INDUCTION FORGINGWhat is the Application ?

Forja por Induccion¿Cuál es la Aplicacion?

Joe Stambaugh and Fran Moreno

Hornos Convencionales• Dependen de la radiación y

convección de una fuente de calor• Tasa de calentamiento limitada

por la diferencia de temperatura• Flujo de calor de la carga está

limitado por la difusividad térmica del material• Conductividad termica• Densidad de masa

• Calor especifico

• Temperatura de la fuente debe ser superior a la temperatura deseada

• Requiere de tiempos de calentamiento largos antes de empezar la producción

El Horno de Induccion• No tiene una fuente de calor

• La carga puede ser rápidamente calentada a la temperatura deseada

• A su elevada temperatura final en un corto tiemps

• Es realmente un dispositivo de transferencia de energía

• Funciones parecido un transformador

• La temperatura máxima que puede alcanzar está limitada por la potencia disponible, la eficiencia del sistema eléctrico y pérdidas térmicas

Induction Applications / Applications de la Induccion

In order to better understand the

application of induction technology in

forging applications let’s first look at

how it works.

Para entender mejor la aplicación de

la tecnología de inducción en la

creación de aplicaciones vamos a ver

primero cómo funciona.

INDUCTION HEATERS

• An induction heater (for any process) consists of an electromagnet, through which a “high-frequency alternating current” (AC) is passed.

CALENTADORES DE INDUCCION

• Un calentador de inducción (para cualquier proceso) consiste en un electroimán, a través del cual se pasa una "alta frecuencia corriente alterna" (CA).

INDUCTION HEATING• Induction heating- a process of heating an

electrically conducting object by placing it in an alternating electromagnetic field. This process generates circulating eddy currents within the metal. The induced current flowing through the resistance of the conducting medium results in “Joule Heating” of the metal

CALENTANMIENTO POR INDUCCIONCaletamiento por inducción: es un proceso de calentar un objeto eléctricamente conductor colocando un campo electromagnético alterno. Este proceso genera circulación de las corrientes de Foucault en el metal. La corriente inducida que circula por la resistencia del medio conductor resulta en "Calentamiento de Joule" del metal

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THE

ELECTRO-MAGNETIC

FIELD GENERATED BY A

SOLENOIDAL INDUCTION

COIL WITH LOAD

EL CAMPO ELECTRO-

MAGNÉTICO GENERADO

POR UNA BOBINA DE

INDUCCIÓN

SOLENOIDALES CON

CARGA

ELECTROMAGNETIC

FIELD

INDUCTION COIL

Joule Heating Calentamiento por Efecto Joule

• Is also known as ohmic or resistive heating.• También es conocido como calefacción óhmica o resistente.

• It is the process by which the passage of an electric current through a conductor releases heat.

• Es el proceso por el cual el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor libera calor.

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Electrically Conductive LoadElectromagnetic Field Generated by AC Current in Winding

Induction Coil

Joule Heating on ID of coil conductors

Joule Heating on OD of Electrically Conductive Load

INDUCTION HEATING

Heat may also be generated by magnetic “Hysteresis”

losses in materials that have significant relative permeability.

CALENTAMIENTO POR INDUCCION

• El calor también puede ser generado por perdidas magnéticas por "Histéresis" en materiales que tienen permeabilidad relativa significativa.

Relative Permeability Chart

The Electromagnetic field will take the path of “LEAST RELUCTANCE”

• Copper 0.999991

• Water 0.999991

• Vacuum 1

• Air 1.00000004

• Aluminum 1.00002

• Nickel 600

• Mild Steel (0.2 C) 2,000

• Iron (0.2 impurity) 5,000

• Silicon Iron 7,000

• 78 Permalloy (78.5 Ni) 100,000

• Supermalloy (5mo, 79Ni) 1,000,000

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Magnetic

Non-Magnetic

µ0 = 400πnHm-1

µr is the relative permeability of the materiall

µ0 µr AR =

HYSTERESUS HEATING• Ferro Magnetic material saturates like a

sponge

• A sponge can only hold so much water until it saturates and cannot hold anymore!

• Ferro magnetic materials can only hold so many magnetic flux lines until it saturates and cannot carry any more flux lines

HYSTERESUS CALEFACCION• Material ferro magnético satura como

una esponja

• Una esponja sólo puede contener tanta agua hasta que se satura y no puede sostener ya!

• Los materiales ferro magnéticos sólo pueden contener tantas líneas de flujo magnético hasta que se satura y no pueden llevar las líneas de flujo más

Frequency Selection

• The frequency of AC used depends on the object size, material type, coupling (between the work coil and the object to be heated) and the penetration depth.

SELECCION DE FRECUENCIA

• La frecuencia de la CA utilizada depende el tamaño del objeto, tipo de material, acoplamiento (entre la bobina de trabajo y el objeto a calentar) y la profundidad de penetración.

Frequency Selection

Through-heating frequencies for heating carbon steel to hot forging temperature of 1260 degrees C.

Seleccion de Frecuencia

• Frecuencias de calentamiento para calentar acero al carbo a temperaturas de forja de 1260 grados centígrados.

What are the benefits for

using induction for forging ?

¿Cuál es son los beneficios

de la Forja por Induccion ?

Benefits of Induction Forging• Rapid Heating

• Temperature Uniformity

• Precise Temperature Control

• Reduced Scale Buildup

• Energy Savings

• Productivity Improvements

• Automation

Beneficios de la Forga por Induccion• Calentamiento Rapido

• Uniformidad de la Temperatura

• Control Preciso de la Temperatura

• Se reduce la produccion de escamas

• Ahorros de Energia

• Mejoras en la Productividad

• Automatizacion

RAPID HEATING

• Heating occurs under the surface.

• The area within the depth of penetration will be hotter than the center when heat is first applied.

Calentamiento Rapido• El calentamiento tiene lugar bajo

la superficie.

• El área dentro de la profundidad de penetración será más caliente que el centro cuando primero se aplica el calor.

TEMPERATURE UNIFORMITY

• Time must be allowed for the temperature to equalize into the center of the part.

• Coil length, frequency factors

UNIFORMIDA de la TEMPERATURA

• Debe permitir tiempo para que la temperatura se equilibre en el centro de la parte.

• Longitud de la bobina, factores de frecuencia

PRECISE CONTROL USING ENERGY

AND MASS FLOW CALCULATIONS

CÁLCULOS DE FLUJO DE CONTROL PRECISO USANDO ENERGÍA Y MASA• Para elevar la temperatura de un

material se requiere una cantidad conocida de energía (kWsec/lb/degF)

• Conociendo el caudal másico (kg/seg) y el aumento de temperatura deseada (degF) la potencia necesaria puede ser calculada

• To raise the temperature of a material it takes a known amount of energy (kWsec/lb/degF)

• Knowing the mass flow (lbs/sec), and the desired temperature rise (degF) the required power can be calculated

Precise Temperature Control• Energy into billet easily

controllable

• Thermal energy ±1%

• The resulting billet temperature can be controlled to within ±25F

Control de Temperatura Preciso• La energía hacia el tocho

fácilmente controlable

• Energia termica ±1%

• La temperatura resultantedel tocho puede sercontrolada entre ±25F

Induction Heating a Square Billet

Calentamiento por Inducción

de un Tocho Cuadrado

REDUCED SCALE• Heating occurs under the surface

• Less time at scale producing temperatures

• Atmosphere (into coil

• Forge Quality is controlled due to lack of scale

• .5% scale loss vs 3% for CoventionalGas Furnaces

• Material Flow improved over gas

• Die Life increased

REDUCCION DE ESCAMAS• El calentamiento se efectúa debajo de la superficie

• Menos tiempo a temperatura de producción de escamas

• Atmosfera (en la bobina)

• Calidad de la forja es controlada por la poca producción de escamas

• . 5% de pérdidas por escamas vs 3% es hornos de gas Covencionales

• Flujo de material mejorado en comparación con gas

• Aumento de la vida de la matriz

ENERGY EFFICIENT• High efficiency operation (90%

or higher efficient below Curie; 65% or higher for carbon steel billets heated to 2250°F)

• Immediate on/off capabilities (savings during start-ups and breaks)

• Gas – 20% due to pre heat time

EFICIENCIA ENERGETICA• Operación de alta eficiencia (90% o

más eficiente por debajo de Curie; 65% o superior para tochos de acero al carbon a 1232 C)

• Funciones de encendido / apagado inmediato (ahorro durante arranques y paros)

• Eficiencia Gas – 20% debido a tiempo de precalentamiento

INDUCTIONS SYSTEM COMPONENTS

COMPONENTES DEL SISTEMA DE INDUCCION

Induction System Energy Distribution

Distribucion de Energia Sistema de

Induccion

Typical System Efficiency

La Eficiencia de un Sistema Tipico

Application Final Temp

100% EFF.

#/KWHr.

Typical Max. Sys. Eff.

Lbs. KWHr.

Steel to Forge

2250 F 9.6 65% 6.0

Steel to Roll 2000 F 10.3 68% 7.0

Steel to Warm Form

1850 F 11.6 70% 8.0

Steel to Quench

1750 F 12.0 72% 8.0

Steel to Temper

1200 F 21.2 80% 17.0

Steel to Epoxy Coat

500 F 65.5 83% 54.0

Copper to Extrude

1600 F 21.8 50% 10.0

Aluminum to Extrude

850 F 18.5 55% 10.0

IMPROVED PRODUCTION

• JIT capability

• Automation interfacing

• Continuous monitoring of power and part temperature

• Computerized control (Level II)

Mejora de la Produccion

• Capacidad JIT

• Interfaz de Automatizacion

• Monitoreo continuo de potencia y temperatura de la pieza

• Control automatizado (nivelII)

AUTOMATION• BILLET FEEDING SYSTEMS

BOWL FEEDERS

STEP FEEDERS

ROBOTICS

• PRESS LOADING ROBOTS

• MINIMIZE FLOOR SPACE

AUTOMATIZACION• LOS SISTEMAS DE

ALIMENTACION DE LA PALANQUILLA

ALIMENTADORES DE TAZON

ALIMENTADORES DE PASO

ROBOTICA

• ROBOTS PARA CARGA DE PRENSA

• MINIMIZAR EL ESPACIO DE PISO

Power Requirement Rules of Thumb

Requisitos de Alimentacion Reglas de Oro

Induction Coils

Las Bobinas de Induccion

Factors Influencing Coil

Efficiency

Factores que Influyen en la

Eficiencia de la Bobina

• Capacidad para eficientemente inducir corrientes de Foucault en la carga

• A/d2 Factor• Diámetro de la carga / profundidad de

penetración • Porcentaje de flujo líneas generadas por la

bobina que realmente pasan a través de la carga a calentar

• Diámetro de la bobina vs diámetro de la cargo

• Ability to efficiently induce eddy currents into the load

• A/d2 Factor

• Load Diameter / Depth of Penetration

• Percentage of Flux Lines Generated by the Coil that actually pass through the load to be heated

• Coil Diameter vs Load Diameter

Modern forge system with

dual shuttle coil / Sistema

de forja moderna con bobina

dual shuttle

Coil shuttles designed to reduce change over

time and to improve energy efficiency.

La bobina de transporte diseñado para

reducir el cambio en el tiempo y mejorar la

eficiencia energética.

Zone Heating Systems

Sistemas de Calefaccion de Zona

Zone Control Technology

La Tecnologia de Control de Zonas

3 Zone Forging System

Sistema de Forjado de 3 Zonas

Induction Provides Energy Efficient, Compact,

Expandable and Automated Solutions for The

Induction Forge

Inducción proporciona soluciones de energía

eficiente, compacta, expanndible y automatizado

para la forja de inducción

Reference Data Dato de Referencia

Reference Data Dato de Referencia