1. Giriş

Endüksiyonla ısıtma sanatı, metalik iş parçalarını belirtilen sıcaklık ve sürelerde ısıtmaktır. Denetim kolaylığı, yüksek verimliliği, madde kayıplarının son derece düşük olması tam otomatik üretime uygunluğu ve çevre kirliliği yaratmaması gibi nedenlerden dolayı endüksiyonla ısıtma, ergitme ve sertleştirme günümüzde giderek yaygın bir kullanım kazanmaktadır. Yüzey ısıtma ve magnetik olmayan kısımlar için yüksek frekans gücüne ihtiyaç vardır. Bundan dolayı, güç kaynağı radyo frekans bölgesinde min. birkaç kW’ lık güç sağlayabilmek zorundadır. Endüksiyonla ısıtmada, malzemenin cins ve ebadına, ısıl işlemlerin amacına göre, 50 Hz’ den 2 MHz’ e kadar frekans değerlerinde alternatif gerilim veya güç kaynaklarına ihtiyaç vardır. Normal olarak, AC şebeke, frekans dönüştürücü, motor generatör grubu , vakum lambası vasıtası ile elde edilir. Bu güç kaynaklarının çok büyük avantajlara sahip olan statik inverterlerle sağlanmasına çalışılmaktadır

Yarıiletken güç elemanları ile gerçekleştirilen statik inverterler ile erişilebilen güç ve frekans değerleri, rezonans devreli inverterler ve güç elemanlarındaki gelişmeler sayesinde, sürekli ve hızlı bir şekilde artmış ve günümüzde MHz mertebesindeki frekanslara yaklaşılmıştır. Bu amaçla 10 kHz’ lere kadar, akım kaynaklı ve yük komütasyonlu olarak bilinen paralel rezonans devreli tristörlü inverterler 20 yıl kadar önce kullanılmaya başlandı. Kapı sönümlü tristör GTO(Gate Turn-Off) ile 20 kHz’ lere, izole kapılı bipolar transistör IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) ile 100kHz’lere ve MOSFET(Metal Okside Schottky Field Effect Transistor) ile birkaç yüz kHz’lere erişilmiştir. GTO, IGBT ve MOSFET ile yine rezonans devreli inverterler gerçekleştirilmekte ve frekans yükseltilebilmektedir. Frekansın yükseltilmesinde, en önemli rolü rezonans devreli inverterler oynamaktadır.

Elektrik enerjisinin diğer enerji türlerine kolay çevrilmesi, üretimin kolay olması özellikle de tüketiminde diğer fosil kaynaklı yakıtlar gibi çevreye zarar vermemesi, kontrollu bir düzen olması ve çok çeşitli kaynaklardan elde edilebilmesi üstünlükleridir.

2. Endüksiyon Fırınnlarının Tarihçesi Ve Üstünlükleri

2.1. Tarihçe :

Endüksiyonla ısıtmanın dayandığı temel prensip, teorik düzeyde Faraday (1791 – 1867) zamanında biliniyordu. Ancak bu devrede endüksiyonla ısıtma için yeterli güç kaynaklarının bulunmamış olması nedeniyle teorik prensiplerin uygulamaya geçmesi mümkün olmadı.

Endüksiyon ocakları ile ilgili ilk patent 1897’de İngiltere’de Ferranti tarafından alındı. Bulunan bu ocak tipine, metal bobinin dışına konduğu için " halka" veya "nüveli" ocak adı verildi. Ticari ilk uygulama ise 1900 yılında İsveç’te Gysimge’de Kjellin tarafından kurulan 80 kg kapasite ve 73 kW ğüçlü çelik ergitme ocağı oldu.

Daha sonraları 1906’da Essen (Almanya)’da Röchling Roden hauser ocağı geliştirdi . Bu ocağın en önemli özelliği 750 kW’ lık bir güç ve 5 Hz frekans ile çalıştırılmasıydı. Güç faktörünün daha iyi olacağı umularak bu ocakta frekans çok düşük tutulmuştur.

Endüksiyon ocaklarının bu devredeki en büyük problemi özel, pahalı ve bakım güçlükleri fazla olan jeneratörlere ihtiyaç gösteren frekans düşüklüğü olduğudur. Nitekim 1900-1910 yılları arasında metalin karbon almasını engelleyen curuf örtüsü altında çalıştırılan ilk Heroult tipi ocaklarının piyasaya çıkarılması ile bu endüksiyon ocakları bütün özelliklerini kaybederek terkedilmiştir .

1916′ da Ajax Metel Company’ den Dr.G.H.Clamer, Leeds and Northrup’tan elektrik enerjisi ile ısı enerjisi elde edilmesi konusunda temel prensiplerle herhangi bir yanlışlığın bulunup, bulunmadığının araştırılmasını istedi. Dr. Northrup bu konudaki çalışmaları sonunda " ümit verici " olarak görünen tek yöntemin yüksek frekanslı indüklenmiş akımlarla ıstma yöntemi olduğunu belirtiyordu.

Şebeke frekansında daha yüksek bir frekans ile çalışmada karşılaşılan en büyük sorun kompanzasyon kondansatörlerinin yarattığı sorunlardır. General Electric Company’ nin kağıt kondansatör üretimi ile bu sorun da çözümlenmiş ve şebeke frekansının üzerinde çalışma imkanları artmıştır

İlk orta frekans ergitme ocağı 1927 yılında Sheffild’ da Electric Furnace Company ( EFCO ) tarafından gerçeklenmiş, bu tarihten sonra paslanmaz çelik üretimi ve özel alaşım hazırlanmasında kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır.

Ergitme ocaklarında karıştırma özelliği dolayısıyla düzgün bir metal ve ısı dağılımı, alaşım kayıplarının azlığı, sıcaklık ve bileşim kontrolünün çok iyi olması, işlem görecek malzeme özelliklerinin sınırlı olmaması, istenildiği zaman kısa süre içerisinde soğuktan işletime alınabilmesi hava kirliliği probleminin olmayışı endüksiyon ergitme ocakları kullanımının yaygınlaşmasında temel faktörlerdir.

Endüksiyon ocaklarının çelik ergitiminde en hızlı gelişme gösterdiği konu paslanmaz çelik üretimi ve çelik dökümhanelerindeki uygulamaları oldu. Karbon kayıp veya kazanımının bulunmaması, hurdayı seri olarak ergitebilmesi, krem ve diğer alaşım elementlerindeki oksitlenme, kayıplarının düşüklüğü nedeni ile bu ocaklar paslanmaz çeliklerin üretiminde kolaylıkla uygulanabilmiştir.

İkinci dünya savaşında sonra otomotiv endüstrisinin gelişimi elektromagnetik endüksiyon ile ısıl işlemin önemini arttırmış, daha değişik uygulamaları için çalışmalar hızlandırılmış ve yüzey sertleştirme işlemleri için radyo frekansında ısıtıcılar geliştirilmiştir. Dalma etkisi dolayısıyla kontrol edilebilir işlem derinliği, kayıpların diğer sistemlere göre az oluşu, bantta seri üretim için uygulama kolaylıkları, yüzey sertleştirme işlemlerinde elektromagnetik indüksiyon ile ısıtma yönteminin kullanımını yaygınlaştırmıştır.

Endüksiyon ısıtıcılarının ilk kullanılmaya başlandığı dönemlerde ilk yatırım maliyetlerinin diğer sistemlere göre yüksek olduğu bir gerçektir. Özellikle orta frekans ısıtıcılar ( motor-alternatör grupları) hem ilk yatırım, hem de periyodik bakım giderleri açısından pahalı bir sistem oluşturmaktadır. 1966 yılından itibaren yarıiletken güç sistemlerinin geliştirilmesi ile endüksiyon ergitmede yeni bir devir başladı. Bu devrede son zamanlarda kaydedilen en önemli gelişme değ
işen frekanslı (VSP) endüksiyon ocakları olmuştur. Yarıiletken teknolojisin gelişimi ile bu ekonomi sorunu önemini kaybetmiş ve bu alandaki çalışmaları günümüzde oldukça yaygınlaşmasını sağlamıştır.

2.2. Endüksiyon Fırınlarının Diğer Isıtma Yöntemlerine Göre Üstünlükleri :

Endüksiyon ısıtmanın, metal- işleme endüstrisinde yaygın kullanımına neden olan bazı avantajları şunlardır.

1 – Metalleri ısırma süresi çok kısadır.
2 – Bütün parçayı ısıtmak yerine yüzeyin istenile bölümlerini ısıtabilme yeteneği
3 – Gücün yalnızca gerektiğinde ısıtma için kullanılması-sürekli fırın sıcaklığının korumak zorunluluğunun bulunmaması
4 – Kullnıcıya fuel-oil veya gaz ateşlemeli fırınlardan daha iyi çalışma imkanı sağlanması
5  -Diğer fırınlarda kullanılan gazlar nedeni ile hava kirliliğinin bulunmaması
6 – Ergitmede alaşımların mükemmel şekilde karışması
7 – Öncelikle son yıllarda ortaya çıkan hammadde ve yakıt darboğazına karşılık, endüksiyon fırınlarında atom enerjisinde yararlanılabilir.
8 – Fırın ısısının kontrolünün çok kolay ve hassas bir şekilde gerçekleştirilebilmesi

3. Endüksiyon ile Isıtma Teorisi

3.1. Tanım :

İndüksiyon ısıtma metal veya elektriksel olarak iletken bir malzemenin elektromanyetik bir alan içersine konması ile malzeme içine indüklenen akımların oluşturduğu ısıya bağlı olarak materyallerin özelliklerini değiştirmesi veya çeşitli işlemlerden geçirilmesine yarayan bir ısıtma metodudur.

Endüksiyonla ısıtmanın en basit ve genel örneği transformatör çekirdekleri ile motor içinde çekirdek kayıplarının neden olduğu ısınmadır. Ancak bu tür bir ısınma istenmeyen bir özelliktir. Bu ısınmanın önlenmesi için gerekli önlemler alınmaktadır. Buna karşılık ısınma özelliğimden faydalanılacak bir başka endüstri dalı geliştirilmiştir.

3.2. Endüksiyon Bobinleri :

Endüksiyon ile ısıtma için gerekli değişken manyetik alan bir bobin içinden geçen alternatif akımla elde edilir. Bu akımın frekansı her uygulama için uygun bir değer alır.

3.3 Endüksiyon Isıtma Spektrumu :

Bir iş parçasının belirli bir güç sistemi ile verimli bir şekilde ısıtılıp ısıtılmayacağı , iş parçası malzemesinin elektriksel özelliklerine , manyetik özelliklerine, büyüklüğüne, ulaşılması istenen sıcaklık ve uygulanacak frekansa bağlıdır. Küçük çaptaki parçaların ısıtılması veya küçük çaplı ocaklarda metal ergitimi daha yüksek frekanslara ihtiyaç gösterir. Belirli bir frekansla ısıtılabilen veya ergitilebilen bir malzeme daha yüksek frekanslarda da ısıtılabilir veya ergitilebilir. Ancak belirli bir frekansta aşağıdaki tabloda verilen boyutlardan daha küçük boyutlardaki malzemelerin ısıtma veya ergitme verimi önemli ölçüde düşer.

Malzeme Ve İşlem	Erişilecek Sıcaklık ° C	Frekans       Hz
		Şebeke Frekansı 60	Motor-Jeneratör   1000   3000  10.000				Ark Osilatörü   50.000 200.000		Vakum Tüpü   450.000  2.000.000
		Parça Çapı   mm
Alüminyum Ekstrüzyon Lehim Pirinç Yumuşak Lehim Gümüş Lehimi Ergitme Bakır Ergitme Kurşun Ergitme Çelik Gerilim Giderme Sertleştirme Dövme Ergitme Çinko Lehim	510 650   260   650 950     1090   330   540   870 1200 1510   260	81 94   76   91 104     84   185   35   280 290 295   91		20 22   18   22 25     21   45   9   68 71 74   22	11,5 13,2   10,7   12,9 14,7     11,9   25   5,1   38 41 43   12,7	6,4 7,1   5,8   7,1 8,1     6,6   14,2   2,8   21,6 22,4 22,9   7,1	2,8 3,0   2,5   3,0 3,6     3,0   6,4   1,3   9,6 9,9 10,2   3,0	1,4 1,6   1,3   1,6 1,8     1,5   3,3   0,6   4,8 5,1 5,1   1,6	0,9 1,1   0,9   1,0 1,2     1,0   2,1   0,4   3,2 3,3 3,4   1,0	0,45 0,51   0,41   0,51 0,56     0,45   1,02   0,20   1,52 1,57 1,60   0,51

blo 1 : Verilen sıcaklıklara etkili olarak ısıtılabilecek en küçük parça çapları.

3.4. Endüksiyon ile Isıtma Prensibi ve Kullanım Alanları :

Endüksiyon ısıtmanın genel prensibi elektromanyetik enerjinin ısı enerjisi haline dönüştürülmesine dayanır. Değişken bir manyetik akım iletken madde üzerinde bir gerilim indükler. ( Faraday kanunu ) İndüklenen bu gerilim , ( Lenz kanunu’ na göre ) iletken üzerinde kendisine karşı oluşturulan akıma karşı koyacak şekilde bir akım yaratır.

İletkende yaratılan bu eddy akımı I²x R ile tanımlanan gücü ısı enerjisi halinde açığa çıkarır.

Sekonderi tek sarımdan oluşmuş ideal bir trafo ele alınsın. Eğer primer sarım sayısının , sekonder sarım sayısına oranı n ve primer akımı da Ip, sekonder akımı Is = nIp olacaktır. Primer akımına göre hayli yüksek olan bu akım iş parçasını çevreleyen endüksiyon bobininden geçerken güçlü bir manyetik akım oluşturur. Bu akım da iş parçasına bir gerilim indükleyip akım oluşturur.

Endüksiyon ısıtmada ısıtıla
cak parçanın her tarafı eşit miktarda ısı almamaktadır. Yalnız ısıtılacak parça ısıyı çok iyi ileten cinsten ise, parçanın her tarafı birbirine yakın miktarda ısıtılabilmektedir. Endüksiyon ısıtma parçanın yüzeyinde çok yüksek, iç kısımlarında az, merkezinde ise daha az bir ısı meydana getirmektedir. Bu ısınma akım kaynağının frekansına ve deri olayına bağlı olarak değişmektedir.

3.5. Dalma Derinliği :

Endüksiyonla ısıtmada, malzemenin cinsine, büyüklüğüne ve amaca göre, uygun frekansın seçimini sağlayan önemli bir büyüklük Nüfuz Derinliği çok sık kullanılan bir ifadedir. Bütün akımın, malzeme yüzeyinden itibaren ve yüzeydeki yoğunlukla geçmesi halinde , erişebileceği derinliğe Nüfuz Derinliği adı verilir. Bu derinlik ;

δ = 503 (  ρ f / μ_r  )^1/2  

bağıntısı ile tanımlanır.

ρ = özgül direnç ( Ω mm² / m )
μ_r  = bağıl manyetik geçirgenlik (A/m)
f = frekans (Hz)
δ = nüfuz derinliği (mm)

Eşitlikten görüleceği gibi frekansın artması deri kalınlığını azaltır. Dolayısıyla akım parçanın en dış yüzeyinde dağılır.

Malzemenin iletkenliği büyük ölçüde sıcaklığa bağlı olduğundan ortalama sıcaklığın alınması gerekir. Aynı şekilde μ_r  bağıl manyetik geçirgenliği de sıcaklığa bağlıdır. mr ayrıca demir cinsi malzemelerde alan şiddetine de bağlıdır. Alışılmış olan şiddetleri için düşük sıcaklıklar için μ_r  50 ile 100 arasında alınabilir. Curie noktasının üzerinde demir cinsi malzemeler manyetik özelliklerini kaybettiklerinden μ_r =1 olur. Karbon yüzdesi az olan karbon çeliklerinde Curie noktası 768 °C’ dir.

 Kullanılan frekans ne kadar büyük olursa, Akım Nüfuz Derinliği o kadar küçük olur. Demir cinsi malzemelerde Curie noktasının altındaki hayli küçük olur. Curie noktasının üstünde ise demir olamayan metallerden de büyüktür. Isıtmada iyi bir verim sağlayabilmek için ısıtılacak parçanın kalınlığı veya çapı en az Akım Nüfuz Derinliğinin 4 katı olmalıdır. Pratik olarak frekansın seçilmesi bu şart sağlanacak şekilde yapılabilir.

3.6. Isı Transferi Aşamaları :

Isıtma süresi boyunca sıcaklık parça üzerinde dengeli dağılmaz. Parçanın hemen altında ısı dağılımı mümkün olur. Yani bu bölümdeki metal ergimeye başladığı halde parçanın iç kısımları yeterince ısınmamış olur.  Yüksek frekansların parçanın yüzeyi ile merkezi arasındaki ısı farkını artırdığını göstermiştir.  Endüksiyon ile ısıtmada ısı dağılımı üç aşamada incelenebilir.

1 – Transient aşaması : Parçanın yüzeyine enerji uygulandığında ısı hemen yükselmeye başlar. Bu anda parçanın diğer kısımları hiç ısınmaz. Parça üzerindeki her bir tabaka ısı transfer etmeden önce kendi tabakasında ısı depo eder. Bu aşama her tabaka kendi enerjisini depo edip diğer kısma aktarana kadar devam eder.

2 – Sabit Isı Yükselmesi : Transient aşaması bittiğinde ısı tüm parça boyunca doğrusal şekilde yükselir. Yani W/m³ oranı sabittir.

3 – Soğurma Zamanı : Genellikle parçanın merkezi ile yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı parçanın hemen kullanılabilmesi için çok yüksektir. Bu nedenle dengeli ısı dağılımı için zamana ihtiyaç vardır.

3.7. Endüksiyon ile Isıtmada Kullanılan Güç Kaynakları :

Genel olarak endüksiyon ısıtmada güç 50 Hz’ de doğrudan şebekeden, 50 Hz frekans dönüştürücülerden, 1-10 kHz arasında motor-generatör grubundan ve 100-500 kHz arasında ise vakum lambasından sağlanır.  Endüksiyon ısıtma alanında yarıiletkenlerle gerçekleştirilen statik güç kaynaklarının kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bu kaynaklar motor- alternatör sistemlerinde kullanılan güç kaynaklarının pek çok dezavantajlarını ortadan kaldırır.

Burada düşük ve orta frekans bölgelerinde genellikle gerilim, radyo frekansı ( yüksek frekans ) bölgelerinde ise akım sabit tutulmaktadır.

Endüksiyon ısıtma kaynakları seçilirken şu esaslar temel alınmalıdır. Birincisi kuruluş ve işletme sırasındaki maliyetler diğeri ise ısıtılacak parça üzerindeki ısının dağılım şeklidir. Uygun güç kaynağı seçimi hem işim maliyetini belirlerken ayrıca işletme maliyetlerine de etki eden önemli bir faktördür.

3.7.1. Kaynak Frekanslı Sistemleri :

İlk yatırım maliyetlerinin düşük olması, bakım ve onarımın kolay olması, büyük çaplı endüksiyon ısıtma uygulamalarında şebekeyi kullanımı yaygınlaştırmıştır. Dalma derinliği 10 mm ile 100 mm arasında değişmektedir. Dalma derinliğinin büyük olması nedeniyle düzgün ısı dağılımı gerektiren büyük çaplı dövme işlemlerinde ve ergitme ocaklarında kullanılmaktadır. Verim ve işlem hızı yüksek frekanslı uygulamalara göre düşüktür.

Şebeke frekanslı sistemlerde anahtar elemanı olarak genelde kontaktörler kullanılır. Güç katsayısını yükseltmek için kompanzasyon amaçlı kondansatör grupları konmuştur. Transformatör empedans uygunlaştırmada ve düşük gerilimli bobinin yüksek gerilimli kaynaktan beslenmesini sağlar. Beslenen bobinin sarım sayısı, sipir sayısı, bobin çapı gibi parametreler ısıtılacak parçanın özelliklerine göre belirlenir. Bu sistemlerde bobin yeteri kadar soğutulmalıdır. Bu işlem genelde bobinin içinden soğuk su geçirilmesi ile yapılmaktadır.

3.7.2 Orta Frekanslı Sistemler :

Endüksiyon ısıtıcılarının seri üretime uyarlanabilmeleri, daha küçük çaplarda ve hızlı ısıtma yapma gerektiren işlemlerde kullanılma gereksinimleri çalışma frekansının yükseltilmesini gerektirmektedir. Bu sistemler parçaya şekil verme, ısıtma, küçük çaplı eritme ve parçaların kaynak yapılması gibi yerlerde kullanılır:  Bu sistemlerin çalışma aralığı yaklaşık 1-50 kHz arasındadır.

Bu tür sistemlerde genellikle ilk önce doğrultmaç devresi yardımıyla  işaret doğru akıma çevrilir. DC/DC konvertör dönüştürülen DC’ yi sistemin ihtiyacına göre yükseltir veya düşürür. Filtre elemanları inverter girişimindeki parazitleri ortadan kaldırır. DC/AC inverter ise girişindeki doğru akımı is
tenilen değer ve frekansta AC’ ye çevirir. Bu işaretle bobin beslenir ve ıstma işlemi gerçekleştirilir.

Bu frekans sistemleri 1970′ li yıllarda ( 1-10 kHz ) motor- altternatör sistemler yaygın olarak kullanılmıştır. Bunlar dönen makinelere sahip oldukları için düşük verim, sabit frekans ve yüksek işletme maliyeti gibi bazı dezavantajı vardır. Buna karşın son yıllarda tristör anahtarlarda hızlı çalışma ve yüksek verim olanaklarına bağlı olarak statik güç kaynakları kullanımı bu dezavantajları büyük oranda ortadan kaldırmıştır.

3.7.3. Yüksek Frekans Sistemleri :

Bu konu hakkındaki ayrıntılı bilgi daha ileriki konularda ayrıntılı olarak anlatılmıştır.