Bobina de horno de inducción
Bobina de horno de inducción
La bobina del horno de inducción puede considerarse como la parte central del horno. La función principal de la bobina es crear el campo magnético necesario para la creación de corrientes2 de Foucault3 y en consecuencia pérdidas por corrientes de Foucault y como resultado el calentamiento y la fusión de la chatarra o mineral procesado. Teniendo en cuenta la sensibilidad y el papel de esta pieza, las características eléctricas y mecánicas de la bobina tienen un impacto significativo en la función y la eficiencia del horno. Por lo tanto, debido a la diversidad en el material y la calidad de las piezas utilizadas en la fabricación de bobina, Empresa Araz Trans suministra un amplio rango de tipos de bobinas de horno de inducción según su propio diseño o el plano enviado por los compradores y como resultado, el cliente podrá elegir el diseño, los materiales usados y el tipo de aislamiento según sus deseos.
Estructura general de un horno de inducción
Una bobina de horno de inducción completa esta construida principalmente de las siguientes partes:
- Una o varias partes activas4_ que transmiten la corriente eléctrica del horno para crear el campo magnético necesario para la fundición, así como el flujo de agua para el enfriamiento. Las partes activas que necesariamente están hechas de cobre, se conectan en paralelo, para así dividir la corriente total y disminuir la reactancia total de la bobina.
- Una o varias partes inactivas (refrigerante)5_ que sólo conducen el flujo de agua y se utilizan para enfriar el suelo refractorio del horno en sus dos extremos y, a veces, como un circulo incompleto entre las partes activas para rellenar los huecos existentes. Las partes refrigerantes de bobina se fabrican mayoritariamente con acero inoxidable no magnético o de materiales de cobre
- Uno o dos cortocircuitos de cobre en los extremos de la bobina (en caso de existir)6 se sirven para ajustar y disminuir la densidad de flujo magnético en los extremos de la bobina. Estos se denominan anillos de Faraday y no existen necesariamente en todas las bobinas y su existencia o inexistencia depende del tipo de diseño de la bobina.
- Sistema estabilizador de la bobina-que consiste en un par de tornillos y tuercas de acero inoxidable magnético o latón soldados directamente en diferentes ángulos a los anillos de la bobina manejados por soportes de material compuesto.
- Sistema de aislamiento de la bobina_ que es una de las partes más importantes de la bobina y proporciona aislamiento eléctrico entre los anillos y obejetos exteriores alrededor de la bobina.
- Conexiones eléctricas de bobina a su fuente de alimentación_ que incluye conexiones en forma de embarrado de cobre o en forma de rosca de cobre o latón y suministra la potencia eléctrica necesaria de la fuente de alimentación a la bobina.
Tipos de bobinas de horno de inducción según el tipo de bobinado
Las bobinas de hornos de inducción se bobinan en dos formas de hélice y7 compensada8. Las bobinas helicoidales consisten en lazos hélices que se han bobinado en forma espiral de principio al final. Estos tipos de bobinas no ofrecen una aplicación equilibrada y uniforme de campo magnético y calor a los materiales en fusión debido a la angularidad de sus anillos, así pues, el uso de este tipo de bobinas de horno de inducción se fabrica y se utiliza principalmente en dimensiones y niveles de potencia inferiores y no se recomienda su uso en dimensiones y escalas mayores. Además, la presencia de huecos no uniformes entre las partes activas de la bobina y la falta de paralelismo entre dos superficies superior e inferior de la bobina son otro problema en el montaje y explotación de las bobinas helicoidales.
Las bobinas de compensación están formadas por anillos planos que se bobinan en forma compensada (offset) al principio y al final de los anillos para formar un piso, por lo tanto, a diferencia de las bobinas helicoidales en esta categoría de bobinas las superficies superiores e inferiores de la bobina son completamente planas y paralelas y también aplica un campo magnético y un calor uniforme a los materiales en fusión. Por ello, se recomienda utilizar este tipo de bobinas, especialmente en potencias y tonajes elevados.
Tipos de bobinas de horno de inducción según el modo de montaje
Como ya se mencionó, las bobinas de horno de inducción constan de una o varias partes activas, que se colocan en paralelo entre sí. Pues bien, las partes activas mencionadas pueden ponerse en paralelo de dos formas: en serie y de alambre doble
En bobinas con activos en serie, las partes activas de la bobina se colocan de manera en serie y al modo coaxial, una tras otra de forma colineal y se estabilizan mediante soportes de bobina y finalmente, serán montadas en paralelo eléctricamente, ya sea mediante embarrado sobre bobina o con las conexiones correspondientes a los cables enfriados por agua.
En este caso, la cantidad de acoplamiento entre dos partes activas en series está del 20% al 40%.
En las bobinas de alambre doble (lo que suele ser habitual en bobinas con dos partes activas), las partes activas se unen en forma tejida entre sí, de manera que sus anillos se colocan de forma alterna. En este caso, la cantidad de acoplamiento entre dos partes activas de la bobina es casi 100%.
Cabe mencionar que, por lo general, las bobinas de alambre doble se bobinan en forma de hélice.
Hay que señalar que no existe ninguna preferencia particular entre los dos diseños mencionados en el montaje de bobinas y dependiendo de las limitaciones físicas, dimensiones y características eléctricas deseadas, se considera uno de los dos modelos mencionados para el montaje de la bobina.
Parte activa de bobina
Como ya se ha mencionado, la parte activa de la bobina es la parte principal de la bobina de horno de inducción que suministra el campo magnético necesario para crear corriente de Foucault en el material fundido mediante el paso de una corriente eléctrica alterna. La parte activa de la bobina de horno de inducción se compone de una o varias unidades separadas (generalmente dos), que finalmente se ponen en paralelo entre sí mediante las conexiones instaladas sobre la bobina o mediante cables de transmisión de potencia.
Las unidades activas de la bobina se fabrican con la laminación de lingotes de tubos de cobre bajo estándares específicas. El material, el tratamiento térmico aplicado y corte transversal de estos tubos desempeñan un papel importante en el rendimiento y la productividad de la bobina. Para más información sobre este asunto, véase la sección «Tubos de Cobre».
Parte refrigerante de bobina
La «parte refrigerante» de la bobina de horno de inducción es la parte que no transmite corriente eléctrica y se utiliza solamente para refrigerar las partes inferior y superior de crisol. La parte refrigerante no existe necesariamente en todas las bobinas y en caso de existir, puede incluir una o dos partes en la parte superior, inferior o en ambos extremos. Asimismo, en las bobinas que se bobinan en forma de hélice, a veces se utilizan anillos de refrigeración en la distancia entre las partes activas de la bobina para enfriar el suelo en esa zona
El material de los anillos de refrigeración puede ser cobre o acero inoxidable, también, el tubo utilizado en ellos es en forma cuadrada o redonda (principalmente redonda, sobre todo si se utiliza acero inoxidable). En caso de utilizar lingotes de acero inoxidable como anillos de parte refrigerante de la bobina, es necesario prestar atención a tres puntos:
- Tiene que utilizarse tubos sin costura
- La aleación utilizada tiene que ser no magnética (preferiblemente los grados 304 y 316 de acero no magnético).
- Los anillos refrigerantes tienen que aplicarse a un tratamiento térmico y alivio de tensiones después del laminado si no sea así, veremos presión y deformación en ambos extremos de la bobina.
Anillo de Faraday o único anillo neutro
«Anillo de Faraday» o su otro nombre, único anillo neutro, es un solo anillo cortocircuitado de cobre en forma de enfriado por agua, que en caso de existir se instala como anillo más alto o más bajo de la bobina en uno de los dos extremos o a veces en ambos extremos de la bobina. El objetivo de utilizar el anillo de Faraday es ajustar las erupciones de flujo magnético de la bobina en sus secciones de entrada y salida en ambos extremos de la bobina, en otras palabras, el anillo de cortocircuito de Faraday que se encuentra en las partes superior e inferior de la bobina sin estar conectado a la fuente de potencia de bobina, cuando el campo magnético producido por la bobina pasa a través de la bobina, debido a la ley de inducción de Faraday, se induce una tensión eléctrica en ambos extremos y fluye una corriente eléctrica en su interior y como resultado de esta corriente, el campo magnético es producido por el anillo de cortocircuito que está en la dirección opuesta al campo principal que pasa a través de él y así, la densidad del flujo magnético en esas zonas se ajusta un poco y aplica menos presión sobre el entorno metálico circundante y las bobinas del horno.
Sistema de estabilización de bobina
El sistema de estabilización de bobina incluye instalaciones y equipos que se utilizan en la fabricación de bobina de horno de inducción para estabilizar y evitar la deformación y el desplazamiento de los anillos de bobina causado por fuerzas electromagnéticas.
El sistema de estabilización de bobina incluye una serie de tornillos y tuercas de materiales no magnéticos y materiales compuestos instalados sobre ellos.
La composición utilizada por la Empresa Araz Trans en los estabilizadores incluye tornillo de acero no magnético y tuerca de latón. El uso de los tornillos y tuercas de acero inoxidable tiene el riesgo de agarrotarse las tuercas a la hora de abrirlos y cerrarlos de nuevo y el uso solamente de tornillos y tuercas de latón causará la disminución de la resistencia de los estabilizadores.
Hay dos formas de crear las conexiones deseadas:
- Soldar directamente el tornillo de acero a la superficie de los anillos y cerrar la tuerca de latón sobre él.
- Soldar la tuerca de latón en la superficie de los anillos y cerrar la tuerca de acero inoxidable
Según el tipo de diseño y la preferencia del cliente, se utiliza uno de los dos métodos propuestos.
A parte de las conexiones mencionadas para completar el sistema de estabilización de la bobina, en determinados ángulos de la bobina se instalan soportes compuestos especiales sobre las conexiones creadas. Los soportes compuestos son una combinación de fibras de vidrio y resina epoxi, que tienen diversas propiedades y características según el grado de fibra y resina utilizada en su estructura. Para más información, véase la sección de materiales aislantes utilizados en el aislamiento eléctrico de bobina de horno de inducción.
También se recomienda utilizar una placa mica como protector detrás de los soportes de la bobina para evitar que se aplique un calor anormal a los soportes de la bobina en situaciones de emergencia.
Sistema de aislamiento de bobina9
Quizás la consideración más importante en la construcción de una bobina es la calidad de su sistema de aislamiento. Según las investigaciones realizadas por los responsables de la unidad de investigación y desarrollo de esta empresa, la principal causa de los fallos de bobina y sucesivas paradas en el proceso de fusión, es la debilidad del sistema de aislamiento y la calidad del aislamiento de las bobinas. Por lo tanto, la Empresa Araz Trans Tabriz presta especial atención a la calidad y fiabilidad de su sistema de aislamiento de bobinas y en este sentido, considerando el factor del tiempo de ejecución y el coste, recomienda tres métodos principales para aislar sus bobinas.
El primer método: La empresa estadounidense Inductotherm ha inventado un aislante especial para aislar las bobinas que fabrica y ha elegido el nombre Inducto-Flex2M como marca de su producto. La característica más importante de este aislamiento especial, que se fabrica en forma de revestimiento en polvo electrostática con base epoxi, es la capacidad de no agrietarse ni desprenderse de la superficie de la bobina ante las fuertes dilataciones y contracciones de los conductores de la bobina durante el funcionamiento. La alta tolerancia al calor, alto potencial de aislamiento y la adhesión uniforme a la superficie de la bobina durante la pulverización con un dispositivo especial son otras características de este aislamiento especial. El uso de este aislamiento por sí solo, sin utilizar otros materiales auxiliares, es suficiente para el aislamiento de la bobina y si la bobina se utiliza en condiciones estándar, no es necesario utilizar otros materiales aislantes como aislantes líquidos y las cintas aislantes junto a Inducto-Flex2M. Ahora bien, teniendo en cuenta que la Empresa Araz Trans tiene acceso a este material aislante, es posible aislar las bobinas fabricadas por esta empresa utilizando Inducto-Flex2M, por supuesto, tras el chorreado de arena completo de la bobina – antes de pulverizar el polvo aislante para eliminar las capas de óxido superficiales – y aislamiento de bobina con este material se presenta como el método de aislamiento número 1 de esta empresa.
El Segundo método: En el método número 2, además del aislamiento primario de la bobina que utiliza Inducto-Flex2M como aislamiento primario, se utiliza una banda de aislamiento de dos capas y una capa de barniz líquido epoxi especial para aumentar el margen de seguridad del funcionamiento de la bobina. El uso de este método sólo se recomienda cuando la bobina se utiliza en condiciones de trabajo no estándar y arriesgadas, de lo contrario, si la bobina se utiliza en condiciones de trabajo adecuadas y normales, el uso de Inducto-Flex2M solamente será suficiente
El tercer método: En este método no se usa el aislamiento de Inducto-Flex2M y tras el chorreado de arena completo de la bobina, su superficie se reviste con tres capas de pintura epoxi especial, luego se envuelven sobre ella dos capas de banda de aislamiento y se pulveriza sobre la banda una capa de barniz líquido epoxi especial. Este método se utiliza para aislar bobinas, generalmente en bobinas reparadas o cuando existe la posibilidad de fugas ultrafinas.
Con las descripciones anteriores sobre los métodos de aislamiento de la bobina, es evidente que, en materia de calidad y fiabilidad, el orden de los métodos es 2,1 y 3 y naturalmente los gastos de aislamiento de bobina aumentarán en el mismo orden.
Para más información sobre las propiedades de cada uno de los aislantes comentados, véase la sección de aislantes utilizados en el aislamiento de bobina del horno de inducción.
Conexiones eléctricas de la bobina a la fuente de alimentación
Hay dos formas de conectar la bobina a su fuente de alimentación, lo que se realiza mediante cables enfriados por agua:
- Conexiones de embarrado_ en este caso, la conexión entre la bobina y el cable enfriado por agua conectado a ella se establece mediante abrazaderas de embarrados de cobre de la bobina y el cable.
- Conexiones de rosca_ en este caso, la conexión entre la bobina y el cable enfriado por agua conectado a ella se establece utilizando abrazaderas de roscas de la bobina y el cable, que son complementarios entre sí.
Según las facilidades y limitaciones existentes, en la construcción de la bobina se utiliza uno de los dos métodos mencionados.
Abajo se muestra un esquema para comparar los dos métodos mencionados:
En caso de utilizar conexiones de rosca para conectar la bobina, a fin de reducir el flujo magnético creado por los cables enfriados por agua conectadas a la bobina, se puede colocarse las conexiones de fases analógicas de la bobina de forma cruzada entre sí.
9- Coil Insulation
10- Epoxy Based Varnish
11- Overlap %50
12- Nomex Tape
13- Silicon Rubber Tape
14- Mica Tape
15- Kapton Tape
16- Fiberglass Tape
1- Induction Coil
2- Eddy Current
3- Foucault Losses
4- Active Part
5- Cooling Part
6- Faraday Ring
7- Helical Coil
8 -Offset Coil
