Víme kolik potřebujeme energie na tepelné zpracování?

Jak je to vlastně s těmi energiemi v kalírně? Víme vůbec, kolik spotřebujeme energie na 1 hodinu chodu pece anebo na 1 kg zpracovaného množství? Víme, jak se chovají pece, jak se od sebe odlišují, a jak vybrat zdroj zpracování tak, abychom měli optimální nebo minimální náklady na energii?  Nebo je to je jedno?

Abychom si vyjasnili terminologii, jedná se o velice zjednodušený pohled vycházející z toho, že známe čas cyklu a známe celkovou spotřebu energie cyklu v kWh. Ať se již jedná o zemní plyn nebo o elektrickou energii. Čas cyklu je počítán od START procesu do STOP procesu. Prostým podílem celkové spotřeby energie za cyklus od START do STOP a časem cyklu dostáváme průměrnou hodinovou spotřebu pece, bez ohledu na to, že v některých fázích cyklu je spotřeba větší a v jiných menší. Neřešíme tedy spotřebu během vakuování pece, vytopení pece se vsázkou na teplotu, spotřebu v rámci prodlev na teplotě nebo spotřebu při kalení danou příkonem ventilátoru, topením oleje nebo vířiči olejové lázně. Je to tedy orientační údaj, kolik na průměrně udržované pece průměrně musíme během každé hodiny cyklu dodat energie tak, aby cyklus technologicky proběhnul.

Protože současně je známa i velikost vsázky v kg, bez roštů, pak jsme schopni vypočítat i spotřebu energie na 1 kg zboží zpracovávaného v peci.

Udělal jsem si takovou malou analýzu procesů a jejich spotřeb. Do této analýzy jsem zahrnul stovky pecních cyklů, jejichž data jsem měl k dispozici. Cílem bylo porovnat jednotlivé typy pecí a jednotlivé typy procesů.

A jaký je výsledek?

Obr.č.1 – Porovnání spotřeby energie v kW na 1 kg zpracovaného materiálu

Vysvětlivky :

• SQ – Víceúčelové pece
• V – Vakuové pece
• C+H<1,5 mm – cementace v plynu s CHD <1,5 mm, typické pece SQ velikost 7 nebo 8
• C+H<1,0 mm – cementace v plynu s CHD <1,0 mm, typické pece SQ velikost 7 nebo 8
• AH – Kalení pod ochrannou atmosférou v SQ pecích, typické pece SQ velikost 7 nebo 8
• CN – Nitrocementace v plynu s CHD < 0,5 mm, typické pece SQ velikost 7 nebo 8
• AT – Popouštění bez nebo s ochrannou atmosférou, typické komorové pece velikost 7 nebo 8
• VH – Vakuové kalení v různých vakuových pecí s typickým rozměrem 600x900x600 mm
• VT – Vakuové popouštění v různých vakuových pecích s přímým ohřevem a s typickým rozměrem 600x900x600 mm

Logicky nejvyšší energetické náklady jsou na procesy vyžadující dlouhé časy. Jedná se o cementaci nebo o nitrocementaci. Z obrázku č. 1 je vidět, že 2,54 kWh/kg připadá na cementaci s CHD < 1,5 mm. Následuje cementace do CHD < 1,0 mm a nitrocementace s hloubkami do 0,5 mm. Pro přímé kalení ve víceúčelových pecí potřebujeme zhruba 1 kWh na 1 kg zboží.

Je zde i několik zajímavých výsledků, které jsou sice logické, ale v praxi ne každý si jich všimne. Například kalení ve vakuu spotřebuje 2x více energie na 1 kg vsázky než víceúčelové kalení. Proč? U víceúčelového kalení zavážíme do pece vytopené na minimálně 750 C, u vakuové pece začínáme vždy od nuly. Z tohoto pohledu, pokud mámě SQ pece stále natopené, je tento typ kalení podstatně méně energeticky náročný v přepočtu na 1 kg vsázky.

Naopak je potřeba se zamyslet nad koncepcí vakuových pecí. Abychom se totiž dostali na úroveň energetické náročnosti SQ pecí, musíme přemýšlet o minimálně dvoukomorovém řešení.

Obr. č. 2 – Příklad jednokomorové a dvoukomorové vakuové pece Ipsen

U vakua naopak vychází lépe energetická spotřeba popouštěcích pecí. Rozdíl je téměř 24% oproti pecím na víceúčelové lince. Důvod je zcela jistě v koncepci pece a v použitých izolačních materiálech.

Co je ale překvapivé, energetická náročnost pecí pro popouštění AT (Atmosphere tempering) vychází téměř stejně jako pro pece pro kalení v ochranné atmosféře AH (Atmosphere hardening). Proč? Nelehká odpověď a nelze ji zodpovědět bez detailního zkoumání cyklů.

Je ale pravdou, že do této analýzy jsem mohl brát jen pece, které jsou k dispozici, a ty jsou obvykle 10 let a více let staré. Technika ale pokračuje rychle dopředu, a tedy izolace pecí se bude zcela jistě zlepšovat. I přesto je to výsledek k zamyšlení.

Obr.č. 3 – Porovnání vakuových kalících pecí s TAV H8-S

Příklad vlivu nové koncepce pecí je na dalším obrázku. Zde jsem porovnával 7 typů různých vakuových  kalících pecí s nově instalovanou pecí H8-S od TAV Vacuum Furnaces. Je pro mne překvapením, že tato pec má o 32,5% nižší spotřebu na jednotku hmotnosti vsázky než pece ostatní.

V posledním sloupci grafu je pak údaj o spotřebě energie v kalící peci, pokud v ní popouštíme. Spotřeba je sice o 32% nižší jak při kalení (Obr. č.  3), současně ale o 38% vyšší (Obr.č. 4), než kdybychom popouštěli ve vakuové popouštěcí peci. K tomu musíme ještě ale vzít v úvahu, že čas popouštění v kalící peci bude o 20 až 30% delší, než kdybychom stejný proces prováděli v peci k tomu určené, tedy ve vakuové popouštěcí peci s přímým ohřevem.

Obr.č. 4 – Porovnání popouštěcích pecí s TAV H6-T

Co z toho vyplývá?

• Každá pec, jak pro kalení, cementaci, nebo pro popouštění a žíhání vykazuje zcela individuální hodnoty. Tyto hodnoty nemusí být vůbec optimální.
• Z hlediska spotřeby budou pece rozdílné dle koncepce pece, a dle kvality a stavu izolace. I proto nová zařízení, s lepšími izolačními materiály  budou mít lepší předpoklady pro snížení spotřeby než zařízení starší.
• Protože pece se dnes odepisují na 20 let, je otázkou, jestli kratší doba odpisu by nebyla řešením. Za 20 let se jedná o skokovou změnu v inovacích a dle mého skromného odhadu pec po 20 letech činnosti již nemůže odpovídat požadavkům dnešní doby na spotřebu energie
• Abychom to zjistili, musíme měřit spotřebovanou energii. Ať již v zemním plynu, nebo v elektrice
• Pro výše uvedený výpočet potřebujeme jednoznačnou vazbu mezi spotřebou energie a hmotností vsázky. To nelze provést bez toho, že by náš ERP systém nedokázal registrovat cykly, nevykazoval celkovou hmotnost vsázky jako součet všech hmotností výrobních objednávej ve vsázce, a současně nebyl schopen přiřadit výsledek o spotřebě z měření zemního plynu a elektriky k ID cyklu v ERP systému.
• Podle Janusze Kowalewskeho z Ipsen USA bude trendem pro letošní rok vakuové pájení hliníkových chladičů pro e-mobilitu, velké vakuové pece pro letecký průmysl nebo pro energetiku, a malé vakuové pece pro zpracování výstupů z 3D tisku nebo pro lékařské účely. Neregistruji již LPC ani odklon od atmosférických pecí směrem k vakuu, vyjma nitridačních procesů.
• Z výše uvedených výsledků je ale asi potřeba k těmto trendům přidat i vícekomorové vakuové pece, jelikož je to jedna z mála cest, jak snížit energetické náklady vakuového tepelného zpracování vynaložené na 1kg zboží na úroveň víceúčelového kalení.
• Je potřeba se i zamyslet nad tím, jestli by pro tak vysoce energetická zařízení jako jsou pece pro tepelné zpracování neměla existovat nějaká klasifikace náročnosti spotřeby energie, tak jak to dnes známe, když si koupíme ledničku, pračku apod. Vzhledem k pořizovacím hodnotám by to byla jistě zajímavá informace pro zákazníky a investory, nehledě na to, že se blíží doba, kdy budeme v kalírnách muset auditovat naši uhlíkovou stopu

15. února 2022

Jiří Stanislav