Стоимость энергии для литья под давлением на одну деталь: как построить модель, которую примет финансовый отдел
Энергия обычно указывается как общие коммунальные расходы предприятия и затем распределяется на продукты по численности персонала или площади цеха, поэтому проекты по экономии затрат одобряются или отклоняются на основании аргументов, а не чисел. Альтернатива несложна. Требуются измеренные данные, три правила распределения, которые может понять любой, и честное разделение энергии, которая зависит от выхода продукции, и энергии, которая не зависит.
Эта статья дает практические цифры, которые мы используем при анализе структуры затрат литейного цеха: энергия плавки на килограмм с учетом реалистичных КПД печей, потерь при удержании, машины и вспомогательного оборудования за цикл, сжатого воздуха, охлаждающей воды и вытяжки, полный расчет для детали среднего размера, честное сравнение с материалами и трудозатратами, а также меры по снижению с ожидаемыми диапазонами. В конце описывается, как структурировать модель затрат, чтобы она была полезна для финансового отдела.
Почему энергия должна входить в модель стоимости детали
Энергия заслуживает отдельной строки в стоимости детали по трем причинам, не связанным с отчетностью по устойчивому развитию.
- Обычно она составляет от 8 до 15 процентов от стоимости переработки, что превышает трудозатраты на многих автоматизированных участках. Материалы доминируют во всем остальном, но цена материалов определяется рынком, а энергия — вашим предприятием.
- Она управляемая. В отличие от стоимости сплава и уже приобретенной машины, энергия реагирует на капиталовложения и дисциплину с предсказуемой отдачей. Большая часть этой отдачи находится в диапазоне 10–30 процентов, а окупаемость измеряется в месяцах.
- Она связана с состоянием процесса. Аномальное потребление сжатого воздуха означает утечки или изношенные сопла. Рост энергии плавки на тонну означает потери из-за окисления и плохие практики загрузки. Рост потерь при удержании говорит о снижении эффективности теплоизоляции и дисциплины при закрытии крышки. Данные по энергии — это диагностика процесса, за которую платит финансы.
Также есть коммерческая причина. Когда клиент спрашивает, почему изменилась цена детали, ответ, основанный на киловатт-часах на хорошую деталь с измеренной базой, гораздо сложнее опровергнуть, чем “наши затраты выросли”.
Энергия плавки на килограмм
Начинайте с теории, чтобы иметь возможность оценить любое реальное число, которое вам дадут. Нагрев алюминия с 25 °C до 720 °C занимает примерно 0,52 МДж/кг в твердом состоянии, около 0,39 МДж/кг скрытой теплоты и примерно 0,16 МДж/кг нагрева жидкого, что дает теоретический минимум около 1,07 МДж/кг, или 0,30 кВтч/кг.
Все, что выше этого минимума, — это неэффективность печи, и разница между технологиями велика.
| Тип печи | Типичная энергия на холодную загрузку на кг | Эквивалент кВтч/кг | Примечания |
|---|---|---|---|
| Теоретический минимум | 1.07 МДж | 0.30 | Физический этаж; никто не достигает его |
| Современный штабелированный или шахтный плавильный агрегат с рекуператором и предварительным нагревом заряда | от 1.2 до 2.0 МДж | от 0.33 до 0.56 | Лучшее доступное; высокий капитал, требует непрерывной работы |
| Электроплавильная печь индукционного типа, хорошо обслуживаемая | от 2.0 до 2.7 МДж | от 0.55 до 0.75 | Чисто, быстро, хорошая контроль качества металла |
| Электрическая сопротивления crucible furnace | от 2.2 до 3.6 МДж | от 0.60 до 1.00 | Распространена в небольших заводах; простая, но медленная |
| Газовая плавильная печь crucible | от 2.5 до 4.0 МДж | от 0.70 до 1.10 | Дешевая в покупке, дорогая в эксплуатации |
| Газовая ревербераторная печь, без рекуперации | 3.5 до 6.0 МДж | 0.97 до 1.67 | Допустимо только при масштабах с восстановленным отходящим теплом |
| Термическая обработка или сверхнагрев жидкого металла только | 0.4 до 0.8 МДж | 0.11 до 0.22 | Самый дешевый этап; именно поэтому передача горячего металла окупается |
Два учетных пункта, которые существенно меняют ответ.
Во-первых, решите, чему вы выделяете ресурсы. Металл, циркулирующий внутри завода как руннер, бисквит и reject, переплавляется снова и снова, и все это списывать на одну часть неправильно. Правильный подход — списывать каждую часть с металлом, который выходит из завода в ней, плюс потери при обработке. На практике: умножьте чистый вес отливки примерно на 1.05, чтобы учесть окисление и потери при обработке, и примените вашу специфическую энергию плавки к этой величине. Если же вы переплавляете холодные возвраты, потому что ваша планировка не позволяет горячие возвраты возвращать в плавильную печь, это решение стоит вам реальных денег и должно отражаться в цифрах.
Во-вторых, следите за потерями металла. Потери от окисления, составляющие 4 процента вместо 2 процентов при стоимости сплава 2.30 долларов за кг, обходятся в 0.046 долларов за килограмм отгрузки, по сравнению с энергией плавки около 0.045 долларов за килограмм при средней эффективности вышеуказанной. Потери металла и энергия плавки примерно одного порядка, и потери обычно легче уменьшить, чем снизить энергозатраты.
Резервные и простои плавильной печи
Потери при простое — просты, постоянны и почти полностью не управляются. Типичные показатели для алюминиевых печей при температуре 650–720 °C:
| Мощность печи | Хорошо изолирована, крышки закрыты | Типичные промышленные условия |
|---|---|---|
| 300 кг электроэнергии | 3–5 кВт | 5–8 кВт |
| 500–800 кг электроэнергии | 5 до 9 кВт | 8 до 15 кВт |
| 800 до 1500 кг электрики | 8 до 14 кВт | 12 до 24 кВт |
| Эквивалентные газовые установки | 8 до 18 кВт | 14 до 30 кВт |
Выражено на единицу мощности, примерно 0,015 до 0,03 кВт на килограмм емкости печи при температуре. Потери резко увеличиваются с ростом температуры установки: поддержание температуры на 50 °C выше необходимой обычно добавляет 15-25 процентов к потреблению в режиме ожидания, и это одновременно влияет на поглощение водорода и срок службы формы.
Куда фактически уходят деньги:
- Выходные и остановочные периоды. Печь емкостью 800 кг при 15 кВт в режиме ожидания 48 часов потребляет 720 кВтч, примерно 72 доллара США по цене 0,10 доллара за кВтч. Пятьдесят выходных — примерно 3600 долларов США в год на одну печь за ничегонеделание.
- Простоя во время смены формы и при поломках. Если ваша доступность составляет 72 процента, то 28 процентов времени работы печи не производят деталей. В зависимости от вашей политики отключения, это 20-30 процентов энергии печи, расходуемой впустую.
- Перегрузка и параллическая работа. Запуск двух печей по 30 процентов нагрузки каждая вместо одной на 60 процентов может увеличить общие потери в режиме ожидания на 30-50 процентов. Объединяйте процессы, где позволяют логистика металла.
- Дисциплина крышки. Открытая крышка излучает тепло и притягивает холодный воздух через расплав. Каждая минута, когда крышка остается открытой, заметна; решение — процедурное правило, а не оборудование.
Практическая политика: поддерживайте температуру в процессе производства, снижайте до уменьшенной температуры при остановках более двух часов и полностью отключайте при плановых остановках более восьми часов, с прописанной процедурой повторного запуска и проверки качества металла. Стоимость повторного запуска — в основном проверка работы, и она мала по сравнению с расходами на электроэнергию в выходные.
Энергия гидравлики и привода машины за цикл
Прессовочные машины потребляют энергию тремя способами: гидравлическая мощность, необходимая для впрыска и зажима, потери насоса во время холостых фаз, а также вспомогательные нагрузки, такие как гидравлика на стороне машины, извлечение аккумулятора впрыска и управление.
| Технология привода машины | Установленная мощность, класс 400 тонн | Средний расход при производстве | кВтч за цикл при 42 с | кВтч на кг заготовки (2,4 кг) |
|---|---|---|---|---|
| Старая насосная установка с фиксированным объемом, без разгрузки | 55 до 75 кВт | 30 до 45 кВт | 0,35 до 0,53 | 0,15 до 0,22 |
| Насос с переменным объемом с разгрузкой | 45 до 65 кВт | 18 до 26 кВт | 0,21 до 0,30 | 0,09 до 0,13 |
| Машина с сервоприводом или гибридная | 35 до 55 кВт | 10 до 18 кВт | 0,12 до 0,21 | 0,05 до 0,09 |
Здесь важны две вещи. Первая — это соотношение между пиковым и средним значением. Машина с насосом с фиксированным объемом потребляет почти всю мощность двигателя, независимо от того, происходит ли инжекция или машина находится в режиме ожидания; во время режима ожидания большая часть этой энергии уходит через предохранительный клапан в виде тепла, которое затем должно удаляться системой охлаждения, и вы платите за это дважды. Вторая — это то, что каждый цикл имеет фиксированную составляющую, что означает, что энергоэффективность на деталь значительно улучшается при сокращении времени цикла и при использовании обеих полостей продуктивно, а не блокируя одну из них.
Также обратите внимание, что ход зажима и время открытия матрицы расходуют энергию без производства чего-либо, поэтому всё, что сокращает непроизводственные фазы, сразу отображается в этой строке. Этот аргумент подробно рассматривается в обсуждении бюджета времени цикла в факторы стоимости литейного алюминия.
Сжатый воздух: самая крупная статья расходов, которой никто не управляет
На предприятии за предприятием сжатый воздух является крупнейшим потребителем энергии, не связанной с плавкой, и при этом самым недооцененным. Никто не включает его в свой бюджет, никто не измеряет его использование, и его считают бесплатным.
Коэффициент преобразования, который нужно запомнить: хорошо настроенный винтовой компрессор обеспечивает примерно 1 м³/мин воздуха при 7 бар за каждые 6-7 кВт входной мощности. Плохо обслуживаемые, недоразмеренные или неправильно последовательные системы работают при 9-12 кВт на м³/мин. Другими словами, 1 м³/мин постоянного потребления воздуха стоит примерно 3 000–4 500 долларов в год при 5000 часах работы и 0,10 долларов за кВт·ч.
Что потребляет его в ячейке литейного производства:
- Аэрозольное распыление матрицы с помощью воздуха. Насадки с воздушной поддержкой при 3-6 бар могут обеспечивать значительный постоянный поток. Снижение давления распыления до минимального, необходимого для получения нужного размера капель, — это бесплатные деньги; чрезмерное распыление тратит воздух и сдувает пленку с соседних поверхностей матрицы.
- Обдув и сушка деталей. Общие форсунки обычно слишком большие и работают слишком долго. Направленные ножевые или инженерные воздушные насадки обычно сокращают потребление на 30-60%, при этом сушат быстрее, что также сокращает цикл.
- Пневматические приводы, зажимы и помощники-выталкиватели на штамповочных прессах и приспособлениях.
- Пневматические плавающие шпиндели и инструменты, приводимые в движение воздухом на станциях шлифовки и удаления заусенцев. Один пневматический шпиндель с возможностью компенсации может потреблять несколько сотен литров в минуту при контакте; электрические или механические варианты компенсации полностью снимают эту нагрузку. Это решение по спецификациям принимается при покупке оборудования и действует в течение пятнадцати лет. Сравнивайте технологии перед покупкой: роботизированная удалка заусенцев против ручной — что лучше освещает часть этого сравнения с точки зрения производительности.
- Утечки. Обычно 20-40 процентов от общего производства на предприятиях, не реализующих программу по устранению утечек. Отверстие диаметром 3 мм при 7 бар пропускает примерно 0,6-0,9 м³/мин свободного воздуха, что эквивалентно 4-6 кВт постоянной мощности, или около 2000-3000 долларов в год с одной дырки. Умножьте на двадцать фитингов — и получится серьезная сумма.
Три мероприятия с надежной окупаемостью:
- Квартурное ультразвуковое обследование утечек с последующим ремонтом. Обычно 10 до 25 процентов от общей энергии сжатого воздуха, обычно за несколько тысяч долларов на работу подрядчика и запчасти.
- Уменьшите давление в коллекторе. Переход с 7,0 до 6,0 бар обычно снижает энергию компрессора на 7-10 процентов и также уменьшает поток утечек, поскольку поток утечек пропорционален разности давлений. Сначала проверьте минимальные требования к инструменту или приводу; установка давления в коллекторе на 0,5-1,0 бар выше максимальной реальной потребности обычно достаточно.
- Исправьте последовательность работы компрессоров и рассмотрите возможность использования вариатора частоты. Часто встречаются несколько компрессоров с фиксированной скоростью, конкурирующих друг с другом. Машины с ВПД обычно обеспечивают 15-30 процентов их части нагрузки.
Распыление, охлаждающая вода, экстракция и услуги здания
Это нагрузки “всё остальное”, и они больше, чем ожидают большинство людей, потому что работают постоянно, независимо от того, производится ли отливка.
| Нагрузка | Типичная установленная мощность | Режим работы | Комментарий |
|---|---|---|---|
| Насосы охлаждающей воды и вентиляторы башни | 15 до 45 кВт для группы ячеек | Постоянно во время производства, часто непрерывно с полным остановом | Вариаторы частоты на насосах обычно экономят 20-40 процентов; проверьте фактический поток по цепи по сравнению с проектом, прежде чем предполагать, что нужен текущий поток |
| Экстракция дымовых газов печи и вентилятор пылеуловителя | 5,5 до 22 кВт | Постоянно | Дроссельное управление, связанное с положением крышки печи и рабочим циклом, быстро окупается |
| Пылесос для сбора пыли в шлифовальных, пескоструйных и полировальных ячейках | 7,5 до 30 кВт | Непрерывная работа во время финишных операций | Правильное определение размера и блокировка на ячейке, а не на универсальном таймере |
| Освещение цеха и сушка сжатого воздуха | Различается | Постоянно | Обычно выделяется по площади этажа; управление освещением LED и контролем занятости является стандартом, но редко относится к проектам по снижению затрат |
| Плата за спрос | Не за энергию, а 15-35 процентов от многих промышленных счетов за электроэнергию | Пиковое потребление | Избегайте одновременного запуска компрессоров, систем вытяжки и печей после перерыва; планируйте последовательность перезапуска |
Стоит явно обсудить с финансовым отделом: плата за спрос взимается по вашему максимальному потреблению за пятнадцать минут в месяц, поэтому поэтапный запуск оборудования может снизить счет без уменьшения потребления киловатт-часов.
Расчет для среднего размера детали
Пример с расчетами более ценен, чем любые общие утверждения. Предположим, что двухкамерная форма производит два алюминиевых отливки по 0,9 кг за выстрел, вес выстрела 2,4 кг, цикл 42 секунды, запланированные часы работы станка 5000 в год, коэффициент эффективности OEE 62 процента.
Полученные величины:
- Теоретическая скорость: 3600 / 42 = 85,7 выстрелов в час, или 171,4 детали в час
- Хороший выход при 62-процентном OEE: 106 деталей в час, или 531 500 деталей в год
- Металл, расплавленный на одну хорошую деталь с учетом потерь в процессе: 0,9 × 1,05 = 0,945 кг
- Специфическая энергия плавки: 0,75 кВтч/кг (электромагнитная индукция, хорошо настроенная)
- Цена электроэнергии: 0,10 USD за кВт·ч
| Статья затрат | Основа | кВт·ч на часть | USD за часть | Доля энергии |
|---|---|---|---|---|
| Плавка | 0,945 кг × 0,75 кВтч/кг | 0.710 | 0.0710 | 52,1 процента |
| Резервный режим печи для удержания | Доля печи 12 кВт, 6500 часов работы в год | 0.147 | 0.0147 | 10,8 процента |
| Привод машины | Средний расход 22 кВт, 42 с за выстрел, два детали за выстрел | 0.128 | 0.0128 | 9,4 процента |
| Пресс для обрезки и конвейеры | Среднее распределение 4 кВт по ячейке | 0.038 | 0.0038 | 2,8 процента |
| Сжатый воздух | Непрерывный эквивалент 16 кВт, включая утечки, 5000 часов | 0.151 | 0.0151 | 11,1 процента |
| Насосы охлаждающей воды и башня | Непрерывный эквивалент 6 кВт, 5000 часов | 0.056 | 0.0056 | 4,1 процента |
| Вентиляторы вытяжки дымовых и пылевых газов | Непрерывный эквивалент 9 кВт, 5000 часов | 0.085 | 0.0085 | 6,2 процента |
| Освещение и строительные услуги | Выделено 5 кВт, 5000 часов | 0.047 | 0.0047 | 3,5 процента |
| Общая сумма | 1.362 | 0.136 | 100 процентов |
Результат составляет примерно 1,36 кВтч и 0,136 USD за хорошую деталь, или 0,15 USD за килограмм отливки. Выразите это обоими способами, потому что кВтч на тонну расплавленного металла — это как отдел плавки будет управлять этим, а стоимость за деталь — как будет использовать отдел продаж.
Чувствительность, которую стоит знать, прежде чем кто-либо начнет спорить о деталях: изменение эффективности плавки на 20 процентов сдвигает общий результат примерно на 10 процентов, в то время как устранение утечек сжатого воздуха и снижение давления в коллекторе на один бар сдвигает его примерно на 2–4 процента. Плавка доминирует в общем результате, но предлагает наименьшее процентное улучшение за потраченный доллар; воздух — лучший вариант.
Энергия против материала и труда
Честный контекст предотвращает неловкость позже. Используя одну и ту же деталь:
| Статья затрат | Основа | USD за часть | Доля от общего |
|---|---|---|---|
| Металл | 0,945 кг по цене 2,30 USD/кг | 2.174 | 61,1 процента |
| Амортизация инструмента | Матрица на 150 000 отливов при стоимости 45 000 USD, две полости | 0.150 | 4,2 процента |
| Расходные материалы: смазка, фильтры, среда, абразивные ленты, флюс | Измеренное потребление | 0.180 | 5,1 процента |
| Амортизация машины и участка | Включено в выделенную накладную линию | 0.850 | 23,9 процента |
| Энергия | Из таблицы выше | 0.136 | 3,8 процента |
| Прямой труд | 1,5 оператора по цене 6,50 USD за час, 106 хороших деталей в час | 0.092 | 2,6 процента |
| Общая сумма | 3.582 | 100 процентов |
Энергия составляет примерно 4 процента от общей стоимости детали, но примерно 10 процентов от стоимости преобразования после исключения материала. Она находится ниже стоимости инструмента в абсолютных цифрах, что и является аргументом при вопросе о целесообразности этой работы: да, и она стоит того, потому что в отличие от цены металла, она управляемая, а в отличие от инструмента, она улучшается каждый месяц при уходе за ней.
Меры по снижению, ожидаемая экономия и построение модели
Реалистичные ожидания, с диапазонами, которые следует указывать, а не с оптимистичными цифрами:
| Измерение | Ожидаемая экономия на этой нагрузке | Типичный срок окупаемости | Зрелость |
|---|---|---|---|
| Ультразвуковое обследование утечек и ремонт | От 10 до 25 процентов энергии сжатого воздуха | От 3 до 8 месяцев | Мгновенно реализуемо |
| Снижение давления в заголовке на 1 бар | От 7 до 10 процентов энергии компрессора, плюс снижение утечек | От немедленного до 2 месяцев | Мгновенно реализуемо, сначала проверьте требования к инструментам |
| Корректировка компрессора VSD и исправленная последовательность | От 15 до 30 процентов энергии сжатого воздуха | От 12 до 24 месяцев | Стандартный проект |
| Горячие или тёплые возвраты возвращаются в удерживающую печь | От 20 до 40 процентов энергии плавки на возвращённой фракции | От 6 до 18 месяцев | Зависит от планировки |
| Дисциплина удержания установки и ремонт изоляции | От 5 до 15 процентов потерь при удержании | Менее 6 месяцев | Мгновенно реализуемо |
| Политика возврата в выходные и при остановках | До 3000–4000 долларов США за печь в год | Немедленно | Изменение политики и процедура перезапуска |
| Модернизация гидравлики машины или преобразование в переменный насос | От 30 до 60 процентов энергии машины | 12 до 36 месяцев | Капитальный проект |
| ЧПУ на охлаждающих насосах и вытяжных вентиляторах | от 20 до 40 процентов от этих нагрузок | От 12 до 24 месяцев | Стандартный проект |
| Потеря окисления снижается с 4 до 2 процентов | Эквивалент примерно 0,045 USD за кг отгруженного товара | Менее 6 месяцев | Часто игнорируется, больше большинства энергетических ресурсов |
| Восстановительные горелки на газовых печах | 10 до 25 процентов топлива для плавки | 12 до 30 месяцев | Капитальный проект |
Как структурировать модель так, чтобы её приняла финансовая служба:
- Подсчитайте отдельные счетчики для реальных объектов. Один счетчик на отдел плавки, один на группу машин, один на систему сжатого воздуха, один на ячейки отделки, плюс основной счетчик всей установки. Всё остальное — оценка, а оценка вызывает недоверие у финансов.
- Используйте три правила распределения и запишите их. Плавка распределяется по тоннажу залитого металла по данным счетчика; энергия машин и ячеек — по измеренным или рассчитанным кВтч на машиночас; общие услуги — по площади пола с распределением затрат по пиковым нагрузкам. Важна последовательность, а не идеальная точность.
- Отделите постоянные расходы от переменных. Энергия на плавку и цикл машин зависит от объема производства. Потери при удержании, услуги здания и большой объем сжатого воздуха в основном фиксированы. Ценовые решения должны учитывать переменные издержки, а полное распределение затрат — оба типа, но их смешивание сделает все последующие аргументы неправильными.
- Ежемесячно сверяйте с основным счетчиком. Если сумма вашего распределенного потребления не совпадает с показаниями коммунального счетчика примерно на 10 процентов, модель еще недостаточно надежна. Опубликуйте сверку, а не скрывайте её.
- Зафиксируйте базовый уровень по счетчику до начала любого проекта, согласованный совместно производством и финансами, выраженный в кВтч на тонну залитого металла и кВтч на готовую деталь. Эта единая дисциплина устраняет большинство споров о реальности экономии.
- Отслеживайте за последние двенадцать месяцев. Летняя нагрузка на охлаждение и изменения эффективности печей зимой — реальные показатели, и сравнение за один месяц может ввести в заблуждение.
Решения по спецификациям оборудования, принятые много лет назад, по-прежнему отражаются в этих цифрах. DZ Machinery поставляет роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки с использованием электродвигателей с механическими или пневматическими опциями соответствия, и мы регулярно указываем расход воздуха на ячейку вместе с временем цикла и площадью пола, чтобы это можно было включить в ту же модель, что и всё остальное; смотрите наш оборудование для автоматической обработки поверхности ассортимент для конфигураций, которые мы собираем. Если вы хотите получить данные о потреблении энергии на уровне ячейки для станции обработки перед её заказом, отправьте нам чертежи ваших деталей и целевую часовую производительность.
