Kuorimarummun kantokehän ja lohkon valmistuksen ja vaihdon kriittiset menestystekijät

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma Sami Suvanto Kuorimarummun kantokehän ja lohkon valmistuksen ja vaihdon kriittiset menestystekijät. Diplomityö 2014 64 sivua, 16 kuvaa, 5 taulukkoa, 1 liite Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Jari Junninen Hakusanat: kuorimo, kuorimarumpu, kantokehä, vaippalohko, hitsaus Keywords: wood room, debarking drum, support ring, drum shell, welding Sellutehtaiden puunkäsittelylaitoksilla kuorimarumpu on yksi tärkeimmistä prosessilaitteista. Kuorimarummun kantokehän tai lohkon vaihto on tyypillisesti koko puunkäsittelyn elinkaaren merkittävin korjausinvestointi. Markkinoilla on muutamia laitevalmistajia, jotka kilpailevat omien, sekä kilpailijoiden kuorimarumpujen korjausurakoista. Tässä diplomityössä selvitetään kuorimarummun kantokehän ja lohkonvaihtourakoiden kriittiset menestystekijät. Selvitys tehdään arvioimalla tekninen konstruktio, vaihtomenetelmät, sekä toimintamalli vaihtoprojektin suorittamisessa. Case tutkimukseen valittiin yksi kilpailijalle hävitty vaippalohkon vaihtotarjous, yksi kilpailijalle hävitty kantokehän vaihtotarjous, sekä yksi kantokehätoimitus. Työn tuloksena vahvuudet ja heikkoudet kuorimarummun kunnossapidossa tulivat esiin. Työn aikana löydettiin myös lukuisia kehitysideoita. Näitä ideoita viedään eteenpäin normaalina kehitystyönä.

Kuorimon automaatiojärjestelmän optimointi

Työn tavoitteena oli pienentää kuorinnassa syntyviä puuhäviöitä ja parantaa linjan käytettävyyttä nykyaikaisella puunkuorimolla. Tavoitteet toteutettiin automaatiojärjestelmään tehdyillä muutoksilla. Rumpukuorintaprosessi on säilynyt pitkään samanlaisena. Viime vuosina on markkinoille tullut uusia älykkäitä mittalaitteita ja optimointiin kykeneviä säätöjärjestelmiä. Uudenlaisella automaatiotekniikalla on mahdollista mitata kuorintatulosta ja kuorinnassa syntyneitä puuhäviöitä reaaliaikaisesti. Laaduntarkkailun lisäksi tietoja hyödynnetään kuorintaprosessin automaattisessa ohjauksessa. Optimaalisen kuorintatuloksen saavuttaminen edellyttää virheetöntä automaation toimintaa ja tarkkaa viritystä säädöiltä. Työssä perehdyttiin kuorimon perusautomaatioon ja ylemmän tason säädön toimintaan. Prosessinohjauksessa havaitut ongelmakohdat korjattiin. Lopputuloksena saatiin vakiokuorintatehon malli, joka pienentää puuhäviöitä ja parantaa linjaston käytettävyyttä. Saaduilla tuloksilla on merkittävä taloudellinen arvo, ja menetelmät ovat hyödynnettävissä myös toisilla rumpukuorimoilla.

Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Sihtirummun väsymisominaisuuksien määrittäminen

Diplomityössä tutkittiin sihtirummun väsymisominaisuuksia. Sihtirumpu on laite, jota käytetään paperin valmistuksessa kuitumassojen käsittelyssä. Työn tavoitteena oli määrittää profiililankatyypin ja tukirenkaan erilaisten valmistustapojen vaikutus sihtirummun väsymiskestävyyteen. Lisäksi tutkittiin vauriomuotoa, jossa yksittäinen profiililanka irtoaa tukilangasta. Sihtirummun väsymisominaisuuksia määritettiin käyttämällä perinteisiä lujuusopin menetelmiä sekä FE-analyysiä ja väsytyskokeita. Teoreettisilla menetelmillä, jotka perustuivat loven vaikutuksen arviointiin, pyrittiin määrittämään perusaineen väsymislujuutta, ja väsytyskokeilla määritettiin sihtirummun hitsien väsymislujuuksia ja yksittäisen langan irtoamista. Sihtirummun hitsit olivat väsymislujuudeltaan huomattavasti perusainetta heikompia, eikä profiililankatyyppi vaikuttanut merkittävästi sihtirummun väsymiskestävyyteen. Hitsaamattoman tukirenkaan ja tukilangan liitoksen havaittiin nostavan sihtirummun väsymiskestävyyttä, mutta silloin ongelmana ovat tukirenkaan ja tukilangan väliin pääsevät kuidut. Yksittäisen profiililangan irtoamisen ei pitäisi rajoittaa sihtirummun väsymiskestävyyttä.

Materiaalin valinta sulatuskuljettimen kuluviin kohteisiin

Sellutehtaiden vesikiertojen sulkeutuminen on lisännyt prosessiveden korrodoivuutta. Korroosio- ja mekaanisen kulumisen aiheuttamat ongelmat ovat nousseet esille, kun käytettävät kulutusteräkset eivät enää kestä muuttuneita prosessiolosuhteita. Tässä diplomityössä materiaalin valinnan avulla on etsitty paremmin kulumista kestävää terästä sellutehtaan kuorimon sulatuskuljettimeen. Työssä on tutkittu terästen kulumiskestävyyttä ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Tarkastelun kohteena ovat olleet materiaalien koostumus ja ominaisuudet sekä kulumisympäristö. Työn tavoitteina oli lisätä ymmärtämystä ketjukuljettimissa esiintyvistä kulumismekanismeista ja niihin vaikuttavista tekijöistä. Hankittua tietämystä on käytetty apuna materiaalin valinnassa. Kulumiskestävyyden selvittämiseksi eri koostumuksen omaavia kaupallisia teräksiä testattiin oikeissa käyttöolosuhteissa ja kontrolloiduissa laboratorio-olosuhteissa. Työssä on valittu testattujen terästen joukosta parhaiten sulatuskuljettimen kuluviin kohteisiin soveltuva teräs.

Ison tuuligeneraattorin roottorin ja staattorin rakennetarkastelu

Maailmanlaajuinen ilmastopolitiikka asettaa vaativia tavoitteita hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Suurin haaste on tuottaa energiaa mahdollisimman alhaisin kustannuksin käyttäen uusiutuvia ja ympäristöä säästäviä energiamuotoja. Tuulivoimasta on tullut nopeimmin kehittyvä sähköntuotantotapa, ja tuuliturbiinien koon kasvun myötä on myös generaattorien koko kasvanut merkittävästi 1990-luvulta lähtien. Generaattorin massiivisuus suoravetoisessa tuuliturbiinin voimansiirrossa vaatii tarkkoja kuormitustarkasteluja, jotta rakenne kestäisi tuuliturbiinin eliniän. Tuuliturbiinin kuormitukset ovat stokastisia ja toisinaan erittäin suuria, mikä vaikeuttaa kuormitusten määrittämistä. Tuulen kuormitusten lisäksi generaattori altistuu eri toimintojen kautta muillekin kuormituksille, ja tästä syystä on otettava huomioon jarrutuksen, dynaamisen tasapainon ja ohjauksen sekä verkkovikojen aiheuttamat rasitukset tuuliturbiinin voimansiirrolle. Edellisten lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisia rakenneratkaisuja sekä pyritty kiinnittämään huomio niiden kuormankantokykyyn ja jäykkyyteen sekä generaattorin keventämismahdollisuuksiin verrattuna perinteisiin radiaalivuogeneraattoreihin. Työssä on pyritty selvittämään rakenteen kuormitukset siten, että pystyttäisiin optimoimaan mahdollisimman kevyt rakenne. Optimoinnin kohteena on pinnarakenteisen generaattorin rakenteen massa puolien, puolan kulmien sekä tukirenkaan ja niistä aiheutuvien erilaisten rakenneyhdistelmien suhteen tarkasteltuna.

Computational studies of deformation in stainless steel rings due to torch heating

A support ring of AISI 304L stainless steel that holds vertical, parallel wires arranged in a circle forming a cylinder is studied. The wires are attached to the ring with heat-induced shrinkage. When the ring is heated with a torch the heat affected zone tries to expand while the adjacent cool structure obstructs the expansion causing upsetting. During cooling, the ring shrinks smaller than its original size clamping the wires. The most important requirement for the ring is that it should be as round as possible and the deformations should occur as overall shrinkage in the ring diameter. A three-dimensional nonlinear transient sequential thermo-structural Abaqus model is used together with a Fortran code that enters the heat flux to each affected element. The local and overall deformations in one ring inflicted by the heating are studied with a small amount of inspection on residual stresses. A variety of different cases are chosen to be studied with the model constructed to provide directional knowledge; torch flux with the means of speed, location of the wires, heating location and structural factors. The decrease of heating speed increases heat flux that rises the temperature increasing shrinkage. In a single progressive heating uneven distribution of shrinkage appears to the start/end region that can be partially fixed with using speeded heating’s to strengthen the heating of that region. Location of the wires affect greatly to the caused shrinkage unlike heating location. The ring structure affects also greatly to the shrinkage; smaller diameter, bigger ring height, thinner thickness and greater number of wires increase shrinkage.

Development of support and drive systems for defiberization drum

Diplomityön tarkoituksena oli kuidutusrumpulaitteiston käytön- ja kannatuksen kehittä-minen. Työ rajattiin laajuutensa vuoksi koskemaan tuotesarjan viittä pienintä kokoa. Työn alkuosassa käsitellään kuidutuksen teoriaa ja siihen soveltuvia laitteistoja. Käytön suunnittelun kannalta olennaista käynnistystehon tarvetta on tarkasteltu lähtökohdaisesti fysiikan avulla. Perustietoja teorialle on haettu aiemmista tutkimuksista sekä kirjallisuu-desta. Tarkastelun tuloksena teoriaa on kehitty ja se on saatu vastaamaan todellisuutta aiempaa paremmin. Kannatuksen ja käytön toteuttamisvaihtoja etsittäessä on käytetty systemaattisen koneen-suunnittelun keinoja. Saatuja ideoita on arvioitu teknillis-taloudellisin perustein ja näistä on valittu parhaat vaihtoehdot jatkokehitykseen. Jatkokehitysvaiheessa ratkaisuvaihto-ehtoja on tarkasteltu komponenttitasolla ja näistä on tehty yksityiskohtaiset kustannus-laskelmat. Työn tuloksena on esitetty kannatuksen ja käytön toteutusvaihtoehto, jonka avulla voidaan saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä. Korkea, 30 prosentin kustannussäästö-tavoite saavutettiin.

Decision support systems in wood procurement. A Review

Summary

Testing of Vacuum Drum Filter

Tämän diplomityön tavoitteena oli testata ja optimoida erään alipainerumpusuodattimen toimivuutta, ja lisäksi maksimoida tuottavuus ja vertailla erilaisten pesumenetelmientehokkuutta. Testilietteiden ¿ rautarikasteen ja täyteainepastan ¿ karakterisointi oli myös tärkeää. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lyhyesti neste-kiintoaine-erotuksen teoriaa, erityisesti alipainesuodatusta ja alipainerumpusuodattimia. Lisäksi käsiteltiin kapillaarisuodatuksen toimintaperiaatteita sekä selvitettiin kaivosteollisuuden veden talteenottokeinoja, kiintoainejäämien käsittelymenetelmiä ja Chilen kaivosteollisuuden nykytilaa. Työn kokeellinen osa suoritettiin käyttämällä raskaita ja kiintoainepitoisuuksiltaan korkeita lietteitä, eli rautarikastetta ja täyteainepastaa. Kokeet suoritettiin erityisellä alipainerumpusuodattimella, joka oli muokattu perinteisestäpäältä syötettävästä alipainerumpusuodattimesta. Kokeissa tutkittiin pyörimisnopeuden ja erilaisten pesumenetelmien vaikutusta kakun kosteuteen ja suodatuskapasiteettiin. Koelietteiden karakterisointi suoritettiin analysoimalla partikkelikokojakauma, kiintoainepitoisuus, metallipitoisuus ja koostumus. Kokeiden perusteella havaittiin, että rummun pyörimisnopeudella ja lietteen kiintoainepitoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuskapasiteettiin ja kakun kosteuspitoisuuteen. Havaittiin myös, että kakun kosteuspitoisuuksissa ja rummun suodatuskapasiteeteissa oli eroja, kun verrattiin eri suodatinväliaineen pesumenetelmiä. Täten oikean pesumenetelmän valinta on tärkeää, ja sillä pystytään lisäämään suodatinväliaineen käyttöikää.

Development of rotating drum under mechanical and thermal load

A variable temperature field sets exacting demands to the structure under mechanical load. Most of all the lifetime of the rotating drum structure depends on temperature differences between parts inside the drum. The temperature difference was known because of the measurements made before. The list of demands was created based on customers’ needs. The limits of this paper were set to the inner structure of the drum. Creation of ideas for the inner structure was started open minded. The main principle in the creation process was to create new ideas for the function of the product with the help of sub-functions. The sub-functions were created as independent as possible. The best sub-functions were combined together and the new working principles were created based on them. Every working principle was calculated separately and criticized at the end of the calculation process. The main objective was to create the new kind of structure, which is not based too much to the old, inoperative structure. The affect of own weight of the inner structure to the stress values was quite small but it was also taken into consideration when calculating the maximum stress value of the structure. Because of very complex structures all of the calculations were made with the help of the ProE – Mechanica software. The fatigue analyze was made also for the best structure solution.

Stock flow through a drum screen

Tässä diplomityössä haluttiin mallintaa kuidutusrummun toimintaa Fluent virtausmallinusohjelman avulla. Aikaisempi tieto ja kehitystyö on perustunut kokemukseen ja käytännön kokeisiin. Kehitystyön alkuaikoina on suoritettu muutamia laskelmia koskien rummun tuottoa mutta sen jälkeen ei toimintaa ole laskennallisesti kuvattu. Työn ensimmäinen osa käsittelee yleisesti keräyspaperin käsittelyyn liittyviä laitteita ja menetelmiä. Toimintaperiaatteita on kuvattu yleisellä tasolla ja FibreFlow® rumpu on sitten käsitelty muita laitteita tarkemmin. Työn toinen osa sisältää sitten laboratoriotestit paikallisilta tahteilta hankittujen näytteiden viskositeettien ja tiheyksien määrittämiseksi. Kokeet suoritettiin Kemiantekniikan osastolla Brookfield viskoosimetrillä. Joitain alustavia laskentoja tuotosta suoritettiin aikaisempien tietojen perusteella. Rumpua kun on valmistettu vuodesta 1976, on tietoa kertynyt runsaasti vuosien mittaan. Laskelmia varten valittiin mallinnettavaksi alueeksi vain yksittäinen reikä sihdistä jolle laskettiin massavirta. Käytetyt laadut olivat OCC ja DIP. Myös eri rumpukoot otettiin jossain määrin huomioon.

Stretching the drum skin : an analysis of power relations in leadership and succession in the Evangelical Lutheran church in Tanzania-Northern diocese 1942– 1993

-