Kapacitetsökning i cementmalning

Augusti 2018

Kapacitetsökning i cementmalning

Klinkerns roll ur ett förbättringsperspektiv

Malin Wahlberg

Kandidatprogram i ledarskap – kvalitet – förbättring

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Capacity increase in cement milling - the role of

clinker from an improvement perspective

Malin Wahlberg

The purpose of this thesis has been to identify the potential for increased capacity in a cement milling process. A particular attention has been put towards the quality of the clinker used and its impact on both the milling capacity and the quality of the final product.

The study has been conducted through a combination of quantitative and

qualitative methods for data collection and analysis. All data has been provided by a reference organization and covers a large amount of statistics. Total Quality Management, process improvements and cement production are the main theories which are covered in the study.

The conclusions drawn from the completed study are that none of the studied processes meet their requirements. The milling process is not predictable and is characterized by large undesirable variation and poor location of Key Performance Indicators. These findings are even more significant in terms of the clinker used. Causes of variation in the quality of the clinker can be explained by raw mill variation and by variation of the fuel ash content. Different approaches to defining quality within the organization have also been identified as a source of undesirable variation. The improvement potential in the cement milling process has been estimated at 5%, which is equivalent to a production increase of 5 tons of cement per hour.

Key words: capacity, quality, total quality management, process improvement, variation.

TVE - LKF 18 030 Examinator: Klas Palm

Sammanfattning

Syftet med detta examensarbete har varit att identifiera potentialen för en ökad kapacitet i en cementmalningsprocess. Särskild uppmärksamhet har tillägnats den ingående klinkerns kvalitet och dess påverkan på cementkvarnarnas kapacitet och det färdiga cementets kvalitetsegenskaper.

Studien har genomförts genom en kombination av kvantitativa och kvalitativa metoder för datainsamling och analys. Datamaterialet har tillhandahållits av en referensorganisation och omfattat en stor mängd statistik från de processer som varit relevanta för undersökningen. Offensiv kvalitetsutveckling, processförbättring och cementproduktion är de huvudsakliga teorier som arbetet utgått ifrån.

De slutsatser som dras utifrån genomförd studie är att ingen av de studerade processerna uppfyller ställda krav. Cementmalningsprocessen är inte i statistisk jämnvikt och

karaktäriseras av stor oönskad variation med målvärden som avviker från medelvärde. Dessa fynd är ännu mer signifikanta då den ingående klinkerns kvalitet studeras. Orsaker till variation i klinkerns kvalitet kan förklaras av råmjölets variation och variation av andelen aska i bränslet. Olika perspektiv på hur kvalitetsbegreppet definieras inom organisationen har också identifierats som en källa till oönskad variation.

Förbättringspotentialen i cementmalningsprocessen har uppskattats till 5% vilket motsvaras av en produktionsökning med 5 ton cement i timmen.

Förord

Jag vill rikta ett stort tack till Cementfabriken vars samarbete gjort denna uppsats möjlig. Särskilt stort tack till examensarbetets handledare vid fabriken som bidragit med

engagemang, tid, kunskap och erfarenhet. Utan detta och utan allt det material som projektet grundar sig på hade projektet inte varit möjligt att genomföra.

Jag vill också rikta ett stort tack till min ämnesgranskare Raine Isaksson som bidragit med stöd genom hela processen och därtill varit en stor källa för kunskap och inspiration. Basel, juni

Innehållsförteckning

1.

Introduktion ... 1

1.1 Inledning... 1

1.2 Problembeskrivning ... 1

1.3 Syfte och frågeställningar ... 2

1.4 Avgränsningar ... 2

1.5 Antaganden ... 2

1.6 Begränsningar ... 2

2.

Teori ... 3

2.1 Teoretisk bakgrund ... 3

2.1.1 Cementmalningsprocessen sett ur ett systemperspektiv... 3

2.1.2 Klinkerns roll vid cementtillverkning ... 6

2.2 Tekniska begrepp ... 7 2.2.1 Medelpartikelstorlek, d50 ... 7 2.2.2 Tryckhållfasthet ... 7 2.2.3 Bindetid ... 7 2.2.4 Klinker ... 7 2.2.5 Klinkerns kalkmättnadsgrad ... 7 2.3 Analysverktyg ... 8 2.3.1 Beskrivande statistik... 8 2.3.2 Kapabilitetsindex... 8 2.3.3 Styrdiagram ... 8 2.3.4 Regression ... 9 2.3.5 Orsaks-verkan-diagram ... 9

3.

Metod ...10

3.4 Validitet och reliabilitet ... 13

3.5 Etiska ställningstaganden ... 13

3.6 Metoddiskussion ... 14

4.

Resultat ...15

4.1 Processens kvalitet i relation till mål ... 15

4.1.1 Beskrivande statistik tryckhållfasthet och bindetid ... 15

4.1.2 Styrdiagram tryckhållfasthet och bindetid ... 16

4.2 Processens kapacitet i relation till mål ... 18

4.2.1 Beskrivande statistik över cementkvarnarnas kapacitet ... 18

4.2.2 Linjediagram cementkvarnarnas kapacitet ... 19

4.2.3 Samband mellan partikelstorlek (d50) och kapacitet ... 20

4.2.4 Linjediagram partikelstorlek (d50) och tryckhållfasthet ... 22

4.3 Klinkerns kalkmättnadsgrad i relation till mål ... 26

4.3.1 Beskrivande statistik över klinkerns kalkmättnadsgrad ... 26

4.3.2 Styrdiagram klinkerns kalkmättnadsgrad ... 27

4.3.3 Linjediagram klinkerns kalkmättnadsgrad och kapacitet ... 28

4.4 Klinkerns påverkan på cementmalningsprocessens kvalitet ... 29

4.5 Beskrivning av klinkerns teoretiska påverkan på cementkvarnarnas kapacitet ... 31

4.6 Orsaker till variation i klinkerns kalkmättnadsgrad ... 32

5.

Analys ...35

5.1 Cementmalningsprocessens nuläge i förhållande till mål ... 35

5.1.1 Hur bra är cementmalningsprocessen i förhållande till satta mål avseende kvalitet och kapacitet? ... 35

5.1.2 Hur bra är klinkerns kvalitet? ... 37

5.1.3 Hur påverkar klinkerns kvalitet cementmalningsprocessens kvalitet och kapacitet? ... 39

5.2 Vilka orsaker kan förklara klinkerkvalitetens variation? ... 41

5.3 Vilka effekter kan en optimering av ingående klinker ha vid cementtillverkning och hur påverkar en ökad kapacitet i cementkvarnen tillverkningskostnaderna och bruttomarginalen? ... 43

6.

Diskussion ...44

7.

Slutsatser ...46

7.1 Hur kan cementmalningsprocessens nuläge beskrivas i förhållande till mål? 46 7.1.1 Hur bra är cementmalningsprocessen i förhållande till satta mål avseende kvalitet och kapacitet? ... 46

7.1.2 Hur bra är klinkerns kvalitet? ... 47

7.1.3 Hur påverkar klinkerns kvalitet cementmalningsprocessens kvalitet och kapacitet? ... 47

7.2 Vilka orsaker kan förklara klinkerkvalitetens variation? ... 48

7.3 Vilka effekter kan en optimering av ingående klinker ha vid cementtillverkning och hur påverkar en ökad kapacitet i cementkvarnen tillverkningskostnaderna och bruttomarginalen? ... 48

8.

Förslag på fortsatt forskning/arbete ...49

Referenser ...50

Bilaga 1, Orsaks-verkan-diagram ...52

Tabellförteckning

Tabell 1 Sammanställning av insamlat datamaterial relevant för undersökningen. ... 11 Tabell 2 Sammanställning över hur datamaterialet har sorterats och bearbetats. ... 11 Tabell 3 Beskrivning av analysprocessen för arbetet. ... 12 Tabell 4 Beskrivande statistik över kvalitetsegenskaper cementkvarn 1, baserade på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 15

Tabell 5 Beskrivande statistik över kvalitetsegenskaper cementkvarn 2, baserade på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 15

Tabell 6 Processens kapabilitet tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement, baserat på

egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 16

Tabell 7 Processens kapabilitet bindetid i BAS-cement, baserat på egna beräkningar

utifrån data från Cementfabriken. ... 17

Tabell 8 Kapacitet cementkvarn 1 för BAS-cement med önskvärd kvalitet, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 18

Tabell 9 Kapacitet cementkvarn 2 för BAS-cement med önskvärd kvalitet, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 18

Tabell 10 Beskrivande statistik över klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8, baserat

på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 26

Tabell 11 Processens kapabilitet kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 26

Figurförteckning

Figur 1: Specifik processbaserad systemmodell, baserad på Isakssons (2016) allmänna

systemmodell. ... 4

Figur 2: Orsaks-verkan-diagram, baserad på Bergman och Klefsjö (2012). ... 9 Figur 3: Design av studien, egen illustration... 10 Figur 4: Styrdiagram tryckhållfasthet 28-dagars BAS-cement, baserat på egna beräkningar

utifrån data från Cementfabriken. ... 16

Figur 5: Styrdiagram bindetid BAS-cement, baserat på egna beräkningar utifrån data från

Cementfabriken. ... 17

Figur 6: Linjediagram över cementkvarnarnas kapacitet vid produktion av BAS-cement,

baserat på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 19

Figur 7: Enkel linjär regression kapacitet och partikelstorlek (d50) i cementkvarn 1, baserat

på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 20

Figur 8: Enkel linjär regression kapacitet och partikelstorlek (d50) i cementkvarn 2, baserat

på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 21

Figur 9: Linjediagram partikelstorlek (d50) och tryckhållfasthet cementkvarn 1, baserat på

egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 22

Figur 10: Linjediagram partikelstorlek (d50) och tryckhållfasthet cementkvarn 2, baserat på

egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 23

Figur 11: Linjediagram partikelstorlek (d50) och bindetid i cementkvarn 1, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 24

Figur 12: Linjediagram partikelstorlek (d50) och bindetid i cementkvarn 2, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 25

Figur 13: Normalfördelningskurva för 2016 och 2017 över klinkerns kalkmättnadsgrad U8,

baserat på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 26

Figur 14: Styrdiagram klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 27

Figur 15: Linjediagram kapacitet och klinkerns kalkmättnadsgrad, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 28

Figur 16: Linjediagram med glidande medelvärde med tryckhållfasthet 28-dagars

BAS-cement och kalkmättnadsgrad, baserat på egna beräkningar utifrån data från

Cementfabriken. ... 29

Figur 17: Linjediagram med glidande medelvärde mellan bindetid BAS-cement och

kalkmättnadsgrad som presenteras på fallande skala, baserat på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken... 30

Figur 18: Sambandsdiagram klinkerns kalkmättnadsgrad och andel belit, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken. ... 31

Figur 19: Linjediagram med glidande medelvärde över kalkmättnadsgrad råmjöl och

klinker, baserat på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken... 33

Figur 20: Diagram andel defekta enheter för olika värden på kapabilitetsindex, Cp. Andel

1.

I Sverige finns kapacitet att producera 3,4 miljoner ton cement per år och runt hälften går till betongtillverkning och användningsområden inom bygg- och anläggningsbranschen nationellt. Runt hälften av den totala produktionen går på export. Svensk

cementframställning sker i Slite på Gotland, Skövde och Degerhamn på Öland, platser där det finns tillgång till kalksten. På dessa tre platser bedrivs verksamhet som spänner från brytning av kalksten vid kalkstenstäkt till färdig cement klar för utlastning till båt eller bil. Idag tillhör cementindustrin kategorin högteknologiska företag och anläggningen i Slite är en av Europas mest moderna med ett avancerat mätnings- och övervakningssystem. Fabriken har kapacitet att producera 2,5 miljoner ton cement per år (Cementfabriken, 2015).

Tillverkningsprocessen består av ett flertal steg som börjar med brytning av kalksten vid täkten, för att övergå till framställning av råmjöl, framställning av klinker, cementmalning och avslutningsvis utlastning för transport (Burström, 2001, s. 208). Utöver tillgång till råmaterial erfordras en stor mängd energi av olika energislag och som industri är

cementtillverkning ytterst bränslekrävande (Åberg, 1972, s. 97). Ytterligare en faktor som industrin karaktäriseras av är att den förbränning som sker i samband med

klinkertillverkningen är en stor källa för koldioxidutsläpp. Detta sker när kalkstenen bränns vilket frigör koldioxid (Brandt och Gröndal, 2005, s. 35).

1.2 Problembeskrivning

Cementmalningsprocessen är den del av tillverkningsprocessen där den brända klinkern mals tillsammans med gips och olika tillsatser beroende på vilken slags cement som tillverkas. Resultatet av cementmalningsprocessen är den färdigmalda cementen vars viktigaste kvalitetsparametrar kan beskrivas med tryckhållfasthet som mäts i MegaPascal, MPa, och bindetid som mäts i minuter. Tryckhållfasthet såväl som bindetiden kan delvis styras i samband med cementmalningen genom att justera hur fint cementkvarnen ska mala men även genom en avvägning i det ingående råmaterialets andel i relation till varandra (Taylor, 2012).

Med utgångspunkt från ovanstående utgörs problembilden för detta arbete av att kapaciteten i cementkvarnarna främst är ett resultat av en justering av hur fint

cementkvarnarna ska mala. Denna justering är nödvändig för att säkerställa att kraven på de egenskaper som eftersträvas i det färdiga cementets uppnås. Cement som måste malas finare bidrar till en minskad kapacitet. Ett särskilt fokus för detta arbete sätts på den påverkan som den ingående klinkerns kvalitetsegenskaper har på

1.3 Syfte och frågeställningar

Syftet med detta arbete har varit att utifrån ett förbättringsperspektiv beskriva klinkerns roll för cementkvarnarnas kapacitet såväl som klinkerns inverkan på det tillverkade cementets kvalitetsegenskaper. Följande frågeställningar har använts:

1. Hur kan cementmalningsprocessens nuläge beskrivas i förhållande till mål? a. Hur bra är cementmalningsprocessen i förhållande till satta mål avseende

kvalitet och kapacitet? b. Hur bra är klinkerns kvalitet?

c. Hur påverkar klinkerns kvalitet cementmalningsprocessens kvalitet och kapacitet?

2. Vilka orsaker kan förklara klinkerkvalitetens variation?

3. Vilka effekter kan en optimering av ingående klinker ha vid cementtillverkning och hur påverkar en ökad kapacitet i cementkvarnen tillverkningskostnaderna och bruttomarginalen?

1.4 Avgränsningar

Examensarbetet avser att beskriva vilken roll den ingående klinkern har för en ökning av cementkvarnarnas kapacitet. Detta är en medveten avgränsning som grundar sig på ett intresse för att närmare undersöka vilka egenskaper hos de ingående materialen som har betydelse för malbarheten i cementkvarnarna. Klinkerns kalkmättnadsgrad har för detta arbete bedömts som en faktor som påverkar malbarheten och därmed en viktig

kvalitetsindikator för både cementkvarnarnas kapacitet och cementkvalitet. Detta innebär att andra faktorer som skulle kunna öka cementkvarnarnas kapacitet så som exempelvis användning av malkulor, malhjälpmedel och andra tillsatsmaterial inte har behandlats inom ramen för detta arbete.

1.5 Antaganden

För detta arbete gäller ett antagande att det finns en underutnyttjad kapacitet i cementmalningsprocessen som uppstår till följd av den ingående klinkerns

kvalitetsegenskaper. Ytterligare ett antagande som görs inom ramen för detta arbete är att en klinker som inte håller en jämn och hög kvalitet riskerar att resultera i en oönskad variation i det tillverkade cementets kvalitetsegenskaper, tryckhållfasthet och bindetid.

1.6 Begränsningar

Den analys och det slutsatser som gjorts inom ramen för examensarbetet baseras

uteslutande på egna beräkningar utifrån den datauppsättning som referensorganisationen tillhandahållit för undersökningen. Organisationen benämns Cementfabriken som är ett fiktivt företagsnamn på den fabrik som medverkat i studien. Uppsättningen data har bestått av en stor mängd mätvärden som huvudsakligen avlästs genom signaler från olika delar i cementmalningsprocessen. Insamlingen av data kännetecknas således av befintliga

2.

De teorier som detta arbete bottnar i tar sin utgångspunkt från Bergman och Klefsjös (2012) litteratur: Kvalitet från behov till användning. Litteraturen genomsyras av en betoning på offensiv kvalitetsutveckling. Med offensiv kvalitetsutveckling avses att ”man ständigt strävar efter att uppfylla, och helst överträffa, kundernas behov och förväntningar till lägsta möjliga kostnad genom ett kontinuerligt förbättringsarbete i vilket alla är engagerade och som har fokus på organisationens processer” (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 38).

I det inledande kapitlet belyste författarna det stora urvalet av definitioner på begreppet kvalitet där de även refererade till Garvins teorier bakom olika perspektiv på

kvalitetsbegreppet från 1984. Det Garvin menade var att det inom en organisation finns flera olika perspektiv på kvalitet vilket han också ansåg vara värdefullt (ref. i Bergman och Klefsjö, 2012, ss. 25–26).

2.1 Teoretisk bakgrund

2.1.1 Cementmalningsprocessen sett ur ett systemperspektiv

Isakssons (2016) allmänna systemmodell har använts som utgångspunkt för att beskriva cementmalningsprocessen och bemöta studiens frågeställningar. Modellen beskriver tre typer av processer: ledningsprocess, huvudprocess och stödprocess.

En process kan definieras som ”ett nätverk av aktiviteter, som upprepas i tiden, och vars syfte är att skapa värde åt någon extern eller intern kund” (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 457). Huvudprocessen för detta arbete kan beskrivas som ett nätverk av aktiviteter i fem steg: kvarnmatning, cementmalning i kulkvarn, siktning, cementkylning och transport av cement, se figur 1. För att detta flöde av aktiviteter ska vara möjligt krävs ett ingående material som vid cementtillverkning består av klinker, gips och olika tillsatsmaterial. Dessa ingående material motsvarar input till huvudprocessen för cementmalning som kommer från silo till vilken leverans skett från föregående steg i processen. Output som kan

jämföras med cementmalningsprocessens resultat, är färdigt cement som levereras till silo, där en ny delprocess tar vid.

Knutet till modellens input, output, outcome, drivers och resurser kan ett antal mått knytas. Dessa mått skapar förutsättning för att mäta hur väl processen möter olika intressenters behov och förväntningar men även hur effektiv processen är. Se nedan figur 1.

Figur 1: Specifik processbaserad systemmodell, baserad på Isakssons (2016) allmänna

systemmodell.

Bergman och Klefsjö (2012, s. 44) menade att processer ska tillfredsställa kunderna genom det som produceras och därtill med så lite resurser som möjligt. Två begrepp aktualiseras genom detta synsätt; kvalitet och effektivitet. Med kvalitet menas processens förmåga att tillfredsställa kundernas behov och förväntningar och med effektivitet avses hur väl

processen utnyttjar organisationens resurser för att producera resultatet. Författarna menade också att viktigt ur ett helhetsperspektiv är att förbättra processernas anpassningsförmåga (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 468). Två mått på processens förmåga att tillfredsställa kundernas behov är centrala i detta arbete: tryckhållfasthet och bindetid.

För att kunna bedöma hur väl cementmalningsprocessen utnyttjar organisationens resurser för att producera cement kommer måttet kapacitet att användas i detta arbete. Detta mått tar sin utgångspunkt från Isakssons (2015) teori för en processbaserad möjlighetsstudie där det initiala steget är att diagnostisera processens förbättringspotential både i tekniska och ekonomiska termer. Till teorin introducerar Isaksson (2015, s. 785) begreppet ”Best Demonstrated Performance, BDP”, som ett mått på processens potential utifrån en

processjämförelse. Detta mått kan antingen hämtas från motsvarande processer i branschen eller från ett bästa uppmätta prestationsvärde över en viss vald tidsperiod. Vidare kan tre olika indikatorer som utarbetats av Isaksson och Taylor (2009) för kapacitet exemplifiera lämpliga mått vid cementmalning och klinkerproduktion:

1. ”Run Factor”, RF, är ett mått på hur många timmar som processen matas i

förhållande till de timmar den har till förfogande. Låg ”Run Factor” kan bero på att cementkvarnen står still på grund av att materialet har tagit slut eller andra problem med utrustningen som gör att produktionen är stoppad.

RF = Timmar med matning till cementkvarnen _{Totalt antal timmar för studerad period} x 100

2. ”Capacity Efficiency”, CE, är ett mått över mängd mald cement i timmen i förhållande till det krav som ställs på cementskvarnens prestanda. Låg ”Capacity Efficiency” kan uppstå till följd av att processen inte uppnår ställda krav på

prestanda. Ett lågt värde kan också bero på en tid med låg efterfrågan vilket gör att takten på flödet genom processen kan minskas. Krav på prestanda kan vara ett kapacitetsvärde så kallat ”Capacity Value”, CV, som fastställts av ledningen eller ett värde som framgår av utrustningens tekniska specifikation. Kravet kan också motsvara ett värde som är en förmåga som processen uppvisat under längre tid så kallad ”Best Demonstrated Performance”, BDP.

CE = _{Krav på ton cement per tidsenhet} Ton cement per tidsenhet x 100

3. ”Operational Efficiency”, OE, är ett mått över hur väl cementkvarnen utnyttjas och erhålles genom produkten av ”Run Factor” och ”Capacity Efficiency”. Måttet är särskilt värdefullt vid stor efterfrågan där ett lågt värde ger en indikation på att utrustningens potential inte utnyttjas fullt ut.

OE = RF x CE

2.1.2 Klinkerns roll vid cementtillverkning

Gränser för olika andel av klinker i cement styrs genom den europeiska standarden EN-197-1 (CEN, 2000). Standarden föreskriver indelningen av fem huvudgrupper cement och preciserar ett antal undergrupper med specifika kriterier för hur stor andel klinker och andra råmaterial som gäller. Ett så kallat Portland-kompositcement, CEM II, ska innehålla minst 65% portlandsklinker (Burström, 2001, s. 209).

Klinker framställs genom att kalksten upphettas till en temperatur runt 1 450 °C. När materialet bränns avgår koldioxid CO2, ur kalkstenen CaCO3, som genom detta övergår till

kalciumoxid CaO. Klinkern består också av kiseldioxid SiO2 samt små mängder

aluminiumoxid Al2O3 och järnoxid Fe2O3. I samband med att kalkstenen bränns bildas nya

kemiska föreningar, olika klinkermineraler, som ger cementet de egenskaper som eftersträvas (Taylor, 2012).

Fyra mineraler är särskilt betydelsefulla för cementets kvalitet (Taylor, 2012): • Ferrit C4AF: har liten effekt på styrka men ger en mörkare färg till

cementet.

• Aluminat C3A: har betydelse för cementets tidiga

tryckhållfasthetsutveckling och minskar cementets bindningstid. • Alit C3S: har störst betydelse för cementets tidiga

tryckhållfasthetsutveckling.

• Belit C2S: har betydelse för styrka senare än 28 dygn.

Vad som även har effekt för cementets egenskaper är vid vilken temperatur som klinkern bränns samt vilka olika slags bränslekällor som används till ugnen. En högre

bränntemperatur gör klinkern tät och svårare att mala och påverkar även styrkan men även lägre temperaturer kan få dessa effekter eftersom det krävs minst 1 250 °C för att alit C3S

ska kunna bildas genom en reaktion mellan belit C2S och fri kalk CaO. Temperaturen är

även kritisk i samband med kylning, där en långsam kylning riskerar att klinkermineralerna återfår sina mindre reaktiva egenskaper som påverkar styrkan (Taylor, 2012).

När klinkern bränns gäller en balansgång mellan att få tillräckligt mycket fri kalk som möjligt att övergå till alit men inte längre än så. Ofta är målet med klinkerbränningen att ha kvar ca 1,5% fri kalk. För att sänka värdet behöver klinkern brännas hårdare vilket ökar energiförbrukningen och gör klinkern tätare och svårare att mala. Ett för högt värde på fri kalk gör processen instabil. En hög nivå av fri kalk kan också leda till expansion av cementen i den färdiga betongen vilket är ett mycket allvarligt kvalitetsproblem. Uppnås målet på ca 1,5% fri kalk produceras en mer reaktiv klinker som är lättare att mala. Klinker med mer fri kalk minskar tidig styrka i cementet eftersom varje procent fri kalk ger

klinkern 4% mindre alit (Taylor, 2012).

När klinkern mals tillsammans med gips och andra tillsatser i cementkvarnen, bryts komponenterna ner till mycket små partiklar. Partikelstorleken i färdigt cement är ungefär 15µm. Storleken på partiklarna i det färdiga cementet är ett resultat av de ingående

2.2 Tekniska begrepp

2.2.1 Medelpartikelstorlek, d50

Genom att mäta finheten i cementet får fabriken fram en partikelstorleksfördelning. Utifrån analys av denna ges en medelpartikelstorlek, ett medelkorn så kallat d50, härefter

”partikelstorlek (d50)”. Detta medelkorn, d50, används för att följa upp cementets finhet eller andel som är över eller under någon viss siktstorlek (Personlig kommunikation, Cementfabriken, 27 juni 2018).

2.2.2 Tryckhållfasthet

Tryckhållfasthet mäts i MegaPascal, MPa, och utgörs av den högsta tryckspänning som materialet kan utstå. Provtagning görs med fastställd frekvens mellan 1 till 28 dagar och provmetoden är både enkel att utföra och tillförlitlig utöver att det är en egenskap som ger en bra bild över cementens kvalitet (Burström, 2001). Klinkermineralen alit C3S är den

mineral som är viktig för cementets styrka. I takt med att andelen alit ökar i den klinker som används så ökar också tryckhållfastheten (Taylor, 2012).

2.2.3 Bindetid

Bindetid är en cementegenskap som mäts i minuter och är bland annat viktig för att kunna bearbeta betongen. Olika bestämmelser gäller för olika slags cement där det för så kallat normalt portlandcement tar mellan två till fyra timmar för cementet att stelna (Burström, 2001). Ett finare cement reagerar snabbare och ger kortare bindetid. I samband med cementmalningen går det att styra cementets finhet genom att mala de ingående råvarorna finare (Taylor, 2012).

2.2.4 Klinker

En viktig komponent för att åstadkomma en klinker med hög kvalitet är kiseldioxid, SiO2,

som finns i kalksten. När detta bränns vid hög temperatur bildas först mineralen belit C2S

men i takt med ökad temperatur övergår denna till alit C3S. Alit är den klinkermineral som

upptar 60% av det färdiga cementet och är den mineral som tillför slutprodukten mest styrka. Den kiseldioxid som inte ombildas till alit då kalkstenen förflyttas genom brännzonen avstannar i form av belit vilket är en mineral som uppgår till 15% av den färdiga produkten (Taylor, 2012).

2.2.5 Klinkerns kalkmättnadsgrad

Kalkmättnadsgraden i klinker, så kallad ”Lime Saturation Factor”, LSF, ligger vanligtvis på mellan 93 – 97%. En hög kalkmättnadsgrad har en högre grad av alit C3S som ger högre

styrka vid 28 dagar men är utmanande att bränna och kan bli mer dammig och riskerar att ha en högre fri kalk CaO. Då kalkmättnadsgraden överskrider 100 kommer det kalk som inte ombildats till alit att kvarstå som fri kalk oavsett hur hårt klinkern bränns. Klinkerns kalkmättningsgrad ges av formeln (Taylor, 2012):

Kalkmättnadsgrad, KM = CaO x 100

2.3 Analysverktyg

2.3.1 Beskrivande statistik

Det finns ett antal så kallade centralmått som kan beskriva ett urval data. De vanligaste är typvärde, median och medelvärde. Ytterligare ett sätt att beskriva mönster i en

datauppsättning är att undersöka olika mått på spridning och variation där

standardavvikelsen är ett av de vanligaste spridningsmåtten som beskriver det typiska värdet för avvikelsen från medelvärdet. Genom olika statistik- och kalkylprogram kan dessa mått ställas samman i vad som motsvarar deskriptiv statistik, det vill säga beskrivande statistik. Utifrån denna samlade uppsättning centralmått går det att beskriva, utforska och sammanfatta urvalets profil och samband mellan olika värden (Lövås, 2006, s. 35–50).

2.3.2 Kapabilitetsindex

När en process har förmåga att tillverka produkter som uppfyller kundens behov och förväntningar går det att tala om en kapabel eller duglig process. Då värdet på en enskild enhet håller sig inom de gränser som framgår av de krav som kunden ställer betraktas processen som duglig. För att bedöma en process duglighet finns ett antal olika så kallade kapabilitetsmått, eller kapabilitetsindex. Två vanliga mått är Cp och Cpk (Bergman och

Klefsjö, 2012, s. 279):

Kapabilitetsindex, Cp =

Tö –Tu

6s Korrigerat kapabilitetsindex, Cpk = min:

Tö -µ , µ - Tu

3s 3s

Skillnaden mellan de båda måtten är att Cp beräknas utifrån processens naturliga variation,

det vill säga 6s, som inte tar hänsyn till om processen är centrerad runt sitt medelvärde. Det korrigerade kapabilitetsindexet, Cpk, baseras istället på det kortaste avståndet mellan

processens medelvärde och toleransgräns i förhållande till hälften av den naturliga

variationen, 3s. Det minsta av det övre eller undre korrigerade kapabilitetsmåttet är således ett mått som tar hänsyn till om processens medelvärde inte stämmer med målvärde

(Bergman och Klefsjö, 2012, ss. 280–283). 2.3.3 Styrdiagram

Statistisk processtyrning går ut på att med en statistisk utgångspunkt minska så många variationsbidrag som möjligt i en process. För detta används verktyget styrdiagram för att identifiera de variationer som beror på urskiljbara orsaker och vidta åtgärder för att kunna utesluta dessa. Centralt vid statistisk processtyrning är målsättningen att åstadkomma en process i statistisk jämvikt, vilket innebär att det inte finns någon urskiljbar variation. Den kvalitetsindikator man studerar med hjälp av styrdiagram, ska således hålla sig inom föreskrivna styrgränser. Den regel som tillämpas i många styrdiagram är att styrgränserna sätts vid tre gånger standardavvikelsen från provgruppens centrallinje, det vill säga

2.3.4 Regression

Vid sambandsanalys görs åtskillnad mellan korrelation och regression. Korrelationsanalys visar om det finns ett linjärt samband och regression visar vilket samband som passar bäst. Sambandet mellan en eller flera förklaringsvariabler och en responsvariabel bygger på en formel för beräkning av var den räta linjen korsar y-axeln (m) och den studerade

förklaringsvariabelns riktningskoefficient (k): y = kx + m. Med formelns hjälp går det att förstå sambandet mellan en dimension och påverkande faktorer samt vilken respons som kan förväntas. Då riktningskoefficienten (k) är noll (0) påvisas inget samband mellan y och x. För att bedöma hur bra modellen är beräknas ett värde där summan av kvadraterna mellan regressionslinjen och medelvärdet av alla y (SSR) ställs i relation till summan av

kvadraterna mellan Y och deras genomsnittsvärde (SST): r2 = SSR/SST. Denna korrelation i

kvadrat ger svar på hur stor andel av variationen i modellen som förklaras genom det linjära sambandet. Om r = 0,9 kommer 81% av variationen att förklaras av linjärt samband. Ett värde nära 100% motsvarar således starkt samband (Lövås, 2006, ss. 266–291).

2.3.5 Orsaks-verkan-diagram

Orsaks-verkan-diagram är ett verktyg som används för att identifiera orsaker till problem. Ett första steg är att bena ut typer av huvudorsaker till problemet som studeras, sedan benas dessa orsaker ner på en djupare och mer detaljerad nivå. Detta tillvägagångssätt kan liknas vid ett fiskben, se figur 2. Metodiken runt diagrammet är att när huvudorsakerna

identifierats benas en problemställning ut i taget där det är vanligt med en tillämpning av fem ”varför” (Bergman och Klefsjö, 2012, 242–246).

Figur 2: Orsaks-verkan-diagram, baserad på Bergman och Klefsjö (2012).

3.

Forskningsmetodiken skiljer på två olika ansatser i förhållandet mellan teori och empiri. När forskningen utgår från ett teoretiskt resonemang där det empiriska materialet blir följden av detta går det att tala om en deduktiv ansats. När istället det empiriska materialet används som utgångspunkt för att formulera en teori så motsvarar detta en induktiv ansats. Forskningen skiljer mellan deduktiva och induktiva studier (Patel och Davidson, 2011, ss. 23–25). Grundar forskaren sin insamling av data, bearbetning av denna samt analys på ett verbalt eller tolkande angreppssätt är detta en kvalitativt inriktad forskning. Vanligt förekommande vid sådan forskning är intervjuer, enkäter och tolkande analyser. Bygger forskningen istället på mätningar och siffror är benämningen för denna forskning kvantitativ. Vid denna form av forskningsinriktning är det vanligt med statistiska bearbetnings- och analysmetoder. I praktiken kan forskningen använda en kombination mellan de två metoderna beroende på undersökningens inriktning (Patel och Davidson, 2011, ss. 13–14).

3.1 Design av studien

Olika metoder har använts för att besvara undersökningens tre frågeställningar. Valt tillvägagångssätt är metodkombination där kvantitativa metoder varit lämpliga för insamling och analys av befintlig statistik och kvalitativa metoder varit lämpliga i delar som krävt ett verbalt och ett tolkande angreppssätt. Vetenskapligt tillvägagångssätt framgår av figur 3. Ansatsen i förhållande till teori har varit deduktiv vilket innebär att

undersökningen utgått från befintliga teorier som utgångspunkt för det studerade materialet.

Figur 3: Design av studien, egen illustration.

Under projektets genomförande har en stor del information, fakta och bemötande av frågeställningar hanterats genom personlig kommunikation med nyckelpersoner vid Cementfabriken. Regelbunden kontakt har också hållits med ämnesgranskare för arbetet som med sin kompetens och erfarenhet inom kvalitetsteknik med cementindustrin som expertområde bidragit med värdefulla råd och vägledning. Genom denna

3.2 Datainsamlingsmetod

Undersökningen för detta arbete är i första hand kvantitativt inriktad och baseras på befintliga statistik som delats av Cementfabriken. Datamaterialet täcker ett antal olika delprocesser för cementtillverkning där det finns en givare som mäter något i processen eller mätvärden från manuell provtagning i de olika produkterna. Insamling av statistik för undersökningen har avgränsat sig till två av fabrikens fyra cementkvarnar, cementkvarn 1 och cementkvarn 2. Dessa kvarnar är likvärdiga i fråga om modell och prestanda och nyttjas till stor del för produktion av BAS-cement. Mot bakgrund till detta har detta arbete gjort valet att endast undersöka ett av fabrikens alla cementsorter, det vill säga BAS-cement. BAS-cement är ett så kallat Portland-kompositcement, CEM II, och ska enligt standard innehålla minst 65% portlandsklinker (CEN, 2000). Insamlade data över mätvärden kan övergripande förklaras omfatta följande delar:

Tabell 1 Sammanställning av insamlat datamaterial relevant för undersökningen.

Beskrivning av datamaterial Urval för undersökningen

Processdata för cementmalning BAS-cement i cementkvarn 1 och 2 Mätvärden från produktkontroll BAS-cement

Logg för ändringar i driftsförutsättningar BAS-cement Mätvärden för klinkerproduktion Ugnslinje 8 Driftsförutsättningar standardklinker Ugnslinje 8 Mätvärden för råmjölsmalning Råkvarn 8

All data är exporterad från Cementfabrikens processdatabas till ett kalkylprogram, MS Excel, och avser tidsintervallet 1 januari 2016 till och med 31 april 2018. Olika

provtagningsrutiner tillämpas i de olika delarna av tillverkningsprocessen, men för detta arbete har ett timmedelvärde per dygn använts. Syftet med detta har varit att begränsa materialet så att det underlättar överskådlighet i figurer och tabeller.

Tabell 2 Sammanställning över hur datamaterialet har sorterats och bearbetats.

Syfte med datainsamling Urvalskriterier

Urval (dgr) Sambandsanalys, linjediagram samt beskrivande statistik

från olika processer.

Exempelvis mellan klinkerns kalkmättnadsgrad,

cementkvarnens kapacitet och cementets tryckhållfasthet i BAS-cement från cementkvarn 1 (C1).

I) Processdata över BAS-cement med dygnsmedelvärden

för 24-timmars matning, 10–15% flygaska, =/ <15 µm partikelstorlek (d50), 2016 och 2017.

II) Produktkontroller för tryckhållfasthet och bindetid som

justerats bak sju dagar till processdata för 2016 och 2017. Dagar med fler produktkontroller än en har tagits bort eftersom dessa skulle få olika resultat för de två cementkvarnarna.

III) Kalkmättnadsgrad i klinker 92–104 (KM) som justerats

fram fem dagar till processdata för 2016 och 2017.

27

Sambandsanalys, linjediagram samt beskrivande statistik

från olika processer.

Exempelvis mellan klinkerns kalkmättnadsgrad,

cementkvarnens kapacitet och cementets tryckhållfasthet i BAS-cement från cementkvarn 2 (C2).

49

Styrdiagram och linjediagram över klinkerns

kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8 (U8).

Mätvärden över dygnsmedelvärden för kalkmättnadsgrad 92–104 (KM) för 2016, 2017 och 2018/Q1.

816

Styrdiagram och linjediagram över tryckhållfasthet och

bindetid.

Mätvärden från produktkontroll av BAS-cement för 2016 och 2017.

589

Linjediagram och beskrivande statistik över kapacitet i

cementkvarn 1 (C1).

Processdata över BAS-cement med dygnsmedelvärden för 24-timmars matning, 10–15% flygaska, =/ <15 µm partikelstorlek (d50), 2016, 2017 och 2018/Q1.

76

Linjediagram och beskrivande statistik över kapacitet i

cementkvarn 2 (C2).

Processdata över BAS-cement med dygnsmedelvärden för 24-timmars matning, 10–15% flygaska, =/ <15 µm partikelstorlek (d50), 2016, 2017 och 2018/Q1.

122

Linjediagram över råmjölets kalkmättnadsgrad från

råkvarn 8 (R8)

Mätvärden med dygnsmedelvärden 94–108 (KM) för 2016, 2017, 2018 (jan-feb)

För att analysera orsaker som kan förklara klinkerkvalitetens variation, har en av fabrikens processingenjörer intervjuats. Motivet till intervjun har varit att få en förståelse för

orsakerna utifrån ett kunskaps- och erfarenhetsperspektiv som kan ses komplettera resultatet från genomförd kvantitativ analys och den kvalitativa analysen genom orsaks-verkan-diagram, se bilaga 1. Intervjun har genomförts skriftligen och gett utrymme för respondenten att med egna ord beskriva, förklara och exemplifiera sina svar. De interna resurser som ingår i den processmodell som tillämpats inom ramen för undersökningen har fungerat som stöd för strukturen av frågor, se bilaga 2. Vad som kan förtydligas i detta sammanhang är att orsaker som kan förklara klinkerkvalitetens variation utgår från klinkerns roll för cementmalningsprocessen. Klinkern har i detta arbete jämförts med ett material som används i huvudprocessen för cementmalning. Den ingående klinkern har således betraktats både som input och resurs till processen. Denna relation framgår genom den specifika processbaserad systemmodell som använts som utgångspunkt för arbetet, se tidigare figur 1.

3.3 Dataanalys

Valda metoder för analys är anpassad till undersökningens olika frågeställningar och framgår av tabell 3.

Tabell 3 Beskrivning av analysprocessen för arbetet.

Frågeställning Analysprocess Analysmetod

1. Hur kan cementmalnings-processens nuläge beskrivas i förhållande till mål? Processens kvalitet i relation till mål

I. Beskrivande statistik över tryckhållfasthet och bindetid i BAS-cement som sammankopplats med BAS-cementkvarnarnas produktion av BAS-cement. Cementkvarn 1 och 2.

II. Styrdiagram över tryckhållfasthet och bindetid från produktkontroller av BAS-cement.

III. Kapabilitet tryckhållfasthet och bindetid. Processens kapacitet i

relation till mål.

I. Beskrivande statistik över cementkvarnarnas kapacitet vid BAS-cement. Cementkvarn 1 och 2.

II. Linjediagram över hur kapaciteten varierar i de två cementkvarnarna som producerar BAS-cement. Cementkvarn 1 och 2.

III. Sambandsanalys – enkel linjär regression avseende

cementkvarnaras kapacitet som funktion av BAS-cementets finhet. Cementkvarn 1 och 2.

IV. Linjediagram över hur partikelstorleken (d50) i BAS-cement varierar i relation till cementets tryckhållfasthet. Cementkvarn 1 och 2. V. Linjediagram över hur partikelstorlek (d50) i BAS-cement varierar i

relation till cementets bindetid. Cementkvarn 1 och 2. Klinkerns

kalkmättnadsgrad i relation till mål.

I. Beskrivande statistik över klinkerns kalkmättnadsgrad. Ugnslinje 8. II. Kapabilitet klinkerns kalkmättnadsgrad. Ugnslinje 8.

III. Styrdiagram över klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8. IV. Linjediagram över hur kapaciteten i cementkvarnarna varierar i

relation till klinkerns kalkmättnadsgrad. Ugnslinje 8. Klinkerns påverkan på

cementmalningsprocess ens kvalitet

I. Linjediagram över hur tryckhållfastheten vid 28-dagars i BAS-cement varierar i relation till klinkerns kalkmättnadsgrad.

II. Linjediagram över hur bindetiden i BAS-cement varierar i relation till klinkerns kalkmättnadsgrad.

Klinkerns teoretiska påverkan på

cementmalningsprocess ens kapacitet.

III. Teoretisk beskrivning och analys förankrade i branschkunskap över förväntade effekter av klinkerns påverkan på cementkvarnarnas kapacitet vid produktion av BAS-cement. Cementkvarn 1 och 2.

2. Vilka orsaker kan förklara

klinkerkvalitetens variation?

Analys av orsaker till variation i klinkerns kalkmättnadsgrad.

I. Linjediagram över hur kalkmättnadsgraden i råmjöl varierar i relation till klinkerns kalkmättnadsgrad.

II. Orsaks-verkan-diagram, fiskbensdiagram, med utgångspunkt från sju typer av rotorsaker

III. Tolkning av intervjuresultat.

3.4 Validitet och reliabilitet

De valda metodernas validitet för detta arbete begränsar sig till urvalets storlek, till mätinstrumentets precision och förmåga att mäta korrekt. Vad som kan tilläggas vid hantering av kontinuerliga data framhålls ett minimum på 30 observationer för statistisk analys (Magnusson, Kroslid och Bergman, 2003, s. 54). Detta kriterium uppfylls inte i ett av fallen för det urval som studeras, se tabell 2. I bedömningen av validiteten för detta arbete behöver det dessutom klargöras att sammankopplingen mellan mätvärden från olika processer har gjorts med en uppskattning av tidsförskjutning mellan tidpunkter då givaren för processen registrerat ett värde eller de tidpunkter då manuella prover registrerats. Mot bakgrund till detta finns det skäl till en kritisk inställning till validiteten. Risken för felmatning av siffror behöver också belysas som något som kan påverka validiteten. Det resultat som presenteras för denna undersökning såväl som de verktyg som tillämpats för analys av denna kan i stora delar förankras i statistiska metoder. För att möjliggöra reproducerbarheten i undersökningens fynd har kriterier för urval redovisats, tabell 2. I de delar där datamaterialet baseras på kvalitativa metoder har ett tolkande perspektiv

tillämpats vars reliabilitet får ses i ljuset av den undersökta situationen såväl som forskarens förkunskaper. Generaliserbarheten av resultatet av detta arbete kan i något avseende dels handla om tillverkningsindustrin som kategori men även specifikt branschen för

cementtillverkning. Gemensamt för dessa är fokus på processer och effektiviseringar där det dessutom finns riklig mängd data att tillgå. I detta avseende kan svårigheten med stora datamängder lyftas fram som en möjlig företeelse som kan generalisas.

3.5 Etiska ställningstaganden

Objektiviteten i detta arbete får ställas i relation till forskarens kunskaper och erfarenheter av studerad bransch. För att kompensera för en otillräcklig detaljkunskap har arbetet krävt ett stort bidragande från både handledare och ämnesgranskare, en omständighet som kan ha fått inverkan på objektiviteten. Utöver detta har fyra etikregler som formulerats av

vetenskapsrådet iakttagits (Patel och Davidson, 2011, s. 63):

1. Informationskravet: Organisationen har informerats om syftet med

examensarbetet. Information har lämnats i samband med fabriksbesök den 28 mars 2018 och genom tillhandahållna kursinstruktioner och projektstatus. 2. Samtyckekravet: Samtyckekravet har formaliserats genom samarbetsavtal

mellan utsedd handledare från organisationen och studenten.

3. Konfidentialitetskravet: Detta krav tillmötesgås genom att studerad organisation ges anonymitet både i fråga om företagsnamn och person- och namnuppgifter såväl hemsida under hela processen. Den skriftliga korrespondens som upprättas mellan organisationen och student omfattas inte av offentlighetsprincipen. Det datamaterial som utbytts elektroniskt förvaras med försiktighet och kommer att förstöras då arbetet är avslutat. Endast det data som redovisas i rapporten kommer vara tillgängligt.

3.6 Metoddiskussion

Valet av metoder får anses lämpliga utifrån syfte och frågeställningar för arbetet. En svårighet har varit att få tillräckligt vissa kritiska samband styrkta vilket antas bero på det stora antalet styrvariabler och kvalitetsindikatorer som arbetet kommit att omfatta. Detta bottnar vidare i Cementfabrikens avancerade mätnings- och övervakningssystem och det faktum att cementtillverkning är en bransch som styrs av ett antal krav som påverkas av en stor mängd faktorer. Styrningen av dessa faktorer ger upphov till vad som inom ramen för projektet har benämnts som ett brus. Det Bergman och Klefsjö (2012, s. 42) menade med ”brus” är att detta är sådan variation som inte beror på verkliga orsaker, det vill säga slumpfaktorer. Det går alltså att tala för att bruset gör det svårt att skapa väl underbyggda beslut, det vill säga beslut som grundar sig på fakta. För denna undersökning utgör mycket av bruset också av en reaktion på de beslut som Cementfabriken fattar för att styra

processerna för bästa möjliga kvalitet. Detta kan liknas vid vad som avses med ”tampering”, det vill säga en överstyrning som riskerar att leda till att organisationen kompenserar för slumpmässig variation då denna uppfattas som urskiljbar (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 226). På så vis har valda metoder inte räckt till för att få ett helt

tillförlitligt svar på undersökningens frågeställningar.

Bland problem kan nämnas svårigheten att koppla samman kvalitetsindikatorer hämtade från produktkontroller av färdiga cementet med indikatorer i de föreliggande processerna. För detta finns det idag ingen pålitlig spårningsmekanism. Detta påverkar validitet och reliabilitet i resultatet för detta arbete eftersom de olika parametrarna har fått kopplas ihop genom en uppskattning av tidsförskjutning mellan de olika tidpunkter då mätvärden uppmätts. Detta särskilt i tillämningen av regressionsanalys som metod.

I ett framtida forskningsarbete skulle tillämpade metoder kunna vara motiverade, dock i en kombination med försök. Exempelvis faktorförsök tillsammans med om möjligt

ackrediterade mätmetoder. Vid faktorförsök som är ett systematiskt arbetssätt för att förstå vilka variabler som påverkar en process eller en produkt och genomförs med ett antal delförsök (Bergman och Klefsjö, 2012, s. 174). Ambitionen med detta är att kunna förklara vilket den bästa responsen är från en påverkande faktor för att på så vis bena fram en bästa korrelation mellan de påverkande faktorerna, de så kallade förklaringsvariablerna, och responsvariabeln.

4.

4.1 Processens kvalitet i relation till mål

4.1.1 Beskrivande statistik tryckhållfasthet och bindetid

Nedan två tabeller, tabell 4 och 5, beskriver urvalets data och redogör för urvalets storlek med medelvärde för gruppens tryckhållfasthet vid 1-dagars samt 28-dagars BAS-cement samt bindetid. Dessa värden har relaterats till medelvärden för beräknad andel ingående klinker och partikelstorlek (d50) i respektive cementkvarn för aktuellt urval.

Statistiken har sammanställts för att undersöka likheter och skillnader mellan de båda cementkvarnarna och hur värdena förändras mellan olika år. Gemensamt för materialet är att medelvärdet för partikelstorlek (d50) såväl som tryckhållfasthet vid 28-dagars cement ökar mellan 2016 och 2017 i de båda cementkvarnarna. Det kan noteras att enligt

driftförutsättningar ändras riktvärdet för tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement från 58 till 56 MPa under första kvartalet 2017 (Cementfabriken, Logg för ändringar i

driftsförutsättningar, 17 april 2018).

Tabell 4 Beskrivande statistik över kvalitetsegenskaper cementkvarn 1, baserade på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

Cement- kvarn 1 Antal (dgr) Andel klinker (%) Partikelstorlek, d50 (µm) Tryckhållfasthet, 1d (MPa) Tryckhållfasthet, 28d (MPa) Bindetid (min) 2016 18 79,2 12,3 22,1 57,9 163 2017 9 80,3 12,8 21,8 58,4 164 Medel (27) 79,8 12,5 22,0 58,2 164

Tabell 5 Beskrivande statistik över kvalitetsegenskaper cementkvarn 2, baserade på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

4.1.2 Styrdiagram tryckhållfasthet och bindetid

Styrdiagram över variationen i BAS-cementets tryckhållfasthet vid 28 dagar framgår av figur 4. Diagrammet visualiserar utöver variationen de krav på riktvärde 56 MPa samt gränser för larm som gäller enligt driftsförutsättningar +/- 4 MPa.

Not: Mellan juni och augusti 2016 framstår en process med ökad variation där värden under

processens riktvärde dominerar. Från mitten av februari till början av april 2017 ökar variationen samtidigt som medelvärdet minskar. Under andra halvåret 2017 ökar medelvärdet gradvis och mot slutet av året ökar spridningen med värden över 60 MPa.

Figur 4: Styrdiagram tryckhållfasthet 28-dagars BAS-cement, baserat på egna beräkningar

utifrån data från Cementfabriken.

Tabell 6 Processens kapabilitet tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement, baserat på

egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

Antal (st) Tryck- hållfasthet, 28 d (MPa) Standard- avvikelse (MPa) Riktvärde (MPa) Övre larmgräns (MPa) Undre larmgräns (MPa) Cp Cpk min 2016 277 57,9 1,4 58 62 54 0,95 0,93 2017 308 58,6 1,9 56 60 52 0,70 0,25

Not: För 2016 når kapabilitetsindex ett värde som ligger strax under 1,0 och processen är

Styrdiagram över variationen i BAS-cementets bindetid framgår av figur 5. Diagrammet visualiserar utöver variationen de krav på riktvärde samt gränser för larm vilken är satt på +/-30 minuter från processens medelvärde. Larmgränser kan här ses som toleransgränser eftersom de motsvarar de åtaganden som getts till kund.

Not: Mellan 1 januari och augusti 2016 indikerar processen på kortidsvariation med en

ökad variation under slutet av perioden. Från september 2016 och ett år framåt bär processen drag av långsamvariation. Från augusti 2017 sjunker medelvärdet och under november dippar kvalitetsindikatorn under den lägre larmgränsen på 124 minuter.

Figur 5: Styrdiagram bindetid BAS-cement, baserat på egna beräkningar utifrån data från

Cementfabriken.

Tabell 7 Processens kapabilitet bindetid i BAS-cement, baserat på egna beräkningar

utifrån data från Cementfabriken.

Antal (st) Bindetid (min) Standard- avvikelse (min) Riktvärde (min) Övre larmgräns (min) Undre larmgräns (min) Cp Cpk min 2016 277 156 13 - 184 124 0,77 0,72 2017 308 151 15 - 184 124 0,67 0,60

Not: För 2016 når kapabilitetsindex ett värde som i sannolikhetstermer innebär att 0,046%

4.2 Processens kapacitet i relation till mål

4.2.1 Beskrivande statistik över cementkvarnarnas kapacitet

Nedan två tabeller, tabell 8 och 9, beskriver urvalets data. Tabellerna redogör för

cementkvarnarnas medelproduktion vid 24-timmars matning samt i övrigt uppfyllande av kriterierna för 10–15% flygaska och partikelstorlek (d50) till och med 15 µm. I studerat material har ett kapacitetsvärde, ”Best Demonstrated Performance”, BDP, använts för beräkning av ”Capacity Efficiency”, CE. Produktion på 116 ton i timmen motsvarar båda cementkvarnarnas genomsnittliga maxproduktion vilket framgår av nedan två tabeller. För att värdera processen krävs uppgift om vilket krav som kan ställas på cementkvarnarnas kapacitet. För denna undersökning har ett mål för CE på motsvarande 95% använts, vilket i processjämförelser betraktas som ett realistiskt mål (Isaksson och Taylor, 2009). Vid tillämpning av detta mål bör kvarnarna uppnå en kapacitet motsvarande 110 ton i timmen. Den genomsnittliga kapaciteten för de båda kvarnarna över studerad period uppgår till 91%. Detta motsvaras av en medelproduktion på ca 106 ton i timmen.

Tabell 8 Kapacitet cementkvarn 1 för BAS-cement med önskvärd kvalitet, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

Cement- kvarn 1 Antal (dgr) Produktion (h) Produktion (ton) Medel (ton/h) Maximal (ton/h) BDP (ton/h) CE (%) 2016 42 1 008 106 142 105 117 116 91 2017 26 624 67 142 108 117 116 93

Not: Cementkvarnen uppvisar en kapacitetsökning mellan 2016 och 2017.

Tabell 9 Kapacitet cementkvarn 2 för BAS-cement med önskvärd kvalitet, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

Cement- kvarn 2 Antal (dgr) Produktion (h) Produktion (ton) Medel (ton/h) Maximal (ton/h) BDP (ton/h) CE (%) 2016 62 1 488 162 787 109 118 116 94 2017 55 1 320 133 848 101 113 116 87

4.2.2 Linjediagram cementkvarnarnas kapacitet

Diagrammet, figur 6, illustrerar hur kapaciteten i procent varierar över tid, mätt i CE. Diagrammet baseras på ett urval av insamlade mätvärden för produktion av BAS-cement i cementkvarn 1 och 2 med 24-timmars matning, där urvalet uppfyller urvalskriteriet 10– 15% flygaska och partikelstorlek (d50) till och med 15 µm.

I studerat material har ett kapacitetsvärde, ”Best Demonstrated Performance”, BDP, använts för beräkning av ”Capacity Efficiency”, CE. En produktion på 116 ton i timmen motsvarar de båda cementkvarnarnas genomsnittliga maxproduktion vilket presenterats tidigare i detta arbete, se tidigare tabell 8 och 9.

Not: Mellan maj och september 2016 ingår inga mätvärden i urvalet. Under denna period är

andelen klinker hög och flygaska låg i förhållande till övriga tillsatser. Medelvärdet för perioden ökar fram till oktober 2016. Under vintern 2016/2017 minskar kapaciteten i de båda cementkvarnarna för att under februari 2017 gradvis öka fram till och med augusti.

Figur 6: Linjediagram över cementkvarnarnas kapacitet vid produktion av BAS-cement,

4.2.3 Samband mellan partikelstorlek (d50) och kapacitet

Med enkel linjär regression kan ett rätlinjigt samband mellan cementkvarnarnas kapacitet och hur fint cementkvarnarna maler studeras. För modellen gäller att kapacitet mätt i procent utgör responsvariabel och partikelstorlek (d50) mätt i µm utgör förklaringsvariabel. I studerat material har ett kapacitetsvärde, BDP, använts för beräkning av CE. En

produktion på 116 ton i timmen motsvarar de båda cementkvarnarnas genomsnittliga maxproduktion vilket presenterats tidigare i detta arbete, se tidigare tabell 8 och 9. Diagrammen nedan, figur 7 och figur 8, baseras på ett urval av insamlade mätvärden för produktion av BAS-cement i cementkvarn 1 och 2 med 24-timmars matning, där urvalet uppfyller urvalskriteriet 10–15% flygaska och partikelstorlek (d50) till och med 15 µm. Urvalet har vidare matchats med värden för produktkontroller av BAS-cement och värden för klinkerns kalkmättningsgrad från ugn 8 vilket medfört att antalet observationer

ytterligare begränsats.

Figur 7 visar ett linjärt samband mellan kapacitet och partikelstorlek (d50) i cementkvarn 1. Sambandsanalysen förklarar nära 48% av variationen i kapaciteten för urvalet [R-sq = 0,477]. Beräkning av koefficienten för partikelstorlek (d50) enligt modellen ger att

kapaciteten skulle öka med 3,3 för varje enhetsökning i partikelstorlek (d50) [Kapacitet, Y = 50,492 + 3,287 Partikelstorlek (d50), x]. Medelvärdet på partikelstorlek (d50) för urvalet är 12,5 µm.

Figur 7: Enkel linjär regression kapacitet och partikelstorlek (d50) i cementkvarn 1, baserat

I cementkvarn 2, figur 8, förklarar nära 20% av variationen kapaciteten för urvalet [R-sq = 0,199]. Beräkning av koefficienten för partikelstorlek (d50) enligt modellen ger att

kapaciteten skulle öka med 2,5 för varje enhetsökning i partikelstorlek (d50) [Kapacitet, Y = 60,586 + 2,528 Partikelstorlek (d50), x]. Medelvärdet på partikelstorlek (d50) för urvalet är 12,7 µm.

Figur 8: Enkel linjär regression kapacitet och partikelstorlek (d50) i cementkvarn 2, baserat

på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

4.2.4 Linjediagram partikelstorlek (d50) och tryckhållfasthet

Diagrammen nedan, figur 9 och figur 10, illustrerar hur partikelstorleken (d50) i de båda cementkvarnarna regleras över tid i relation till mätvärden från produktkontroller av tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement. Urvalet för studerade mätvärden motsvarar de värden som legat till grund för tidigare sambandsanalys mellan cementkvarnarnas kapacitet och hur fint kvarnarna maler, se tidigare figur 7 och figur 8.

Not: Rörelsemönstret i diagrammet indikerar på en relation mellan minskad partikelstorlek

(d50) och ökad tryckhållfasthet i 28-dagars BAS-cement. Skalan för tryckhållfasthet på diagrammets sekundäraxel presenteras i fallande ordning vilket innebär att då skalan för partikelstorlek (d50) ökar, så visas skala för tryckhållfasthet på en fallande skala.

Medelvärdet på partikelstorlek (d50) för urvalet är 12,5 µm. Den genomsnittliga kapaciteten för urvalet är 91%, se tidigare figur 6. Under oktober 2016 justeras partikelstorleken (d50) ner från 14,3 µm till 12,8 µm. För samma period ökar

tryckhållfastheten från 56 MPa till 57 MPa och kapaciteten sjunker med 10%, från 116 till 105 ton i timmen.

Figur 9: Linjediagram partikelstorlek (d50) och tryckhållfasthet cementkvarn 1, baserat på

Not: Rörelsemönstret i diagrammet indikerar på en relation mellan minskad partikelstorlek

(d50) och ökad tryckhållfasthet i 28-dagars BAS-cement. Skalan för tryckhållfasthet på diagrammets sekundäraxel presenteras i fallande ordning vilket innebär att då skalan för partikelstorlek (d50) ökar, så visas skala för tryckhållfasthet på en fallande skala.

Medelvärdet på partikelstorlek (d50) för urvalet är 12,7µm. Den genomsnittliga kapaciteten för urvalet är 93%. Under oktober 2016 justeras partikelstorleken (d50) ner från 14,4 µm till 12,7 µm. För samma period ökar tryckhållfastheten från 56 MPa till 57 MPa och kapaciteteten sjunker med 10% från 115 till 103 ton i timmen.

Figur 10: Linjediagram partikelstorlek (d50) och tryckhållfasthet cementkvarn 2, baserat

4.2.5 Linjediagram partikelstorlek (d50) och bindetid

Diagrammen, figur 11 och figur 12, illustrerar hur partikelstorleken (d50) i de båda cementkvarnarna regleras över tid i relation till mätvärden från produktkontroller av

bindetid i BAS-cement. Urvalet för studerade mätvärden motsvarar de värden som legat till grund för tidigare sambandsanalys mellan cementkvarnarnas kapacitet och hur fint

kvarnarna maler, se tidigare figur 7 och figur 8.

Not: Rörelsemönstret i diagrammet indikerar på att det under vissa perioder går att urskilja

en relation mellan minskad partikelnivå (d50) och minskad bindetid i BAS-cement dock visualiseras även det motsatta. Medelvärdet på partikelstorlek (d50) för urvalet är 12,5 µm. Den genomsnittliga kapaciteten för urvalet är 91%. Under oktober 2016 justeras

partikelstorleken (d50) ner från 14,3 µm till 12,8 µm. För samma period minskar bindetiden från 175 minuter till 150 minuter.

Figur 11: Linjediagram partikelstorlek (d50) och bindetid i cementkvarn 1, baserat på egna

Not: Rörelsemönstret i diagrammet indikerar på att det under vissa perioder går att urskilja

en relation mellan minskad partikelstorlek (d50) och minskad bindetid i BAS-cement dock visualiseras även det motsatta. Medelvärdet på partikelstorlek (d50) för urvalet är 12,7 µm. Den genomsnittliga kapaciteten för urvalet är 93%. Under oktober 2016 justeras

partikelstorleken (d50) ner från 14,4 µm till 12,7 µm. För samma period minskar bindetiden från 175 minuter till 150 minuter.

Figur 12: Linjediagram partikelstorlek (d50) och bindetid i cementkvarn 2, baserat på egna

4.3 Klinkerns kalkmättnadsgrad i relation till mål

4.3.1 Beskrivande statistik över klinkerns kalkmättnadsgrad

Tabell 10 nedan, beskriver urvalets data och redogör för dess storlek med medelvärde för gruppen kalkmättnadsgrad, median och standardavvikelse på årsbasis.

Tabell 10 Beskrivande statistik över klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8, baserat

på egna beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

Antal (dgr) Medel (KM) Median (KM) Standard-avvikelse (KM) Maximum (KM) Minimum (KM) 2016 364 98,14 97,95 1,55 103,83 94,55 2017 363 98,65 98,61 2,02 103,97 92,50 2018 (Q1) 89 99,07 98,69 1,19 103,52 96,31

Tabell 11 Processens kapabilitet kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8, baserat på egna

beräkningar utifrån data från Cementfabriken.

Medel (KM) Standard- avvikelse (KM) Riktvärde (KM) Undre larmgräns (KM) Övre tolerans-gräns (KM) Undre tolerans-gräns (KM) Cp Cpk min 2016 98,14 1,55 97 95 100 95 0,54 0,40 2017 98,65 2,02 97 95 100 95 0,41 0,22 Not: Kapabilitetsindex försämras från 0,54 till 0,41 mellan de två studerade åren till följd

att standardavvikelsen ökar från 1,55 till 2,02.

Figuren nedan, figur 13, illustrerar processens kapabilitet 2016 och 2017 i relation till en normalfördelad kurva som uppnår ett kapabilitetindex på 0,83 vilken illustreras med den streckade normalfördelningskurvan. Den försämring mellan året som identifierats genom studerat material visualiseras genom de båda kurvornas relation till varandra. Kurvornas utformning baseras ett medelvärde för processen motsvarande 98 vilket beräknats utifrån studerat material. Detta medelvärde avviker med en kalkmättnadsgrad från målvärdet på kalkmättnadsgrad 97, se tabell 10 och tabell 11. En notering är att ytan utanför det övre toleransområdet är betydligt mycket större 2017 jämfört med 2016. Detta indikerar på ett ökat antal defekta enheter.

Figur 13: Normalfördelningskurva för 2016 och 2017 över klinkerns kalkmättnadsgrad U8,

4.3.2 Styrdiagram klinkerns kalkmättnadsgrad

Styrdiagram över klinkerns kalkmättnadsgrad, figur 14, med fabrikens fastställda riktvärde på kalkmättnadsgrad 97 samt undre larmgräns 95 (Cementfabriken, Driftsförutsättningar standardklinker, 11 maj 2018). Diagrammet indikerar på en övre och undre

kalkmättnadsgrad på 95 respektive 100 som för detta arbete betraktas som rimliga toleransgränser för processen.

Not: Med undantag från de första fyra månaderna 2016 indikerar processen på långsam

variation med start med en dipp under kalkmättnadsgrad 95 i april till och med årsskiftet 2016/2017. Perioden inleds med ett gradvist ökande medelvärde som når sin topp under månadsskiftet juli/augusti. Därefter minskar medelvärdet fram till början av december. Under december 2016 och januari 2017 rör sig indikatorn runt sitt medelvärde med tecken på korttidsvariation. 2017 karaktäriseras av en mycket stor kortidsvariation med stor spridning och flera dippar under kalkmättnadsgrad 95.

Figur 14: Styrdiagram klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8, baserat på egna

4.3.3 Linjediagram klinkerns kalkmättnadsgrad och kapacitet

Diagrammet nedan, figur 15, illustrerar hur kapaciteten i cementkvarnarna förändras över tid i relation till nivå på klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8. Data över klinkerns kalkmättnadsgrad har justerats fem dagar i förhållande till cementkvarnarnas kapacitet för att på detta vis avspegla tiden mellan de båda processerna.

Not: Diagrammet indikerar på en relation mellan ökad kalkmättnadsgrad och ökad

kapacitet i de båda cementkvarnarna. Detta samband kompletterar tidigare relation mellan partikelstorlekens (d50) påverkan på kapacitet, se tidigare figur 7 och figur 8. För att underlätta tolkning av diagrammet har ett glidande medelvärde använts för att åstadkomma en mer utjämnad process. Med start den 1 april 2016 ökar klinkerns kalkmättnadsgrad såväl som kapaciteteten i de båda cementkvarnarna. Kapaciteten i de båda cementkvarnarna ligger på ungefär 85% men stiger till över 100% den 1 oktober 2016. Därefter sjunker kapaciteten parallellt med en sjunkande kalkmättnadsgrad.

Figur 15: Linjediagram kapacitet och klinkerns kalkmättnadsgrad, baserat på egna

4.4 Klinkerns påverkan på cementmalningsprocessens kvalitet

Diagrammet nedan, figur 16, illustrerar hur tryckhållfasthet vid 28-dagars BAS-cement förändras över tid i relation till nivå på klinkerns kalkmättnadsgrad från ugnslinje 8. Ingen justering i tid har gjorts. Ett glidande medelvärde med 20 värden har tillämpats för att åstadkomma en mer utjämnad process.

Not: Genom diagrammet med glidande medelvärde går det att studera trender, dippar och

toppar i rörelsemönstret för klinkerns kalkmättnadsgrad och det färdiga BAS-cementets tryckhållfasthet vid 28-dagar. Det bör noteras att trots att diagrammet redovisar

genomsnittliga mätvärden över klinkern och det färdiga cementet på en specifik tidpunkt korresponderar inte mätningen och resultatet med varandra. Detta eftersom de kontroller som görs i produktkvalitet tas i det färdiga cementet vars värden på klinkerns uppmäts i ett tidigare steg i processen. Vad diagrammet talar för är att det under vissa perioder uppstår en motsatt effekt mellan klinkerns kvalitet och det färdiga cementets tryckhållfasthet. Under början av 2016 ökar tryckhållfastheten då klinkerns kalkmättnadsgrad uppvisar tecken på att minska. Vid halvårsskiftet 2016 tycks de båda processerna dock röra sig något mer jämsides. Detta skulle kunna tolkas som att tryckhållfastheten ökar i det färdiga cementet i takt med att klinkerns kalkmättnadsgrad ökar.

Figur 16: Linjediagram med glidande medelvärde med tryckhållfasthet 28-dagars