Endüksiyon Yolu ile Isıtma Yöntemi

Endüksiyon Yolu ile Isıtma Yöntemi

1. Giriş

Endüksiyonla ısıtma sanatı, metalik iş parçalarını belirtilen sıcaklık ve sürelerde ısıtmaktır. Denetim kolaylığı, yüksek verimliliği, madde kayıplarının son derece düşük olması tam otomatik üretime uygunluğu ve çevre kirliliği yaratmaması gibi nedenlerden dolayı endüksiyonla ısıtma, ergitme ve sertleştirme günümüzde giderek yaygın bir kullanım kazanmaktadır. Yüzey ısıtma ve magnetik olmayan kısımlar için yüksek frekans gücüne ihtiyaç vardır. Bundan dolayı, güç kaynağı radyo frekans bölgesinde min. birkaç kW' lık güç sağlayabilmek zorundadır. Endüksiyonla ısıtmada, malzemenin cins ve ebadına, ısıl işlemlerin amacına göre, 50 Hz' den 2 MHz' e kadar frekans değerlerinde alternatif gerilim veya güç kaynaklarına ihtiyaç vardır. Normal olarak, AC şebeke, frekans dönüştürücü, motor generatör grubu , vakum lambası vasıtası ile elde edilir. Bu güç kaynaklarının çok büyük avantajlara sahip olan statik inverterlerle sağlanmasına çalışılmaktadır

Yarıiletken güç elemanları ile gerçekleştirilen statik inverterler ile erişilebilen güç ve frekans değerleri, rezonans devreli inverterler ve güç elemanlarındaki gelişmeler sayesinde, sürekli ve hızlı bir şekilde artmış ve günümüzde MHz mertebesindeki frekanslara yaklaşılmıştır. Bu amaçla 10 kHz' lere kadar, akım kaynaklı ve yük komütasyonlu olarak bilinen paralel rezonans devreli tristörlü inverterler 20 yıl kadar önce kullanılmaya başlandı. Kapı sönümlü tristör GTO(Gate Turn-Off) ile 20 kHz' lere, izole kapılı bipolar transistör IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) ile 100kHz'lere ve MOSFET(Metal Okside Schottky Field Effect Transistor) ile birkaç yüz kHz'lere erişilmiştir. GTO, IGBT ve MOSFET ile yine rezonans devreli inverterler gerçekleştirilmekte ve frekans yükseltilebilmektedir. Frekansın yükseltilmesinde, en önemli rolü rezonans devreli inverterler oynamaktadır.

Elektrik enerjisinin diğer enerji türlerine kolay çevrilmesi, üretimin kolay olması özellikle de tüketiminde diğer fosil kaynaklı yakıtlar gibi çevreye zarar vermemesi, kontrollu bir düzen olması ve çok çeşitli kaynaklardan elde edilebilmesi üstünlükleridir.

2. Endüksiyon Fırınnlarının Tarihçesi Ve Üstünlükleri

2.1. Tarihçe :

Endüksiyonla ısıtmanın dayandığı temel prensip, teorik düzeyde Faraday (1791 - 1867) zamanında biliniyordu. Ancak bu devrede endüksiyonla ısıtma için yeterli güç kaynaklarının bulunmamış olması nedeniyle teorik prensiplerin uygulamaya geçmesi mümkün olmadı.

Endüksiyon ocakları ile ilgili ilk patent 1897'de İngiltere'de Ferranti tarafından alındı. Bulunan bu ocak tipine, metal bobinin dışına konduğu için " halka" veya "nüveli" ocak adı verildi. Ticari ilk uygulama ise 1900 yılında İsveç'te Gysimge'de Kjellin tarafından kurulan 80 kg kapasite ve 73 kW ğüçlü çelik ergitme ocağı oldu.

Daha sonraları 1906'da Essen (Almanya)'da Röchling Roden hauser ocağı geliştirdi . Bu ocağın en önemli özelliği 750 kW' lık bir güç ve 5 Hz frekans ile çalıştırılmasıydı. Güç faktörünün daha iyi olacağı umularak bu ocakta frekans çok düşük tutulmuştur.

Endüksiyon ocaklarının bu devredeki en büyük problemi özel, pahalı ve bakım güçlükleri fazla olan jeneratörlere ihtiyaç gösteren frekans düşüklüğü olduğudur. Nitekim 1900-1910 yılları arasında metalin karbon almasını engelleyen curuf örtüsü altında çalıştırılan ilk Heroult tipi ocaklarının piyasaya çıkarılması ile bu endüksiyon ocakları bütün özelliklerini kaybederek terkedilmiştir .

1916' da Ajax Metel Company' den Dr.G.H.Clamer, Leeds and Northrup'tan elektrik enerjisi ile ısı enerjisi elde edilmesi konusunda temel prensiplerle herhangi bir yanlışlığın bulunup, bulunmadığının araştırılmasını istedi. Dr. Northrup bu konudaki çalışmaları sonunda " ümit verici " olarak görünen tek yöntemin yüksek frekanslı indüklenmiş akımlarla ıstma yöntemi olduğunu belirtiyordu.

Şebeke frekansında daha yüksek bir frekans ile çalışmada karşılaşılan en büyük sorun kompanzasyon kondansatörlerinin yarattığı sorunlardır. General Electric Company' nin kağıt kondansatör üretimi ile bu sorun da çözümlenmiş ve şebeke frekansının üzerinde çalışma imkanları artmıştır

İlk orta frekans ergitme ocağı 1927 yılında Sheffild' da Electric Furnace Company ( EFCO ) tarafından gerçeklenmiş, bu tarihten sonra paslanmaz çelik üretimi ve özel alaşım hazırlanmasında kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır.

Ergitme ocaklarında karıştırma özelliği dolayısıyla düzgün bir metal ve ısı dağılımı, alaşım kayıplarının azlığı, sıcaklık ve bileşim kontrolünün çok iyi olması, işlem görecek malzeme özelliklerinin sınırlı olmaması, istenildiği zaman kısa süre içerisinde soğuktan işletime alınabilmesi hava kirliliği probleminin olmayışı endüksiyon ergitme ocakları kullanımının yaygınlaşmasında temel faktörlerdir.

Endüksiyon ocaklarının çelik ergitiminde en hızlı gelişme gösterdiği konu paslanmaz çelik üretimi ve çelik dökümhanelerindeki uygulamaları oldu. Karbon kayıp veya kazanımının bulunmaması, hurdayı seri olarak ergitebilmesi, krem ve diğer alaşım elementlerindeki oksitlenme, kayıplarının düşüklüğü nedeni ile bu ocaklar paslanmaz çeliklerin üretiminde kolaylıkla uygulanabilmiştir.

İkinci dünya savaşında sonra otomotiv endüstrisinin gelişimi elektromagnetik endüksiyon ile ısıl işlemin önemini arttırmış, daha değişik uygulamaları için çalışmalar hızlandırılmış ve yüzey sertleştirme işlemleri için radyo frekansında ısıtıcılar geliştirilmiştir. Dalma etkisi dolayısıyla kontrol edilebilir işlem derinliği, kayıpların diğer sistemlere göre az oluşu, bantta seri üretim için uygulama kolaylıkları, yüzey sertleştirme işlemlerinde elektromagnetik indüksiyon ile ısıtma yönteminin kullanımını yaygınlaştırmıştır.

Endüksiyon ısıtıcılarının ilk kullanılmaya başlandığı dönemlerde ilk yatırım maliyetlerinin diğer sistemlere göre yüksek olduğu bir gerçektir. Özellikle orta frekans ısıtıcılar ( motor-alternatör grupları) hem ilk yatırım, hem de periyodik bakım giderleri açısından pahalı bir sistem oluşturmaktadır. 1966 yılından itibaren yarıiletken güç sistemlerinin geliştirilmesi ile endüksiyon ergitmede yeni bir devir başladı. Bu devrede son zamanlarda kaydedilen en önemli gelişme değişen frekanslı (VSP) endüksiyon ocakları olmuştur. Yarıiletken teknolojisin gelişimi ile bu ekonomi sorunu önemini kaybetmiş ve bu alandaki çalışmaları günümüzde oldukça yaygınlaşmasını sağlamıştır.

2.2. Endüksiyon Fırınlarının Diğer Isıtma Yöntemlerine Göre Üstünlükleri :

Endüksiyon ısıtmanın, metal- işleme endüstrisinde yaygın kullanımına neden olan bazı avantajları şunlardır.

1 - Metalleri ısırma süresi çok kısadır.
2 - Bütün parçayı ısıtmak yerine yüzeyin istenile bölümlerini ısıtabilme yeteneği
3 - Gücün yalnızca gerektiğinde ısıtma için kullanılması-sürekli fırın sıcaklığının korumak zorunluluğunun bulunmaması
4 - Kullnıcıya fuel-oil veya gaz ateşlemeli fırınlardan daha iyi çalışma imkanı sağlanması
5 -Diğer fırınlarda kullanılan gazlar nedeni ile hava kirliliğinin bulunmaması
6 - Ergitmede alaşımların mükemmel şekilde karışması
7 - Öncelikle son yıllarda ortaya çıkan hammadde ve yakıt darboğazına karşılık, endüksiyon fırınlarında atom enerjisinde yararlanılabilir.
8 - Fırın ısısının kontrolünün çok kolay ve hassas bir şekilde gerçekleştirilebilmesi

3. Endüksiyon ile Isıtma Teorisi

3.1. Tanım :

İndüksiyon ısıtma metal veya elektriksel olarak iletken bir malzemenin elektromanyetik bir alan içersine konması ile malzeme içine indüklenen akımların oluşturduğu ısıya bağlı olarak materyallerin özelliklerini değiştirmesi veya çeşitli işlemlerden geçirilmesine yarayan bir ısıtma metodudur.

Endüksiyonla ısıtmanın en basit ve genel örneği transformatör çekirdekleri ile motor içinde çekirdek kayıplarının neden olduğu ısınmadır. Ancak bu tür bir ısınma istenmeyen bir özelliktir. Bu ısınmanın önlenmesi için gerekli önlemler alınmaktadır. Buna karşılık ısınma özelliğimden faydalanılacak bir başka endüstri dalı geliştirilmiştir.

3.2. Endüksiyon Bobinleri :

Endüksiyon ile ısıtma için gerekli değişken manyetik alan bir bobin içinden geçen alternatif akımla elde edilir. Bu akımın frekansı her uygulama için uygun bir değer alır.

3.3 Endüksiyon Isıtma Spektrumu :

Bir iş parçasının belirli bir güç sistemi ile verimli bir şekilde ısıtılıp ısıtılmayacağı , iş parçası malzemesinin elektriksel özelliklerine , manyetik özelliklerine, büyüklüğüne, ulaşılması istenen sıcaklık ve uygulanacak frekansa bağlıdır. Küçük çaptaki parçaların ısıtılması veya küçük çaplı ocaklarda metal ergitimi daha yüksek frekanslara ihtiyaç gösterir. Belirli bir frekansla ısıtılabilen veya ergitilebilen bir malzeme daha yüksek frekanslarda da ısıtılabilir veya ergitilebilir. Ancak belirli bir frekansta aşağıdaki tabloda verilen boyutlardan daha küçük boyutlardaki malzemelerin ısıtma veya ergitme verimi önemli ölçüde düşer.