사례 연구: 유도 알루미늄 용해 공정
목표
다음을 사용하여 알루미늄 스크랩과 캔을 효율적으로 녹이려면 유도 가열 기술를 사용하여 주조 작업에 필요한 온도로 고품질 용융 알루미늄을 유지하면서 최적의 에너지 효율을 달성합니다.
장비
- 유도 가열 발전기: 160kW 용량
- 도가니 용량: 500kg 알루미늄 용해로
- 퍼니스 유형: 유압식 틸팅 인덕션 퍼니스
- 냉각 시스템: 폐쇄형 급수탑 냉각 회로
- 자재 취급: 오버헤드 크레인(2톤 용량)
- 안전 장비: 온도 모니터링 장치, 비상 종료 시스템, 개인 보호 장비
- 필터링 시스템: 용융 알루미늄 정화를 위한 세라믹 폼 필터
- 배기 시스템: 여과 기능이 있는 연기 추출 후드
제어 시스템
이 프로세스는 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러) 시스템으로 관리됩니다:
- 앨런 브래들리 컴팩트 로직스 컨트롤러
- 프로세스 파라미터를 그래픽으로 표시하는 HMI 터치스크린 인터페이스
- 실시간 모니터링
- 전원 입력(kW)
- 코일 전류(A)
- 주파수(kHz)
- 수냉식 냉각 온도(입구/출구)
- 열전대를 통한 금속 온도
- 프로세스 최적화를 위한 데이터 로깅 기능
- 비정상적인 작동 조건에 대한 경보 시스템
- 다양한 작동 모드(수동, 반자동, 자동)
- 다양한 알루미늄 합금 유형에 맞는 레시피 저장
인덕션 코일
- 디자인: 맞춤형으로 설계된 다중 회전 헬리컬 코일
- 건설: 수냉식 구리 튜브(직경 25mm)
- Turns: 균일한 가열을 위해 최적화된 간격으로 12회 회전
- 단열: 고온 세라믹 섬유 단열재(최대 1200°C 등급)
- 코일 보호: 스플래시 방지 세라믹 코팅
- 전기 연결: 은도금 구리 버스 바
- 냉각 시스템: 유량 모니터가 있는 전용 급수 회로(최소 유량: 45L/min)
빈도
- 작동 주파수: 8kHz
- 알루미늄에 최적의 관통 깊이(약 3.5mm)를 위해 선택됨
- 작동 중 ±0.2kHz 이내로 유지되는 주파수 안정성
- 부하 조건에 따른 자동 주파수 조정
재료
- 도가니: 고밀도 등정압 흑연 도가니
- 벽 두께: 50mm
- 서비스 수명: 약 100회 용융 주기
- 열 전도성: 120W/(m-K)
- 충전 재료:
- 알루미늄 압출 스크랩(70%)
- 중고 알루미늄 음료 캔(20%)
- 알루미늄 기계 터닝(10%)
- 평균 재료 크기: 50-200mm
온도
- 목표 용융 온도: 720°C(±10°C)
- 초기 충전 온도: 25°C(주변 온도)
- 가열 속도: 약 10°C/분
- 온도 확인: 디지털 판독 기능이 있는 침수 열전대(K형)
- 따르기 전 20분 동안 과열 유지
- 최대 온도 제한: 760°C(과도한 산화를 방지하기 위해)
에너지 소비량
- 평균 에너지 소비량: 378kWh/톤
- 역률: 0.92(역률 보정 사용)
- 특정 에너지 분석:
- 알루미늄 용융에 필요한 이론적 에너지: 320kWh/톤
- 열 손실: 58kWh/톤
- 시스템 효율성: 84.7%
프로세스
| 프로세스 단계 | 시간(분) | 전원 입력(kW) | 온도(°C) | 관찰 |
|---|---|---|---|---|
| 초기 요금 | 0 | 0 | 25 | 500kg 알루미늄 스크랩 적재 |
| 예열 | 0-15 | 80 | 25-200 | 점진적인 전력 증가로 습기 제거 |
| 가열 1단계 | 15-35 | 140 | 200-550 | 머티리얼이 축소되기 시작합니다. |
| 2단계 가열 | 35-55 | 160 | 550-720 | 완전한 용융이 발생합니다. |
| 온도 유지 | 55-75 | 40 | 720 | 목표 온도 유지 |
| 플럭스 추가 | 60 | 40 | 720 | 불순물 제거를 위해 0.5% 플럭스 추가 |
| 가스 제거 | 65 | 40 | 720 | 5분 동안 질소 가스 퍼징하기 |
| 샘플링 및 분석 | 70 | 40 | 720 | 화학 성분 검증 |
| 붓기 | 75-85 | 0 | 720-700 | 금형에 제어된 주입 |
| 용광로 청소 | 85-100 | 0 | – | 드로스 제거, 도가니 검사 |
내러티브
XYZ 파운드리의 알루미늄 용해 작업은 알루미늄 스크랩과 캔 재활용을 위한 유도 용해의 효과를 보여줍니다. 이 공정은 용융 품질에 영향을 줄 수 있는 페인트, 코팅 및 이물질과 같은 오염 물질을 제거하기 위해 충전 재료를 신중하게 분류하고 준비하는 것으로 시작됩니다.
일반적인 용해 사이클 동안 500kg의 전하가 인덕션 코일 내에 위치한 흑연 도가니에 장전됩니다. PLC 시스템은 도가니의 열 충격을 방지하기 위해 프로그래밍된 전력 램프업 시퀀스를 시작합니다. 전력이 증가하면 전자기장이 알루미늄에 와전류를 유도하여 금속 자체에서 열을 발생시킵니다.
초기 예열 단계는 수분과 휘발성 물질을 제거하는 데 매우 중요합니다. 온도가 660°C(알루미늄의 녹는점)에 가까워지면 재료가 붕괴되기 시작하여 용융 풀을 형성합니다. 작업자는 HMI 인터페이스를 통해 공정을 모니터링하고 실시간 데이터를 기반으로 필요에 따라 조정합니다.
특히 데이터 분석 결과, 전력 사용량이 최대 효율에 도달하는 주 가열 단계에서 가장 에너지 효율적인 운영이 이루어지고 있는 것으로 나타났습니다. 378kWh/톤의 에너지 소비량은 이 시설의 이전 가스 연소 용해로에 비해 15% 개선된 수치입니다.
전자기장에 의한 자연스러운 교반 효과로 용융물 전체의 온도 균일성이 우수합니다. 따라서 기계적 교반이 필요 없고 산화물 형성이 줄어듭니다. 폐회로 냉각 시스템은 유도 코일과 전기 부품의 최적의 작동 온도를 유지하여 유입되는 재료를 예열하기 위한 폐열을 회수합니다.
목표 온도인 720°C에 도달하면 플럭스가 추가되어 비금속 내포물을 쉽게 제거할 수 있습니다. 흑연 랜스를 통한 질소 가스 퍼징은 수소 함량을 줄여 최종 주물에서 잠재적인 다공성을 최소화합니다. 주입 전에 샘플을 채취하여 화학 성분을 확인하고 필요한 조정을 수행합니다.
유압식 틸팅 메커니즘을 통해 정밀한 주입 제어가 가능하여 주조 공정 중 난류와 산화물 형성을 줄일 수 있습니다. 콜드 스타트부터 타설 완료까지 전체 작업이 100분 이내에 완료되므로 기존 방식에 비해 시간이 크게 절약됩니다.
결과/혜택
| 매개변수 | 이전 가스 연소 시스템 | 인덕션 시스템 | 개선 사항 |
|---|---|---|---|
| 에너지 소비량(kWh/톤) | 445 | 378 | 15% 감소 |
| 녹는 시간(분/500kg) | 140 | 100 | 29% 감소 |
| 금속 손실(%) | 5.2 | 2.8 | 46% 감소 |
| 온도 균일성(±°C) | ±25 | ±10 | 60% 개선 |
| CO₂ 배출량(kg/톤 Al) | 142 | 64* | 55% 감소 |
| 노동 시간(시간/톤) | 1.8 | 0.9 | 50% 감소 |
| 연간 유지 관리 비용($) | $32,500 | $18,700 | 42% 감소 |
| 생산 능력(톤/일) | 4.2 | 6.0 | 43% 증가 |
| 제품 품질(결함률 %) | 3.5 | 1.2 | 66% 감소 |
| 작업장 온도(°C) | 38 | 30 | 21% 개선 |
*지역 발전 믹스 기준
구현은 유도 용융 시스템 는 운영, 환경 및 경제적 측면에서 상당한 이점을 제공했습니다. 정밀한 온도 제어와 용융 시간 단축으로 결함이 적고 고품질의 주물을 생산할 수 있게 되었습니다. 에너지 효율 개선으로 운영 비용과 환경에 미치는 영향이 모두 감소했습니다. 또한 작업 조건이 개선되고 노동 요구 사항이 줄어들어 직원 만족도와 생산성에도 긍정적인 영향을 미쳤습니다.