Costo de energía por fundición a presión: Cómo construir un modelo que la financiación aceptará

La energía suele citarse como una línea de utilidad en toda la planta y luego se asigna a los productos por número de empleados o por superficie, por lo que los proyectos de ahorro de costos se aprueban o rechazan en base a argumentos en lugar de números. La alternativa no es complicada. Se necesita datos medidos, tres reglas de asignación que cualquiera puede seguir, y una separación honesta entre energía que varía con la producción y energía que no.

Este artículo ofrece las cifras prácticas que usamos al revisar la estructura de costos de una planta de fundición a presión: energía de fusión por kilogramo con eficiencias realistas de hornos, pérdidas por mantenimiento, máquina y auxiliares por ciclo, aire comprimido, agua de enfriamiento y extracción, un cálculo completo para una pieza de tamaño medio, la comparación honesta con material y mano de obra, y medidas de reducción con rangos esperados. Concluye con cómo estructurar el modelo de costos para que un departamento de finanzas lo utilice.

Por qué la energía pertenece al modelo de costos de la pieza

La energía merece una línea en el costo de la pieza por tres razones que no tienen nada que ver con la sostenibilidad.

• Por lo general representa del 8 al 15 por ciento del costo de conversión, lo que la sitúa por encima de la mano de obra en muchas células automatizadas. El material domina todo lo demás, pero el precio del material lo fija el mercado mientras que la energía la fija tu planta.
• Es controlable. A diferencia del precio de la aleación y de la máquina que ya compraste, la energía responde al capital y a la disciplina con retornos predecibles. La mayoría de esos retornos se sitúan en el rango del 10 al 30 por ciento, con recuperaciones en meses.
• Se correlaciona con la salud del proceso. Un consumo anormal de aire comprimido indica fugas o boquillas desgastadas. Un aumento en la energía de fusión por tonelada significa pérdidas por oxidación y mala práctica de carga. Las pérdidas por mantenimiento en aumento indican que el aislamiento y la disciplina en la tapa han fallado. Los datos de energía son diagnósticos del proceso que la financiación paga por tener.

También hay una razón comercial. Cuando un cliente pregunta por qué se movió el precio de una pieza, una respuesta basada en kilovatios-hora por pieza buena con una línea base medida es mucho más difícil de contradecir que una basada en “nuestros costos aumentaron”.

Energía de fusión por kilogramo

Empieza desde la teoría para que puedas juzgar cualquier número real que te den. Calentar aluminio de 25 °C a 720 °C requiere aproximadamente 0,52 MJ/kg en estado sólido, unos 0,39 MJ/kg de calor latente, y aproximadamente 0,16 MJ/kg calentando el líquido, dando un mínimo teórico cercano a 1,07 MJ/kg, que equivale a 0,30 kWh/kg.

Todo lo que está por encima de ese mínimo es ineficiencia del horno, y la diferencia entre tecnologías es grande.

Dos puntos de contabilidad que cambian la respuesta de manera significativa.

Primero, decide qué asignar. El metal que circula dentro de la planta como canal, biscuit y rechazos se funde una y otra vez, y cargarlo todo a una sola parte es incorrecto. La forma correcta es cargar cada parte con el metal que sale de la planta en ella, más la pérdida por proceso. En la práctica: multiplica el peso neto de fundición por aproximadamente 1.05 para cubrir la oxidación y la pérdida por manejo, y aplica esa energía específica de fundición. Si en cambio vuelves a fundir Retornos fríos porque tu distribución no permite que los retornos calientes vuelvan al horno de retención, esa decisión te cuesta dinero real y debe reflejarse en el número.

En segundo lugar, observa la pérdida de metal en sí misma. La pérdida por oxidación que funciona al 4 por ciento en lugar del 2 por ciento en una aleación de 2.30 USD por kg cuesta 0.046 USD por kilogramo de envío, en comparación con la energía de fundición de alrededor de 0.045 USD por kilogramo en la eficiencia media mencionada arriba. La pérdida de metal y la energía de fundición tienen aproximadamente el mismo orden de magnitud, y la pérdida suele ser más fácil de reducir que la energía.

Pérdidas en espera y en reposo del horno de retención

Las pérdidas en reposo son simples, continuas y casi totalmente no gestionadas. Cifras típicas para hornos de retención de aluminio a 650 a 720 °C:

Expresado por unidad de capacidad, se espera aproximadamente de 0.015 a 0.03 kW por kilogramo de capacidad del horno a temperatura. Las pérdidas aumentan notablemente con el punto de consigna: mantener 50 °C más caliente de lo necesario suele añadir del 15 al 25 por ciento al consumo en modo de espera, y le cuesta simultáneamente en captación de hidrógeno y vida de los moldes.

A dónde va realmente el dinero:

• Fines de semana y paradas. Un horno de retención de 800 kg a 15 kW en modo de espera durante 48 horas consume 720 kWh, alrededor de 72 USD a 0.10 USD por kWh. Cincuenta fines de semana son aproximadamente 3,600 USD por horno al año por no producir nada.
• Inactivo durante el cambio de molde y averías. Si su disponibilidad es del 72 por ciento, entonces el 28 por ciento de las horas del horno no producen piezas. Dependiendo de su política de reducción, eso significa que del 20 al 30 por ciento de la energía del horno se carga a nada.
• Sobredimensionamiento y operación en paralelo. Operar dos hornos al 30 por ciento de carga cada uno en lugar de uno al 60 por ciento puede ser un 30 a 50 por ciento peor en pérdida total en modo de espera. Consolide donde la logística del metal lo permita.
• Disciplina en la tapa. Una tapa abierta irradia y atrae aire frío a través de la fundición. Cada minuto que la tapa permanece abierta es medible; la solución es una regla de procedimiento, no un equipo.

Una política práctica: mantener en el punto de consigna durante la producción, reducir a un punto de consigna menor en paradas superiores a dos horas, y apagar completamente en paradas planificadas superiores a ocho horas, con un procedimiento definido de reinicio y verificación de calidad del metal escrito junto a él. El costo de reinicio es principalmente mano de obra de verificación, y es pequeño en comparación con la electricidad del fin de semana.

Energía hidráulica de la máquina y de accionamiento por ciclo

Las máquinas de fundición a presión consumen energía de tres maneras: la potencia hidráulica necesaria para la inyección y el cierre, pérdidas de la bomba durante fases de inactividad y cargas auxiliares como hidráulica en la máquina, extracción del acumulador de inyección y controles.

Dos cosas importan aquí. La primera es la relación entre pico y promedio. Una máquina con bomba fija consume casi toda la carga del motor, ya sea inyectando o en espera; durante la fase de espera, la mayor parte de esa energía se disipa a través de una válvula de alivio como calor, que luego debe ser eliminado por el sistema de enfriamiento, por lo que pagas por ello dos veces. La segunda es que cada ciclo tiene un componente fijo, lo que significa que la energía por pieza mejora notablemente cuando se reduce el tiempo de ciclo y cuando se utilizan ambas cavidades de manera productiva en lugar de bloquear una.

También hay que tener en cuenta que el recorrido del tope y el tiempo de apertura del dado consumen energía sin producir nada, por lo que cualquier cosa que acorte las fases no productivas se refleja inmediatamente en esta línea. Ese argumento se desarrolla más en la discusión sobre el presupuesto del tiempo de ciclo en factores de coste en fundición de aluminio.

Aire comprimido: el mayor concepto de línea que nadie posee

En planta tras planta, el aire comprimido es el mayor consumidor de energía no relacionada con la fusión, y el que menos propiedad tiene. Nadie incluye en su presupuesto esa línea, nadie se mide por ella, y se trata como si fuera gratis.

El factor de conversión que debes tener en mente: un compresor de tornillo bien gestionado entrega aproximadamente 1 m³/min de aire a 7 bar por cada 6 a 7 kW de potencia de entrada. Los sistemas mal mantenidos, subdimensionados o mal secuenciados funcionan a 9 a 12 kW por m³/min. En otras palabras, 1 m³/min de demanda continua de aire cuesta aproximadamente entre 3,000 y 4,500 USD al año con 5,000 horas y 0.10 USD por kWh.

Lo que lo consume en una celda de fundición a presión:

• Aire atomizador de rociado del dado. Las boquillas asistidas por aire a 3 a 6 bar pueden extraer un flujo continuo significativo. Reducir la presión de atomización al mínimo que proporcione el tamaño de gota necesario es dinero gratis; sobreatomizar desperdicia aire y sopla la película de las superficies adyacentes del dado.
• Soplado y secado de piezas. Las boquillas de chorro general suelen ser sobredimensionadas y se dejan en funcionamiento demasiado tiempo. Las boquillas de filo cortante o diseñadas específicamente suelen reducir el consumo en un 30 a 60 por ciento, además de secar más rápido, lo que también acorta el ciclo.
• Actuadores neumáticos, pinzas y ayudantes de expulsión en prensas de recorte y accesorios.
• Ejes flotantes neumáticos y herramientas accionadas por aire en estaciones de rectificado y desbarbado. Un solo eje de cumplimiento neumático puede consumir varios cientos de litros por minuto durante el contacto; las opciones de cumplimiento eléctricas o mecánicas eliminan esa carga por completo. Esta es una decisión de especificación que se toma en la compra del equipo y dura quince años. Compara tecnologías antes de comprar: desbarbado robótico vs desbarbado manual, cuál es mejor cubre parte de esa comparación desde el lado de la productividad.
• Fugas. Típicamente entre el 20 y el 40 por ciento de la producción total en plantas que no han implementado un programa de detección de fugas. Un agujero de 3 mm a 7 bar pasa aproximadamente 0.6 a 0.9 m³/min de aire libre, lo que equivale a 4 a 6 kW continuos, o unos 2,000 a 3,000 USD al año por un solo agujero. Multiplica por veinte conexiones y tienes una cifra importante.

Tres intervenciones con retorno de inversión confiable:

• Encuesta trimestral de fugas ultrasónicas seguida de reparación. Normalmente del 10 al 25 por ciento de la energía total de aire comprimido, generalmente por unos pocos miles de euros en mano de obra y piezas del contratista.
• Reducir la presión del cabezal. Pasar de 7.0 a 6.0 bar generalmente reduce la energía del compresor entre un 7 y un 10 por ciento y también reduce el flujo de fugas, porque el flujo de fuga escala con la diferencia de presión. Verifique primero el requisito de la herramienta o actuador de menor presión; ajustar el cabezal 0.5 a 1.0 bar por encima del requisito más alto real suele ser suficiente.
• Corregir la secuenciación del compresor y considerar un variador de velocidad. Es común que varios compresores de velocidad fija compitan entre sí. Las máquinas con VSD ajustable generalmente entregan entre un 15 y un 30 por ciento en su parte de carga.

Spray, agua de enfriamiento, extracción y servicios del edificio

Estas son las cargas de “todo lo demás”, y son mayores de lo que la mayoría de la gente espera porque funcionan continuamente, independientemente de si estás fundiendo o no.

Un punto que vale la pena plantear explícitamente con finanzas: los cargos por demanda se facturan en base al consumo máximo de quince minutos en el mes, por lo que escalonar los arranques de equipos puede reducir la factura sin reducir un solo kilovatio-hora.

Cálculo trabajado para una pieza de tamaño medio

Un ejemplo práctico vale más que cualquier declaración general. Suponga un molde de dos cavidades que produce dos fundiciones de aluminio de 0,9 kg por disparo, peso del disparo 2,4 kg, ciclo de 42 segundos, 5.000 horas de máquina programadas por año, OEE del 62 por ciento.

Cantidades derivadas:

• Tasa teórica: 3.600 / 42 = 85,7 disparos por hora, o 171,4 piezas por hora
• Buen rendimiento con un OEE del 62 por ciento: 106 piezas por hora, o 531.500 piezas por año
• Metal fundido por pieza buena incluyendo pérdida en proceso: 0,9 × 1,05 = 0,945 kg
• Energía específica de fundición: 0,75 kWh/kg (inducción eléctrica, bien gestionada)
• Precio de la electricidad: 0,10 USD por kWh

El resultado es aproximadamente 1,36 kWh y 0,136 USD por pieza buena, o 0,15 USD por kilogramo de fundición enviada. Expréselo de ambas formas, porque kWh por tonelada de metal vertido es cómo el departamento de fundición lo gestionará y el coste por pieza es cómo lo utilizará ventas.

Valor de sensibilidad que vale la pena conocer antes de que alguien discuta los detalles: un cambio del 20 por ciento en la eficiencia de fundición mueve el total aproximadamente un 10 por ciento, mientras que eliminar las fugas de aire comprimido y reducir la presión del cabezal en un bar lo mueven aproximadamente entre un 2 y un 4 por ciento. La fundición domina el total pero ofrece la menor mejora porcentual por euro gastado; el aire ofrece la mejor opción.

Energía contra material y mano de obra

Un contexto honesto previene vergüenza más tarde. Usando la misma pieza:

La energía representa aproximadamente el 4 por ciento del costo total de la pieza, pero aproximadamente el 10 por ciento del costo de conversión una vez excluido el material. Se sitúa por debajo de la herramienta en términos absolutos, que es el argumento a hacer cuando alguien pregunta si este trabajo vale la pena: sí, y vale la pena hacerlo porque, a diferencia del precio del metal, es controlable, y a diferencia de la herramienta, mejora cada mes que se le presta atención.

Medidas de reducción, ahorros esperados y construcción del modelo

Expectativas realistas, con los rangos que deberías cotizar en lugar de números en el mejor de los casos:

Cómo estructurar el modelo para que lo acepte finanzas:

• Submedir las cosas reales. Un medidor en el departamento de fundición, uno en el grupo de máquinas, uno en el sistema de aire comprimido, uno en las celdas de acabado, además del medidor principal de toda la planta. Todo lo demás es estimación, y la estimación es lo que desconfían las finanzas.
• Usar tres reglas de asignación y escribirlas. Fundición asignada por toneladas vertidas a partir de datos del medidor; energía de máquina y celda asignada por kWh medidos o calculados por hora-máquina; servicios compartidos asignados por área de piso con cargos por demanda asignados por contribución al pico coincidente. La coherencia importa más que la pureza teórica.
• Separar fijo de variable. La energía de fundición y ciclo de máquina varía con la producción. Las pérdidas de retención, servicios del edificio y mucho aire comprimido son en gran medida fijos. Las decisiones de precios deben usar costos variables, y la contabilidad de absorción total debe usar ambos, pero mezclarlos hará que cada argumento posterior sea incorrecto.
• Reconciliar mensualmente con el medidor principal. Si la suma de tu consumo asignado no coincide con el medidor de la utilidad en aproximadamente un 10 por ciento, el modelo aún no es creíble. Publica la conciliación en lugar de ocultarla.
• Congelar una línea base medida antes de que comience cualquier proyecto, aprobada conjuntamente por producción y finanzas, expresada en kWh por tonelada vertida y kWh por pieza buena. Esa disciplina única elimina la mayoría de las disputas sobre si los ahorros fueron reales.
• Hacer un seguimiento de doce meses consecutivos. Los cambios en la carga de enfriamiento de verano y la eficiencia de las calderas de invierno son reales, y una comparación de un solo mes será engañosa.

Las decisiones sobre las especificaciones del equipo tomadas hace años todavía están reflejadas en estos números. DZ Machinery suministra células robotizadas de desbarbado, rectificado y pulido utilizando husillos eléctricos con opciones de cumplimiento mecánico o neumático, y normalmente cotizamos el consumo de aire por célula junto con el tiempo de ciclo y el espacio en planta para que pueda integrarse en el mismo modelo que todo lo demás; vea nuestro equipo automatizado de acabado superficial gama para las configuraciones que construimos. Si desea datos de entrada de energía a nivel de célula para la estación de acabado antes de especificarla, envíenos los planos de sus piezas y la producción horaria objetivo.