Strategische Planung des Stahlwerkslayouts für optimale Produktivität

Systematische Planung des Gesamtlayouts eines Stahlwerks

Die Gestaltung des Gesamtlayouts eines Stahlwerks besteht aus einem Mechanismus, der Kenntnisse über die Flächenanforderungen der Anlagen und deren richtige Anordnung umfasst, damit ein kontinuierlicher und stetiger Materialfluss im Produktionszyklus stattfindet. Das Gesamtlayout der Anlage trägt maßgeblich zur Produktivität und Effizienz des Werks bei.

Die Planung des Gesamtlayouts ist eine äußerst wichtige Aktivität, die höchste Aufmerksamkeit erfordert. Denn sobald der Stahlwerkbau abgeschlossen ist, kann die grundlegende Natur des Gesamtlayouts bis zum Ende der Lebensdauer der Anlage nicht mehr geändert werden. Jegliche spätere Layoutänderung ist nicht nur schwierig, sondern erfordert auch erhebliche Kapitalausgaben. Zudem hängt die Leistung des Stahlwerks in großem Maße von seinem Gesamtlayout ab. Da Layoutfehler meist dauerhafter Natur und teuer sind, ist es essenziell, während der Anlagenplanung viel Zeit und Mühe in die Entwicklung des bestmöglichen Layouts zu investieren. Abbildung 1 zeigt ein typisches Gesamtlayout für ein Stahlwerk (Bethlehem Steel Plant).

Abb. 1 Typisches Gesamtlayout für ein Stahlwerk

Definition und Umfang des Gesamtlayouts

Der Begriff „Gesamtlayout“ wird primär verwendet, um die physische Anordnung der verschiedenen Anlagen des Werks darzustellen. Diese Anlagen sind für die Herstellung der Endprodukte aus Rohstoffen erforderlich und umfassen: (i) Anlagen für den Empfang aller für die Produktion benötigten Materialien, (ii) Produktionsanlagen gemäß technologischen Anforderungen, (iii) unterstützende Produktionsanlagen, (iv) Anlagen für den Transport und die Kommunikation von Personal und Materialien, (v) Anlagen für den Produktversand, (vi) Lageranlagen für verschiedene Materialien und Produkte, (vii) Verwaltungsanlagen, (viii) Anlagen für das Wohl der Belegschaft, (ix) Anlagen für den Umweltschutz, (x) Anlagen für Sicherheit und Schutz.

Das Gesamtlayout eines Stahlwerks ist die physische Anordnung seiner Produktions- und unterstützenden Einrichtungen wie Produktionshallen, Ausrüstungen, Maschinen, Gebäude, Straßen-, Schienen- und Rohrleitungsnetze usw. Das Layout bestimmt, wie Materialien und andere Inputs (wie Informationen) durch den Betrieb fließen. Es muss so geplant sein, dass ein reibungsloser technologischer Prozessfluss von Materialien und Versorgungsmedien mit minimalem Handling vom Wareneingang der Rohstoffe bis zum Versand der Fertigprodukte gewährleistet ist. Es erfordert eine umsichtige Anordnung aller für eine reibungslose Produktion erforderlichen Einrichtungen. Mangelhafte Layoutplanung in der Engineering-Phase führt zu Ineffizienz, Unflexibilität, großen Beständen und Arbeit im Prozess sowie hohen Betriebskosten.

Gesamtziel und Planungsgrundlagen

Kurz gesagt: Das übergeordnete Ziel des Stahlwerksplaners ist es, eine physische Anordnung zu entwerfen, die die Zuweisung notwendiger Fläche und die Anordnung von Anlagen und Einrichtungen so vornimmt, dass die Anforderungen an das Endprodukt – sowohl qualitativ als auch quantitativ – erfüllt werden,同时确保 die wirtschaftliche Produktion der gewünschten Produkte.

Für die Entwicklung eines geeigneten Gesamtlayouts benötigt der Layoutplaner: (i) die mit dem Grundstück verbundenen Einschränkungen, (ii) Lageplan mit externen Straßen, Nachbarschaft und Grundstücksgrenzen, (iii) Bodenkennwerte und Geländekarte mit Höhenlinien, (iv) Lage der Verfügbarkeit von Wasser, Strom und anderen Versorgungsmedien, (v) Trassierung der externen Straßen- und Bahnsysteme sowie Richtung des ein- und ausgehenden Verkehrs und Trassierung für externe Stromleitungen und Zulaufwasserleitungen. Zudem benötigt der Planer: (i) Grundkenntnisse der ausgewählten Technologien, Prozesse sowie Anlagen und Ausrüstungen, (ii) Werkskapazitäten und geplante zukünftige Erweiterungen, (iii) gesetzliche Anforderungen.

Das Gesamtlayout des Stahlwerks soll: (i) die lokalen natürlichen Gegebenheiten optimal nutzen bei rationeller Flächennutzung, (ii) eine systematische Anordnung der Werksbereiche für Synergien schaffen, (iii) sicherstellen, dass für verschiedene Aktivitäten minimaler Aufwand nötig ist, (iv) einen wirksamen Umweltschutz gewährleisten.

Methoden der Layoutplanung

Es gibt mehrere Methoden für die Planung des Gesamtlayouts: (i) Systematic Layout Planning (SLP), (ii) Algorithmen, (iii) Arena-Simulation. Die SLP-Methode ist für ein Stahlwerk am besten geeignet.

Definitionen des Werksgesamtlayouts

Es gibt mehrere Definitionen für das Werksgesamtlayout. Einige davon:

• Moore beschreibt Werkslayout als „den Plan oder den Akt der Planung einer optimalen Anordnung von Einrichtungen, einschließlich Personal, Betriebsausrüstung, Lagerraum, Materialhandhabungsgeräten und allen sonstigen unterstützenden Dienstleistungen sowie dem Design der besten Struktur zur Aufnahme dieser Einrichtungen“.
• Nach Riggs: „Das übergeordnete Ziel des Werkslayouts ist es, eine physische Anordnung zu entwerfen, die die geforderte Ausbringungsmenge und -qualität am wirtschaftlichsten erfüllt“.
• Nach J. L. Zundi: „Werkslayout beinhaltet die Zuteilung von Raum und die Anordnung von Ausrüstung so, dass die gesamten Betriebskosten minimiert werden“.
• Nach Dr. M. N. Dastur: „Das Gesamtlayout eines integrierten Stahlwerks ist im Grunde eine Übung in der rationalen Anordnung der Haupteinheiten, der Energienetze und der Hilfsbetriebe innerhalb der Grenzen des gewählten Standorts“.

Prinzipien der Gesamtlayoutgestaltung

Das Gesamtlayout im Stahlwerk bestimmt die Lage der verschiedenen Produktionsanlagen und der Kommunikationswege zwischen ihnen. Das Produktionshallenlayout beinhaltet die detaillierte Lage von Ausrüstung und Maschinen innerhalb einer Produktionsanlage.

Es gibt acht Prinzipien für die Gestaltung eines Gesamtlayouts: (i) Prinzip der minimalen Wege, (ii) Prinzip der Reihenfolge/des Flusses, (iii) Prinzip der Nutzung, (iv) Prinzip der Kompaktheit, (v) Prinzip der Sicherheit und Zufriedenheit, (vi) Prinzip der Flexibilität, (vii) Prinzip der Interdependenz, (viii) Prinzip der minimalen Investition.

• Prinzip der minimalen Wege: Gewährleistet minimalen Transport von Personal und Material, spart Zeit und reduziert Materialverluste beim Transport.
• Prinzip der Reihenfolge/des Flusses: Stellt sicher, dass Produktionseinheiten gemäß dem durch die Produktionstechnologie erforderlichen Prozessfluss angeordnet sind. Vermeidet unnötige Hin- und Herbewegungen von Materialien.
• Prinzip der Nutzung: Stellt sicher, dass der Flächenbedarf auf optimaler Auslastung basiert.
• Prinzip der Kompaktheit: Erfordert, dass alle wesentlichen Faktoren vollständig integriert und miteinander verknüpft sind, um ein gut integriertes Gesamtlayout zu erzeugen.
• Prinzip der Sicherheit und Zufriedenheit: Das Layout muss Sicherheitsvorkehrungen für Anlage, Ausrüstung und Mitarbeiter enthalten. Es soll auf Komfort und Bequemlichkeit der Beschäftigten basieren, damit sie sich zufrieden fühlen. Alle regulatorischen Anforderungen sind zu erfüllen. Sicherheit umfasst auch Brandschutz und Security.
• Prinzip der Flexibilität: Das Layout muss Verbesserungen mit minimalen Schwierigkeiten und Kosten ermöglichen. Vorkehrungen für zukünftige Erweiterungen sind einzuplanen.
• Prinzip der Interdependenz: Interdependente Einheiten sollen in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden.
• Prinzip der minimalen Investition: Das Layout soll niedrigere Fixkosten ermöglichen, ohne auf erforderliche Einrichtungen zu verzichten und durch effiziente, optimale Nutzung verfügbarer Einrichtungen.

SLP-Methode der Layoutplanung

Die SLP-Methode für die Layoutplanung ist sehr beliebt und wird nicht nur für das Gesamtlayout, sondern auch für detaillierte Layouts von Produktionshallen und verschiedenen Einrichtungen eingesetzt.

Bevor die Gestaltung des Gesamtlayouts begonnen wird, ist es unerlässlich, das Windrosendiagramm des Gebiets zu untersuchen. Dieses Diagramm informiert den Planer über Richtungen und Häufigkeiten der Winde im Werksgelände über das Jahr. Weitere wichtige Untersuchungen: (i) verschiedene Geländeniveaus innerhalb der Grundstücksgrenzen, (ii) Zufahrten für Straßen- und Schienenanschluss an externe Netze, (iii) Anschluss für die Zulaufwasserleitung, (iv) Anschluss für die Stromübertragungsleitung vom externen Netz, (v) Bereiche für die Entsorgung fester und flüssiger Werksabfälle. Die Geländenivellierung ist nicht nur eine große Aufgabe, sondern auch kostenintensiv. Die Nutzung der vorhandenen Geländekonturen bei der Finalisierung des Gesamtlayouts ist stets wünschenswert, um Nivellierungskosten zu senken.

Zunächst ist die Beziehung zwischen den verschiedenen, technologisch benötigten Produktionsprozessen und dem Materialfluss (Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase) zu betrachten. Üblicherweise erstellt man hierfür eine Materialbilanz und ein Flussdiagramm. Für die Materialbilanz werden Berechnungen für Materialbedarf (Roh- und Hilfsstoffe, Brennstoffe, Zwischenprodukte) basierend auf Ausbeuten und Recycling durchgeführt. Dazu sind diverse Bilanzdiagramme wie Wasserbilanz, Energiebilanz etc. zu entwickeln. Schließlich ist eine umfassende Beziehung nach angemessener Gewichtung der verschiedenen Werksaktivitäten zu entwickeln. Abbildung 2 zeigt ein typisches Materialbilanz-Flussdiagramm, Abbildung 3 ein typisches Wasserbilanzdiagramm.

Abb. 2 Typisches Materialbilanz-Flussdiagramm

Abb. 3 Typisches Wasserbilanzdiagramm

Blocklayout und Detailplanung

Der nächste Schritt ist die Aufteilung des Werksgeländes in separate Blöcke und Einheiten gemäß Prozessfluss vor der Platzierung der Einrichtungsanlagen. Dieser Schritt erzeugt den Lageplan (Plot Plan). Bei der Erstellung des Lageplans wird zuerst der Lage der Hauptproduktionshallen gemäß Produktionsfluss Priorität eingeräumt, dann in einem nachfolgenden Schritt der Lage der unterstützenden Produktionsanlagen. Das Layout in diesem Stadium wird als Blocklayout bezeichnet.

Nachdem das Blocklayout zufriedenstellend vorbereitet wurde, beginnt die Platzierung der einrichtungstechnisch benötigten Anlagen im Block basierend auf dem Flächenbedarf. Dabei ist der Mindestabstand zwischen den Anlagen für gesetzliche Anforderungen und Materialbewegungen (z. B. Winkel von Bandförderern) zu beachten.

Danach ist über die Lage der Lager- und Materialflusseinrichtungen zu entscheiden. Die Materialflussentscheidung muss den Wareneingang von externen Quellen und den Produktversand vom Werk umfassen. In diesem Schritt werden auch das Rohrleitungsnetz, das Stromübertragungsnetz sowie das Straßen- und Schienennetz des Werks festgelegt. Bei der Planung der verschiedenen Netze ist zu beachten: Je länger das Netz, desto höher die Investition und die Verluste beim Materialtransport. Netze müssen auch gesetzliche Mindestabstände einhalten.

Planung eines guten Layouts im Projekt

Die Layoutentscheidung ist von größter Bedeutung, da sie eine langfristige Verpflichtung darstellt. Wenn das Verhältnis zwischen Ausgabe, Fläche und technologischem Prozess nicht optimal ist, wirkt sich dies über die gesamte Lebensdauer auf den Werksbetrieb aus. Technische Normen für ein gutes Layout:

• Integration: Enge Integration von Personal, Material, Ausrüstung und Unterstützungsdiensten für optimale Ressourcenausbeute.
• Flächennutzung (Raum): Richtige Nutzung sowohl horizontaler als auch vertikaler Räume. Höhe und Länge der Einrichtungen sind zu optimieren. Die Werksfläche ist ökonomisch zu nutzen.
• Distanz: Minimale Wege für Personal und Material. Gesamtwegstrecke ist so weit wie möglich zu minimieren. Gerade Bewegungen sind vorzuziehen.
• Produktionsanlagen-Layout: Produktionsanlagen so anordnen, dass Bewegung von Personal, Material, Zwischen- und Fertigprodukten in Vorwärtsrichtung zum Endstadium gemäß technologischem Fluss erfolgt.
• Koordination: Ein- und Austritt in/aus jedem Bereich so planen, dass es für beide Abteilungen (versendend/empfangend) am bequemsten ist. Layout als Ganzes betrachten.
• Flexibilität: Ausreichende Vorkehrungen für Layoutänderungen bei Werksausbau.
• Zugänglichkeit: Alle Werksbereiche müssen leicht zugänglich sein für Produktion und Instandhaltung.
• Sicherheit: Berücksichtigung industrieller Sicherheitsmethoden. Layout muss alle Sicherheitsanforderungen erfüllen – nicht nur für Personal und Anlage, sondern auch für Straßen-, Gas-, Elektro-, Brand- und Explosionssicherheit.
• Materialhandhabung: Materialhandhabung auf Minimum reduzieren. Übermäßige Handhabung beeinträchtigt Betriebszeit und Produktionskosten.

Weitere grundlegende Aspekte und Kompromisse

Weitere grundlegende Aspekte für ein gutes Gesamtlayout: (i) Produktionsprozess erleichtern und alle Betriebsanforderungen erfüllen, (ii) reibungslosen Wareneingang, Materiallagerung und Produktversand ermöglichen, (iii) reibungslosen Fluss und Lagerung von Zwischenprodukten ermöglichen, (iv) reibungslosen Materialfluss im Werk erlauben, (v) Betriebsflexibilität zulassen, (vi) reibungslosen technologischen Fluss für Produktion unterstützen, (vii) Komfort und Bequemlichkeit für Beschäftigte bieten, deren Wohl und arbeitsmedizinische Bedürfnisse berücksichtigen, (viii) zur Mitarbeitereffizienz, Überwachung und Kontrolle beitragen, (ix) alle gesetzlichen Anforderungen erfüllen, (x) ausreichend Platz für zukünftige Erweiterungen vorsehen, (xi) sowohl Kapital- als auch Betriebskosten minimieren.

Ein Gesamtlayout durchläuft normalerweise eine Reihe von Revisionen von der ersten Erstellung bis zum Gießen der letzten Fundamente. Selbst das „finale Layout“ ist zwangsläufig ein Kompromiss zwischen dem Wunsch, die verschiedenen Kriterien zu erfüllen, und den durch diverse andere Faktoren auferlegten Einschränkungen. Wenn der Planer jedoch die konzeptionelle Vision hat, über den aktuellen Bedarf und unmittelbare Schwierigkeiten hinauszublicken, verfügt das resultierende Layout über die Logik, Flexibilität und Fähigkeit, die dringend benötigte betriebliche Leistung des Werks auch unter veränderten Bedingungen zu erbringen.

Die Gesamtlayouts der Stahlwerke Fukuyama und Kurashiki in Japan sind in Abbildung 4 dargestellt, das Visakhapatnam-Stahlwerk mit einer Kapazität von 3 Millionen Tonnen pro Jahr (Mtpa) in Abbildung 5.

Abb. 4 Gesamtlayouts der Stahlwerke Fukuyama und Kurashiki

Abb. 5 Gesamtlayout des Visakhapatnam-Stahlwerks