個案研究：感應式鋁熔製程
目標
使用以下方法有效熔化鋁屑和鋁罐 感應加熱技術在保持鑄造作業所需溫度下的高品質熔融鋁的同時，達到最佳能源效率。
設備
- 感應加熱發電機: 160 kW 容量
- 坩鍋容量： 500 公斤鋁熔解爐
- 火爐類型： 液壓傾斜感應爐
- 冷卻系統： 封閉式水塔冷卻回路
- 材料處理： 天車（2 噸起重能力）
- 安全設備： 溫度監控裝置、緊急停機系統、個人防護裝備
- 過濾系統： 用於熔融鋁淨化的泡沫陶瓷過濾器
- 排氣系統： 具過濾功能的排煙罩
控制系統
此製程由 PLC (可程式邏輯控制器) 系統管理，其特色在於：
- Allen-Bradley CompactLogix 控制器
- 具有圖形化製程參數的 HMI 觸控螢幕介面
- 即時監控：
- 輸入功率 (kW)
- 線圈電流 (A)
- 頻率 (kHz)
- 水冷溫度 (入口/出口)
- 透過熱電偶測量金屬溫度
- 數據記錄功能可優化製程
- 異常操作狀況的警報系統
- 多種操作模式（手動、半自動、自動）
- 不同鋁合金類型的配方儲存
感應線圈
- 設計： 客製化設計的多圈螺旋線圈
- 施工： 水冷銅管 (25mm 直徑)
- 轉彎： 12 匝，具有最佳間距，可均勻加熱
- 隔熱： 高溫陶瓷纖維絕緣（額定溫度為 1200°C）
- 線圈保護： 防濺陶瓷塗層
- 電氣連接： 鍍銀銅匯流排
- 冷卻系統： 配備流量監測器的專用水路 (最小流量：45 公升/分鐘)
頻率
- 操作頻率：8 kHz
- 選用於鋁材的最佳滲透深度 (約 3.5 mm)
- 操作期間頻率穩定度維持在±0.2 kHz 之內
- 根據負載狀況自動調整頻率
材質
- Crucible： 高密度等靜壓石墨坩鍋
- 壁厚：50 mm
- 使用壽命：約 100 次熔解週期
- 熱傳導率：120 W/(m-K)
- 充電材料：
- 鋁擠型廢料 (70%)
- 廢鋁飲料罐（20%）
- 鋁機械車削 (10%)
- 平均材料尺寸：50-200 mm
溫度
- 目標熔解溫度：720°C (±10°C)
- 初始充電溫度：25°C（環境溫度）
- 加熱速率：約 10°C/分鐘
- 溫度驗證：浸入式熱電偶 (K 型)，附數位讀數
- 澆注前保持過熱 20 分鐘
- 最高溫度限制：760°C（防止過度氧化）
能源消耗
- 平均能源消耗：378 kWh/噸
- 功率因數：0.92 (有功率因數校正)
- 特定能量分解：
- 鋁熔化所需的理論能量：320 kWh/噸
- 熱損失：58 kWh/噸
- 系統效率：84.7%
製程
| 製程階段 | 時間（分鐘） | 輸入功率 (kW) | 溫度 (°C) | 觀察 |
|---|---|---|---|---|
| 初始收費 | 0 | 0 | 25 | 裝載 500 公斤廢鋁 |
| 預熱 | 0-15 | 80 | 25-200 | 逐步增加功率以去除濕氣 |
| 加熱階段 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | 材料開始崩解 |
| 加熱階段 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | 發生完全熔化 |
| 溫度保持 | 55-75 | 40 | 720 | 保持目標溫度 |
| 通量增加 | 60 | 40 | 720 | 添加 0.5% 助焊劑以去除雜質 |
| 脫氣 | 65 | 40 | 720 | 氮氣吹掃 5 分鐘 |
| 取樣與分析 | 70 | 40 | 720 | 化學成分驗證 |
| 澆注 | 75-85 | 0 | 720-700 | 受控制的倒入模具 |
| 爐子清潔 | 85-100 | 0 | – | 除渣、坩堝檢查 |
敘述
XYZ 鑄造廠的鋁熔解作業展示了感應熔解回收鋁廢料和鋁罐的有效性。此製程首先要仔細分類和準備鋁料，以去除可能影響熔解品質的汙染物，例如油漆、塗層和異物。
在典型的熔化週期中，500 公斤的爐料會裝入放置在感應線圈內的石墨坩鍋中。PLC 系統會啟動程式化的功率提升順序，以防止坩鍋受到熱衝擊。隨著功率的增加，電磁場會在鋁中產生渦電流，從金屬本身產生熱量。
最初的預熱階段對於去除濕氣和揮發性物質至關重要。當溫度接近 660°C（鋁的熔點）時，材料開始塌陷並形成熔池。操作員可透過 HMI 介面監控製程，並根據即時資料做出所需的調整。
值得注意的是，數據分析顯示，最節能的操作發生在主要加熱階段，電力利用率達到最高效率。能耗為 378 kWh/ton，與該廠以前的燃氣熔化爐相比，提高了 15%。
由於電磁場所產生的自然攪拌效果，整個熔體的溫度均勻性極佳。這樣就不需要機械攪拌，並可減少氧化物的形成。閉環冷卻系統可維持感應線圈和電子元件的最佳工作溫度，並回收廢熱以預熱進料。
在達到 720°C 的目標溫度後，加入助熔劑以利於去除非金屬雜質。透過石墨噴槍進行氮氣吹掃可降低氫含量，將最終鑄件的潛在孔隙率降至最低。澆注前會取樣以驗證化學成分，並進行必要的調整。
液壓傾斜機構可精確控制澆注，減少澆注過程中的湍流和氧化物形成。從冷卻開始到完成澆注，整個作業可在 100 分鐘內完成，與傳統方法相比可節省大量時間。
結果/效益
| 參數 | 先前的瓦斯燃燒系統 | 感應系統 | 改進 |
|---|---|---|---|
| 能源消耗（千瓦時/噸） | 445 | 378 | 15% 還原 |
| 熔解時間 (min/500kg) | 140 | 100 | 29% 還原 |
| 金屬損耗 (%) | 5.2 | 2.8 | 46% 還原 |
| 溫度均勻性 (±°C) | ±25 | ±10 | 60% 改善 |
| CO₂ 排放量（千克/噸鋁） | 142 | 64* | 55% 還原 |
| 工時 (小時/噸) | 1.8 | 0.9 | 50% 還原 |
| 年度維護費用 ($) | $32,500 | $18,700 | 42% 還原 |
| 產能（噸/天） | 4.2 | 6.0 | 43% 增加 |
| 產品品質（不良率 %） | 3.5 | 1.2 | 66% 還原 |
| 工作場所溫度 (°C) | 38 | 30 | 21% 改良 |
* 基於當地發電組合
的實施 感應熔解系統 帶來了顯著的運行、環境和經濟效益。精確的溫度控制和縮短的熔解時間，使鑄件品質更高、缺陷更少。能源效率的提高降低了營運成本和對環境的影響。此外，工作條件的改善和勞動力需求的減少也對員工的滿意度和生產力產生了積極的影響。