Študija primera: Indukcijski postopek taljenja aluminija
Cilj
Za učinkovito taljenje ostankov aluminija in pločevink z uporabo tehnologija indukcijskega ogrevanja, doseganje optimalne energetske učinkovitosti ob ohranjanju visokokakovostnega staljenega aluminija pri zahtevani temperaturi za postopke litja.
oprema
- Generator indukcijskega ogrevanja: 160 kW zmogljivosti
- Zmogljivost lončka: 500 kg talilna peč za aluminij
- Vrsta peči: Hidravlična nagibna indukcijska peč
- Hladilni sistem: Zaprt hladilni krog vodnega stolpa
- Ravnanje z materialom: Mostni žerjav (nosilnost 2 tone)
- Varnostna oprema: Naprave za nadzor temperature, sistem za izklop v sili, osebna zaščitna oprema
- Sistem filtracije: Keramični penasti filtri za čiščenje staljenega aluminija
- Izpušni sistem: Odvodna napa s filtrom
Nadzorni sistem
Proces upravlja sistem PLC (Programmable Logic Controller), ki vključuje:
- Krmilnik Allen-Bradley CompactLogix
- HMI vmesnik z zaslonom na dotik z grafično predstavitvijo procesnih parametrov
- Spremljanje v realnem času:
- Vhodna moč (kW)
- Tok tuljave (A)
- Frekvenca (kHz)
- Temperatura vodnega hlajenja (vhod/izhod)
- Temperatura kovine preko termočlena
- Zmožnosti beleženja podatkov za optimizacijo procesa
- Alarmni sistemi za nenormalne pogoje delovanja
- Več načinov delovanja (ročni, polavtomatski, avtomatski)
- Shranjevanje receptov za različne vrste aluminijevih zlitin
Indukcijska tuljava
- Zasnova: Po meri izdelana večobratna spiralna tuljava
- Gradnja: Vodno hlajene bakrene cevi (premer 25 mm)
- Zavoji: 12 obratov z optimiziranim razmikom za enakomerno segrevanje
- Izolacija: Visokotemperaturna izolacija iz keramičnih vlaken (do 1200°C)
- Zaščita tuljave: Keramični premaz proti škropljenju
- Električni priključki: Posrebrene bakrene vodilne letve
- Hladilni sistem: Namenski vodni krog z merilniki pretoka (najmanjši pretok: 45 L/min)
frekvenca
- Delovna frekvenca: 8 kHz
- Izbrano za optimalno globino penetracije v aluminij (približno 3.5 mm)
- Frekvenčna stabilnost se med delovanjem ohranja znotraj ±0.2 kHz
- Samodejna prilagoditev frekvence glede na pogoje obremenitve
Material
- Crucible: Izostatično stisnjen grafitni lonček visoke gostote
- Debelina stene: 50 mm
- Življenjska doba: približno 100 talilnih ciklov
- Toplotna prevodnost: 120 W/(m·K)
- Materiali za polnjenje:
- Ostanki iz ekstrudiranja aluminija (70%)
- Rabljene aluminijaste pločevinke za pijačo (20%)
- Aluminijasti strojni ostružki (10%)
- Povprečna velikost materiala: 50-200 mm
temperature
- Ciljna temperatura taljenja: 720 °C (±10 °C)
- Začetna temperatura polnjenja: 25 °C (okolje)
- Hitrost segrevanja: približno 10°C/minuto
- Preverjanje temperature: potopni termoelement (tip K) z digitalnim odčitavanjem
- Pregretje vzdržujemo 20 minut pred vlivanjem
- Najvišja temperaturna meja: 760°C (za preprečevanje čezmerne oksidacije)
Poraba energije
- Povprečna poraba energije: 378 kWh/tono
- Faktor moči: 0.92 (s korekcijo faktorja moči)
- Specifična energijska razčlenitev:
- Teoretična poraba energije za taljenje aluminija: 320 kWh/tono
- Toplotne izgube: 58 kWh/tono
- Učinkovitost sistema: 84.7 %
Proces
| Faza postopka | Čas (min) | Vhodna moč (kW) | Temperatura (° C) | Opazovanja |
|---|---|---|---|---|
| Začetno polnjenje | 0 | 0 | 25 | Naloženo 500 kg odpadnega aluminija |
| Predgrevanje | 0-15 | 80 | 25-200 | Postopno povečanje moči za odstranjevanje vlage |
| Faza ogrevanja 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Material se začne sesedati |
| Faza ogrevanja 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | Pride do popolnega taljenja |
| Ohranjanje temperature | 55-75 | 40 | 720 | Ohranjanje ciljne temperature |
| Dodatek fluksa | 60 | 40 | 720 | 0.5 % dodanega talila za odstranjevanje nečistoč |
| Degassing | 65 | 40 | 720 | Pisanje z dušikovim plinom 5 minut |
| Vzorčenje in analiza | 70 | 40 | 720 | Preverjanje kemične sestave |
| Prelivanje | 75-85 | 0 | 720-700 | Kontrolirano vlivanje v kalupe |
| Čiščenje peči | 85-100 | 0 | - | Odstranjevanje žlindre, pregled lončka |
Narativni
Postopek taljenja aluminija v livarni XYZ dokazuje učinkovitost indukcijskega taljenja za recikliranje ostankov aluminija in pločevink. Postopek se začne s skrbnim razvrščanjem in pripravo polnilnih materialov za odstranitev kontaminantov, kot so barve, premazi in tuji materiali, ki bi lahko vplivali na kakovost taline.
Med tipičnim talilnim ciklom se 500 kg polnila naloži v grafitni lonček, nameščen znotraj indukcijske tuljave. Sistem PLC sproži programirano zaporedje povečanja moči, da prepreči toplotni udar lončka. Ko moč narašča, elektromagnetno polje inducira vrtinčne tokove v aluminiju, ki ustvarjajo toploto iz same kovine.
Začetna faza predgretja je kritična za odstranjevanje vlage in hlapljivih snovi. Ko se temperatura približa 660 °C (tališče aluminija), se material začne sesedati in tvoriti staljeno bazo. Operater spremlja proces prek vmesnika HMI in po potrebi izvaja prilagoditve na podlagi podatkov v realnem času.
Predvsem analiza podatkov razkriva, da se energijsko najbolj učinkovito delovanje zgodi med fazo glavnega ogrevanja, kjer izraba energije doseže največjo učinkovitost. Poraba energije 378 kWh/tono predstavlja 15-odstotno izboljšanje v primerjavi s prejšnjimi plinskimi talilnimi pečmi v objektu.
Enakomernost temperature v talini je odlična zaradi naravnega mešalnega učinka, ki ga ustvari elektromagnetno polje. To odpravi potrebo po mehanskem mešanju in zmanjša nastajanje oksidov. Hladilni sistem z zaprto zanko vzdržuje optimalne delovne temperature za indukcijsko tuljavo in električne komponente ter vrača odpadno toploto za predgretje vhodnih materialov.
Ko dosežemo ciljno temperaturo 720°C, dodamo talilo, da olajšamo odstranitev nekovinskih vključkov. Prepihovanje dušikovega plina skozi grafitno sulico zmanjša vsebnost vodika, kar zmanjša potencialno poroznost v končnih ulitkih. Pred vlivanjem se vzamejo vzorci za preverjanje kemične sestave in morebitne potrebne prilagoditve.
Hidravlični nagibni mehanizem omogoča natančno kontrolo vlivanja, zmanjšuje turbulenco in nastajanje oksida med postopkom litja. Celoten postopek je končan v 100 minutah od hladnega začetka do končnega vlivanja, kar predstavlja znaten prihranek časa v primerjavi s tradicionalnimi metodami.
Rezultati / koristi
| parameter | Prejšnji plinski sistem | Indukcijski sistem | Izboljšava |
|---|---|---|---|
| Poraba energije (kWh/tono) | 445 | 378 | 15% zmanjšanje |
| Čas taljenja (min/500 kg) | 140 | 100 | 29% zmanjšanje |
| Izguba kovine (%) | 5.2 | 2.8 | 46% zmanjšanje |
| Enakomernost temperature (±°C) | ± 25 | ± 10 | 60% izboljšanje |
| Emisije CO₂ (kg/tono Al) | 142 | 64 * | 55% zmanjšanje |
| Delovne ure (ure/tono) | 1.8 | 0.9 | 50% zmanjšanje |
| Letni stroški vzdrževanja ($) | $32,500 | $18,700 | 42% zmanjšanje |
| Proizvodna zmogljivost (ton/dan) | 4.2 | 6.0 | 43% povečanje |
| Kakovost izdelka (stopnja napak %) | 3.5 | 1.2 | 66% zmanjšanje |
| Temperatura na delovnem mestu (°C) | 38 | 30 | 21% izboljšanje |
*Na podlagi mešanice lokalne proizvodnje električne energije
Izvajanje indukcijski talilni sistem prinesel znatne operativne, okoljske in gospodarske koristi. Natančen nadzor temperature in skrajšan čas taljenja sta pripomogla k višji kakovosti ulitkov z manj napakami. Izboljšave energetske učinkovitosti so zmanjšale obratovalne stroške in vpliv na okolje. Poleg tega so izboljšani delovni pogoji in zmanjšane zahteve po delovni sili pozitivno vplivali na zadovoljstvo in produktivnost delovne sile.