Omkonstruktion av Kompakt Punchmaskin till Peirce-Smith Konverter

Omkonstruktion av Kompakt Punchmaskin

till Peirce-Smith Konverter

Hannes Sundell

Högskoleingenjör, Maskinteknik 2018

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

Omkonstruktion av Kompakt Punchmaskin till

Peirce-Smith Konverter

Hannes Sundell

Högskoleingenjör Maskinteknik

W0018T Examensarbete i Maskinteknik

Institutionen för Teknikvetenskap och Matematik

2018-05-24

i

Förord

Denna rapport avser avhandla en omkonstruktion av en punchmaskin till en befintlig Peirce- Smith Konverter för att tillgodose vissa utrymmeskrav. Rapporten är en avhandling för högskoleingenjörsexamen i Maskinteknik vid Luleå Tekniska Universitet, Institution för Teknikvetenskap och Matematik och utförs åt, och med konsultation av, Outotec Sweden AB.

Ett stort tack riktas till Malin Skoogh och Niklas Jernelöv, båda Outotec Sweden AB, för konsultation och vägledning genom projektets gång. Ett stort tack riktas även till Sven Berg, Programansvarig för Högskoleingenjör Maskinteknik vid LTU Skellefteå och även examinator för denna avhandling.

Hannes Sundell

Sunhan-4@student.ltu.se Skellefteå 2018

ii

Sammanfattning

Då produktion och efterfrågan av koppar ständigt ökar ställs höga krav på effektiva metoder som kan producera koppar med hög kopparhalt. Till dessa processer används Peirce-Smith konverterugnar med tillhörande punchmaskiner vars uppgift är att rena matt koppar till blisterkoppar som har en kopparhalt på cirka 99%. För att dessa ska kunna fungera optimalt krävs en punchmaskin som ser till att lufthålen, så kallade formor, ej är blockerade av kalla smältskikt. På vissa anläggningar ställs utrymmeskrav på punchmaskinen, vilket kräver en kompakt variant av denna. Då befintligt underlag är utdaterat krävs en modern variant som använder sig av Outotecs befintliga komponenter i viss utsträckning. Schematiska bilder ritas upp för att placera de viktigaste komponenterna på rätt ställen för att ackommodera den minskade längden i förhållande till en fullstor maskin. Detta medför vissa modifikationer av längder och designer som, tillsammans med modellering av ram, toppchassi och länkarm, resulterar i en konstruktion som uppfyller de utrymmeskrav som ställs och håller för de krafter som den utsätts för. Däremot krävs mer utförliga analyser och beräkningar, samt en dragning av pneumatiskt system innan sagda maskin kan tillverkas och därmed tas i drift.

Abstract

As copper production and demand increase, the demands on efficient methods that

produce copper with a high copper content does as well. For these processes, Peirce-Smith Converter ovens are used to purify matt copper to blister copper with a copper content of approximately 99%. For these ovens to function optimally, a punch machine is required which ensures that the air nozzles, so-called tuyéres, are not blocked by cold layers of melted metal. In some processing plants there are space requirements imposed on the punch machine, which requires a compact variant. As existing models are outdated, a modern variant is required which use components from Outotec’s existing library to some extent.Schematic images are drawn to place the most important components in the correct places to accommodate the reduced length relative to a full-size machine. This entails some modifications of lengths and designs that, along with modeling of the frame, top chassis and link arm, results in a construction that meets the space requirements that are imposed, and which can withstand the forces to which it is exposed. On the other hand, more detailed analyzes and calculations, as well as a pulling of the pneumatic system, are required before this machine can be manufactured and thus taken into operation.

iii

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 1

1.1. Mål ... 1

1.2. Syfte ... 1

1.3. Begränsningar ... 2

2. Teori ... 3

2.1. Bessemerprocessen ... 4

2.2. Peirce-Smith Konverter ... 4

2.3. Punchmaskin ... 5

2.4. Pneumatik ... 6

3. Metod ... 7

4. Resultat ... 10

4.1. Bottenchassi ... 12

4.2. Cylinder ... 12

4.3. Länkarm ... 13

4.4. Ram ... 17

4.5. Toppchassi ... 19

4.6. Gejderstänger ... 21

4.7. Punchok ... 22

5. Diskussion & Slutsatser ... 23

5.1. FEM - Resultat ... 23

5.2. Vidare utveckling ... 24

Referenser ... 25

Bilaga 1 - Referensmått på P-S Konverterugn... 26

1

1. Inledning

Med en ständigt ökande produktion och efterfrågan [1] är koppar är en av de metaller som används mest runt om i världen. Dess materialegenskaper gör den inte bara användbar till att leda värme och elektricitet, utan den är även eftertraktad som komponent i legeringar, där cirka 30% av världens producerade koppar används [2]. Då koppar är en finit resurs krävs bra och effektiva minska förluster mellan gruva och produkt. Det är mot slutet i denna kedja som Peirce-Smith Konvertern, hädanefter benämnd P-S konverter, kommer in.

Denna metod, som lånas av tidig ståltillverkning, används i slutskedet av

koppartillverkningen för att rena en kopparblandning som innehåller 40% koppar till en typ av koppar som innehåller cirka 1% övriga metaller. Detta gör P-S Konvertern till en av de mer effektiva metoderna som används för att framställa koppar med hög kopparhalt.

Många effektiviseringar har utförts under de hundra år som P-S Konvertern har funnits tillgänglig, där de större framstegen gjorts för sönderslagning av kopparskikt för att kunna syresätta smältan. Det är med hjälp av dessa framsteg som punchmaskinen tagits fram, vilket är den maskin som behandlas i denna rapport. Då vissa anläggningar har

begränsningar i utrymmet vid de ugnar där processen sker kräver detta en punchmaskin i ett mer kompakt utförande.

1.1. Mål

Målet är att ta fram en ny kompakt punchmaskin som har en längd som är mindre än 2,5 meter, och som därmed ska kunna användas av slutkunder med begränsat utrymme vid konvertern.

1.2. Syfte

Med hjälp av vissa befintliga komponenter från en fullstor punchmaskin, samt nydesignade komponenter och referensmått från gamla ritningsunderlag kommer en punchmaskin för kompakta utrymmen tas fram. Detta innebär att större ingående komponenter kommer behöva ta upp mindre plats också, då dimensionerna för den fullstora är direkt påverkade av cylinderstorleken och slaglängden som krävs.

2

1.3. Begränsningar

I enlighet med gammalt ritningsunderlag och med konsultering av Outotec införs diverse begränsningar som punchmaskinen ska uppfylla:

- En stor del av ingående komponenter ska tas ur befintlig fullstor punchmaskin, framtagen av Outotec, för att minska behovet av nya specialbeställda komponenter.

- Ingen dimensionering av den pneumatiska cylindern kommer utföras då denna beställs färdig för samma ändamål som den fullstora, men med en kortare slaglängd på 1500 millimeter jämfört med 1800 millimeter.

- Ingen dragning av ledningar för pneumatiken kommer utföras samt att inga beräkningar för sagda system kommer utföras, då dessa kommer vara enligt den fullstora punchmaskinens system.

- Punchvinkeln ska gå att anpassa mellan att vara parallell med marken och vinklad nedåt 6 grader.

- Maskinen får ej överstiga 2,5 meter i längd.

Måttbegränsningar i höjdled begränsas av positionen på de hål där punchmaskinen ska slå in i konverterugnen, från golvet där maskinen förmodas placeras. En mindre maskin skulle innebära att beställaren får gjuta en betongplatta i önskad tjocklek där maskinen ska placeras för att kompensera för höjdskillnaden som uppstår.

3

2. Teori

Kopparkonvertering är den delprocess i framställningen av koppar där en smälta av matt koppar ska renas till blisterkoppar och därmed uppnå en kopparhalt på 99%. Matt koppar innehåller ingen ren koppar, utan är en blandning av främst kopparsulfid (Cu2S) samt järnsulfid (FeS) och besitter en kopparhalt på ungefär 40%. För att få järnet att bilda slagg bestående av järnoxider, närmare bestämt FeO och Fe3O4, tillsätts syrgas. Det svavel som tidigare var bundet till järnet binder sig således till syret och bildar svaveldioxid (SO2) som förångas och lämnar smältan. Den fullständiga kemiska processen kan beskrivas enligt ekvation 1.

𝐶𝑢 − 𝐹𝑒 − 𝑆 + 𝑂₂+ 𝑆𝑖𝑂₂ → 𝐶𝑢° (𝑙) + {2𝐹𝑒𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂₂+ 𝐹𝑒₃𝑂₄} + 𝑆𝑂₂ (1)

Som synes tillsätts även kiseldioxid i form av flussmedel i reaktionen. Då smältpunkten för järnoxiderna är 1377°C respektive 1597°C gör tillförandet av flussmedel att slaggets smälttemperatur sänks. Detta gör att slagget blir flytande och lägger sig ovanför den blisterkoppar som eftersöks [3]. Tillförandet innebär således att processen kan hålla sig på en önskad konverteringstemperatur på cirka 1200°C, som kan ses i figur 1.

Figur 1: Cu-S diagram med önskad konverteringstemperatur utritad.

Vid denna temperatur oxiderar det svavel som finns i blandningen och resulterar i en smälta som innehåller en låg mängd svavel. Denna process är direkt baserad på Bessemerprocessen och använder sig av en Peirce-Smith Konverter för att genomföra konverteringen.

4

2.1. Bessemerprocessen

Henry Bessemer patenterade 1856 en process för att framställa stål med önskad kolhalt från råjärn. Denna metod utgick från en smälta som placeras i en vertikal ugn som sedan får ett konstant tillflöde av syre vid höga temperaturer. Med hjälp av syret och den höga

temperaturen kan de övriga ämnena, främst kisel och kol, binda sig till syret och förångas, vilket lämnar en järnsmälta med en önskad mängd tillsatta legeringsämnen [4]. Denna process lämpade sig inte bara för ståltillverkning, utan senare insågs även att

Bessemerprocessen kunde tillämpas på kopparframställning.

2.2. Peirce-Smith Konverter

P-S Konverterugnen togs fram av William H. Peirce och Elias A.C. Smith i början av 1900-talet som en utveckling av Manhés-David processen, som i sin tur var en applicering av

Bessemerprocessen [5] på koppar.

En P-S Konverterugn är i sitt enklaste utförande en horisontellt liggande cylinder med cirka 50 mm tjocka stålväggar och ett tjockt lager tegel innanför stålet för att minska

värmespridningen, enligt figur 2. Längs med ugnen finns ett femtiotal hål, så kallade formor, vars uppgift är att tillföra syre till smältan så slaggbildning av järn och kisel kan ske. På grund av att kopparsmältan kyls ner vid formorna och därmed bildar ett hårt skikt används därför en punchmaskin vars uppgift är att slå sönder detta [6] genom formorna.

Figur 2: Enkel skiss på en P-S Konverterugn. Sedd från sidan och i genomskärning.

5

2.3. Punchmaskin

När P-S konvertern började användas för kopparframställning krävdes att operatörspersonal manuellt slog sönder kopparskiktet som bildas i formorna. För att slippa utsätta dessa för höga temperaturer och övriga risker som tillkommer vid arbete nära smältor utvecklades en punchmaskin. Punchmaskinens huvudsakliga uppgift var att flytta operatörspersonalen bort från konverterugnen och därmed minska risken för skador. Den första mekaniska

punchmaskinen togs i bruk i slutet på 40-talet och innebar att punchstängerna var integrerade i formorna. Med tiden uppmärksammades att detta påverkade luftflödet negativt, varpå det eftersöktes en ny typ av punchmaskin för att utföra samma arbete.

I slutet på 60-talet uppfanns en ny typ av punchmaskin av bland annat Albert Pelletier.

Denna utmärkte sig i förhållande till den äldre varianten av punchmaskin med det faktum att den var utrustad med hydrauliskt drivna punchstänger som befann sig utanför formorna [7]. Detta medförde mindre tryckluftsförluster samt högre slag- och returhastigheter genom forman. Mindre luftförluster innebar att konverteringsprocessen utfördes under en mindre tid, vilket innebar att mängden koppar som hann konverteras ökade.

Dagens punchmaskiner har i sitt grundutförande inte förändrats nämnvärt, utan de utvecklingar som gjorts har mer att göra med manövrering, då dagens punchmaskiner kan fjärrstyras och punchstängerna drivs antingen med hjälp av hydraulik eller pneumatik för att uppnå den höga hastigheten som krävs vid genomslag av det skikt som bildas. I figur 3 syns ett exempel på en av Outotecs befintliga punchmaskiner som drivs av pneumatik.

Figur 3: Fullstor Punchmaskin framtagen av Outotec Sweden med följande komponenter markerade: 1.

Pneumatisk Cylinder, 2. Punchok, 3. Gejderstång, 4. Punchstång.

6

För att punchstängerna ska kunna slå genom formorna på ugnen placeras dessa i ett punchok som i sin tur drivs av en hydraulisk eller pneumatisk cylinder, där cylindern är placerad bakom punchoket i samma plan för att ge en så effektiv kraftöverföring som möjligt. Punchoket vilar i sin tur på två stänger, även kallade gejderstänger, som fixerar punchoket i önskat plan där formorna återfinns. Vid arbetsslag åker punchoket fram över gejderstängerna och för därigenom in punchstången genom forman på ugnen, vilket slår sönder det kopparskikt som bildas.

Denna fullstora punchmaskin är rälsburen samt fjärrstyrd och har en längd på 4,3 meter.

Denna längd beror främst på cylinderns längd samt slaglängd och är längre än vad som önskas av vissa kunder, då deras utrymme vid konvertern medför vissa begränsningar för hur stor maskin som kan användas.

2.4. Pneumatik

Pneumatik är den gren inom ingenjörsvetenskapen där komprimerad gas används för att uträtta ett arbete. I punchmaskinens fall används pneumatik till att driva punchstängerna som ska åka genom formorna på P-S konvertern och därmed slå hål på det kopparskikt som bildas i dessa. Då de slaghastigheter som krävs inte går att uppnå med hjälp av hydraulik används därför pneumatik. Detta bidrar också till ett minskat antal komponenter och minskad brandrisk [8]. Detta lämpar sig bra på smältverk på grund av de höga temperaturer som smältnings- och bearbetningsprocesserna kan uppnå.

7

3. Metod

Innan modellering påbörjas utförs en schematisk uppritning av mått och utföranden i två dimensioner för att ge en estimering på storleksskillnaden mellan de utrymmeskrav som ställs på den kompakta punchmaskinen, som ska behandlas, och den befintliga fullstora.

Detta görs med hjälp av rektanglar i SolidWorks, se figur 4 och 5, som ska representera maskinens totala längd och höjd. En P-S konverter ritas också upp för att kunna användas som referens senare, se figur 6. Samtliga mått är baserade på gamla ritningsunderlag på en äldre kompakt punchmaskin, där referensmåtten för konverterugnen kan ses i bilaga 1.

Samtliga mått är i millimeter.

Figur 4: Schematisk uppritning av kompakt punchmaskin med referens för vissa komponenter.

Figur 5: Referensmått för fullstor punchmaskin.

8

Figur 6: Referensmått för P-S Konverterugn. Området mellan yttre och mittersta cirkeln representerar stålväggar, medans området mellan mittersta och inre cirkeln representerar ett lager tegel.

I figur 4 ritas även rektanglar som representerar den pneumatiska cylindern,

gejderstängerna samt oket som kommer glida på dessa. Dessa komponenter är centrala för att kunna slå in i formorna, då cylindern bidrar med det arbete som behövs och

punchstängerna är fästa i oket. Detta placeras sedan i förhållande till representationen av konverterugnen, som vid detta skede har enklare skisser på en forma med utrymme för ljuddämpare, se figur 7.

Figur 7: Schematisk uppställning av P-S Konverter och kompakt punchmaskin.

9

Då dessa komponenter är placerade på deras ungefärliga position placeras komponenter från den fullstora punchmaskinen in. Likt föregående process placeras cylindern,

gejderstängerna och oket först för att sedan fylla på med övriga delar runt dessa och därmed anpassa dem efter deras placering. För att dessa ska kunna rymmas i det utrymme som krävs kommer cylindern behöva placeras under oket och gejderstängerna, vilket innebär att en länkarm kommer modelleras för att binda samman ok och cylinder.

Efter den schematiska uppritningen och estimerad placering av ovan nämnda delar påbörjas modellering av övriga delar, även detta i SolidWorks. Här delas hela maskinen upp i

delsammanställningar för att på ett enkelt sätt kunna hantera dessa i en huvudsammanställning senare.

Då det förväntas att ett liknande pneumatiskt system används till den kompakta punchmaskinen som till den fullstora så estimeras ett systemtryck på ca 10 bar. Detta kommer ge upphov till krafter närmare 60 kN, vilket kan resultera i deformationer eller till och med brott om någon ingående komponent är feldimensionerad. Därför kommer enklare FEM-simuleringar genomföras.

Dessa analyser utförs genom att konvertera berörda delsammanställningar till detaljer, för att sedan sätta material, krafter och randvillkor på detta. De resultat som erhålls visar en färgskala där mörkblått är lägsta uppnådda effektivspänning och röd är högsta uppnådda effektivspänning. Då samtliga komponenter förväntas tillverkas i stål används samma material vid samtliga simuleringar, nämligen stål med beteckningen S355J2. Detta är ett vanligt förekommande konstruktionsstål och är sedermera lämpligt till de approximativa simuleringar som utförs. S355J2 har materialdata enligt tabell 1.

Tabell 1: Ingående materialdata vid FEM-Simulering för material S355J2.

E-modul Poissons tal Skjuvmodul Sträckgräns Brottgräns

210 GPa 0,3 80,7 GPa 248 MPa 490 MPa

10

4. Resultat

Slutligen har följande konstruktion tagits fram som har yttermåtten 2,476 meter i längd och 1,067 meter i punchhöjd i plant läge och syns i figur 8. I vinklat läge uppnår bakre partiet en punchhöjd på 1,259 meter. Detta innebär en minskning i djupled med cirka 42% i jämförelse med den fullstora punchmaskinen, då denna har ett mått i djupled på 4,287 meter.

Figur 8: Konstruerad kompakt punchmaskin. Kamerahuset med kamerasensor sitter på maskinens bakre ända.

På vänster sida enligt figur 8 sitter lufttanken för det pneumatiska systemet. Sensorer sitter monterade på toppchassit som mäter när punchoket slår i de gummibuffertar som sitter i främre ändan av gejderstängerna. Detta för att kunna reglera när den pneumatiska cylindern ska påbörja returslaget tillbaka till utgångsläget.

Denna lösning lånar en del komponenter från en fullstor punchmaskin för att minska behovet att nya specialbeställda komponenter. Samtliga komponenter listas i tabell 2, med notering om hur dessa har ändrats.

11

Tabell 2: Summering av ingående komponenter med noteringar.

Komponent Notering

Bottenchassi Tagen från fullstor punchmaskin.

Cylinder Beställningsvara.

Länkarm Nykonstruerad för att möjliggöra

sammanbindning mellan punchok och cylinder.

Ram Nykonstruerad.

Toppchassi Nykonstruerad.

Gejderstänger Tagen från fullstor punchmaskin, men med

modifierad längd.

Punchok Tagen från fullstor punchmaskin.

För att uppnå samma funktion av denna kompakta lösning kontra den fullstora maskinen där cylinder och gejderstänger ligger i samma plan, så medför detta att en slags

staplingskonstruktion måste appliceras. Detta innebär att cylinder och ok måste bindas ihop vertikalt med hjälp av en länkarm.

12

4.1. Bottenchassi

Denna del är Outotecs befintliga bottenchassi på den fullstora punchmaskinen och syns figur 9. Den består till stor del av hopsvetsade ihåliga stålprofiler med dimensionerna 200x100x8 i tvärsnitt. Då den besitter ett längdmått på cirka 2,4 meter är det idealt att använda samma lösning på denna kompakta modell, av anledningen att behovet att konstruera en ny räls försvinner, då samma räls kan användas istället. Detta medför även att samma

infästningsplattor kan användas för att fästa den övre delen av chassit med bottenchassit.

Figur 9: Konstruerat bottenchassi från fullstor punchmaskin.

4.2. Cylinder

Cylindern som används för detta kompakta utförande har en slaglängd på 1500 mm och beställs av en extern tillverkare. När dämpningar är placerade i cylinderns ändlägen blir den effektiva slaglängden 1425 mm, vilket direkt dimensionerar gejderstängernas längd då oket kommer färdas med kolvstången under hela slaget. Cylindern i fullt utslag visas i figur 10 nedan. Då den lösning som valts innebär att cylindern kommer hänga fritt krävs att

jämviktsläget är framtaget. Här är jämviktsläget uträknat av cylinderleverantör och befinner sig 856 millimeter ifrån cylinderns baksida.

13

Figur 10: Pneumatisk cylinder. Här visat i fullt arbetsslag.

4.3. Länkarm

Eftersom att punchoket och cylindern ligger i olika plan krävs det att en länkarm binder samman dessa för att det ska kunna ske en kraftöverföring. Länkarmen ser därmed till att oket kan föra fram punchstängerna in i formorna. Denna konstruerades i två iterationer: en där infästningen sker på undersidan av oket och en med infästning på främre respektive bakre sidan av oket, se figur 11 och 12.

Figur 11: Första iteration av länkarm. Infästning sker på okets undersida.

De stålplattor som används till första iterationen har en godstjocklek på 15mm för att denna ska kunna klara av de krafter som uppstår.

14

Figur 12: Andra iteration av länkarm. Infästning sker på fram- respektive baksida av oket.

Till stålplattorna som fästs i punchoket används 12mm tjockt gods, varpå plattorna som binder samman dessa är något tunnare med en tjocklek på 8mm.

Balken som i det här fallet agerar länkarm är svetsat till övriga komponenter och har ett tvärsnitt på 150x100x8mm. Dessa använder sig i sin tur av skruvar respektive sprint för att hålla fast i oket respektive cylindern.

Vid FEM-simulering av var och en av iterationerna hamnar infästningar i de skruvhål som sitter mot punchoket, samt att en kraft på 60 kN läggs i hålen som ligger mot cylindern enligt figur 13. Detta ger effektivspänningar på länkarmen med infästning på undersidan som sträcker sig från 59,3 kPa ända upp till 1,45 GPa, vilket är väl över materialets sträcklängd.

15

Figur 13: Resultat av FEM-simulering för första iterationen. Den röda pilen markerar materialets sträckgräns.

Högsta spänningen uppnås vid skruvhålen enligt figur 14.

Figur 14: Närbild på effektivspänningarna vid infästning i oket.

16

För länkarmen med infästning på vardera sida om oket så når effektivspänningarna lägre nivåer, närmare bestämt 12,3 kPa och upp till 466 MPa. Detta syns i figur 15.

Figur 15: Resultat på FEM-simulering för andra iterationen.

Även här uppstår högsta effektivspänning vid skruvhålen, vilket syns i figur 16. Här uppnår effektivspänningarna däremot lägre värden vid färre punkter än i den första iterationen, men dock fortfarande över materialets sträckgräns. Detta kommenteras ytterligare i diskussionsavsnittet.

Figur 16: Närbild på effektivspänningar vid infästning.

17

4.4. Ram

Ramen utformas för att sammanlänka botten- och toppchassit med kortast möjliga avstånd.

Detta ger en kompakt lösning i höjdled som ser till att komponenter inte tar i varandra och skapar slitage samt minskad livslängd för berörda delar. Avståndet mellan bottenplattorna är direkt kopplat till balkar med motsvarande hål på bottenchassit, vilket innebär att 10 mm stålplattor svetsas fast i ramens bakända för att ge fästpunkter till toppchassit. En

utbyggnad är även gjord på ramens vänstra sida, enligt figur 17, för att ge en plats för montering av lufttanken som behövs till det pneumatiska systemet.

Figur 17: Färdig konstruktion av ram till kompakt punchmaskin.

För att ramen ska klara av de höga krafterna som konstruktionen belastas av, men ändå hålla nere på vikten, används ihåliga stålprofiler i dimensionerna 100x200 i hörnen samt 100x100 för samtliga balkar som binder ihop hörnen. Samtliga balkar har även en

godstjocklek på 8 mm. Ett stålrör placeras också mellan stålplattorna på bakändan för att undvika att plattorna böjer sig inåt vid inspänning av skruvar.

I FEM-simuleringar av ramen placeras fasta inspänningar i skruvhålen där bottenplattorna fäster mot bottenchassit. Även stödskenorna som ligger vinkelrätt under bottenplattan blir inspänd i en led, då denna kommer trycka mot bottenchassit vid belastning. Likt fallet med länkarmen läggs en belastning på 60 kN, men här utspridd över samtliga hål där toppchassit skruvas fast i ramen, se figur 18. Detta ger varje hål en last på 15 kN.

18

Figur 18: Resultat av FEM-simulering på ramen.

Enligt simulering lägger sig effektivspänningarna runt cirka 50 MPa, vilket är väl under sträckgräns för materialet. Den maximala effektivspänningen som uppnås är 346 MPa sker enbart i en punkt på insidan av stålprofilerna vid tankplaceringen. Utöver dessa så återfinns spänningar runt 200 MPa där stålprofilerna möter varandra, se figur 19 och 20.

Figur 19: Närbild på infästning av kryssbalkar och hörnbalkar.

19

Figur 20: Närbild vid centrum av kryssbalkarna.

4.5. Toppchassi

Toppchassit i figur 21, som huserar gejderstängerna och oket, konstruerades från grunden för att passa till den krävda längden på gejderstängerna. Dessa sitter i sin tur i säten placerade på varsin sida av chassit. I vardera ända svetsas plattor som ska agera fästpunkt mellan ramen och toppchassit, som således binder ihop dessa. Bakändans plattor har, till skillnad från framändans, två hål placerade med en sex-gradig vinkel i förhållande till varandra med centerpunkt i de främre hålen. Detta medför att överdelen kan tippas uppåt och då erhålla en önskad lutning på sex grader.

Figur 21: Färdig konstruktion av toppchassi till kompakt punchmaskin. Här syns bakändan till vänster i bild.

20

I toppchassit sitter även upphängningen för cylindern där sagda cylinder hängs upp i sitt jämviktsläge med hjälp av skruvar. Denna syns i figur 22. Blocket där infästning sker svetsas samman med ihåliga stålprofiler samt 15 mm tjocka stålplåtar. Detta svetsas i sin tur fast i undersidan av toppchassit.

Figur 22: Cylinderinfästning. Svetsas i undersidan av toppchassit.

Vid FEM-simulering av toppchassit placeras inspänningarna i blocket där cylindern kommer hängas upp. Fasta inspänningar placeras i skruvhålen och de plana ytorna får inspänningar vinkelrätt riktade mot sig. Likt ramen placeras belastningar på totalt 60 kN ut, även detta utspritt mellan skruvhålen där infästning sker mot ramen, se figur 23.

Figur 23: Resultat av FEM-simulering av toppchassit.

21

I toppchassit uppnås överlag effektivspänningar på cirka 80 MPa vid punkter där två

komponenter möts, det vill säga där svetsfogar kommer placeras vid tillverkning. Noterbart är också att området vid cylinderupphängningen, som i figur 23 är det ljusblå området, innehar effektivspänningar på cirka 50 MPa kontra övriga balkar som placerar sig runt 32 MPa och neråt. Likt ramen har toppchassit en punkt där spänningarna uppnår högre värden än övriga modellen, närmare bestämt ett värde på 200 MPa. Även detta en singularitet.

4.6. Gejderstänger

Gejderstängerna, se figur 24, konstrueras med samma diameter och material som till den fullstora punchmaskinen. Materialet som används är krompläterat stål, där den

högkvalitativa krompläteringen bidrar till minskad friktion mellan gejderstängerna och oket, samt att det har hög tålighet i den ogynnsamma miljö som punchmaskinen kommer vistas i.

Detta gör materialet lämpligt att använda i närheten av smältugnar.

För att anpassa stängerna till nuvarande slaglängd erhåller de en längd som är cirka 300 millimeter kortare än de stänger som används på den fullstora punchmaskinen. Innan de kläms fast i säten på toppchassit placeras dämpningar i ändarna för att säkerställa att oket inte slår i kanten på chassit och orsakar skada.

Figur 24: Färdig design av gejderstänger.

22

4.7. Punchok

Punchoket tas, likt gejderstängerna och bottenchassit, också från befintlig fullstor punchmaskin. Punchoket, som syns i figur 25, specialbeställs som ett gjutet block för att sedan bearbetas med hål för gejderstängerna samt skruvar. På den fullstora punchmaskinen fästs brickor längst ut på vardera sida om oket, vilket inte blir fallet på denna kompakta variant då brickorna är integrerade i länkarmen. Här är även fästanordningen för punchstängerna oförändrad då övrig konstruktion är anpassad efter denna.

Figur 25: Färdig konstruktion av punchok.

23

5. Diskussion & Slutsatser

Då maskinen uppfyller de måttkrav som tagits fram anses konstruktionen vara lyckad.

Eftersom en staplingskonstruktion används minskas längden avsevärt men det medför att länkarmen utsätts för många krafter, då denna binder samman planet där krafter från cylinderarbetet sker och de krafter som sker då oket slår i gummibuffertarna. I och med att en kraft belastar länkarmen vinkelrätt uppstår moment som tär mer på materialet än vad enbart tvärkrafter skulle göra, på grund av att det uppstår skjuvning. Därför är det viktigt att sagda komponent konstrueras till att vara stabil och motståndskraftig mot sagda

skjuvspänningar. Detta motiverar även varför det slutgiltiga valet av länkarm blev den andra iterationen, då infästningarna i denna ligger parallellt med hur krafterna verkar.

Då cylindern för närvarande enbart är upphängd i dess jämviktsläge vid fullt slag så kan detta medföra onödig belastning på de skruvar som ska hålla denna på plats. För att minska belastningen på dessa kan ett säte konstrueras som bakkanten på cylindern kan vila på.

Detta säte måste dock vara fäst i toppchassit, för att behålla lutningsfunktionen. Ett alternativ vore att designa om länkarmen från grunden så att denna ger fri passage för kolvstången vid arbetsslag. Det skulle innebära att cylindern kan fästas i bottenchassit eller ramen, men ändå behålla möjligheten att vinkla toppchassit. Däremot skulle det innebära att den nuvarande stålprofilen som binder samman cylindern och oket måste bytas ut mot en mer ihålig lösning, till exempel tjockare hopsvetsade plåtar. En sådan lösning skulle också kunna innebära belastningar på länkarmen, då cylindern och gejderstängerna inte längre skulle ligga parallellt med varandra.

5.1. FEM - Resultat

De FEM-beräkningar som utförts bedöms vara trovärdiga till en viss grad. Under arbetets gång har, som tidigare nämnt, samtliga simuleringar varit approximativa. Då de

komponenter som simuleras haft ett genomgående material så kan detta till viss del inte stämma med den verkliga bilden, då det finns en viss sannolikhet att de olika delarna som behandlas homogent använder olika ståltyper med olika kemiska sammansättningar. En lösning på detta vore att göra en simulering i sammanställnings-läge istället för att konvertera delsammanställningen till en komponent. På så sätt går det att välja olika material till de ingående delarna. Detta är dock betydligt mer tidskrävande och kräver att man sammanbinder delarna rätt från början. Detta bedöms vara utanför tidsramen i detta arbete.

En annan anledning till att FEM-beräkningarna i viss mån kan vara felaktiga är att svetsfogar inte är medtagna i beräkningen. Dessa skulle lindra de spänningskoncentrationer som uppstår vid vassa övergångar mellan två komponenter, och därför ge en mer

24

verklighetstrogen bild av spänningarna än de som finns för närvarande. Detta skulle dock innebära en marginellförbättring då det mest berör ramen och toppchassit, där

spänningarna redan är relativt låga.

Under simuleringarna har det även uppstått punkter där spänningen uppnår betydligt högre nivåer än i övriga punkter. Detta syns tydligast i simuleringen av ramen, där maxspänningen lägger sig på insidan av stålprofilen där tanken sitter. Denna del av ramen har överlag en effektivspänning på 50 MPa, men i en viss punkt landar effektivspänningen på 346 MPa.

Detta har, med konsultering av handledare, blivit bortsett från och förklarat som en singularitet med motivering att det är avsevärt högre än kringliggande noder och på ett ställe där en så hög effektivspänning upplevs som orimlig.

5.2. Vidare utveckling

Eftersom detta arbete medför en viss tidsbegränsning så återstår mycket arbete innan den kompakta punchmaskinen kan börja användas. En komponentöversikt ska göras där

samtliga ingående komponenter ska ses över för att se att de håller för de belastningar och miljöer som är relevanta. Då detta är genomfört på alla komponenter ska dessa in i system där de erhåller artikelnummer och konstruktionsritningar. Denna process kan ta flera månader och faller därför utanför tidsramen som är uppsatt.

För att punchmaskinen ska kunna fungera som det är tänkt krävs även en del sensorer utplacerade på toppchassit. Många av dessa har uteblivit ur denna konstruktion då det ej ingick i arbetet att placera dem på lämpliga ställen. Den sensor som däremot har placerats ut i konstruktionen är kameran som övervakar när arbetsslaget är utfört. Denna används även för allmän monitorering av den delen av systemet, då punchstängerna behöver bytas ut emellanåt på grund av att de utsätts för höga temperaturer då de åker in i

konverterugnen.

Ytterligare en sak som uteblivit är det pneumatiska systemet. Då ett system likt det som återfinns i den fullstora varianten av punchmaskinen kommer appliceras ansågs det att det ej skulle ingå i detta arbete att utföra beräkningar på systemtryck, rörförluster och dylikt.

Lufttanken har däremot placerats ut då dess storlek måste tas i beaktning vid placering, vilket påverkar utseendet hos ramen då fler stålprofiler behövs placeras ut för att tillgodose detta.

25

Referenser

1. Brininstool, M. och Flanagan, D.M., (2015), 2015 Minerals Yearbook, Copper (Advanced Release), s.29

2. Lossin, A., (2001), Ullman’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, s. 218 3. Schlesinger, M.E., (2011), Extractive Metallurgy of Copper, 5th ed., s. 127

4. Needham, J. (2008), Science and Civilisation in China, Volume 5, Part 11., s.361-362 5. Kapusta, J. och Warner, T. (2009). International Peirce-Smith Converting Centennial.

San Francisco: TMS, s. 5,10 & 16–20

6. Vaarno, J., (1998). Applied Mathematical Modeling, Volume 22, Issue 11., s. 907 7. Lakshmanan, V.I., (2016). Innovative Process Development in Metallurgical Industry:

Concept to Commission. s. 70

8. Evensen, K. och Ruud, J. (1995). Grundläggande Pneumatik, 1st ed., s. 12

26

Bilaga 1 - Referensmått på P-S Konverterugn