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 Blahutová a Pavel Králícek b Václav Kafka c Zdenek Bužek a a VŠB TU Ostrava, FMMI, Katedra metalurgie, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, CR, E-mail: lenka.blahutova.fmmi@vsb.cz, zdenek.buzek@vsb.cz b SLÉVÁRNA LUTÍN spol. s r.o., J. Sigmunda 79, 783 50 Lutín, CR, E-mail: pavel.kralicek@msl.cz c RACIO&RACIO, Vnitrní 732, 735 14 Orlová Lutyne, CR, E-mail: vaclav.kafka@iol.cz 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 v podmínkách 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
sléváren. Tuto skutecnost si uvedomila i slévárna STROJTEX, a.s. Dvur Králové nad Labem a navázala tak s tvorbou 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, CO 2 a NO X. 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 nemela 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 a spalovacího 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
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. V konecné 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
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 vyrobenéhotekutéhokovu Propal? 100? 100 * vsázka? kovovéprísady? 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 udržování 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
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 vyrobeného 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 Nm 3 a údobí udržování na teplote o 6,6 Nm 3. Rovnež i spotreba zemního plynu byla vúdobí tavení prekrocena o 6 Nm 3 a v údobí udržování na teplote o 3,3 Nm 3 ; 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
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 v prvním 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 s kulickovým 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
4. ZÁVER Záverem lze konstatovat, že v podmínkách 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 byla 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
8 Príloha 1