Úspory energií v tepelném zpracování III

V dalším blogu jsem se již nechtěl zabývat „technickou spotřebou“ a chtěl jsem přejít na tu „technologickou spotřebu“. Jenže ono to nějak moc dobře nejde, protože se mi to neustále do sebe prolíná. Technolog a jeho práce závisí nejenom na znalostech, ale i na penězích, a jedno bez druhého lze obtížně oddělit. Takže dnes dvě témata:

Vliv roštů a přípravků

Jak jsme již konstatovali, „technologická spotřeba“ je energie, kterou musím dodat vsázce včetně roštů tak, abychom ji uvedli na potřebnou teplotu. Výpočet je relativně jednoduchý:

Q = C_p * m * dT, kde C_p = 0,6 kJ/kg pro ocel, a m je hmotnost vsázky včetně roštů.

Z této úvahy lze jednoduše vyvodit, že snížením hmotnosti roštů a přípravků snížíme i potřebnou energii. Prozatím ale jedinou známou a ověřenou alternativou jsou CFC (Carbon Fiber Composite) přípravky. Ty mají hmotnost 5x nižší jak přípravky ocelové (1,5-1,7 g/cm3), mají dobrou teplotní vodivost 20-40 W/mK, a především stálost rozměrů a tvaru při vysokých teplotách.

Obr.č. 1 – Příklad CFC přípravku od firmy  GTD Graphite Technologie GmbH s keramickým segmenty

Jejich nevýhodou je vysoká cena, relativní křehkost a náchylnost na poškození, a nakonec i problém s eutektikem při kontaktu s jinými kovovými materiály. Tabulka kritických eutektických párů je uvedena níže. Je ale potřeba vzít v úvahu, že za určitých okolností, aniž by došlo ještě k natavení, může dojít k nalepování dílů i při podstatně nižších teplotách.

Tab. 1 – Eutektické teploty pro styk různých kovových materiálů

A jak se to projeví na spotřebě? V tabulce je porovnání základní vlastností oceli 1.4818 a CFC. I když Cp pro CFC je více jak 2x vyšší než pro ocel, vzhledem k 20% hmotnosti jsou náklady na ohřev CFC roštů a přípravků poloviční oproti roštům ocelovým.

Tab. 2 – Porovnání fyzikálních hodnot pro 1.4818 a CFC  (GTD Graphite Technology GmbH, D) 

Protože ohřev roštů a přípravků představuje fixní náklady na proces, proměnlivé náklady souvisí jen s vlastním zbožím do zpracování. Jak se to projevuje na energiích je na obr. č. 2 a 3.

Obr.č. 2  – Poměr spotřebované energie na rošty a vsázku o hmotnosti 50 až 800 kg s Inconelovými rošty, hmotnost roštů 100 kg

Obr.č. 3  – Poměr spotřebované energie na rošty a vsázku o hmotnosti 50 až 800 kg s CFC rošty, hmotnost roštů 20 kg

Pokud tedy budeme vycházet z teoretické hodnoty spotřeby 1 kWh/kg, pak např. u vsázky s Inconelovými rošty a 50 kg zboží budou náklady na ohřev roštů o hmotnosti 100 kg dvakrát vyšší jak na ohřev zboží. Pro ten samý případ ale CFC rošty budou spotřebovávat jen 40% energie dodané do vsázky, protože budou vážit jen 20 kg.

Poměr se mění se zvětšující se hmotností vsázky, což je logické. Podíl fixních nákladů na ohřev roštů se snižuje a stoupá podíl efektivní energie na ohřev zboží.

Pokud si vezmeme příklad vsázky se zbožím o hmotnosti 100 kg, protože v tomto případě je poměr hmotnosti mezi rošty a zbožím 1:1, na ohřev roštů využijeme 0,5 kWh/kg a na ohřev zboží rovněž 0,5 kWh/kg. Využitím CFC přípravků podíl vložené energie na přípravky klesne na 0,2 kWh/kg. Úspora je rozdíl mezi oběma hodnotami, tedy 0,3 kWh/kg.

Klasická jednokomorová vakuová pec 600x600x900 mm, do 800 kg, by měla zpracovat cca 16 tun oceli měsíčně, tj. 192 tun oceli ročně. Výsledkem by mohla být tedy úspora ve výši 192 000 kg x 0,3 kWh/kg x 5 Kč/kWh = 288 000 Kč ročně na energii. Je to zajímavá částka? Zcela rozhodně a je potřeba o tom přemýšlet.

Pokud se týká procesu LPC s kalením v proudu plynu, odlehčená sestava bude zvyšovat schopnost ochlazování celé vsázky, a tedy i prokalitelnost. S CFC přípravky lze pracovat i při kalení do oleje, jen je potřeba zabránit jejich oxidaci za vysokých teplota nad 350 C.

https://themonty.com/advantages-of-cfc-fixtures-when-case-hardening-in-automotive-construction/

Vliv popouštění dle typu pece

Každé zařízení má jinou ekonomickou i energetickou účinnost. U víceúčelových pecí nepřichází v úvahu, že by se dalo popouštět v peci kalící, u vakuových pecí je to ale obvyklé. Na obrázku jsou údaje z mého blogu na téma energetického štítku pece. https://intelligent-kalam.80-240-27-133.plesk.page/vime-kolik-potrebujeme-energie-na-tepelne-zpracovani/. Z uvedeného sledování je vidět, že popouštění ve vakuové popouštěcí peci s přímým ohřevem obnáší spotřebu 0,56 kWh/kg pro novu popouštěcí pec TAV H6-T, to samé popouštění v kalící peci vyžaduje ale 0,90 kWh/kg. Je to tedy o 60% více. Jedná se sice o údaje z jednorázové analýzy, ale obecně si myslím, že je to tak logické, že o tom nemůže být pochybností. Pro kalící pec jsem vzal hodnotu 1,31 kWh/kg platnou pro kalící jednokomorou pec TAV H8-T.

Obr.č. 4  – Hodnoty jednotkové spotřeby energie v kWh/kg u sledovaných pecí

Pokud vezmu všechny 3 údaje o jednotkové spotřebě v kWh/kg, máme hmotnost vsázky 400 kg, pak existují 3 možnosti, jak provést zpracování spočívající v kalení v proudu plynu a se dvěma popouštěními. Pro každý cyklus uvažuji s časem 8 hod.

• Varianta H+0T – Kalení a obě popouštění jsou provedeny v kalící peci
• Varianta H+1T – Kalení a první popouštění jsou provedeny v kalící peci, druhé popouštění v peci popouštěcí
• Varianta H+2T – Kalení je provedeno v kalící peci, obě popouštění v peci popouštěcí

Z výsledku je zřejmé, že pokud budeme vždy popouštět v oddělené popouštěcí peci s přímým ohřevem, budou náklady na energii až o 22% nižší, než kdybychom celý proces prováděli v kalící peci.

Obr.č. 5 – Celková spotřeba energie pro vsázku 400 kg při různé kombinaci kalící a popouštěcích pecí s přímým ohřevem

Obr.č. 6 – Celková spotřeba energie pro vsázku 400 kg při různé kombinaci kalící a popouštěcích pecí s retortou

Pokud bych to absolutizoval na předchozí příklad, pak zpracování 16 tun oceli v kalící peci reprezentuje 40 cyklů zpracování měsíčně se vsázkou o hmotnosti 400 kg. Pokud tedy vezmu ideální případ H+2T s nejnižší spotřebou, pak 972 kWh * 40 cyklů * 5 Kč/kWh = 194 400 Kč na nákladech na energii měsíčně. V případě H+0T je to 1 244 kWh * 40 cyklů * 5 Kč/kWh   = 248 800 Kč, tedy o 54 400 Kč měsíčně více, ročně o 652 800 Kč více. I když varianta H+0T je reálně nerealizovatelná s ohledem na časové vytížení pece (proces kalení a popouštění bude trvat 3*8 hod = 24 hod, 40 cyklů = 40 dnů), pro názornost je to dostatečně příkladné.

Je to zajímavá částka? Zcela rozhodně. V tomto případě je ale vidět souvislost mezi „technickou spotřebou“ a „technologickou spotřebou“. Pokud chceme energie opravdu šetřit, pak musíme i správně investovat.

Tato varianta platí ale pro popouštěcí pece s přímým ohřevem. Pokud vezmeme do úvahy retortové pece pro popouštění, jejich spotřeba bude o 30% vyšší. Výsledek pak vypadá dle obrázku č. 6. Úspory za popouštění v retortové peci budou výrazně nižší, pouze 11%.  Jinými slovy to znamená, že pokud máme kombinaci kalící pec a pec popouštěcí s přímým ohřevem, a kalící pec s popouštěním v retortové peci, v druhém případě na každý proces vydáváme o 1 106 – 972 kWh = 134 kWh více. V penězích je to 134 kWh * 40 cyklů * 5 Kč/kWh = 26 800 Kč měsíčně.  Je to sice nižší částka než v předchozím případě, je stále ale velice zajímavá.  Ročně se takto dá uspořit až 321 600 Kč.

Obr.č. 7 – Celková spotřeba energie pro vsázku 400 kg pro dvoukomorovou vakuovou kalící pec v kombinaci s vakuovými popouštěcími pecemi s přímým ohřevem.

Pokud ale zvolíme variantu dvoukomorové kalící vakuové pece, nebo multi-komorové řešení, dostáváme se ještě k výhodnější energetické bilanci. Protože v tomto případě můžeme zcela vyloučit popouštění v kalící komoře, pak výsledek odpovídá obrázku č. 7. Pro kalící komoru přepokládám energetickou náročnost 0,5 kWh/kg, tedy ještě o něco málo nižší, jak pro pec popouštěcí. I když to vypadá nelogicky, vychází to z mých dřívějších propočtů. ECM dokonce uvádí pro multi-komorové řešení ECM Flex ještě nižší hodnoty.

Celková potřeba energie klesá až na hodnotu 648 kWh za celé zpracování. Jedná se tedy o snížení o 972-648 = 324 kWh na proces kalení a dvou popouštění. Celková měsíční úspora bude tedy 324 kWh * 40 cyklů * 5 Kč/kWh = 64 800 Kč měsíčně a 777 600 Kč ročně.

A jak je to v absolutních hodnotách? V našem hypotetickém případě se 16 tunami oceli měsíčně? V tom nejhorším případě bychom platili téměř 3 mil. Kč za fakturu na elektřinu, v tom nejlepším o 48% méně.

Jsou to zajímavá čísla? Samozřejmě že ano. Cesta k nim ale může býti dosti trnitá, nemáme času nazbyt. Buďto to znamená dodatečné investice anebo zcela novou koncepci kalírny.

Je ale nutno říci, že závisí i na struktuře zakázek. Variant tepelného zpracování je mnoho, a variant různých typů pecí rovněž. A ne vždy lze aplikovat moje zjednodušené pohledy. Protože ale jsou zjednodušené, jsou i názorné.

Pokračování příště

21. ledna 2023

Jiří Stanislav