چکیده:
در سایه افزایش قیمت جهانی انرژی این تحقیق به منظور تشخیص تاثیرکاهش خصوصیات بوته های ریخته گری در مصرف انرژی در مدت زمان کارکرد بوته انجام شــده است. مطالعه انجام شده بر اساس بوته های استفاده شده در ذوب و نگهداری آلیاژهای آلومینیم با یک کوره الکتریکی مقاومتی میباشد.
بوته ها در کوره هایی قرار گرفتند که مجهز به ابزارهایی برای تعیین میزان مصرف انرژی در زمان اســتفاده بوده اند. در جریان آزمایش مشاهده شد که انرژی مصرفی در هر ساعت برای سه ماه اول ثابت بوده ولی در ماه بعد به میزان 100 درصد افزایش یافته اســت.
بررســی ها نشان می دهد میزان مصرف انرژی برای ذوب هر کیلو آلومینیم 93٪ افزایش یافته و به همین منظور کلیه بررسی ها و محاسبات اقتصادی مرتبط با صنعت ریخته گری نیز در این مقاله ذکر گردیده است.
مقدمه
ريخته گــران آلومينيم تحت تاثير افزايش قيمت انرژی در ســال های آتی هســتند. بر اساس دپارتمان انرژی آمريکا هزينه مصرف انرژی به طور متوسط در يک ريخته گری آلومينيم نسبت به كل هزينه ها، سهمی در حدود 5 تا 10 درصد دارد. بنابراين شــركت مورگان كاهش هزينه های ريخته گری ها را جزء اولويت هــای كاری خود قرار داده تا مزيت های ريخته گری كماكان حفظ گردد.
بوته در ذوب آلومینیم
ريخته گــران آلومينيم بــه طور معمــول از كوره های برقــی متفاوتی و يا شــعله ای بــرای ذوب و نگهداری آلومينيم اســتفاده میكنند. برخی ازريخته گری هــا، ذوب و نگهداری را در كوره های جداگانه ولی برخی در يک كوره انجــام میدهند كه اين موضوع به فرآيند كاری و نوع قطعات توليدی وابسته است.
كوره های نصب شــده در چنين واحدهايی نيازمند بوته جهت ذوب و نگهداری آلومينيم (شکل 1) می باشد. بوته ها در حالت حداكثر مصرف انــرژی به كار رفتــه بنابراين زمينه ای برای درک و تجزيــه و تحليل وجوه مختلف اين فرآيند به منظور آگاهی از چگونگی به حداقل رساندن هزينه های انرژی وجود دارد.
بوته های به كار رفته برای توليد قطعــات آلومينيمی به طور معمول از خاک رس، ســيليکون كاربيد، كربن و ســاير مواد ســراميکی يا ديرگداز تشکيل شده اســت. استحکام خمشی عرضی در ســه نقطه برای يک بوته با وزن مخصوص kg/m2 2/1 تــا 2/2 و تخلخلی در محدوده 8 تا 15 درصد (جدول 1) در حدود 1 مگاپاسکال میباشد.
يکــی از خصوصيــات اصلی بوته كه در تحقيق حاضر در نظر گرفته شــده هدايت حرارتی اســت. هدايت حرارتی بوته توســط مواد اوليه، عامل چسبنده و روش توليد آن مشخص می شــود و ميزان آن تابعی از درجه حرارت بوده كه در نمودار شکل 2 ارايه گرديده است.
نکته حائز توجه اينكه مقادير مذكور از يک مقطع كوچک يک بوته به دست آمــده درحالیكه در عمل متغيرهای ديگری در تغييرات درجه حرارت درون بدنه يک بوته هنگام اســتفاده نقش دارد، مانند اثــرات محيطی، نحوه به كارگيری و غيــره.
بدين ترتيب از آنجا كــه هدايت حرارتی يک بوتــه را نمیتوان به طور مستقيم در جريان كاركرد اندازه گيری نمود و يک روش جايگزين تعيين مصرف انرژی يک بوته در كوره به دست آمد.
پایان عمر بوته
بوته به عنوان يک ماده مصرفی استفاده شده بنابراين يک زمان كاری مشــخص به عنوان عمر بوته مطرح اســت. عمر بوته توسط عوامل متغير مختلفــی در فرآيندهای ريخته گری و همچنين توســط فرآيند توليد بوته تعييــن میگردد. يک محدوده معمول برای عمر بوته با تحليل و بررســی ريخته گری هــای آلومينيم در كشــورهای مختلف كــه از كوره های برقی مقاومتی برای ذوب و نگهداری اســتفاده میكنند در جدول 2 ارايه شــده است.
ريخته گری ها راه های مختلفی برای تعيين پايان عمر بوته دارند. برخی تازمانی از بوته اســتفاده میكنند تا ترک هايی قابل مشاهده در امتداد ديواره آن بروز كند. برخی دارای يک معيار آماری بر اساس تجربيات خود كه بخشــی از فرآيندهای تعمير و نگهداری پيش گيرانه است دارند.
برای مثال اگر بوته 5 تا 6 ماه پس از استفاده شروع به ترک خوردن كرده، ريخته گری تعيين میكند كه به جهت پيشگيری از مشــکلات پيشبينی نشده و از دست رفتن زمان توليد، بوته پس از 4 ماه تعويض گردد. ســاير واحدها زمان حرارت دادن بــرای آلومينيم را از ابتدا تا انتها اندازه گيــری میكنند و آن را ملاک تعويض بوته قرار میدهند.
بــه صورت معمول دوره ذوب آلومينيم پس از يک زمان مشــخص و بعد از يک محدوده معين افزايش میيابد و بر اين اســاس ريخته گری تصميم به تغيير بوته میگيرد. اين پديده به طور عمده به دليل اكسيد شدن كربن موجود در بوته (معادلــه1) پديد می آيد كه موجب بروز ترک های ناخواســته و در نتيجه ضعيف شدن ســاختار مکانيکی بوته میگردد.
در برخی از مواقع بوته به دليل تنش های مکانيکی در اثــر به كارگيری غلط، جابه جايی بــدون ملاحظه، پس گرم كردنناكافی و غيره به طور پيشبينی نشــده ای دچار گســيختگی مانند ترک های در كف و شکستن می شود .
معادله (1): C (S) + O2 (g) = CO2 (g)
روش آزمایش
ســه بوته يکی اســتاندارد و دوتــای ديگر با خصوصيــات مقاومت به اكسيداســيون بالا در يــک كارگاه ريخته گری آلمانــی (ريخته گری A ) با كوره های برقی مقاومتی قرار داده میشــود.
بوته ها در دوره زمانی كاركرد به روش چشــمی بازرسی شــده و همچنين مقدار انرژی مصرفی و درجه حرارت فرآيند نيز با اســتفاده يــک ترموكوپل Graphtech-GL220 كنترل گرديد. سيستم نصب شده بر روی كوره، مقدار انرژی بر حسب kWh مصرف شده و سه درجه حرارت را با دستگاه PLC پايش نموده است. بوته ها در پايان عمرشــان تعويض شده و مورد بررسی از نظر شکست و تغيير شکل مواد، قرار گرفتند.
نتایج
بررسی مصرف انرژی
در ريخته گری A انرژی مصرف شــده بر اساس كيلو وات ساعت و برای هر كيلوگرم آلومينيم ريخته گری شده از بوته (1 بوته استاندارد) از تاريخ اكتبر 2013 (ماه اول) تا مارس 2014 (ماه ششــم) تعيين گرديد.
روشن است كه انرژی مصرفی برای سه ماه اول تا فوريه 2014 (ماه چهارم) ثابت بوده kWh/kg0/7 و پــس از آن در فوريه ماه پنجــم و مارس تقريبا 2 برابر kWh/kg1/4 شــده اســت. از پايان ژانویه مصرف كننده زمان های ذوبطولانی تری تا حداكثر 1/5 ســاعت داشــته كه 80 درصد بيش از زمان هایذوب اوليه بوده است.
بــا در نظر گرفتــن توليد و شــرايط كاری در ريخته گری A برای تعيين شاخص اقتصادی نمودار شکل 4 بيشتر میتواند مورد تجزيه و تحليل قرار گيرد. ريخته گری روزانه در دو شيفت 8 ساعته و پنج روز در هفته كار میكند. بنابراين در هر ماه 320 ساعت فعال اســت.
با در نظر گرفتن kWh/h انرژی مصرفی را میتوان در ماه محاسبه نمود. قيمت هر كيلو وات ساعت برق در اين ريخته گری 0/19 يورو يا 0/21 دلار اســت بدين ترتيب هزينه انــرژی در هر ماه مطابق با جدول 4 محاسبه میگردد.
با مشــاهده هزينه هــای انرژی در هر ماه در جــدول 4 تفاوت بين ماه های بعدی در مقايســه با اولين ماه بسيار اهميت دارد. اين تفاوت نشان میدهد تلفات مصرف انرژی با ادامه اســتفاده از بوته افزايش يافته است.
هزينه های انرژی در فوريه و مارس در مقايســه با ماه اكتبر حدود دو برابر شــده و اين موضوع نشان میدهد كه ريخته گری ضمن پرداخت هزينه های ســنگين انرژی همچنين دچار عدم انتفاع به دليل از دســت دادن زمان توليد ناشی از كاهش سرعت گرم شدن مذاب گرديده است.
بــا در نظر گرفتن قيمت بوته كه حدود حدود 600 دلار اســت ريخته گری میتوانــد در پايان ژنوايه يــک بوته جديد نصب كنــد و 860 دلار صرفه جويی انرژی داشته باشد. اين اقدام با وجود هزينه خريد يک بوته اضافی در سال منجر به 1131 دلار ســود میگردد. بدين ترتيب ريخته گری ضمن افزايش صرفه جويی، سرعت گرم كردن و در نتيجه توليد را افزايش داده است.
بررسی اکسید شدن
بوته از كوره خارج شــده و مورد بازرســی قرار گرفت و برای مشاهده مواد داخلی بوته بريده شــد كه در آن اكسيد شدن كربن به روشنی قابل رويت است (شکل5). رنگ قهوه ای خاكستر كربن می باشد كه پس از اكسيد شدن مشاهده می شود.
اكســيد شــدن كربن باعث بروز تخلخل باز و در نتيجه پايين تر آمدن هدايت حرارتی و كاهش سرعت انتقال حرارت به آلومينيم گرديده است. نمونه هايی برای بررســی با ميکروســکوپ نوری (مجهز بــه نور پلاريژه) برداشته شد.
اين نمونه ها از فصل مشترک بين نواحی اكسيد شده و اكسيد نشده بوته جدا شــده است. ريزساختارهای ارايه شده در تصوير 6 به وضوح تفاوت بين لايه اكســيد شده و اكسيد نشده را نشــان میدهند.
در لايه اكسيد نشده ذرات ســوزنی شکل آبی كربنی هســتند كه در بوته به كار رفته و ريزساختار نيز دارای مقدار قابل توجهی كربن است كه مرتبط با تركيب شيميايی ارايه شده در جدول 1 است. اما در ريزساختار لايه اكسيد شده سوزن ها حفرات را به وجود آورده است.
مورفولوژی حفرات و مک ها نيز مشابه گرافيت هستند كه اين نشان میدهدكه گرافيت اكســيد شده داخل بوته حفرات را ايجاد كرده است. ساختار حفرات و مکها وابسته به ساختار گرافيت در آغاز به كارگيری بوته دارد كه منجر به كاهش هدايت حرارتی و استحکام مکانيکی میگردد.
اما دو بوته بعدی نصب شــده دارای مقاومت بالاتری در برابر اكســيد شدن بوده و مقدار مصرف آنها در شــرايط توليد (كيلوگرم آلومينيم در ماه) و ساعات كار (ميانگين 1/5 شــيفت در روز) قابل مقايسه هستند.
البته به دليل فرآيندهای متفــاوت كاری مقدار مصرف انرژی بالاتر بوده زيرا به خاطر كوچک بودن اندازه قطعــات ريختگی و زياد بودن دفعات برداشــتن مذاب درب كوره در زمان كاری باز بوده است.
اولين بوته دارای مقاومت بالا در برابر اكســيد شدن 1(HOR) پس از 7 ماه به دليل نگرانی مصرف كننده از شکســت غيرمنتظــره، تعويض گرديد و پس از شکســتن آن فقط يک مقدار اندک در طوقه بالايی آثار اكسيد شدن مشاهده شد كه میتواند به دليل مدت بســيار طولانیتر استفاده باشد اين موضوع با ميزان انرژی مصرفی ثبت شده از ماه می تا نوامبر همخوانی دارد.
اما بوته دوم مقاوم به اكســيد شــدن پس از 10 ماه به دليل موضوعی كه مرتبط با آلياژ مصرفی تعويض گرديد. خريدار يک آلياژ متفاوت را اســتفاده نمود كه توليد مقدار بيشــتری سرباره بر روی ديواره مینمود بدون اينكه دفعات تميز كردن افزايش يابد.
بدين ترتيب پس از چند هفته چسبيدن يک لايه ضخيم حدود 2/5 ســانتیمتر از سرباره به دليل اختلاف انبساط حرارتی آن با بوته موجب يک ترک عمودی گرديد. همچنين در اين مورد در بوته يک اكســيد شدن محدودی در طوقه بالايی آن مشاهده شد.
كه مجددا مقاومت استثنايی بوته را تاييد مینمايد. در شکل 10 نمودار مصرف انرژی نتيجه ای همخوان با ساختار ماكرو و بوته قبلی را نشان میدهد. با در نظر گرفتن 10 ماه به عنوان عمر طبيعی برای بوته HOR و 4 ماه برای بوته استاندارد در جدول 6 مجموع صرفه جويی گزارش شده است.
نتیجه گیری
مطالعه انجام گرفته تاكيد بر افت خصوصيات بوته در جريان اكســيد شدن كربن و تاثير بــزرگ آن بر مصرف انرژی در ريخته گری هــای آلومينيم دارد. بوته نصب شــده برای مدت 6 ماه به كار گرفته شــد و از طريق نصب سيستم اندازه گيری مشــخص گرديد كه انرژی مصرفی برای 4 ماه اول ثابت است.
اما در 2 ماه بعدی نســبت به 4 ماه اول افزايش مصرف انرژی حدود 2 برابر رسيد. از طريق مشاهدات چشمی و بررسی ساختار ميکروسکوپی قطعات نمونه برداری شــده از بوته نشان داده شــد كه پس از گذشت 6 ماه مواد كربنی بوته اكسيد شده است.
همچنين از طريق مطالعات اقتصادی نشــان داده شد كه با به كارگيری ابزار پايش مصرف انــرژی اين امکان وجود دارد كه راهبردی بر پايه الگوی مصرف انرژی برای مصرف مقــرون به صرفه ی بوته توصيه گردد. در ضمن آگاهی خريدار بــر اهميت به كارگيری روش های اســتاندارد و تاثير آنها بر مصرف انرژی، افزايش يافت.
به وســيله اين روش مطالعاتی ريخته گری A قادر به صرفه جويی 2658 دلار به ازای هر كوره خود در طول ســال اســت كــه اين مقدار حدود 20 درصد هزينه های ذوب و نگهداری برای هر كوره می باشد.
منابع:
منبع خارجی: A.F.S.Trans.2016
منبع فارسی: فروردین و اردیبهشت 1396 – مجله صنعت ریخته گری
ترجمه : ناصر نوتاش
1.Schifo, J.F., Radia, J.T., “Theoretical/Best Practice Energy Use in Metalcasting Operations,” U.S. Department of Energy Indus- trial Technologies Program, Washington, DC (2004).
2.U.S. Department of Energy, “U.S. Energy Requirements for Aluminum Production – Historical Perspective, Theoretical Lim- its and Current Practices,” Industrial Technologies Program, En- ergy Efficiency and Renewable Energy (Feb. 2007).
