Fallstudie: Induktionsprocess för smältning av aluminium

Målsättning

För att effektivt smälta aluminiumskrot och burkar med hjälp av induktionsvärmeteknikoch uppnå optimal energieffektivitet samtidigt som smält aluminium av hög kvalitet hålls vid den temperatur som krävs för gjutning.

Utrustning

• Generator för induktionsvärme: 160 kW kapacitet
• Smältdegel Kapacitet: 500 kg smältugn för aluminium
• Typ av ugn: Induktionsugn med hydraulisk lutning
• Kylsystem: Sluten kylkrets i vattentornet
• Materialhantering: Traverskran (kapacitet 2 ton)
• Säkerhetsutrustning: Temperaturövervakningsanordningar, nödstoppssystem, personlig skyddsutrustning
• Filtreringssystem: Keramiska skumfilter för rening av smält aluminium
• Avgassystem: Avskiljningshuv med filtrering
  

  

Styrningssystem

Processen styrs av ett PLC-system (programmerbar logisk styrenhet) med:

• Allen-Bradley CompactLogix-styrenhet
• HMI-pekskärmsgränssnitt med grafisk representation av processparametrar
• Övervakning i realtid av:
  • Inmatad effekt (kW)
  • Spolström (A)
  • Frekvens (kHz)
  • Temperatur för vattenkylning (inlopp/utlopp)
  • Metalltemperatur via termoelement
• Dataloggningsfunktioner för processoptimering
• Larmsystem för onormala driftsförhållanden
• Flera driftlägen (manuell, halvautomatisk, automatisk)
• Receptförvaring för olika typer av aluminiumlegeringar

Induktionsspole

• Design: Specialdesignad spiralformad spole med flera varv
• Konstruktion: Vattenkylda kopparrör (25 mm diameter)
• Turns: 12 varv med optimerat avstånd för jämn uppvärmning
• Isolering: Högtemperaturisolering av keramiska fibrer (klassad till 1200°C)
• Spolskydd: Stänkskyddande keramisk beläggning
• Elektriska anslutningar: Skenor av silverpläterad koppar
• Kylsystem: Dedikerad vattenkrets med flödesövervakning (minimiflöde: 45 l/min)

Frekvens

• Arbetsfrekvens: 8 kHz
• Vald för optimalt inträngningsdjup i aluminium (ca 3,5 mm)
• Frekvensstabiliteten hålls inom ±0,2 kHz under drift
• Automatisk frekvensjustering baserad på belastningsförhållanden

Material

• Crucible: Isostatiskt pressad grafitdegel med hög densitet
  • Väggtjocklek: 50 mm
  • Livslängd: cirka 100 smältcykler
  • Värmeledningsförmåga: 120 W/(m-K)
• Ladda material:
  • Skrot av aluminiumprofiler (70%)
  • Begagnade dryckesburkar av aluminium (20%)
  • Svarvning av aluminiummaskiner (10%)
  • Genomsnittlig materialstorlek: 50-200 mm

Temperatur

• Målets smälttemperatur: 720°C (±10°C)
• Initial laddningstemperatur: 25°C (omgivande)
• Uppvärmningshastighet: cirka 10°C/minut
• Verifiering av temperatur: Nedsänkningstermoelement (typ K) med digital avläsning
• Överhettad i 20 minuter före hällning
• Maximal temperaturgräns: 760°C (för att förhindra överdriven oxidation)

Energiförbrukning

• Genomsnittlig energiförbrukning: 378 kWh/ton
• Effektfaktor: 0,92 (med effektfaktorkorrigering)
• Specifik nedbrytning av energi:
  • Teoretisk energi som krävs för aluminiumsmältning: 320 kWh/ton
  • Värmeförluster: 58 kWh/ton
• Systemeffektivitet: 84,7%

Process

Berättelse

Aluminiumsmältningen vid XYZ Foundry visar hur effektiv induktionssmältning är för återvinning av aluminiumskrot och burkar. Processen börjar med noggrann sortering och förberedelse av laddningsmaterialen för att avlägsna föroreningar som färger, beläggningar och främmande material som kan påverka smältkvaliteten.

Under en typisk smältcykel laddas den 500 kg tunga laddningen i grafitdegeln som är placerad i induktionsspolen. PLC-systemet initierar en programmerad effektupptrappningssekvens för att förhindra termisk chock i degeln. När effekten ökar inducerar det elektromagnetiska fältet virvelströmmar i aluminiumet, vilket genererar värme inifrån själva metallen.

Den inledande förvärmningsfasen är avgörande för att avlägsna fukt och flyktiga ämnen. När temperaturen närmar sig 660°C (aluminiumets smältpunkt) börjar materialet kollapsa och bilda en smält pool. Operatören övervakar processen via HMI-gränssnittet och gör justeringar efter behov baserat på realtidsdata.

Dataanalysen visar att den mest energieffektiva driften sker under den huvudsakliga uppvärmningsfasen, där effektutnyttjandet når maximal effektivitet. Energiförbrukningen på 378 kWh/ton innebär en förbättring med 15% jämfört med anläggningens tidigare gaseldade smältugnar.

Temperaturjämnheten över smältan är utmärkt tack vare den naturliga omrörningseffekt som skapas av det elektromagnetiska fältet. Detta eliminerar behovet av mekanisk omrörning och minskar oxidbildningen. Det slutna kylsystemet upprätthåller optimala driftstemperaturer för induktionsspolen och de elektriska komponenterna och återvinner spillvärme för förvärmning av inkommande material.

När måltemperaturen på 720°C har uppnåtts tillsätts flussmedel för att underlätta avlägsnandet av icke-metalliska inneslutningar. Kvävgasrening genom en grafitlans minskar vätehalten och minimerar potentiell porositet i det slutliga gjutgodset. Före gjutning tas prover för att verifiera den kemiska sammansättningen och göra eventuella nödvändiga justeringar.

Den hydrauliska lutningsmekanismen ger exakt kontroll över gjutningen, vilket minskar turbulensen och oxidbildningen under gjutningsprocessen. Hela operationen genomförs inom 100 minuter från kallstart till färdig gjutning, vilket innebär en betydande tidsbesparing jämfört med traditionella metoder.

Resultat/fördelar

*Baserat på lokal elproduktionsmix

Genomförandet av induktionssmältningssystem har gett betydande operativa, miljömässiga och ekonomiska fördelar. Den exakta temperaturkontrollen och den kortare smälttiden har bidragit till gjutgods av högre kvalitet med färre defekter. Förbättringar av energieffektiviteten har minskat både driftskostnaderna och miljöpåverkan. Dessutom har de förbättrade arbetsförhållandena och det minskade behovet av arbetskraft haft en positiv inverkan på personalens tillfredsställelse och produktivitet.