Product Standardization of Shell and Tube Heat Exchangers

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka kohdeyrityksessä nykyhetkellä pitkältiräätälöitynä tuotetut putkilämmönvaihtimet voitaisiin standardisoida, jotta pystyttäisiin kohdistamaan resursseja oikein ja parantamaan siten yrityksen taloudellista suorituskykyä. Tutkimuksen edetessä määräävimmäksi tekijäksi työn tuloksia ajatellen nousi taloudellinen standardisointiaste, jonka perusteeksi kohdeyrityksen putkilämmönvaihtimissa valittiin standardisoitu suunnitteluohjeisto. Suunnitteluohjeiston lisäksi tuotestandardiin liitettiin ehdotus toimintapojen automatisoimisesta parametrisen valintataulukon sekä sähköisen manuaalin avulla. Työssä tuotestandardisointia tarkastellaan rationalisointi-investointina ja sen kannattavuutta on tarkasteltu investointilaskelmien sekä herkkyys analyysin avulla. Alkuarvot investointilaskelmissa perustuvat työssä yhdelle putkilämmönvaihtimelletoteutettuun tuotestandardisointitapaan, jos tätä tapaa käytettäisiin jatkossa kaikkiin kyseisen yksikön putkilämmönvaihtimiin.

Constant and variable amplitude fatigue strength of high strength steel welds treated with ultrasonic impact treatment

Hitsattujen rakenteiden väsymiskestävyyttä pystytään parantamaan jälkikäsittelymenetelmillä, joistayksi, ultraäänikäsittely muokkaa hitsin geometriaa ja aiheuttaa puristusjäännösjännitystilan. Tässä tutkimuksessa verrataan kokeellisesti kuormaa kantamattoman hitsatun ja ui -käsitellyn rivan väsymislujuutta toisiinsa. Tutkimusohjelmaan kuuluu kahta teräslajia ja sekä vakio - että vaihtuva - amplitudista kuormitusta. Ultraäänikäsittelyllä saavutetaan väsymiskestoiän parantuminen vakio - ja vaihtuva - amplitudisella kuormituksella. Perusaineen lujuudella ei ole merkittää vaikutusta väsymislujuuteen kun liitos on hitsatussa tilassa. Tällöin väsymiskestävyyden määrää hitsin rajaviivan jännityskeskittymä. Ultraäänikäsitellyn hitsatunliitoksen väsymiskestävyys on suurempi korkeamman lujuuden omaavilla teräksillä. Tästä syystä korkealujuuksisten terästen käyttö ultraäänikäsiteltynä väsyttävästi kuormitetuissa kevytrakenteissa on perusteltua.

Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Laser Cutting of Austenitic Stainless Steel with a High Quality Laser Beam

The thin disk and fiber lasers are new solid-state laser technologies that offer a combinationof high beam quality and a wavelength that is easily absorbed by metal surfacesand are expected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in cutting of metals ofthick sections (thickness greater than 2mm). This thesis studied the potential of the disk and fiber lasers for cutting applications and the benefits of their better beam quality. The literature review covered the principles of the disk laser, high power fiber laser, CO2 laser and Nd:YAG laser as well as the principle of laser cutting. The cutting experiments were made with thedisk, fiber and CO2 lasers using nitrogen as an assist gas. The test material was austenitic stainless steel of sheet thickness 1.3mm, 2.3mm, 4.3mm and 6.2mm for the disk and fiber laser cutting experiments and sheet thickness of 1.3mm, 1.85mm, 4.4mm and 6.4mm for the CO2 laser cutting experiments. The experiments focused on the maximum cutting speeds with appropriate cut quality. Kerf width, cutedge perpendicularity and surface roughness were the cut characteristics used to analyze the cut quality. Attempts were made to draw conclusions on the influence of high beam quality on the cutting speed and cut quality. The cutting speeds were enormous for the disk and fiber laser cutting experiments with the 1.3mm and 2.3mm sheet thickness and the cut quality was good. The disk and fiber laser cutting speeds were lower at 4.3mm and 6.2mm sheet thickness but there was still a considerable percentage increase in cutting speeds compared to the CO2 laser cutting speeds at similar sheet thickness. However, the cut quality for 6.2mm thickness was not very good for the disk and fiber laser cutting experiments but could probably be improved by proper selection of cutting parameters.

Fiber Laser Cutting of Mild Steel

Fiber laser for materials processing have undergone a rapid development in the pastseveral years. As fiber laser provides a combination of high beam quality and awavelength that is easily absorbed by metal surfaces, the named future laser isexpected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in the area of metal cutting. This thesis studied the performance of fiber laser cutting mild steel. In the literature review part, it introduced the laser cutting principle and the principle of fiber laser including the newest development of fiber laser cuttingtechnology. Because the fiber laser cutting mild steel is a very young technology, a preliminary test was made in order to investigate effect of the cutting parameters on cut quality. Then the formal fiber laser cutting experiment was madeby using 3 mm thickness S355 steel with oxygen as assistant gas. The experimentwas focused on the cut quality with maximum cutting speed and minimum oxygen gas pressure. And the cut quality is mainly decided by the kerf width, perpendicularity tolerance, surface roughness and striation patterns. After analysis the cutting result, several conclusions were made. Although the best result got in the experiment is not perfect as predicted, the whole result of the test can be accepted. Compared with CO2 laser, a higher cutting speed was achieved by fiber laser with very low oxygen gas pressure. A further improvement about the cutting quality might be possible by proper selection of process parameters. And in order to investigate the cutting performance more clearly, a future study about cutting different thickness mild steel and different shape was recommended.

A novel procedure for establishing clinching parameters for high strength steel sheet

The building industry has a particular interest in using clinching as a joining method for frame constructions of light-frame housing. Normally many clinch joints are required in joining of frames.In order to maximise the strength of the complete assembly, each clinch joint must be as sound as possible. Experimental testing is the main means of optimising a particular clinch joint. This includes shear strength testing and visual observation of joint cross-sections. The manufacturers of clinching equipment normally perform such experimental trials. Finite element analysis can also be used to optimise the tool geometry and the process parameter, X, which represents the thickness of the base of the joint. However, such procedures require dedicated software, a skilled operator, and test specimens in order to verify the finite element model. In addition, when using current technology several hours' computing time may be necessary. The objective of the study was to develop a simple calculation procedure for rapidly establishing an optimum value for the parameter X for a given tool combination. It should be possible to use the procedure on a daily basis, without stringent demands on the skill of the operator or the equipment. It is also desirable that the procedure would significantly decrease thenumber of shear strength tests required for verification. The experimental workinvolved tests in order to obtain an understanding of the behaviour of the sheets during clinching. The most notable observation concerned the stage of the process in which the upper sheet was initially bent, after which the deformation mechanism changed to shearing and elongation. The amount of deformation was measured relative to the original location of the upper sheet, and characterised as the C-measure. By understanding in detail the behaviour of the upper sheet, it waspossible to estimate a bending line function for the surface of the upper sheet. A procedure was developed, which makes it possible to estimate the process parameter X for each tool combination with a fixed die. The procedure is based on equating the volume of material on the punch side with the volume of the die. Detailed information concerning the behaviour of material on the punch side is required, assuming that the volume of die does not change during the process. The procedure was applied to shear strength testing of a sample material. The sample material was continuously hot-dip zinc-coated high-strength constructional steel,with a nominal thickness of 1.0 mm. The minimum Rp0.2 proof stress was 637 N/mm2. Such material has not yet been used extensively in light-frame housing, and little has been published on clinching of the material. The performance of the material is therefore of particular interest. Companies that use clinching on a daily basis stand to gain the greatest benefit from the procedure. By understanding the behaviour of sheets in different cases, it is possible to use data at an early stage for adjusting and optimising the process. In particular, the functionality of common tools can be increased since it is possible to characterise the complete range of existing tools. The study increases and broadens the amount ofbasic information concerning the clinching process. New approaches and points of view are presented and used for generating new knowledge.

Electromagnetic Design of a Solid Steel Rotor Motor for Demanding Operation Environments

The solid-rotor induction motor provides a mechanically and thermally reliable solution for demanding environments where other rotor solutions are prohibited or questionable. Solid rotors, which are manufactured of single pieces of ferromagnetic material, are commonly used in motors in which the rotationspeeds exceed substantially the conventional speeds of laminated rotors with squirrel-cage. During the operation of a solid-rotor electrical machine, the rotor core forms a conductor for both the magnetic flux and the electrical current. This causes an increase in the rotor resistance and rotor leakage inductance, which essentially decreases the power factor and the efficiency of the machine. The electromagnetic problems related to the solid-rotor induction motor are mostly associated with the low performance of the rotor. Therefore, the main emphasis in this thesis is put on the solid steel rotor designs. The rotor designs studied in thisthesis are based on the fact that the rotor construction should be extremely robust and reliable to withstand the high mechanical stresses caused by the rotational velocity of the rotor. In addition, the demanding operation environment sets requirements for the applied materials because of the high temperatures and oxidizing acids, which may be present in the cooling fluid. Therefore, the solid rotors analyzed in this thesis are made of a single piece of ferromagnetic material without any additional parts, such as copper end-rings or a squirrel-cage. A pure solid rotor construction is rigid and able to keep its balance over a large speed range. It also may tolerate other environmental stresses such as corroding substances or abrasive particles. In this thesis, the main target is to improve the performance of an induction motor equipped with a solid steel rotor by traditional methods: by axial slitting of the rotor, by selecting a proper rotor core material and by coating the rotor with a high-resistive stainless ferromagnetic material. In the solid steel rotor calculation, the rotor end-effects have a significant effect on the rotor characteristics. Thus, the emphasis is also put on the comparison of different rotor endfactors. In addition, a corrective slip-dependent end-factor is proposed. The rotor designs covered in this thesis are the smooth solid rotor, the axially slitted solid rotor and the slitted rotor having a uniform ferromagnetic coating cylinder. The thesis aims at design rules for multi-megawatt machines. Typically, mega-watt-size solidrotor machines find their applications mainly in the field of electric-motor-gas-compression systems, in steam-turbine applications, and in various types of largepower pump applications, where high operational speeds are required. In this thesis, a 120 kW, 10 000 rpm solid-rotor induction motor is usedas a small-scale model for such megawatt-range solid-rotor machines. The performance of the 120 kW solid-rotor induction motors is determined by experimental measurements and finite element calculations.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Sihtirummun valmistuksen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena oli sihtirummun valmistuksen kehittäminen. Työssä tutkittiin ja kehitettiin sihtirummun tukirenkaan ja sauvalangan liittämismenetelmiä. Tavoitteena oli kehittää muita liittämismenetelmiä nykyisen käsnähitsausmenetelmän tilalle. Teoriaosassa perehdyttiin austeniittiseen ruostumattomaan teräkseen, korroosioon, erilaisiin hitsausmenetelmiin ja kovajuottamiseen. Käytännön osassa kerrotaan koekappaleiden suunnittelusta ja valmistuksesta, koekappaleiden koehitsauksista ja kovajuottamisesta sekä tehdyistä veto- ja väsytyskokeista. Lopuksi koetulosten analysoinnin perusteella eri liittämismenetelmät asetetaan paremmuusjärjestykseen.

Terästuotteiden hinnaston uudistaminen

Työn tavoitteena oli uudistaa Rautaruukki Steelin terästuotteiden hinnasto päätuotteiden osalta. Rautaruukki Steelin päätuotteita ovat kuuma- ja kylmävalssatut, kuumasinkityt ja maalipinnoitetut Raahen ja Hämeenlinnan tehtaiden tuottamat terästuotteet. Ensin selvitettiin tuotantohyödykkeiden hinnoittelua ja eri hinnoittelumenetelmiä kirjallisuuden avulla. Tämän jälkeen selvitettiin hinnaston nykytilaa ja uudistetun hinnaston tavoitteita. Hinnaston uudistamisessa käytettiin apuna kilpailijaseurantaa kahden tärkeimmän kilpailijan osalta, paperiteollisuuden benchmarkingia sekä myyntihenkilöstön ja asiakkaiden haastatteluja. Lopuksi perehdyttiin tuotanto- ja kustannusrakenteeseen. Hinnaston uudistamisen taustalla ovat yrityksen strategia- ja teräsmarkkinoiden muutokset. Teräksen hinnoittelu voi olla nyt vapaampaa ja harmonisoiduista hinnastorakenteista ja yhtenevistä perushintaan perustuvista hinnoista voidaan siirtyä kohti Rautaruukin omia tuotanto- ja kustannusrakenteita vastaavaan hinnoitteluun. Hinnaston uudistuksella pyritään myös läpinäkyvyyden ja vertailtavuuden häivyttämiseen. Lisäksi taustalla on brandituotteiden aseman vahvistaminen ja kannattavuuden nostaminen. Perushintapohjaisesta hinnoittelusta kokonaan luopuminen kaatui suurimmaksi osaksi myyntihenkilöstön vastustukseen, jonka vuoksi hinnasto jaettiin kahteen osaan: standardituote- ja brandituotehinnastoihin. Standardituotteiden hinnoittelussa pitäydyttiin nykyisen kaltaisessa kilpailijasuuntautuneessa hinnoittelussa, kun taas brandituotteiden hinnoittelussa sovellettiin markkinalähtöistä efektiivihinnoittelua.

Tandem-GMA Welding of Low Alloy Structural Steel

The Tandem-GMAW method is the latest development as the consequences of improvements in the welding methods. The twin-wire and then the Tandem-method with the separate power sources has got a remarkable place in the welding of many types of materials with different joint types. The biggest advantage of Tandem welding method is the flexibility of choosing both the electrodes of different types from each other according to the type of the parent material. This is possible because of the feasibility of setting the separate welding parameters for both the wires. In this thesis work the effect of the variation in three parameters on the weld bead in Tandem-GMA welding method is studied. Theses three parameters are the wire feed rate in the slave wire, the wire feed rate in the master wire and the voltage difference in both the wires. The results are then compared to study the behaviour of the weld bead with the change in these parameters.

Assessing intellectual capital in a research institute environment in steel industry

Diplomityön tavoitteena oli tutkia aineettoman pääoman hallintaa terästeollisuuden tutkimuslaitosympäristössä, sekä luoda mittaristo kuvaamaan sen tilaa ja kehitystä. Työn rajausten mukaan aineeton pääoma jaettiin Annie Brookingin jaottelun mukaan, ja tarkasteluun valittiin teollisoikeudet sekä henkilöstövoimavarat. Empiirinen osa työstä perustui pääasiassa haastatteluihin sekä Case –yrityksen sisäisiin julkaisuihin. Näitä pyrittiin tulkitsemaan kvalitatiivisten tutkimusmenetelmien oppien mukaan. Tutkimustulosten perusteella voidaan todeta teollisoikeuksien hyödyntämisen olevan suhteellisen vähäistä terästeollisuuden parissa. Syitä tähän on työssä käsitelty melko laajasti. Henkilöstön kehittäminen pitkällä tähtäimellä sekä tiedonkulun tehostaminen henkilöstön keskuudessa ovat puolestaan asioita, joihin kiinnitetään kyseisellä teollisuudenalalla kiitettävässä määrin huomiota. Työn loppupuolella esitelty aineettoman pääoman mittaristo tarjoaa yritykselle työkalun, jonka avulla voidaan monipuolisesti arvioida tätä yrityksille nykyisin elintärkeää asiaa. Lopullista ratkaisumallia se ei aineettoman pääoman mittaamiseen tarjoa, mutta luo kuitenkin tärkeän ensiaskeleen kohti tulevaisuuden yhä kehittyneempiä mittausmenetelmiä.

Roolit, vuorovaikutus ja päätöksenteko johtoryhmätyöskentelyssä, case Imatra Steel Imatran terästehdas

Tutkimus on luonteeltaan laadullinen ja sen tavoitteena on tarkastella johtoryhmätyöskentelyä ja päätöksentekoa roolien ja vuorovaikutuksen kautta. Roolit perustuvat havainnointitutkimukselle Imatra Steelin Imatran terästehtaan johtoryhmässä. Tutkimuksessa on lisäksi hyödynnetty teemahaastatteluja ja yrityksen dokumentteja, ja näin ollen aineistotriangulaatiota. Tutkimuksen painotus on empiirisellä osalla. Tutkimuksen avulla todetaan, että johtoryhmätyöskentely kohdeyrityksessä on perinteitä noudattelevaa ja keskittynyt informaation jakamiseen sekä toiminnan koordinointiin. Strateginen päätöksenteko ja dynaaminen johtoryhmätyöskentely ovat vähemmän painottuneita. Päätökset johtoryhmän kokouksissa syntyvät keskustelujen tuloksena puheenjohtajan tehdessä lopullisen ratkaisun.

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.