Studi Kasus: Proses Peleburan Aluminium Induksi
Tujuan
Untuk melelehkan sisa-sisa aluminium dan kaleng secara efisien menggunakan teknologi pemanas induksimencapai efisiensi energi yang optimal sambil mempertahankan aluminium cair berkualitas tinggi pada suhu yang diperlukan untuk operasi pengecoran.
Peralatan
- Generator Pemanas Induksi: Kapasitas 160 kW
- Kapasitas Wadah: Tungku peleburan aluminium 500 kg
- Jenis Tungku: Tungku induksi miring hidrolik
- Sistem Pendinginan: Sirkuit pendingin menara air tertutup
- Penanganan Material: Derek di atas kepala (kapasitas 2 ton)
- Peralatan Keselamatan: Perangkat pemantau suhu, sistem pemadaman darurat, peralatan pelindung diri
- Sistem Filtrasi: Filter busa keramik untuk pemurnian aluminium cair
- Sistem Pembuangan: Tudung ekstraksi asap dengan filtrasi
Sistem Pengendalian
Prosesnya dikelola oleh sistem PLC (Programmable Logic Controller) yang menampilkan fitur sistem:
- Pengontrol Allen-Bradley CompactLogix
- Antarmuka layar sentuh HMI dengan representasi grafis dari parameter proses
- Pemantauan waktu nyata:
- Input daya (kW)
- Arus kumparan (A)
- Frekuensi (kHz)
- Suhu pendingin air (saluran masuk/keluar)
- Suhu logam melalui termokopel
- Kemampuan pencatatan data untuk pengoptimalan proses
- Sistem alarm untuk kondisi pengoperasian yang tidak normal
- Beberapa mode pengoperasian (manual, semi-otomatis, otomatis)
- Penyimpanan resep untuk berbagai jenis paduan aluminium
Kumparan Induksi
- Desain: Kumparan heliks beberapa putaran yang dirancang khusus
- Konstruksi: Pipa tembaga berpendingin air (diameter 25mm)
- Ternyata: 12 putaran dengan jarak yang dioptimalkan untuk pemanasan yang seragam
- Isolasi: Insulasi serat keramik suhu tinggi (dinilai hingga 1200°C)
- Perlindungan Koil: Lapisan keramik anti percikan
- Sambungan Listrik: Batang bus tembaga berlapis perak
- Sistem Pendinginan: Sirkuit air khusus dengan monitor aliran (laju aliran minimum: 45 L/menit)
Frekuensi
- Frekuensi pengoperasian: 8 kHz
- Dipilih untuk kedalaman penetrasi optimal pada aluminium (sekitar 3,5 mm)
- Stabilitas frekuensi dipertahankan dalam ± 0,2 kHz selama pengoperasian
- Penyesuaian frekuensi otomatis berdasarkan kondisi beban
Bahan
- Wadah: Wadah grafit yang ditekan secara iso-statis dengan kepadatan tinggi
- Ketebalan dinding: 50 mm
- Masa pakai: sekitar 100 siklus leleh
- Konduktivitas termal: 120 W/(m-K)
- Mengisi Bahan:
- Potongan ekstrusi aluminium (70%)
- Kaleng minuman aluminium bekas (20%)
- Pembubutan mesin aluminium (10%)
- Ukuran bahan rata-rata: 50-200 mm
Suhu
- Suhu leleh target: 720°C (±10°C)
- Suhu pengisian daya awal: 25°C (sekitar)
- Laju pemanasan: sekitar 10°C/menit
- Verifikasi suhu: Termokopel perendaman (tipe-K) dengan pembacaan digital
- Panaskan selama 20 menit sebelum dituang
- Batas suhu maksimum: 760°C (untuk mencegah oksidasi yang berlebihan)
Konsumsi Energi
- Konsumsi energi rata-rata: 378 kWh/ton
- Faktor daya: 0,92 (dengan koreksi faktor daya)
- Perincian energi spesifik:
- Energi teoretis yang dibutuhkan untuk peleburan aluminium: 320 kWh/ton
- Kehilangan panas: 58 kWh/ton
- Efisiensi sistem: 84,7%
Proses
| Tahap Proses | Waktu (menit) | Input Daya (kW) | Suhu (°C) | Pengamatan |
|---|---|---|---|---|
| Biaya awal | 0 | 0 | 25 | 500 kg skrap aluminium dimuat |
| Pemanasan awal | 0-15 | 80 | 25-200 | Peningkatan daya secara bertahap untuk menghilangkan kelembapan |
| Fase pemanasan 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Material mulai runtuh |
| Fase pemanasan 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | Terjadi peleburan total |
| Penahan suhu | 55-75 | 40 | 720 | Mempertahankan suhu target |
| Penambahan fluks | 60 | 40 | 720 | Fluks 0,5% ditambahkan untuk menghilangkan kotoran |
| Degassing | 65 | 40 | 720 | Pembersihan gas nitrogen selama 5 menit |
| Pengambilan sampel & analisis | 70 | 40 | 720 | Verifikasi komposisi kimia |
| Menuangkan | 75-85 | 0 | 720-700 | Penuangan terkontrol ke dalam cetakan |
| Pembersihan tungku | 85-100 | 0 | – | Penghapusan sampah, inspeksi wadah |
Narasi
Operasi peleburan aluminium di XYZ Foundry menunjukkan keefektifan peleburan induksi untuk mendaur ulang sisa-sisa aluminium dan kaleng. Prosesnya dimulai dengan penyortiran dan persiapan bahan muatan yang cermat untuk menghilangkan kontaminan seperti cat, pelapis, dan bahan asing yang dapat memengaruhi kualitas peleburan.
Selama siklus peleburan yang khas, muatan 500 kg dimasukkan ke dalam wadah grafit yang diposisikan di dalam koil induksi. Sistem PLC memulai urutan peningkatan daya yang diprogram untuk mencegah kejutan termal pada wadah. Saat daya meningkat, medan elektromagnetik menginduksi arus pusar dalam aluminium, menghasilkan panas dari dalam logam itu sendiri.
Fase pemanasan awal sangat penting untuk menghilangkan kelembapan dan zat yang mudah menguap. Saat suhu mendekati 660°C (titik leleh aluminium), material mulai runtuh dan membentuk kolam cair. Operator memantau proses melalui antarmuka HMI, melakukan penyesuaian sesuai kebutuhan berdasarkan data waktu nyata.
Secara khusus, analisis data mengungkapkan bahwa operasi yang paling hemat energi terjadi selama fase pemanasan utama, di mana pemanfaatan daya mencapai efisiensi maksimum. Konsumsi energi sebesar 378 kWh/ton merupakan peningkatan sebesar 15% dibandingkan dengan tungku peleburan berbahan bakar gas yang digunakan di fasilitas sebelumnya.
Keseragaman suhu di seluruh lelehan sangat baik karena efek pengadukan alami yang diciptakan oleh medan elektromagnetik. Hal ini menghilangkan kebutuhan pengadukan mekanis dan mengurangi pembentukan oksida. Sistem pendingin loop tertutup mempertahankan suhu operasi yang optimal untuk koil induksi dan komponen listrik, memulihkan panas buangan untuk pemanasan awal bahan yang masuk.
Setelah mencapai suhu target 720°C, fluks ditambahkan untuk memfasilitasi pembuangan inklusi non-logam. Pembersihan gas nitrogen melalui tombak grafit mengurangi kandungan hidrogen, sehingga meminimalkan potensi porositas pada coran akhir. Sebelum penuangan, sampel diambil untuk memverifikasi komposisi kimia dan melakukan penyesuaian yang diperlukan.
Mekanisme kemiringan hidraulik memungkinkan kontrol penuangan yang tepat, mengurangi turbulensi dan pembentukan oksida selama proses pengecoran. Seluruh operasi selesai dalam waktu 100 menit dari awal dingin hingga penuangan selesai, mewakili penghematan waktu yang signifikan dibandingkan dengan metode tradisional.
Hasil/Manfaat
| Parameter | Sebelumnya Sistem Berbahan Bakar Gas | Sistem Induksi | Peningkatan |
|---|---|---|---|
| Konsumsi Energi (kWh/ton) | 445 | 378 | Pengurangan 15% |
| Waktu Peleburan (menit / 500kg) | 140 | 100 | Pengurangan 29% |
| Kehilangan Logam (%) | 5.2 | 2.8 | Pengurangan 46% |
| Keseragaman Suhu (±°C) | ±25 | ±10 | Peningkatan 60% |
| Emisi CO₂ (kg/ton Al) | 142 | 64* | Pengurangan 55% |
| Jam Kerja Tenaga Kerja (jam/ton) | 1.8 | 0.9 | Pengurangan 50% |
| Biaya Pemeliharaan Tahunan ($) | $32,500 | $18,700 | Pengurangan 42% |
| Kapasitas Produksi (ton/hari) | 4.2 | 6.0 | Peningkatan 43% |
| Kualitas Produk (tingkat cacat %) | 3.5 | 1.2 | Pengurangan 66% |
| Suhu Tempat Kerja (°C) | 38 | 30 | Peningkatan 21% |
*Berdasarkan bauran pembangkit listrik lokal
Implementasi dari sistem peleburan induksi telah memberikan manfaat operasional, lingkungan, dan ekonomi yang signifikan. Kontrol suhu yang tepat dan waktu peleburan yang lebih singkat telah berkontribusi pada coran yang lebih berkualitas dengan lebih sedikit cacat. Peningkatan efisiensi energi telah mengurangi biaya operasional dan dampak lingkungan. Selain itu, kondisi kerja yang lebih baik dan berkurangnya kebutuhan tenaga kerja telah berdampak positif terhadap kepuasan dan produktivitas tenaga kerja.