Nghiên cứu tình huống: Quy trình nấu chảy nhôm cảm ứng

Mục tiêu

Để làm tan chảy hiệu quả các mảnh nhôm vụn và lon bằng cách sử dụng công nghệ sưởi ấm cảm ứng, đạt được hiệu quả năng lượng tối ưu trong khi vẫn duy trì nhôm nóng chảy chất lượng cao ở nhiệt độ cần thiết cho hoạt động đúc.

Equipment

• Máy phát điện sưởi ấm cảm ứng: Công suất 160 kW
• Sức chứa của lò nung: Lò nấu chảy nhôm 500 kg
• Loại lò: Lò nung cảm ứng nghiêng thủy lực
• Hệ thống làm mát: Mạch làm mát tháp nước khép kín
• Xử lý vật liệu: Cẩu trục (sức chứa 2 tấn)
• Thiết bị an toàn: Thiết bị theo dõi nhiệt độ, hệ thống dừng khẩn cấp, thiết bị bảo vệ cá nhân
• Hệ thống lọc: Bộ lọc bọt gốm để tinh chế nhôm nóng chảy
• Hệ thống ống xả: Máy hút khói có lọc
  

  

Hệ thống điều khiển

Quá trình này được quản lý bởi hệ thống PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) có các tính năng sau:

• Bộ điều khiển Allen-Bradley CompactLogix
• Giao diện màn hình cảm ứng HMI với biểu diễn đồ họa của các thông số quy trình
• Theo dõi thời gian thực của:
  • Công suất đầu vào (kW)
  • Dòng điện cuộn dây (A)
  • Tần số (kHz)
  • Nhiệt độ làm mát nước (vào/ra)
  • Nhiệt độ kim loại qua cặp nhiệt điện
• Khả năng ghi dữ liệu để tối ưu hóa quy trình
• Hệ thống báo động cho các điều kiện hoạt động bất thường
• Nhiều chế độ vận hành (thủ công, bán tự động, tự động)
• Lưu trữ công thức cho các loại hợp kim nhôm khác nhau

Cuộn dây điện tử

• thiết kế: Cuộn dây xoắn ốc nhiều vòng được thiết kế riêng
• Xây dựng: Ống đồng làm mát bằng nước (đường kính 25mm)
• Lượt đi: 12 vòng với khoảng cách được tối ưu hóa để gia nhiệt đồng đều
• Vật liệu cách nhiệt: Vật liệu cách nhiệt sợi gốm chịu nhiệt độ cao (lên tới 1200°C)
• Bảo vệ cuộn dây: Lớp phủ gốm chống bắn tóe
• Kết nối điện: Thanh cái bằng đồng mạ bạc
• Hệ thống làm mát: Mạch nước chuyên dụng có màn hình theo dõi lưu lượng (tốc độ dòng chảy tối thiểu: 45 L/phút)

Tần số

• Tần số hoạt động: 8 kHz
• Được lựa chọn để có độ sâu thâm nhập tối ưu vào nhôm (khoảng 3.5 mm)
• Độ ổn định tần số được duy trì trong phạm vi ±0.2 kHz trong quá trình hoạt động
• Tự động điều chỉnh tần số dựa trên điều kiện tải

Vật chất

• nồi nấu kim loại: Nồi nấu graphite nén tĩnh đẳng mật độ cao
  • Độ dày của tường: 50 mm
  • Tuổi thọ: khoảng 100 chu kỳ nóng chảy
  • Độ dẫn nhiệt: 120 W/(m·K)
• Vật liệu sạc:
  • Phế liệu đùn nhôm (70%)
  • Lon đồ uống bằng nhôm đã qua sử dụng (20%)
  • Máy tiện nhôm (10%)
  • Kích thước vật liệu trung bình: 50-200 mm

Nhiệt độ

• Nhiệt độ nóng chảy mục tiêu: 720°C (±10°C)
• Nhiệt độ sạc ban đầu: 25°C (môi trường xung quanh)
• Tốc độ gia nhiệt: khoảng 10°C/phút
• Xác minh nhiệt độ: Cặp nhiệt điện nhúng (loại K) có màn hình kỹ thuật số
• Duy trì nhiệt độ cao trong 20 phút trước khi rót
• Giới hạn nhiệt độ tối đa: 760°C (để tránh quá trình oxy hóa quá mức)

Tiêu thụ năng lượng

• Tiêu thụ năng lượng trung bình: 378 kWh/tấn
• Hệ số công suất: 0.92 (có hiệu chỉnh hệ số công suất)
• Phân tích năng lượng cụ thể:
  • Năng lượng lý thuyết cần thiết để nấu chảy nhôm: 320 kWh/tấn
  • Tổn thất nhiệt: 58 kWh/tấn
• Hiệu suất hệ thống: 84.7%

Quy trình xét duyệt

Tường thuật

Hoạt động nấu chảy nhôm tại XYZ Foundry chứng minh hiệu quả của quá trình nấu chảy cảm ứng để tái chế phế liệu nhôm và lon. Quá trình bắt đầu bằng việc phân loại và chuẩn bị cẩn thận các vật liệu nạp để loại bỏ các chất gây ô nhiễm như sơn, lớp phủ và các vật liệu lạ có thể ảnh hưởng đến chất lượng nấu chảy.

Trong chu kỳ nấu chảy thông thường, điện tích 500 kg được nạp vào lò nung graphite được đặt bên trong cuộn cảm ứng. Hệ thống PLC khởi tạo trình tự tăng công suất được lập trình để ngăn ngừa sốc nhiệt cho lò nung. Khi công suất tăng, trường điện từ tạo ra dòng điện xoáy trong nhôm, tạo ra nhiệt từ bên trong chính kim loại.

Giai đoạn gia nhiệt ban đầu rất quan trọng để loại bỏ độ ẩm và các chất dễ bay hơi. Khi nhiệt độ đạt đến 660°C (điểm nóng chảy của nhôm), vật liệu bắt đầu sụp đổ và tạo thành một vũng nóng chảy. Người vận hành theo dõi quá trình thông qua giao diện HMI, thực hiện các điều chỉnh khi cần dựa trên dữ liệu thời gian thực.

Đáng chú ý, phân tích dữ liệu cho thấy hoạt động tiết kiệm năng lượng nhất diễn ra trong giai đoạn gia nhiệt chính, khi đó mức sử dụng năng lượng đạt hiệu suất tối đa. Mức tiêu thụ năng lượng 378 kWh/tấn thể hiện mức cải thiện 15% so với lò nấu chảy đốt khí trước đây của cơ sở.

Độ đồng đều nhiệt độ trên toàn bộ quá trình nóng chảy là tuyệt vời do hiệu ứng khuấy tự nhiên do trường điện từ tạo ra. Điều này loại bỏ nhu cầu khuấy cơ học và giảm sự hình thành oxit. Hệ thống làm mát vòng kín duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu cho cuộn cảm ứng và các thành phần điện, thu hồi nhiệt thải để làm nóng trước vật liệu đầu vào.

Sau khi đạt đến nhiệt độ mục tiêu là 720°C, chất trợ dung được thêm vào để tạo điều kiện loại bỏ các tạp chất phi kim loại. Khí nitơ được thổi qua một ống phun than chì làm giảm hàm lượng hydro, giảm thiểu độ xốp tiềm ẩn trong các sản phẩm đúc cuối cùng. Trước khi đổ, các mẫu được lấy để xác minh thành phần hóa học và thực hiện bất kỳ điều chỉnh cần thiết nào.

Cơ chế nghiêng thủy lực cho phép kiểm soát rót chính xác, giảm nhiễu loạn và hình thành oxit trong quá trình đúc. Toàn bộ hoạt động được hoàn thành trong vòng 100 phút từ khi bắt đầu nguội đến khi rót hoàn thiện, tiết kiệm đáng kể thời gian so với các phương pháp truyền thống.

Kết quả / Lợi ích

*Dựa trên cơ cấu sản xuất điện cục bộ

Việc thực hiện hệ thống nóng chảy cảm ứng đã mang lại những lợi ích đáng kể về mặt vận hành, môi trường và kinh tế. Việc kiểm soát nhiệt độ chính xác và thời gian nóng chảy được rút ngắn đã góp phần tạo ra các sản phẩm đúc chất lượng cao hơn với ít khuyết tật hơn. Những cải tiến về hiệu quả năng lượng đã làm giảm cả chi phí vận hành và tác động đến môi trường. Ngoài ra, điều kiện làm việc được cải thiện và nhu cầu lao động giảm đã tác động tích cực đến sự hài lòng và năng suất của lực lượng lao động.