Come funziona un forno a induzione industriale

Cosa fa un forno a induzione

Un forno a induzione industriale fonde il metallo con l'elettricità, non con una fiamma. Dove un cubilotto o un forno a combustibile bruciano combustibile e passano il calore al metallo dall'esterno, un forno a induzione usa un campo magnetico per generare il calore dentro il metallo stesso. Non c'è alcun bruciatore, alcuna combustione né alcuna fiamma a contatto con la carica. È questa singola differenza la ragione per cui le fonderie di tutto il mondo fondono ghisa, acciaio, rame e alluminio in questo modo.

L'idea è facile da immaginare. Una carica di metallo freddo, rottame, ritorni di fonderia e lega fresca, viene caricata in un crogiolo avvolto da una bobina di rame. Si dà tensione, la bobina genera un campo magnetico che si alterna rapidamente, e in pochi minuti il metallo comincia a incandescere, ad ammorbidirsi e a collassare in un brillante bagno liquido. Il forno mantiene quel bagno a una temperatura controllata finché non è pronto per la colata. Quello che sembra un semplice secchio di metallo fuso è il risultato di una precisa catena di passaggi elettrici, e il resto di questo articolo li ripercorre.

Il principio: calore da un campo magnetico

La fisica dietro tutto questo è l'induzione elettromagnetica, l'effetto che Michael Faraday descrisse nel 1831: un campo magnetico variabile induce una corrente elettrica in qualsiasi conduttore vicino. Un forno a induzione mette al lavoro quella legge. La corrente alternata nella bobina crea un campo magnetico che inverte direzione molte volte al secondo. La carica di metallo che sta dentro la bobina è un conduttore, così il campo variabile vi induce delle correnti circolanti, dette correnti indotte.

È da quelle correnti indotte che viene il calore. Il metallo le contrasta, e quella resistenza trasforma l'energia elettrica direttamente in calore, distribuito nello strato esterno di ogni pezzo della carica. Poiché il calore si genera nel metallo invece di essergli condotto da una fiamma, compare rapido e uniforme, e nulla di esso si perde su per un camino. Più alta è la frequenza del campo, più sottile è lo strato scaldato, così la frequenza del convertitore è adattata alla dimensione del forno e al metallo da fondere.

Lo stesso campo svolge un secondo compito utile. Mentre scalda il bagno spinge anche sul metallo fuso, avviando una leggera circolazione che agita il fuso dall'interno. Questa agitazione elettromagnetica mescola in modo uniforme le aggiunte di lega e livella la temperatura in tutto il bagno, così un campione preso in superficie legge lo stesso di uno preso sul fondo. Un forno a combustibile deve affidarsi alla lenta convezione propria del metallo per fare la stessa cosa. Per come la bobina e la piattaforma coreless sono costruite per accoppiare la potenza in modo efficiente, vedi la tecnologia di base.

Due parti: il cervello e il muscolo

Un forno a induzione è in realtà due macchine che lavorano insieme. Una pensa, l'altra lavora, ed è utile tenerle distinte.

Il convertitore di potenza è il cervello. Prende l'alimentazione di rete dell'impianto e la rimodella nella corrente alternata a media frequenza che serve alla bobina, al livello di potenza che il fuso richiede. Un convertitore moderno usa interruttori IGBT, rapidi dispositivi a semiconduttore che accendono e spengono la corrente migliaia di volte al secondo per impostare con precisione frequenza e potenza. È qui che il fuso viene gestito: il convertitore mantiene la potenza stabile mentre la carica cambia stato, si sintonizza sul forno man mano che il metallo fonde, e alimenta il sistema di controllo che governa l'intero ciclo. La differenza tra un convertitore IGBT e il più vecchio tipo SCR da esso sostituito è trattata in Convertitori IGBT vs SCR, e i convertitori stessi sono nella pagina alimentatori.

Il corpo del forno è il muscolo. Al suo centro c'è un crogiolo refrattario che contiene il metallo, avvolto da una bobina di rame raffreddata ad acqua. La bobina porta la corrente dal convertitore e la trasforma nel campo magnetico che esegue la fusione, mentre il raffreddamento ad acqua impedisce al rame di surriscaldarsi sotto il carico. L'intero gruppo poggia su un telaio basculante così il fuso finito può essere colato in modo pulito. Da solo il corpo del forno non fa nulla; pilotato dal convertitore, fonde una tonnellata di metallo in una manciata di minuti.

Dalla carica fredda al metallo fuso

Segui una fusione dall'inizio alla fine. Il forno viene caricato con metallo freddo: un misto di rottame di ghisa o acciaio, ritorni di fonderia e lega fresca, dimensionato così da impaccarsi nel crogiolo senza fare ponte. Il convertitore viene acceso e sale di potenza. All'inizio il campo si accoppia con i pezzi solidi e ne scalda le superfici; man mano che si ammorbidiscono e cedono, una pozza di liquido si forma sul fondo e cresce verso l'alto finché tutta la carica è fusa.

Una volta che c'è un bagno liquido la fusione accelera, perché il metallo liquido si accoppia col campo meglio di una carica solida sciolta, e l'agitazione elettromagnetica comincia a farlo circolare. Si può aggiungere altro metallo nel bagno mentre si rifonde, così il forno viene spesso rabboccato invece che riempito tutto in una volta. Quando la carica è completamente liquida l'operatore la porta oltre il punto di fusione fino alla temperatura di colata, un surriscaldo controllato che dà al metallo margine sufficiente per riempire i getti prima che cominci a solidificare.

Attraverso tutto questo la temperatura è misurata e mantenuta sotto controllo digitale. Un moderno sistema di fusione dosa la potenza che eroga e legge il bagno, così può mantenere una temperatura impostata, correggere la chimica con un'aggiunta dosata e dire all'operatore esattamente a che punto sta il fuso. Quando il metallo è in temperatura e in specifica, il forno si inclina e cola, in una siviera, in un sistema di trasferimento o, su una linea automatica, in un forno di colata riscaldato. Quanta elettricità richiede l'intero ciclo, in kWh per tonnellata, è l'argomento di consumo energetico del forno a induzione.

Perché le fonderie fondono così

Messa a confronto con i modi più vecchi di fondere, l'induzione offre un insieme coerente di vantaggi, e derivano tutti dallo stesso fatto: il calore nasce dentro il metallo, per via elettrica, senza che nulla bruci. Cinque di questi contano di più nel reparto di fonderia.

Letti insieme, sono il motivo per cui l'induzione è diventata lo standard per la fusione in fonderia. La qualità del metallo viene per prima: senza prodotti di combustione da assorbire, il fuso resta pulito, e un bagno agitato e scaldato in modo uniforme è facile da campionare e correggere. Segue il processo pulito, niente fiamma e niente fumi dal fuso stesso, un ambiente di reparto migliore e un'impronta più piccola. Il recupero totale del rottame permette a una fonderia di caricare i propri ritorni e il rottame acquistato e di portare tutto quanto a una chimica nota, invece di perdere materiale in una fiamma libera. L'efficienza energetica viene dal mettere il calore direttamente nel metallo invece di scaldare un forno e una fiamma attorno ad esso. E il controllo preciso della temperatura, attraverso il convertitore digitale, mantiene la colata in temperatura e i getti costanti.

Il calore nasce dentro il metallo, per via elettrica, senza che nulla bruci. Ogni vantaggio che un forno a induzione ha su una fiamma deriva da quella sola frase.

Quasi tutta la fusione in fonderia oggi avviene in forni a induzione coreless, dove la bobina circonda un crogiolo semplice e scalda tutto il bagno insieme, così si svuota completamente e cambia lega con facilità. L'alternativa, il forno a canale, è illustrata in coreless vs induzione a canale. CIME progetta forni a induzione coreless a Torino dal 1952, dagli stessi forni fusori ai loro alimentatori IGBT. Per vedere come si incastra la piattaforma, parti da la tecnologia di base.

Domande frequenti