Studiu de caz: Procesul de topire a aluminiului prin inducție
Obiectiv
Pentru topirea eficientă a resturilor de aluminiu și a cutiilor folosind tehnologie de încălzire prin inducție, obținând o eficiență energetică optimă, menținând în același timp aluminiu topit de înaltă calitate la temperatura necesară pentru operațiunile de turnare.
Echipament
- Generator de încălzire prin inducție: Capacitate de 160 kW
- Capacitate creuzet: Furnal de topire a aluminiului de 500 kg
- Tip cuptor: Cuptor de inducție basculant hidraulic
- Sistem de răcire: Circuit închis de răcire a turnului de apă
- Manipularea materialelor: Macara suspendată (capacitate de 2 tone)
- Echipament de siguranță: Dispozitive de monitorizare a temperaturii, sistem de oprire de urgență, echipament individual de protecție
- Sistem de filtrare: Filtre din spumă ceramică pentru purificarea aluminiului topit
- Sistem de evacuare: Hota de extracție a fumului cu filtrare
Sistemul de control
Procesul este gestionat de un sistem PLC (Programmable Logic Controller) cu:
- Controler Allen-Bradley CompactLogix
- Interfață cu ecran tactil HMI cu reprezentare grafică a parametrilor de proces
- Monitorizarea în timp real a:
- Putere absorbită (kW)
- Curentul bobinei (A)
- Frecvență (kHz)
- Temperatura de răcire a apei (intrare/ieșire)
- Temperatura metalului prin termocuplu
- Capacități de înregistrare a datelor pentru optimizarea proceselor
- Sisteme de alarmă pentru condiții anormale de funcționare
- Moduri de operare multiple (manual, semi-automat, automat)
- Rețeta de stocare pentru diferite tipuri de aliaje de aluminiu
Bobină de inducție
- Design: Bobină elicoidală cu mai multe spire proiectată la comandă
- Construcție: Tub de cupru răcit cu apă (diametru de 25 mm)
- Întoarceri: 12 spire cu spațiere optimizată pentru încălzire uniformă
- Izolație: Izolație din fibre ceramice pentru temperaturi ridicate (până la 1200°C)
- Protecția bobinei: Acoperire ceramică anti-stropire
- Conexiuni electrice: Bare de cupru placate cu argint
- Sistem de răcire: Circuit de apă dedicat cu monitoare de debit (debit minim: 45 L/min)
Frecvența
- Frecvența de funcționare: 8 kHz
- Selectat pentru adâncimea optimă de penetrare în aluminiu (aproximativ 3,5 mm)
- Stabilitatea frecvenței menținută în ±0,2 kHz în timpul funcționării
- Reglarea automată a frecvenței în funcție de condițiile de sarcină
Material
- Crucible: Creuzet din grafit presat izostatic de înaltă densitate
- Grosimea peretelui: 50 mm
- Durata de viață: aproximativ 100 de cicluri de topire
- Conductivitate termică: 120 W/(m-K)
- Materiale de încărcare:
- Resturi de aluminiu extrudat (70%)
- Cutii de băutură din aluminiu uzate (20%)
- Strunguri pentru mașini din aluminiu (10%)
- Dimensiunea medie a materialului: 50-200 mm
Temperatura
- Temperatura țintă de topire: 720°C (±10°C)
- Temperatura inițială de încărcare: 25°C (ambientală)
- Rata de încălzire: aproximativ 10°C/minut
- Verificarea temperaturii: Termocuplu cu imersie (tip K) cu citire digitală
- Supraîncălzirea se menține timp de 20 de minute înainte de turnare
- Limita maximă de temperatură: 760°C (pentru a preveni oxidarea excesivă)
Consumul de energie
- Consum mediu de energie: 378 kWh/tonă
- Factor de putere: 0,92 (cu corecția factorului de putere)
- Defalcarea energiei specifice:
- Energia teoretică necesară pentru topirea aluminiului: 320 kWh/tonă
- Pierderi de căldură: 58 kWh/tonă
- Eficiența sistemului: 84.7%
Procesul
| Etapa procesului | Timp (min) | Putere absorbită (kW) | Temperatura (°C) | Observații |
|---|---|---|---|---|
| Taxa inițială | 0 | 0 | 25 | 500 kg deșeuri de aluminiu încărcate |
| Preîncălzire | 0-15 | 80 | 25-200 | Creșterea treptată a puterii pentru a elimina umiditatea |
| Faza de încălzire 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Materialul începe să se prăbușească |
| Faza de încălzire 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | Are loc topirea completă |
| Menținerea temperaturii | 55-75 | 40 | 720 | Menținerea temperaturii țintă |
| Adaos de flux | 60 | 40 | 720 | 0,5% flux adăugat pentru a elimina impuritățile |
| Degazare | 65 | 40 | 720 | Purjare cu gaz azot timp de 5 minute |
| Eșantionare și analiză | 70 | 40 | 720 | Verificarea compoziției chimice |
| Turnare | 75-85 | 0 | 720-700 | Turnare controlată în matrițe |
| Curățarea cuptorului | 85-100 | 0 | – | Îndepărtarea zgurii, inspecția creuzetului |
Narrativ
Operațiunea de topire a aluminiului de la turnătoria XYZ demonstrează eficiența topirii prin inducție pentru reciclarea resturilor și cutiilor de aluminiu. Procesul începe cu sortarea și pregătirea atentă a materialelor de încărcare pentru a elimina contaminanții precum vopsele, acoperiri și materiale străine care ar putea afecta calitatea topiturii.
În timpul unui ciclu tipic de topire, încărcătura de 500 kg este încărcată în creuzetul de grafit poziționat în interiorul bobinei de inducție. Sistemul PLC inițiază o secvență programată de creștere a puterii pentru a preveni șocul termic al creuzetului. Pe măsură ce puterea crește, câmpul electromagnetic induce curenți turbionari în aluminiu, generând căldură din interiorul metalului însuși.
Faza inițială de preîncălzire este esențială pentru eliminarea umidității și a substanțelor volatile. Pe măsură ce temperatura se apropie de 660°C (punctul de topire al aluminiului), materialul începe să se prăbușească și să formeze un bazin topit. Operatorul monitorizează procesul prin interfața HMI, făcând ajustările necesare pe baza datelor în timp real.
În special, analiza datelor arată că cea mai eficientă funcționare din punct de vedere energetic are loc în timpul fazei principale de încălzire, când utilizarea energiei atinge eficiența maximă. Consumul de energie de 378 kWh/tonă reprezintă o îmbunătățire de 15% față de cuptoarele de topire anterioare alimentate cu gaz ale instalației.
Uniformitatea temperaturii de-a lungul topiturii este excelentă datorită efectului natural de agitare creat de câmpul electromagnetic. Acest lucru elimină nevoia de agitare mecanică și reduce formarea de oxizi. Sistemul de răcire în buclă închisă menține temperaturi optime de funcționare pentru bobina de inducție și componentele electrice, recuperând căldura reziduală pentru preîncălzirea materialelor primite.
După atingerea temperaturii țintă de 720°C, se adaugă flux pentru a facilita îndepărtarea incluziunilor nemetalice. Purjarea azotului gazos printr-o lance de grafit reduce conținutul de hidrogen, minimizând porozitatea potențială în piesele turnate finale. Înainte de turnare, se prelevează probe pentru a verifica compoziția chimică și pentru a face orice ajustări necesare.
Mecanismul hidraulic de înclinare permite un control precis al turnării, reducând turbulențele și formarea de oxizi în timpul procesului de turnare. Întreaga operațiune este finalizată în 100 de minute, de la pornirea la rece până la turnarea finală, ceea ce reprezintă o economie semnificativă de timp în comparație cu metodele tradiționale.
Rezultate/beneficii
| Parametru | Sistemul anterior alimentat cu gaz | Sistem de inducție | Îmbunătățire |
|---|---|---|---|
| Consumul de energie (kWh/tonă) | 445 | 378 | 15% reducere |
| Timp de topire (min/500kg) | 140 | 100 | 29% reducere |
| Pierdere de metal (%) | 5.2 | 2.8 | Reducere 46% |
| Uniformitatea temperaturii (±°C) | ±25 | ±10 | 60% îmbunătățire |
| Emisii de CO₂ (kg/ton Al) | 142 | 64* | Reducere 55% |
| Ore de muncă (ore/tonă) | 1.8 | 0.9 | Reducere 50% |
| Costuri anuale de întreținere ($) | $32,500 | $18,700 | Reducere 42% |
| Capacitatea de producție (tone/zi) | 4.2 | 6.0 | 43% creștere |
| Calitatea produselor (rata defectelor %) | 3.5 | 1.2 | Reducere 66% |
| Temperatura locului de muncă (°C) | 38 | 30 | 21% îmbunătățire |
*Bazat pe mixul producției locale de energie electrică
Punerea în aplicare a sistem de topire prin inducție a adus beneficii operaționale, de mediu și economice semnificative. Controlul precis al temperaturii și reducerea timpului de topire au contribuit la obținerea unor piese turnate de calitate superioară, cu mai puține defecte. Îmbunătățirea eficienței energetice a redus atât costurile de exploatare, cât și impactul asupra mediului. În plus, îmbunătățirea condițiilor de lucru și reducerea cerințelor privind forța de muncă au avut un impact pozitiv asupra satisfacției și productivității forței de muncă.