ケーススタディ誘導アルミニウム溶解プロセス
目的
アルミ屑やアルミ缶を効率よく溶かすために 誘導加熱技術鋳造作業に必要な温度で高品質のアルミニウム溶湯を維持しながら、最適なエネルギー効率を実現します。
設備
- 誘導加熱発電機: 160 kWの容量
- るつぼの容量： 500 kg アルミ溶解炉
- 炉のタイプ 油圧式傾斜誘導炉
- 冷却システム 閉鎖式給水塔冷却回路
- マテリアルハンドリング： 天井クレーン（容量2トン）
- 安全装置： 温度監視装置、緊急停止システム、個人用保護具
- ろ過システム： 溶融アルミニウム浄化用セラミック発泡フィルター
- 排気システム： 濾過付き排煙フード
制御システム
このプロセスは、PLC（プログラマブル・ロジック・コントローラー）システムによって管理されている：
- アレン・ブラドリーのCompactLogixコントローラ
- プロセスパラメータをグラフィカルに表示するHMIタッチスクリーンインターフェース
- をリアルタイムで監視する：
- 入力電力（kW）
- コイル電流 (A)
- 周波数 (kHz)
- 水冷温度（入口/出口）
- 熱電対による金属温度
- プロセス最適化のためのデータロギング機能
- 異常運転時の警報システム
- 複数の動作モード（手動、半自動、自動）
- 異なるアルミニウム合金のレシピ保管
誘導コイル
- デザイン： カスタム設計の多回転ヘリカルコイル
- 建設： 水冷銅管（直径25mm）
- ターン： 均一な加熱のために最適化された間隔を持つ12ターン
- 断熱材： 高温セラミックファイバー断熱材（定格1200°C）
- コイル保護： アンチ・スプラッシュ・セラミック・コーティング
- 電気的接続： 銀メッキ銅バスバー
- 冷却システム 流量モニター付き専用水回路（最低流量：45 L/分）
頻度
- 動作周波数：8 kHz
- アルミニウムへの最適な浸透深さ（約3.5mm）を選択
- 動作中の周波数安定度は±0.2 kHz以内に維持
- 負荷状況に応じた自動周波数調整
素材
- るつぼ： 高密度等方圧黒鉛るつぼ
- 肉厚：50mm
- 耐用年数：約100回の溶融サイクル
- 熱伝導率：120W/(m・K)
- チャージ材料：
- アルミ押出スクラップ（70%）
- 使用済み飲料用アルミ缶 (20%)
- アルミ旋盤加工品 (10%)
- 平均素材サイズ：50～200mm
温度
- 目標溶融温度：720℃（±10）
- 初期充電温度：25℃（周囲温度）
- 加熱速度：約10℃/分
- 温度検証：デジタル表示付き浸漬型熱電対（Kタイプ
- 注ぐ前に20分間過熱する。
- 最高温度制限：760℃（過度の酸化を防ぐため）
エネルギー消費
- 平均エネルギー消費量378kWh/トン
- 力率：0.92（力率補正あり）
- 比エネルギー分解：
- アルミニウム溶解に必要な理論エネルギー：320kWh/トン
- 熱損失58kWh/トン
- システム効率：84.7%
プロセス
| プロセス段階 | 時間（分） | 入力電力 (kW) | 温度 (°C) | 観察 |
|---|---|---|---|---|
| 初回チャージ | 0 | 0 | 25 | 500 kg アルミスクラップ積載 |
| 予熱 | 0-15 | 80 | 25-200 | 徐々にパワーを上げて湿気を取り除く |
| 暖房フェーズ1 | 15-35 | 140 | 200-550 | 素材が崩れ始める |
| 暖房フェーズ2 | 35-55 | 160 | 550-720 | 完全な溶融が起こる |
| 温度保持 | 55-75 | 40 | 720 | 目標温度の維持 |
| フラックスの追加 | 60 | 40 | 720 | 不純物除去のため0.5%フラックス添加 |
| ガス抜き | 65 | 40 | 720 | 窒素ガスパージ5分間 |
| サンプリングと分析 | 70 | 40 | 720 | 化学組成の検証 |
| 注ぐ | 75-85 | 0 | 720-700 | 鋳型への制御された注入 |
| 炉内清掃 | 85-100 | 0 | – | ドロス除去、るつぼ検査 |
ナラティブ
XYZ鋳物工場でのアルミニウム溶解工程は、アルミニウムスクラップや缶のリサイクルにおける誘導溶解の有効性を実証しています。このプロセスは、塗料、コーティング、異物など、溶解品質に影響を与える可能性のある汚染物質を除去するために、装入物を慎重に選別し、準備することから始まります。
典型的な溶解サイクルでは、500 kgの装入物が誘導コイル内に配置された黒鉛るつぼに装填されます。PLCシステムは、るつぼへの熱衝撃を防ぐために、プログラムされた電力上昇シーケンスを開始します。電力が増加すると、電磁場がアルミニウムに渦電流を誘導し、金属自体から熱が発生します。
最初の予熱段階は、水分や揮発性物質を除去するために重要である。温度が660℃（アルミニウムの融点）に近づくと、材料は崩壊し始め、溶融プールを形成します。オペレーターは、HMIインターフェースを通じてプロセスを監視し、リアルタイムのデータに基づいて必要に応じて調整を行います。
特筆すべきは、データ分析から、最もエネルギー効率の高い運転は、電力利用が最大効率に達する主加熱段階で行われることが明らかになったことである。378kWh/トンのエネルギー消費は、同施設の以前のガス焚き溶解炉と比べて15%の改善となる。
電磁場による自然な攪拌効果により、溶融物全体の温度均一性が優れている。これにより、機械的な攪拌が不要になり、酸化物の形成が減少します。クローズドループ冷却システムは、誘導コイルと電気部品の最適な動作温度を維持し、廃熱を回収して受入材料の予熱に利用します。
720℃の目標温度に達した後、非金属介在物の除去を促進するためにフラックスが添加される。グラファイトランスを通した窒素ガスパージにより水素含有量を減らし、最終鋳造品の潜在的な気孔率を最小限に抑えます。注湯前にサンプルを採取して化学組成を確認し、必要な調整を行う。
油圧式傾斜機構により、正確な注湯制御が可能になり、鋳造プロセス中の乱流や酸化物の発生が減少します。コールドスタートから完成注湯まで100分以内で完了するため、従来の方法に比べて大幅な時間短縮が可能です。
結果／メリット
| パラメータ | 以前のガス燃焼システム | 誘導システム | 改善 |
|---|---|---|---|
| エネルギー消費量（kWh/トン） | 445 | 378 | 15%リダクション |
| 溶解時間（分/500kg） | 140 | 100 | 29%リダクション |
| メタルロス（%） | 5.2 | 2.8 | 46%リダクション |
| 温度均一性 (±°C) | ±25 | ±10 | 60%改善 |
| CO₂排出量（kg/トンAl） | 142 | 64* | 55%リダクション |
| 労働時間（時間／トン） | 1.8 | 0.9 | 50%リダクション |
| 年間メンテナンス費用（$） | $32,500 | $18,700 | 42%リダクション |
| 生産能力（トン／日） | 4.2 | 6.0 | 43%増加 |
| 製品品質（不良率%） | 3.5 | 1.2 | 66%リダクション |
| 職場温度 (°C) | 38 | 30 | 21%改善 |
*地域の発電ミックスに基づく
を実施した。 誘導溶解システム は、操業面、環境面、経済面で大きなメリットをもたらしている。正確な温度制御と溶解時間の短縮は、欠陥の少ない高品質な鋳物に貢献している。エネルギー効率の改善により、操業コストと環境への影響の両方が削減された。さらに、作業条件の改善と労働要件の削減は、従業員の満足度と生産性にプラスの影響を及ぼしている。