INDUKTIOKUUMENNUKSEN SOVELLUSKOHTEET

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikka BL20A0800 Sähkölämpötekniikka INDUKTIOKUUMENNUKSEN SOVELLUSKOHTEET Lappeenrannassa Kimmo Penttinen Ente Eetu Rantala Ente Waltteri Skogberg Ente 2

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma Induktiokuumennuksen sovelluskohteet Seminaarityö sivua ja 12 kuvaa Tarkastaja: Akatemiatutkija Janne Nerg Ohjaaja: Akatemiatutkija Janne Nerg Hakusanat: Induktiokuumennus, Induction heating Sähkölämpötekniikan seminaarityössä käsittelemme induktiokuumennuksen yleisimpien sovelluskohteiden perusperiaatteet.

3 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO INDUKTIOKUUMENNUS Induktioliesi Metallien sulatus Induktiohitsaus ja juotto Induktiohehkutus Induktiotiivistys Induktioliittäminen Induktiokarkaisu YHTEENVETO LÄHDELUETTELO... 12

4 2 1 JOHDANTO Sähkölämpötekniikan kurssin tarkoituksena oli tutustuttaa opiskelijat eri kuumennusmekanismeihin sekä niiden käyttösovelluksiin soveltavan seminaarityön avulla. Tässä seminaarityössä käsiteltiin induktiokuumennusta ja sen sovelluksia eri käyttökohteissa. Työssä ei käsitelty induktiokuumennuksen teoriaa, vaan keskityttiin sovelluskohteisiin. Työtä varten etsittiin tietoa käyttökohteista kirjallisuutta ja internetiä apuna käyttäen ja lopuksi koottiin yhtenäinen seminaarityö sovelluksista.

5 3 2 INDUKTIOKUUMENNUS Induktiivisessa kuumennuksessa lämpö syntyy kuumennettavassa kappaleessa magneettikentän avulla. Seuraavassa on esitetty induktiokuumennuksen sovelluksia. 2.1 Induktioliesi Yksi tavallisimpia induktiolämmön sovellutuskohteista on monissa kotitalouksissa esiintyvä induktioliesi (Kts. Kuva 1). Se koostuu yleensä keraamisesta keittotasosta sekä sen alla olevasta induktiokelasta, jonka synnyttämät pyörrevirrat kuumentavat tasolle asetettua kypsennysastiaa. Induktioliedet toimivat korkealla, khz, taajuudella. (Epcos, 2008) Induktioliesien etuja verrattuna perinteisiin vastuksella toimiviin liesiin ovat parempi paloturvallisuus, energiatehokkuus sekä tehon säädön viiveettömyys. Induktioliesi ei kuumene ellei siinä ole sopivaa sähköä johtavaa kappaletta päällä, mikä vähentää paloriskiä. Energiansäästö sekä tehonsäädön nopeus ovat hyviä, koska induktioliesi lämmittää suoraan kattilaa, joka liedellä on, eikä lämpö johdu lämmitystasosta astiaan. (Tieteen kuvalehti, 2007) Kuva 1. Philipsin 2100 W induktioliesi (Fortytwo) 2.2 Metallien sulatus Induktiosulatusuunien avulla metallien sulatus ja sulana pitäminen on energiaa ja ympäristöä säästävä sovellus. Induktiokuumennuksella teräksen, kupariseosten, raudan ja eri kevytmetallien sulatukseen käytetään upokas- ja kouru-uuneja. (Janne Nerg, 1996, s. 23) Induktiokuumennusuunit ovat tehokkaita, ylikuumennuksen lämpötilan hallinta on helppoa sekä sulatus on nopeaa, koska lämmön syntyessä panoksessa, sitä ei tarvitse enää siirtää. (Erkki Itävuori, Tuula Höök, s. 3)

6 4 Upokasuuni (Kts. Kuvat 2 ja 3) kostuu solenoidin muotoisesta induktorista sekä lämpöeristetystä tulenkestävästä upokkaasta. Induktoriin johdetaan vaihtovirtaa, joka synnyttää upokkaaseen vaihtuvan magneettikentän, jotka aiheuttavat pyörrevirtoja. Pyörrevirrat aiheuttavat metallin sulamisen sekä ylös-alaisen pyörehtivän liikehdinnän upokkaassa. Pyörrevirrat pyritäänkin ohjaamaan kouruun ikeiden eli muuntajalevypakkojen avulla, jotka estävät pyörrevirtojen syntymisen kuoreen. (Erkki Itävuori, Tuula Höök, s. 3) Sähkömagneettisten ja termisten vuorovaikutusten vuoksi induktiokela on tuettava hyvin, jotta vältytään mekaanisten rasitusten aiheuttamilta vaurioilta. Upokasuuneja käytetään verkko- (50Hz) ja keskitaajuuksilla ( Hz) maksimitehon ollessa 2 MW. (Harri Kolehmainen, 1999, s. 26) Upokasuunit ovat käytännöllisiä, sillä ne ovat taloudellisia,puhtaita sekä niillä saavutetaan metallin hyvä laatu. (Janne Nerg, 1996, s. 23) Kuva 2. Upokasuunin poikkileikkaus (Janne Kolehmainen, 1999, s. 26) 2011, s. 19) Kuva 3. Induktioupokasuuni (Simo Tepponen, Kouru-uunit (Kts. Kuva 4) ovat sulan metallin täyttämästä kanavasta ja uunipesästä sekä rautasydämen ympärille käämitystä induktorista koostuvia sulatusuuneja. Induktoriin tuodaan 50 Hz:n taajuista vaihtojännitettä, mikä synnyttää uuniin muuttuvan magneettikentän. Oikosulussa oleva toisiokääminä toimiva sula metalli kuumenee voimakkaasti kouruun syntyvien pyörrevirtojen avulla. Kouru-uuni onkin sähkötekniseltä toiminnaltaan muuntaja. Sula metalli kiertää pesään, mikä sulattaa myös siellä olevan panoksen. (Raimo Keskinen, Pekka Niemi, 2011, s.1) Kouru-uunien sula metalli on korkealaatuista, koska sähkömagneettiset voimat synnyttävät kourun ja säiliön välille hitaita virtaamia. Kouru-uuneja käytetäänkin lähinnä matalan sulamispisteen omaavien kupari- ja kevytmetallien sulatukseen sekä jo sulan valuraudan ylikuumennukseen sekä sulana pitoon.

7 5 Vaikka kouru-uunit ovat energiatehokkaita ja tuottavat hyvälaatuista metallia, ovat niiden investointikustannukset upokasuunia suurempia. Ongelmia tuottaa myös toimintaperiaate, sillä sulan metallipiirin (toisiopiiri) katkeaminen voi aiheuttaa lämmityksen pysähtymisen. Sulatus onkin aloitettava tuomalla kouruun sulaa metallia. Uunit tarvitsevat myös jatkuvan ylläpitotehon, etteivät metallit jähmety. (Janne Nerg, 1996, s.25) Kuva 4. Kouru-uunin poikkileikkauskuva (Raimo Keskinen, 2011, s.2) 2.3 Induktiohitsaus ja juotto Induktiohitsauksessa (Kts. Kuva 5) putken muotoon taivutettuun metallilevyn saumaan syntyy muuttuvan magneettikentän vaikutuksesta pyörrevirtoja, jotka sulattavat liitoskohdan metallia. Hitsauksessa kuumentunut sauma puristetaan yhteen puristusrullien avulla. Induktiohitsaukseen käytetään korkeaa taajuutta (tyypillisesti khz), joka kuitenkin riippuu solenoidin muotoisten induktiokelojen määrästä. (Harri Kolehmainen, 1999, s. 27) Induktiohitsauksen tuotantonopeus (normaalisti m/min) on muita hitsausmekanismeja nopeampi. Muita etuja on pieni energiankulutus sekä hitsaussauman laatu. (Janne Nerg, 1996, s. 30) Hitsatessa levyn reunan on oltava tasainen, jotta saumasta saadaan hyvälaatuinen ja jatkuva. Teräslevyn reunan ruoste ei vaikuta sauman laatuun, kun taas kupari tai alumiini ei salli hapettumia. (Harri Kolehmainen, 1999, s. 28)

8 6 Kuva 5. Induktiohitsauksen periaate (Gerald Weimer, 2002) Induktiojuottamiseen (Kts. Kuvat 6 ja 7) käytetään juotosainetta, jonka sulamislämpötila on juotettavaa ainetta alhaisempi. Juotossa on tärkeää huomioida, että kappaleiden on kuitenkin lämmettävä ennen juotosaineen syöttöä. Tämä varmistetaan induktiokelan ja juotettavan kappaleen sijainnin tarkalla asettelulla. (Janne Nerg, 1996,s. 29) Juotosmenetelmät voidaan jakaa kovajuottoon, pehmeä juottoon sekä hitsausjuottoon. Kovajuotossa käytettävän juotosaineen lämpötila on yli 450 C ja kovajuottoon sopivia juotosaineita ovat esim. messinki, hopea tai kupari. Pehmeäjuotossa vuorostaan juotosaineen sulamislämpötila on alle 450 C ja yleisimpiä juotosaineina käytetäänkin tinaa, lyijyä tai esim. sinkkiseosta. Hitsausjuotto eroaa hieman aiemmista juottomekanismeista, sillä hitsausjuotossa railojen kulmat pyöristetään. Juotosaineen lämpötila on kuitenkin kovajuoton tavoin yli 450 C ja juotosaineena on usein messinki. (Harri Kolehmainen, 1999, s. 28), Kuva 6. Induktiojuottamisen periaatekuva (Janne Nerg, 1996, s. 29) Kuva 7. Induktiojuotto (Nokeval)

9 7 2.4 Induktiohehkutus Induktiohehkutuksessa kappaletta lämmitetään muuttuvan magneettikentän aiheuttamien pyörrevirtojen avulla. Hehkutuksella helpotetaan kappaleen muokattavuutta alentamalla metallien kovuutta. Kappaleelle annetaan haluttu rakenne ennen tulevaa käsittelyä. Yleisimmät hehkutustyypit ovat pehmeähehkutus, tasaushehkutus, rekristallisaatiohehkutus sekä jännityksenpoistohehkutus. Jos valuterästuotteet omaavat karkean valurakenteen, käytetään niille normalisointia. (Harri Kolehmainen, 1999, s.29) Pehmeähehkutuksella saadaan kuumamuokattu ja normalisoitu runsaasti seostettu teräs mahdollisimman hyvin lastuttavaksi. (Kaarinan Karkaisutyöt Oy) Terästen alieutektoidisuudesta (CO 2 -pitoisuus alle 0.77%) tai ylieutektoidisuudesta (CO 2 -pitoisuus % välillä) riippuen, hehkutuslämpötila vaihtelee noin 700 celsiuksesta 800 celsiukseen. Loppujäähdytys on suoritettava hitaasti ilmassa. (Harri Kolehmainen, 1999, s.30) Tasaushehkutuksella pyritään liuottamaan valukappaleiden jähmettymisen aikaiset suotautumat. Usein kohteina ovat runsaasti seostetut tai epäpuhtaat teräskappaleet, joille pyritään saamaan mahdollisimman tasainen koostumus. (Kaarinan Karkaisutyöt Oy) Kylmämuokkauksen lujittuneen teräksen rakennetta pehmennetään rekristallisaatiohehkutuksella asteen lämpötilavälillä. Rekristallisaatiohehkutus on yleistä niukkahiilisille teräksille (hiilipitoisuus %). Rekristallisaatiohehkutusta käytetään esim. kylmämuokattavien teräslevyjen hehkutukseen sekä autojen teräsrakenteiden hehkutukseen. Jännityksenpoistohehkutuksella pyritään vähentämään eri valmistusvaiheissa syntyneitä jännityksiä. Myöstössä eli jännityksenpoistohehkutuksessa kappaleeseen on kerralla saatava sama lämpötila ja se vaihtelee käyttötarkoituksesta ja metallista riippuen C välillä. (Harri Kolehmainen, 1999, s.30) Karkean valurakenteen omaaville teräksille suoritetaan normalisointi, jolla poistetaan edellisten lämpökäsittelyjen vaikutuksia. Kolmesta vaiheesta koostuvassa normalisoinnissa teräs kuumennetaan ensin n. 900 C, jossa suoritetaan hehkutus, minkä jälkeen teräs jähtyy huoneenlämpöiseksi. Hiilenkadon ja hilseilyn vuoksi hehkutusaikaa pidetään mahdollisimman lyhyenä ja kokonaisuudessa normalisointi kestää noin minuuttiin. (Harri Kolehmainen, 1999, s.30)

10 8 2.5 Induktiotiivistys Induktiotiivistys, tunnetaan myös nimellä korkkitiivistys, on prosessi, jossa foliotiiviste tiivistää pullon tai astian suun ilmatiiviiksi. Täytetyn pullon suulle asetetaan foliolevy, ja pullo kuljetetaan induktiokelan alta. Kulkiessaan induktiokelan alta sähköä johtava alumiinifolio alkaa lämmetä. Foliolevyssä oleva polymeerikerros lämpenee ja viilennyttyään kiinnittää foliolevyn pullon suuhun. Tiivistyskone voi olla käsi- tai kuljetinkäyttöinen (Kts. Kuvat 8 ja 9). Tiiviste estää vuotamisen, parantaa säilyvyyttä ja toimii sinettinä. (Pillar technologies, 2013) Kuva 8. Käsikäyttöinen tiivistyslaite Kuva 9. Kuljetinkäyttöinen tiivistyslaite (Pillar technologies, 2013) (Pillar technologies, 2013) 2.6 Induktioliittäminen Induktion avulla voidaan liittää kappaleita toisiinsa kahdella tavalla: kutistussovituksella ja liimaamalla. Kutistussovituksessa (Kts. Kuva 10) kappaleet liitetään toisiinsa ilman täyttöainetta. Ulompaa kappaletta lämmitetään induktiolla, jolloin se laajenee. Laajentuneen kappaleen sisälle asetetaan toinen kappale. Sen jälkeen yhdistelmä jäähdytetään, jolloin ulompi kappale kutistuu ja liittää kappaleet toisiinsa. Tätä tapaa käytetään usein sylinterimäisille ontoille kappaleille, kuten kruunupyörille ja rullalaakereille. (Rudnev, 2005, s. 25) Liimauksessa (Kts. Kuva 11) liima-aineen kanssa kontaktissa olevaa sähköä johtavaa kappaletta lämmitetään induktiolla, josta lämpö johtuu liima-aineeseen. Liimauksesta tulee pysyvä, kun kappaleet kylmennetään. Liimauksessa kaikkien kappaleiden ei tarvitse olla sähköä johtavia. (Rudnev, 2005, s. 26)

11 9 Kuva 10. Induktiokutistussovitus (DaWei Induction Heating Machine Co.,Ltd) Kuva 11. Induktioliimaus (DaWei Induction Heating Machine Co.,Ltd) 2.7 Induktiokarkaisu Karkaisemisella tarkoitetaan erityisesti teräksen kulutuskestävyyden parantamista käsittelemällä kappaletta joko termisesti, kuten induktiolla, tai termokemiallisesti siten, että pinnalle syntyy kova martensiittinen kerros. (Kolehmainen, 1999, s. 31) Induktiokarkaisu perustuu siihen, että tarpeeksi suurella taajuudella ja tehotiheydellä kuumennettaessa kappale kuumenee vain pinnalta ja sen ytimen rakenne säilyy muuttumattomana. Karkaisusyvyyttä voidaan muokata säätämällä edellä mainittuja taajuutta ja tehotiheyttä sekä kuumennusaikaa. (Nerg, 1996, s. 31) Induktiokarkaisussa karkaistava kohta kuumennetaan esimerkiksi ºC:een, minkä jälkeen se jäähdytetään nopeasti eli sammutetaan esimerkiksi vedellä tai öljyllä (Kts. Kuva 12). Tämä nostaa kappaleen kovuutta huomattavasti mutta tekee siitä myös hauraamman. (Kolehmainen, 1999, s. 31) Karkaistun kappaleen kovuuteen ja haurauteen vaikuttaa myös sen sisältämä hiilipitoisuus. Mitä enemmän se sisältää hiiltä sitä kovempaa siitä tulee karkaisun jälkeen. Mikäli hiilipitoisuus on alle 0.1 %, on kappale vielä tarpeeksi sitkeää käytettäväksi. Tätä suuremmilla hiilipitoisuuksilla on karkaistulle kappaleelle suoritettava joko päästö tai nuorrutus haurauden vähentämiseksi. (Tampereen teknillinen yliopisto Materiaalitekniikan laitos, 2005) Päästössä karkaistu kappale kuumennetaan uudestaan sammutuksen jälkeen. Tämä lisää tekee hauraasta teräksestä sitkeämpää, vaikka vähentääkin kovuutta. Mitä kuumemmassa lämpötilassa päästäminen tehdään, sitä sitkeämpi karkaistusta kappaleesta saadaan. Päästämistä ºC lämpötilassa kutsutaan matalalämpötilapäästämiseksi ja ºC lämpötilassa keskilämpötilapäästämiseksi. Jos hehkutuslämpötila on välillä ºC lämpötilassa, kutsutaan tapahtumaa nuorrutukseksi. (Kolehmainen, 1999, s. 32)

12 10 Induktiokarkaisua soveltuu hyvin kappaleisiin, joiden lujuutta täytyy saada lisättyä vain tietyistä kohdista. Lisäksi induktio on karkaisumenetelmänä nopea ja kuluttaa vähemmän energiaa muihin menetelmiin verrattuna. (Nerg, 1996, s. 30) Induktiokarkaisua käytetään muun muassa erilaisiin varsiin, hammaspyöriin, akseleihin ja muihin yleensä symmetrisiin osiin, joita käytetään koneissa ja joilta vaaditaan hyvää sitkeyttä ja lujuutta. (Bodycote) (Kolehmainen, 1999, s. 32) Kuva 12. Induktiokuumennuksen jälkeinen sammutus (JKZ)

13 11 3 YHTEENVETO Seminaarityömme aihe oli varsin mielenkiintoinen ja induktiokuumennuksesta löytyi useita sovelluskohteita useista eri lähteistä. Työssä esitetyt sovelluskohteet perustuvat kirjallisuudesta ja internetistä keräämiin tietoihin. Internet-lähteitä käytettäessä on muistettu erityisen ankara lähdekritiikki. Työ oli hyvin mitoitettu kolmelle hengelle ja jokainen ryhmän jäsen sai tutustua pariin sovelluskohteeseen tarkemmin. Induktiokuumennus periaatteena on monille tuttu, mutta sovelluskohteet, joihin työssä perehdyimme, ovat olivat ainakin meille hieman tuntemattomampia. Lopullista työtä koottaessa oppi ymmärtämään, kuinka yleinen kuumennusmekanismi induktio on varsinkin teollisuuskäytössä..

14 12 DaWei Induction Heating Machine Co.,Ltd, [kuvat lainattu ], saatavilla: Epcos, Energy efficiency in the kitchen, 2008, [viitattu ] saatavilla: cases/applications---cases/energy-efficiency-in-the-kitchen-/ Fortytwo, [kuva lainattu ], saatavilla Itävuori, Erkki. Höök, Tuula.ValuAtlas Valimotekniikan perusteet: Metalliseosten sulatus. [viitattu ], saatavissa: JKZ, [kuva lainattu ], saatavilla: 4 LÄHDELUETTELO Bodycote, Induktiokarkaisu, [viitattu ], saatavilla Kaarinan Karkaisutyöt Oy. Lämpökäsittelyt: hehkutukset. [viitattu ], saatavissa: Keskinen, Raimo. Niemi, Pekka. ValuAtlas & Tampereen ammattiopisto - Valumetallinen sulatus: Induktiokouru-uunit. [viitattu ], saatavissa: Kolehmainen, Harri. Induktiokuumennuksen teollinen käyttö Suomessa, Diplomityö, LUT, Lappeenranta 1999

15 13 Metlab. Induction hardening. 2012, saatavilla: Nerg, Janne. Induktiokuumennuksen tekniikka ja matemaattinen mallintaminen, Diplomityö, LUT, Lappeenranta 1996 Nokeval. Induktiouunit ja induktiohitsaus [kuva lainattu ], saatavissa: Pillar technologies. How sealing works. 2013, saatavissa: Rudnev, Valery I. Joining components by induction heating Part II. 2005, saatavilla: Tampereen teknillinen yliopisto Materiaalitekniikan laitos, Terästen klassiset lämpökäsittelyt, 2005, [viitattu ] saatavilla: Tepponen, Simo. Induktiouunin huolto-ohjelma, Opinnäytetyö, Saimaan ammattikorkeakoulu, Lappeenranta 2011 Tieteen Kuvalehti, Miten induktioliesi toimii?, 2007, [viitattu ] saatavilla: Weimer, Gerald. Electric recistance welding at a glance. [kuva lainattu ], saatavissa: