Alberto Ramirez

Nikola Tesla afirmó: <<Si quieres descubrir los secretos del universo, concéntrate en la energía, la frecuencia y la vibración.>>

Al revisar los mecanismos internos de un sistema de inducción es posible evidenciar cada uno de estos tres elementos. Los 10 pasos de esta guía servirán para apoyar a los operadores de departamentos internos de tratamiento térmico en entender los secretos de la inducción para así identificar posibles escollos en tales sistemas y dar solución a problemas comunes que se puedan presentar.

This original content article was first written by Alberto Ramirez, engineer of Power Supply and Automation at Contour Hardening, Inc. and an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021, for Heat Treat Today’s May 2023 Sustainable Heat Treat Technologies print edition. Read the Spanish version below, or click the flag above right for the English version.

Puedes hacerlos llegar a Bethany Leone al correo bethany@heattreattoday.com

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Los metales pueden calentarse mediante el proceso de inducción electromagnética, mediante el cual un campo magnético alternativo cerca de la superficie de una pieza de trabajo metálica (o conductora de electricidad) induce corrientes de Eddy (y, por lo tanto, calentamiento) dentro de la pieza de trabajo.

Los sistemas de inducción pueden llegar a ser sistemas complejos que tienen como objetivo endurecer piezas o secciones específicas de un componente mecánico, dependiendo del grado de complejidad de la pieza a tratar; para el profesional, el desafío será el diagnóstico de los problemas que se lleguen a presentar.

1. Familiarízate con el proceso

El proceso de inducción envuelve muchas características tales como: posición de la pieza dentro de la bobina de inducción, posiciones de carga, posiciones de enfriamiento, tiempos de ciclo, potencia eléctrica aplicada, entre otras. Es importante que el profesional sea capaz de identificar la falla y la situación particular en el momento en el que se está presentando.

En algunas ocasiones las fallas no son evidentes y, por ende, es indispensable analizar la pieza que ha sido tratada; este análisis puede ser clave para entender situaciones tales como: falta de profundidad de capa por potencia eléctrica o disminución en la frecuencia de salida, entre otros posibles escenarios.

Adicional al análisis de la pieza, es vital inspeccionar la “escena del crimen” ya que muchos de los sistemas de inducción, dada la naturaleza del proceso y el peligro que implica manejar altos potenciales eléctricos, suelen ser en extremo automatizados y las estaciones de trabajo de difícil acceso para el personal, así que una buena estrategia de trabajo consiste en observar detenidamente las condiciones generales del equipo para determinar el punto de inicio para la resolución del problema.

2. Identifica los componentes principales de tu sistema de inducción, así como los mecanismos de seguridad para ciertas zonas en particular

Entender la interrelación del sistema es importante para comprender qué elemento realiza cierta acción, así como los canales de comunicación entre ellos. Una vez que se genere este conocimiento, se puede asociar una falla a un componente en particular. Usualmente los sistemas de inducción se componen de los siguientes elementos:

Como mencionamos con anterioridad el proceso implica altos potenciales eléctricos, y para eso la naturaleza de las fuentes de alimentación involucra dispositivos electrónicos de potencia, como capacitores eléctricos, los cuales almacenan energía y, por ende, es importante descargar eléctricamente el sistema antes de comenzar a inspeccionar un equipo.

3. Ten preparadas las herramientas necesarias para realizar un buen análisis del problema

Al igual que cualquier problem técnico, el uso de la herramienta mecánica es indispensable al realizar algún tipo de proyecto, pero para el diagnóstico de una falla en un equipo de inducción es importante contar con:

• Osciloscopio
• Generador de funciones
• Amperímetro
• Multímetro digital y analógico.
• Sondas de alto voltaje

Sin estos elementos es muy difícil llegar a un diagnóstico fiable, y  la posibilidad de encontrar la falla es mínima. Por ende, tener estos medidores en buen estado y, sobre todo, calibrados nos da una perspectiva más clara del problema.

4. Verifica que los sensores del proceso, los monitores de energía y las bobinas de inducción funcionen correctamente

Existen distintos medidores que recogen información acerca del proceso; esta información en su mayoría puede ser visualizada a través del HMI (Human Machine Interface), y, en muchas ocasiones, una buena manera de comenzar a entender el problema es recopilar la información del proceso. Si los medidores no funcionan correctamente, te pueden llevar a conclusiones erróneas.

Verifica que los medidores de energía estén funcionando correctamente, así como tus señales de entrada y de salida.

Las bobinas de inducción son un elemento clave en el proceso de inducción ya que acorde a su geometría generan los campos magnéticos adecuados para lograr los resultados metalúrgicos esperados. Si existen fugas de agua o los elementos de transmisión eléctrica se encuentran sueltos o sucios, seguramente podrán ser la raíz del problema. Es importante comenzar a realizar el diagnóstico de la falla una vez se haya descartado este circuito en particular.

5. Realiza estudios de energía constante en tu subestación para identificar posibles problemas en tu suministro de energía, así como tiempos críticos

La energía eléctrica es la fuente principal en un proceso de inducción; las fuentes de alimentación transforman y potencializan este recurso para crear campos electrónicos lo suficientemente fuertes para generar el calor en la pieza.

Por ende, es importante descartar con evidencia que el problema en cual nos encontramos no se debe a una falla del sistema eléctrico del cual nuestro sistema de inducción forma parte. De igual manera entender cómo se comporta nuestro sistema eléctrico nos puede ayudar a generar patrones de comportamiento que puedan determinar la solución en momentos específicos en los que se lleguen a presentar.

6. Trabaja de forma metódica documentando tus movimientos y realiza un paso a la vez

Los sistemas de inducción pueden ser muy intimidantes si no has tenido experiencia previa, y, al igual que con cualquier elemento o situación, es importante abordar de manera lógica el problema analizando el modo de la falla, identificando las partes principales que interactúan en ese preciso momento, y, a partir de este análisis, documentar y realizar pequeños pasos, uno a la vez, ya que, de no ser así, es muy probable que pierdas todo el trabajo realizado y la situación empeore.

Si los movimientos no son exitosos, siempre puedes regresar a tu punto de partida e intentar otro acercamiento. La idea consiste en que el modo de la falla se mantenga estable sin importar los movimientos realizados hasta que se resuelva el problema. De esta manera lograrás contener la falla; de otra manera podrías estar dañando otros elementos sin darte cuenta.

Es muy importante entender que los procesos son secuencias que anteceden y preceden a nuevos eventos; si entiendes el proceso y, una vez resuelto el problema, ahora tienes una nueva falla, es importante analizar si esta falla es la continuación del proceso ya que, de ser así, es posible que te encuentres frente al caso de un evento que está desencadenado una serie de fallas y se haga necesario practicar un análisis más profundo. La idea general es llegar a la raíz del problema y mitigar el riesgo.

7. Intenta cualquier posibilidad relacionada con el proceso sin importar que la relación entre ésta y el problema no sea directa

Un pensamiento lógico puede resolver la mayoría de las fallas técnicas de un sistema, pero, para fallas excepcionales, es necesario utilizar la imaginación y agotar todos los recursos posibles ya que el área de interés más insignificante o el lugar menos pensado puede ser la clave para resolver un problema.

8. Conoce tus fuentes de alimentación

Uno de los factores claves en cualquier equipo de inducción son sus fuentes de alimentación. Las fuentes de alimentación son equipos que no requieren un mantenimiento tan arduo en comparación con otros sistemas en la industria, pero, de no presentarse las condiciones mínimas de mantenimiento, pueden generar altas pérdidas para la organización.

En los casos en los que el problema se encuentra en las fuentes de alimentación, es vital que se siga el mismo proceso metódico previamente descrito. Entender cómo funciona el proceso de transformación de la energía te dará una ventaja, al igual que conocer los componentes empleados o el tipo de tecnología utilizado en el proceso de rectificación, en la inversión (estado sólido o tubos de electrones) y en el circuito resonante. Generalmente las fuentes de alimentación siguen el siguiente patrón de transformación (Figura 6).

9. Identifica las partes críticas de tu equipo de inducción y prepara un inventario de éstas

Usualmente los componentes que forman parte de las fuentes de alimentación son difíciles de conseguir dependiendo de la antigüedad de tu equipo, y con la reciente crisis de microchips en el mercado, existen tiempos de entrega muy largos para los elementos de control y automatización; de igual manera, los precios de los mismos se han disparado. Por ende, es vital que exista una lista de partes críticas y un inventario de éstas.

Adicionalmente a los elementos descritos, las bobinas de inducción suelen ser elementos muy característicos e importantes en el proceso de inducción. Éstas bobinas son elementos complejos que han sido diseñados exclusivamente para la pieza, por lo que su fabricación puede tomar varias semanas, y es importante tomar las precauciones necesarias para mantener un movimiento de mantenimiento constante.

10. Realiza mediciones preventivas al sistema para generar un patrón de comportamiento

Cuando el sistema se encuentre trabajando en óptimas condiciones, genera un plan de medición el cual te permita recopilar información de puntos específi cos dentro del sistema. Una vez que se vuelva a presentar una nueva falla puedes comparar las mediciones de falla contra las del buen funcionamiento. Algunos ejemplos de mediciones pueden ser:

• Temperatura
• Voltaje
• Corriente eléctrica
• Resistencia y capacitancia
• Formas de onda

En resumen

Una metodología de trabajo ordenada y documentada, un buen catálogo de piezas de recambio, junto con las herramientas de trabajo necesarias, pueden ser elementos clave para entender un problema y, lo que es más importante, resolverlo de forma eficaz.

Es vital que los profesionales se capaciten de manera constante para mejorar los tiempos de paro debido a fallas en los sistemas de inducción. La capacitación relacionada con procesos metalúrgicos sería una buena forma de complementar tus habilidades de resolución de problemas permitiéndote interpretar las características de los sistemas de inducción, al igual que de los elementos que los componen.

 

Bibliografía

Valery Rudnev and George Totten, ed., ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, (Materials Park, OH: ASM International Heat Treating Society, 2014), 581- 583

 

Sobre el autor: Alberto C. Ramirez es ingeniero en Mecatrónica egresado del Instituto Tecnológico Nacional de México Campus León con una maestría en Administración de Tecnologías de la Información por el Instituto Tecnológico de Monterrey. Cuenta con más de 8 años de experiencia en fuentes de alimentación, gestión de proyectos, mantenimiento y automatización. Actualmente se desempeña como ingeniero de fuentes de alimentación y automatización en Contour Indianapolis. Alberto inició su carrera en la fi lial de Contour en México y debido a su dedicación forma parte del staff en los Estados Unidos.

He is also an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021.

Para más información:

Contacta a Alberto escribiendo a: aramirez@contourhardening.com.

 

 

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Nikola Tesla said, “If you want to find the secrets of the universe, think in terms of energy, frequency, and vibration.” These three components are evident in getting to know the inner workings of an induction system. When it comes to troubleshooting such a system at in-house heat treat departments, this 10 step guide will help heat treat operators understand the secrets of induction and solve common problems that may arise.

This original content article was first written by Alberto Ramirez, engineer of Power Supply and Automation at Contour Hardening, Inc. and an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021, for Heat Treat Today’s May 2023 Sustainable Heat Treat Technologies print edition.

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Metals can be heated by the process of electromagnetic induction, whereby an alternative magnetic field near the surface of a metallic (or electrically conductive) workpiece induces eddy current (and thus heat) within the workpiece. Induction systems can be complex systems that aim to heat treat specific parts or sections of a mechanical component; depending on the degree of complexity of the part to be treated, it will be the challenge of a professional to detect any problem.

1. Familiarize Yourself with the Process

The induction process involves many characteristics such as: position of the piece within the induction coil, load positions, cooling positions, cycle times, applied electric power, and others. It is important that the professional can identify the failure and the particular situation at the moment in which it is occurring.

On some occasions, the failures are not evident and therefore it is essential to analyze the part that has been treated. This analysis can be key to understanding situations such as poor depth due to electrical power or decrease in output frequency, among other possible scenarios.

In addition to the analysis of the piece, it is vital to inspect the “crime scene,” since many of the induction systems – given the nature of the process and the danger involved in handling high electrical potentials – are usually highly automated and the work stations are difficult for staff to access. A good work strategy consists of carefully observing the general conditions of the equipment to determine where the problem will begin to be solved.

2. Identify Main Components and Certain Security Mechanisms of Your Induction System

Understanding the interrelationship of the system is important to comprehend which element performs a certain action, as well as the communication channels between them. Once this knowledge is generated, a failure can be associated with a particular component. Induction systems are usually made up of the elements in Figure 2.

As we mentioned before, the process involves high electrical potentials, and for this reason, the nature of the power supplies involves power electronic devices such as electrical capacitors, which store energy. Therefore, it is important to electrically discharge the system before beginning to inspect a piece of equipment.

3. Have the Necessary Tools Ready To Carry Out a Good Analysis of the Problem

Like any technical problem, the use of a mechanical tool is essential when carrying out some type of project, but for the diagnosis of failure in induction equipment it is important to have:

• Oscilloscope
• Function generator
• Ammeter
• Digital and analog multimeter
• High voltage probes

Without these elements it is exceedingly difficult to reach a reliable diagnosis, and the possibility of finding the fault is minimal. Therefore, having these meters in good condition and above all, calibrated, gives a clearer perspective of the problem.

4. Verify that the Process Sensors, Power Monitors, and Induction Coils Are Working Properly

There are different meters that collect information about the process. This information can mostly be viewed through the HMI (human machine interface). On many occasions, a good way to begin to understand the problem is by collecting the information on the process. If these meters do not work correctly, they can lead you to wrong conclusions.

Verify the energy meters are working correctly, as well as your input and output signals.

Induction coils are a key element in the induction process since, according to their geometry, they generate the appropriate magnetic fields to achieve the expected metallurgical results. If there are water leaks or the electrical transmission elements are loose or dirty, it could be the root cause of the problem. It is important to start troubleshooting once this circuit is ruled out.

5. Carry Out Studies of Constant Energy in Your Substation To Identify Possible Problems in Your Energy Supply, Including Critical Times

Electrical energy is the main source in an induction process, power supplies transform and potentiate this resource to create electronic fields strong enough to generate heat in the piece.

Therefore, it is important to find evidence that rules out failures of the electrical system that the induction system is a part of. In the same way, understanding how our electrical system behaves can help us generate behavior patterns that can determine the solution at specific times when it may arise.

6. Document Your Work Methodically and Take One Step at a Time

Induction systems can be very intimidating if you have not had previous experience, and, like any element or situation, it is important to logically approach the problem by analyzing the failure mode, identifying the main parts that interact at that specific moment. From there, document and take small steps, one at a time. If you don’t, it is very likely you will lose all the work you have done, and the situation will get worse.

If the moves are unsuccessful, you can always return to your starting point and try another approach. The idea is that the failure mode remains the same no matter what moves you make until the problem is resolved. In this way you will have the failure contained, otherwise you could be damaging other elements without realizing it.

It is very important to understand that the processes are sequences that precede and proceed new events. If you understand the process and solve a problem, but now have a new failure, it is important to analyze if this failure is the continuation of the process. If so, it is possible that you find yourself in a case where an event is triggering a series of failures. Therefore, a more in-depth analysis must be carried out. The idea to generate is to get to the root cause and mitigate the risk.

7. Try Any Possibility Related to the Process Regardless of Whether the Relationship Between It and the Problem Is Not Direct

Logical thinking can solve most of the technical failures of a system. For exceptional failures, however, it is necessary to use your imagination and exhaust all possible resources, since the smallest area of interest or the least thoughtful place can be the key to solving a problem.

8. Get To Know Your Power Supplies

One of the key factors in any induction equipment is its power supplies. Power supplies are equipment that do not require such arduous maintenance compared to other systems in the industry, but if the minimum maintenance conditions are not present, they can generate high losses for the organization.

In cases where the problem is the power supplies, it is vital that the same methodical process previously described is followed. Understanding how the energy transformation process works will give you an advantage, as will knowing the elements that compose them or the type of technology used in the rectification process, in the inversion (solid state or electron tubes) and in the resonant circuit. Generally, power supplies follow the transformation in Figure 6.

9. Identify the Critical Parts of Your Induction Equipment and Prepare an Inventory

Usually, the elements that belong to the power supplies are difficult to obtain depending on the age of your equipment. With the recent microchip crisis in the market, control and automation elements have very long delivery times or the prices are very high. Therefore, it is vital that there is a list of critical parts and an inventory of these.

In addition to the elements described, induction coils are usually very characteristic and important elements in the induction process. These coils are complex elements that have been designed exclusively for the piece, so their manufacture can take several weeks, and the necessary precautions must be taken to maintain a constant maintenance movement.

10. Perform Preventative Measurements to the System To Generate a Pattern of Behavior

When the system is working in optimal conditions, generate a measurement plan which allows you to generate information on specific points within the system. Once a new failure occurs again you can compare the measurements of failure against those of good performance. Some examples of measurements can be:

• Temperature
• Voltage
• Current
• Resistance and capacitance
• Waveforms

Summary

An orderly and documented work methodology, a good spare parts catalog, and the necessary work tools can be key elements to understand a problem and, more importantly, to solve it effectively.

It is vital that professionals are in continuous training in order to decrease downtime due to failures in induction systems. Training related to metallurgical processes would be a good way to complement your resolution skills by being able to interpret the characteristics of induction systems with the elements that compose it.

 

References

Valery Rudnev and George Totten, ed., ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, (Materials Park, OH: ASM International Heat Treating Society, 2014), 581- 583.

 

About the Author: Alberto C. Ramirez graduated from the National Technical Institute of Mexico as a mechatronics engineer. He earned his master’s degree in information technology administration from Monterrey Institute of Technology. With more than eight years of experience in power supplies, project management, maintenance, and automation, he currently works as a Power Supply and Automation Engineer at Contour Indianapolis. Alberto began his career at the Contour subsidiary in Mexico and due to his dedication, he is part of the staff in the United States. He is also an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021.

For more information:

Contact Alberto at Contact Alberto at aramirez@contourhardening.com.

 

 

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