Wenn ein elektrisch leitendes Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird, werden in diesem Material Wirbelströme induziert. Dieses Phänomen wird als "Induktionserwärmung" bezeichnet. Die Wirbelströme konzentrieren sich an der Oberfläche des Materials.
Durch die induzierten Wirbelströme wird im Material Wärme erzeugt. Wenn sich der von der Leiterschleife umgebene magnetische Fluss ändert, wird in der Schleife ein induziertes Potenzial erzeugt. In ähnlicher Weise erzeugt ein Leiter, der einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, durch elektromagnetische Induktion ein induziertes Potenzial, das zur Bildung von induziertem Strom oder Wirbelstrom im Leiter führt.
Diese induzierten Ströme überwinden den Widerstand des Leiters selbst und erzeugen Joule-Wärme. Diese Wärme wird genutzt, um den Leiter selbst zu erwärmen, so dass er sich erwärmt, schmilzt und zu verschiedenen Zwecken thermisch bearbeitet werden kann. Dies ist das Prinzip der Mittelfrequenz-Induktionserwärmung.
Die physikalischen Prinzipien, die den Prozess der Induktionserwärmung bestimmen, sind recht einfach. In einem Solenoid oder einer Spule fließt ein Wechselstrom, der ein transientes Magnetfeld erzeugt. Nach den Maxwellschen Gleichungen induziert dieses Magnetfeld elektrische Ströme (Wirbelströme) in nahe gelegenen Leitermaterialien. Aufgrund des Joule-Effekts wird im Leitermaterial Wärme erzeugt, die den Schmelzpunkt des zu erwärmenden Metalls erreicht. Durch Anpassung der Stromparameter kann das geschmolzene Metall in flüssigem Zustand gehalten oder seine Erstarrung genau gesteuert werden.
Die erzeugten Wirbelströme fließen gegen den spezifischen Widerstand des Metalls, was zu einer präzisen lokalen Erwärmung führt, ohne dass es zu einem direkten Kontakt zwischen dem Teil und dem Induktor kommt. Sowohl magnetische als auch nichtmagnetische Teile können diese Wärme erzeugen, die oft als "Joule-Effekt" bezeichnet wird.
Neben dem Joule-Effekt wird zusätzliche Wärme im Inneren durch Hysterese erzeugt. Magnetische Teile erzeugen innere Reibung, wenn sie durch einen Induktor laufen. Magnetische Materialien widerstehen natürlich dem sich schnell ändernden Magnetfeld im Inneren des Induktors, wodurch innere Reibung entsteht, die Wärme erzeugt.
Ein Induktionsofen besteht aus einem nichtleitenden Tiegel, der das zu schmelzende Metall enthält und von einer Spule aus Kupferdraht umgeben ist. Ein starker Wechselstrom fließt durch den Draht und erzeugt ein sich schnell umkehrendes Magnetfeld, das das Metall durchdringt. Dieses Magnetfeld induziert Wirbelströme im Inneren des Metalls, die es durch Joule-Erwärmung erhitzen. Bei ferromagnetischen Werkstoffen wie Eisen kann das Material auch durch magnetische Hysterese erwärmt werden, d. h. durch die Umkehrung der molekularen magnetischen Dipole im Metall. Die Wirbelströme bewirken auch eine starke Umwälzung der Schmelze und sorgen für eine gute Durchmischung.
Ein Vorteil der Induktionserwärmung ist, dass die Wärme in der Ofenladung selbst erzeugt wird und nicht durch einen brennenden Brennstoff oder eine andere externe Wärmequelle zugeführt wird. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen, bei denen Verunreinigungen ein Problem darstellen.
Wenn das Chargenmaterial geschmolzen ist, wird durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und den in der Induktionsspule fließenden elektrischen Strömen eine Rührwirkung im geschmolzenen Metall erzeugt. Diese Rührwirkung zwingt das geschmolzene Metall, in der Mitte nach oben zu steigen, wodurch ein charakteristischer Meniskus an der Oberfläche entsteht. Der Grad der Rührwirkung hängt von Faktoren wie der angelegten Leistung und Frequenz, der Größe und Form der Spule sowie der Dichte und Viskosität des geschmolzenen Metalls ab. Die Rührwirkung ist wichtig für das Mischen von Legierungen, das Schmelzen von Spänen und das Erreichen einer homogenen Temperatur im gesamten Ofen. Übermäßiges Rühren kann jedoch zu erhöhter Gasaufnahme, Verschleiß der Auskleidung und Oxidation der Legierungen führen.
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