Estudo de caso: Processo de fusão de alumínio por indução
Objetivo
Para fundir eficazmente sucatas e latas de alumínio utilizando tecnologia de aquecimento por induçãoA empresa está a trabalhar com um sistema de controlo de qualidade que permite obter uma eficiência energética óptima, mantendo o alumínio fundido de alta qualidade à temperatura necessária para as operações de fundição.
Equipamento
- Gerador de aquecimento por indução: 160 kW de capacidade
- Capacidade do cadinho: Forno de fusão de alumínio de 500 kg
- Tipo de forno: Forno de indução com inclinação hidráulica
- Sistema de arrefecimento: Circuito fechado de arrefecimento da torre de água
- Manuseamento de materiais: Grua suspensa (capacidade de 2 toneladas)
- Equipamento de segurança: Dispositivos de monitorização da temperatura, sistema de paragem de emergência, equipamento de proteção individual
- Sistema de filtragem: Filtros de espuma cerâmica para purificação de alumínio fundido
- Sistema de escape: Campânula de extração de fumos com filtragem
Sistema de controlo
O processo é gerido por um sistema PLC (Programmable Logic Controller) com caraterísticas:
- Controlador Allen-Bradley CompactLogix
- Interface HMI de ecrã tátil com representação gráfica dos parâmetros do processo
- Monitorização em tempo real de:
- Potência de entrada (kW)
- Corrente da bobina (A)
- Frequência (kHz)
- Temperatura de arrefecimento da água (entrada/saída)
- Temperatura do metal através de termopar
- Capacidades de registo de dados para otimização do processo
- Sistemas de alarme para condições de funcionamento anómalas
- Vários modos de funcionamento (manual, semi-automático, automático)
- Armazenamento de receitas para diferentes tipos de ligas de alumínio
Bobina de indução
- Conceção: Bobina helicoidal de múltiplas voltas concebida à medida
- Construção: Tubo de cobre arrefecido a água (25 mm de diâmetro)
- Voltas: 12 voltas com espaçamento optimizado para um aquecimento uniforme
- Isolamento: Isolamento de fibra cerâmica de alta temperatura (classificado até 1200°C)
- Proteção da bobina: Revestimento cerâmico anti-respingos
- Ligações eléctricas: Barramentos de cobre prateado
- Sistema de arrefecimento: Circuito de água dedicado com monitores de caudal (caudal mínimo: 45 L/min)
Frequência
- Frequência de funcionamento: 8 kHz
- Selecionado para uma profundidade de penetração óptima no alumínio (aproximadamente 3,5 mm)
- Estabilidade de frequência mantida dentro de ±0,2 kHz durante o funcionamento
- Ajuste automático da frequência com base nas condições de carga
Material
- Cadinho: Cadinho de grafite de alta densidade prensado isoestaticamente
- Espessura da parede: 50 mm
- Vida útil: cerca de 100 ciclos de fusão
- Condutividade térmica: 120 W/(m-K)
- Materiais de carga:
- Sucata de extrusão de alumínio (70%)
- Latas de alumínio usadas para bebidas (20%)
- Torneamento de alumínio para máquinas (10%)
- Tamanho médio do material: 50-200 mm
Temperatura
- Temperatura alvo de fusão: 720°C (±10°C)
- Temperatura de carga inicial: 25°C (ambiente)
- Taxa de aquecimento: aproximadamente 10°C/minuto
- Verificação da temperatura: Termopar de imersão (tipo K) com leitura digital
- Manter o sobreaquecimento durante 20 minutos antes de verter
- Limite máximo de temperatura: 760°C (para evitar a oxidação excessiva)
Consumo de energia
- Consumo médio de energia: 378 kWh/tonelada
- Fator de potência: 0,92 (com correção do fator de potência)
- Repartição específica da energia:
- Energia teórica necessária para a fusão de alumínio: 320 kWh/tonelada
- Perdas de calor: 58 kWh/tonelada
- Eficiência do sistema: 84,7%
Processo
| Fase do processo | Tempo (min) | Potência de entrada (kW) | Temperatura (°C) | Observações |
|---|---|---|---|---|
| Carga inicial | 0 | 0 | 25 | 500 kg de sucata de alumínio carregada |
| Pré-aquecimento | 0-15 | 80 | 25-200 | Aumento gradual da potência para eliminar a humidade |
| Fase 1 do aquecimento | 15-35 | 140 | 200-550 | O material começa a desmoronar-se |
| Fase 2 do aquecimento | 35-55 | 160 | 550-720 | Ocorre a fusão completa |
| Manutenção da temperatura | 55-75 | 40 | 720 | Manutenção da temperatura alvo |
| Adição de fluxo | 60 | 40 | 720 | 0,5% fluxo adicionado para remover impurezas |
| Desgaseificação | 65 | 40 | 720 | Purga com gás nitrogénio durante 5 minutos |
| Amostragem e análise | 70 | 40 | 720 | Verificação da composição química |
| Derramamento | 75-85 | 0 | 720-700 | Verter nos moldes de forma controlada |
| Limpeza do forno | 85-100 | 0 | – | Remoção de escórias, inspeção do cadinho |
Narrativa
A operação de fusão de alumínio na Fundição XYZ demonstra a eficácia da fusão por indução para a reciclagem de sucatas e latas de alumínio. O processo começa com uma cuidadosa triagem e preparação dos materiais de carga para remover contaminantes como tintas, revestimentos e materiais estranhos que possam afetar a qualidade da fusão.
Durante um ciclo de fusão típico, a carga de 500 kg é carregada no cadinho de grafite posicionado dentro da bobina de indução. O sistema PLC inicia uma sequência programada de aumento de potência para evitar o choque térmico no cadinho. À medida que a potência aumenta, o campo eletromagnético induz correntes de Foucault no alumínio, gerando calor a partir do próprio metal.
A fase inicial de pré-aquecimento é fundamental para remover a humidade e as substâncias voláteis. À medida que a temperatura se aproxima dos 660°C (ponto de fusão do alumínio), o material começa a colapsar e a formar uma poça de fusão. O operador monitoriza o processo através da interface HMI, fazendo os ajustes necessários com base em dados em tempo real.
Nomeadamente, a análise dos dados revela que o funcionamento mais eficiente em termos energéticos ocorre durante a fase de aquecimento principal, em que a utilização da energia atinge a eficiência máxima. O consumo de energia de 378 kWh/tonelada representa uma melhoria de 15% em relação aos anteriores fornos de fusão a gás da instalação.
A uniformidade da temperatura na massa fundida é excelente devido ao efeito de agitação natural criado pelo campo eletromagnético. Isto elimina a necessidade de agitação mecânica e reduz a formação de óxido. O sistema de arrefecimento em circuito fechado mantém as temperaturas de funcionamento ideais para a bobina de indução e para os componentes eléctricos, recuperando o calor residual para o pré-aquecimento dos materiais recebidos.
Depois de atingir a temperatura alvo de 720°C, é adicionado fluxo para facilitar a remoção de inclusões não metálicas. A purga de gás nitrogénio através de uma lança de grafite reduz o teor de hidrogénio, minimizando a potencial porosidade nas peças fundidas finais. Antes do vazamento, são recolhidas amostras para verificar a composição química e efetuar os ajustes necessários.
O mecanismo de inclinação hidráulica permite um controlo preciso do vazamento, reduzindo a turbulência e a formação de óxido durante o processo de fundição. Toda a operação é concluída em 100 minutos, desde o arranque a frio até ao vazamento final, o que representa uma poupança de tempo significativa em comparação com os métodos tradicionais.
Resultados/Benefícios
| Parâmetro | Sistema anterior a gás | Sistema de indução | Melhoria |
|---|---|---|---|
| Consumo de energia (kWh/ton) | 445 | 378 | Redução 15% |
| Tempo de fusão (min/500kg) | 140 | 100 | Redução 29% |
| Perda metálica (%) | 5.2 | 2.8 | Redução 46% |
| Uniformidade de temperatura (±°C) | ±25 | ±10 | Melhoria do 60% |
| Emissões de CO₂ (kg/ton Al) | 142 | 64* | Redução 55% |
| Horas de trabalho (hrs/ton) | 1.8 | 0.9 | Redução 50% |
| Custo anual de manutenção ($) | $32,500 | $18,700 | Redução 42% |
| Capacidade de produção (toneladas/dia) | 4.2 | 6.0 | Aumento de 43% |
| Qualidade do produto (taxa de defeitos %) | 3.5 | 1.2 | Redução 66% |
| Temperatura do local de trabalho (°C) | 38 | 30 | Melhoria do 21% |
*Com base no mix de produção de eletricidade local
A implementação do sistema de fusão por indução proporcionou benefícios operacionais, ambientais e económicos significativos. O controlo preciso da temperatura e a redução do tempo de fusão contribuíram para a obtenção de peças fundidas de maior qualidade e com menos defeitos. As melhorias na eficiência energética reduziram os custos operacionais e o impacto ambiental. Além disso, a melhoria das condições de trabalho e a redução dos requisitos de mão de obra tiveram um impacto positivo na satisfação e produtividade da força de trabalho.