea realizării unor cuptoare mari; aceste cuptoare pot avea timpuri mici de întrrupere, deoarece unităţile individuale se pot folosi în timpul când cele defectate se înlocuiesc sau se repară. Dezavantajele: ● solicitarea mecanică a materialului refractar ( a creuzetului) ce înconjoară bobina, datorată solidificării metalului în timpul unei întreruperi în alimentarea cu energie, poate duce la distrugerea creuzetului; din acest motiv se va folosi un material cu o rezistenţă mecanică ridicată ( Keratab). ● răcirea miezului este dificilă, datorită spaţiului închis în care esta plasată şi a căldurii radiate de metalul topit. ● utilizarea cuptorului pentru sinterizarea pieselor din pulberi deşi este convenabilă din punct de vedere al randamentului, ridică probleme legate de asigurarea mediului de lucru (vid, hidrogen, azot, etc.). ● sursa de frecvenţă (invertorul) conţine componente speciale, foarte costisitoare şi greu de procurat. Drept concluzii generale legate de cuptorul de inducţie cu rezonanţă sunt următoarele: Pierderile, atât în piesa de prelucrat cât şi în bobină, cresc cu creşterea frecvecvenţei datorită efectului pelicular, efect care este mai pronunţat în pierderile din bobină, datorită diametrului mic al conductorului în comparaţie cu diametrul metalului încălzit. Pierderile în bobina relizată din conductor liţat, sunt considerabil mai mici decât cele din bobina clasică, realizată din conductor tubular din cupru, având o valoare constantă pentru toate frecvenţele. Acest lucru rezultă din presupunerea că densitatea de curent este uniformă. Pierderile în bobină rămân constante pentru cele două sisteme, deoarece rezistivitatea rămâne aproape constantă în domeniul de temperaturi 20 - 60 o C. Pierderile în piesa de prelucrat cresc cu creşterea temperaturii deoarece scăderea conductibilităţii sarcinii (funcţie de metalul încălzit) duce la creşterea rezistenţei sarcinii de lucru. Frecvenţa critică a unui cuptor este importantă în determinarea sursei de alimentare a sistemului, deoarece costul alimentării creşte cu frecvenţa. În practică se va folosi cea mai joasă frecvenţă posibilă care dă un randament acceptabil. Bobina realizată din conductor de cupru liţat răcit cu apă în tub pexal are pierderi reduse şi reprezintă o îmbunătăţire semnificativă faţă de bobinele clasice.

Limita practică - temperatura la care poate rezista tubul pexal ce înconjoară liţa, limitează utilizarea acestuia în construcţia cuptoarelor. Este necesară o analiză termică pentru a estima efectele termice în bobină şi miez, datorită cuplajului termic cu restul sistemului. Configuraţia sistemului este adecvată utilizării în costrucţia unui cuptor de inducţie şi poate oferi randamente ridicate când se foleseşte o bobină din cupru liţat. Bibliografie

1. Davies E. J. - Conduction and Induction Heating , Peter Peregrinus Ltd. London,1990. 2. Dorland Pieter , van Wyk Jacobus D.,Stielau Oskar H. - On the Influence of Coil Design and Electromagnetic Configuration on the Efficiency of an Induction Melting Furnace , IEE Transaction

on Industry Application , Vol. 36 , NO. 4 , July / August 2000.