I. Tło projektu i specyfikacje linii produkcyjnej

Niniejsze studium przypadku dotyczy linii produkcyjnej do cynkowania ogniowego przeznaczonej do produkcji wielkogabarytowych elementów konstrukcji stalowych, z kadzią cynowniczą o wymiarach wewnętrznych 13 metrów długości, 1,8 metra szerokości i 3,5 metra głębokości. Wymiary te odpowiadają znamionowej pojemności cyny wynoszącej 420 ton i maksymalnej godzinowej wydajności około 18 ton, co klasyfikuje ją jako linię produkcyjną o dużej obciążalności i ciągłej pracy. Linia jest zaprojektowana do bezpośredniego spalania gazu ziemnego i jest skonfigurowana do zasilania trójfazowego 380V/50Hz, co stanowi inny punkt odniesienia niż projekt 60Hz przeznaczony dla Ameryki Południowej w poprzednim przypadku.

System zbiorników przyjmuje podłoże betonowe z wykładziną antykorozyjną z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (FRP). Kluczowe zbiorniki procesowe – trawienia, płukania, topienia, chłodzenia i pasywacji – mają jednolite wymiary zewnętrzne 13 metrów długości, 1,8 metra szerokości i 3 metry głębokości, co tworzy różnicę głębokości 0,5 metra w stosunku do kadzi cynowniczej, którą należy uwzględnić w planowaniu ścieżki ruchu podnośnika.

II. System grzewczy i parametry zasilania gazem

Źródłem energii grzewczej jest gaz ziemny z sieci, przy czym wymagana wartość opałowa mieści się w zakresie od 8400 do 8600 pomnożone przez 4,18 kJ/m³, ciśnienie wlotowe utrzymywane jest w zakresie od 100 do 200 kPa, a ciśnienie w węźle gazowym kontrolowane jest w zakresie od 90 do 80 kPa. Sekcja spalania jest wyposażona w sześć szybkich palników pulsacyjnych, model TJ300, każdy o chwilowym zużyciu gazu około 70 m³/h, co daje całkowite chwilowe zużycie 420 m³/h. Instalacja gazowa przyjmuje konfigurację z podwójnym głównym wlotem, z jednym urządzeniem w użyciu i jednym w trybie gotowości, zapewniając nieprzerwane zasilanie podczas ciągłej produkcji.

Piec pracuje w trybie spalania pod mikrododatnim ciśnieniem. Przy pełnym obciążeniu produkcyjnym szacowane zużycie gazu wynosi około 12,5 metra sześciennego na tonę elementów obrabianych. Kontrola temperatury wykorzystuje trójstopniową pętlę regulacji PID, z temperaturą kąpieli cynowej mierzoną za pomocą termopar i wyświetlaną na dużym ekranie. Docelowy zakres kontroli wynosi od 438 do 450°C, a system automatycznie dostosowuje moc palników w zależności od odchylenia od nastawy. Detekcja płomienia wykorzystuje czujniki ultrafioletowe, a system zapłonu obsługuje zarówno automatyczny, jak i ręczny tryb dwustopniowy wysoki-niski.

III. Materiały konstrukcyjne zbiorników i podejście antykorozyjne

W przeciwieństwie do konstrukcji stalowej z blachy stalowej stosowanej w poprzednim przypadku, niniejsza linia produkcyjna wykorzystuje zbiorniki betonowe z wykładzinami antykorozyjnymi FRP dla sekcji wstępnej i końcowej obróbki. Łącznie sześć zbiorników – do trawienia, płukania, topienia, chłodzenia i pasywacji – ma jednolite wymiary zewnętrzne 13 metrów długości, 1,8 metra szerokości i 3 metry głębokości. Konstrukcja zbiorników betonowych jest odpowiedzialnością kupującego, a sprzedający zapewnia jedynie instalację wykładziny FRP. Taki podział pracy jest odpowiedni w sytuacjach, gdy kupujący posiada już istniejące doły na zbiorniki lub preferuje ciężkie, stałe konfiguracje zbiorników.

Sekcja trawienia składa się z trzech zamkniętych zbiorników do trawienia. Czas zanurzenia w każdym zbiorniku wynosi około 6 minut w przypadku normalnego rdzewienia i może być wydłużony do 30 minut w przypadku mocno zardzewiałych elementów, w zależności od stanu powierzchni. Pomieszczenie do trawienia pracuje pod podciśnieniem, z nastawą podciśnienia wynoszącą od 5 do 10 Pa – 5 Pa w dni pogodne i dostosowywaną do 10 Pa w dni deszczowe w celu skompensowania zmian ciśnienia atmosferycznego. Wentylator o zmiennej częstotliwości automatycznie zmniejsza częstotliwość po osiągnięciu nastawionego ciśnienia. Wózki szynowe są używane do ładowania i rozładowywania materiałów, aby zapobiec dyfuzji mgły kwasowej do warsztatu.

Istnieje jeden zbiornik do topienia, z temperaturą pracy utrzymywaną w zakresie od 50 do 70°C i pH kontrolowanym na poziomie około 5. Automatyczne urządzenie do usuwania żelaza ogranicza stężenie jonów żelaza do 1 mg/L, a przefiltrowane osady są kierowane do pieca do suszenia osadów. Sekcje chłodzenia i pasywacji składają się z jednego zbiornika każda, przy czym proces pasywacji jest bezchromowy.

IV. Konfiguracja systemu obróbki mgły kwasowej i oparów cynku

Zamknięte pomieszczenie do trawienia ma wymiary 17 150 mm długości, 15 000 mm szerokości i 6 350 mm wysokości, a zewnętrzna konstrukcja stalowa ma wymiary 17 150 mm na 15 600 mm na 8 450 mm. Mgła kwasowa najpierw przechodzi przez etap rozcieńczania – woda rozcieńczająca jest również używana do przygotowania świeżego kwasu, zmniejszając zużycie zasady – a następnie trafia do wieży absorpcyjno-neutralizacyjnej mgły kwasowej. Wieża jest napędzana wentylatorem wyciągowym o mocy 45 kW ze zmienną częstotliwością, z sondami pH zainstalowanymi zarówno na wlocie, jak i wylocie w celu monitorowania wydajności neutralizacji w czasie rzeczywistym.

Obróbka oparów cynku wykorzystuje dwie niezależne logiki zbierania. Jedna to ruchoma pokrywa nad kadzią cynowniczą, wykorzystująca naturalną tendencję dymu do unoszenia się w celu jego wychwycenia. Druga to system wychwytywania z podwójnym bocznym ssaniem po obu stronach kadzi. Oba podejścia wykorzystują sterowanie zmienną częstotliwością – zaczynając od 50 Hz przez 2 do 3 minut przed zanurzeniem elementów obrabianych w kadzi, a następnie zmniejszając do 10 Hz w okresach niecynowania, aby zminimalizować zużycie energii.

Wychwycone opary cynku przechodzą przez filtr workowy w celu usunięcia cząstek stałych, następnie przez etap dezodoryzacji kurtyną wodną i są ostatecznie odprowadzane przez wentylator wyciągowy o mocy 160 kW ze zmienną częstotliwością. Odpylacz jest zaprojektowany tak, aby zatrzymywał się podczas szybkiego nadmuchu i pracował na niskiej prędkości, aby zapewnić skuteczne czyszczenie worków filtracyjnych.

V. Kaskadowy system wykorzystania ciepła odpadowego (moduł kluczowej technologii)

Schemat wykorzystania ciepła odpadowego dla tej linii produkcyjnej jest bardziej kompleksowy niż w poprzednim przypadku, obejmując sześć etapów. Temperatury gazów spalinowych stopniowo spadają z około 500°C na wylocie z pieca do warunków zbliżonych do otoczenia.

Etap 1: Podgrzewanie cieczy topnikowej. Gazy spalinowe opuszczają piec w temperaturze około 500°C i przechodzą przez wymiennik ciepła ze stali nierdzewnej w celu podgrzania krążącej wody do około 90°C. Ta gorąca woda jest następnie kierowana do wężownicy wymiany ciepła ze stopu tytanu wewnątrz zbiornika topnikowego, podnosząc temperaturę cieczy topnikowej do nastawy procesowej 50-70°C. Stop tytanu jest obowiązkowym wyborem materiału ze względu na korozyjną naturę chlorku cynku i chlorku amonu w roztworze topnika.

Etap 2: Suszenie elementów obrabianych. Po wymianie ciepła pierwszego etapu, gazy spalinowe trafiają do studzienki suszącej o wymiarach 14 metrów długości, 5 metrów szerokości i 3 metry głębokości. Gazy spalinowe przechodzą przez wymiennik ciepła, a dmuchawa wysokotemperaturowa dostarcza gorące powietrze na powierzchnię elementów obrabianych w celu szybkiego i równomiernego suszenia. Efekt suszenia łączy ciepło promieniowania z samej konstrukcji studzienki z konwekcyjnym przepływem gorącego powietrza.

Etap 3: Podgrzewanie powietrza do spalania (opatentowane). Gdy gazy spalinowe nadal ochładzają się do około 200°C, trafiają do wymiennika ciepła powietrza do spalania, podgrzewając powietrze do spalania wymagane przez palniki z temperatury otoczenia do 50-150°C. To podgrzane powietrze do spalania, dostarczane do pieca, zwiększa teoretyczną temperaturę spalania. Projekt szacuje oszczędność gazu na około 2-3 m³ na tonę ocynkowanych części – rzeczywiste oszczędności zależą od warunków pracy w danym miejscu.

Etap 4: Suszenie osadów (opatentowane). Zbiornik do suszenia osadów ze stali nierdzewnej 316L o wymiarach 6000 mm długości, 750 mm szerokości i 375 mm wysokości jest zainstalowany nad kanałem gazów spalinowych wymiennika ciepła powietrza do spalania. Wykorzystuje on gazy spalinowe o temperaturze około 150-200°C do suszenia osadów z prasy filtracyjnej z około 80% wilgotności do około 10%, znacznie zmniejszając wagę do utylizacji poza zakładem.

Etap 5: Odzysk ciepła odpadowego z krawędzi kadzi (opatentowane). Temperatura krawędzi kadzi cynowniczej osiąga około 200°C. Dwupowłokowa wężownica ze stali nierdzewnej umieszczona wzdłuż krawędzi kadzi podgrzewa krążącą wodę do kąpieli, wstępnego podgrzewania kwasu lub ogrzewania warsztatu.

Etap 6: Ogrzewanie warsztatu gazami spalinowymi. Niskotemperaturowe ciepło odpadowe pozostałe przed ostatecznym odprowadzeniem jest uwalniane bezpośrednio do warsztatu przez stalowe rury, z zastosowaniem środków ochrony przed oparzeniami.

Dodatkowo, gorąca woda z sekcji chłodzenia jest cyrkulowana przez rury wymiany ciepła z zimnym kwasem w zbiorniku do trawienia, jednocześnie osiągając redukcję temperatury wody chłodzącej i wstępne podgrzewanie cieczy kwasowej – konstrukcja dwufunkcyjna, która zmniejsza wymagania inwestycyjne w zakresie wież chłodniczych.

VI. Logistyka podnoszenia i ważenie online

Podnoszenie elementów obrabianych wykorzystuje konfigurację z podwójnym podnośnikiem 5 ton plus 5 ton. Cztery zestawy podnośników tej specyfikacji są zainstalowane w obszarze trawienia, zamontowane na zewnątrz dachu zamkniętego pomieszczenia, z hakami wystającymi do pomieszczenia do obsługi za pomocą zdalnego sterowania bezprzewodowego. Elementy obrabiane są ręcznie mocowane do dużych stelaży za pomocą ramy podnoszącej, podnoszone na stałą wysokość, a następnie transportowane wózkiem szynowym do pomieszczenia do trawienia, gdzie suwnice kolejno przetwarzają je przez każdą stację zbiornikową.

Niniejsza linia produkcyjna jest wyposażona w system ważenia online, który odczytuje zarówno wagę surowych elementów obrabianych przed trawieniem, jak i wagę gotową po cynowaniu. Poprzez obliczenie różnicy, monitoruje stratę żelaza podczas trawienia i przyrost wagi powłoki cynkowej, umożliwiając śledzenie zużycia cyny w czasie rzeczywistym i dostosowanie procesu – funkcja nieobecna w poprzednim przypadku.

Rozwiązanie logistyczne oferuje kupującemu dwie opcje automatyzacji: elektryczny podnośnik bramowy ze zdalnym sterowaniem lub elektryczny podnośnik pierścieniowy z wózkami RGV do sterowania zaprogramowanego przez PLC. Podejście sterowania zaprogramowanego precyzyjnie kontroluje czas zanurzenia, zapobiegając wydłużaniu czasu zanurzenia przez operatorów na podstawie indywidualnego doświadczenia, a tym samym unikając nadmiernie grubych powłok cynkowych.

VII. Rozkład obciążeń elektrycznych

Całkowita zainstalowana moc elektryczna całej linii produkcyjnej wynosi około 530 kW. Główne obciążenia są rozłożone w następujący sposób: wentylator wyciągowy oparów cynku 160 kW, wentylator wyciągowy mgły kwasowej 45 kW, system obróbki zużytego kwasu 80 kW, silnik suwnicy 15 kW, urządzenie do usuwania żelaza 15 kW, sprężarka powietrza 7,5 kW, pompy natryskowe łącznie 26 kW (w tym dwie jednostki 7,5 kW i jedna jednostka 11 kW), silniki podnośników łącznie 40 kW, wieża chłodnicza 4 kW, oświetlenie 20 kW i stacja podnoszenia 22,5 kW. 30 kW rezerwy jest przeznaczone na przyszłą rozbudowę.

VIII. Opcjonalny moduł: System regeneracji zużytego kwasu

Niniejsza propozycja zawiera opcjonalny moduł – linię do obróbki zużytego kwasu wykorzystującą metodę wypierania kwasem siarkowym, o projektowanej zdolności przetwarzania od 5 do 10 ton dziennie. Zużyty kwas musi mieć stężenie jonów żelaza powyżej 120 g/L, stężenie jonów żelaza powyżej 5 g/L i stężenie wolnego kwasu powyżej 5%. Proces wykorzystuje krystalizację mrozową do wytrącania chlorku żelaza, który następnie reaguje z kwasem siarkowym w celu produkcji siarczanu żelaza i gazu chlorowodoru. Gaz chlorowodoru jest odzyskiwany jako zregenerowany kwas solny i zwracany do sekcji trawienia, podczas gdy siarczan żelaza jest sprzedawany jako produkt uboczny w postaci jednowodnego siarczanu żelaza.

Urządzenie ma całkowitą moc znamionową około 200 kW, ze zużyciem energii około 40 kWh na tonę przetworzonego zużytego kwasu. System zajmuje około 150 metrów kwadratowych, z wysokością urządzeń 7 metrów i wymaganym prześwitem instalacyjnym i operacyjnym 9 metrów. Specyfikacje procesu wymagają, aby zregenerowany kwas zawierał mniej niż 4% pozostałości żelaza i osiągał stężenie zregenerowanego kwasu od 15% do 22%. Produkt uboczny siarczan żelaza musi mieć czystość powyżej 90%, z limitami zanieczyszczeń: tytan poniżej 0,75%, arsen poniżej 0,0002%, ołów poniżej 0,0001%, kadm poniżej 0,0001%, rtęć poniżej 0,00002%, chrom poniżej 0,001%, wolny kwas poniżej 1% i nierozpuszczalne poniżej 0,5%.