Caso di studio: Processo di fusione dell'alluminio a induzione
Obiettivo
Per fondere in modo efficiente scarti di alluminio e lattine usando tecnologia di riscaldamento a induzioneottenendo un'efficienza energetica ottimale e mantenendo l'alluminio fuso di alta qualità alla temperatura richiesta per le operazioni di colata.
Attrezzatura
- Generatore di riscaldamento a induzione: 160 kW di capacitÃ
- Capacità del crogiolo: Forno di fusione dell'alluminio da 500 kg
- Tipo di forno: Forno a induzione a ribaltamento idraulico
- Sistema di raffreddamento: Circuito di raffreddamento a torre d'acqua chiusa
- Movimentazione dei materiali: Carroponte (capacità di 2 tonnellate)
- Equipaggiamento di sicurezza: Dispositivi di monitoraggio della temperatura, sistema di spegnimento di emergenza, dispositivi di protezione individuale
- Sistema di filtraggio: Filtri in schiuma ceramica per la purificazione dell'alluminio fuso
- Sistema di scarico: Cappa di aspirazione con filtrazione
Sistema di controllo
Il processo è gestito da un sistema PLC (Programmable Logic Controller):
- Controllore CompactLogix Allen-Bradley
- Interfaccia HMI touchscreen con rappresentazione grafica dei parametri di processo
- Monitoraggio in tempo reale di:
- Potenza assorbita (kW)
- Corrente della bobina (A)
- Frequenza (kHz)
- Temperatura di raffreddamento dell'acqua (ingresso/uscita)
- Temperatura del metallo tramite termocoppia
- Funzionalità di registrazione dei dati per l'ottimizzazione del processo
- Sistemi di allarme per condizioni operative anomale
- Modalità operative multiple (manuale, semiautomatica, automatica)
- Memorizzazione delle ricette per diversi tipi di leghe di alluminio
Bobina di induzione
- Design: Bobina elicoidale a più giri progettata su misura
- Costruzione: Tubo di rame raffreddato ad acqua (diametro 25 mm)
- Giri: 12 spire con spaziatura ottimizzata per un riscaldamento uniforme
- Isolamento: Isolamento in fibra ceramica per alte temperature (fino a 1200°C)
- Protezione della bobina: Rivestimento ceramico antispruzzo
- Collegamenti elettrici: Sbarre in rame argentato
- Sistema di raffreddamento: Circuito idrico dedicato con monitor di flusso (portata minima: 45 L/min)
Frequenza
- Frequenza operativa: 8 kHz
- Selezionato per ottenere una profondità di penetrazione ottimale nell'alluminio (circa 3,5 mm).
- Stabilità di frequenza mantenuta entro ±0,2 kHz durante il funzionamento
- Regolazione automatica della frequenza in base alle condizioni di carico
Materiale
- Crogiolo: Crogiolo di grafite pressato iso-staticamente ad alta densitÃ
- Spessore della parete: 50 mm
- Durata: circa 100 cicli di fusione
- Conduttività termica: 120 W/(m-K)
- Materiali di carica:
- Scarti di estrusione di alluminio (70%)
- Lattine per bevande in alluminio usate (20%)
- Torniture per macchine in alluminio (10%)
- Dimensione media del materiale: 50-200 mm
Temperatura
- Temperatura di fusione target: 720°C (±10°C)
- Temperatura di carica iniziale: 25°C (ambiente)
- Velocità di riscaldamento: circa 10°C/minuto
- Verifica della temperatura: Termocoppia a immersione (tipo K) con lettura digitale
- Mantenere il surriscaldamento per 20 minuti prima di versare.
- Limite massimo di temperatura: 760°C (per evitare un'eccessiva ossidazione)
Consumo di energia
- Consumo medio di energia: 378 kWh/tonnellata
- Fattore di potenza: 0,92 (con correzione del fattore di potenza)
- Ripartizione dell'energia specifica:
- Energia teorica necessaria per la fusione dell'alluminio: 320 kWh/tonnellata
- Perdite di calore: 58 kWh/ton
- Efficienza del sistema: 84,7%
Processo
| Fase del processo | Tempo (min) | Potenza assorbita (kW) | Temperatura (°C) | Osservazioni |
|---|---|---|---|---|
| Costo iniziale | 0 | 0 | 25 | 500 kg di rottami di alluminio caricati |
| Preriscaldamento | 0-15 | 80 | 25-200 | Aumento graduale della potenza per rimuovere l'umidità |
| Riscaldamento fase 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Il materiale inizia a collassare |
| Fase di riscaldamento 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | Si verifica la fusione completa |
| Mantenimento della temperatura | 55-75 | 40 | 720 | Mantenimento della temperatura target |
| Aggiunta di flusso | 60 | 40 | 720 | 0,5% flusso aggiunto per rimuovere le impurità |
| Degassificazione | 65 | 40 | 720 | Spurgo con azoto per 5 minuti |
| Campionamento e analisi | 70 | 40 | 720 | Verifica della composizione chimica |
| Versamento | 75-85 | 0 | 720-700 | Versamento controllato negli stampi |
| Pulizia del forno | 85-100 | 0 | – | Rimozione delle scorie, ispezione del crogiolo |
Narrativa
L'operazione di fusione dell'alluminio presso la XYZ Foundry dimostra l'efficacia della fusione a induzione per il riciclaggio di scarti di alluminio e lattine. Il processo inizia con un'attenta selezione e preparazione dei materiali di carica per rimuovere contaminanti come vernici, rivestimenti e materiali estranei che potrebbero influire sulla qualità della fusione.
Durante un tipico ciclo di fusione, la carica di 500 kg viene caricata nel crogiolo di grafite posizionato all'interno della bobina di induzione. Il sistema PLC avvia una sequenza programmata di aumento della potenza per evitare uno shock termico al crogiolo. All'aumentare della potenza, il campo elettromagnetico induce correnti parassite nell'alluminio, generando calore dall'interno del metallo stesso.
La fase iniziale di preriscaldamento è fondamentale per rimuovere l'umidità e le sostanze volatili. Quando la temperatura si avvicina a 660°C (punto di fusione dell'alluminio), il materiale inizia a collassare e a formare una piscina fusa. L'operatore monitora il processo attraverso l'interfaccia HMI, effettuando le regolazioni necessarie in base ai dati in tempo reale.
In particolare, l'analisi dei dati rivela che il funzionamento più efficiente dal punto di vista energetico si verifica durante la fase di riscaldamento principale, dove l'utilizzo dell'energia raggiunge la massima efficienza. Il consumo energetico di 378 kWh/ton rappresenta un miglioramento di 15% rispetto ai precedenti forni fusori a gas dell'impianto.
L'uniformità della temperatura nella fusione è eccellente grazie all'effetto di agitazione naturale creato dal campo elettromagnetico. Ciò elimina la necessità di un'agitazione meccanica e riduce la formazione di ossidi. Il sistema di raffreddamento a circuito chiuso mantiene temperature operative ottimali per la bobina di induzione e i componenti elettrici, recuperando il calore residuo per il preriscaldamento dei materiali in ingresso.
Dopo aver raggiunto la temperatura target di 720°C, viene aggiunto il flusso per facilitare la rimozione delle inclusioni non metalliche. Lo spurgo dell'azoto gassoso attraverso una lancia di grafite riduce il contenuto di idrogeno, minimizzando la potenziale porosità dei getti finali. Prima della colata, vengono prelevati dei campioni per verificare la composizione chimica e apportare le necessarie modifiche.
Il meccanismo di inclinazione idraulica consente un controllo preciso della colata, riducendo la turbolenza e la formazione di ossidi durante il processo di colata. L'intera operazione viene completata in 100 minuti, dall'avvio a freddo alla colata finita, con un notevole risparmio di tempo rispetto ai metodi tradizionali.
Risultati/Benefici
| Parametro | Precedente Sistema a gas | Sistema a induzione | Miglioramento |
|---|---|---|---|
| Consumo di energia (kWh/ton) | 445 | 378 | Riduzione 15% |
| Tempo di fusione (min/500kg) | 140 | 100 | Riduzione 29% |
| Perdita di metallo (%) | 5.2 | 2.8 | Riduzione 46% |
| Uniformità di temperatura (±°C) | ±25 | ±10 | Miglioramento 60% |
| Emissioni di COâ‚‚ (kg/tonnellata di Al) | 142 | 64* | Riduzione 55% |
| Ore di lavoro (ore/tonnellata) | 1.8 | 0.9 | Riduzione 50% |
| Costo di manutenzione annuale ($) | $32,500 | $18,700 | Riduzione 42% |
| Capacità produttiva (tonnellate/giorno) | 4.2 | 6.0 | Aumento 43% |
| Qualità del prodotto (tasso di difetti %) | 3.5 | 1.2 | Riduzione 66% |
| Temperatura del luogo di lavoro (°C) | 38 | 30 | Miglioramento 21% |
*Basato sul mix di produzione di energia elettrica locale
L'implementazione del sistema di fusione a induzione ha apportato notevoli vantaggi operativi, ambientali ed economici. Il controllo preciso della temperatura e la riduzione del tempo di fusione hanno contribuito a ottenere getti di qualità superiore con meno difetti. I miglioramenti dell'efficienza energetica hanno ridotto i costi operativi e l'impatto ambientale. Inoltre, il miglioramento delle condizioni di lavoro e la riduzione dei requisiti di manodopera hanno avuto un impatto positivo sulla soddisfazione e sulla produttività della forza lavoro.