자동차 주조물의 주조 생산 공정에서의 녹색 혁신

본 소개 자료는 "[Rocznik Ochrona Środowiska]"에 게재된 "[Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings]" 논문을 기반으로 합니다.

Fig. 4. Schematic view of individual devices in the casting workplace: (1 – high pressure casting machine, 2 – machine extraction, 3 – cutting press, 4 – data matrix code punch, 5 – foundry mould treatment manipulator, 6 – cooling bath, 7 – holding furnace, 8 – handling robot, 9 – robotic, automatic palletizing)
Fig. 4. Schematic view of individual devices in the casting workplace: (1 – high pressure casting machine, 2 – machine extraction, 3 – cutting press, 4 – data matrix code punch, 5 – foundry mould treatment manipulator, 6 – cooling bath, 7 – holding furnace, 8 – handling robot, 9 – robotic, automatic palletizing)

1. 개요:

  • 논문 제목: Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings
  • 저자: Josef Bradáč, Martin Folta, Jiří Machuta, Jiří Slabý, Michal Beneš
  • 발행 연도: 2024
  • 게재 학술지/학회: Rocznik Ochrona Środowiska
  • 키워드: foundry, innovations, energy savings, environmental impact (주조 공장, 혁신, 에너지 절약, 환경 영향)

2. 초록:

본 논문은 자동차 부품 생산에서의 에너지 절약 및 화학 물질 사용에 대한 개별적인 가능성을 다룹니다. 특히, 엔진 블록 및 기어/클러치 하우징과 같은 복잡한 형상의 주조품을 고압 다이캐스팅 기술을 사용하여 생산하는 알루미늄 주조 공장 운영에 초점을 맞춥니다. 생산 공정과 관련하여 주조 작업은 높은 에너지 소비와 많은 폐수 발생을 특징으로 합니다. 반면에, 다양한 혁신을 도입하고 절약을 추구할 큰 잠재력도 있습니다. 이 논문은 주조 작업 전반에 걸쳐 선정된 혁신적인 솔루션을 제시하고 에너지 소비 절약, 폐수 발생 감소, 화학 물질 사용량 감소 측면에서 그 이점을 평가하는 것을 목표로 합니다. 제시된 절약의 영향은 부품 생산 측면에서는 재정적이며, CO2 생산 측면에서는 환경적입니다.

3. 서론:

오늘날 모든 인간 활동 영역과 관련된 유해 물질 생산을 줄이려는 환경 보호에 대한 관심과 일반적인 노력이 증가하고 있습니다. 이는 산업 부문 및 일반적인 산업 생산에도 유효합니다. 녹색 생산, 폐기물 최소화 및 회수, 포괄적인 수명 주기 평가(LCA)와 같은 새로운 경향이 적용되고 있습니다. 높은 생산성과 효율성이 요구되는 현대 산업 생산은 이제 에너지 자원 측면에서의 절약 방안 모색에 크게 집중하고 있습니다. 모든 유형의 에너지 절약 달성은 효율적이고 환경 친화적인 산업 생산 요구 사항을 충족하기 위한 필수 전제 조건입니다. 다음 추세는 공정의 디지털화와 인더스트리 4.0입니다. 디지털화는 데이터 모니터링 및 분석을 통해 공정 효율성을 높이고 환경 영향을 줄일 수 있는 수많은 기회를 제공합니다. 역동적인 발전과 혁신 잠재력이 특징인 자동차 산업은 높은 표준화와 품질을 요구하며 비용과 시간을 최소화해야 합니다. 이는 특히 주조 공장과 같이 에너지 소비가 많은 생산 영역에서 모든 생산 및 관련 물류 프로세스의 지속적인 혁신을 필요로 합니다. 자동차 산업의 주조 공장은 주로 알루미늄 합금과 같은 재료를 사용하여 고압 다이캐스팅으로 엔진 및 기어박스 부품을 생산하며, 이는 높은 에너지 및 연료 소비로 인해 비용 절감 및 공정 최적화 가능성이 큽니다. 고압 다이캐스팅은 복잡한 주조품의 높은 생산성을 가능하게 하지만, 원하는 특성을 얻기 위해서는 정밀한 공정 제어가 필요하며, 이는 종종 디지털 방식으로 모니터링됩니다. 에너지 손실과 공정 유체 소비를 식별하고 줄이는 것이 효율성에 중요합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 부품(엔진 블록, 기어/클러치 하우징)용 알루미늄 고압 다이캐스팅을 포함한 주조 작업은 본질적으로 에너지 집약적이며, 상당한 양의 천연가스, 전기, 압축 공기 및 산업용수를 소비합니다. 또한 폐수를 발생시키고 화학 물질 사용을 필요로 합니다. 동시에 환경 보호 강화, 효율성 증대, 비용 절감에 대한 강력한 산업적 압력이 있습니다.

기존 연구 현황:

산업 생산의 일반적인 추세에는 녹색 생산 원칙 구현, 폐기물 관리 시스템, 수명 주기 평가(LCA), 모든 에너지 유형에 걸친 에너지 절약 달성, 공정 효율성 모니터링 및 개선을 위한 디지털화 및 인더스트리 4.0 활용이 포함됩니다. 자동차 산업은 특히 복잡한 제조 공정에서 혁신, 표준화, 품질 및 비용 최적화에 중점을 둡니다. 연구들은 주조 공장을 포함한 야금 부문 내에서 절약 및 최적화 가능성을 강조합니다.

연구 목적:

본 논문은 Škoda Auto 알루미늄 주조 공장 운영 전반에 걸쳐 구현된 선정된 혁신적인 솔루션을 제시하고, 에너지 소비 절약, 폐수 발생 감소, 화학 물질 사용량 감소와 관련된 이점을 평가하는 것을 목표로 합니다. 또한 이러한 절약이 재정 및 환경(CO2 생산)에 미치는 영향을 평가합니다.

핵심 연구:

이 연구는 고압 다이캐스팅 기술을 사용하는 Škoda Auto 알루미늄 주조 공장에서 구현된 특정 녹색 혁신에 중점을 둡니다. 천연가스(로 라이닝 개조), 전기(주조기 유압 회로의 주파수 변환기, 최적화된 추출 시스템, 효율적인 절단 프레스 제어, 어닐링로 폐열 회수, LED 조명), 산업용수(마이크로 스프레이 금형 처리, 최적화된 냉각 회로), 화학 물질(냉각수용 자동 투입 시스템) 소비를 줄이기 위해 구현된 솔루션을 상세히 설명합니다. 이 논문은 이러한 혁신을 통해 달성된 절감 효과를 정량화하고 공정 효율성 및 환경 발자국에 미치는 영향을 논의합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

이 연구는 실제 운영 중인 자동차 주조 공장(Škoda Auto) 내에서 구현된 특정 기술 혁신을 상세히 설명하는 일련의 사례 연구를 제시합니다. 문제점, 구현된 솔루션(혁신), 그리고 그 결과로 얻어진 이점을 개괄적으로 설명하는 기술적 및 평가적 접근 방식을 채택합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 혁신 구현 전후의 에너지 및 자원 소비 모니터링을 통해 수집되었습니다. 여기에는 디지털 모니터링 시스템(예: 그림 2의 가스 소비량 Power BI 보고서, 4.2절에서 언급된 물 소비량 모니터링) 사용 및 직접 측정이 포함되었습니다. 분석에는 소비 데이터 비교(예: 표 1-4), 에너지 절약량 계산(kWh/년, m³/년), 물 및 화학 물질 사용량 감소 정량화, 공정 매개변수(예: 사이클 타임, 효율성) 및 환경 요인(CO2 감소)에 대한 영향 평가가 포함되었습니다. 3D Trasar 온라인 장비는 연속적인 수질 분석 및 냉각수용 화학 제품 자동 투입에 사용되었습니다(그림 10).

연구 주제 및 범위:

연구 범위는 Škoda Auto의 알루미늄 주조 생산 공정, 특히 자동차 부품(엔진 블록, 기어박스, 클러치 하우징)의 고압 다이캐스팅에 국한됩니다. 조사된 주제는 천연가스, 전기, 산업용수 및 화학 물질 소비를 줄여 에너지 효율성을 개선하고 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 하는 특정 구현 혁신입니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

이 연구는 다양한 혁신을 통해 상당한 절감 효과를 입증했습니다:

  • 천연가스: 로 라이닝 개조로 연간 천연가스 소비량을 584 m³/년 절감하여 비용을 절약하고 CO2를 감축했으며, 용해 시간도 단축했습니다.
  • 전기 (주조 작업장):
    • 주조기 유압 장치에 주파수 변환기를 적용하여 연간 257,852 kWh 절약 (표 2).
    • 최적화된 추출 시스템 제어로 연간 35,224 kWh 절약 (표 3).
    • 새로운 절단 프레스 제어로 연간 48,738 kWh 절약 (표 4에서 계산: 60480 - 11742).
  • 전기 (일반):
    • 어닐링로의 폐열을 회수하여 공장 난방에 사용하여 동절기 동안 연간 691,000 kWh 절약. 어닐링 온도 최적화(250°C에서 210°C로) 또한 품질에 영향을 미치지 않으면서 전력 소비 감소에 기여했습니다.
    • 기존 조명을 형광등 및 LED 램프로 교체하여 2022년에 2680 MWh 절약.
  • 물 및 화학 물질:
    • 금형 처리를 위한 마이크로 스프레이 기술은 이 단계에서 산업용수 사용을 없애고(사이클당 6L 물 + 100ml 이형제 대신 25ml 이형제만 사용), 이형제 소비를 줄이고, 폐수를 감소시키고, 사이클 타임을 단축하고, 주조 품질을 개선했습니다.
    • 정밀 제어 및 데이터 로깅 기능을 갖춘 혁신적인 온도 조절 장치를 사용한 최적화된 금형 냉각으로 효율성을 개선했습니다.
    • 탈염 냉각수에서 화학 물질의 지속적인 모니터링 및 자동 투입을 위해 3D Trasar 시스템을 사용하여 정밀한 제어, 적시 누출 감지, 전반적인 물 및 화학 물질 소비 감소를 가능하게 했습니다.
  • 전반: 디지털화 및 데이터 모니터링(예: Power BI)은 잠재적 절감 효과를 식별하고, 혁신 영향을 평가하며, 손실을 최소화하는 데 중요했습니다.
Fig. 1. The procedure of cylinder block production, from molten metal to final product
Fig. 1. The procedure of cylinder block production, from molten metal to final product
Fig. 10. Transition from manual water sampling and manual laboratory analysis to the use of the 3D Trasar online equipment for precise analysis and dosing of chemical products to be used in the cooling water
Fig. 10. Transition from manual water sampling and manual laboratory analysis to the use of the 3D Trasar online equipment for precise analysis and dosing of chemical products to be used in the cooling water
Fig. 9. Transition from the old type of lighting on the left to the modern type of LED lamps on the right
Fig. 9. Transition from the old type of lighting on the left to the modern type of LED lamps on the right
Fig. 8. Situation before and after the implementation of waste heat recovery system from annealing furnaces
Fig. 8. Situation before and after the implementation of waste heat recovery system from annealing furnaces
Fig. 7. Graphical representation of the innovation concerning savings of the cutting press, before (red), after application of the innovation (green)
Fig. 7. Graphical representation of the innovation concerning savings of the cutting press, before (red), after application of the innovation (green)
Fig. 6. Comparison of energy consumption of an extraction system, before (top) and after (bottom)
Fig. 6. Comparison of energy consumption of an extraction system, before (top) and after (bottom)
Fig. 5. Control status of the casting machine hydraulic circuit before and after applying the frequency converter
Fig. 5. Control status of the casting machine hydraulic circuit before and after applying the frequency converter
Fig. 4. Schematic view of individual devices in the casting workplace: (1 – high pressure casting machine, 2 – machine extraction, 3 – cutting press, 4 – data matrix code punch, 5 – foundry mould treatment manipulator, 6 – cooling bath, 7 – holding furnace, 8 – handling robot, 9 – robotic, automatic palletizing)
Fig. 4. Schematic view of individual devices in the casting workplace: (1 – high pressure casting machine, 2 – machine extraction, 3 – cutting press, 4 – data matrix code punch, 5 – foundry mould treatment manipulator, 6 – cooling bath, 7 – holding furnace, 8 – handling robot, 9 – robotic, automatic palletizing)
Fig. 3. Melting furnace with an example of an inner lining of the melting space
Fig. 3. Melting furnace with an example of an inner lining of the melting space
Fig. 2. Power BI report of gas consumption in individual melting devices for a selected period
Fig. 2. Power BI report of gas consumption in individual melting devices for a selected period

그림 이름 목록:

  • 그림 1. 용융 금속에서 최종 제품까지의 실린더 블록 생산 절차
  • 그림 2. 선택된 기간 동안 개별 용해 장치의 가스 소비량 Power BI 보고서
  • 그림 3. 용해 공간의 내부 라이닝 예시가 있는 용해로
  • 그림 4. 주조 작업장의 개별 장치 개략도: (1 – 고압 주조기, 2 – 기계 추출, 3 – 절단 프레스, 4 – 데이터 매트릭스 코드 펀치, 5 – 주조 금형 처리 매니퓰레이터, 6 – 냉각조, 7 – 유지로, 8 – 핸들링 로봇, 9 – 로봇 자동 팔레타이징)
  • 그림 5. 주파수 변환기 적용 전후의 주조기 유압 회로 제어 상태
  • 그림 6. 추출 시스템의 에너지 소비 비교, 이전(상단) 및 이후(하단)
  • 그림 7. 절단 프레스 절약 관련 혁신의 그래픽 표현, 이전(빨간색), 혁신 적용 후(녹색)
  • 그림 8. 어닐링로 폐열 회수 시스템 구현 전후 상황
  • 그림 9. 왼쪽의 구형 조명에서 오른쪽의 현대적인 LED 램프 유형으로의 전환
  • 그림 10. 수동 수질 샘플링 및 수동 실험실 분석에서 냉각수에 사용될 화학 제품의 정밀 분석 및 투입을 위한 3D Trasar 온라인 장비 사용으로의 전환

7. 결론:

자동차 산업은 차량 운행 및 생산 모두에서 효율성 향상과 환경 영향 감소를 점점 더 강조하고 있습니다. 에너지 집약적이고 고온 재료를 다루는 주조 공장은 이러한 목표 달성에 어려움을 겪지만 상당한 에너지 절약 잠재력을 가지고 있습니다. 효과적인 혁신을 구현하려면 잠재력의 정확한 식별, 이점 평가(재정적 측면 및 가동 중단 시간 포함), 신중한 계획이 필요합니다. 본 논문에서 제시된 솔루션(로 라이닝 개조, 주조 작업장의 에너지 효율성 조치, 폐열 회수, 조명 업그레이드, 마이크로 스프레이, 최적화된 수처리)은 보다 지속 가능하고 환경 친화적인 부품 생산을 향한 개별적인 단계이며, 에너지 절약 및 CO2 감축에 기여합니다. 디지털화 및 데이터 평가는 공정을 모니터링하고, 손실을 식별하며, 혁신의 영향을 극대화하는 중요한 동인으로 강조됩니다. 이 논문은 금형에 100% 마이크로 스프레이를 사용하고 모든 공정 물질의 잠재적 누출을 매일 모니터링하고 최소한으로 줄이는 것을 상당한 환경적 이점을 가지며 반드시 큰 초기 투자가 필요하지 않은 조치로 권장합니다.

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  • [References - 원본 영어 형식 유지]
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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Josef Bradáč 외"의 논문입니다. "Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.54740/ros.2024.050

본 자료는 상기 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
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