Simulazione numerica, e sua validazione sperimentale, del rendimento termico dei crogioli impiegati nella fonderia di alluminio

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1 ASSOFOND Federazione Nazionale Fonderie XXXI Congresso di Fonderia Convegno Tecnico - Fonderia e nuovi scenari: competitività e tecnologia, le sfide del futuro Vicenza, 26 e 27 Ottobre 2012 Simulazione numerica, e sua validazione sperimentale, del rendimento termico dei crogioli impiegati nella fonderia di alluminio G. Muneratti - Foseco Italia

2 Perchè i crogioli? La fusione dei metalli in crogioli, realizzati con materiali a base argillosa, è una pratica utilizzata fin dall antichità. Oggi il forno a crogiolo è tuttora il sistema migliore rispetto alla qualità del metallo ed alla flessibilità di impiego: -tutti i tipi di forni: elettrici, a gas, ad induzione -tutte le leghe: di alluminio, di rame, metalli preziosi, ferrosi, distillazione dello zinco, ecc -facilità di cambio lega -accessibilità per le operazioni di trattamento (degasaggio, scorifica, alligazione, ecc) e pulizia -accessibilità per i sistemi di tazzaggio automatizzati -bassi costi di investimento e di manutenzione

3 Perchè i crogioli? Gli svantaggi sono principalmente: -la ridotta efficienza (in particolare per il forno a gas, se il calore dei fumi non viene recuperato). -i limiti di capacità, ma oggi è possibile realizzare crogioli anche di grande dimensione Dimensioni: -diametro: mm -altezza: mm Capacità: oltre 3 T di alluminio

4 Indici dei prezzi alla produzione (base 2005) Prodotti petroliferi raffinati Energia elettrica =

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6 Valutazione della qualità dei crogioli Passato Presente DURATA (Resistenza meccanica, numero di fusioni, ore operative, ecc) PRESTAZIONI TERMICHE (Conducibilità = rapidità di fusione, consumi energetici, decadimento della conducibilità nel tempo, ecc)

7 Produttività, velocità di fusione conduttività termica densità velocità di trasferimento del calore attraverso la parete del crogiolo velocità di fusione a parità di spessore di parete e di flusso di calore uniforme

8 I materiali influiscono sulla conduttività Argilla fase legante mullite-vetrosa alla cottura Carburo di silicio Resistenza alla erosione e corrosione ad alta temperatura; Resistenza meccanica Grafite Conduttività termica e non bagnabilità Resistenza allo shock termico Silicio Resistenza meccanica ed alla erosione Riduce l ossidazione della grafite

9 I metodi di produzione influiscono sulla densità Pressatura isostatica (Carburo di silicio & Grafite-Argilla) - Elevata densità - Elevata conduttività termica Jiggering (Grafite-Argilla) - Bassa densità - Bassa conduttività termica Spinning (SiC) - Bassa densità - Conduttività termica media

10 Effetto di conduttività e densità sulla velocità di fusione Melt temperature reported at this point Punto di riferimento della temperatura AAA Uniform heating is applied to the crucible exterior as shown by arrows Calore uniformemente distribuito Impiego della tecnica di simulazione FEA (finite element analysis, software ABAQUS.) Riscaldamento dall esterno con flusso uniforme, calcolato per ottenere una produttività di 50 kg/ora Confrontate le caratteristiche di densità e conduttività di dodici crogioli disponibili commercialmente (altri parametri costanti) Condizioni di prova: -carica: 180 kg di lega A356 a temperatura ambiente -tempo di fusione per raggiungere 750 C

11 Effetto di conduttività e densità sulla velocità di fusione Product Density Conductivity (W/m.K) Specific Heat (J/kg.K) (g/cm3) at 200 C at 1000 C at 200 C at 1000 C Time (min) A B C D E F G H I J K L M N O P minuti in meno di tempo di fusione tra il crogiolo migliore ed il peggiore

12 Prove pratiche - 1 Fonderia di alluminio in conchiglia a gravità Forno elettrico a resistenze Crogiolo di capacità 400 kg Mantenimento e colata Confronto tra un crogiolo convenzionale ed un crogiolo Foseco Enertek Due forni affiancati, operanti sulla stessa postazione di colata Misurazione del consumo per un periodo di sei mesi Convenzionale Forno Enertek Risparmio Consumo totale (kwh) media giornaliera (kwh) totale/anno (300 giorni) (kwh) Emissione totale di CO 2 (T) 56,1 53,9 2,2 Emissione di CO 2 /anno (T) 112,3 107,8 4,5 Costo totale per crogiolo (0,08 /kwh) Costo annuo totale

13 Prove pratiche ,5 T

14 Fonderia di alluminio in pressocolata Forno a gas rovesciabile Crogiolo di capacità 800 kg Fusione Prove pratiche - 2 Confronto tra un crogiolo convenzionale ed un crogiolo Foseco Enertek Misurazione del consumo per circa un mese, in relazione alla quantità di lega fusa Convenzionale Forno Enertek Risparmio Lega fusa (T) Consumo totale di gas (m 3 ) m 3 di gas per T di lega Consumo mensile di gas (m3) Emissione mensile di CO 2 (T) 39,1 32,8 6,3 Emissione di CO 2 /anno (T) 469,7 394,1 75,6 Costo totale per crogiolo (0,4 /m3) Costo annuo totale

15 Prove pratiche ,6 T

16 Conclusioni A fronte dell incessante incremento dei costi energetici, le prestazioni termiche sono diventate il principale criterio di valutazione dei crogioli. Con l uso di simulazioni numeriche è stato possibile mettere in evidenza la grande variabilità dell efficienza termica dei crogioli commercialmente disponibili. Il potenziale di risparmio di energia e riduzione dei costi suggerito dalla simulazione è stato validato in prove pratiche in fonderia, che hanno dimostrato come i crogioli ENERTEK di nuova generazione permettano risparmi significativi e riduzione delle emissioni di CO 2 rispetto ai crogioli convenzionali.