Casestudie: Induktionsproces til smeltning af aluminium

Målsætning

At smelte aluminiumsrester og dåser effektivt ved hjælp af teknologi til induktionsopvarmningog opnår optimal energieffektivitet, samtidig med at smeltet aluminium af høj kvalitet opretholdes ved den nødvendige temperatur til støbeoperationer.

Udstyr

• Generator til induktionsopvarmning: 160 kW kapacitet
• Smeltedigel Kapacitet: 500 kg smelteovn til aluminium
• Ovntype: Hydraulisk vippende induktionsovn
• Kølesystem: Lukket kølekredsløb i vandtårnet
• Materialehåndtering: Traverskran (2 tons kapacitet)
• Sikkerhedsudstyr: Temperaturovervågningsenheder, nødstopssystem, personlige værnemidler
• Filtreringssystem: Keramiske skumfiltre til rensning af smeltet aluminium
• Udstødningssystem: Røgudsugningshætte med filtrering
  

  

Kontrollerende system

Processen styres af et PLC-system (Programmable Logic Controller) med:

• Allen-Bradley CompactLogix-controller
• HMI-berøringsskærm med grafisk repræsentation af procesparametre
• Overvågning i realtid af:
  • Tilført effekt (kW)
  • Spolestrøm (A)
  • Frekvens (kHz)
  • Vandkølingstemperatur (indløb/udløb)
  • Metaltemperatur via termoelement
• Datalogningsfunktioner til procesoptimering
• Alarmsystemer til unormale driftsforhold
• Flere driftstilstande (manuel, halvautomatisk, automatisk)
• Opbevaring af opskrifter på forskellige typer aluminiumslegeringer

Induktionsspole

• Design: Specialdesignet spiralformet spole med flere omdrejninger
• Konstruktion: Vandkølet kobberrør (25 mm i diameter)
• Drejninger: 12 vindinger med optimeret afstand for ensartet opvarmning
• Isolering: Keramisk fiberisolering til høje temperaturer (op til 1200 °C)
• Spolebeskyttelse: Anti-splash keramisk belægning
• Elektriske tilslutninger: Sølvbelagte kobberskinner
• Kølesystem: Dedikeret vandkredsløb med flowmåler (minimum flowhastighed: 45 L/min)

Frekvens

• Driftsfrekvens: 8 kHz
• Udvalgt til optimal indtrængningsdybde i aluminium (ca. 3,5 mm)
• Frekvensstabilitet opretholdes inden for ±0,2 kHz under drift
• Automatisk frekvensjustering baseret på belastningsforhold

Materiale

• Crucible: Isostatisk presset grafitdigel med høj densitet
  • Vægtykkelse: 50 mm
  • Levetid: ca. 100 smeltecyklusser
  • Varmeledningsevne: 120 W/(m-K)
• Oplad materialer:
  • Skrot af aluminiumsekstrudering (70%)
  • Brugte drikkedunke af aluminium (20%)
  • Maskindrejninger i aluminium (10%)
  • Gennemsnitlig materialestørrelse: 50-200 mm

Temperatur

• Mål for smeltetemperatur: 720°C (±10°C)
• Første opladningstemperatur: 25°C (omgivende)
• Opvarmningshastighed: ca. 10°C/minut
• Verifikation af temperatur: Nedsænket termoelement (K-type) med digital aflæsning
• Overophedning opretholdes i 20 minutter før hældning
• Maksimal temperaturgrænse: 760°C (for at forhindre overdreven oxidering)

Energiforbrug

• Gennemsnitligt energiforbrug: 378 kWh/ton
• Effektfaktor: 0,92 (med effektfaktorkorrektion)
• Specifik nedbrydning af energi:
  • Teoretisk energibehov til smeltning af aluminium: 320 kWh/ton
  • Varmetab: 58 kWh/ton
• Systemets effektivitet: 84,7%

Proces

Fortælling

Aluminiumssmeltningen på XYZ Foundry demonstrerer effektiviteten af induktionssmeltning til genbrug af aluminiumsskrot og dåser. Processen begynder med omhyggelig sortering og forberedelse af ladningsmaterialerne for at fjerne forurenende stoffer som maling, belægninger og fremmedlegemer, der kan påvirke smeltekvaliteten.

Under en typisk smeltecyklus lægges den 500 kg tunge ladning ind i grafitdiglen, der er placeret i induktionsspolen. PLC-systemet igangsætter en programmeret strømoptrapningssekvens for at forhindre termisk chok i diglen. Når effekten øges, inducerer det elektromagnetiske felt hvirvelstrømme i aluminiummet, hvilket genererer varme inde fra selve metallet.

Den indledende forvarmningsfase er afgørende for at fjerne fugt og flygtige stoffer. Når temperaturen nærmer sig 660 °C (aluminiums smeltepunkt), begynder materialet at kollapse og danne en smeltepøl. Operatøren overvåger processen via HMI-grænsefladen og foretager justeringer efter behov baseret på data i realtid.

Dataanalysen afslører især, at den mest energieffektive drift finder sted i hovedopvarmningsfasen, hvor energiudnyttelsen når maksimal effektivitet. Energiforbruget på 378 kWh/ton repræsenterer en forbedring på 15% i forhold til anlæggets tidligere gasfyrede smelteovne.

Temperaturens ensartethed på tværs af smelten er fremragende på grund af den naturlige omrøringseffekt, der skabes af det elektromagnetiske felt. Det eliminerer behovet for mekanisk omrøring og reducerer oxiddannelsen. Kølesystemet med lukket kredsløb opretholder optimale driftstemperaturer for induktionsspolen og de elektriske komponenter og genvinder spildvarme til forvarmning af indgående materialer.

Når måltemperaturen på 720 °C er nået, tilsættes flux for at gøre det lettere at fjerne ikke-metalliske indeslutninger. Udskylning med kvælstofgas gennem en grafitlanse reducerer brintindholdet og minimerer potentiel porøsitet i de endelige støbegods. Før støbningen tages der prøver for at kontrollere den kemiske sammensætning og foretage eventuelle nødvendige justeringer.

Den hydrauliske vippemekanisme giver mulighed for præcis hældningskontrol, hvilket reducerer turbulens og oxiddannelse under støbeprocessen. Hele operationen er afsluttet inden for 100 minutter fra koldstart til færdig støbning, hvilket er en betydelig tidsbesparelse i forhold til traditionelle metoder.

Resultater/fordele

*Baseret på lokalt elproduktionsmix

Implementeringen af Induktionssmelteanlæg har givet betydelige driftsmæssige, miljømæssige og økonomiske fordele. Den præcise temperaturstyring og reducerede smeltetid har bidraget til støbegods af højere kvalitet med færre fejl. Forbedringer af energieffektiviteten har reduceret både driftsomkostninger og miljøpåvirkning. Derudover har de forbedrede arbejdsforhold og reducerede arbejdskrav haft en positiv indvirkning på arbejdsstyrkens tilfredshed og produktivitet.