Cementmalningsprocessens nuläge i förhållande till mål

5.1.1 Hur bra är cementmalningsprocessen i förhållande till satta mål avseende kvalitet och kapacitet?

”- Processen uppnår inte ställda krav på tryckhållfasthet i 28-dagars BAS-cement”

Under 2017 försämras centreringen i de båda cementkvarnarna avseende tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement, se tidigare tabell 6. Trots att riktvärdet sänks från 58 till 56 MPa ökar medelvärdet för processen till över 58 MPa, se tidigare figur 4. Under 2016 uppnådde processen nästan ett kapabilitetsindex på 1,0 vilket kan jämföras med en process där 0,27% av enheterna sannolikt uppnår ett värde utanför processens toleransgränser (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 292). Kapabilitetsindex för processen försämras under 2017 till ett värde där 4,6% av enheterna kommer att avvika från ställda krav på tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement, se tidigare tabell 6. I denna försämring har inte hänsyn tagits till att processen dessutom kraftigt avviker från sitt målvärde. En process med samma värde som under 2017 och som tillåts variera upp till 1,5 standardavvikelser från sitt målvärde innebär en process där över 30% av de producerade enheterna inte uppfyller ställda krav på tryckhållfasthet (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 292). Processens kvalitet i relation till krav på kapabilitetsindex för processer som motsvarar maximalt 0,006% defekta enheter, är således långt ifrån bra (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 292). Processens kvalitet i relation till de mål som sätts på tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement +/- 4 MPa är inte bra. Av styrdiagrammet över tryckhållfasthet i 28-dagars BAS-cement, figur 4, framstår en process som inte är i statistisk jämvikt, trender kan urskiljas och flera värden både över och under fastställda larmgränser på +/- 4 MPa. Dessa larmgränser gäller såsom krav som är reglerade i kontrakt med fabrikens kunder och kan därmed tolkas som processens

toleransgränser. Med den standardavvikelse som uppmätts under 2017 som ökat från 1,4 till 1,9 MPa skulle styrgränserna för processen hamna utanför satta toleransgränser. Vid

tillämpning av de gränser som gäller för styrdiagram där sannolikheten för falskt larm är liten skulle styrgränserna för aktuell process vara placerade +/- 6 MPa, alltså +/- 2 MPa utanför nuvarande larmgränser. Det blir således uppenbart att fabriken ställer mycket hårda krav på sin process utan att resultatet av dessa krav avspeglas i det studerade materialet. Även då principen om tre standardavvikelser från centrallinjen tillämpas för val av styrgränser skulle processen inte uppnå de förväntningar som ställs på en stabil process (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 256). Processen ger indikationer på ett stort antal

urskiljbara orsaker till variation, figur 4. Det bör poängteras att verktyget för styrdiagram inte fyller sin funktion i studerad process. För att syftet ska uppnås skulle

standardavvikelsen för processen behöva begränsas till ett värde lägre än 1,33 MPa för att kunna fungera som en gräns där sannolikheten att processen inte ska ge larm i onödan är ca 0,3% av fallen (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 256). Sett utifrån ett förbättringsperspektiv framstår ett relativt stort gap till målet för en stabil process. I sammanhanget noteras en standardavvikelse under 2016 på 1,4 MPa, tabell 6. Med denna standardavvikelse skulle processens styrgränser hamna på +/- 4,2 MPa från processens målvärde, vilket är mycket nära de nuvarande larmgränser som gäller enligt kontrakt med kund. Då processen studeras över 2016 framstår processen något mer stabil jämfört med 2017, trots att urskiljbar

”- Processen uppnår inte ställda krav på bindetid i BAS-cement”

Kapabilitetsindex för bindetiden i BAS-cement försämras från 0,77 till 0,67 mellan 2016 och 2017, se tidigare tabell 7. Index på 0,67 kan jämföras med en process där 4,6% av de producerade enheterna kommer att hamna utanför ställda krav (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 292). Jämfört med det krav som allmänt gäller för processer på maximalt 0,006% defekta enheter framstår en process med mycket dålig kapabilitet (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 292). Processens kvalitet i relation till målet att bindetiden får maximalt avvika +/- 30 minuter från sitt medelvärde är inte bra.

Styrdiagrammet, figur 5, avbildar en process som under de tre första kvartalen 2016 är stabil med drag av korttidsvariation. Standardavvikelsen uppgår under året till 13 minuter. Under oktober 2016 ges indikation till förändring med stigande medelvärde och runt årsskiftet uppstår flera mätvärden utanför ställt krav på processens medelvärde +30

minuter. Processen visar nu tecken på urskiljbar variation och har utvecklat ett tillstånd som inte är i statistisk jämvikt. Vid upprättandet av aktuellt styrdiagram, figur 5, gäller gränser på +/- 30 minuter såsom toleransgränser eftersom dessa motsvarar ställda produktkrav. Precis som de produktkrav som ställs på tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement är produktkravet för bindetid mycket hårt ställda och skulle hamna innanför processens styrgränser då principen om tre standardavvikelser från medelvärdet tillämpas (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 256). Värdet med styrdiagram som ett sätt att styra processen uppfylls på så vis inte men diagrammet ger trots detta stöd för att konstatera att processen varierar på grund av urskiljbara orsaker. För att syftet med styrdiagram ska uppnås skulle

standardavvikelsen för processen behöva begränsas till ett värde lägre än 10 minuter. Utifrån detta sett att se behöver processen förbättras avsevärt.

”- Det finns utrymme för en kapacitetsökning i processen”

Genom att studera hur kapaciteten i de båda cementkvarnarna rör sig över tid i förhållande till varandra ges bilden av två likvärdiga cementkvarnar, se tidigare figur 6. Kapaciteten i cementkvarn 1 uppvisar högre kapacitet under längre perioder jämfört med cementkvarn 2 men rörelsemönstret är tämligen parallellt. När kapaciteten ökar i cementkvarn 1 så ökar även kapaciteten i cementkvarn 2 och vice versa. Detta skulle tala för att både

driftsinställningar såväl som andra påverkande faktorer är samma för de båda kvarnarna. I sammanhanget bör det påtalas att kapaciteten även relaterar till den tillfälliga efterfrågan på cement. Vid låg efterfrågan kan takten på flödet genom processen minskas (Isaksson och Taylor, 2009). Genom att beräkna graden av kvarnutnyttjande för urvalet, så kallat Operational Efficiency, OE, ges indikation på hur väl utrustningens potential utnyttjas. Måttet ges av produkten av cementkvarnens utnyttjande i förhållande till tillgänglighet och mängd mald cement i timmen i förhållande till krav på prestanda (Isaksson och Taylor, 2009). Eftersom urvalet baseras på 100% matning i de båda cementkvarnarna

överensstämmer måttet för kapacitet även med måttet för OE vilket får anses högt. Detta ger en bild av att kapaciteten i cementkvarnarna inte beror på att efterfrågan är låg. Mot bakgrund till detta går det att tala om en förbättringspotential i processen.

Produktionen av BAS-cement i cementkvarn 1 uppgår under 2016 till i genomsnitt 105 ton i timmen då ett urval av det studerade materialet analyseras, se tidigare tabell 8. Denna produktion motsvarar en kapacitet på 91% då produktionen jämförs med ett bästa

kapacitetsvärde på 116 ton i timmen. Trots att urvalet uppvisar en hög kapacitet finns trots detta utrymme för ökat kapacitetsutnyttjande. Potentialen i de bägge cementkvarnarna kan uppskattas till drygt 5% vilket motsvarar en ökad produktion med ca 5 ton mer cement i timmen.

Tidigare figur 7 och figur 8, visar hur inställningen av hur fint kvarnarna ska mala påverkar kapaciteten i cementkvarnarna. En analys av hur väl modellen förklarar sambandet mellan respons- och förklaringsvariabeln ger utrymme för att misstänka att partikelstorleken (d50) inte är den enda faktor som påverkar kapaciteten. Andra faktorer så som bland annat den ingående klinkerns kvalitet och kvarnarnas fyllnadsgrad påverkar cementkvarnarnas

kapacitet. Dock förklaras nära hälften av variationen i cementkvarn 1 av sambandsmodellen och nära en femtedel av i cementkvarn 2. Beräkningen av lutningen av det linjära

sambandet i de båda cementkvarnarna talar för i takt med att partikelstorleken (d50) sänks en enhet minskar kapaciteten med ca 3%, se figur 7 och figur 8. När partikelstorleken (d50) under oktober 2016 minskas 1,5 µm, figur 9 och figur 10, minskar samtidigt kapaciteten i de båda cementkvarnarna med 10%, se figur 6. Eftersom förändringen i partikelstorlek (d50) och droppet i kapacitet sker i de båda cementkvarnarna vid samma tidpunkt, går det inte att utesluta påverkan från det ingående råmaterialet, där klinkerns kvalitet är i särskilt fokus för detta arbete.

Av resultatet framgår även att tryckhållfastheten i 28-dagars BAS-cement ökar med 1 MPa under samma period, figur 9 och figur 10 och bindetiden i BAS-cement minskar med 25 minuter, figur 11 och figur 12. Bidrar en minskad partikelstorlek (d50) med 3% återstår att förklara vilka övriga faktorer som påverkar cementkvarnarnas kapacitet.

5.1.2 Hur bra är klinkerns kvalitet?

”- En av fem enheter uppfyller inte ställda krav på kalkmättnadsgrad”

För klinkerns kalkmättnadsgrad har fabriken fastställt ett målvärde på 97 och en undre larmgräns på 95 (Cementfabriken, Driftsförutsättningar standardklinker, 11 maj 2018). Trots detta avviker processens medelvärde från målvärdet med över en kalkmättnadsgrad, se tidigare tabell 10. Statistiken ger en bild av att klinkerns kalkmättnadsgrad snarare styrs mot en nivå på 98. För att en process med detta målvärde ska uppnå kraven för en stabil process får kalkmättnadsgraden inte överskrida fastställda styrgränser (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 252). Detta villkor skapar ett mycket begränsat utrymme för klinkerns kalkmättnadsgrad att variera vilket skulle kräva att processen förbättras så att klinkerns kalkmättnadsgrad styrs mot att maximalt variera två grader över och under målvärdet. Under 2016 uppnådde processen ett kapabilitetsindex på 0,54 och detta index försämras ytterligare under 2017 till 0,41, se tidigare tabell 11. Genom en utvidgning av Bergman och Klefsjös (2012, s. 292) tabell för värden på kapabilitetsindex Cp och andel defekta enheter med rätt målvärde går det att uppskatta hur stor andel defekta enheter som motsvarar färre än två standardavvikelser från processens genomsnittsvärde och närmsta toleransgräns. Andelen defekta enheter i procent i relation till kapabilitetsindex kan utläsas av figur 20 nedan:

Figur 20: Diagram andel defekta enheter för olika värden på kapabilitetsindex, Cp. Andel defekta enheter för kapabilitetsindex 0,33 respektive 0,50 baseras på egna beräkningar utifrån Bergman och Klefsjö (2012, s. 292).

Diagrammet visar på att ett kapabilitetsindex på 0,41 genererar 23% defekta enheter i termer av klinkerns kalkmättnadsgrad med rätt målvärde. I sannolikhetstermer får detta betraktas som en mycket dålig prestation och kan jämföras med det kravet på 0,006% defekta enheter som allmänt gäller för processer (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 292). Försämringen har tidigare i detta arbete illustrerats med hjälp av normalfördelade kurvor, se tidigare figur 13. Den försämring som dominerar mellan 2016 och 2017 är en klinker vars kalkmättnadsgrad överstiger 100. I sammanhanget bör det påpekas att det låga

kapabilitetsindex som uppmätts baseras på att processen är rätt centrerad. Ett motsvarande värde för en process som tillåts variera upp till 1,5 standardavvikelse från målvärdet kommer att generera ett betydligt sämre värde. Sett utifrån processens förmåga och duglighet framstår en process som är helt utom styrning och kontroll. Under förutsättning att toleransgränserna för detta arbete betraktas som de förväntningar som nästa steg i processen har på ingående material så går det att argumentera för ett inte helt obetydligt förbättringsutrymme. Mot bakgrund till att toleransgränserna för en process är knutna till de krav kunden ställer på en enskild enhet finns utrymme för att belysa att detta inte enbart behöver betyda externa kunder. Bergman och Klefsjös (2012, s. 30) definition av kund är ”de som organisationen vill skapa värde för”, men dessa kunder kan både finnas externt och internt. Ur ett processorienterat perspektiv kan detta också förankras i den amerikanske kvalitetspionjären W. Edwards Demings utvidgade syn på kundbegreppet där han menade att varje person eller steg i en process ska bemötas som en kund och leverera vad som efterfrågas (Liker, 2004/2009, s. 45).

Styrdiagrammet, tidigare figur 14, illustrerar en klinker vars kalkmättnadsgrad under 2016 varierar långsamt. Detta rörelsemönster inleds med mätvärden runt riktvärdet för processen för att sedan långsamt stiga med ett stort antal toppar över kalkmättnadsgrad 100 mellan juni och september 2016. Från och med oktober 2016 vänder trenden neråt med mätvärden runt processens riktvärde på kalkmättnadsgrad 97. Under oktober 2016 tenderar mönstret variera mer kortsiktigt med ett medelvärde nära kalkmättnadsgrad 98. Om de principer som gäller för valet av styrgränser i styrdiagram skulle tillämpas för en styrning av klinkerns kalkmättnadsgrad skulle standardavvikelsen för processen behöva begränsas till 0,67 för att säkerställa att processen inte larmar i onödan i mer än 0,3% av fallen (Bergman och

Klefsjö, 2012, s. 256). Den övre styrgränsen skulle således hamna vid 99,5 och den undre 95,5. Processens kapabilitetsindex, Cp, skulle med dessa resultat uppgå till 1,25 vilket skulle betyda ca 4% defekta enheter med rätt målvärde, se ovan figur 20. Sett utifrån en jämförelse mellan en process utan styrgränser och en process som styrs utifrån principerna för styrdiagram visualiseras inte bara processens duglighet, utan även nyttan med att i ett tidigt skede upptäcka och eliminera förändringar som beror på urskiljbara orsaker

(Bergman och Klefsjö, 2012, s. 252). Det som kan utläsas av styrdiagrammet, figur 14, är att antalet urskiljbara orsaker till variation tycks öka 2017. Detta mönster kännetecknas av bland annat ett stort antal dippar och toppar där kalkmättnadsgraden tangerar och

överskrider sitt undre och övre riktvärde. Mönstret förstärks genom analys av urvalets data där standardavvikelsen ökar från 1,5 till 2,0 mellan 2016 och 2017, se tidigare tabell 10. Utifrån ovanstående iakttagelser går det att tala för att processen för klinkerns

kalkmättnadsgrad är långt ifrån statistisk jämvikt och att förändringar i processen beror på urskiljbara orsaker. Genom att analysera studerat material ger användningen av

kapabilitetsindex stöd för att bedöma att processens förmåga att producera enheter inom satta toleransgränser som mycket låg. En beräkning av eventuella förluster på grund av processens låga kapabilitet ligger utanför ramarna för detta arbete, det kan dock konstateras att klinker vars kalkmättnadsgrad inte håller sig innanför ställda krav påverkar både

cementkvarnarnas kapacitet och det färdiga cementets kvalitet.

5.1.3 Hur påverkar klinkerns kvalitet cementmalningsprocessens kvalitet och kapacitet?

”- När klinkerns kalkmättnadsgrad ökar påverkas det färdiga cementets kvalitetsegenskaper positivt”

För att bemöta aktuell frågeställning krävs ett teoretiskt resonemang vilken utgår från kunskapen om hur klinkerns olika mineraler ger det färdiga cementet dess rätta egenskaper. När andelen alit C3S ökar i den klinker som används vid cementtillverkning så ökar också tryckhållfastheten och en hög kalkmättnadsgrad i den ingående klinkern betyder en hög andel alit. En kalkmättnadsgrad över 100 betyder dock att det kalk som inte ombildats till alit kvarstår som fri kalk oavsett hur hårt klinkern bränns (Taylor, 2012). Förhållandet mellan klinkerns kalkmättnadsgrad och andel belit C2S har jämförts med de insamlade mätvärdena, se tidigare figur 18. Ett linjärt samband bekräftar teorin om att en ökad andel alit, vilket samtidigt innebär en låg andel belit, ger en hög kalkmättnadsgrad. Diagrammet, figur 18, indikerar på att en klinker med en kalkmättnadsgrad på 98 består av 6–8% belit. Sambandet enligt modellen är mycket starkt och ger vid handen att då klinkerns

kalkmättnadsgrad ökar en enhet, så minskar andelen belit med 2% vilket i teorin betyder att det färdiga cementets tryckhållfasthet ökar.

När andelen alit ökar med 10% ökar samtidigt tryckhållfastheten i 28-dagars ISO-CEN cement, med ungefär 5 MPa (Taylor, 2012).

Den bild som ges då tryckhållfastheten i 28-dagars BAS-cementets rörelse studeras i förhållande till klinkerns kalkmättnadsgrad, se tidigare figur 16, är ett motsatt förhållande under början av 2016 då medelvärdet för klinkerns kalkmättnadsgrad sjunker samtidigt som tryckhållfastheten i 28-dagars BAS-cement tycks öka. Efter halvårsskiftet tenderar dock processerna att röra sig något mera parallellt. Det vill säga att då klinkerns

kalkmättnadsgrad minskar så minskar även tryckhållfastheten, figur 16. Det ska noteras att de båda processerna inte är synkroniserade i tid med varandra. Den klinker vars

kalkmättningsgrad uppmäts vid en specifik tidpunkt kan inte samtidigt korrespondera med mätvärden av de produktkontroller som tas över det färdiga BAS-cementets kvalitet. Tillämpas en grov justering där medelvärdet för den kalkmättnadsgrad visar sig i det färdiga cementets tryckhållfasthet först efter en månad går det att tolka en relation mellan en sänkning i kalkmättnadsgrad ger en ökning i tryckhållfasthet. Under december 2016 ökar kalkmättnadsgraden i klinkern från ca 96,5 till 97,5. Jämförs denna ökning med de produktkontroller som tas på det färdiga BAS-cementet vid 28-dagar under januari 2017 så ökar tryckhållfastheten från 57 till 61 MPa. Under januari 2017 sjunker åter

kalkmättnadsgraden i klinkern från en nivå på ca 97,5 vilket kan jämföras med att de produktkontroller som tas en månad senare sjunker, se figur 16. Trots att denna grova justering måste tolkas försiktigt visar diagrammet tydligt på trender med toppar och dalar i de båda processerna. Samma mönster kan undersökas mellan BAS-cementets bindetid och klinkerns kalkmättnadsgrad, figur 17. Dessa två parametrar tycks även relatera till varandra i större utsträckning. Det vill säga när klinkerns kalkmättnadsgrad ökar så minskar

bindetiden. I likhet med tryckhållfasthetens relation till klinkerns kalkmättnadsgrad så uppvisas en mer markant relation mellan klinkerns kalkmättnadsgrad och det färdiga cementets bindetid vid halvårsskiftet 2016. Studerat material talar således om en relation mellan kvaliteten i klinkern och det färdiga cementets kvalitetsegenskaper.

”- Klinkerns kalkmättnadsgrad påverkar processens kapacitet både direkt och indirekt”

Från teorin står det klart att storleken på partiklarna i det färdiga cementet är ett resultat av de ingående råvarornas malbarhet där bland annat den ingående klinkerns hårdhet har en avgörande roll (Taylor, 2012). Utifrån detta kan klinkerns roll för cementkvarnarnas

kapacitet ses på två olika sätt. För det första går det att se att råvarornas malbarhet påverkar cementkvarnarnas kapacitet, där klinkern får betraktas ha betydelse. För det andra påverkas kapaciteten av en justerad partikelstorlek (d50), vilken kan förstås som ett sätt att styra det färdiga cementets kvalitet. Vid början av 2017 justeras partikelstorleken (d50) kraftigt ned för att förkorta bindetiden, se tidigare figur 11 och figur 12. Följden av detta blir ett tapp i cementkvarnarnas kapacitet, se tidigare figur 6. Detta ger vid handen att den ingående klinkerns kvalitet direkt påverkar malbarheten i cementkvarnen och indirekt

cementkvarnens reducerade kapacitet till följd av behovet av att styra det färdiga cementets kvalitet. Från den tumregel från cementindustrin som hänvisats till tidigare i detta arbete, gäller att då andelen belit C2S ökar så minskar samtidigt kapaciteten i cementkvarnen med motsvarande andel, det vill säga: + belit, C2S = -1% kapacitet (Personlig kommunikation Taylor, N., 1 maj 2018).

Genom att angripa insamlade mätvärden från processerna ur ett teoretiskt perspektiv kan effekter på cementkvarnarnas kapacitet diskuterats. Sambandsdiagram har visat en linjär korrelation mellan klinkerns kalkmättnadsgrad och andel belit C2S, se tidigare figur 18. När andelen belit minskar i klinkern så ökar klinkerns kalkmättnadsgrad. Därmed är klinkerns kalkmättnadsgrad viktig för det färdiga cementets kvalitetsegenskaper eftersom en hög andel belit är en klinker som måste malas finare för att cementets kvalitetsegenskaper inte ska påverkas negativt. En klinker som måste malas finare leder till en minskad kapacitet i cementkvarnarna. En låg kalkmättnadsgrad påverkar således både cementkvarnens

kapacitet genom en mer svårmald klinker och indirekt då cementkvarnen måste mala finare för att det färdiga cementets kvalitetsegenskaper inte ska påverkas negativt.

Vad som framkommit tidigare i detta arbete är att kapaciteten i cementkvarnarna sjunker med 10% under oktober månad, se tidigare figur 6. Relationen mellan den ingående klinkern och cementmalningsprocessen skulle kunna förklaras på så sätt att när klinkerns kalkmättnadsgrad sjunker ökar samtidigt andelen belit C2S. Detta försämrar klinkerns malbarhet och leder till minskad kapacitet. Ytterligare stöd för denna relation ges av figur 15 där en låg kalkmättnadsgrad sammanfaller med en mycket låg kapacitet vid årsskiftet 2016/2017. Vad som även illustrerats tidigare i detta arbete är en trend i ökad bindetid som toppar med flera värden över processens övre gräns på 184 minuter under december 2016. Denna trend vänder i samband med årsskiftet med långsamt minskad bindetid, se figur 5. Då ett glidande medelvärde över klinkerns kalkmättnadsgrad studeras, se tidigare figur 15, synliggörs en variation med kortare intervall mellan det andra och tredje kvartalet 2017. Medelvärdet för klinkerns kalkmättnadsgrad under denna period är 98,7. Kapaciteten i de båda cementkvarnarna uppnår under samma tidpunkt 93% vilket motsvarar 108 ton cement i timmen. Tryckhållfastheten i 28-dagars BAS-cement ligger på 57,5 MPa vilket är nära målvärde och bindetiden runt 157 minuter är lite över medel på årsbasis. För värden på tryckhållfasthet och bindetid se tabell 6 och tabell 7. Dessa värden kan uppfattas som eftersträvansvärda men vad dessa resultat inte berättar är en ökad variation och spridning i klinkerns kalkmättnadsgrad, i det färdiga BAS-cementets tryckhållfasthet vid 28-dagar och cementets bindetid, se figur 14, figur 4 och figur 5.