İndüksiyon
Endüksiyon ile Eritme ve Isıtma
1. Giriş
Endüksiyon, metalik iş parçalarını belirtilen sıcaklık ve sürelerde ısıtmak ya da eritmek için kullanılır. Denetim kolaylığı, yüksek verimliliği, madde kayıplarının son derece düşük olması tam otomatik üretime uygunluğu ve çevre kirliliği yaratmaması gibi nedenlerden dolayı indüksiyonla ısıtma, eritme ve sertleştirme günümüzde giderek yaygın bir kullanım kazanmaktadır. Yüzey ısıtma ve manyetik olmayan kısımlar için yüksek frekans gücüne ihtiyaç vardır.
Bundan dolayı, güç kaynağı radyo frekans bölgesinde min. birkaç kW’ lık güç sağlayabilmek zorundadır. Endüksiyon sistem, malzemenin cins ve ebadına, ısıl işlemlerin amacına göre, 50 Hz’ den 2 MHz’ e kadar frekans değerlerinde
alternatif gerilim veya güç kaynaklarına ihtiyaç vardır.
2. Endüksiyon Fırınlarının Tarihçesi Ve Üstünlükleri
2.1. Tarihçe :
Endüksiyon'un dayandığı temel prensip, teorik düzeyde Faraday (1791 – 1867) zamanında biliniyordu. Ancak bu devrede endüksiyonla eritme 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.
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 eritme ocağı 1927 yılında Sheffild’ da Electric Furnace Company ( EFCO ) tarafından gerçeklenmiş, bu tarihten sonra paslanmaz çelik üretimi ve özel alaşım hazırlanmasında kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır.
Eritme 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 eritiminde 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 sisteminin 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 eritmede 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 eritme(ısıtmanın), metal- işleme endüstrisinde yaygın kullanımına neden olan bazı avantajları şunlardır.
1 – Metalleri eritme 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 :
Endüksiyon, 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 ısıtma ya da eritmenin 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 ile Isıtma Prensibi ve Kullanım Alanları :
Endüksiyon ısıtmanın genel prensibi elektromanyetik enerjinin ısı enerjisi haline dönüştürülmesine dayanır. Değişken bir manyetik akım iletken madde üzerinde bir gerilim indükler. ( Faraday kanunu ) İndüklenen bu gerilim , ( Lenz kanunu’ na göre ) iletken üzerinde kendisine karşı oluşturulan akıma karşı koyacak şekilde bir akım yaratır.
İletkende yaratılan bu eddy akımı I²x R ile tanımlanan gücü ısı enerjisi halinde açığa çıkarır.
Sekonderi tek sarımdan oluşmuş ideal bir trafo ele alınsın. Eğer primer sarım sayısının , sekonder sarım sayısına oranı n ve primer akımı da Ip, sekonder akımı Is = nIp olacaktır.
Primer akımına göre hayli yüksek olan bu akım iş parçasını çevreleyen endüksiyon bobininden geçerken güçlü bir manyetik akım oluşturur. Bu akım da iş parçasına bir gerilim indükleyip akım oluşturur.