Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings

주조 공정 에너지 절감: 자동차 파운드리의 CO2 감축 및 비용 절감을 위한 친환경 혁신

이 기술 요약은 [Josef Bradáč 외]가 저술하고 [Rocznik Ochrona Środowiska] ([2024])에 발표된 학술 논문 "[Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings]"을 기반으로 합니다. CASTMAN이 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 주조 공정 에너지 절감
• Secondary Keywords: 자동차 주조, 고압 다이캐스팅, 친환경 혁신, 폐수 감소, CO2 배출량 감소, 알루미늄 파운드리

Executive Summary

• The Challenge: 자동차 부품을 생산하는 알루미늄 주조 공장은 높은 에너지 소비, 다량의 폐수 발생, 그리고 CO2 배출량 감축이라는 중대한 과제에 직면해 있습니다.
• The Method: 본 연구는 고압 다이캐스팅 기술을 사용하는 실제 알루미늄 주조 공장에서 용해로 개선, 유압 회로 최적화, 폐열 회수, 수자원 관리 등 공정 전반에 걸쳐 적용된 다양한 혁신 솔루션을 제시하고 그 효과를 평가했습니다.
• The Key Breakthrough: 유압 제어 시스템에 주파수 변환기를 설치하는 것만으로 연간 257,852 kWh의 전력을 절감했으며, 조명 시스템을 LED로 교체하여 연간 2,680 MWh의 막대한 에너지 절감 효과를 달성했습니다.
• The Bottom Line: 주조 공정 전체에 걸쳐 데이터를 기반으로 한 체계적인 혁신을 도입하는 것은 상당한 재정적 이익을 가져올 뿐만 아니라, 기업의 환경적 책임을 이행하는 가장 효과적인 방법입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

오늘날 산업계는 환경 보호와 유해 물질 배출 감소에 대한 요구가 그 어느 때보다 높습니다. 특히 자동차 산업과 같은 복잡하고 역동적인 분야에서는 최소한의 비용과 시간으로 고품질의 제품을 생산해야 하는 동시에, 생산 공정의 환경적 영향을 최소화해야 하는 압박을 받고 있습니다.

알루미늄 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정을 포함하는 주조 공장은 엔진 블록, 기어박스 하우징 등 핵심 자동차 부품을 생산하지만, 금속을 녹이고 주조하는 과정에서 막대한 양의 에너지를 소비하고 다량의 폐수를 발생시키는 대표적인 에너지 집약적 공정입니다. 따라서 공정 효율성을 높이고 에너지 소비를 줄이는 혁신적인 방법을 찾는 것은 단순한 비용 절감을 넘어 기업의 지속 가능성과 경쟁력을 좌우하는 핵심 과제입니다. 이 연구는 실제 주조 공장에서 에너지 및 자원 소비를 줄이기 위해 어떤 실질적인 조치를 취할 수 있는지 구체적으로 보여준다는 점에서 모든 HPDC 전문가에게 중요한 의미를 가집니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 체코에 위치한 Škoda Auto의 알루미늄 주조 공장을 대상으로 진행되었습니다. 이 공장은 연간 약 200만 개의 부품을 생산하며, 4개의 알루미늄 용해로, 20개의 주조기(클램핑력 1800~3500t), 열처리로 및 후처리 설비를 갖추고 있습니다.

연구의 접근 방식은 특정 실험실 환경이 아닌, 실제 가동 중인 생산 라인에 다양한 '친환경 혁신' 솔루션을 단계적으로 도입하고 그 효과를 정량적으로 측정하는 것이었습니다. 주요 평가 항목은 천연가스, 전기, 압축 공기, 산업용수 등의 에너지 소비량 감소와 그에 따른 CO2 배출량 저감 효과였습니다. 데이터는 Power BI와 같은 디지털 모니터링 시스템을 통해 수집 및 분석되었으며, 이를 통해 각 혁신 솔루션이 공정 효율성과 환경 영향에 미치는 긍정적인 효과를 명확히 입증했습니다. 구체적으로 용해로 내화물 개선, 주조기 유압 회로 최적화, 추출 시스템 개선, 폐열 회수 시스템 도입, 조명 교체, 그리고 용수 및 화학물질 사용량 절감 기술 등이 평가되었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

본 연구는 주조 공정의 여러 단계에서 상당한 에너지 및 자원 절감 효과를 가져오는 구체적인 혁신 사례들을 데이터로 입증했습니다.

Finding 1: 유압 및 보조 시스템 최적화를 통한 막대한 전력 절감

주조 작업장에서 가장 큰 전력 소비원 중 하나인 주조기의 유압 회로에 주파수 변환기를 설치하여 유압 펌프의 작동을 최적화했습니다. 그 결과, 표 2(Table 2)에서 볼 수 있듯이, 작업 모드에서 시간당 54kW, 대기 모드에서 시간당 10kW의 전력 소비를 줄여 연간 총 257,852 kWh의 전력을 절감했습니다. 또한, 금형이 닫혔을 때 불필요한 전력 소비를 줄이도록 추출 시스템을 개선하여 연간 35,224 kWh의 추가 절감 효과를 얻었습니다(표 3(Table 3) 참조).

Finding 2: 폐열 회수 및 설비 교체를 통한 에너지 효율 극대화

에너지 절감은 직접적인 생산 설비에만 국한되지 않았습니다. 어닐링(풀림)로에서 발생하는 폐열을 회수하여 공장 난방에 사용하는 혁신적인 시스템을 도입했습니다. 그림 8(Figure 8)에 따르면, 이 시스템은 120kW의 에너지 이득을 제공하여 기존 230kW가 필요했던 전기 난방 전력을 110kW로 줄였습니다. 이를 통해 동절기에만 691,000 kWh/년의 전기를 절약할 수 있었습니다. 더 나아가, 공장 전체의 조명을 기존 400W 램프에서 고효율 LED 조명으로 교체한 결과, 2022년 한 해에만 무려 2,680 MWh의 전력 절감을 달성했습니다.

Finding 3: 미세 분사 기술을 통한 용수 및 화학물질 사용 제로화

금형 이형제 도포 공정에서 기존의 수성 희석 방식 대신 100% 농축 이형제를 사용하는 미세 분사(micro-spraying) 기술을 도입했습니다. 이 혁신을 통해 기존에 사이클당 6리터의 물과 100ml의 이형제를 사용하던 것을, 물을 전혀 사용하지 않고 단 25ml의 이형제만으로 대체할 수 있었습니다. 이는 산업용수 소비를 '제로'로 만들고 폐수 발생을 근본적으로 차단하는 동시에, 주조 품질을 향상시키고 생산성을 20-30% 높이는 획기적인 결과를 가져왔습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Process Engineers: 이 연구는 유압 회로에 주파수 변환기를 설치하거나, 추출 및 절단 프레스의 제어 로직을 최적화하는 것만으로도 상당한 에너지 절감이 가능함을 시사합니다. 또한, 어닐링 공정의 폐열을 난방 등 다른 용도로 재활용하는 방안을 적극적으로 검토해볼 가치가 있습니다.
• For Quality Control Teams: 미세 분사 기술 도입은 내부 기공률 감소 및 표면 품질 향상에 직접적인 영향을 미쳤습니다. 4.1절의 데이터는 이형제 도포 방식이 최종 제품 품질에 미치는 영향을 보여주며, 이는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.
• For Design Engineers: 본 연구 결과는 직접적으로 부품 설계에 대한 내용을 다루지는 않지만, 미세 분사 기술이 박벽 주조품에 더 적합하다는 점을 시사합니다. 이는 초기 설계 단계에서 생산 기술과의 연계를 고려하는 것이 중요함을 의미합니다.

Paper Details

Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings

1. Overview:

• Title: Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings
• Author: Josef Bradáč, Martin Folta, Jiří Machuta, Jiří Slabý, Michal Beneš
• Year of publication: 2024
• Journal/academic society of publication: Rocznik Ochrona Środowiska
• Keywords: foundry, innovations, energy savings, environmental impact

2. Abstract:

The paper deals with individual possibilities for energy savings and the use of chemicals in the production of automotive components. Specifically, it focuses on operating an aluminium foundry where shape-complex castings such as engine blocks and gear and clutch housings are produced using high-pressure die-casting technology. Regarding the production process, foundry operations are characterized by high energy consumption and high wastewater production. On the other hand, there is also a great potential for introducing various innovations and seeking savings. This paper aims to present selected innovative solutions throughout the foundry operation and assess their benefits in energy consumption savings, reduced wastewater production, and chemicals usage. The impact of the presented savings is financial in terms of the production of components and environmental in terms of CO2 production.

3. Introduction:

Nowadays, there is an increasing interest in environmental protection and a general effort to reduce the production of harmful substances related to all areas of human activities. This is also valid for the industrial sector and industrial production in general. New trends such as green production and green logistics are being applied here. There is also pressure to minimize and recover waste and build a waste management system. It is also important to apply a comprehensive approach, i.e. monitoring and assessing all activities throughout the product life cycle LCA. Modern industrial production with high demands on productivity and efficiency is now highly focused on finding savings on the energy resource side. Achieving energy savings in all types of energy is an essential prerequisite for meeting the requirements for efficient and environmentally friendly industrial production. The next trend is the digitization of processes and Industry 4.0. Digitization brings numerous opportunities to increase process efficiency. Thanks to the large amount of production data in digital form, it is possible to monitor certain trends or evaluate the level of positive impact of the innovations introduced to increase efficiency and, in turn, reduce the environmental impact. The automotive industry is a complex and specific industry characterized by very dynamic development, great innovative potential, and innovation performance. The aim is to design, manufacture, and deliver the final product to customers in the shortest possible time and at minimum cost, while maintaining the required quality. This would be impossible without constant focus on innovation and optimization of all production processes and related logistics processes. This applies, in particular, to production areas with high energy and fuel consumption, such as foundries. Therefore, in the metallurgical sector in general, there is a high potential for various savings and cuts of production costs and process optimization. In the case of the automotive industry, foundry plants mainly produce parts of combustion engines and gearboxes.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

산업계 전반, 특히 자동차 산업에서 환경 보호 및 유해 물질 배출 감소에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 주조 공정과 같은 에너지 집약적 공정은 높은 에너지 소비와 폐수 발생으로 인해 효율성 증대와 환경 영향 감소를 위한 혁신이 시급한 분야입니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 친환경 생산, 폐기물 관리, LCA(전과정평가), 에너지 절감, 디지털화(Industry 4.0) 등의 중요성을 강조해왔습니다. 이러한 트렌드는 생산 효율성을 높이고 환경 영향을 줄이는 데 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 고압 다이캐스팅 기술을 사용하는 실제 알루미늄 주조 공장에서 에너지 소비, 폐수 발생, 화학물질 사용을 줄이기 위해 도입된 구체적인 혁신 솔루션들을 제시하고, 그 효과를 재정적 및 환경적(CO2 배출량) 측면에서 평가하는 것입니다.

Core study:

연구는 Škoda Auto의 알루미늄 주조 공장을 대상으로 진행되었습니다. 핵심 연구 내용은 다음과 같습니다: 1. 천연가스 소비 절감: 용해로 내화물(lining) 개선을 통한 열 손실 감소. 2. 전력 소비 절감: * 주조기 유압 회로에 주파수 변환기 설치. * 추출 시스템 및 절단 프레스의 제어 시스템 최적화. * 어닐링로 폐열을 회수하여 공장 난방에 활용. * 공장 전체 조명을 고효율 LED로 교체. 3. 용수 및 화학물질 소비 절감: * 기존 수성 이형제 대신 100% 농축 이형제를 사용하는 미세 분사 기술 도입. * 냉각수 내 화학물질의 정밀 분석 및 자동 투입 시스템 도입.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실제 운영 중인 산업 현장(Škoda Auto 알루미늄 주조 공장)에 다양한 기술 혁신을 적용하고, 적용 전후의 데이터를 비교 분석하는 사례 연구(Case Study) 방식을 채택했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

에너지 및 자원 소비 데이터는 Power BI와 같은 디지털 모니터링 도구를 통해 지속적으로 수집되었습니다. 수집된 데이터는 각 혁신 솔루션의 연간 절감량(kWh, m³, MWh 등)을 계산하고, 이를 비용 절감 및 CO2 배출량 감소 효과로 환산하는 데 사용되었습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 자동차 부품(엔진 블록, 기어박스 하우징 등)을 생산하는 알루미늄 고압 다이캐스팅 주조 공정을 범위로 합니다. 주요 연구 주제는 천연가스, 전기, 산업용수, 화학물질 등 주요 자원의 소비를 줄이기 위한 구체적인 기술 혁신 방안과 그 효과 분석에 초점을 맞추고 있습니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 용해로 내화물 보수 후 연간 584 m³의 천연가스 절감 (2022년 가격 기준 연간 10만 유로 상당).
• 주조기 유압 회로에 주파수 변환기 설치 후 연간 257,852 kWh의 전력 절감.
• 추출 시스템 제어 개선 후 연간 35,224 kWh의 전력 절감.
• 절단 프레스 제어 개선 후 연간 전력 소비량이 60,480 kWh에서 11,742 kWh로 감소.
• 어닐링로 폐열 회수 시스템 도입으로 동절기 난방 전력 691,000 kWh/년 절감.
• 공장 조명 LED 교체로 2022년 한 해 2,680 MWh의 전력 절감.
• 미세 분사 기술 도입으로 이형제 도포 시 산업용수 사용량 100% 감소 (사이클당 6L → 0L).

Figure Name List:

• Fig. 1. The procedure of cylinder block production, from molten metal to final product
• Fig. 2. Power BI report of gas consumption in individual melting devices for a selected period
• Fig. 3. Melting furnace with an example of an inner lining of the melting space
• 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. 5. Control status of the casting machine hydraulic circuit before and after applying the frequency converter
• Fig. 6. Comparison of energy consumption of an extraction system, before (top) and after (bottom)
• Fig. 7. Graphical representation of the innovation concerning savings of the cutting press, before (red), after application of the innovation (green)
• Fig. 8. Situation before and after the implementation of waste heat recovery system from annealing furnaces
• Fig. 9. Transition from the old type of lighting on the left to the modern type of LED lamps on the right
• 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

7. Conclusion:

In the automotive industry, in general, there is an increasing emphasis on higher efficiency and lower environmental impact. This applies to vehicles, where the aim is to achieve maximum driving efficiency with minimum emissions, and to their production, where the aim is to make maximum use of recyclable materials and work with efficient energy sources with minimum environmental impact. Similar requirements are set for heavy plants with high energy consumption of various types, such as foundries, where the technology and nature of the production process make it less straightforward to concretize these visions. This is because these are specialized plants handling high-temperature molten metal, which is not only energy-intensive but also problematic from a safety and environmental point of view. However, given the wide range of energies used, saving energy is also possible. To implement an effective innovation, it is first necessary to correctly identify the potential and evaluate its benefits. It is also necessary to assess the financial aspect, i.e., the acquisition costs and any downtime in implementing the innovation. The present article shows individual solutions that bring plants closer to the desired targets regarding energy consumption savings and the associated CO2 production. However, they represent only individual steps toward a more sustainable and environmentally friendly production of components. Nowadays an important driver of innovation in manufacturing is the digitisation of data and the possibilities for data evaluation and visualisation. This makes it possible to monitor the entire production process and its individual sub-components more frequently and accurately, thus minimising losses at all levels. The Škoda Auto foundry clearly recommends using 100% micro-spraying of moulds to increase the quality of manufactured products. Daily monitoring and elimination or at least daily reduction of all potential leakages of all process substances are recommended to reduce the overall consumption of water and all process substances. This has a substantial environmental aspect and does not necessarily require an increased initial investment.

8. References:

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 주조기 유압 회로에 주파수 변환기를 설치한 구체적인 효과는 무엇이었습니까?

A1: 논문에 따르면, 주파수 변환기 설치는 유압 펌프의 작동을 필요 압력에 맞게 제어할 수 있게 했습니다. 이로 인해 표 2(Table 2)에서 명시된 바와 같이, 기계가 실제로 작동하는 '작업 모드'에서는 시간당 54kW, 부품 생산 없이 대기하는 '대기 모드'에서는 시간당 10kW의 전력 소비를 줄일 수 있었습니다. 이를 연간 가동 시간으로 환산하면 총 257,852 kWh라는 상당한 전력 절감 효과를 거둔 것입니다.

Q2: 어닐링로의 폐열 회수 시스템은 정확히 어떻게 에너지를 절감했나요?

A2: 이 시스템은 어닐링 공정에서 버려지던 고온의 폐열을 포집하여 공장 내부의 난방 시스템으로 보내는 원리입니다. 그림 8(Figure 8)은 이 시스템이 120kW의 에너지 이득(Energy benefit)을 제공했음을 보여줍니다. 결과적으로, 기존에 230kW의 전력이 필요했던 전기 난방 설비의 부하를 110kW로 낮출 수 있었고, 이는 겨울철 난방 기간 동안 연간 691,000 kWh의 전기 절감으로 이어졌습니다.

Q3: 이형제 도포에 사용된 '미세 분사(micro-spraying)' 기술의 정량적인 이점은 무엇이었습니까?

A3: 미세 분사 기술은 물을 전혀 사용하지 않고 100% 농축 이형제를 금형에 직접 분사하는 방식입니다. 논문 4.1절에 따르면, 기존 방식이 사이클당 6리터의 물과 100ml의 이형제를 사용했던 반면, 새로운 기술은 단 25ml의 이형제만 사용하고 물은 전혀 사용하지 않았습니다. 이는 산업용수 소비와 폐수 발생을 원천적으로 차단했을 뿐만 아니라, 주조 사이클 타임을 단축시켜 주조 공장의 생산성을 20-30% 향상시키는 부가적인 효과도 가져왔습니다.

Q4: 용해로 내화물 보수가 가져온 재정적 효과는 어느 정도였습니까?

A4: 논문 3.1절에서는 용해로 내화물이 마모되면 열 손실이 발생하여 가스 소비량이 증가한다고 설명합니다. 내화물을 보수한 결과, 연간 584 m³의 천연가스 소비를 절감할 수 있었습니다. 이는 2022년의 높은 에너지 가격을 기준으로 계산했을 때, 연간 10만 유로(약 1억 4천만 원)에 해당하는 비용 절감 효과였습니다.

Q5: 공장 조명 시스템 업그레이드로 인한 에너지 절감량이 유독 커 보입니다. 구체적으로 어떤 변화가 있었나요?

A5: 네, 조명 교체는 가장 큰 단일 절감 효과 중 하나였습니다. 논문 3.2.3절에 따르면, 기존에는 공장 홀을 밝히기 위해 개당 400W를 소비하는 재래식 대형 램프를 사용했습니다. 이 램프들을 현대적인 형광등 및 LED 조명으로 전면 교체했습니다. 공장은 24시간 가동되기 때문에 조명으로 인한 전력 소비가 상당했는데, 고효율 LED로 교체함으로써 2022년 한 해에만 2,680 MWh(2,680,000 kWh)라는 막대한 전력을 절감할 수 있었습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 자동차 주조 공장이 직면한 높은 에너지 소비와 환경 부담이라는 문제를 해결하기 위한 구체적이고 실용적인 해법을 제시합니다. 핵심은 공정의 특정 부분만이 아닌, 용해, 주조, 열처리, 그리고 공장 운영 전반에 걸친 종합적인 접근입니다. 데이터 기반의 모니터링을 통해 개선이 필요한 영역을 정확히 식별하고, 유압 시스템 최적화, 폐열 회수, 고효율 설비 도입과 같은 검증된 혁신을 적용함으로써 주조 공정 에너지 절감은 더 이상 막연한 목표가 아닌, 실현 가능한 현실이 될 수 있습니다. 이러한 노력은 비용 절감과 생산성 향상은 물론, 지속 가능한 생산 체계를 구축하는 데 필수적입니다.

"CASTMAN은 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최신 산업 연구 결과를 적용하는 데 전념하고 있습니다. 이 보고서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오."

Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper "Green Innovations in Foundry Production Processes of Automobile Castings" by "Josef Bradáč, Martin Folta, Jiří Machuta, Jiří Slabý, Michal Beneš".
• Source: https://doi.org/10.54740/ros.2024.050

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