사례 연구: 유도 알루미늄 용해 공정
목표
알루미늄 스크랩과 캔을 효율적으로 녹이려면 유도 가열 기술주조 작업에 필요한 온도에서 고품질 용융 알루미늄을 유지하면서 최적의 에너지 효율을 달성합니다.
장비
- 유도 가열 발전기: 160kW 용량
- 도가니 용량: 500kg 알루미늄 용해로
- 로 유형: 유압 틸팅 유도로
- 냉각 시스템 : 폐쇄형 워터타워 냉각 회로
- 자재 취급 : 오버헤드 크레인(2톤 용량)
- 안전 장비: 온도 모니터링 장치, 비상 정지 시스템, 개인 보호 장비
- 여과 시스템: 용융 알루미늄 정화용 세라믹 폼 필터
- 배기 시스템: 여과 기능이 있는 배기 후드
제어 시스템
이 프로세스는 다음 특징을 갖춘 PLC(Programmable Logic Controller) 시스템에 의해 관리됩니다.
- Allen-Bradley CompactLogix 컨트롤러
- 프로세스 매개변수의 그래픽 표현을 갖춘 HMI 터치스크린 인터페이스
- 실시간 모니터링:
- 전원 입력(kW)
- 코일 전류(A)
- 주파수 (kHz)
- 수냉 온도(입구/출구)
- 열전대를 통한 금속 온도
- 프로세스 최적화를 위한 데이터 로깅 기능
- 비정상 작동 조건에 대한 경보 시스템
- 다양한 작동 모드(수동, 반자동, 자동)
- 다양한 알루미늄 합금 유형에 대한 레시피 보관
유도 코일
- 디자인 : 맞춤형으로 설계된 다중 회전 나선형 코일
- 구성: 수냉 구리 튜브(직경 25mm)
- 회전: 균일한 가열을 위한 최적화된 간격의 12회전
- 단열재: 고온 세라믹 섬유 단열재(정격 1200°C)
- 코일 보호: 방수 세라믹 코팅
- 전기 연결 : 은도금 구리 버스바
- 냉각 시스템 : 유량 모니터가 있는 전용 급수 회로(최소 유량: 45L/분)
진동수
- 작동 주파수: 8kHz
- 알루미늄에 최적의 침투 깊이를 위해 선택됨(약 3.5mm)
- 작동 중 주파수 안정성은 ±0.2kHz 이내로 유지됩니다.
- 부하 조건에 따른 자동 주파수 조정
자재
- 도가니: 고밀도 등압성형흑연도가니
- 벽 두께 : 50mm
- 사용 수명 : 약 100회 용융 사이클
- 열전도율: 120W/(m·K)
- 충전 재료:
- 알루미늄 압출 스크랩(70%)
- 중고 알루미늄 음료캔(20%)
- 알루미늄 기계 선반 (10%)
- 평균 소재 크기: 50-200mm
온도
- 목표 용융 온도 : 720°C (±10°C)
- 초기 충전 온도: 25°C(주변 온도)
- 가열 속도 : 약 10°C/분
- 온도 검증: 디지털 판독 기능이 있는 침지 열전대(K형)
- 붓기 전 20분간 과열을 유지한다.
- 최대 온도 한계 : 760°C (과도한 산화 방지)
에너지 소비
- 평균 에너지 소비량: 378kWh/톤
- 역률 : 0.92 (역률 보정 포함)
- 특정 에너지 분해:
- 알루미늄 용해에 필요한 이론 에너지 : 320kWh/톤
- 열 손실: 58kWh/톤
- 시스템 효율성: 84.7%
방법
| 공정단계 | 시간 (분) | 전원 입력(kW) | 온도 (° C) | 관측 |
|---|---|---|---|---|
| 초기 충전 | 0 | 0 | 25 | 500kg 알루미늄 스크랩 적재 |
| 예열 | 0-15 | 80 | 25-200 | 습기를 제거하기 위한 점진적 전력 증가 |
| 가열 단계 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | 재료가 붕괴되기 시작합니다 |
| 가열 단계 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | 완전 용융이 발생합니다. |
| 온도 유지 | 55-75 | 40 | 720 | 목표 온도 유지 |
| 플럭스 추가 | 60 | 40 | 720 | 불순물 제거를 위해 0.5% 플럭스 첨가 |
| 탈기 | 65 | 40 | 720 | 5분간 질소가스 퍼징 |
| 샘플링 및 분석 | 70 | 40 | 720 | 화학성분 검증 |
| 붓는 것 | 75-85 | 0 | 720-700 | 금형에 제어된 주입 |
| 로 청소 | 85-100 | 0 | - | 찌꺼기 제거, 도가니 검사 |
이야기
XYZ Foundry의 알루미늄 용해 작업은 알루미늄 스크랩과 캔을 재활용하는 데 유도 용해가 효과적임을 보여줍니다. 이 공정은 페인트, 코팅 및 용융 품질에 영향을 줄 수 있는 이물질과 같은 오염 물질을 제거하기 위해 충전 재료를 신중하게 분류하고 준비하는 것으로 시작됩니다.
일반적인 용융 사이클 동안 500kg의 충전물이 유도 코일 내에 위치한 흑연 도가니에 적재됩니다. PLC 시스템은 도가니에 대한 열 충격을 방지하기 위해 프로그래밍된 전력 램프업 시퀀스를 시작합니다. 전력이 증가함에 따라 전자기장은 알루미늄에 와전류를 유도하여 금속 자체 내부에서 열을 생성합니다.
초기 예열 단계는 습기와 휘발성 물질을 제거하는 데 중요합니다. 온도가 660°C(알루미늄의 녹는점)에 가까워지면 재료가 붕괴되어 용융 풀을 형성하기 시작합니다. 작업자는 HMI 인터페이스를 통해 프로세스를 모니터링하고 실시간 데이터를 기반으로 필요에 따라 조정합니다.
특히, 데이터 분석에 따르면 가장 에너지 효율적인 운영은 주 가열 단계에서 발생하며, 이 단계에서 전력 사용량이 최대 효율에 도달합니다. 378kWh/톤의 에너지 소비는 이 시설의 이전 가스 연소 용융로보다 15% 개선된 수치입니다.
전자기장에 의해 생성된 자연스러운 교반 효과로 인해 용융물 전체의 온도 균일성이 우수합니다. 이를 통해 기계적 교반이 필요 없고 산화물 형성이 줄어듭니다. 폐쇄 루프 냉각 시스템은 유도 코일과 전기 구성품에 대한 최적의 작동 온도를 유지하여 유입되는 재료를 예열하기 위해 폐열을 회수합니다.
목표 온도인 720°C에 도달한 후, 비금속 개재물 제거를 용이하게 하기 위해 플럭스를 추가합니다. 흑연 랜스를 통한 질소 가스 퍼징은 수소 함량을 줄여 최종 주조물의 잠재적인 기공을 최소화합니다. 주조하기 전에 샘플을 채취하여 화학 성분을 확인하고 필요한 조정을 합니다.
유압식 틸팅 메커니즘은 주조 공정 중 난류와 산화물 형성을 줄여 정밀한 주입 제어를 가능하게 합니다. 전체 작업은 콜드 스타트에서 완성된 주입까지 100분 이내에 완료되어 기존 방법에 비해 상당한 시간 절감이 가능합니다.
결과 / 이점
| 매개 변수 | 이전 가스 연료 시스템 | 유도 시스템 | 개량 |
|---|---|---|---|
| 에너지 소비량(kWh/톤) | 445 | 378 | 15의 % 감소 |
| 용융 시간(분/500kg) | 140 | 100 | 29의 % 감소 |
| 금속 손실(%) | 5.2 | 2.8 | 46의 % 감소 |
| 온도 균일성 (±°C) | ± 25 | ± 10 | 60 % 개선 |
| CO₂ 배출량(kg/톤 Al) | 142 | 64 * | 55의 % 감소 |
| 노동 시간(시간/톤) | 1.8 | 0.9 | 50의 % 감소 |
| 연간 유지관리 비용($) | $32,500 | $18,700 | 42의 % 감소 |
| 생산능력(톤/일) | 4.2 | 6.0 | 43의 % 증가 |
| 제품 품질(불량률 %) | 3.5 | 1.2 | 66의 % 감소 |
| 작업장 온도(°C) | 38 | 30 | 21 % 개선 |
*지역 전력 생산 구성에 따라
의 구현 유도 용해 시스템 상당한 운영, 환경 및 경제적 이점을 제공했습니다. 정밀한 온도 제어와 단축된 용융 시간은 결함이 적은 고품질 주조에 기여했습니다. 에너지 효율성 개선은 운영 비용과 환경 영향을 모두 줄였습니다. 또한, 개선된 작업 조건과 감소된 노동 요구 사항은 근로자 만족도와 생산성에 긍정적인 영향을 미쳤습니다.