Modern recovery boiler design criteria

Engineering and pricing of large recovery boiler were studied in this work. Engineering was carried out with Anita 4.2 which is an engineering program of Andritz. Key initial values were chosen with previous studies. Primary target of this work was to find out the consequences that furnace dimensions and furnace screen vertical part has to boiler pricing. Boilers that were engineered had different rate of furnace width and depth and different heat transfer plate count. Boiler balances were invariable. Boilers with different vertical screen construction were also calculated. First variation was boiler with vertical screen up to furnace roof. Other variation was to connect vertical screen to Pre-boiler generating bank inlet tubes. Total prices were calculated to engineered boilers. Pricing was sort out to heat transfers, high pressure pipes, steel structures, auxiliary equipments and civil/structural costs. This study did not notice parts of the boiler which costs do not vary with the construction of the boiler. Heat transfers had the largest share of costs. Boiler building had the most significant differences between the boilers. Furnace screen had also significant role especially to costs of the boiler building.

Kevyiden rakennemateriaalien soveltamismahdollisuudet metsäkoneissa

Asiakkaiden ympäristötietoisuus, metsäkoneille asetettavat korkeat vaatimukset ja kiristyvä kilpailu pakottavat metsäkoneiden valmistajat etsimään vaihtoehtoisia valmistusmateriaaleja, joita käyttämällä metsäkoneet kevenevät ja sitä kautta niiden ympäristökuormitukset ja käyttökustannukset alenevat ja kapasiteetti kasvaa. Metsäkoneiden rakenteiden keventämisessä alumiini on yksi varteenotettava vaihtoehto teräksen korvaajaksi, sillä alumiinin ominaisuus/paino -suhde on terästä parempi. Alumiinin käyttöä hitsatuissa rakenteissa ovat rajoittaneet sen korkea hinta ja melko huono väsymiskestävyys. Diplomityön tavoitteena on ollut selvittää mahdollisuuksia korvata metsäkoneiden rakenteista löytyviä teräksestä valmistettuja osia alumiinista valmistetuilla osilla. Diplomityön teoriaosassa on käsitelty rakenteiden keventämistä, metsäkoneille asetettavia vaatimuksia, alumiinien materiaaliominaisuuksia, alumiinirakenteiden valmistuksessa käytettäviä menetelmiä sekä alumiinirakenteiden suunnittelua. Lisäksi teoriaosassa on käsitelty komposiittien materiaaliominaisuuksia ja komposiittirakenteiden suunnittelua. Diplomityön kokeellisessa osassa on vertailtu nykyisiä rakennemateriaaleja ja alumiineja metsäkoneen eri osien rakennemateriaaleina osien vaatimusprofiileihin ja materiaalien ominaisuusprofiileihin perustuen. Vaatimusprofiilien perusteella on laadittu ominaisuusprofiilit alumiineille ja teräksille. Sovittamalla vaatimus- ja ominaisuusprofiilit yhteen arvoanalyysin avulla, metsäkoneista on etsitty mahdollisia kohteita, joissa nykyinen rakennemateriaali voitaisiin korvata alumiinilla. Tältä pohjalta metsäkoneista löytyi rakenteita, joissa alumiinin käyttö rakennemateriaalina teräksen sijaan olisi mahdollista. Diplomityö toimii hyvänä pohjana tutkittaessa mahdollisuuksia metsäkoneiden rakenteiden keventämiseksi.

Design and manufacture of a microdistillation column

Aim of this thesis was to design and manufacture a microdistillation column. The literature review part of this thesis covers stainless steels, material processing and basics about engineering design and distillation. The main focus, however, is on the experimental part. Experimental part is divided into five distinct sections: First part is where the device is introduced and separated into three parts. Secondly the device is designed part by part. It consists mostly of detail problem solving, since the first drawings had already been drawn and the critical dimensions decided. Third part is the manufacture, which was not fully completed since the final assembly was left out of this thesis. Fourth part is the test welding for the device, and its analysis. Finally some ideas for further studies are presented. The main goal of this thesis was accomplished. The device only lacks some final assembly but otherwise it is complete. One thing that became clear during the process was how difficult it is to produce small and precise steel parts with conventional manufacturing methods. Internal stresses within steel plates and thermal distortions can easily ruin small steel structures. Designing appropriate welding jigs is an important task for even simple devices. Laser material processing is a promising tool for this kind of steel processing because of the flexibility, good cutting quality and also precise and low heat input when welding. Next step in this project is the final assembly and the actual distillation tests. The tests will be carried out at Helsinki University of Technology.

Trolley R&D project for a small portal log yard crane

This master’s thesis was done for Andritz Inc. Atlanta Georgia. The purpose of the thesis was to develop a new trolley for a small portal log yard crane. In the beginning of the thesis the basic principles of the systematic design processes have been described, along which the design work of the trolley has proceeded. The second literature part consists of the design and dimensioning of the welded steel structures under fatigue loading. The design work of the trolley consists of the engineering and the selection of the mechanical components and the design of the load carrying structure for the trolley. The realization of the steel structure of the trolley is based on the fatigue and static dimensioning. The fatigue dimensioning is grounded in the life expectations estimated for the trolley and the static dimensioning is based on the CMAA guidelines. The computer aided element method was utilized in the design of the steel structure. The effective notch method and the hot spot method were used in the fatigue calculations. The trolley structure was carried out by using the sheet metal parts in order to manufacture the structure as effective and low cost way as possible. The corner stone of the dimensioning of the trolley structure was the utilization of the open profiles made of welded or cold formed sheet metals, which provide better weldability, weld inspection, access for repairs and corrosion protection. As a last part of the thesis a new trolley traveling system was developed. The distribution of the wheel loads of the trolley bogies on the main girder was also studied, which led to an innovative suspension arrangement between the trolley leg and the bogie. The new bogie solution increases the service life of the main girder of the crane and improves the stability of the bogies. The outcome of the thesis is an excellent trolley structure from the weight and the service life point of view.

Suurlujuusterästen suuren lujuuden ja pienen murtovenymän tuomat erityispiirteet teräsrakenteen suunnittelijalle

Suurlujuusteräskonstruktioiden suunnittelu eroaa perinteisten rakenneterästen vastaavasta lukuisten lisähuomiota vaativien ilmiöiden ja seikkojen osalta, jotka kytkeytyvät toisiinsa rakenteen valmistettavuuden ja toiminnallisuuden kautta. Lujuuden sallima vapaampi suunnittelu esimerkiksi ohuempine materiaalivahvuuksineen ja näennäisesti vapaampine elementtigeometrioineen kumuloituu suurlujuusteräsmateriaalin kautta vaativampana työstettävyytenä. Tämä heijastuu suunnittelijalle materiaalin pienen murtovenymän ja käytettävissä olevat laitteistoresurssien kautta. Suurlujuusterästen muovaaminen vaatii perinteisiin rakenneteräksiin nähden suurempaa voimankäyttöä, mutta pieni murtovenymä rajoittaa saavutettavissa olevia muotoja. Materiaalivahvuuksien muuttuessa vaatii hitsausliitosten suunnittelu esimerkiksi railomuotojen uudelleensuunnittelua, sekä lämmöntuonnin aiheuttamien muutosten tarkempaa huomioimista. Näiden yhteensovittaminen ohjaa suunnittelijan poikkeuksetta hakemaan ratkaisuja erilaisista hitsausaineista ja -prosesseista. Suuren lujuuden ja pienen murtovenymän suurlujuusteräselementtien mekaanisten ominaisuuksien ja erilaisen elementtigeometrian yhdistelmänä kumuloituva rakennetekninen käyttäytyminen eroaa selvästi perinteisistä teräslaaduista. Yksittäisten elementtien suhteen korostuvat esimerkiksi stabiliteettiomiinaisuudet, sekä kokonaisten rakenteiden suhteen liitosratkaisujen vaikutus koko konstruktion toimintaan. Onnistuneella suurlujuusteräsuunnittelulla saavutettuja etuja ovat käyttökohteesta riippuen esimerkiksi kymmenien prosenttien massa- ja kustannussäästöjen kautta kumuloituvat konstruktion toiminnalliset edut. Suuren lujuuden terästen materiaaliteknisten erityispiirteiden suhteen ei kuitenkaan ole tarjolla perinteisiä rakenneteräksiä vastaavaa määrää yhteisesti sovittuja standardoituja suunnitteluohjeita. Tämän johdosta korostuu suunnittelijan kyky hahmottaa teräsmateriaalin lujuusluokan taakse piiloutuvat ilmiöt, sekä materiaalitekniset erityispiirteet ja niiden kytkeytyminen toisiinsa valmistettavuuden ja toiminnallisuuden kautta.

Liikkuvien työkoneiden valmistettavuuden kehittäminen teollisessa liiketoimintaverkostossa

Diplomityön tavoitteena oli kehittää Pilomac – konsernin päähankkijayrityksien tuotteiden valmistettavuutta yhteistyössä yrityksien suunnitteluosastojen ja teräsrakenteita valmistavien toimittajayrityksien kanssa. Päähankkija-yritysten, Junttan Oy:n ja Logset Oy:n, osavalmistusten ulkoistamisen myötä toimittajasuhteet ovat vähitellen muuttumassa verkostomaiseen toimintatapaan. Täten on tärkeää muuttaa ja kehittää tuotteiden valmistettavuuden mahdollistavat toimintamallit vastaamaan uutta toimintatapaa. Keskeinen perusmenetelmä valmistettavuuden huomioimisessa on suunnittelun ja valmistuksen välisen tuotekehitysyhteistyön syventäminen rinnakkaissuunnitteluksi, (CE). Verkostokumppaneiden välinen yhteistyö perustuu avoimuuteen, luottamukseen ja molempia osapuolia hyödyttävään jatkuvaan kehitystyöhön. Verkostomainen toimintatapa mahdollistaa luontevasti tuotteen suunnittelu- ja kehitysvastuiden jaottelun yritysten ydinosaamisen mukaan. Onnistuneen työnjaon myötä resurssit lisääntyvät ja valmistusteknologiat, suunnittelu ja laatu kehittyvät ja monipuolistuvat. Työn aihetta tutkittiin soveltavassa osassa benchmarkingin, nykytilakuvauksien sekä toimittajaverkoston analysoinnin avulla. Toimittajaverkoston analysointi tehtiin laajan verkostokumppanikyselyn avulla, josta selvisi Junttan Oy:n toimittajaverkoston resurssit ja kyvykkyys. Kyselyssä selvitettiin myös nykyisten toimittajien näkemyksiä valmistettavuuden kehittämisestä, kumppaneille asetettavista yhteistyövaatimuksista sekä näiden toimintamallien vaikutuksista tuotteiden kilpailukyvyn parantumiseen. Työn tuloksena selvisivät osa-alueet, joita Junttan Oy:n kannattaa hyödyntää tulevaisuudessa enemmän sekä toimintamallit, jotka mahdollistavat tuotteiden valmistettavuuden jatkuvan kehittämisen.

Hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ja niiden hallinta alumiiniveneiden rakenteissa

Alumiiniveneissä hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat usein erittäin haitallisia, koska niiden aiheuttamat mittamuutokset ja ulkonäölliset haitat alentavat tuotteen laatua sekä arvoa. Monissa tapauksissa myös hitsausliitoksen suorituskyky heikentyy ja lisäksi hitsausmuodonmuutokset voivat aiheuttaa toiminnallisia ongelmia alumiiniveneiden runkorakenteisiin. Tästä johtuen hitsausmuodonmuutosten hallinta ja minimointi ovat erityisen tärkeitä tekijöitä pyrittäessä parantamaan alumiiniveneiden laatua ja kustannustehokkuutta sekä kasvattamaan alumiinivenealan kilpailukykyä. Tässä diplomityössä tutkittiin robotisoidun kaasukaarihitsauksen aiheuttamia muodonmuutoksia sekä niiden hallintaa alumiinista valmistettujen työ- ja huviveneiden runkorakenteissa. Työssä perehdyttiin nykyaikaiseen alumiinivenevalmistukseen sekä hitsattujen rakenteiden yleisiin lujuusopin teorioihin ja käyttäytymismalleihin. Alumiinin hitsausmuodonmuutosten tutkimuksissa suoritettiin käytännön hitsauskokeita, joiden kohteina olivat alumiiniveneissä käytetyt rakenneratkaisut ja liitostyypit. Työn tavoitteena oli määrittää alumiinin hitsauksessa syntyviin muodonmuutoksiin keskeisesti vaikuttavia tekijöitä ja parametreja. Tutkimustulosten perusteella pyrittiin esittämään ratkaisuja alumiiniveneiden rakenteisiin aiheutuvien hitsausmuodonmuutosten vähentämiseksi ja hallitsemiseksi. Alumiinirakenteissa hitsausmuodonmuutokset ovat hyvin tapauskohtaisia, koska usein niiden syntyminen määräytyy monen tekijän yhteisvaikutuksesta. Teräsrakenteille käytetyt yleiset analyyttiset laskentakaavat ja käyttäytymismallit eivät sovellu suoraan alumiinirakenteille, mikä johtuu alumiinin erilaisista materiaaliominaisuuksista ja käyttäytymisestä hitsauksen aikana. Tulevaisuudessa empiiristen koejärjestelyiden ja analyyttisten mallien lisäksi sovellettavan numeerisen elementtimenetelmän avulla voidaan parantaa alumiinin hitsauksessa aiheutuvien muodonmuutosten kokonaisvaltaista hallintaa.

Miehistönkuljetusajoneuvon rungon suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella miehistönkuljetusajoneuvon runko. Rungosta suunniteltiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboiva. Rakenne toteutettiin kennora-kenteena. Suunnittelussa sovellettiin koneensuunnittelun periaatteiden lisäksi energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelun periaatteita. Myös valmistustekniset näkökohdat otet-tiin huomioon. Rakenteessa hyödynnettiin Ruukki Oy:n Ramor 500 suojausterästä sekä OPTIM 500 MC terästä. Lisäksi erilaisten täyteaineiden käyttöä tutkittiin. Suunnittelun työkaluna käytettiin epälineaarista elementtimenetelmää, koska energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelussa on otettava huomioon materiaalien epälineaarinen käyttäytyminen. Rakenteen suunnittelu jakaantui viiteen vaiheeseen. Aluksi rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset laskettiin elementtimenetelmän avulla. Esisuunnittelussa lasket-tiin plastisuusteorian avulla alustavasti tarvittavat materiaalipaksuudet. Tämän jälkeen ra-kenteen ydingeometria optimoitiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboivaksi. Opti-moinnissa hyödynnettiin elementtimenetelmää. Seuraavassa vaiheessa varmistettiin raken-teen globaalit ominaisuudet. Lopuksi rakenteen kestävyyttä tarkasteltiin elementtimene-telmällä. Runko ei mallien mukaan kestänyt siltä vaadittuja kuormitustapauksia. Mallin kaikki ole-tukset pidettiin varmalla puolella. Reunaehdot oletettiin todellisuutta jäykemmiksi. Myös-kään materiaalin venymänopeudesta johtuvaa lujittumista ei otettu huomioon. Koska mii-naräjähdys on monimutkainen tapahtuma, rungon todellinen kestävyys joudutaan ar-viomaan räjähdystesteillä. Elementtimallien perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että ener-giaa absorboiva ajoneuvon runko on mahdollista toteuttaa kennorakenteena. Lisäksi voi-daan todeta, että elementtimenetelmää sopii työvälineeksi tämän tyyppisten rakenteiden suunnitteluun.

Welding development of crane main girder

Konecranes Corporation manufactures huge steel structures in 16 factories worldwide, in which the environment and quality varies. The company has a desire to achieve the same weld quality in each factory, regardless of the manufacturing place. The main subject of this master’s thesis was to develop the present box girder crane welding process, submerged arc welding and especially the fillet welding. Throughput time and manufacturing costs can be decreased by welding the full penetration fillet weld without a bevel, changing present groove types for more appropriate ones and by achieving the desired weld quality on the first time. Welding experiments of longitudinal fillet welding were made according to the present challenges, which the manufacturing process is facing. In longitudinal fillet welding tests the main focus was to achieve full penetration fillet weld for 6, 8 and 10 millimeters thick web plates with single and twin wire submerged arc welding. Full penetration was achieved with all the material thicknesses, both with single and twin wire submerged arc welding processes. The main problem concerning the weld was undercutting and shape of the weld bead. The question about insufficiency of presently used power sources with twin wire was risen up during testing, due to the thicknesses that require high welding current. Bigger power source is required when box girders are welded nonstop, if twin wire is used. For single wire process the penetration was achieved with significantly less amperage than with twin wire.

Capacity of an I-beam made of S960 QC based on Eurocode 3

The capacity of beams is a very important factor in the study of durability of structures and structural members. The capacity of a high-strength steel I-beam made of S960 QC was investigated in this study. The investigation included assessment of the service limits and ultimate limits of the steel beam. The thesis was done according to European standards for steel structures, Eurocode 3. An analytical method was used to determine the throat thickness, deformation, elastic and plastic moment capacities as well as the fatigue life of the beam. The results of the analytical method were compared with those obtained by Finite Element Analysis (FEA). Elastic moment capacity obtained by the analytical method was 172 kNm. FEA and the analytical method predicted the maximum lateral-torsional buckling (LTB) capacity in the range of 90-93 kNm and the probability of failure as a result of LTB is estimated to be 50%. The lateral buckling capacity meant that the I-beam can carry a safe load of 300 kN instead of the initial load of 600 kN. The beam is liable to fail shortly after exceeding the elastic moment capacity. Based on results in of the different approaches, it was noted that FEA predicted higher deformation values on the load-deformation curve than the analytical results. However, both FEA and the analytical methods predicted identical results for nominal stress range and moment capacities. Fatigue life was estimated to be in the range of 53000-64000 cycles for bending stress range using crack propagation equation and strength-life approach. As Eurocode 3 is limited to steel grades up to S690, results for S960 must be verified with experimental data and appropriate design rules.

Local Web Buckling in Tapered Composite Beams: A Parametric Study

Composite flooring systems supported by tapered (varying web depth) beams are very attractive from an economic point of view. However, the tapered beam sections are fabricated from plate by welding, and are susceptible to imperfection effects. These may interact with the localised compressive stress field that is generated in the web at a slope change in the lower flange to cause local web buckling. A substantial parametric study using a non-linear elasto-plastic finite element program and covering practical ranges of the important parameters including the area of the tension flange, taper slope and web thickness is reported. Moment-rotation relations, peak moments and failure mechanisms have been predicted. The validity of the work is supported by the good correlation obtained between the results of the parametric study and experimental data.

Tehollisen lovijännityksen menetelmän käytettävyys ultralujien terästen korkealaatuisten hitsien väsymismitoituksessa

Tässä diplomityössä on tutkittu tehollisen lovijännityksen menetelmän soveltuvuutta ultralujien terästen korkealaatuisten hitsien väsymismitoitukseen. International Institute of Welding suosittelee käyttämään elementtimenetelmässä hitsin rajaviivoilla sekä juuressa fiktiivistä 1 mm pyöristystä, jonka avulla tehollinen lovijännitys määritetään. Kaikille liitostyypeille sovelletaan samaa, kaltevuudeltaan m = 3 olevaa SN-käyrää, jolloin maksimipääjännitystä vastaava väsymisluokka FAT saa arvon 225. Nykyisiä mitoitusohjeita on pidetty kuitenkin liian konservatiivisina, etenkin jos kyseessä on suurilujuuksisesta teräksestä valmistettu korkealaatuinen hitsi. Rajaviivalla vaikuttavaa lovijännitystä on tutkittu mallintamalla liitokset FEMAP – elementtimenetelmäohjelmalla varioimalla rajaviivan pyöristystä. Elementtimenetelmän tuloksia on verrattu analyyttisiin loven muotoluvun laskentakaavoihin. Tutkittavana on ollut Ruukin Optim 960 QC sekä Optim 1100 QC – teräksistä valmistettuja koesauvoja. Koesauvat on valmistettu sekä koestettu pääasiassa Lappeenrannan teknillisen yliopiston teräsrakenteiden laboratoriossa. Tutkittavat koesauvat ovat olleet kuormaa kantamattomia ristiliitoksia sekä päittäisliitoksia. Suurin osa koesauvoista on väsytetty käyttämällä jännityssuhdetta R < 0,11. Koesauvat on jaoteltu jännityssuhteen sekä liitostyypin mukaan. Kaikkien koekappaleiden karakteristiseksi väsymisluokan arvoksi on määritetty FAT 200. Alle 0,11 jännityssuhteella väsytettyjen koekappaleiden karakteristinen väsymisluokka on FAT 230 ja isoilla jännityssuhteilla väsytettyjen FAT 126. Tulosten perusteella nykyiset mitoitusohjeet eivät ole liian konservatiivisia. Väsymisluokkaa FAT 225 voidaan käyttää väsymislaskennassa, mikäli rakenteen kuormitusten suhde on alle 0,1. Isoilla jännityssuhteilla koestettujen koekappaleiden lukumäärä on ollut pieni, joten niiden mitoitukselle ei voida antaa tarkkoja ohjeita.

S500 Suurlujuusteräksestä valmistettujen rakenneputkiliitosten lujuusominaisuudet

Nykyinen Eurocode 3 suunnitteluohjeen rakenneputkiliitoksia käsittelevä osio vaatii S500 suurlujuusteräksestä valmistettujen liitosten mitoituksen yhteydessä käytettäväksi reduk-tiokerrointa 0.8. Tämä on varsin konservatiivinen mitoituspa, joka vähentää merkittävästi lujemman teräslaadun käyttämisestä saavutettavaa hyötyä. Tämän työn pääasiallinen ta-voite on laboratoriotestein selvittää S500 lujuusluokan rakenneputkiliitosten todellinen äärikapasiteetti ja verrata sitä nykyisen mitoitusohjeen mukaiseen kapasiteettiin. Tässä työssä tutkitut liitokset ovat valmistettu poikkileikkaukseltaan nelikulmaisista kyl-mämuovatuista rakenneputkista. Koesarja koostui kahdeksasta X-liitoksesta, sekä kymme-nestä K-liitoksesta. Kaikki testit suoritettiin huoneenlämmössä, LUT Koneen teräsrakenne-laboratoriossa. Laboratoriotestien lisäksi rakenteen käyttäytymistä tutkittiin epälineaarisen elementtimenetelmän avulla ja näitä tuloksia verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Sekä testien että FE–analyysin perusteella voidaan todeta, että S500 lujuusluokan terästä käytettäessä ei Eurocode 3:n mukaisen reduktiokertoimen käytölle ole perusteita.

Teippaaminen ja liimaaminen teräsrakenteissa

Mekaanisten liittämismenetelmien ja hitsaamisen lisäksi teippaamista ja liimaamista voidaan käyttää myös teräsrakenteissa. Sillä on omat hyvät ja huonot puolensa, joita tässä työssä käydään erilaisten teippien ja liimojen sovelluskohteita tarkastelemalla. Työn tavoitteena on tutkia yleisesti teippejä ja liimoja. Lisäksi työssä on tarkoitus selvittää, soveltuuko liima- tai teippiliitos teollisuusnosturin kaapelikourun liittämiseksi kuormapalkin uumaan.

Defining of the material models for stainless steels to be used in FE modeling

The aim of this work is to study the results of tensile tests for austenitic stainless steel type 304 and make accurate FE-models according to the results of the tests. Tensile tests were made at Central Research Institute of Structural Material, Prometey at Saint Petersburg and Mariyenburg in Russia. The test specimens for the tensile tests were produced at Lappeenranta University of Technology in a Laboratory of Steel Structures. In total 4 different tests were made, two with base material specimens and two with transverse butt weld specimens. Each kind of a specimen was tested at room temperature and at low temperature. By comparing the results of room and low temperature tests of similar test specimen we get to study the results of work hardening that affect the austenitic steels at below room temperature. The produced specimens are to be modeled accurately and then imported for nonlinear FEM- analyzing. Using the data gained from the tensile tests the aim is to get the models work like the specimens did during the tests. By using the analyzed results of the FE-models the aim is to calculate and get the stress-strain curves that correspond to the results acquired from the tensile tests.