Induction Heating for Forging Induction Magic

Transcripción

1 Induction Heating for Forging Induction Magic El Calentamiento por Inducción para Forjar Inducción Magia Collin A. Russell Presented at ASM Heat Treat Mexico

2 Introduction to Company Introducción a la Empresa Inductoheat is part of the Inductotherm Group the largest induction heating organization in the world. Inductoheat es parte del Grupo Inductotherm la organización mas grande de calentamiento por inducción en el mundo. 2

3 Introduction to Company Introducción a la Empresa Inductoheat is located approximately 15 miles north of Detroit, MI. Inductoheat se encuentra aproximadamente a 25km al norte de Detroit, MI. 3

4 Definition of Induction Heating Definición de Calentamiento por Inducción Induction heating is a method of heating an electrically conductive body utilizing electromagnetically induced current as an internal source of thermal energy Φ ind I ind El calentamiento por inducción es un método de calentamiento de un cuerpo conductivo (de la electricidad) que utilizan corriente inducida actual como una fuente interna de energía térmica I coil 4

5 Physics of Induction Heating: Transformer Analogy Física de la Inducción: Analogía del Transformador Φ V p N p N s V s (μ r = ) Ideal Transformer Transformador Ideal 5

6 Physics of Induction Heating: Transformer Analogy Física de la Inducción: Analogía del Transformador Φ V c N c N wp R wp V wp (μ r < ) Coreless Transformer Shorted Secondary Transformador sin Núcleo con un Secundario Cortocircuitado 6

7 Physics of Induction Heating: Skin Effect Física de la Inducción: Efecto Pelicular Alternating current (AC) does not flow uniformly through conductors AC tends to reside near the surface of conductors ( skin effect ) AC no fluye uniformemente a través de conductores AC tiende a residir cerca de la superficie de los conductores ("efecto pelicular") 7

8 Physics of Induction Heating: Material Properties Física de la Inducción: Propiedades Materiales Unlike methods of heating that utilize an external source of thermal energy, induction heating performance is largely dependent upon the electromagnetic properties of the heated workpiece A diferencia de los métodos de calentamiento que utilizan una fuente externa de energía térmica, el rendimiento de calentamiento por inducción es dependiente de las propiedades electromagnéticas de la parte calentada Carbon Steel Properties Propiedades del Acero de Carbón Tempering Hardening Electrical Resistivity f(t) Magnetic Permeability f(h,t) Specific Heat f(t) Thermal Conductivity f(t) 8

9 Types of Induction Forging Equipment Tipos de Equipos de Calentamiento por Inducción para Forjar Type of part to be heated Tipo de pieza a calentar Type of heating Tipo de calentamiento Type of production Tipo de producción Type of inductor Tipo de inductor Progressive ( Oval Coil ) Bar End Heater Calentador Progresivo de Extremo de la Barra Continuous Billet Heater Calentador Continuo de las Palanquillas 9

10 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas InductoForge Modular Billet Heating System Calentador Modular de las Palanquillas 10

11 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Tuning Circuit Inverter (DC AC) Rectifier (AC DC) Line Input Conventional Billet Heater Calentador Convencional de las Palanquillas 11

12 Temperature ( F) Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Conventional Billet Heater Calentador Convencional de las Palanquillas Nominal Rate Tasa Nominal Higher Rate Tasa más Alta Lower Rate Tasa más Baja ( Core) Radial Position (Surface ) 12

13 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Tuning Circuit Inverter (DC AC) Rectifier (AC DC) Tuning Circuit Inverter (DC AC) Rectifier (AC DC) Tuning Circuit Inverter (DC AC) Rectifier (AC DC) Line Input Modular Billet Heater Calentador Modular de las Palanquillas 13

14 Temperature ( F) Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Modular Billet Heater Calentador Modular de las Palanquillas Nominal Rate Tasa Nominal 2220 Higher Rate Tasa más Alta 2200 Lower Rate Tasa más Baja ( Core) Radial Position (Surface ) 14

15 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Distribution of Power Distribución de Energía Higher production rate Higher diameter vs. skin depth ratio Lower thermal conductivity M1 M2 Mayor tasa de producción Mayor proporción de diámetro vs. profundidad de penetración Baja conductividad térmica 15

16 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Distribution of Power Distribución de Energía Lower production rate Lower diameter vs. skin depth Higher thermal conductivity M1 M2 Menor tasa de producción Menor proporción de diámetro vs. profundidad de penetración Alta conductividad térmica 16

17 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas IHAZ Computer Simulation Software Maximum Efficiency & Temperature Uniformity Máxima Eficiencia y Uniformidad de la Temperatura 17

18 Continuous Billet Heating Calentamiento Continuo de las Palanquillas Calculated Electrical Parameters (IHAZ ) Module Power (kw) M1 357 (64%) Energy Consumption (kwh/yr) Commonly Used 80/20 Rule of Thumb" Module Power (kw) M1 460 (80%) M2 203 (36%) 3.70E+06 M2 117 (20%) Total 560 Total 577 Ex) Heating Ø2.50 steel billets to 1250±25 9s cycle Energy Consumption (kwh/yr) 3.81E+06 Annual Energy Cost Increase $11, Yr. Cost Increase $280,500 (1) Operating 22 hours/day, 6 days/week, 50 weeks/year (2) Projected (approximate) energy cost assuming $0.10/kWh El coste potencial de NO usar IHAZ 18

19 Average Temperature ( C) Average Temperature ( C) Continuous Heating of Wires & Rods Calentamiento Continuo de las Alambres y Varillas 1,200 1,200 1,000 1, Freq. = 6kHz Power = 69kW Efficiency = 68% Time (s) Freq. = 6kHz Power = 100kW Efficiency = 15% Time (s) Wire Alambre: Ø1.25 (Inconel 718) Rate Tasa de Producción: 650lbs/hr Inverter Inversor: 6kHz/100kW Wire Alambre: Ø0.38 (Inconel 718) Rate Tasa de Producción: 300lbs/hr Inverter Inversor: 6kHz/100kW 19

20 Frequency & Power Continuous Heating of Wires & Rods Calentamiento Continuo de las Alambres y Varillas Statitron IFP Independent Frequency & Power Time Independent and Instantaneous Control of Frequency and Power Control Independiente e Instantánea de Frecuencia y Potencia 20

21 Average Temperature ( C) Average Temperature ( C) Continuous Heating of Wires & Rods Calentamiento Continuo de las Alambres y Varillas 1,200 1,200 1,000 1, Freq. = 6kHz Power = 69kW Efficiency = 68% Time (s) Freq. = 60kHz Power = 34kW Efficiency = 64% Time (s) Wire Alambre: Ø1.25 (Inconel 718) Rate Tasa de Producción: 650lbs/hr Inverter Inversor: IFP 5-60kHz Wire Alambre: Ø0.38 (Inconel 718) Rate Tasa de Producción: 300lbs/hr Inverter Inversor: IFP 5-60kHz 21

22 22

23 Recent Publications Publicaciones Recientes 23

24 Recent Publications Publicaciones Recientes 24

25 Recent Publications Publicaciones Recientes 25