Kolik GIGA vakuových pecí bude potřeba pro GIGA casting?
Obr. č. 1: Výroba osobních automobilů do roku 2023 [1]
GIGA casting mne osobně velmi přitahuje. Jednak proto, že část života jsem pracoval jako šéf velké nástrojárny, jednak proto, že zbytek života jsem se pak zabýval vakuovým tepelným zpracováním, a především aplikací Nadca 207 pro naše zákazníky. Ať ale registruji dění ohledně problému GIGA castingu a GIGA forem, nemohu dohledat nic, co by se týkalo kalení vložek o velké hmotnosti pro GIGA formy. A tak se pouštím do svých vlastních úvah. Už proto, že VOLVO začalo stavět GIGA factory v Košicích, a už vím, že to nebude poslední aplikace této převratné technologie v České a Slovenské republice.
V roce 2023 se celosvětově vyrobilo 75,7 milionů aut. Z toho polovina v Číně, zbytek US + EU27+UK + Japan. Protože většina velkých automobilek si zahrává s myšlenkou přechodu na GIGA casting, pak lze odhadem dopočítat i kolik GIGA lisů bude potřeba, kolik GIGA forem, a kolik i GIGA vakuových pecí pro tepelné zpracování tvarových vložek GIGA forem bude nutné uvést do provozu.
Pro základní úvahu vycházím z toho, že postupně 30% světové výroby aut přejde na GIGA casting, tedy budeme hovořit o výrobě 22,5 miliónů aut ročně. To je opatrný pohled.
To, že je to směr perspektivní, o tom svědčí úvahy většiny automobilek. A vůbec to nesouvisí s elektromobilitou, i když ta to započala. Do těch hliníkových odlitků lze totiž zasadit nejenom elektromotor a baterku, ale i jakýkoliv jiný motor. A i když to přináší vysoké počáteční finanční náklady, lze to vidět jako dnes jedinou technologii, která umožní vyrobit základ auta v taktu do 3 minut, a celé auto do 10ti hodin. U klasické stávající koncepce výroby aut je to od 18 do 35 hodin [2]
Obr.č. 2: Toyota systém výroby auta [3]
Základní koncept GIGA lití je, že se odlijí 3 základní díly auta. Přední, střední a zadní část. Lze sice uvažovat i s variantou GIGA lisů nad 16 000 tun, kdy všechny 3 díly se spojí do jednoho odlitku, pro jednoduchost beru ale v úvahu stávající stav, kdy potřebujeme díly 3.
Základní vybavení GIGA factory jsou 3 GIGA lisy, osazené vždy jednou formou se životností 100 000 zdvihů. To je rovněž odhadovaná roční kapacita jedné GIGA factory. Pokud tedy budu chtít vyrobit 22,5 mil aut, jako minimum potřebuji 3 x 22 500 000/100 000 = 675 GIGA lisů, odepisovaných na 20 let, a 675 GIGA forem, které musím obnovit každý rok.
Pokud ale životnost formy bude jen 50 tisíc zdvihů, a to je avizováno ze strany Alon Muska, tvůrce firmy TESLA, pak potřebuji na jeden lis 2 formy ročně. Celkem je to tedy něco mezi 675 ks GIGA forem se životností 100 000 zdvihů, anebo 1 350 GIGA forem se životností 50 000 zdvih. A za dobu života lisu těch forem bude potřeba 13 500 až 27 000 ks. Když každá váží až 200 tun, je to fakt velké množství železa.
Obr.č. 3 – Odhadovaná roční spotřeba GIGA nástrojů
Otázkou je, jsme na to vůbec připraveni z hlediska tepelného zpracování? To, co platí pro malé formy, bude platit i pro formy velké. Tedy pravidla NADCA 207. A protože CQI-27 pro tlakové slévárny říká, že kdo vyrábí formy pro automobilový průmysl, musí postupovat dle Nadca 207, pak pravidla pro GIGA formy jsou zcela zřejmá.
Potřebujeme tedy docílit rychlost ochlazování 28 C/min od povrchového termočlánku Ts. A protože díly formy váží několik tun, ne několik kg, nemáme na to vybavení. Tedy vakuové pece s odpovídající hmotností a ochlazovací schopností.
Následující obrázek ukazuje vliv charakteristického rozměru vložky, tedy tloušťky, na rychlost ochlazování tělesa, měřeno od Ts. Je vidět, že desku o rozměru 1×1 m a o tloušťce 400 mm z materiálu DIEVAR lze ještě spolehlivě zakalit, aniž bychom měli ve struktuře karbidy, bainit nebo perlit. To vše má zásadní význam pro živostnost formy. Musíme pouze úměrně tomu zvětšit pece a ochlazovací výkon. Je to tedy teoreticky proveditelné.
Obr.č. 4 – CCT diagram kalení oceli DIEVAR
A kolik takových pecí bude potřeba?
Každá forma bude mít minimálně 4 tvarové vložky o rozměru do 1×1 m, a každá taková vložka bude muset být kalena ve vakuové peci a minimálně dvakrát popouštěna, raději ale třikrát. U takto velkých forem si vlastně ani dvě popouštění nedokáži představit, tak raději budeme počítat se třemi.
Bude tedy muset být kaleno a 3x popouštěno 1 350 * 4 = 5 400 ks tvarových vložek o hmotnosti 1 až 5 tun. Každý kalící cyklus bude trvat minimálně 24 hodin, a stejnou dobu bude probíhat pravděpodobně i cyklus popouštěcí.
Obr.č. 5 – Model ohřevu a ochlazování vložky formy na tlakové lití s rozměrem 1000x1000x400 mm
Budeme tedy potřebovat kapacitu 5 400 * 24 Nh = 129 600 Nh pro kalení, a 5 400 * 24 * 3 = 388 800 Nh pro tři popouštění. Při využití pecí na 80% hodinové kapacity máme k dispozici na každou pec kapacitu 365*24*0,8 = 7008 Nh.
Nyní tedy jednoduše vypočteme, že na toto množství vložek pro GIGA formy budeme potřebovat zhruba 18 GIGA pecí pro kalení, a 55 GIGA pecí pro popouštění (Varianta 1). Pece by neměly být zatěžovány více jak na 50% maximální kapacity pece tak, aby byla zachována ochlazovací rychlost 28 C/min
Obr.č. 6 – Odhadovaný počet vakuových GIGA pecí pro produkci 22,5 mil. aut
Pokud tedy budeme myslet na GIGA faktory, GIGA lisy a GIGA formy, musíme myslet i na GIGA vakuové pece. A proč musíme mít jak kalící, tak i popouštěcí pec?
Obr.č. 7 – Jednokomorá vakuová GIGA pec od firmy TAV Vacuum Furnaces na 8 tun, kalící přetlak 15 bar
Z dvaceti let zkušeností provozování vakuových kalíren v CZ jsem si odnesl několik základních poznatků.
- Ať je kalící pec konstruována sebelépe, nikdy nebude pracovat při nízkých popouštěcích teplotách stejně efektivně jako při kalení.
- I když kalící pec je konstruována s konvekčním ohřevem, účinnost transferu tepla při teplotách pod 600 C bude významně omezena nízkou radiační složkou od topení.
- Konvekční turbína a její výkon je u kalící pece omezena potřebou jejího přežití při teplotách austenitizace, tedy nad 1 000 C. I když její použití je limitováno obvykle teplotou 850 C, což zcela pokrývá teplotní rozsah popouštěcích teplot, výkon a účinnost konvekční turbíny bude omezen právě tím, že se má točit do 850 C, a pak ale i přežít teploty ve statickém stavu až do 1350 C.
- Při kalení v jednokomoré vakuové peci můžeme docílit hodnoty spotřeby energie zhruba 1 kWh/kg. Pro popouštění v kalící peci je to ale jen o 10% méně, tedy 0,9 kWh/kg. Pokud budeme popouštět v peci konstruované pro popouštění, pak budeme podstatně efektivnější a můžeme se dostat až na hodnoty 0,3-0,4 kWh/Kg.
- Nikdy neuvažujme o popouštění v peci s retortou, ekonomika popouštění bude automaticky vyžadovat 30% energie navíc, pro ohřev a ochlazování několika tunové retorty.
- Pokud cena za kalící pec je 100%, pak cena za pec popouštěcí bude maximálně 50% této částky. Popouštění v kalící peci je pak ten největší luxus, který si dovolíme, protože bude stát minimálně dvakrát tolik oproti popouštění v peci popouštěcí.
- A poslední argument je ten, že pokud v kalící peci popouštíme, nemůžeme v ní kalit. V tom okamžiku potřeba kalících pecí vzroste na mnohonásobek, a tím i celkové investice.
V našem hypotetickém případě potřebujeme celkovou kapacitu pro zpracování tvarových GIGA vložek 5 400 ks x 96 = 518 400 Nh. Každá vložka H+3T potřebuje 96 hodin kapacity pecí. V tomto případě by tedy vycházelo, že musíme mít ne 18 kalících a 55 popouštěcích pecí, ale 74 čistě kalících pecí (Varianta 2). Ty budou dražší o 57 mil. € oproti kombinaci kalící a popouštěcí pec (odhadem jedna GIGA kalící pec bude stát 2 mil. €, jedna GIGA pec pro popouštění 1 mil. €).
Varianta 1:
Kalící pece 18 * 2 mil. € = 36 mil. €
Popouštěcí pece 55 * 1 = 55 mil. €
Celkem 91 mil. €
Varianta 2:
Kalící pece 74 * 2 mil. € = 148 mil. €
Celkem 148 mil. €
Varianta 3:
Kalící pece 83 * 0,8 mil. € = 66,4 mil. €
Popouštěcí pece 253 * 0,4 mil. € = 101,6 mil. €
Celkem 168 mil. €
Samozřejmě si musíme klást otázku, proč Tesla vykazuje takovou nízkou životnost forem [4]. Trochu mi to připomíná situaci, kdy automobilky řešily životnost 100 000 ks na formách pro bloky motoru. To byl právě důvod pro vznik specifikace Nadca 207. Můj osobní názor je, že je to právě proto, že chybí GIGA pece a plná akceptace specifikace Nadca 207 pro jejich tepelné zpracování.
Můžeme sice formu dělit na více vložek než 4, jenže obvyklé jsou pece jen do 1,5 tuny, tedy do 750 kg vsázky. Na obrázku č. 5 je deska o tloušťce 400 mm, s rozměrem jeden krát jeden metr. Ta váží 3 480 kg. Tzn., že místo jedné vložky bychom museli formu rozdělit na 4,6 vložek o hmotnosti 750 kg. Počet pecí, i když o menším rozměru, by tedy musel být 4,6 x větší než v našem hypotetickém případě. Tedy 83 pecí kalících a 253 pecí popouštěcích (Varianta 3). Tento typ pecí je na trhu v cenách 800 k€ za pec kalící, a 400 k€ za pec popouštěcí. Naše investice se rozrostou na 66 mil. € za pece kalící a 101 mil. € za pece popouštěcí.
Samozřejmě, vše je pouze v teoretické rovině. Investorů do této GIGA vakuové technologie bude více a budou různě lokalizovaní po všech kontinentech. I tak je ale zřejmé, že GIGA casting přináší zcela nové příležitosti, a to nejen pro komerční kalírny, ale především pro výrobce pecí. Na druhé straně ale pokud chceme GIGA factory mít efektivní, musíme vyřešit životnost nástrojů, a tedy i jejich tepelné zpracování.
GIGA formy jsou ale výzvou nejenom pro výrobce oceli, výrobce pecí, výrobce forem, ale i pro samotnou organizaci NADCA. Ta stávající specifikace Nadca 207 byla koncipována na díly forem odhadem do 1 tuny. U GIGA forem se budeme, jak v rozměrech, tak i v hmotnosti pohybovat zcela jinde. Bude nám ta stávající specifikace stačit? Osobně se domnívám, že ne. Je rozdíl mezi testováním vstupního materiálu pro vložky s obvyklou hmotností do 100 kg, a bloky o hmotnosti několika tun. Jak se s tím vypořádat? Stačí nám jeden testovací kupon, anebo jich bude potřeba více? A stačí nám testovat jen okraj dodaného bloku anebo se budeme muset zabývat vlastnostmi bloku uvnitř? A pokud budeme vyrábět vložky o hmotnosti v tunách, můžeme kalit celý blok před obráběním a následně pak obrábět do materiálu o finální tvrdosti, např. 46-48 HRc?
Samozřejmě že ne. Nejdříve musíme tvar vložky vyhrubovat včetně licí dutiny, musíme řádně připravit otvory pro termočlánky, abychom vůbec měli představu, jak rychle chladíme, ale především musíme mít kontrolu nad stavem materiálu před i po kalení v místě, kde mají být jeho funkční vlastnosti. Tedy v licí dutině. To je zcela jiný přístup, než říká Nadca 207, resp. ta v tomto neříká vůbec nic.
A jak se to dá změnit? Každý výrobce nástrojů si může stanovit svá vnitřní pravidla, nad rámec specifikace Nadca 207. Ta mohou být jednak detailně rozpracována na případ GIGA forem, a mohou být i přísnější, než říká samotná Nadca 207. a možná někdy v budoucnu i Nadca 207 bude aktualizována i pro tyto typy GIGA nástrojů.
Tak tedy přímo kupředu do GIGA světa GIGA pecí …
[1] https://finlord.cz/2023/09/celosvetove-prodeje-aut-roce-2023/
[2] https://www.cartalk.com/content/recent-economic-downturn-and-less-work-do
[3] https://www.torquenews.com/sites/default/files/images/TOYOTA%20GIGACASTING.jpg
Jiří Stanislav
27. května 2024
