Fallstudie: Induktives Aluminium-Schmelzverfahren

Zielsetzung

Effizientes Schmelzen von Aluminiumabfällen und Dosen mit InduktionserwärmungstechnologieDadurch wird eine optimale Energieeffizienz erreicht, während gleichzeitig hochwertiges geschmolzenes Aluminium auf der für den Gießvorgang erforderlichen Temperatur gehalten wird.

Ausrüstung

• Induktionsheizungsgenerator: 160 kW Leistung
• Fassungsvermögen des Tiegels: 500 kg Aluminium-Schmelzofen
• Typ des Ofens: Hydraulisch kippbarer Induktionsofen
• Kühlsystem: Geschlossener Kühlkreislauf im Wasserturm
• Handhabung von Material: Brückenkran (2-Tonnen-Kapazität)
• Sicherheitsausrüstung: Temperaturüberwachungsgeräte, Notabschaltsystem, persönliche Schutzausrüstung
• Filtersystem: Keramische Schaumstofffilter für die Reinigung von geschmolzenem Aluminium
• Auspuffanlage: Dunstabzugshaube mit Filterung
  

  

Controlling-System

Der Prozess wird von einem PLC-System (Programmable Logic Controller) gesteuert, das folgende Merkmale aufweist:

• Allen-Bradley CompactLogix-Steuerung
• HMI-Touchscreen-Schnittstelle mit grafischer Darstellung der Prozessparameter
• Echtzeit-Überwachung von:
  • Leistungsaufnahme (kW)
  • Spulenstrom (A)
  • Frequenz (kHz)
  • Temperatur der Wasserkühlung (Einlass/Auslass)
  • Metalltemperatur über Thermoelement
• Datenprotokollierungsfunktionen für die Prozessoptimierung
• Alarmsysteme für abnormale Betriebszustände
• Mehrere Betriebsarten (manuell, halbautomatisch, automatisch)
• Rezeptspeicherung für verschiedene Aluminiumlegierungsarten

Induktionsspule

• Entwurf: Kundenspezifisch entwickelte mehrgängige Wendelspule
• Konstruktion: Wassergekühlte Kupferrohre (25 mm Durchmesser)
• Drehungen: 12 Windungen mit optimierten Abständen für gleichmäßige Erwärmung
• Isolierung: Hochtemperatur-Isolierung aus Keramikfasern (bis 1200°C)
• Spulenschutz: Spritzwassergeschützte Keramikbeschichtung
• Elektrische Anschlüsse: Versilberte Kupferschienen
• Kühlsystem: Spezieller Wasserkreislauf mit Strömungswächtern (Mindestdurchflussmenge: 45 l/min)

Frequenz

• Betriebsfrequenz: 8 kHz
• Ausgewählt für optimale Eindringtiefe in Aluminium (ca. 3,5 mm)
• Frequenzstabilität innerhalb von ±0,2 kHz während des Betriebs
• Automatische Frequenzanpassung basierend auf den Lastbedingungen

Material

• Schmelztiegel: Tiegel aus isostatisch gepresstem Graphit mit hoher Dichte
  • Wandstärke: 50 mm
  • Lebensdauer: ca. 100 Schmelzzyklen
  • Wärmeleitfähigkeit: 120 W/(m-K)
• Materialien aufladen:
  • Aluminium-Extrusionsschrott (70%)
  • Gebrauchte Aluminium-Getränkedosen (20%)
  • Aluminium-Maschinendrehteile (10%)
  • Durchschnittliche Materialgröße: 50-200 mm

Temperatur

• Ziel-Schmelztemperatur: 720°C (±10°C)
• Anfangsladungstemperatur: 25°C (Umgebungstemperatur)
• Aufheizgeschwindigkeit: ca. 10°C/Minute
• Überprüfung der Temperatur: Eintauch-Thermoelement (Typ K) mit digitaler Ablesung
• Überhitzung für 20 Minuten vor dem Gießen beibehalten
• Maximale Temperaturgrenze: 760°C (um eine übermäßige Oxidation zu verhindern)

Energieverbrauch

• Durchschnittlicher Energieverbrauch: 378 kWh/Tonne
• Leistungsfaktor: 0,92 (mit Leistungsfaktorkorrektur)
• Spezifischer Energieabbau:
  • Theoretischer Energiebedarf für das Schmelzen von Aluminium: 320 kWh/Tonne
  • Wärmeverluste: 58 kWh/Tonne
• Systemwirkungsgrad: 84,7%

Prozess

Erzählung

Das Aluminiumschmelzverfahren in der Gießerei XYZ demonstriert die Effektivität des Induktionsschmelzens für das Recycling von Aluminiumschrott und -dosen. Der Prozess beginnt mit einer sorgfältigen Sortierung und Vorbereitung des Einsatzmaterials, um Verunreinigungen wie Lacke, Beschichtungen und Fremdstoffe zu entfernen, die die Schmelzqualität beeinträchtigen könnten.

Während eines typischen Schmelzzyklus wird die 500 kg schwere Charge in den Graphittiegel geladen, der sich innerhalb der Induktionsspule befindet. Das SPS-System leitet einen programmierten Leistungsanstieg ein, um einen thermischen Schock für den Tiegel zu vermeiden. Mit zunehmender Leistung induziert das elektromagnetische Feld Wirbelströme im Aluminium, die Wärme aus dem Metall selbst erzeugen.

Die erste Vorwärmphase ist entscheidend für die Entfernung von Feuchtigkeit und flüchtigen Stoffen. Wenn sich die Temperatur 660 °C (dem Schmelzpunkt von Aluminium) nähert, beginnt das Material zu kollabieren und ein Schmelzbad zu bilden. Der Bediener überwacht den Prozess über die HMI-Schnittstelle und nimmt bei Bedarf auf der Grundlage von Echtzeitdaten Anpassungen vor.

Die Datenanalyse zeigt, dass der energieeffizienteste Betrieb während der Haupterwärmungsphase stattfindet, in der die Energienutzung die höchste Effizienz erreicht. Der Energieverbrauch von 378 kWh/Tonne bedeutet eine Verbesserung von 15% gegenüber den früheren gasbefeuerten Schmelzöfen der Anlage.

Die Temperaturgleichmäßigkeit in der Schmelze ist aufgrund des natürlichen Rühreffekts, der durch das elektromagnetische Feld entsteht, hervorragend. Dadurch entfällt die Notwendigkeit des mechanischen Rührens und die Oxidbildung wird reduziert. Das geschlossene Kühlsystem hält die optimale Betriebstemperatur für die Induktionsspule und die elektrischen Komponenten aufrecht und nutzt die Abwärme zum Vorwärmen der zugeführten Materialien.

Nach Erreichen der Zieltemperatur von 720 °C wird ein Flussmittel zugegeben, um die Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse zu erleichtern. Das Spülen mit Stickstoffgas durch eine Graphitlanze reduziert den Wasserstoffgehalt und minimiert die potenzielle Porosität in den fertigen Gussteilen. Vor dem Gießen werden Proben entnommen, um die chemische Zusammensetzung zu überprüfen und eventuell notwendige Anpassungen vorzunehmen.

Der hydraulische Kippmechanismus ermöglicht eine präzise Gießkontrolle, wodurch Turbulenzen und Oxidbildung während des Gießvorgangs reduziert werden. Der gesamte Vorgang ist innerhalb von 100 Minuten vom Kaltstart bis zum fertigen Guss abgeschlossen, was eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bedeutet.

Ergebnisse/Nutzen

*Basierend auf dem lokalen Stromerzeugungsmix

Die Umsetzung der Induktionsschmelzanlage hat erhebliche betriebliche, ökologische und wirtschaftliche Vorteile gebracht. Die präzise Temperaturregelung und die verkürzte Schmelzzeit haben zu einer höheren Qualität der Gussteile mit weniger Fehlern beigetragen. Verbesserungen der Energieeffizienz haben sowohl die Betriebskosten als auch die Umweltbelastung gesenkt. Darüber hinaus haben sich die verbesserten Arbeitsbedingungen und der geringere Arbeitsaufwand positiv auf die Zufriedenheit und Produktivität der Mitarbeiter ausgewirkt.