Caso práctico: Proceso de fusión del aluminio por inducción
Objetivo
Para fundir eficazmente restos de aluminio y latas utilizando tecnología de calentamiento por inducciónEl objetivo es lograr una eficiencia energética óptima al tiempo que se mantiene el aluminio fundido de alta calidad a la temperatura necesaria para las operaciones de fundición.
Equipamiento
- Generador de calor por inducción: 160 kW de capacidad
- Capacidad del crisol: Horno de fusión de aluminio de 500 kg
- Tipo de horno: Horno de inducción hidráulico basculante
- Sistema de refrigeración: Circuito cerrado de refrigeración por torre de agua
- Manipulación de materiales: Puente grúa (capacidad de 2 toneladas)
- Equipo de seguridad: Dispositivos de control de la temperatura, sistema de parada de emergencia, equipo de protección personal
- Sistema de filtración: Filtros de espuma cerámica para la purificación de aluminio fundido
- Sistema de escape: Campana extractora de humos con filtración
Sistema de control
El proceso se gestiona mediante un sistema PLC (controlador lógico programable) dotado de:
- Controlador CompactLogix de Allen-Bradley
- Interfaz de pantalla táctil HMI con representación gráfica de los parámetros del proceso
- Control en tiempo real de:
- Potencia absorbida (kW)
- Corriente de la bobina (A)
- Frecuencia (kHz)
- Temperatura de refrigeración del agua (entrada/salida)
- Temperatura del metal mediante termopar
- Capacidad de registro de datos para optimizar el proceso
- Sistemas de alarma para condiciones de funcionamiento anormales
- Múltiples modos de funcionamiento (manual, semiautomático, automático)
- Almacenamiento de recetas para distintos tipos de aleaciones de aluminio
Bobina de inducción
- Diseño: Bobina helicoidal de múltiples vueltas diseñada a medida
- Construcción: Tubo de cobre refrigerado por agua (25 mm de diámetro)
- Gira: 12 vueltas con espaciado optimizado para un calentamiento uniforme
- Aislamiento: Aislamiento de fibra cerámica de alta temperatura (hasta 1200°C)
- Protección de la bobina: Revestimiento cerámico antisalpicaduras
- Conexiones eléctricas: Barras conductoras de cobre plateado
- Sistema de refrigeración: Circuito de agua dedicado con monitores de caudal (caudal mínimo: 45 L/min)
Frecuencia
- Frecuencia de funcionamiento: 8 kHz
- Seleccionado para una profundidad de penetración óptima en aluminio (aproximadamente 3,5 mm)
- Estabilidad de frecuencia mantenida dentro de ±0,2 kHz durante el funcionamiento
- Ajuste automático de la frecuencia en función de las condiciones de carga
Material
- Crisol: Crisol de grafito de alta densidad prensado isoestáticamente
- Grosor de la pared: 50 mm
- Vida útil: aproximadamente 100 ciclos de fusión
- Conductividad térmica: 120 W/(m-K)
- Materiales de carga:
- Chatarra de extrusión de aluminio (70%)
- Latas de aluminio usadas para bebidas (20%)
- Torneado de máquinas de aluminio (10%)
- Tamaño medio del material: 50-200 mm
Temperatura
- Temperatura objetivo de fusión: 720°C (±10°C)
- Temperatura de carga inicial: 25°C (ambiente)
- Velocidad de calentamiento: aproximadamente 10°C/minuto
- Verificación de la temperatura: Termopar de inmersión (tipo K) con lectura digital
- Mantener el recalentamiento durante 20 minutos antes de verter
- Límite máximo de temperatura: 760°C (para evitar una oxidación excesiva)
Consumo de energía
- Consumo medio de energía: 378 kWh/tonelada
- Factor de potencia: 0,92 (con corrección del factor de potencia)
- Descomposición específica de la energía:
- Energía teórica necesaria para la fusión del aluminio 320 kWh/tonelada
- Pérdidas de calor: 58 kWh/tonelada
- Eficiencia del sistema: 84,7%
Proceso
| Etapa del proceso | Tiempo (min) | Potencia absorbida (kW) | Temperatura (°C) | Observaciones |
|---|---|---|---|---|
| Carga inicial | 0 | 0 | 25 | 500 kg de chatarra de aluminio cargada |
| Precalentamiento | 0-15 | 80 | 25-200 | Aumento gradual de la potencia para eliminar la humedad |
| Fase de calefacción 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | El material empieza a colapsarse |
| Fase 2 de calefacción | 35-55 | 160 | 550-720 | Se produce la fusión completa |
| Mantenimiento de la temperatura | 55-75 | 40 | 720 | Mantener la temperatura objetivo |
| Adición de flujo | 60 | 40 | 720 | 0,5% fundente añadido para eliminar impurezas |
| Desgasificación | 65 | 40 | 720 | Purga de gas nitrógeno durante 5 minutos |
| Muestreo y análisis | 70 | 40 | 720 | Verificación de la composición química |
| Verter | 75-85 | 0 | 720-700 | Vertido controlado en moldes |
| Limpieza de hornos | 85-100 | 0 | – | Eliminación de escoria, inspección del crisol |
Narrativa
La operación de fundición de aluminio de XYZ Foundry demuestra la eficacia de la fundición por inducción para reciclar chatarra y latas de aluminio. El proceso comienza con una cuidadosa clasificación y preparación de los materiales de carga para eliminar contaminantes como pinturas, revestimientos y materiales extraños que podrían afectar a la calidad de la fusión.
Durante un ciclo de fusión típico, la carga de 500 kg se carga en el crisol de grafito colocado dentro de la bobina de inducción. El sistema PLC inicia una secuencia programada de aumento de potencia para evitar choques térmicos en el crisol. A medida que aumenta la potencia, el campo electromagnético induce corrientes de Foucault en el aluminio, generando calor desde el interior del propio metal.
La fase inicial de precalentamiento es fundamental para eliminar la humedad y las sustancias volátiles. A medida que la temperatura se acerca a los 660 °C (punto de fusión del aluminio), el material empieza a colapsarse y a formar un baño de fusión. El operario supervisa el proceso a través de la interfaz HMI, realizando los ajustes necesarios en función de los datos en tiempo real.
En particular, el análisis de los datos revela que el funcionamiento más eficiente desde el punto de vista energético se produce durante la fase de calentamiento principal, en la que la utilización de la energía alcanza la máxima eficiencia. El consumo energético de 378 kWh/tonelada representa una mejora de 15% respecto a los anteriores hornos de fusión de gas de la instalación.
La uniformidad de la temperatura en la masa fundida es excelente gracias al efecto de agitación natural creado por el campo electromagnético. Esto elimina la necesidad de agitación mecánica y reduce la formación de óxido. El sistema de refrigeración de circuito cerrado mantiene temperaturas de funcionamiento óptimas para la bobina de inducción y los componentes eléctricos, recuperando el calor residual para precalentar los materiales entrantes.
Una vez alcanzada la temperatura objetivo de 720°C, se añade fundente para facilitar la eliminación de inclusiones no metálicas. La purga de gas nitrógeno a través de una lanza de grafito reduce el contenido de hidrógeno, minimizando la porosidad potencial en las piezas fundidas finales. Antes de la colada, se toman muestras para verificar la composición química y realizar los ajustes necesarios.
El mecanismo de inclinación hidráulico permite un control preciso del vertido, reduciendo las turbulencias y la formación de óxido durante el proceso de colada. Toda la operación se completa en 100 minutos, desde el arranque en frío hasta el vertido final, lo que supone un ahorro de tiempo considerable en comparación con los métodos tradicionales.
Resultados/beneficios
| Parámetro | Sistema de gas anterior | Sistema de inducción | Mejora |
|---|---|---|---|
| Consumo de energía (kWh/tonelada) | 445 | 378 | Reducción 15% |
| Tiempo de fusión (min/500kg) | 140 | 100 | Reducción 29% |
| Pérdida de metal (%) | 5.2 | 2.8 | Reducción 46% |
| Uniformidad de temperatura (±°C) | ±25 | ±10 | Mejora 60% |
| Emisiones de CO₂ (kg/ton Al) | 142 | 64* | Reducción 55% |
| Horas de trabajo (horas/tonelada) | 1.8 | 0.9 | Reducción 50% |
| Coste anual de mantenimiento ($) | $32,500 | $18,700 | Reducción 42% |
| Capacidad de producción (toneladas/día) | 4.2 | 6.0 | 43% aumentar |
| Calidad del producto (tasa de defectos %) | 3.5 | 1.2 | Reducción 66% |
| Temperatura del lugar de trabajo (°C) | 38 | 30 | Mejora 21% |
*Basado en la mezcla de generación eléctrica local
La aplicación de la sistema de fusión por inducción ha aportado importantes beneficios operativos, medioambientales y económicos. El control preciso de la temperatura y la reducción del tiempo de fusión han contribuido a obtener piezas fundidas de mayor calidad y con menos defectos. Las mejoras en la eficiencia energética han reducido tanto los costes operativos como el impacto medioambiental. Además, la mejora de las condiciones de trabajo y la reducción de las necesidades de mano de obra han repercutido positivamente en la satisfacción y la productividad de los trabajadores.