Induktionserwärmung

Alle Werkstoffe, die elektrisch leitend oder halbleitend sind - wie zum Beispiel alle Metalle sowie Sili­zium, Graphit und bestimm­te Kera­miken - lassen sich induktiv erwärmen. Bringt man ein Werk­stück in ein magne­tisches Wechsel­feld, so wird in ihm nach dem Trans­formator­prinzip ein Strom induziert. Dieser vorwiegend in der Ober­fläche fliessende Wirbel­strom ist kurz­geschlos­sen und wird direkt in Wärme umge­wandelt. Das hoch­frequente Magnet­feld wird von einem Induktor erzeugt, welcher der zu erwär­menden Zone des Werk­stückes ange­passt ist, wodurch sich das Werk­stück bei Bedarf auch par­tiell erwärmen lässt.

Der aus einem wassergekühlten Kupferrohr bestehende Induktor ist an den Schwing­kreis des Induktions­gene­rators ange­schlossen. Auf diese Weise lässt sich in der gesamten Ober­fläche oder nur in bestim­mten Bereichen des Werk­stückes eine hohe Strom­dichte erzeugen, welche an dem ohmschen Wider­stand des Werk­stückes eine Spannung verur­sacht. Strom und Spannung werden an diesem Wider­stand in Wärme umge­wandelt.

Die Tiefe der erwärmten Schicht wird von der Gene­rator­frequenz bestimmt. Durch die richtige Wahl von Frequenz und Leistung lassen sich mit Induk­tionser­wärmung von der Ober­flächen­här­tung kleiner Teile bis zur Durch­wärmung grosser Schmiede­stücke alle technischen Erwär­mungs­pro­zesse realisieren.

Das Besondere an Induktionserwärmung ist die berührungs­lose Energie­über­tragung zwischen dem Induktor und dem Werk­stück. Die Energie lässt sich auch über eine relativ grosse Distanz von mehreren Zenti­metern übertragen. Auf diese Weise ist die berüh­rungs­sichere Iso­lation des Induk­tors ohne Beein­trächti­gung des Erwär­mungs­pro­zesses möglich. Die Energie­über­tragung ist ohne eine Ver­ringe­rung des Wirkungs­grades auch im Vakuum oder durch die Wände eines elek­trisch nicht­lei­ten­den Behäl­ters möglich.

Es werden zur Induktions­erwärmung im wesent­lichen drei Fre­quenz­berei­che genutzt, welche sich durch die ver­fahrens­tech­nische Anwendung und die verwendete Geräte­technik unter­scheiden. Die dafür benötigte Energie wird in der Regel mittels Frequenz­umfor­mung vom öffent­lichen Strom­netz bezogen.

Netzfrequenzanlagen mit 50 . . 300 Hz werden zum Beispiel für das induktive Schmelzen von Metallen in Hütten­werks­rela­tionen, zur Walz­erwär­mung von Brammen, zur Erwär­mung von Rezipi­enten in der chemischen Industrie oder dem Normal­glühen von Schweiss­nähten im Behälter­bau verwendet.

Mittel­frequenz­anlagen werden mit­tler­weile für Frequenzen von 1 . . 100 kHz vor­zugs­weise als statische Gene­rato­ren gebaut, welche heute kosten­günstiger als rotierende Motor- / Generator­sätze hergestellt werden können. Diese An­la­gen arbeiten besonders effi­zient bei der Erwär­mung grös­serer Werk­stücke, weil dann der - durch die nie­drige Be­triebs­frequenz bedingte - viel­windige Induk­tor ohne einen Aus­gangs­trans­for­mator ange­schlos­sen werden kann.

Die Hauptanwendungsgebiete sind unter anderem die Blech­erwärmung in Band­verzinkungs­anlagen für die Auto­mobil­indus­trie, die Schmiede­erwär­mung von Teilen mit mittlerer Masse, die Her­stel­lung von Edel­metall­legie­rungen für die Schmuck­indus­trie oder die Ober­flächen­erwär­mung zum Härten mit höheren Eindring­tiefen.

Hochfrequenzanlagen mit Betriebsfrequenzen von 100 kHz . . 6 MHz haben die viel­fäl­tig­sten An­wen­dungs­möglich­keiten bei der induk­tiven Erwär­mung. Klein­teile, wie zum Beispiel Werk­zeuge, werden mit Hoch­frequenz schmiede­erwärmt und anschlies­send die Verschleiss­flächen partiell induktiv gehärtet. Bei Zer­spanungs­werk­zeugen werden die Schneid­kanten mit induktiv hartge­löteten Hart­metall- oder Diamant-Plättchen bestückt. Gut geeignet ist der Hoch­frequenz­bereich zur Schmiede­erwärmung von Klein­teilen aller Art oder zur Erwär­mung von schwer erwärm­baren Werk­stoffen, wie Kupfer- oder Aluminium­legierungen.

Eine Nachbe­handlung durch das Glühen der Elektroden von evakuierten oder gasge­füllten Leucht­mitteln, wie etwa Gasent­ladungs­lampen oder Röntgen­röhren, ist durch die Glas­körper der fertigen Produkte hindurch üblich. In der Auto­mobil­indus­trie werden mit Hoch­frequenz die Gleit­lager­flächen von Kurbel- und Nocken­wellen gehärtet sowie Getriebe­teile zum Auf­schrumpfen oder Vernieten partiell erwärmt. Im Bereich Medizin­technik werden mit HF-Genera­toren Implantate aus Edel­stahl und Titan vor der Umformung erwärmt, um spätere Kalt­brüchig­keit zu vermeiden.

Induktionsgeneratoren werden für die viel­fältig­sten Er­wär­mungs­auf­gaben in der indus­tri­ellen Fer­ti­gung ein­ge­setzt, bei denen eine Wärme­behand­lung hoher Qualität mit repro­duzier­baren Ergeb­nis­sen und grosser Wirt­schaft­lich­keit gefordert ist. Im For­schungs­bereich kommt Induk­tions­erwär­mung zur An­wen­dung, wenn höchste Tem­pera­turen und Energie­dichte oder reinste Pro­zess­bedin­gun­gen ge­for­dert sind.

Induktionserwärmung bietet im Vergleich zu anderen Verfahren einen sehr hohen Wirkungs­grad, da die Wärme sehr schnell nur in den Berei­chen des Werk­stückes erzeugt wird, die erwärmt werden müssen. Mit Induk­tionser­wärmung lassen sich ohne besonderen Aufwand hohe Tempera­turen von mehreren tausend Grad er­rei­chen. Erwär­mungen im Hoch­vakuum sind auch durch die Wände eines nicht­metalli­schen Rezipi­enten möglich.

Induktionserwärmung ist im Niedertemperaturbereich < 500° C im Vorteil, wenn grosse Massen schnell oder berüh­rungs­los erwärmt werden müssen. Induk­tionser­wärmung ist im mittleren Tem­pera­tur­bereich 500°C . . 1.500° C von Vor­teil, weil dieses Ver­fahren einen kosten­günstigen Energie­träger verwendet. Induk­tionser­wärmung ist im Hoch­tem­pera­tur­bereich > 1.500° C sowohl bei den Inves­titions-, Unter­haltungs- und Energie­kosten unschlagbar.

Induktionserwärmung ist ein industrielles Erwärmungs­verfahren, welches sich von konkur­rieren­den Erwärmungs­verfahren wie folgt unter­scheidet:

Die saubere und emissionsfreie Induktions­erwärmung kommt der Qua­li­tät der Arbeits­plätze und dem Schutz unse­rer Umwelt ent­ge­gen. Eine schnelle und genaue Leis­tungs­rege­lung ent­spricht den Erfor­der­nissen der auto­mati­sierten Fer­tigung fehler­freier Teile. Wegen der hohen Verschleiss­festig­keit bieten Induk­tions­ge­ne­ra­toren eine nahezu hun­dert­pro­zen­tige Ver­füg­bar­keit bei mode­raten In­ves­ti­tions­kosten.