Studium przypadku: Indukcyjny proces topienia aluminium
Cel
Wydajne topienie złomu aluminiowego i puszek przy użyciu Technologia nagrzewania indukcyjnegoosiągając optymalną wydajność energetyczną przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej jakości stopionego aluminium w temperaturze wymaganej do operacji odlewania.
Sprzęt
- Generator ogrzewania indukcyjnego: Moc 160 kW
- Pojemność tygla: Piec do topienia aluminium o pojemności 500 kg
- Typ pieca: Hydrauliczny przechylny piec indukcyjny
- Układ chłodzenia: Zamknięty obieg chłodzenia wieży wodnej
- Obsługa materiałów: Suwnica (udźwig 2 tony)
- Wyposażenie bezpieczeństwa: Urządzenia monitorujące temperaturę, system awaryjnego wyłączania, środki ochrony osobistej
- System filtracji: Ceramiczne filtry piankowe do oczyszczania stopionego aluminium
- Układ wydechowy: Wyciąg oparów z filtracją
System sterowania
Proces jest zarządzany przez system PLC (programowalny sterownik logiczny):
- Sterownik Allen-Bradley CompactLogix
- Interfejs dotykowy HMI z graficzną reprezentacją parametrów procesu
- Monitorowanie w czasie rzeczywistym:
- Moc wejściowa (kW)
- Prąd cewki (A)
- Częstotliwość (kHz)
- Temperatura chłodzenia wodą (wlot/wylot)
- Temperatura metalu przez termoparę
- Możliwości rejestrowania danych w celu optymalizacji procesu
- Systemy alarmowe dla nieprawidłowych warunków pracy
- Wiele trybów pracy (ręczny, półautomatyczny, automatyczny)
- Przechowywanie receptur dla różnych typów stopów aluminium
Cewka indukcyjna
- Projekt: Wielozwojowa cewka spiralna zaprojektowana na zamówienie
- Budowa: Rurki miedziane chłodzone wodą (średnica 25 mm)
- Obroty: 12 zwojów ze zoptymalizowanymi odstępami dla równomiernego ogrzewania
- Izolacja: Wysokotemperaturowa izolacja z włókna ceramicznego (do 1200°C)
- Ochrona cewki: Powłoka ceramiczna zapobiegająca rozpryskiwaniu
- Połączenia elektryczne: Posrebrzane miedziane szyny zbiorcze
- Układ chłodzenia: Dedykowany obieg wody z monitorami przepływu (minimalny przepływ: 45 l/min)
Częstotliwość
- Częstotliwość pracy: 8 kHz
- Wybrany dla optymalnej głębokości penetracji w aluminium (około 3,5 mm).
- Stabilność częstotliwości utrzymywana w zakresie ±0,2 kHz podczas pracy
- Automatyczna regulacja częstotliwości na podstawie warunków obciążenia
Materiał
- Tygiel: Izostatycznie prasowany tygiel grafitowy o wysokiej gęstości
- Grubość ścianki: 50 mm
- Żywotność: około 100 cykli topienia
- Przewodność cieplna: 120 W/(m-K)
- Materiały doładowujące:
- Złom z wytłaczania aluminium (70%)
- Zużyte aluminiowe puszki po napojach (20%)
- Aluminiowe toczenie maszynowe (10%)
- Średni rozmiar materiału: 50-200 mm
Temperatura
- Docelowa temperatura topnienia: 720°C (±10°C)
- Początkowa temperatura ładowania: 25°C (otoczenia)
- Szybkość nagrzewania: około 10°C/minutę
- Weryfikacja temperatury: Termopara zanurzeniowa (typu K) z odczytem cyfrowym
- Przegrzanie utrzymywane przez 20 minut przed zalaniem
- Maksymalny limit temperatury: 760°C (aby zapobiec nadmiernemu utlenianiu)
Zużycie energii
- Średnie zużycie energii: 378 kWh/tonę
- Współczynnik mocy: 0,92 (z korekcją współczynnika mocy)
- Specyficzny rozkład energii:
- Teoretyczna energia wymagana do topienia aluminium: 320 kWh/tonę
- Straty ciepła: 58 kWh/tonę
- Wydajność systemu: 84,7%
Proces
| Etap procesu | Czas (min) | Moc wejściowa (kW) | Temperatura (°C) | Obserwacje |
|---|---|---|---|---|
| Opłata początkowa | 0 | 0 | 25 | 500 kg załadowanego złomu aluminium |
| Podgrzewanie | 0-15 | 80 | 25-200 | Stopniowe zwiększanie mocy w celu usunięcia wilgoci |
| Faza ogrzewania 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Materiał zaczyna się zapadać |
| Faza 2 ogrzewania | 35-55 | 160 | 550-720 | Następuje całkowite stopienie |
| Utrzymywanie temperatury | 55-75 | 40 | 720 | Utrzymywanie temperatury docelowej |
| Dodatek strumienia | 60 | 40 | 720 | 0.5% topnik dodany w celu usunięcia zanieczyszczeń |
| Odgazowanie | 65 | 40 | 720 | Przedmuchiwanie azotem przez 5 minut |
| Pobieranie próbek i analiza | 70 | 40 | 720 | Weryfikacja składu chemicznego |
| Nalewanie | 75-85 | 0 | 720-700 | Kontrolowane wlewanie do form |
| Czyszczenie pieca | 85-100 | 0 | – | Usuwanie żużlu, kontrola tygla |
Narracja
Operacja topienia aluminium w odlewni XYZ pokazuje skuteczność topienia indukcyjnego w recyklingu złomu aluminiowego i puszek. Proces rozpoczyna się od starannego sortowania i przygotowania materiałów wsadowych w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak farby, powłoki i materiały obce, które mogłyby wpłynąć na jakość stopu.
Podczas typowego cyklu topienia, 500-kilogramowy wsad jest ładowany do grafitowego tygla umieszczonego w cewce indukcyjnej. System PLC inicjuje zaprogramowaną sekwencję zwiększania mocy, aby zapobiec szokowi termicznemu w tyglu. Wraz ze wzrostem mocy pole elektromagnetyczne indukuje prądy wirowe w aluminium, generując ciepło z samego metalu.
Początkowa faza podgrzewania ma kluczowe znaczenie dla usuwania wilgoci i substancji lotnych. Gdy temperatura zbliża się do 660°C (temperatura topnienia aluminium), materiał zaczyna się zapadać i tworzyć stopiony basen. Operator monitoruje proces za pośrednictwem interfejsu HMI, dokonując regulacji w razie potrzeby w oparciu o dane w czasie rzeczywistym.
Analiza danych wykazała, że najbardziej energooszczędne działanie ma miejsce podczas głównej fazy nagrzewania, w której wykorzystanie mocy osiąga maksymalną wydajność. Zużycie energii na poziomie 378 kWh/tonę stanowi poprawę o 15% w porównaniu z poprzednimi piecami do topienia opalanymi gazem.
Równomierność temperatury w całym stopionym materiale jest doskonała dzięki naturalnemu efektowi mieszania wywołanemu przez pole elektromagnetyczne. Eliminuje to potrzebę mieszania mechanicznego i ogranicza powstawanie tlenków. Zamknięty system chłodzenia utrzymuje optymalną temperaturę pracy cewki indukcyjnej i komponentów elektrycznych, odzyskując ciepło odpadowe do wstępnego podgrzewania materiałów wejściowych.
Po osiągnięciu docelowej temperatury 720°C dodawany jest topnik, aby ułatwić usuwanie wtrąceń niemetalicznych. Przedmuchiwanie azotem przez lancę grafitową zmniejsza zawartość wodoru, minimalizując potencjalną porowatość końcowych odlewów. Przed odlaniem pobierane są próbki w celu weryfikacji składu chemicznego i dokonania niezbędnych korekt.
Hydrauliczny mechanizm przechylania pozwala na precyzyjną kontrolę odlewania, redukując turbulencje i tworzenie się tlenków podczas procesu odlewania. Cała operacja jest zakończona w ciągu 100 minut od zimnego startu do gotowego odlewu, co stanowi znaczną oszczędność czasu w porównaniu z tradycyjnymi metodami.
Wyniki/korzyści
| Parametr | Poprzedni system opalany gazem | System indukcyjny | Ulepszenie |
|---|---|---|---|
| Zużycie energii (kWh/tonę) | 445 | 378 | 15% redukcja |
| Czas topnienia (min/500kg) | 140 | 100 | Redukcja 29% |
| Straty metalu (%) | 5.2 | 2.8 | Redukcja 46% |
| Równomierność temperatury (±°C) | ±25 | ±10 | Ulepszenie 60% |
| Emisje CO₂ (kg/t Al) | 142 | 64* | Redukcja 55% |
| Godziny pracy (godz./tonę) | 1.8 | 0.9 | Redukcja 50% |
| Roczny koszt utrzymania ($) | $32,500 | $18,700 | Redukcja 42% |
| Zdolność produkcyjna (tony/dzień) | 4.2 | 6.0 | 43% wzrost |
| Jakość produktu (wskaźnik defektów %) | 3.5 | 1.2 | Redukcja 66% |
| Temperatura w miejscu pracy (°C) | 38 | 30 | Ulepszenie 21% |
*W oparciu o lokalny koszyk wytwarzania energii elektrycznej
Wdrożenie indukcyjny system topienia przyniosła znaczące korzyści operacyjne, środowiskowe i ekonomiczne. Precyzyjna kontrola temperatury i skrócony czas topienia przyczyniły się do wyższej jakości odlewów z mniejszą liczbą wad. Poprawa efektywności energetycznej zmniejszyła zarówno koszty operacyjne, jak i wpływ na środowisko. Dodatkowo, lepsze warunki pracy i mniejsze wymagania dotyczące siły roboczej pozytywnie wpłynęły na zadowolenie i produktywność pracowników.