posouzení nákladové náročnosti výroby litiny v plamenné rotační

posouzení nákladové náročnosti výroby litiny v plamenné rotační

METAL 2004
Hradec nad Moravicí
POSOUZENÍ NÁKLADOVÉ NÁROCNOSTI VÝROBY LITINY
V PLAMENNÉ ROTACNÍ PECI VE SLÉVÁRNE STROJTEX, a. s.
EVALUATION OF THE COSTS OF THE CAST IRON MADE
IN OXY-FUEL ROTARY BATCH MELTING FURNACE
IN THE FOUNDRY STROJTEX, a. s.
Lenka Blahutováa
Pavel Králícekb
Václav Kafka c
Zdenek Bužek a
a
VŠB – TU Ostrava, FMMI, Katedra metalurgie, 17. listopadu 15,
708 33 Ostrava – Poruba, CR, E-mail: [email protected], [email protected]
b
SLÉVÁRNA LUTÍN spol. s r.o., J. Sigmunda 79, 783 50 Lutín, CR,
E-mail: [email protected]
c
RACIO&RACIO, Vnitrní 732, 735 14 Orlová – Lutyne, CR, E-mail: [email protected]
Abstrakt
Príspevek je zameren na problematiku nákladové nárocnosti výroby litiny s kulickovým
a lupínkovým grafitem v 5 t plamenné rotacní peci. Plamenné rotacní pece v dnešní dobe
nabývají na významu pro udávanou nízkou energetickou nárocnost a vysokou tepelnou
úcinnost. Využívají se i pro pretavbu ocelového odpadu. V práci jsou uvedeny výsledky
posouzení potenciálního nákladového prostoru pro snižování nákladu a možnosti zavedení
prubežného sledování nákladu ve slévárne STROJTEX, a.s.. Dále je zpracován návrh
rozborové sestavy tavby pro plamennou rotacní pec jako nástroj prubežného sledování
nákladu. Práce tohoto charakteru u plamenných rotacních pecí byla vpodmínkách ceských
sléváren rešena poprvé.
Abstract
This contribution undertakes cost intensity of the production grey cast iron and ductile cast
iron in 5 tunes oxy- fuel rotary batch melting furnace. Present adverts to signification these
furnaces for their low energy intensity, high heat efficiency and possibility of exploitation
them for steel scrap remelting. In this paper are mentioned results of the analysis the space
for costs reduction of the heats and possibility of application the method of continuous
monitoring the costs in foundry STROJTEX. Below is stated the tool of continuous
monitoring the costs – so called the data list of the heat in the oxy- fuel rotary batch melting
furnace. Appreciation of the cost intensity of the production in the oxy- fuel rotary batch
melting furnace and her control is solved under condition the Czech foundries for the first
time.
1. ÚVOD
Rešena problematika se dotýká oblasti sledování nákladu výroby tekutého kovu
v plamenné rotacní peci. Výše vynaložených nákladu na tekutý kov predstavuje minimálne
40 % nákladu odlitku. Sledování a systematické rízení nákladu tekutého kovu se tedy vedle
zajištení požadované jakosti jeví jako nezbytné pro zvýšení konkurenceschopnosti našich
1
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
sléváren. Tuto skutecnost si uvedomila i slévárna STROJTEX, a.s. Dvur Králové nad Labem
a navázala tak stvorbou operativního sledování nákladu taveb na již ve trech ocelárnách
a slévárnách využívaný systém. Systém operativního sledování nákladu tekuté fáze je
v soucasné dobe využíván u elektrických obloukových pecí, kyslíkových konvertoru,
indukcních pecí. Dosud nebyl zaveden u kupolových pecí, tandemových pecí a plamenných
rotacních pecí.
2. PLAMENNÁ ROTACNÍ PEC
Ve slévárne STROJTEX, a.s. Dvur Králové nad Labem je
pro výrobu litiny s kulickovým a lupínkovým grafitem využívána
5 t plynová rotacní pec SOGEMI.
Ta se skládá ze ctyr hlavních cástí: zavážecího zarízení, rotacní
sklopné bubnové pece, horáku a odlucovace plynu.
Rotacní plamenné pece však nejsou jen alternativou
pro výrobu litiny s kulickovým a lupínkovým grafitem, ale
v poslední dobe jsou využívány i pro pretavování ocelového
odpadu, jak je patrné z literárních poznatku [1,2].
Význam techto pecí je prikládán nízké spotrebe energie
(510 kWh/t kovu [3]) a vysoké tepelné úcinnosti (76 % [3]), která
je významne vyšší oproti jiným tavícím agregátum – kuplovna, indukcní pec.
Zdrojem energie v techto pecích je spalování plynného ci kapalného paliva s cistým
kyslíkem. Kyslíko-palivové spalování predstavuje významné zvýšení produktivity, snížení
spotreby paliva a možnost snadného prehrívání kovu. V neposlední rade jsou i ekologickým
prínosem z hlediska emisí CO, CO2 a NOX.
Prubeh tavby v plamenné rotacní peci lze rozclenit do trí hlavních údobí:
1. Príprava vsázky a sázení
Kovová vsázka je pripravena do sázecí násypky bud jerábem s magnetem, nebo
kolovým nakladacem. Nekovové prísady jsou pridány do násypky rucne v predem
pripravených pytlích. Pri vlastním sázení se pec naklopí do tzv. sázecí polohy a vsázka je
vsypaná dovnitr válcové cásti pece otvorem pro odtah spalin. Po ukoncení sázení se pec vrátí
do horizontální polohy a vsázka je pomocí rotace pece rovnomerne rozvrstvena. Otvor
pro horák je po dobu sázení uzavren ocelovou zátkou. Odpichové otvory jsou po pridání
vsázky ucpány zapechovanou žárovzdornou hmotou. Operace sázení trvá cca 15 minut
v závislosti na kvalite vsázky a kapacite pece. Kusovost vsázky by neme la presáhnout
1/3 prumeru sázecího otvoru, který je v prípade 5 t rotacní plamenné pece ve slévárne
STROJTEX, a.s. 510 mm.
2. Tavení
Po ukoncení sázení je horák (v prípade 5 t rotacní pece prumeru 430 mm) „priklopen“
do pracovní polohy a je provedeno jeho zapálení na „slabý“ plamen. Následne je pec
prostrednictvím rízení z horákového systému prepnuta do automatického režimu tavení, který
zajištuje rízení výkonu aspalovacího pomeru na horáku a vazbu na krokovou a posléze
kontinuální rotaci pece.
Po ukoncení tavícího programu je provedena kontrola teploty tekutého kovu
ponorným pyrometrem horákovým otvorem a následuje prípadný dohrev. Úprava chemického
složení se provádí prísadou na žlábek nebo do pánve pri odpichu, respektive pri odlévání
do forem. Dosazování prísad do pece po natavení je z duvodu velké vrstvy strusky obtížne
proveditelné a v praxi se nepoužívá.
2
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
3. Odpich
Po dosažení požadované teploty je rotace pece zastavena a je proražen odpichový
otvor. Odlévání probíhá pootocením odpichového otvoru pod hladinu kovu v peci, takže
struska zustává v peci až do konce odpichu. Vkonecné fázi odpichu je možné pec mírne
naklonit. Po vyprázdnení pece je odklopen horák a pec je naklopena dolu. „Horákovým“
otvorem je „vysypaná struska“. Poté je pec vrácena do horizontální polohy, provede se
vizuální kontrola vyzdívky a pec se naklopí opet do sázecí polohy pro další tavbu.
2. POSOUZENÍ POTENCIÁLNÍHO PROSTORU PRO SNIŽOVÁNÍ NÁKLADU
TAVEB U PLAMENNÉ ROTACNÍ PECE
Prvou nezbytnou podmínkou pri tvorbe systému operativního sledování nákladu je
posouzení potenciálního prostoru pro snižování nákladu taveb. Na existenci potenciálního
prostoru pro snižování nákladu taveb je možné usuzovat z variability nákladové výše zjištené
u souboru taveb. K tomu je však nezbytné definovat nákladový kalkulacní vzorec. Ten
vychází z metody neúplných vlastních nákladu a je tvoren v podmínkách slévárny
STROJTEX, a.s. temito položkami:
a) Náklady na vsázku surové železo – ocelárenské, slévárenské, sorel, pig nod
vratný odpad – litina s kulickovým grafitem, litina s lupínkovým
grafitem, zlomková litina
b) Náklady na prísady kovové prísady – FeMn, FeSi 65 %, FeSi 75 %, SiC
nekovové prísady – drcené elektrody, antracit, písek
modifikacní prísady – bjomet, foundrysil, superseed
c) Náklady zpracovací energie – spotreba kyslíku, spotreba zemního plynu
vyzdívka
mzdy
d) Neúplné vlastní náklady tavby
Z clenení kalkulacního vzorce vyplývá, že definované neplné vlastní náklady tavby
odpovídají celkovému souctu nákladu na vsázku a prísady a zpracovacích nákladu (energie,
mzdy a vyzdívka).
V rámci posuzování nákladovosti výroby litiny s kulickovým a lupínkovým grafitem
a její variability byly rovnež hodnoceny hmotnost tekutého kovu, propal, predváha a doba
tavby (doba tavení a udržování kovu na teplote).
Hodnocené ukazatele, at již ekonomické tak i technologické, byly podrobeny detailní
statistické analýze zahrnující:
- charakteristiky stredních hodnota – aritmetický prumer, medián
- charakteristiky variability – variacní rozpetí, smerodatná odchylka a variacní
koeficient
- charakteristiky reprodukovatelnosti – interval spolehlivosti prumeru, konfidence
- histogramy cetnosti
- casové rady
- regresní a korelacní analýzu
2.1 Metodika, zpusob posuzování souboru taveb
V podmínkách slévárny STROJTEX, a.s. probíhají zpravidla pouze dve tavby denne.
V pondelí, stredu a pátek se taví prevážne litina s lupínkovým grafitem. V úterý a ctvrtek pak
prevážne tvárná litina. Základní sledovanou jednotkou je ukoncená tavba v plamenné rotacní
peci. Soucástí nákladu tavby tak jsou nejen náklady na tavení, ale i náklady na udržování
kovu na teplote.
3
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
Posuzovány byly soubory taveb litiny s kulickovým i lupínkovým grafitem, a to podle
poradí tavby v daném dni a konkrétního dne v týdnu. Hodnoceny byly dva soubory taveb
za období leden – kveten 2003 (celkem 130 taveb), kdy bylo nutné vyhodnocovat náklady
na energii a posuzovat casové charakteristiky pro fázi tavení i udržování kovu na teplote
„dohromady“. Následne pak po vyhodnocení tohoto casového období, které prokázalo nutnost
sledování jednotlivých fází oddelene, byl upraven (zpresnen) dosavadní tavební list. Poté byl
vyhodnocen soubor taveb za období srpen – zárí 2003 (57 taveb).
Dále budou nastíneny vybrané výsledky z rozboru nákladu taveb. Detailní hodnocení
je uvedeno kupr. v práci [4].
2.2 Hlavní dosažené výsledky získané pri posuzování souboru taveb litiny s lupínkovým
grafitem za období srpen – zárí 2003
Prumerné zjištené neúplné vlastní náklady (dále jen NVN) zahrnující náklady
na vsázku a prísady a zpracovací náklady se pohybují vrozpetí 1452 Kc/t. Variacní rozpetí
vztažené na prumerné NVN ciní 38,4 %.
Variabilitu hodnot NVN danou variacním koeficientem 4,4 % lze považovat již
za dosti vysokou. Vyšší je u nákladu na prísady 14,8 %, nákladu na energie ve fázi tavení
(13,5 %) a nákladu na energie ve fázi udržování kovu na teplote (51,5 %). Pricemž náklady
na vsázku predstavují 69,2 % z NVN, náklady na prísady 9,8 % a zpracovací náklady 21 %
(z toho náklady na energie ve fázi tavení 12,6 % a náklady na energie ve fázi udržování
na teplote 1,7 %).
Interval spolehlivosti prumeru NVN (na hladine významnosti 95 %) se pohybuje
v rozmezí 178 Kc/t.
Hmotnost vyrobeného tekutého kovu
Prumerná hmotnost tekutého kovu ciní 4 580 kg. Minimum hmotnosti tekutého kovu
je 3 966 kg a maximum 4 957 kg. Variacní rozpetí 991 kg vztažené na prumernou hmotnost
tekutého kovu ciní 21,6 %. Variabilita hodnot hmotností tekutého kovu daná variacním
koeficientem je 4,7 %.
Propal
Propal, jakožto ztráta kovu byl definován relativním ukazatelem v % následovne:
hmotnost vyrobeného tekutéhokovu
Propal ? 100 ? 100 *
vsázka ? kovové prísady ? antracit ? drcené elektrody
Zjištený prumerný propal ciní 12,3 %. Minimum propalu je 6,4 % a maximum 25,3 %.
Variacní rozpetí 18,9 % vztažené na prumerný propal ciní 154 %. Variabilita hodnot propalu
je vysoká – 28,6 %.
Predváha
Zjištená prumerná predváha ciní 1 142 kg. Minimum predváhy je 1 068 kg a
maximum 1 339 kg/t. Variacní rozpetí 271 kg/t vztažené na prumernou predváhu ciní 23,7 %.
Variabilita hodnot predváhy je daná variacním koeficientem 4,3 %.
Doba tavby
- doba tavení
Prumerná doba tavení je 124 min. Minimální doba tavení je 110 min a maximální
150 min. Jedná se o variacní rozpetí 40 min, které vztažené na prumernou dobu tavení ciní
32,3 %. Variabilita dob tavení je daná variacním koeficientem 7,9 %.
- doba udržování kovu na teplote
Prumerná doba udržo vání kovu na teplote ciní 78 min. Minimální doba udržování
kovu na teplote je 60 min a maximální 108 min. Variacní rozpetí 48 min vztažené
4
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
na prumernou dobu udržování kovu na teplote ciní 61,5 %. Variabilita hodnot dob udržování
kovu na teplote daná variacním koeficientem 14,5 % je vysoká.
Již z výše uvedeného nástinu výsledku hodnocení souboru taveb plamenné rotacní
pece o 57 tavbách, je zrejmé, že at již posuzované NVN, tak i zejména jejich dílcí položky
a v neposlední rade i ukazatele hmotnosti vyrobené ho tekutého kovu, propalu, predváhy
a doby tavby vykazují velkou variabilitu. To nasvedcuje možnosti nákladových úspor.
Existuje tedy významný nákladový prostor, který lze alespon z cásti „aktivovat“, usporit.
K tomu slouží, jak již bylo zmíneno, v ocelárnách ŽDAS, a.s., VÍTKOVICE STEEL,
a.s. a slévárne PSP Slévárna, a.s. Prerov overena metoda prubežného sledování NVN.
Ta spocívá v hodnocení jednotlivých taveb bezprostredne po jejich ukoncení. Pri
hodnocení jsou skutecne dosažené neúplné vlastní náklady (pouze ty, které mají prímý vztah
k výrobnímu procesu) porovnány se standardními. Standardy se vytvárí pro spotreby všech
surovin a energetických médií, pro každou jakost a tavící agregát. Vzniklá nákladová
odchylka, daná rozdílem skutecne vynaložených nákladu a nákladu standardních, je
analyzována na prvotní príciny jejího vzniku.
Pozornost byla dále soustredena na návrh rozborové sestavy tavby pro podmínky
slévárny STROJTEX, a.s.
3. ROZBOROVÁ SESTAVA TAVBY PRO PLAMENNOU ROTACNÍ PEC
Pri navrhování rozborové sestavy tavby pro plamennou rotacní pec se vycházelo
ze zkušeností získaných pri vývoji rozborových sestav taveb v kyslíkové konvertorové
ocelárne VÍTKOVICE STEEL, a.s. a elektroocelárne ŽDAS, a.s.
Návrh rozborové sestavy tavby uvádí príloha 1. Hlavní prínos rozborové sestavy
spocívá v analýze vzniklé nákladové odchylky na prvotní príciny jejího vzniku. Znalost
prvotních prícin pak umožnuje priradit príslušné technické, technologické, energetické a jiné
faktory, které tyto vlivy zpusobily.
Souhrnné výsledky tavby (príloha 1)
U sledované tavby cinily skutecné NVN 7 284,70 Kc/t (r. 45, sl. 8). Tavba mela být
vyrobena za 6 937,90 Kc/t (r. 45, sl. 9). Tavba byla o 346,80 Kc/t dražší. Prekrocení nákladu
bylo zpusobeno:
a) snížením nákladu o 132 Kc/t (r. 45, sl. 11), protože skutecná skladba vsázky byla
príznivejší než predepisoval standard;
b) zvýšením nákladu o 150 Kc/t (r. 45, sl. 12) vlivem odlišné skladby prísad;
c) zvýšením nákladu o 106,40 Kc/t (r. 45, sl. 13), protože byla prekrocena standardní
predváha o 17 kg/t;
d) zvýšením nákladu o 97 Kc/t (r. 45, sl. 14) z duvodu aplikace jiných energetických režimu.
Byla prekrocena spotreba kyslíku v údobí tavení o 13,9 Nm3 a údobí udržování na teplote
o 6,6 Nm3 . Rovnež i spotreba zemního plynu byla v údobí tavení prekrocena o 6 Nm3
a v údobí udržování na teplote o 3,3 Nm3 ;
e) zvýšením nákladu o 125,30 Kc/t (r. 45, sl. 15) z duvodu odlišných pracovních postupu;
f) zvýšením nákladu o 0,20 Kc/t (r. 45, sl. 16) vlivem nepatrne odlišné hmotnosti vsázky.
Zjištené informace slouží obsluze pece k tomu, aby se ze zjištených výsledku
pro následující tavbu ci tavby poucila a vedla je tak, aby pusobení nákladove príznivých
faktoru zustalo zachováno a faktory mající za následek nákladové zvýšení byly pokud možno
eliminovány.
Dále má rozborová sestava tavby informativní charakter pro rídící pracovníky
na všech stupních rízení. Cílem je, aby odpovední pracovníci meli prehled o výsledcích taveb
a v prípade nepríznivých ekonomických ukazatelu zajistili nápravu ci hledání cesty
ke zlepšení.
5
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
K tomu, aby bylo možné porovnávat skutecné náklady tavby se standardem a následne
provést analýzu nákladové odchylky je potreba definovat standardy.
3.1 Metodika stanovení standardu
Vzhledem ke specifiku výroby litiny s kulickovým a lupínkovým grafitem
v plamenné rotacní peci v podmínkách slévárny STROJTEX, a.s., kdy se taví v pracovní dny
zpravidla pouze dve tavby denne, bylo navrženo stanovit standardy:
- pro každou vyrábenou jakost, tzn. litinu s kulickovým a lupínkovým grafitem;
- dále pak pro I. tavbu a II. tavbu v poradí a tavby uskutecnené v pondelí. Toto doporucení
vychází ze zjištených výsledku hodnocení dvou souboru taveb šedé a tvárné litiny i dle
poradí tavby v daném dni a konkrétního dne v týdnu, které jsou významne odlišné.
Zohledníme tak faktor studené a teplé pece.
Tyto standardy stanovit vprvním priblížení na základe prumerných hodnot za urcité
období (kupr. rok, ctvrtletí, jak je tomu kupr. v kyslíkové konvertorové ocelárne
VÍTKOVICE STEEL, a.s.) s prihlédnutím ke stanoveným THN a prijatého plánu.
Pri navrhování RST byla zvolena metoda prumerné hodnoty, a to z hodnoceného
souboru taveb za období leden – kveten 2003.
3.2 Posouzení stupne presnosti dat pro stanovení neúplných vlastních nákladu
Pokud má být stanovení neúplných vlastních nákladu skutecne objektivní, je nutné se
zamerit na posouzení stupne presnosti dat. Stupen presnosti dat je dán presností vstupních
hodnot, která je urcena predevším presností merících a vážících zarízení. Ta je urcena vlivem
stanovených tolerancí (garantových dodavatelem). Tím se výsledky merení a vážení pohybují
v urcitých mezích. Nastává situace, kdy se následne i zjištené náklady pohybují v jistém
pásmu.
Pro stanovení pásma (stupne presnosti) bylo nutné definovat mezní hodnoty presnosti
pro všechny vstupní komponenty a pro jednotlivé komponenty pak spocítat mezní hodnoty.
Šetrení bylo provedeno na souboru 5 taveb litiny skulickovým grafitem a 5 taveb litiny
s lupínkovým grafitem. Tavby byly sestaveny do tabulek presností dat a bylo provedeno
proverení dvemi metodickými prístupy.
Varianta 1
- spodní mezní hodnoty v Kc/t jsou definovány pomerem spodních mezních hodnot
v Kc/tavbu a hmotnosti tekutého kovu s ohledem na spodní toleranci vah
- horní mezní hodnoty v Kc/t jsou definovány pomerem horních mezních hodnot
v Kc/tavbu a hmotnosti tekutého kovu s ohledem na horní toleranci
Tato varianta specifikuje stav, v nemž by všechna vážící a merící zarízení pracovala
s maximální možnou tolerancí, a to bud spodní nebo jen horní. Situace je však z praktického
hlediska jen velmi málo pravdepodobná.
Varianta 2
Charakterizuje situaci, pri níž by všechna vážící a merící zarízení jednotlivých
komponent pracovala s maximální možnou spodní (horní) tolerancí a váha stanovující
hmotnost tekutého kovu by naopak vážila s maximální horní (spodní) tolerancí. Jedná se
o nejkrajnejší možnou variantu.
Podle varianty 1 se vyhodnocená „vážená“ odchylka u litiny s lupínkovým grafitem
pohybuje v rozpetí ± 0,17 Kc/t a NVN jsou stanovovány s chybou ± 0,015 %.
Podle varianty 2 se „vážená“ odchylka rovnež u litiny s lupínkovým grafitem
pohybuje v rozmezí ± 1,88 Kc/t a NVN jsou stanovovány s chybou ± 0,228 %. I když jsou
tyto výsledky ve srovnání s variantou 1 podstatne horší, lze je považovat rovnež za príznivé.
6
METAL 2004
Hradec nad Moravicí
4. ZÁVER
Záverem lze konstatovat, že vpodmínkách slévárny STROJTEX, a.s. Dvur Králové
nad Labem byl zmapován proces výroby litiny s kulickovým a lupínkovým grafitem,
definován kalkulacní vzorec s využitím metody neúplných vlastních nákladu, posouzen
potenciální prostor pro snižování nákladu taveb na základe provedené statistické analýzy.
V neposlední rade pak byla navržena rozborová sestava tavby, která umožnuje porovnání
skutecných neúplných nákladu se standardem a následnou analýzu vzniklé nákladové
odchylky. Zároven byla doporucena metodika stanovení standardu a stanovena presnost dat
pro urcení neúplných vlastních nákladu taveb.
Po zavedení a overení navržené rozborové sestavy tavby bude mít slévárna
STROJTEX, a.s. k dispozici úcinný nástroj rízení nákladové spotreby.
Práce by la rešena za financní podpory Grantové agentury CR v rámci grantového
projektu reg. c. 106/02/1128.
LITERATURA
[1] SHERWOOD, W.L. Steel from Hot Metal Melted by Oxy- fuel Furnaces – Energy,
Enviroment, Cost & Quality Benefits. IRON & STEEL SOCIETY, Electric Furnace
Conference Proceedings, 2001, pp. 421-439.
[2] BAAR, P.V., MEADOWEROFT, T.R. Scrap Melting in an Oxy- fuel Fired Rotary
Furnace. IRON & STEEL SOCIETY, Electric Furnace Conference Proceedings, 2001,
pp. 451-463.
[3] FIMBINGER, J. Rotacní pece v roce 2000. Slévárenství, 2000, roc. 48, c. 9, s. 415-417.
ISSN 0037-6825.
[4] KAFKA, V., aj. Overení modelu prubežného sledování nákladu odlitku v ceských
slévárnách. Záverecná zpráva. Ostrava, prosinec 2003.
7
Príloha 1
8