Teräsvalimon energia-analyysi

Teräksen valuprosessi kuluttaa runsaasti energiaa ja tuottaa merkittävästi lämpöä. Ylimääräinen lämpö on poistettava tuotantotiloista, sillä se sisältää yleensä myös paljon hiukkasia ja muita epäpuhtauksia. Lämmön talteenottaminen vähentää teräsvalimon energiankulutusta, mutta sen toteuttaminen ei ole ongelmatonta. Energia-analyysi selvittää yrityksen energian käytön ja tuotannon kehityksen sekä nykytilan. Analyysi pyrkii selvittämään kohteet, joissa energiaakuluu ja joissa sitä syntyy eniten. Tämä opinnäytetyö on sovellettu teollisuuden energia-analyysi, joka sisältää ehdotuksia energian käytöntehostamismahdollisuuksista ja säästömahdollisuuksista. Ehdotuksissa esitelläänviisi tärkeimmäksi katsottua ja kahdeksan muuta energiansäästökohdetta. Näiden lisäksi on annettu seitsemän ehdotusta muista tuotantoa ja energiansäästöä tukevista toimenpiteistä.

Paperin hydrofobiliimauksen purkautumiseen vaikuttavat mekanismit

Työssä tutkittiin liimauksen reversiota ja häviämistä erilaisilla hydrofobiliimoilla alkaalisessa paperinvalmistuksessa käytettävien täyteaineiden kanssa. Liimauksen reversiota ja häviämistä arvioitiin arkkimuotilla valmistetuista koearkeista mittaamalla hydrofobiliimautuneisuutta kuvaavia ominaisuuksia kuten raakareunan absorptio ja kontaktikulma. Liimauksen reversiota kiihdytettiin lämpökäsittelyllä ja UV-säteilytyksellä. Liimauksen häviämistä tutkittiin muuttamalla viiraveden alkaalisuutta ja käyttämällä kalsiumkarbonaattia täyteaineena. Verrattaessa käytettyjä hydrofobiliimoja ASA1+AKD -liimayhdistelmällä ja AKD -liimauksella saavutettiin paperille paras liimautuneisuus. ASA2 -liimauksella saavutettiin paperille parempi liimautuneisuus kuin ASA1 -liimalla. Kalsiumkarbonaatilla täytetyillä arkeilla mitattiin korkeampi liimautuneisuus kuin kaoliinilla täytetyillä arkeilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös 4 tuntia kestävän 105°C lämpökäsittelyn ja UV-säteilytyksen sekä viiraveden alkaalisuuden vaikutusta hydrofobiliimauksen reversioon ja häviämiseen. Liimauksen reversiota aikaansai UV-säteily ja lämpökäsittely. UV-säteily ja lämpökäsittely näyttävät aikaansaavan kovalenttisen esterisidoksen katkeamisen tai hydrolysoitumisen liimamolekyylin ja selluloosan karboksyyliryhmän välillä. Liimauksen reversiota havaittiin jokaisella hydrofobiliimalla. Liimauksen häviämistä aikaansai korkea viiraveden alkaalisuus (520 ppm CaCO3). Liimauksen häviämisen aiheuttamaa alhaisempaa liimautuneisuutta havaittiin myös viiraveden alkaalisuuden ollessa normaalia tasoa (250 ppm CaCO3), kun täyteaineena käytettiin saostettua kalsiumkarbonaattia.

Lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli Imatra Steel Oy Ab:n jatkojalostusosaston lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantaminen. Työssä etsittiin lämpökäsittelylaitoksen energiatalouteen haitallisesti vaikuttavia tekijöitä ja pyrittiin löytämään ratkaisuja energiatalouden parantamiseksi.Työtä varten on kerätty tietoa kirjallisista lähteistä, Imatra Steel Oy Ab:n henkilökunnalta, insinööritoimistoilta, lämpökäsittelyuunien valmistajilta ja muilta asiantuntijoilta, jotka ovat olleet tekemisissä lämpökäsittelylaitosten, lämpökäsittelyuunien tai niihin läheisesti liittyvien energiataloudellisien tekijöiden parissa.Imatra Steel Oy Ab:n lämpökäsittelylaitosten suurimmat energiankuluttajat ovat lämpökäsittelyuunit, jotka ovat rakennettu pääosin vuosina 1965 ja 1971, jolloin energiankulutukseen ja sen aiheuttamiin kustannuksiin ei tarvinnut kiinnittää samalla tavoin huomiota kuin nykyisin. Työssä keskitytäänkin pääasiassa uunien energiatalouteen.Lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantamisessa on ensin keskityttävä primäärienergiana käytettävän maakaasun kulutuksen vähentämiseen, jonka jälkeen voidaan keskittyä uuneista syntyvän hukkalämmön hyödyntämiseen. Jotta lämpökäsittelyuunit saataisiin toimimaan energiataloudellisesti tehokkaasti ja nykyisessä markkinatilanteessa kilpailukykyisesti, pitäisi uuneille laatia oma kehitysohjelma. Uunien energiatalouden seuranta ja kehittäminen edellyttää nykyisten jatkuvatoimisesti mitattavien prosessitietojen ja erillisillä mittauksilla kerättävän tiedon nykyistä tehokkaampaa hyödyntämistä sekä uusien ennen mittaamattomien prosessiparametrien hyödyntämistä. Tulevaisuudessa toteutettava prosessitietojen keräysjärjestelmä antaakin aivan uusia mahdollisuuksia uunien kehittämiseen ja seurantaan.

Lämpökäsitellyn puun logistiikkaketju

Työn tavoitteena oli selvittää lämpöpuukäsittelijän mahdollisuuksia laajentaa toimintaansa alihankinnan avulla lämpökäsiteltyjen tuotteiden loppuvalmistajiksi mahdollisesti myös uusilla tuotteilla. Ensin selvitettiin markkinoilla jo olevat lämpöpuusta tehdyt tuotteet. Tämän jälkeen kartoitettiin Suomessa ja ulkomailla toimivat lämpökäsittelylaitokset sekä niiden prosessit. Kirjallisuuden perusteella kerättiin tietoa lämpöpuun ominaisuuksista; eli mitä vaikutuksia lämpökäsittelyllä on puuhun. Edelleen kartoitettiin lämpöpuun logistiikkaketju puun valinnasta ja kaadosta aina loppukäyttäjälle asti. Lisäksi selvitettiin lämpökäsitellyn puun kustannusrakenne Suomessa. Lämpökäsittely on vasta kehittelyvaiheessa, joten lämpökäsittelystä puusta tehtyjä tuotteita on Suomessa saatavana lähinnä puualan liikkeistä tai suoraan lämpökäsittelylaitoksilta. Tällä hetkellä Suomessa eniten lämpökäsitellystä puusta tehtyjä tuotteita ovat saunat ja kalusteet. Suurin osa lämpöpuusta viedäänkin ulkomaille, jossa sitä käytetään lähinnä ulkoverhouksena.Lämpökäsittelyn puun menekin kasvua hidastaa lämpöpuun korkea hinta sekä tiedon puute jatkojalostajilla. Tiedon puutteen takia lämpökäsitelty puu onkin saanut maineeseensa kolauksen väärien työmenetelmien vuoksi. Lämpöpuun kehitys- sekä tutkimistyötä on vielä jatkettava. Laatu on avainasemassa näillä markkinoilla.

Immersioultraäänitutkimuksen kehittäminen

Teräksenvalmistajilta edellytetään jatkuvasti panostusta laadun ja laadunvarmistuksen kehittämiseen. Teräksen laatu ja puhtaus korostuvat varsinkin silloin, kun terästä käytetään vaativiin käyttökohteisiin, kuten autoteollisuuden tarpeisiin. Ultraäänitarkastusmenetelmää käytetään laadun-varmistuksessa teräksen sisävikojen etsimiseen. Ultraäänitarkastuksessa lähetetään suuritaajuuksista ääntä kappaleeseen. Ääni etenee materiaalissa ja heijastuu erilaisista epäjatkuvuuskohdista. Luotaimeen palaavaa ääntä analysoimalla saadaan tietoa teräksestä ja sen sisävioista. Ultraäänitarkastuksen ongelmana on vian tyypin määrittäminen hankaluus sekä herkkyys tutkittavan materiaalin aineominaisuuksille. Työn tavoitteena oli immersioultraäänitarkastuksen kehittäminen sovellettuna teräksenvalmistajan tarpeisiin. Materiaalin aineominaisuuksista tutkittiin seostuksen vaikutusta. Teräslajit tarkastettiin valssitilaisena, karkaistuna ja normalisoituna. Lisäksi tutkittiin kappaleen pinnankarheuden ja -muodon vaikutusta tarkastukseen. Vikatyyppien tunnistamisen mahdollisuuksia ultra-äänitarkastuksessa selvitettiin käyttäen FFT- taajuusanalyysiä. Erilailla lämpökäsitellyillä teräslajeilla näytti eniten tuloksiin vaikuttavan terästen raekoko. Valssitilaisilla teräksillä raekoko on suuri, jolloin ultraääni vaimenee voimakkaasti teräksessä. Huomattavaa kuitenkin oli, että mikäli lämpö-käsittelyillä ei teräksen raekokoa saada juuri pienennettyä, ei myöskään vaimeneminen vähene. Tämän vuoksi lämpökäsittely ei välttämättä ole aina tarpeellinen valmisteltaessa ultraääninäytteitä. Fourier’n taajuusanalyysissä huomattiin olevan eroavaisuuksia verrattaessa huokosista ja sulkeumista palaavien kaikujen taajuusspektrejä. Näiden tulosten perusteella näyttäisi olevan mahdollista käyttää FFT- menetelmää ultraääni-tarkastuksessa vikojen luokitteluun.

Lämpökäsittelyprosessin automaatioasteen nostaminen ja toiminnan tehostaminen

Työn tavoitteena oli nostaa nestekaasua energialähteenään käyttävän lämpökäsittelyprosessin automaatioastetta sekä tehostaa prosessia. Näiden tavoitteiden avulla kehitetään standardin GJS800 mukaisen pallografiittiraudan lämpökäsittelyä niin, että päästään toivotun mukaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin eli raudan korkeaan myötörajaan ja väsymisrajaan sekä hyvään sitkeyteen yhdistettynä hyvään lastuttavuuteen.Ensin selvitettiin nestekaasun käyttöön liittyviä lupa-asioita sekä välttämättömiä turvalaitteita ja –toimintoja, jonka jälkeen mahdollisimman tarkan prosessikuvauksen avulla luotiin pohja automaatiosuunnittelulle.Automaatiosuunnittelussa tavoitteena oli mahdollisimman korkea automaatioaste. Prosessoripohjainen PID-säädin ohjaa itsenäisesti koko prosessin sen jälkeen, kun alkuarvot on syötetty tietokoneen avulla säätäjän muistiin. Tarkempien säätöjen ja muun kehitystyön seurauksena saadaan myös prosessin hyötysuhdetta kasvatettua.

Natural and synthetic fibres improving tensile strength and elongation of paper products

The theory part of the Master’s thesis introduces fibres with high tensile strength and elongation used in the production of paper or board. Strong speciality papers are made of bleached softwood long fibre pulp. The aim of the thesis is to find new fibres suitable for paper making to increase either tensile strength, elongation or both properties. The study introduces how fibres bond and what kind of fibres give the strongest bonds into fibre matrix. The fibres that are used the in manufacturing of non-wovens are long and elastic. They are longer than softwood cellulose fibres. The end applications of non-wovens and speciality papers are often the same, for instance, wet napkins or filter media. The study finds out which fibres are used in non-wovens and whether the same fibres could be added to cellulose pulp as armature fibres, what it would require for these fibres to be blended in cellulose, how they would bind with cellulose and whether some binding agents or thermal bonding, such as hot calendaring would be necessary. The following fibres are presented: viscose, polyester, nylon, polyethylene, polypropylene and bicomponent fibres. In the empiric part of the study the most suitable new fibres are selected for making hand sheets in laboratory. Test fibres are blended with long fibre cellulose. The test fibres are viscose (Tencel), polypropylene and polyethylene. Based on the technical values measured in the sheets, the study proposes how to continue trials on paper machine with viscose, polyester, bicomponent and polypropylene fibres.

Influence of Heat Treatment on Strength Properties of Finger-jointed Components

The purpose for the thesis was to study the thermo treatment of finger-jointed wood. The thesis concentrated on examining the tensile and bending strength of finger-jointed and thermo treated wood. The aim was to find out how different treatment temperature levels and adhesives influence the strength of wood that has been finger-jointed before heat treatment. Secondary objectives were to examine the influence of the treatment time at one temperature, determine differences in the strength between the joints in heartwood and sapwood, examine the visual appearance of the finger joints after the treatment and establish possibilities to reach a characteristic strength level corresponding to C14. Only minor differences in strength properties were measured between the finger-jointed wood treatments II and III. A greater difference was shown between these two treatment temperatures I, which lead to reduced strength. The average strength of joints glued with adhesive 2 was higher after treatments II and III compared to those glued with the adhesive 1. At the treatment temperature I, the adhesive 1 strength properties were at the same level compared to the adhesive 2 or better. There were not any significant differences.

Lämpöyrittäjäkonsepti biotuotteelle

Fossiilisista polttoaineista aiheutuvia hiilidioksidipäästöjä yritetään vähentää muun muassa lisäämällä uusiutuvien polttoaineiden käyttöä. Kiinteän biomassan ominaisuudet eroavat fossiilisesta kivihiilestä kuitenkin niin paljon, ettei biomassalla voida suoraan korvata kivihiiltä. Biomassan lämpökäsittely muuttaa sen ominaisuuksia kivihiilen kaltaiseksi, jolloin sillä on mahdollista korvata kivihiiltä. Tässä diplomityössä on tutkittu biomassan lämpökäsittelyä eli torrefiointia. Työn lähtökohtana on luoda pohjaa liikeidealle, jossa torrefioitua biomassaa tuotetaan pienissä lämpölaitoksissa lämmöntuotannon ohella. Työ sisältää laboratoriokokeita, joissa tarkastellaan käytännön kokeilla biomassan torrefioinnissa tapahtuvia ominaisuuksien muutoksia. Biomassan torrefiointiin suunnitellaan lisäksi pientä koelaitetta, jonka kokoa on mahdollista suurentaa jatkossa lämpölaitoskokoluokkaan asti. Torrefioidun biomassan tuotantokustannuksia on tarkasteltu laiteinvestointien, raaka-aine- sekä käyttökustannuksien kautta. Laboratoriokokeiden perusteella on saatu tuloksia optimaalisista toiminta-arvoista lämpökäsittelymenetelmille. Lämpöyrittäjälle on luotu perustoiminta-ajatus torrefioidun biomassan tuotannolle, jossa on tarkasteltu myös tuotannon kannattavuutta. Tämä työ antaa pohjaa aiheen jatkotutkimukselle ja -kehitykselle.

Hitsauksen lämpökäsittelyn vaikutus CrMo - terästen mekaanisiin ominaisuuksiin

Diplomityössä selvitettiin lujuusomaisuuksien muuttumista toimitustilassa olevilla ja hitsatuilla The American Society of Mechanical Engineering (ASME) SA335 P22 ja P5 teräksillä, kun hitsauksen lämpökäsittelylämpötila oli suurempi kuin materiaalin valmistuksen aikainen päästölämpötila. Diplomityön perusteella ei pystytä yksiselitteisesti todentamaan tai kumoamaan standardeissa ASME SA335: 2008a, ASME B31.3: 2010 ja SFS-EN 13445: 2009 esitettyjä varoituksia materiaalien mekaanisten ominaisuuksien huononemisesta, jos hitsien jälkilämpökäsittely ylittää materiaalien päästölämpötilan. Veto-, kovuus- ja iskukoetestitulosten perusteella todennettiin kuitenkin, ettei lämpökäsittely lämpötila-alueella 710–760 oC vaikuta suuresti materiaalien mekaanisiin ominaisuuksiin. Tuloksien perusteella todettiin myös, että koemateriaalivalikoima ja tehdyt testisarjat olivat suppeahkoja tarkkojen hankinta- ja valmistuskriteerien määrittämiseksi.

Characterization of amine-based CO2 adsorbent for Direct Air Capture

Direct air capture technologies extract CO2 from air at a concentration of as low as 400ppm. The captured CO2 can be used for the production of synthetic methane or liquid fuels. In the literature survey of this thesis, results related to direct air capture by using solid sorbents are presented and critically discussed. In the experimental part, a proprietary amine functionalized resin is characterized for direct air capture. Structural comparison is also made to a commercial resin of similar type. Based on the literature survey, the most important parameters in direct air capture process are low adsorption and desorption temperatures, good cyclic stability in dry and humid conditions, high CO2 outlet purity and a high working capacity. Primary amine functionalized solid sorbents are found to often have good qualities for direct air capture, but overall process performance is rarely studied exhaustively. Based on FTIR spectra, both resin adsorbents are found to be consisted of polystyrene functionalized with primary amine, and capture CO2 by forming carbamate. The commercial resin is more porous, has a slightly higher particle size and contains fewer impurities. Important physical parameters are gained of the proprietary resin, such as internal porosity and median particle size. The resin’s amine group is found to endure thermal treatment reasonably well. CO2 adsorption capacity gained by thermal gravimetry from 400ppm CO2 is highest at 25oC, and is found to be reasonable compared to values presented in literature. Thus, the resin is stated to exhibit promising qualities for direct air capture.

Mäntyöljyn tislauksen esikäsittely

Raakamäntyöljy on selluteollisuuden sivutuote. Suopa erotetaan mustalipeästä ja palstoitetaan tuottaen siten raakamäntyöljyä. Raakamäntyöljy tislataan tavanomaisesti viiteen pääjakeeseen: rasvahapot, hartsihapot, mäntyöljytisle, esiöljy ja mäntyöljypiki. Näiden jakeiden lisäksi raakamäntyöljyssä on erityisesti mustalipeästä siihen erottuneita epäpuhtauksia, jotka haittaavat raakamäntyöljyn prosessointia. Epäpuhtauksia ovat orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet, kuten metallit, suolat ja ligniini. Nämä epäpuhtaudet aiheuttavat haitallisia reaktioita prosessissa huonontaen siten lopputuotejakeiden laatua. Tämän lisäksi epäpuhtaudet aiheuttavat saostumia prosessilaitteissa alentaen siten prosessointitehokkuutta. Raakamäntyöljyn esikäsittelyllä tehostetaan tislauksen toimintaa. Työssä esitetään esikäsittelymenetelmistä mm. degumming-menetelmä, laimea happopesu, hiilidioksidikäsittely, valkaisu ja lämpökäsittely. Menetelmien pohjalta valitaan tätä työtä varten yksi menetelmä, jonka pohjalta suunnitellaan kokeellisessa osassa suoritettavat kokeet. Kokeellinen osuus koostuu esikokeista, varsinaisista kokeista ja lisäkokeista. Menetelmän tarkoituksena on saavuttaa epäpuhtauksille 90–95 % reduktioaste. Kokeiden onnistumista tutkitaan analysoimalla alkuperäinen raakamäntyöljy, sekä jokaisen kokeen jälkeen erotetut faasit. Työssä saavutettiin hyvä erotustehokkuus. Alkuperäisen tavoitteen mukaista reduktioastetta ei pystytty määrittämään eri analyysimenetelmien ja niiden analyysituloksissa ilmenneiden eroavaisuuksien vuoksi, mutta lisäkokeiden ansiosta pystyttiin vahvistamaan kyseisen koejärjestelmän optimaalinen poistoaste. Lisäksi työssä havaittiin että esikäsittelytulos on hyvin riippuvainen käsiteltävän raaka-aineen koostumuksesta.