در دنیای صنعت، انتخاب روش مناسب برای ذوب و حرارت‌دهی فلزات نقش کلیدی در بهره‌وری، کیفیت محصول و مصرف انرژی دارد. دو روش در این زمینه، کوره‌های القایی و کوره‌های سوخت فسیلی هستند. در این مطلب به معرفی کوره‌های القایی می‌پردازیم تا دید بهتری نسبت به کاربردها، مزایا و محدودیت‌های آن‌ پیدا کنیم.

کوره های القایی در برابر کوره های سوخت فسیلی

کوره‌های سوخت فسیلی از دیرباز در صنایع مختلف به‌ویژه ذوب فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کوره‌ها با استفاده از گاز طبیعی، گازوئیل یا مازوت کار می‌کنند و گرمای مورد نیاز برای ذوب مواد را از طریق احتراق مستقیم تأمین می‌کنند. هرچند راه‌اندازی و استفاده از این کوره‌ها نسبتاً ساده است، اما معایب قابل توجهی دارند. از جمله مهم‌ترین ایرادات آن‌ها می‌توان به راندمان حرارتی پایین، اتلاف زیاد انرژی، کنترل‌پذیری محدود دما و آلودگی محیط‌زیست به دلیل تولید گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن اشاره کرد.

همچنین، مصرف بالای سوخت‌های فسیلی در این کوره‌ها باعث افزایش هزینه‌های عملیاتی و وابستگی به منابع انرژی تجدیدناپذیر می‌شود.

کوره های ذوب سوخت فسیلی
کورۀ ذوب دوار، نمونه‌ای از کورۀ سوخت فسیلی

کوره های القایی نوعی از کوره های الکتریکی هستند که بر اساس القای الکترومغناطیسی کار می‌کنند. در این کوره ها یک سیم پیچ (کویل) به یک منبع جریان متناوب متصل می‌شود و میدان مغناطیسی متغیری در اطراف آن ایجاد می‌گردد. هنگامی که یک ماده رسانا مانند فلز درون این میدان قرار می‌گیرد، جریان‌های گردابی (eddy currents) در آن القا می‌شود که به دلیل مقاومت الکتریکی فلز، موجب تولید حرارت و در نهایت ذوب آن می‌گردد. گرمایش در کوره های القایی بدون تماس مستقیم و بدون شعله انجام می‌شود، و این ویژگی باعث یکنواختی گرما و کاهش آلودگی محیطی می‌شود.

کوره های القایی
کورۀ القایی ۱۲ تن

تاریخچۀ کوره های القایی

هانس کریستین اورستد فیزیکدان دانمارکی (۱۸۵۱-۱۷۷۷) کشف کرد که در پیرامون سیم حامل جریان الکتریکی متناوب، میدان مغناطیسی متناوب تشکیل می‌شود. این کشف بسیار مهم آغازی بود بر آنچه که توسط دانشمندانی همچون مایکل فارادی (۱۸۶۷-۱۷۹۱) و جیمز کلارک ماکسول (۱۸۷۹-۱۸۳۱)، آن را تکمیل نموده و در نهایت به معادلات فارادی و معادلات ماکسول منجر گردید.

به بیانی کوتاه می توان گفت که کشف، تحلیل و قابل فهم و استفاده نمودن رابطۀ الکتریسیته و میدان مغناطیسی، دریچۀ جدیدی را به جهان باز نمود. با کشف این روابط، علاوه بر درک و تحلیل بسیاری از پدیده‌ها در جهان، امکان ساخت دستگاه‌ها و تجهیزات جدید نیز در اختیار بشر قرار گرفت.

بشر امروزی، چنان به سادگی از کنار تجهیزاتی همچون موتور الکتریکی، ترانسفورماتور، کورۀ القایی و هزاران محصول دیگر عبور می کند که گویی از ابتدای تاریخ این تجهیزات در اختیار بشر بوده است، در حالی که تاریخ نشان می دهد جهان امروزی و تمامی امکانات در اختیار بشر مدیون کنجکاوی، سخت کوشی، ایثار و از خود گذشتگی دانشمندان مختلفی بوده که هر یک از آنها در طول عمر خود، چه کوتاه و چه بلند، برگ‌هایی از تاریخ را به خود اختصاص داده‌اند.

خلاصۀ تاریخ در یک نگاه، سیر تکامل علم و اختراع چند محصول بسیار کاربردی که امروزه بدون وجود آنها جهان به گونه‌ای دیگر بود را نشان می دهد:

اگرچه کوره های القایی امروزی با فناوری‌های پیشرفته طراحی و ساخته می‌شوند، اما مفهوم گرمایش القایی قدمتی بیش از یک قرن دارد. اصول فیزیکی مربوط به القای الکترومغناطیسی در اواخر قرن نوزدهم توسط مایکل فاراده کشف شد، و در اوایل قرن بیستم، نخستین نمونه‌های ابتدایی کوره های القایی ساخته شدند. در دهه ۱۹۲۰، این نوع کوره ها به تدریج وارد صنعت شدند و برای ذوب فلزات با ظرفیت های محدود مورد استفاده قرار گرفتند. با پیشرفت تکنولوژی در زمینه منابع تغذیه و کنترل الکترونیکی، به‌ویژه پس از دهه ۱۹۵۰، کوره های القایی به تدریج جایگاه مهمی در صنایع متالورژی و ریخته گری پیدا کردند.

انواع کوره های القایی

کوره های القایی به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: کوره های القایی ذوب و کوره های القایی عملیات حرارتی. کوره های ذوب القایی برای ذوب فلزاتی مانند فولاد، چدن، آلومینیوم و مس استفاده می‌شوند و معمولاً دارای بوته‌ای هستند که فلز در آن قرار می‌گیرد و توسط میدان مغناطیسی گرم می‌شود. این کوره‌ها ظرفیت های مختلفی دارند و در صنایع ریخته گری و فولادسازی کاربرد گسترده ای دارند. کاربرد کوره های القایی

در مقابل، کوره‌های عملیات حرارتی القایی برای گرم کردن سطحی یا موضعی قطعات فلزی به کار می‌روند، به‌ویژه در فرآیندهایی مانند سخت کاری، بازپخت یا تنش زدایی. در این نوع کوره ها، گرمایش کنترل شده و دقیق بر روی نواحی مشخصی از قطعه انجام می‌شود، بدون آن‌که نیاز به گرم‌کردن کل حجم آن باشد.

کوره های القایی در اندازه‌ها و ظرفیت‌های بسیار متنوعی تولید می‌شوند تا پاسخگوی نیازهای مختلف صنعتی باشند. ظرفیت این کوره‌ها می‌تواند از چند کیلوگرم برای کاربردهای آزمایشگاهی یا قطعه‌سازی کوچک، تا چندین تن برای صنایع بزرگ فولاد و ریخته گری متغیر باشد. از نظر توان الکتریکی نیز دامنه وسیعی وجود دارد؛ توان برخی کوره های کوچک در حد یکی دو کیلو وات است، در حالی که کوره های صنعتی بزرگ ممکن است تا چند ده مگاوات توان مصرفی داشته باشند. انتخاب ظرفیت و توان مناسب کوره به عواملی مانند نوع فلز، سرعت ذوب مورد نیاز، و نوع کاربرد بستگی دارد.

ریخته گری پیوسته کوره های القایی
کورۀ القایی ده تن در کنار خط ریخته‌گری پیوسته

کاربرد کوره های القایی در تولید آلیاژ

در تولید فولاد های آلیاژی و آلیاژ های خاص، استفاده از کوره های ذوب القایی به دلیل ویژگی‌های کنترل‌پذیر آن ها مزیت قابل توجهی دارد. یکی از دلایل اصلی این مزیت، گرمایش غیر مستقیم و بدون شعله است که باعث می‌شود احتمال آلودگی فلز مذاب با گازهای مضر یا ناخالصی های ناشی از سوخت های فسیلی به حداقل برسد. همچنین، کوره‌های القایی امکان کنترل دقیق دما و زمان ذوب را فراهم می‌کنند، که برای ترکیب دقیق عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، مولیبدن یا وانادیم ضروری است. نبود اکسیژن و احتراق مستقیم، نرخ اکسیداسیون را کاهش می‌دهد که در حفظ ترکیب شیمیایی آلیاژها اهمیت بالایی دارد.

عملیات حرارتی با کوره های القایی

کوره‌های القایی عملیات حرارتی در فرآیندهای متنوعی از جمله آنیل، سخت‌کاری، تمپرینگ و نرماله‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنیل (Annealing) فرآیندی است که طی آن قطعه فلزی تا دمای معینی گرم شده و سپس به‌آرامی سرد می‌شود تا ساختار کریستالی آن نرم‌تر شده، تنش‌های داخلی کاهش یابد و قابلیت ماشین‌کاری یا شکل‌پذیری بهبود یابد. سخت‌کاری (Hardening) با گرم کردن سریع سطح قطعه و سپس سرد کردن ناگهانی (مثلاً با آب یا روغن) انجام می‌شود تا سطح قطعه سخت و مقاوم به سایش شود. تمپرینگ (Tempering) به معنی گرم‌کردن مجدد قطعه سخت‌شده تا دمایی پایین‌تر از دمای سخت‌کاری است تا شکنندگی آن کاهش یابد. نرماله‌سازی (Normalizing) نیز شامل گرم‌کردن قطعه تا دمای بالا و سپس سرد شدن در هوای آزاد است که به یکنواخت‌سازی ساختار دانه‌بندی و بهبود خواص مکانیکی کمک می‌کند. این فرآیندها با استفاده از گرمایش دقیق و کنترل‌شده القایی، می‌توانند تنها بر بخش‌های خاصی از قطعه اعمال شوند، بدون آن‌که کل حجم آن نیاز به گرم شدن داشته باشد.

کوره عملیات حرارتی
کورۀ القایی پیشگرم برای عملیات فورج