Případová studie: Indukční proces tavení hliníku

Cíl

Efektivní tavení hliníkových zbytků a plechovek pomocí technologie indukčního ohřevu, čímž se dosáhne optimální energetické účinnosti a zároveň se udrží vysoká kvalita roztaveného hliníku při teplotě potřebné pro odlévání.

Vybavení

• Indukční topný generátor: Výkon 160 kW
• Kapacita kelímku: 500 kg tavicí pec na hliník
• Typ pece: Hydraulická naklápěcí indukční pec
• Chladicí systém: Uzavřený chladicí okruh vodní věže
• Manipulace s materiálem: Mostový jeřáb (nosnost 2 tuny)
• Bezpečnostní vybavení: Zařízení pro sledování teploty, systém nouzového vypnutí, osobní ochranné prostředky
• Filtrační systém: Keramické pěnové filtry pro čištění roztaveného hliníku
• Výfukový systém: Odsavač par s filtrací
  

  

Řídicí systém

Proces je řízen systémem PLC (Programmable Logic Controller), který obsahuje:

• Řídicí jednotka Allen-Bradley CompactLogix
• Rozhraní HMI s dotykovou obrazovkou s grafickým zobrazením procesních parametrů
• Monitorování v reálném čase:
  • Příkon (kW)
  • Proud cívky (A)
  • Frekvence (kHz)
  • Teplota vodního chlazení (vstup/výstup)
  • Teplota kovu pomocí termočlánku
• Možnost záznamu dat pro optimalizaci procesu
• Alarmové systémy pro abnormální provozní podmínky
• Více provozních režimů (manuální, poloautomatický, automatický)
• Skladování receptur pro různé typy hliníkových slitin

Indukční cívka

• Design: Na zakázku navržená spirálová cívka s více otáčkami
• Konstrukce: Vodou chlazené měděné trubky (průměr 25 mm)
• Obraty: 12 závitů s optimalizovanými roztečemi pro rovnoměrný ohřev
• Izolace: Vysokoteplotní izolace z keramických vláken (do 1200 °C)
• Ochrana cívky: Keramický povlak proti rozstřiku
• Elektrická připojení: Postříbřené měděné přípojnice
• Chladicí systém: Vyhrazený vodní okruh s monitory průtoku (minimální průtok: 45 l/min)

Frekvence

• Pracovní frekvence: 8 kHz
• Zvoleno pro optimální hloubku průniku do hliníku (přibližně 3,5 mm).
• Stabilita frekvence udržovaná v rozmezí ±0,2 kHz během provozu
• Automatické nastavení frekvence na základě podmínek zatížení

Materiál

• Crucible: Izo-staticky lisovaný grafitový kelímek s vysokou hustotou
  • Tloušťka stěny: 50 mm
  • Životnost: přibližně 100 tavicích cyklů
  • Tepelná vodivost: 120 W/(m-K)
• Nabíjecí materiály:
  • Hliníkový vytlačovací šrot (70%)
  • Použité hliníkové plechovky od nápojů (20%)
  • Hliníkové strojní soustruhy (10%)
  • Průměrná velikost materiálu: 50-200 mm

Teplota

• Cílová teplota tání: 720 °C (±10 °C)
• Počáteční teplota nabíjení: 25 °C (okolní teplota)
• Rychlost ohřevu: přibližně 10 °C/minutu
• Ověření teploty: Ponořovací termočlánek (typ K) s digitálním odečtem.
• Přehřátí udržované po dobu 20 minut před zalitím
• Maximální teplota: 760 °C (aby se zabránilo nadměrné oxidaci)

Spotřeba energie

• Průměrná spotřeba energie: 378 kWh/t
• Účiník: 0,92 (s korekcí účiníku)
• Specifické rozdělení energie:
  • Teoretická energie potřebná k tavení hliníku: 320 kWh/t
  • Tepelné ztráty: 58 kWh/t
• Účinnost systému: 84,7%

Proces

Vyprávění

Provoz tavení hliníku ve slévárně XYZ demonstruje účinnost indukčního tavení při recyklaci hliníkového šrotu a plechovek. Proces začíná pečlivým tříděním a přípravou vsázkových materiálů, aby se odstranily nečistoty, jako jsou barvy, nátěry a cizí materiály, které by mohly ovlivnit kvalitu taveniny.

Během typického tavicího cyklu je 500 kg náplň vložena do grafitového kelímku umístěného v indukční cívce. Systém PLC spustí naprogramovanou sekvenci náběhu výkonu, aby se zabránilo tepelnému šoku kelímku. S rostoucím výkonem indukuje elektromagnetické pole v hliníku vířivé proudy, které generují teplo zevnitř samotného kovu.

Počáteční fáze předehřevu je rozhodující pro odstranění vlhkosti a těkavých látek. Jakmile se teplota přiblíží 660 °C (bod tání hliníku), materiál se začne hroutit a vytvářet roztavenou louži. Obsluha sleduje proces prostřednictvím rozhraní HMI a podle potřeby provádí úpravy na základě údajů v reálném čase.

Z analýzy dat vyplývá, že k energeticky nejúčinnějšímu provozu dochází během hlavní fáze ohřevu, kdy využití energie dosahuje maximální účinnosti. Spotřeba energie 378 kWh/t představuje zlepšení o 15% oproti předchozím plynovým tavicím pecím v zařízení.

Teplotní rovnoměrnost v celé tavenině je vynikající díky přirozenému míchacímu efektu, který vytváří elektromagnetické pole. Tím se eliminuje potřeba mechanického míchání a snižuje se tvorba oxidů. Chladicí systém s uzavřenou smyčkou udržuje optimální provozní teplotu indukční cívky a elektrických součástí a zpětně získává odpadní teplo pro předehřev vstupních materiálů.

Po dosažení cílové teploty 720 °C se přidá tavidlo, aby se usnadnilo odstranění nekovových vměstků. Proplachování dusíkem přes grafitové kopí snižuje obsah vodíku, čímž se minimalizuje potenciální pórovitost konečných odlitků. Před litím se odeberou vzorky pro ověření chemického složení a provedení případných úprav.

Hydraulický naklápěcí mechanismus umožňuje přesné řízení lití, snižuje turbulence a tvorbu oxidů během procesu lití. Celá operace je dokončena do 100 minut od studeného startu po hotové lití, což představuje významnou časovou úsporu ve srovnání s tradičními metodami.

Výsledky/přínosy

*Na základě místního mixu výroby elektřiny

Provádění indukční tavicí systém přinesla významné provozní, environmentální a ekonomické výhody. Přesné řízení teploty a zkrácení doby tavení přispělo k vyšší kvalitě odlitků s menším počtem vad. Zlepšení energetické účinnosti snížilo provozní náklady i dopad na životní prostředí. Zlepšené pracovní podmínky a snížené požadavky na pracovní sílu navíc pozitivně ovlivnily spokojenost a produktivitu pracovníků.