دراسة حالة إفرادية: عملية صهر الألومنيوم بالحث الحثي
الهدف
لإذابة خردة الألومنيوم والعلب بكفاءة باستخدام تقنية التسخين بالحث الحثيتحقيق الكفاءة المثلى للطاقة مع الحفاظ على الألومنيوم المصهور عالي الجودة في درجة الحرارة المطلوبة لعمليات الصب.
المعدات
- مولد تدفئة بالحث الحثي: سعة 160 كيلوواط
- سعة البوتقة: فرن صهر 500 كجم ألومنيوم 500 كجم
- نوع الفرن: فرن الحث المائل الهيدروليكي
- نظام التبريد: دائرة تبريد برج المياه المغلقة
- مناولة المواد: رافعة علوية (سعة 2 طن)
- معدات السلامة: أجهزة مراقبة درجة الحرارة، ونظام الإغلاق في حالات الطوارئ، ومعدات الحماية الشخصية
- نظام الترشيح: مرشحات رغوة السيراميك لتنقية الألومنيوم المصهور
- نظام العادم: شفاط استخلاص الدخان مع الترشيح
نظام التحكم في النظام
تتم إدارة العملية من خلال نظام PLC (وحدة تحكم منطقي قابلة للبرمجة) يتميز:
- وحدة تحكم ألين برادلي كومباكتلوجيكس
- واجهة شاشة لمس HMI مع تمثيل رسومي لمعلمات العملية
- المراقبة في الوقت الحقيقي لـ
- مدخلات الطاقة (كيلوواط)
- تيار الملف (A)
- التردد (كيلوهرتز)
- درجة حرارة تبريد المياه (مدخل/مخرج)
- درجة حرارة المعدن عبر المزدوجة الحرارية
- إمكانيات تسجيل البيانات لتحسين العملية
- أنظمة إنذار لظروف التشغيل غير الطبيعية
- أوضاع تشغيل متعددة (يدوي، شبه أوتوماتيكي، أوتوماتيكي)
- تخزين الوصفة لأنواع سبائك الألومنيوم المختلفة
ملف الحث
- التصميم: لفائف حلزونية متعددة اللفات مصممة خصيصًا
- الإنشاءات: أنابيب نحاسية مبردة بالماء (قطر 25 مم)
- المنعطفات: 12 لفة مع مسافات محسنة للتدفئة المنتظمة
- العزل: عازل من الألياف الخزفية ذات درجة الحرارة العالية (مصنفة حتى 1200 درجة مئوية)
- حماية الملف: طلاء سيراميك مضاد للرذاذ
- التوصيلات الكهربائية: قضبان ناقل نحاسية مطلية بالفضة
- نظام التبريد: دائرة مياه مخصصة مع أجهزة مراقبة التدفق (الحد الأدنى لمعدل التدفق: 45 لتر/دقيقة)
التردد
- تردد التشغيل: 8 كيلوهرتز
- تم اختياره لعمق اختراق مثالي في الألومنيوم (3.5 مم تقريبًا)
- الحفاظ على ثبات التردد في حدود ± 0.2 كيلوهرتز أثناء التشغيل
- تعديل التردد التلقائي بناءً على ظروف التحميل
المواد
- البوتقة بوتقة غرافيت عالية الكثافة مضغوطة بشكل متساوي الكثافة
- سُمك الجدار: 50 مم
- عمر الخدمة: 100 دورة انصهار تقريباً
- الموصلية الحرارية: 120 وات/(م-ك)
- مواد الشحن:
- خردة بثق الألومنيوم (70%)
- علب مشروبات ألومنيوم مستعملة (20%)
- ماكينات خراطة الألومنيوم (10%)
- متوسط حجم المادة: 50-200 مم
درجة الحرارة
- درجة حرارة الانصهار المستهدفة: 720 درجة مئوية (± 10 درجات مئوية)
- درجة حرارة الشحن الأولي: 25 درجة مئوية (محيطة)
- معدل التسخين: 10 درجات مئوية/دقيقة تقريباً
- التحقق من درجة الحرارة: المزدوجة الحرارية الغاطسة (من النوع K) مع قراءة رقمية
- الحفاظ على السخونة الفائقة لمدة 20 دقيقة قبل السكب
- الحد الأقصى لدرجة الحرارة القصوى: 760 درجة مئوية (لمنع الأكسدة المفرطة)
استهلاك الطاقة
- متوسط استهلاك الطاقة: 378 كيلوواط ساعة/طن
- معامل القدرة: 0.92 (مع تصحيح معامل القدرة)
- توزيع الطاقة المحددة:
- الطاقة النظرية المطلوبة لصهر الألومنيوم: 320 كيلو واط ساعة/طن
- الفاقد الحراري 58 كيلو واط ساعة/طن
- كفاءة النظام: 84.7%
العملية
| مرحلة العملية | الوقت (دقيقة) | مدخلات الطاقة (كيلوواط) | درجة الحرارة (درجة مئوية) | الملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الشحنة الأولية | 0 | 0 | 25 | 500 كجم خردة ألومنيوم 500 كجم محملة |
| التسخين المسبق | 0-15 | 80 | 25-200 | زيادة الطاقة تدريجياً لإزالة الرطوبة |
| مرحلة التدفئة 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | تبدأ المادة في الانهيار |
| مرحلة التسخين 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | يحدث الذوبان الكامل |
| الاحتفاظ بدرجة الحرارة | 55-75 | 40 | 720 | الحفاظ على درجة الحرارة المستهدفة |
| إضافة التدفق | 60 | 40 | 720 | 0.5% تدفق 0.5% مضاف لإزالة الشوائب |
| إزالة الغازات | 65 | 40 | 720 | تطهير غاز النيتروجين لمدة 5 دقائق |
| أخذ العينات والتحليل | 70 | 40 | 720 | التحقق من التركيب الكيميائي |
| الصب | 75-85 | 0 | 720-700 | الصب المتحكم به في القوالب |
| تنظيف الأفران | 85-100 | 0 | – | إزالة الخبث، وفحص البوتقة |
السرد
تُظهر عملية صهر الألومنيوم في مسبك XYZ فعالية الصهر بالحث لإعادة تدوير خردة الألومنيوم والعلب. وتبدأ العملية بالفرز الدقيق وتحضير مواد الشحن لإزالة الملوثات مثل الدهانات والطلاءات والمواد الغريبة التي يمكن أن تؤثر على جودة الصهر.
أثناء دورة الصهر النموذجية، يتم تحميل شحنة 500 كجم في بوتقة الجرافيت الموضوعة داخل ملف الحث. ويبدأ نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة القابلة للبرمجة في بدء تسلسل زيادة الطاقة المبرمجة لمنع حدوث صدمة حرارية للبوتقة. ومع زيادة الطاقة، يستحث المجال الكهرومغناطيسي تيارات دوامة في الألومنيوم، مما يولد حرارة من داخل المعدن نفسه.
تُعد مرحلة التسخين الأولي ضرورية لإزالة الرطوبة والمواد المتطايرة. عندما تقترب درجة الحرارة من 660 درجة مئوية (نقطة انصهار الألومنيوم)، تبدأ المادة في الانهيار وتشكيل تجمع منصهر. يراقب المشغل العملية من خلال واجهة HMI، ويقوم بإجراء التعديلات حسب الحاجة بناءً على البيانات في الوقت الفعلي.
والجدير بالذكر أن تحليل البيانات يكشف أن التشغيل الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة يحدث خلال مرحلة التسخين الرئيسية، حيث يصل استخدام الطاقة إلى أقصى قدر من الكفاءة. ويمثل استهلاك الطاقة البالغ 378 كيلو وات/طن من الطاقة تحسنًا قدره 151 تيرابايت/طن مقارنة بأفران الصهر السابقة التي تعمل بالغاز في المنشأة.
توحيد درجة الحرارة عبر الذوبان ممتاز بسبب تأثير التحريك الطبيعي الناتج عن المجال الكهرومغناطيسي. وهذا يلغي الحاجة إلى التحريك الميكانيكي ويقلل من تكوين الأكسيد. يحافظ نظام التبريد ذو الحلقة المغلقة على درجات حرارة التشغيل المثلى لملف الحث والمكونات الكهربائية، ويستعيد الحرارة المهدرة للتسخين المسبق للمواد الواردة.
بعد الوصول إلى درجة الحرارة المستهدفة البالغة 720 درجة مئوية، تتم إضافة التدفق لتسهيل إزالة الشوائب غير المعدنية. يقلل التطهير بغاز النيتروجين من خلال رمح الجرافيت من محتوى الهيدروجين، مما يقلل من المسامية المحتملة في المسبوكات النهائية. قبل الصب، يتم أخذ عينات للتحقق من التركيب الكيميائي وإجراء أي تعديلات ضرورية.
تسمح آلية الإمالة الهيدروليكية بالتحكم الدقيق في الصب، مما يقلل من الاضطراب وتكوين الأكسيد أثناء عملية الصب. تكتمل العملية بأكملها في غضون 100 دقيقة من البداية الباردة إلى الصب النهائي، مما يمثل توفيرًا كبيرًا في الوقت مقارنة بالطرق التقليدية.
النتائج/الفوائد
| المعلمة | النظام السابق الذي يعمل بالغاز | نظام الحث | التحسينات |
|---|---|---|---|
| استهلاك الطاقة (كيلوواط ساعة/طن) | 445 | 378 | تخفيض 15% |
| وقت الذوبان (دقيقة/500 كجم) | 140 | 100 | 29% تخفيض 29% |
| فقدان المعادن (%) | 5.2 | 2.8 | تخفيض 46% |
| انتظام درجة الحرارة (± درجة مئوية) | ±25 | ±10 | تحسين 60% |
| انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (كجم/طن من الألومنيوم) | 142 | 64* | تخفيض 55% |
| ساعات العمل (ساعة/طن) | 1.8 | 0.9 | تخفيض 50% |
| تكلفة الصيانة السنوية ($) | $32,500 | $18,700 | تخفيض 42% |
| الطاقة الإنتاجية (طن/يوم) | 4.2 | 6.0 | زيادة 43% |
| جودة المنتج (معدل العيوب %) | 3.5 | 1.2 | تخفيض 66% |
| درجة حرارة مكان العمل (درجة مئوية) | 38 | 30 | تحسين 21% |
*على أساس مزيج توليد الكهرباء المحلي
تنفيذ نظام الصهر بالحث الحثي حققت فوائد تشغيلية وبيئية واقتصادية كبيرة. وقد ساهم التحكم الدقيق في درجة الحرارة وتقليل وقت الصهر في الحصول على مصبوبات ذات جودة أعلى مع عيوب أقل. وقد أدت تحسينات كفاءة الطاقة إلى تقليل تكاليف التشغيل والأثر البيئي. وبالإضافة إلى ذلك، أثرت ظروف العمل المحسنة وانخفاض متطلبات العمالة بشكل إيجابي على رضا القوى العاملة وإنتاجيتها.