प्रेरण तापन भौतिकी: त्वचा प्रभाव, प्रवेश गहराई और युग्मन दक्षता

प्रेरण तापन भौतिकी: त्वचा प्रभाव, प्रवेश गहराई और युग्मन दक्षता

बाहर से देखने पर इंडक्शन हीटिंग किसी जादू जैसा लगता है: एक धातु की छड़ कॉइल में प्रवेश करती है, कुछ ही सेकंड में गर्म हो जाती है और दूसरी तरफ एक सटीक तापमान पर बाहर निकलती है। लेकिन इसके पीछे का भौतिकी अच्छी तरह से समझा हुआ है और इसके डिज़ाइन समीकरण इतने सटीक हैं कि बिना प्रोटोटाइप बनाए भी हीटर का डिज़ाइन तैयार किया जा सकता है। इंडक्शन हीटिंग से संबंधित हर निर्णय - आवृत्ति, कॉइल की ज्यामिति, पावर घनत्व - तीन मूलभूत अवधारणाओं पर आधारित होता है: स्किन इफ़ेक्ट, पेनिट्रेशन डेप्थ और कपलिंग एफिशिएंसी। अगर ये तीनों सही हों, तो बाकी सब छोटी-मोटी बातें हैं।

त्वचा पर प्रभाव और प्रवेश गहराई

जब किसी चालक में एसी धारा प्रवाहित होती है, तो अनुप्रस्थ काट में धारा घनत्व एकसमान नहीं होता। धारा सतह पर केंद्रित होती है और गहराई के साथ घनत्व तेजी से घटता जाता है। इसे ही त्वचा प्रभाव कहते हैं।

वह गहराई जिस पर धारा घनत्व सतही मान के 37 प्रतिशत (1/e) तक गिर जाता है, प्रवेश गहराई कहलाती है। प्रवेश गहराई आवृत्ति, पारगम्यता और पदार्थ की प्रतिरोधकता पर निर्भर करती है। सूत्र इस प्रकार है:

डेल्टा = 503 x वर्गमूल(rho / (mu xf))

जहां डेल्टा मीटर में प्रवेश गहराई है, रो ओम-मीटर में प्रतिरोधकता है, म्यू सापेक्ष पारगम्यता है, और एफ हर्ट्ज में आवृत्ति है।

कमरे के तापमान पर 10 किलोहर्ट्ज़ आवृत्ति पर तांबे के लिए प्रवेश गहराई लगभग 0.65 मिमी होती है। 800 डिग्री सेल्सियस (क्यूरी तापमान से ऊपर, जहाँ म्यू का मान 1 हो जाता है) पर 10 किलोहर्ट्ज़ आवृत्ति पर स्टील के लिए प्रवेश गहराई लगभग 5 मिमी होती है। प्रेरण तापन में प्रवेश गहराई एक महत्वपूर्ण मापदंड है: यह निर्धारित करता है कि ऊष्मा कितनी गहराई तक उत्पन्न होती है, और यह किसी दिए गए आकार की छड़ को कुशलतापूर्वक गर्म करने के लिए आवश्यक न्यूनतम आवृत्ति को भी निर्धारित करता है।

युग्मन समस्या

प्रेरण तापन में कुंडल और वर्कपीस के बीच एक युग्मन समस्या होती है। कुंडल एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, यह चुंबकीय क्षेत्र वर्कपीस में एड़ी धाराएँ उत्पन्न करता है, और ये एड़ी धाराएँ एक प्रतिचुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं जो मूल चुंबकीय क्षेत्र को आंशिक रूप से निरस्त कर देता है। परिणामस्वरूप, कुंडल द्वारा उत्पन्न चुंबकीय प्रवाह का केवल एक अंश ही वर्कपीस तक पहुँच पाता है।

कपलिंग दक्षता, वर्कपीस को दी गई शक्ति और कॉइल को दी गई शक्ति का अनुपात है। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए इंडक्शन हीटर की कपलिंग दक्षता 80 से 95 प्रतिशत होती है। खराब डिज़ाइन वाले हीटर (बड़े एयर गैप, गलत आवृत्ति, गलत कॉइल ज्यामिति) की कपलिंग दक्षता 30 से 50 प्रतिशत तक हो सकती है, और शेष शक्ति कॉइल, केबलिंग और शीतलन जल में नष्ट हो जाती है।

कपलिंग आवृत्ति, वर्कपीस के आकार, वायु अंतराल और कॉइल की ज्यामिति पर निर्भर करती है। उच्च आवृत्ति छोटे वर्कपीस के लिए बेहतर कपलिंग प्रदान करती है, जबकि कम आवृत्ति बड़े वर्कपीस के लिए बेहतर कपलिंग प्रदान करती है। मोंटे इंटेलिजेंस के इंजीनियर प्रत्येक अनुप्रयोग के लिए कॉइल की ज्यामिति को अनुकूलित करने के लिए FEA सिमुलेशन का उपयोग करते हैं, और हीटर को उत्पादन में भेजने से पहले सिमुलेशन परिणामों को टेस्ट बेंच पर सत्यापित किया जाता है।

क्यूरी तापमान और चुंबकीय संक्रमण

क्यूरी तापमान (लगभग 770 डिग्री सेल्सियस) से नीचे इस्पात लौहचुंबकीय होता है और इससे ऊपर परचुंबकीय होता है। क्यूरी बिंदु से गुजरने पर इस्पात की पारगम्यता 5 से 10 गुना कम हो जाती है और प्रवेश गहराई 2 से 3 गुना बढ़ जाती है।

इसका तात्पर्य यह है कि ठंडे स्टील के लिए उपयुक्त आवृत्ति पर चलने वाला इंडक्शन हीटर गर्म स्टील के लिए कम आवृत्ति पर काम कर सकता है। ठंडे स्टील के लिए बहुत अधिक आवृत्ति गर्म क्षेत्र में असमान ताप उत्पन्न करती है। इसका मानक समाधान दोहरी आवृत्ति वाला डिज़ाइन या आवृत्ति-परिवर्तक डिज़ाइन का उपयोग करना है जो वर्कपीस के तापमान में परिवर्तन के अनुसार आवृत्ति को समायोजित करता है।

बड़े स्टील बिलेट्स (100 मिमी से अधिक व्यास वाले) के थ्रू-हीटिंग के लिए, आवृत्ति आमतौर पर 50 से 200 हर्ट्ज़ होती है, और दोहरी आवृत्ति डिज़ाइन की शायद ही कभी आवश्यकता होती है। छोटे पुर्जों (50 मिमी से कम व्यास वाले) की सतह को कठोर बनाने के लिए, आवृत्ति 10 से 100 किलोहर्ट्ज़ होती है, और क्यूरी ट्रांज़िशन को संभालने के लिए दोहरी आवृत्ति डिज़ाइन आम है।

विद्युत घनत्व और तापन दर

विद्युत घनत्व (कार्यक्षमता सतह के प्रति वर्ग सेंटीमीटर किलोवाट) तापन दर का मुख्य मापदंड है। सतह को कठोर बनाने की प्रक्रिया में आमतौर पर 1 से 5 किलोवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर विद्युत घनत्व का उपयोग होता है और तापन दर 100 से 500 डिग्री सेल्सियस प्रति सेकंड होती है। वहीं, आंतरिक तापन प्रक्रिया में 0.1 से 0.5 किलोवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर विद्युत घनत्व का उपयोग होता है और तापन दर 1 से 10 डिग्री सेल्सियस प्रति सेकंड होती है।

उच्च ताप घनत्व से तेजी से तापन होता है लेकिन गहराई सीमित होती है। निम्न ताप घनत्व से तापन धीमा होता है लेकिन तापमान अधिक एकसमान रहता है। चुनाव अनुप्रयोग पर निर्भर करता है: सतह को कठोर बनाने के लिए उच्च ताप घनत्व की आवश्यकता होती है, जबकि आंतरिक तापन के लिए निम्न ताप घनत्व की आवश्यकता होती है।

कुंडल ज्यामिति

कॉइल की ज्यामिति को वर्कपीस के अनुरूप बनाया जाता है। बार को गर्म करने के लिए, कॉइल बार के चारों ओर एक हेलिकल वाइंडिंग होती है। सपाट भागों की सतह को कठोर बनाने के लिए, कॉइल एक पैनकेक-शैली का इंडक्टर होता है जो भाग के ऊपर स्थित होता है। जटिल ज्यामितियों (गियर, कैमशाफ्ट, क्रैंकशाफ्ट) के लिए, कॉइल एक आकार का इंडक्टर होता है जो भाग के प्रोफाइल से मेल खाता है।

कॉइल तांबे की नली से बनी होती है, जिसके केंद्र से शीतलन जल प्रवाहित होता है। उच्च शक्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए तांबा आमतौर पर आयताकार अनुप्रस्थ काट (10 x 10 मिमी से 20 x 20 मिमी) का होता है, जबकि कम शक्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए गोलाकार अनुप्रस्थ काट (6 से 10 मिमी व्यास) का होता है। कॉइल को एक सांचे पर लपेटा जाता है, और असेंबली को एक फ्रेम में लगाया जाता है जो कॉइल को वर्कपीस के सापेक्ष स्थिति में रखता है।

शमन एकीकरण

सतह को कठोर बनाने के लिए, इंडक्शन हीटर के बाद एक एकीकृत क्वेंचिंग प्रणाली का उपयोग किया जाता है। क्वेंचिंग के लिए आमतौर पर पानी का छिड़काव या पॉलिमर घोल का उपयोग किया जाता है, और हीटर नियंत्रण प्रणाली द्वारा क्वेंचिंग के समय को नियंत्रित किया जाता है। क्वेंचिंग रिंग हीटर फ्रेम पर लगी होती है, और पार्ट एक ही सीधी या घूर्णी गति में हीटर और क्वेंचिंग रिंग से गुजरता है।

पार्ट की गुणवत्ता के लिए क्वेंचिंग डिज़ाइन अत्यंत महत्वपूर्ण है। अपर्याप्त क्वेंचिंग से नरम धब्बे बन जाते हैं; अत्यधिक क्वेंचिंग से दरारें पड़ जाती हैं। क्वेंचिंग प्रवाह दर, तापमान और समय, ये सभी प्रक्रिया विधि द्वारा निर्धारित किए जाते हैं, और प्रत्येक पार्ट नंबर के लिए विधि हीटर नियंत्रण प्रणाली में संग्रहीत होती है।

व्यवहार में आवृत्ति चयन

इंडक्शन हीटिंग के लिए मानक आवृत्ति रेंज इस प्रकार हैं:

1 से 10 किलोहर्ट्ज़: बड़े बिलेट्स का थ्रू-हीटिंग, फोर्जिंग प्री-हीटिंग

10 से 100 किलोहर्ट्ज़: छोटे से मध्यम आकार के पुर्जों की सतह को कठोर बनाना

100 किलोहर्ट्ज़ से 1 मेगाहर्ट्ज: छोटे पुर्जों की सतह को कठोर बनाना, ब्रेज़िंग

1 मेगाहर्ट्ज से ऊपर: विशेष अनुप्रयोग, प्रयोगशाला उपयोग

MONTE INTELLIGENCE इंडक्शन हीटर 1 kHz से 100 kHz रेंज को कवर करते हैं, जो सतह को सख्त करने और पूरी तरह से गर्म करने के लिए औद्योगिक क्षेत्र में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले उपकरण हैं। ये हीटर 50 kW से 2 MW तक की पावर रेटिंग में उपलब्ध हैं, साथ ही इनमें कई मानक कॉइल आकार और ज्यामिति भी मौजूद हैं।

कुल प्रणाली दक्षता

इंडक्शन हीटर की कुल सिस्टम दक्षता, वर्कपीस को दी गई ऊष्मा और लाइन से ली गई विद्युत शक्ति का अनुपात है। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए सिस्टम की कुल दक्षता 70 से 85 प्रतिशत होती है। इसमें होने वाली हानियाँ इस प्रकार हैं: इन्वर्टर (3 से 5 प्रतिशत), कॉइल और केबलिंग (5 से 10 प्रतिशत), शीतलन जल (5 से 10 प्रतिशत), और वर्कपीस से विकिरण और संवहन (2 से 5 प्रतिशत)।

इंडक्शन हीटर की कुल दक्षता, गैस से चलने वाले भट्टी की तुलना में, संपूर्ण तापन के लिए 30 से 50 प्रतिशत अधिक और सतह को कठोर बनाने के लिए 50 से 100 प्रतिशत अधिक होती है। इससे ऊर्जा की काफी बचत होती है और अधिकांश बाजारों में कुल लागत भी कम होती है।

इंडक्शन हीटिंग के बारे में मोंटे इंटेलिजेंस से बात करें

इंडक्शन हीटिंग उपकरण का मूल्यांकन करने वाले खरीदारों के लिए, मोंटे इंटेलिजेंस इंजीनियरिंग उनकी अनुप्रयोग आवश्यकताओं की समीक्षा कर सकती है और आवृत्ति, पावर रेटिंग और कॉइल ज्यामिति की अनुशंसा कर सकती है। विज़िट करेंwww.cnlymonte.com/products-medium-frequency-furnace.html उत्पाद विनिर्देशों के लिए। परियोजना पर चर्चा के लिए, helenxu@cnlymonte.com पर ईमेल करें, विषय पंक्ति में इंडक्शन हीटिंग फिजिक्स लिखें और अपने पार्ट की ज्यामिति, प्रक्रिया विधि और लक्षित उत्पादन क्षमता के बारे में जानकारी दें।