Casestudie: Inductieproces voor het smelten van aluminium
Doel
Om efficiënt aluminium afval en blikjes te smelten met behulp van inductieverwarmingstechnologieoptimale energie-efficiëntie met behoud van gesmolten aluminium van hoge kwaliteit op de vereiste temperatuur voor gietprocessen.
Uitrusting
- Inductie Verwarming Generator: 160 kW vermogen
- Capaciteit van de kroes: 500 kg aluminium smeltoven
- Type oven: Hydraulische kantelende inductieoven
- Koelsysteem: Gesloten koeltorencircuit
- Materiaalverwerking: Bovenloopkraan (capaciteit 2 ton)
- Veiligheidsuitrusting: Temperatuurbewakingsapparatuur, noodstopsysteem, persoonlijke beschermingsmiddelen
- Filtratiesysteem: Keramische schuimfilters voor zuivering van gesmolten aluminium
- Uitlaatsysteem: Afzuigkap met filtratie
Besturingssysteem
Het proces wordt aangestuurd door een PLC-systeem (Programmable Logic Controller):
- CompactLogix-controller van Allen-Bradley
- HMI touchscreen interface met grafische weergave van procesparameters
- Real-time bewaking van:
- Opgenomen vermogen (kW)
- Spoelstroom (A)
- Frequentie (kHz)
- Waterkoeltemperatuur (inlaat/uitlaat)
- Metaaltemperatuur via thermokoppel
- Mogelijkheden voor gegevensregistratie voor procesoptimalisatie
- Alarmsystemen voor abnormale bedrijfsomstandigheden
- Meerdere bedrijfsmodi (handmatig, halfautomatisch, automatisch)
- Receptopslag voor verschillende soorten aluminiumlegeringen
Inductiespoel
- Ontwerp: Op maat gemaakte spiraal met meerdere windingen
- Bouw: Watergekoelde koperen buis (25 mm diameter)
- Draaien: 12 windingen met geoptimaliseerde tussenruimte voor gelijkmatige verwarming
- Isolatie: Keramische vezelisolatie voor hoge temperaturen (tot 1200°C)
- Spoelbescherming: Keramische coating tegen spatten
- Elektrische aansluitingen: Verzilverde koperen busstaven
- Koelsysteem: Speciaal watercircuit met debietbewaking (minimaal debiet: 45 L/min)
Frequentie
- Werkfrequentie: 8 kHz
- Geselecteerd voor optimale indringdiepte in aluminium (ongeveer 3,5 mm)
- Frequentiestabiliteit gehandhaafd binnen ±0,2 kHz tijdens bedrijf
- Automatische frequentieregeling op basis van belasting
Materiaal
- Smeltkroes: Hoogwaardige isostatisch geperste grafietkroes
- Wanddikte: 50 mm
- Levensduur: ongeveer 100 smeltcycli
- Warmtegeleidingsvermogen: 120 W/(m-K)
- Laad materialen:
- Schroot van aluminiumextrusie (70%)
- Gebruikte aluminium drankblikjes (20%)
- Aluminium machinedraaiwerk (10%)
- Gemiddelde materiaalgrootte: 50-200 mm
Temperatuur
- Doelsmelttemperatuur: 720°C (±10°C)
- Initiële oplaadtemperatuur: 25°C (omgeving)
- Verwarmingssnelheid: ongeveer 10°C/minuut
- Temperatuurverificatie: Dompelthermokoppel (K-type) met digitale uitlezing
- 20 minuten oververhitten voor het gieten
- Maximale temperatuurgrens: 760°C (om overmatige oxidatie te voorkomen)
Energieverbruik
- Gemiddeld energieverbruik: 378 kWh/ton
- Vermogensfactor: 0,92 (met correctie vermogensfactor)
- Specifieke energieafbraak:
- Theoretische energie die nodig is voor het smelten van aluminium: 320 kWh/ton
- Warmteverliezen: 58 kWh/ton
- Systeemrendement: 84,7%
Proces
| Procesfase | Tijd (min) | Opgenomen vermogen (kW) | Temperatuur (°C) | Opmerkingen |
|---|---|---|---|---|
| Eerste lading | 0 | 0 | 25 | 500 kg aluminiumschroot geladen |
| Voorverwarmen | 0-15 | 80 | 25-200 | Geleidelijke krachttoename om vocht te verwijderen |
| Verwarmingsfase 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Materiaal begint in te storten |
| Verwarming fase 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | Volledig smelten |
| Temperatuur | 55-75 | 40 | 720 | Streeftemperatuur handhaven |
| Flux toevoeging | 60 | 40 | 720 | 0,5% flux toegevoegd om onzuiverheden te verwijderen |
| Ontgassing | 65 | 40 | 720 | Doorspoelen met stikstofgas gedurende 5 minuten |
| Bemonstering en analyse | 70 | 40 | 720 | Verificatie van de chemische samenstelling |
| Gieten | 75-85 | 0 | 720-700 | Gecontroleerd gieten in mallen |
| Ovenreiniging | 85-100 | 0 | – | Slakken verwijderen, kroesinspectie |
Verhalend
Het smelten van aluminium bij XYZ Foundry demonstreert de effectiviteit van inductiesmelten voor het recyclen van aluminium schroot en blikjes. Het proces begint met het zorgvuldig sorteren en voorbereiden van de lading materialen om verontreinigingen zoals verf, coatings en vreemde materialen die de smeltkwaliteit kunnen beïnvloeden te verwijderen.
Tijdens een typische smeltcyclus wordt de lading van 500 kg in de grafietkroes binnen de inductiespoel geplaatst. Het PLC-systeem start een geprogrammeerde opvoerprocedure om thermische schokken in de smeltkroes te voorkomen. Naarmate het vermogen toeneemt, induceert het elektromagnetische veld wervelstromen in het aluminium, waardoor warmte wordt opgewekt vanuit het metaal zelf.
De initiële voorverwarmingsfase is cruciaal voor het verwijderen van vocht en vluchtige stoffen. Wanneer de temperatuur 660°C (het smeltpunt van aluminium) nadert, begint het materiaal in te zakken en vormt het een gesmolten plas. De operator bewaakt het proces via de HMI-interface en past indien nodig aan op basis van real-time gegevens.
Uit de gegevensanalyse blijkt met name dat de meest energie-efficiënte werking optreedt tijdens de hoofdverwarmingsfase, waar het energieverbruik de maximale efficiëntie bereikt. Het energieverbruik van 378 kWh/ton betekent een verbetering van 15% ten opzichte van de vorige gasgestookte smeltovens van de fabriek.
De temperatuuruniformiteit in de smelt is uitstekend dankzij het natuurlijke roereffect dat wordt gecreëerd door het elektromagnetische veld. Dit maakt mechanisch roeren overbodig en vermindert de vorming van oxide. Het gesloten koelsysteem handhaaft optimale bedrijfstemperaturen voor de inductiespoel en de elektrische componenten, waarbij afvalwarmte wordt teruggewonnen voor het voorverwarmen van binnenkomende materialen.
Na het bereiken van de doeltemperatuur van 720°C wordt flux toegevoegd om het verwijderen van niet-metalen insluitingen te vergemakkelijken. Het doorspoelen met stikstofgas door een grafietlans vermindert het waterstofgehalte, waardoor de potentiële porositeit in het uiteindelijke gietstuk tot een minimum wordt beperkt. Voor het gieten worden monsters genomen om de chemische samenstelling te controleren en eventueel aanpassingen te doen.
Het hydraulische kantelmechanisme zorgt voor een nauwkeurige controle bij het gieten, waardoor turbulentie en oxidevorming tijdens het gietproces worden verminderd. De hele bewerking is binnen 100 minuten voltooid, van de koude start tot het voltooide gieten, wat een aanzienlijke tijdsbesparing is vergeleken met traditionele methoden.
Resultaten/Voordelen
| Parameter | Vorig gasgestookt systeem | Inductiesysteem | Verbetering |
|---|---|---|---|
| Energieverbruik (kWh/ton) | 445 | 378 | 15% reductie |
| Smelttijd (min/500kg) | 140 | 100 | 29% vermindering |
| Metaalverlies (%) | 5.2 | 2.8 | 46% reductie |
| Temperatuuruniformiteit (±°C) | ±25 | ±10 | 60% verbetering |
| CO₂-emissies (kg/ton Al) | 142 | 64* | 55% reductie |
| Arbeidsuren (uur/ton) | 1.8 | 0.9 | 50% reductie |
| Jaarlijkse onderhoudskosten ($) | $32,500 | $18,700 | 42% vermindering |
| Productiecapaciteit (ton/dag) | 4.2 | 6.0 | 43% toename |
| Productkwaliteit (defectpercentage %) | 3.5 | 1.2 | 66% reductie |
| Temperatuur werkplek (°C) | 38 | 30 | 21% verbetering |
*gebaseerd op lokale elektriciteitsproductiemix
De implementatie van de inductiesmeltsysteem heeft aanzienlijke operationele, milieu- en economische voordelen opgeleverd. De nauwkeurige temperatuurregeling en kortere smelttijd hebben bijgedragen aan gietstukken van hogere kwaliteit met minder defecten. Verbeteringen in de energie-efficiëntie hebben zowel de bedrijfskosten als de milieu-impact verlaagd. Bovendien hebben de verbeterde werkomstandigheden en de verminderde arbeidsvereisten een positieve invloed gehad op de tevredenheid en productiviteit van de werknemers.