Examensarbete
UTREDNING AV
SPRICKORSAKERNA I INFÄSTNINGARNA TILL KYLELEMENT
INVESTIGATION OF REASON FOR CRACKING IN THE ATTACHMENT CLAMPS FOR
COOLING ELEMENT
Examensarbete inom huvudområdet Maskinteknik G2E 30 Högskolepoäng
Vårterminen 2021
Ammie Bäckström Nicklas Werner
Handledare: Docent Lennart Ljungberg Examinator: Doktor Tobias Andersson
I
Sammanfattning
Cementa i Skövde har gett i uppdrag att undersöka varför det uppstår sprickbildning i de fasta infästningarna, vilka är en del av upphängningen till kylelement som används i cementproduktionen för att kyla ned färdigt material, samt att ta fram åtgärder mot framtida sprickbildning. Kylelementen hålls också på plats av en rörlig infästning som till skillnad från den fasta infästningen har ett spel, vilket gör att kylelementen kan röra sig i alla led.
Cementa har inte utfört någon tidigare forskning angående detta fall och därför utförs en omfattande litteraturstudie, där ämnen som materialegenskaper, tillverkning, typer av brott och brottmekanismer ingår. Utifrån insamlad information formas hypoteser som sedan testas genom beräkningar och analyser.
De två huvudsakliga hypoteserna som formas är:
Spänningar större än brottgränsen (“överlast”) för materialet leder till sprickbildning.
Utmattning leder till sprickbildning.
Metoder som används för att undersöka hypoteserna är handberäkningar och FE-analyser.
Resultaten från dessa beräkningar och analyser påvisar att spelrummet i den rörliga
infästningen har en stor påverkan på spänningarna som uppstår och är med stor sannolikhet en orsak till sprickbildningen och att den mest troliga brottsmekanismen är utmattning.
Korrosion, svaga svetsfogar och termiska spänningar kan vara bidragande orsaker till sprickbildningen.
II
Abstract
The assignment handed out by Cementa in Skövde is to investigate why crack formation and propagation emerge in the fixed attachment clamps and propose solutions against it. The fixed attachments are part of the cooling element suspension, used in the cement production to cool the material coming out of the oven. There is also an attachment clamp for the cooling elements with a clearance around the cooling elements which allows some movement in all directions.
Since Cementa has not performed any former research for this case, a thorough literature study is conducted. Material properties, manufacturing, fracture types and fracture mechanisms are subjects examined in the literature study. Hypotheses are formed using the gathered information and are tested by calculations and analyses.
The two main hypotheses formed are:
Stresses greater than the tensile strength for the steel causes crack formation.
Fatigue causes crack formation.
The methods used to investigate the hypotheses are calculations by hand and FE-analysis. The results from calculations and analyses shows that the clearance in the movable attachment had great influence on the stresses obtained in the fixed attachment and is the probable cause for crack formation and propagation. The most likely fracture mechanism is fatigue and corrosion, bad welds and thermal tension could be contributing factors for crack formation.
III
Intyg
Denna uppsats har lämnats in av Ammie Bäckström och Nicklas Werner till Högskolan i Skövde som uppsats för erhållande av betyg för på grundnivå G2E inom huvudområdet Maskinteknik.
Undertecknande intygar härmed att allt material i denna uppsats som inte är resultatet av eget arbete har redovisats med källangivelse. Uppsatsen innehåller inte heller material som undertecknande redan tidigare fått tillgodoräknat sig inom sina akademiska studier.
X
Ammie Bäckström
X
Nicklas Werner
Skövde 2021-06-02
Institutionen för Ingenjörsvetenskap
IV
Förord
Vi vill tacka Cementa i Skövde som har gett oss förtroendet och möjligheten till att utföra denna undersökning trots situationen med Covid-19. Ett särskilt tack till våra handledare på Cementa, Arvid Engman och Daniel Erlandsson som under denna studie har varit till stor hjälp genom att besvara frågor som har uppkommit under arbetes gång.
Ett stort tack till vår handledare Lennart Ljungberg på Högskolan i Skövde, som har hjälpt oss när frågor och funderingar har uppstått. Vi vill också tacka Tobias Andersson och Kent Salomonsson från Högskolan i Skövde som har varit till stor hjälp vid analyser och beräkningar.
Tabeller och figurer som framförs utan källhänvisning har skapats av författarna.
Skövde 2021–06-02 Ammie Bäckström Nicklas Werner
V
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Frågeställningar och Mål ... 2
1.3 Syfte ... 2
1.4 Avgränsningar ... 3
1.5 Hållbar utveckling ... 3
2 Metod ... 4
2.1 Projektplanering ... 4
2.2 Forskningsmetodik ... 4
2.3 Val av forskningsdesign ... 4
2.4 Metodkritik ... 5
2.5 Brainstorming ... 5
2.6 Datainsamling ... 5
2.6.1 Litteraturstudie ... 5
2.6.2 Intervju ... 6
2.6.3 Dokument ... 6
2.6.4 Observation ... 6
2.7 CAD – Computer aided design ... 7
2.8 Orsak-verkan-diagram ... 7
2.9 Handberäkningar ... 7
2.10 FEM – Finita elementmetoden ... 7
3 Förstudie ... 8
3.1 Konstruktion och funktion ... 8
3.2 Tidigare sprickbildning ... 10
3.2.1 Inspänning ... 10
3.2.2 Gammal bygeldesign ... 10
4 Teoretisk referensram ... 11
4.1 Material ... 11
4.2 Tillverkning ... 11
4.2.1 Gjutning ... 11
4.2.2 Varmvalsning ... 11
4.2.3 Svets ... 12
4.3 Brottmekanik ... 12
4.3.1 Typer av brott ... 13
4.3.1.1 Spröda brott ... 13
4.3.1.2 Sega brott ... 14
VI
4.3.2 Brottmekanismer ... 14
4.3.2.1 Utmattning ... 14
4.3.2.2 Krypning ... 16
4.3.2.3 Korrosion ... 16
4.4 Formler ... 17
4.4.1 Tyngdpunkt ... 17
4.4.2 Utmattning ... 17
5 Hypoteser ... 18
6 Beräkningar och analyser ... 19
6.1 Handberäkningar ... 19
6.1.1 Tyngdpunkt ... 19
6.1.2 Jämviktsberäkning för stödreaktioner ... 19
6.1.3 Lastfall ... 19
6.1.4 Laster i den fasta infästningen ... 20
6.2 FEM ... 21
6.2.1 Materialegenskaper ... 22
6.2.2 Randvillkor, interaktioner och laster ... 22
6.2.3 Rutnät ... 23
6.2.4 Analys ... 23
6.3 Utmattningsanalys ... 24
7 Resultat ... 25
8 Diskussion och rekommendationer ... 27
8.1 Teknologi, samhälle och miljö ... 29
9 Slutsater ... 30
10 Framtida arbete ... 30
VII
Figurförteckning
Figur 1: Ugn med kylelementet och dess delar. ... 1
Figur 2: Den fasta infästningens delar. ... 2
Figur 3: Gammal (vänster) och ny (höger) bygeldesign. ... 2
Figur 4: Venndiagram för hållbar utveckling (KTH, 2020). ... 3
Figur 5: Mätning av den nya designen av bygeln. ... 6
Figur 6: Ugnens funktion. ... 8
Figur 7: Omrörarplattor i kylelement. ... 8
Figur 8: Den rörliga infästningen. ... 9
Figur 9: Den fasta infästningens randvillkor. ... 9
Figur 10: Sprickposition och foto - Sprickan är 70 millimeter och utgår från en svets. ... 10
Figur 11: Sprickinitieringsplats för gammal bygel. ... 10
Figur 12: Brottyta från bygel (gammal design). ... 10
Figur 13: V-märken (Callister & Rethwisch, 2011). ... 13
Figur 14: Fjädermönster (Callister & Rethwisch, 2011). ... 13
Figur 15: Sega brottytor i mikroskop (Callister & Rethwisch, 2011). ... 14
Figur 16: Ett utmattningsbrott och på bilden till höger syns striationer (Leijon, 2014). ... 15
Figur 17: Lastfall för den fasta infästningen. ... 19
Figur 18: Lastens placering i lastfallen. ... 20
Figur 19: Illustration av spelrummet i den rörliga infästningen. ... 20
Figur 20: FE-modell av kylelementet. ... 21
Figur 21: Tidigare sprickbildningspositioner (1,2,3 och 4) i byglar (nedre) och inspänning (övre). .... 21
Figur 22: Förenklad CAD modell av den gamla bygeldesignen. ... 22
Figur 23: Randvillkor. ... 23
Figur 24: Finare rutnät i de intressantare områdena för analysen. ... 23
Figur 25: S-N-diagram för ett liknande material (Matmatch, (u.å.)). ... 24
Figur 26: S-N-diagram för ett liknande material (Matmatch, (u.å.)). ... 26
1
1 Introduktion
Cementa i Skövde har gett i uppdrag att undersöka varför det uppstår sprickbildning i de fasta infästningarna samt att ta fram åtgärder mot detta. Cementa har inte genomfört någon tidigare forskning rörande detta fall.
1.1 Bakgrund
Cementa är ett av Sveriges största byggmaterialföretag. Cementa tillverkar och marknadsför cement samt erbjuder kunskap om användning av cementbaserade produkter. Cement är en av nyckelingredienserna i betong, vilken är grunden för hållbara byggnader och välfungerande infrastruktur (Cementa Heidelberg Cement Group, (u.å.)).
Till cementtillverkningen har Cementa en stor ugn där kalk smälts ned till klinker, se figur 1.
När materialet kommer ut från ugnen behöver det kylas ned och detta sker i elva kylelement som roterar med ugnen. Kylelementen hålls på plats av en fast samt en rörlig infästning på varje sida. Den fasta infästningen, se figur 2, har under en längre tid utvecklat sprickor. Sprickorna har reparerats under årens lopp genom svetsning och tillfälliga lösningar har tillsatts i form av en vajer som stöttar de fasta infästningarna om de skulle spricka. Cementa har också tagit in en ny design av den fasta infästningens bygel, se figur 3, de gamla byglarna byts successivt ut mot denna men Cementa vet ännu inte om den har gett någon effekt på sprickbildningen. Ugnen inklusive kylelement står utomhus och är väderpåverkade. Kylelementen är en viktig del av tillverkningsprocessen då ugn med kylelement är de enda på anläggningen och därför avstannar cementproduktionen utan dem. Ytterligare är dessa kylelement stora och tunga, de skulle därför utgöra en fara ifall någon av dessa faller ned.
Figur 1: Ugn med kylelementet och dess delar.
18 meter
2
1.2 Frågeställningar och Mål
Vilken är den främsta orsaken till sprickbildningen i den fasta infästningen för gamla respektive nya bygeldesignen?
Vad kan Cementa göra för att förebygga framtida problem med sprickbildning?
Ta fram tänkbara orsaker till sprickbildningen i den fasta infästningen för både den gamla respektive nya bygeldesignen.
Ta fram förslag på åtgärder mot framtida sprickbildning.
1.3 Syfte
Syftet med studien är att undvika framtida problem med sprickbildning i den fasta infästningen.
Genom en undersökning på ett ingenjörsmässigt och vetenskapligt sätt kan Cementa få en större förståelse för bakomliggande orsaker.
Figur 2: Den fasta infästningens delar.
Figur 3: Gammal (vänster) och ny (höger) bygeldesign.
3
1.4 Avgränsningar
Analyser kommer endast att utföras på tidigare sprickbildningspositioner.
Fysiska test kommer inte att utföras, såsom dragprov eller liknande för att bekräfta analysresultaten.
Vid förebyggande åtgärder tas ingen hänsyn till ugn eller kylelement.
1.5 Hållbar utveckling
Begreppet hållbar utveckling kan delas in i olika kategorier, ett sätt är att dela in det i ekologiska, sociala och ekonomiska synvinklar. Inom hållbar utveckling eftersträvas en balans mellan dessa tre, vilket kan beskrivas med ett Venndiagram, se figur 4. Mitten av Venndiagrammet representerar hållbar utveckling (KTH, 2020).
Ekologisk hållbarhet syftar till jordens ekosystem och allt som rör detta. Till exempel kan det handla om stabilitet hos klimatsystemen såsom luft-, land- och vattenkvalitet (KTH, 2020). I detta arbete kommer den ekologiska hållbarheten tas hänsyn till genom bland annat att den fasta infästningen inte ska behöva bytas ut på grund av haveri, vilket kommer bidra till mindre svinn, produktions- och frakt-utsläpp.
Social hållbarhet syftar till individens välbefinnande, rättvisa, makt och behov. Genom att tillgodose dessa på en global nivå skapas social hållbarhet (KTH, 2020). Detta projekt syftar till att bidra med en säkrare arbetsplats för de som arbetar på Cementa, då kylelementen inte ska kunna ramla ned från ugnen. Ytterligare bidrar detta till att minska den psykiska stressen som skapas från osäkerheten rörande den fasta infästningen från kylelementen och de konsekvenser som de kan medföra.
Den definition av ekonomisk hållbarhet som syftas till i detta projekt är den som innebär att den ekonomiska utvecklingen inte bidrar med negativa konsekvenser för den ekologiska eller sociala hållbarheten (KTH, 2020). Genom detta projekt kan den ekonomiska hållbarheten förbättras eftersom kostnader kommer kunna minskas för Cementa, då den fasta infästningen inte ska behöva bytas ut eller repareras. Detta i enlighet med förbättringsåtgärderna för ekologisk och social hållbarhet.
Figur 4: Venndiagram för hållbar utveckling (KTH, 2020).
4
2 Metod
I det här kapitlet beskrivs metoder och verktyg, hur de appliceras i projektet och varför.
2.1 Projektplanering
Genom användning av ett Gantt-schema kan aktiviteternas ordningsföljd och resursfördelningens placering tydligt visas grafiskt. Resurserna som finns med i planen kan vara den arbetstid som projektdeltagarna kommer att lägga i projektet eller tillgången till material/budget (Bergman & Klefsjö, 2020; Wikberg Nilsson, Ericson & Törlind, 2015).
Det skapas en projektspecifikation för att få en översiktlig bild av vad som ska göras och vilka resurser som finns tillgängliga. En tidplan utförs i MS Project i form av ett Gantt Schema, detta väljs på grund av dess tydliga struktur och att en överskådlig bild av tidsramarna för projektet skapas. I Gantt-schemat inrättas flera milstolpar för att enkelt kunna pricka av när delmål är uppnådda.
2.2 Forskningsmetodik
I detta arbete används en explorativ studie, vilket innebär att området inom detta problem inte är kartlagt/känt (Paulsson, 2020). Denna studie kommer att undersökas utifrån ett analytiskt synsätt som innebär att strävan i studien är att utreda orsakssammanhang så objektivt och fullständigt som möjligt (Björklund & Paulsson, 2012). Det tekniska kunskapsintresset används, vilket innebär att drivkraften i kunskapsutvecklingen är att undersöka hur något fungerar och påverkas av olika variabler. Vetskapen om vilket kunskapsintresse som används kan hjälpa att förstå den litteratur som används eftersom olika teoribildningar utformats som ett resultat av olika forskares kunskapsintressen (Blomkvist & Hallin, 2014).
Det vetenskapliga arbetssätt som används i detta arbete är det deduktiva, vilket innebär att datainsamling används för att identifiera teorier och idéer vilka sedan testas genom experiment och analyser. Då formas hypoteser utifrån teorin, sedan skapas en experimentell studie för att se om hypoteserna stämmer eller inte. Målet är att hitta orsaken till sprickbildningen och därför kommer det att krävas en bred datainsamling om ämnen som rör detta. Vid utförande av en deduktiv studie är det viktigt att tänka på att ha ett kritiskt förhållningssätt och vara öppen för reflektioner kring studiens resultat och tillvägagångssätt. Då studien ofta är låst till de hypoteser som har formats i starten, samlas ofta det experimentella materialet in utifrån dessa (Blomkvist
& Hallin, 2014).
2.3 Val av forskningsdesign
Forskningsdesign är en modell som ska göra problematiseringen forskningsbar. I denna studie används en experimentell forskningsdesign som innebär att situationen har ett förutsägbart syfte, det vill säga sökning av mönster och orsakssamband. Denna forskningsdesign utgår från testning av hypoteser som formats av teorin, det vill säga ett deduktivt arbetssätt (Blomkvist &
Hallin, 2014).
5
2.4 Metodkritik
I vetenskapliga sammanhang behöver undersökningens trovärdighet säkerställas och det bör göras utifrån tre olika mått. Det första är validitet som innebär att verkligen rätt sak studeras.
Reliabilitet är det andra måttet, vilket innebär att det som studeras verkligen utförs på rätt sätt.
Hög reliabilitet försäkrar inte hög validitet men hög validitet förutsätter hög reliabilitet. Det sista måttet är objektivitet, det vill säga hur studien kommer att påverkas av olika värderingar (Björklund & Paulsson, 2012).
I detta arbete ökas validiteten genom användning av datatriangulering, vilket innebär att flera olika datakällor används för att få flera perspektiv på samma sak. Det ska också utföras en teoretisk triangulering, det vill säga tillämpning av flera olika teorier från samma uppsättning data. Reliabiliteten ska säkerställas genom att utföra samma mätning flera gånger. Studiens objektivitet ska ökas genom att motivera val av metoder som använts i studien, med syfte att låta läsaren själv ta ställning till undersökningens resultat. Den teori som används i arbetet ska återges korrekt och ska inte väljas ut för att uppnå argument som talar för ett eftersträvat resultat (Björklund & Paulsson, 2012).
2.5 Brainstorming
Brainstorming används i början av arbetet för att generera idéer på möjliga orsaker till sprickbildningen. Metoden medför struktur som ligger till grund för kommande datainsamling (Wikberg Nilsson, Ericson & Törlind, 2015).
2.6 Datainsamling
Insamlad data kan generellt delas in i två grupper. Den första gruppen är primärdata vilket är speciellt framtaget för den aktuella studien, den har ett relativt nytt datum och har tagits fram efter att studien har inletts. Den andra gruppen är sekundärdata, vilken har tagits fram för ett annat syfte än själva studien och kan ha skapats långt innan studien påbörjades (Paulsson, 2020).
Datainsamlingsmetoderna kan delas in i kvalitativa och kvantitativa metoder. Kvalitativa studier används för att skapa en djupare förståelse om problemet. I studien ska förståelse för hur sprickbildning uppstått studeras, för att skapa en förståelse för detta krävs inhämtning av teorier genom tidigare litteratur och forskning. Detta motiverar därmed att en kvalitativ studie ska genomförs. I studien kommer numerisk data att inhämtas och studeras. Numerisk data inkluderas genom bland annat FE-analyser, vilket leder till att studien även kommer att bli kvantitativ (Björklund & Paulsson, 2012)
2.6.1 Litteraturstudie
En litteraturstudie är en datainsamlingsmetod av information från sekundärdata, vilket inte är skapat för uppsatsens syfte. Detta medför att olika sökrutiner på databaser kan medföra att litteratur underlaget kan bli ofullständigt. Informationen som tas fram kan även vara vinklad, det krävs därför ett kritiskt tänkande mot informationen och det egna nyttjandet av den. Fördelar som litteraturstudien medför är att med begränsade ekonomiska resurser och under relativt kort
6 tid kunna samla och ta del av relevant information till studien. Litteraturstudien hjälper att kartlägga befintlig kunskap inom området. (Björklund & Paulsson, 2012).
Under den initiala litteraturstudien hämtas relevant information från kurslitteratur som använts i föregående kurser. Detta för att få en utgångspunkt i sökandet efter mer litteratur. En undersökning i form av fallstudier från berörda ämnesområden utförs.
2.6.2 Intervju
Intervju är en datainsamlingsmetod som bygger på att ställa frågor till en svarsperson och den information som tas fram är primärdata (Patel & Davidson, 2019). Möten med handledare från Cementa får funktion som intervjuer. Frågor som uppstår under arbetets gång samlas i ett dokument, detta används som underlag i intervjuerna.
2.6.3 Dokument
Dokument används för att samla in information som rör faktiska förhållanden och skeenden.
För att kunna använda information från dokument är det viktigt att informationen är trovärdigt, vilket innebär att ett kritiskt tänkande krävs (Patel & Davidson, 2019).
Skapandet av CAD-modeller för ugnsdelarna kräver att en datainsamling från dokument i form av ritningar och bilder som tillhandahålls av Cementa genomförs. Denna datainsamling bidrar till skapandet av verklighetstrogna modeller för att uppnå ett så trovärdigt resultat som möjligt vid analyser och beräkningar. Ett källkritiskt tänkande används då alla ritningar som tillhandahålls inte är av den senaste modellen av detaljen som sitter på ugnen idag och många är även ritade för hand samt av äldre version.
2.6.4 Observation
Observation är en metod som framför allt används för att ta reda på hur något agerar i en specifik situation. En observation genomförs och dokumenteras på ett systematiskt och vetenskapligt tillvägagångssätt (Patel & Davidson, 2019). Observationer i form av temperatur- och bygelmätning utförs, se figur 5.
Figur 5: Mätning av den nya designen av bygeln.
7
2.7 CAD – Computer aided design
CAD är ett teknologiskt redskap vilket ger möjlighet att använda datorer som hjälpmedel i skapande, analys, modifiering och optimering av design (Lee, 1999). CAD används i detta projekt för att datorisera de ritningar som tillhandahålls av Cementa. Syftet med att översätta ritningarna till CAD-modeller är att få tydliga tredimensionella vyer som kan användas för illustration samt flyttas över till programmet Abaqus CAE för att där analyseras mekaniskt. Det CAD-program som används i projektet är Creo Parametrics 6.0.
2.8 Orsak-verkan-diagram
När ett problem har identifierats är det viktigt att utföra en undersökning på ett systematiskt sätt för att utreda underliggande orsaker. Detta kan göras med hjälp av ett orsak-verkan-diagram.
Genom diagrammet och tidigare insamlad data kan en trolig orsak till problemet indikeras.
(Bergman & Klefsjö, 2020). Orsak-verkan-diagram kommer utföras för att tydliggöra möjliga samband mellan sprickbildning och verkande faktorer. Detta kommer att ge möjliga hypoteser till sprickbildningen som kan utredas vidare med hjälp av metoder såsom handberäkningar och FE-analyser.
2.9 Handberäkningar
Med handberäkningar syftar rapporten till beräkningar som gjorts för hand. Syftet med beräkningarna är bland annat att bestämma krafter, tyngdpunkter och egenvikter för att kunna användas i FE-analyserna.
2.10 FEM – Finita elementmetoden
Alla mekaniska problem går att beskriva med hjälp av differentialekvationer. FEM är ett angreppssätt att lösa dessa differentialekvationer, då de antas gälla för en viss region. Regionen delas in i mindre bitar, finita element. Differentialekvationerna räknas ut för alla dessa element och deras beteenden kan bestämmas (Ottosen & Petersson, 1992). FEM används i projektet för att bilda en uppfattning om hur byglar och inspänning kommer att agera under olika driftförhållanden. Det CAD-program som används för FEM beräkningar i detta arbete är Abaqus CAE.
8
3 Förstudie
Förstudien genomförs för att skapa en förståelse för hur ugnen fungerar och är uppbyggd.
Metoder som har använts i förstudien är observationer, dokument och intervjuer.
3.1 Konstruktion och funktion
Det matas in kalk i ugnen, detta hettas upp och smälts ned och formar klinker, se figur 6. Ugnen roterar med en hastighet på två varv per minut och är i bruk cirka 85 % per år med två planerade underhållsstopp i ungefär fyra veckors tid vardera.
Det finns elva kylelement monterade på ugnen med funktion att kyla ner det färdiga klinkermaterialet från ugnen. Materialflödet till dessa kylelement är cirka 82 ton per timme och antas fördelas jämnt i de elva kylelement. Materialet flödas in i kylelementet via en inloppsdel som sitter helt fritt från ugnen och har en vikt på fem ton. När materialet passerat genom kylelementet faller det rakt ned genom en utloppsdel, för att transporteras vidare i tillverkningsprocessen. Kylelementen är 18,25 meter långa och har en ytterdiameter på 1,8 meter. De är tillverkade av rostfritt stål och varje kylelement innehåller omrörarplattor, se figur 7, som för materialet framåt och bidrar med nedkylning av detta. Dessa plattor sitter ojämnt fördelade i längdled med varierande vikter. Ett kylelement tillsammans med omrörarplattorna har en vikt på cirka 44 ton. Kylelementen hålls endast på plats av den rörliga och den fasta infästningen vilka är svetsade mot ugnen. Kylelementet kan expandera fritt axiellt och blir utsatta för cirka 300 ℃.
Figur 7: Omrörarplattor i kylelement.
Figur 6: Ugnens funktion.
Ugn Inlopp Fast infästning
Kylelement
Rörlig infästning
9 Den rörliga infästningen är svetsad mot ugnen och ledad vid axeln, vilket möjliggör rotation runt x axeln i koordinatsystemet, se figur 8. Leden vid axeln bidrar till att kylelementet kan expandera fritt i axiellt (z-led). Ytterligare har den rörliga infästningen en större innerdiameter än kylelementets ytterdiameter vid montering, vilket skapar ett spelrum på 15 millimeter i x-y- planet. Slitage har på den rörliga infästningen skapat ett spelrum på upp till 60 millimeter på vissa ställen. Den rörliga infästningen blir utsatt för cirka 150 ℃.
Den fasta infästningen består av en inspänning som blir utsatt för 275 ℃ och två byglar som blir utsatta för 200 ℃, se figur 2. Byglarna är ihopmonterade genom ett bultförband vilket gör dem helt fast inspända mot varandra, se figur 9. Byglarna sitter även med ett bultförband mot inspänningen, de kan endast rotera fritt runt bultens axel. Inspänningen sitter svetsad mot ugnen och är därmed helt fast inspänd. De fasta infästningarna sitter med ett spelrum mellan varandra, vilket gör att de inte påverkar varandra. Det finns ett spelrum mellan den fasta infästningen och kylelementet vid montering mellan en och sju millimeter. Bygeln finns i två olika varianter en gammal och en ny, se figur 3. Både gamla och nya byglar samt inspänning består av materialet kolstål P235GH som är ett tryckkärlsstål och är tillverkade genom varmvalsning.
Figur 9: Den fasta infästningens randvillkor.
Figur 8: Den rörliga infästningen.
X Y Z
Ca 1,2 meter Ca 1,2 meter
10
3.2 Tidigare sprickbildning 3.2.1 Inspänning
Tidigare upptäckta sprickor i inspänningen utgår från svetsfogen och växer in mot centrum, se figur 10, dessa har varierat i storlek mellan tio och 120 millimeter. Dessa sprickor uppstår för inspänningar med såväl nya som gamla byglar monterade.
Figur 10: Sprickposition och foto - Sprickan är 70 millimeter och utgår från en svets.
3.2.2 Gammal bygeldesign
Den gamla designen av de fasta byglarna har tidigare sprickbildning påträffats i en svetsfog på insidan av bygels geometri, se figur 11. Sprickorna har varit av varierande storlek och har vid ett tillfälle lett till brott, se figur 12. Den nya bygeldesignen har inte ännu uppvisat sprickbildning.
Figur 11: Sprickinitieringsplats för gammal bygel.
Figur 12: Brottyta från bygel (gammal design).
11
4 Teoretisk referensram
Kapitlet innehåller teori om möjliga bakomliggande orsaker som är inhämtad genom litteraturstudie.
4.1 Material
Kolstålets viktigaste beståndsdel utöver järn är kol. Kolhalten i kolstål varierar upp till 1,7 % och kolstålets egenskaper beror främst på kolhalten och vilken värmebehandling som utförts.
Vid en kolhalt på 0,05 - 0,2 % benämns kolstålet som ett mjukt kolstål och används främst som konstruktionsstål (Kalpakjian & Schmid, 2014).
Stål för tryckkärl liknar i många hänseenden stål för allmänna syften, men lastförmågan för tryckkärlsstål är lägre. Tryckkärlsstål är en typ av konstruktionsstål som har en låg kolhalt på maximalt 0,20 % och har egenskaper som god svetsbarhet och seghet. Beroende på tryckkärlsstålets kemiska sammansättning delas den in i olegerade, låglegerade och rostfria stål.
De olegerade tryckkärlstålen har en kolhalt på maximalt 0,20 % och nyttjats generellt under ett temperaturområde på 400–450 ℃ ned till -20, -40 ℃ (Ullman & Bengtson, 2003).
Materialegenskaper för stål EN 10028 P235GH (tryckkärlsstål), se tabell 1.
Tabell 1: Materialegenskaper (Leijon, 2014; Matmatch, (u.å.)).
Stål Elasticitets- modul (MPa)
Poisson´s tal
Sträckgräns (MPa)
Brottgräns (MPa)
Smältpunkt 𝑇𝑀
(K)
P235GH 200 000 0.29 235 360 1 753,15
4.2 Tillverkning 4.2.1 Gjutning
Gjutning kan kort beskrivas enligt följande: smält metall tillsätts i en form med önskad geometri, smältan får sedan stelna för att sedan tas ut ur formen (Kalpakjian & Schmid, 2014).
Vanliga defekter för alla typer av gjutning är: Ofullständig fyllning som innebär att materialet stelnar innan det fyllt hela formen. Krympkaviteter äger rum då materialet krymper i stelningsprocessen, tomrummet bildas där det sista materialet att stelna finns, vilket ofta sker högst upp i formen. Stelningskrympning är ett flertal små tomrum i gjutningen på grund av lokal krympning som följd av stelning, vilket är vanligt i legeringar. Restspänningar uppkommer när formen hindrar materialet från rörelse då materialet krymper i de sista stadierna av nedkylning efter stelning (Groover, 2017).
4.2.2 Varmvalsning
Stålet värms upp till vitvärme vid varmvalsning, materialet får då en konsistens som liknar den bly har vid rumstemperatur. Sedan transporteras materialet mellan valsar som successivt minskar i inbördes avstånd så att en förändrad dimension uppnås (Leijon, 2014). Upphettning till vitvärme gör att kornen i materialet kristalliseras om, detta leder till att materialet får isotropa egenskaper. Isotropa egenskaper innebär att materialet har samma egenskaper i alla
12 riktningar. Materialet kyls sakta ned för att behålla eftersträvad och homogen mikrostruktur (Varmvalsning av plåt, (u.å.)).
Ytdefekter uppstår i de flesta varmvalsade objekt och är oönskade. De vanligaste defekterna hos varmvalsade objekt är sömmar, veck och silver. Sömmar är längsgående defekter med varierande längd och djup. Den klassiska definitionen för sömmar är att det bildas gasbubblor nära ytan när metallen stelnar. När metallen återupphettas kan dessa hål exponeras. Oxidation av hålen hindrar materialet från att smälta samman vid varmvalsningen. Varmvalsningen drar i stället ut hålen och formar sömmar. Veck bildas när materialet viks, detta kan ske under valsningsprocessen och vecken innehåller vanligtvis oxiderat skal. Silver rullas ut på ytan av materialet och kan komma från defekter som skräpmaterial från slitna hörn (ASM Handbook Program, 1990).
4.2.3 Svets
Syftet med svetsning är att uppnå ett förband mellan två objekt med så homogena egenskaper som möjligt. Många svetsmetoder innebär att materialet hettas upp till smälttemperatur, värmen medför en risk för påverkan av materialets egenskaper och kan försämra dessa. Det finns risk för en snabb nedkylning av svetsen, i dessa fall leder det till att martensit bildas. Detta leder till en hårdhetsökning och ökar risken för vätesprickor samt försprödning. Vid svetsning med fuktig flux eller på fuktiga, smutsiga eller rostiga ytor kan väte binda till svetsgodset. Vätet diffunderar sedan in i resten av materialet och kan leda till sprickor när materialet svalnar (Weman, 2016).
Winsa (2010) har utfört en undersökning med syfte att ta reda på orsaken till sprickbildning på en skrotningsrigg och ta fram förslag på förbättringar. Studien visade att sprickbildningen oftast uppstod i svetsfogar och Winsa arbetade därför med att flytta spänningskoncentrationer från svetsfogarna till andra delar, då svetsfogar kan innehålla lokala spänningar och förändring av lokala materialegenskaper.
Kishore et al. (2020) analyserar en Linz – Donawitz (LD) -behållare, vilket är en del av masugnen som används vid ståltillverkning. Denna behållare spricker i en svetsfog och därför utförs i rapporten en analys av sprickbildning i behållarens skal. Studien visade att felet inträffade till följd av termomekanisk utmattning i svetsfogen på grund av användning av bristfällig svetselektrod. I svetselektroden fanns ingen utskiljningshärdning i svetszonen, vilket resulterade i en mjukningsmekanism i svetsfogen.
Wang et al. (2020) skriver att Ribb-däckssvetsningarna i ribbad plåt av stål lätt utsätts för utmattningssprickor på grund av effekten från restspänningar efter svetsen, belastningar och geometri med mer. Svetsens restspänningar, i genomsnitt 152 MPa i fattningskanten, har en avsevärd effekt på sprickans tillväxthastighet och variationen i sprickdimensionsförhållandet.
4.3 Brottmekanik
Brott kan kortfattat beskrivas som att ett objekt delas upp i två eller fler delar som ett resultat av en pålagd last. Denna last verkar vid en temperatur som är låg i förhållande till materialets smältpunkt. En av de viktigaste aspekterna i materialbeteende är sprickor och brott som uppkommer. Detta eftersom det är direkt kopplat till val av material för en viss applikation,
13 metod för tillverkningsprocess och konstaterande av livslängd för en komponent. Alla brott sker i två steg, sprickbildning och spricktillväxt. Ett brott uppkommer sällan genom en oförutsedd överbelastning på en oskadad struktur utan är vanligtvis ett slutresultat av en spricktillväxt från en brist eller en defekt (Callister & Rethwisch, 2011; Campbell, 2012; Kalpakjian & Schmid, 2014).
4.3.1 Typer av brott
Brott uppkommer oftast genom spricktillväxt och kan generellt delas in i två kategorier: spröda brott och sega brott. När en metall utsätts för en enaxlig dragbelastning sker brottet antingen sprött eller segt. Brottstypen beror till stor del på mekanismen för spricktillväxten (Callister &
Rethwisch, 2011).
4.3.1.1 Spröda brott
Vid spröda brott uppstår väldigt små till inga plastiska deformationer. I allmänhet främjar låg temperatur och hög deformationshastighet spröd fraktur (Kalpakjian & Schmid, 2014; Leijon, 2014).
Sprickbildningen hos spröda brott utsatta för drag är ofta vinkelrät mot dragkraften och bildar ofta en relativt slät brottyta. Vissa spröda brott får en linje av V-formationer nära centrum av geometrin, dessa pekar mot sprickbildningsplatsen se figur 13. Brottytan kan också ha linjer som liknar ett fjädermönster, där sprickorna möts i brottets initieringsplats, se figur 14. Dessa är grova och kan skådas med ögat. Hos ett hårt eller finkornigt material kommer inte sådana tydliga mönster att uppstå. Spröda brott beskrivs av en snabb spricktillväxt med liten plastisk deformation. De kräver inte en ökad last för vidare spricktillväxt, när sprickan är påbörjad växer den oförutsägbart (Callister & Rethwisch, 2011).
Figur 13: V-märken (Callister & Rethwisch, 2011).
Figur 14: Fjädermönster (Callister & Rethwisch, 2011).
14 4.3.1.2 Sega brott
Överbelastning av många metaller leder ofta till sega brott. Sega brott karaktäriseras av en långsam tillväxt med en stor deformation innan brottet. Den beskrivna spricktypen kallas för en stabil spricka, vilket innebär att den motstår vidare utvidgning så länge inte en ökad last läggs till. Vanligtvis syns även deformationer på brottytan i form av vridningar och slitningar.
Ytan av ett segt brott har ett fibermönster med gropar, som om många små dragtest har utförts på ytan, den kan beskrivas som fibrös och matt, se figur 15 (Campbell, 2012; Kalpakjian &
Schmid, 2014; Powell & Mahmoud, 1986).
4.3.2 Brottmekanismer
4.3.2.1 Utmattning
Utmattning innebär att en försvagning uppkommer när en komponent blir utsatt för cykliska belastningar. Vilken senare leder till sprickbildning och till slut ett utmattningsbrott.
Utmattningssprickor är från början oftast mikroskopiska och kan finnas redan från tillverkningen. De uppkommer genom upprepade belastningar och tillväxten kan vara mindre än 0,1 µm per belastning. Belastningen som komponenten blir utsatt för vid utmattning är oftast mindre än den enskilde belastningen som krävs för att ett brott ska uppstå. Dislokationer är något som finns naturligt i alla metalliska material. Dessa kan i kristallstrukturen liknas vid ett plan av atomer som upphör mitt i strukturen och skapar lokala spänningskoncentrationer i kristallen. Spänningar som appliceras kring dislokationer i kristallbyggnaden kan leda till förflyttning av dislokationerna. Även om en sådan förflyttning är mikroskopisk så kan det efter en miljon lastväxlingar och en miljon förflyttningar skapas sprickor. Så länge spänningarna som skapas är tillräckligt stora för att skapa förflyttningar hos dislokationer kommer sprickan växa med varje lastcykel (Brottmekanik, (u.å.); Kalpakjian & Schmid, 2014; Leijon, 2014;
Utmattning, (u.å.)).
Utmattning uppskattas vara orsaken till 90 % av alla servicefel för metalldelar (Hosford, 2010).
Enligt statistik beror 47 %, av haverier som är orsakade av utmattning på fel i tillverkningen, 38 % på driftsförhållanden det vill säga funktion och miljö, 11 % på konstruktionsfel och 4 % på fel i materialet. Motverkning av utmattningsbrott bör i första hand ske genom förändring av komponentens geometri för att sedan undersöka åtgärder i tillverkningsprocessen.
Belastningsmiljön och funktionen är oftast givna och kan då vara svåra att ändra.
Materialförändring ger oftast sämst utdelning vid förebyggande av utmattning (Utmattning, (u.å.)).
Figur 15: Sega brottytor i mikroskop (Callister & Rethwisch, 2011).
15 Utmattning kan inträffa på flera olika sätt beroende på vilken typ av belastning som sker, den vanligaste är en mekanisk utmattning som beror på en upprepad belastning.
Korrosionsutmattning är en annan typ av utmattning där lasten samverkar med korrosion, då korrosion påverkar ett materials utmattningsegenskaper negativt. Ett tredje fall är samverkan mellan en termisk och mekanisk last som kan leda till termomekanisk utmattning, då även en förhöjd temperatur påverkar materialets utmattningsegenskaper negativt. Mekanismer som ytfinhet, kemikalier och syror kan påverka utmattningshållfastheten (Leijon, 2014; Powell &
Mahmoud, 1986; Utmattning, (u.å.)).
En visuell undersökning av en yta på ett utmattningsbrott kan visa märken som liknar mönster av ”musslor” eller ”strandmärken”, se figur 16, där S visar sprickans startpunkt, U visar utmattningsbrottets utbredning och R visar restbrottets utbredning. Dessa märken kommer att visa sprickspetsens position i något skede under utmattningstiden. Initieringsplatsen för sprickan kan enkelt lokaliseras genom att undersöka märkena. Avståndet mellan dessa markeringar motsvarar inte avståndet som sprickan sprids i en cykel, utan visar en förändring i belastningshistoriken. Ett exempel på detta kan vara en tidsperiod då komponenten utsattes för korrosion eller förändring i spänningsamplitud. Vid en studie av brottytan kan streck synas, dessa kallas striationer, avståndet mellan dessa streck visar spricktillväxten under en lastväxling, se figur 16. Tillväxten beror på antalet lastväxlingar och lastamplituden (Hosford, 2010; Leijon, 2014).
Många utmattningssprickor visar inte på strandmärken, inte heller avsaknad av striationslinjer vilket inte utesluter utmattning. Striationslinjer är lätta att blanda ihop med wallnerlinjer, däckmärken och nednötning. Wallnerlinjer skapas av chockvågor/sprickspets interaktion. För att skilja striationslinjer från wallnerlinjer kan följande fakta tas i beaktning, wallnerlinjer uppstår endast i väldigt spröda material eller faser, de kan korsa varandra vilket inte striationslinjer gör (Powell & Mahmoud, 1986).
Ett S-N-diagram visar resultat av utmattningsprovning för ett specifikt material och kan användas för uppskattning av antal cykler som material ska klara av vid en specifik spänningsamplitud. Vid användning av S-N- diagram räknas en amplitudspänning ut enligt formel 2.1 och jämförs mot diagrammet. Materialet har en utmattningsgräns vilket betyder att materialet kan utsättas med oändligt många belastningscykler utan att utmattning uppstår, vilket Figur 16: Ett utmattningsbrott och på bilden till höger syns striationer (Leijon, 2014).
16 kan ses i diagrammet. I en korrosiv miljö bör inte någon utmattningsgräns tas med i beräkningarna (Institutionen för hållfasthetslära, 2014).
4.3.2.2 Krypning
Krypbrott är en permanent deformation av en komponent utsatt för en statisk last under en tidsperiod. Krypning uppkommer i metaller och vissa icke metaller såsom termoplast och gummi. Hos metaller uppstår krypning lättare vid förhöjda temperaturer, detta beror oftast på korngränsglidning. Korngränsglidningen skapar en kilformad korngränsspricka. Krypning är förändringen av dimensionerna hos en metall som utsätts för spänning vid en temperatur över 0.4 𝑇𝑀. Denna typ av brott är ofta enkla att upptäcka, de kan kännetecknas av lokala duktiliteter och en mångfald av intergranulära sprickor (Kalpakjian & Schmid, 2014; Powell & Mahmoud, 1986).
4.3.2.3 Korrosion
Korrosion är ett kemiskt angrepp på ett material och uppstår oftast genom reaktioner med omgivningen, elektrokemiskt. Det finns olika typer av korrosion bland annat rostning och ärgning, som innebär att järn, stål och koppar utsätts för saltvatten, och skapar en elektrokemisk reaktion. Ett annat exempel är glödskalsbildning, en kemisk reaktion där järn och stål utsätts för luft av hög temperatur (Ullman & Bengtson, 2003).
En metallyta kallas för aktiv om metallen kan gå i lösning utan att korrosionsprodukter på metallytan skyddar denna. Ytan är passiv om korrosionshastigheten är nedsatt på grund av korrosionsprodukter som bildats/tillsatts på ytan. Metaller som är i passivt tillstånd kommer att övergå till aktivt tillstånd när den passiva ytan bryts ned och inte kan återskapas. Kloridjoner, syror och höga temperaturer gör att den skyddande hinnan lättare bryts ned. Vid fuktig luft kommer järnet att rosta och om en yta är förorenad med exempelvis fingeravtryck kommer rost lättare att uppstå än om ytan är helt ren. Vid högre temperaturer kommer oxidationen att inträffa i snabbare takt men jämnare (Ullman & Bengtson, 2003).
Olika korrosionstyper skiljs åt med avseende på korrosionens angreppsform, orsaker och förlopp. Det finns allmän korrosion, som inträffar med nästintill samma hastighet på hela den exponerade ytan. Uppkomst av frätgropar kallas för gropfrätning och inträffar som en punktkorrosion eller punktfrätning genom att den skyddande hinnan bryts ned endast på vissa ytor. Spaltkorrosion uppstår i eller vid trånga spalter och är speciellt vanligt i kloridlösning vid tämligen oädla metaller. Erosionskorrosion innebär att materialet enbart angrips på ytan där den strömmande vätskans hastighet är hög, vilket ofta är ställen med stark turbulens. Selektiv korrosion innebär att komponenterna i en legering angrips med olika hastigheter (Elsevier Science Publishers, 1993; Mattson, 1987; Ullman & Bengtson, 2003).
Korngränsfrätning eller interkristallin korrosion innebär att korrosionen uppstår i korngränserna på metallen. Detta kan bero på att korrosionshärdigheten är sämre i korngränserna än i övriga delar av kornet. Vid detta fenomen kan enbart korngränserna korrodera utan att resterande delar av kornet gör det, vilket leder till att komponenten kommer behålla den ursprungliga formen men hållfasthetsegenskaperna kan drastiskt försämras.
Orsaken till att korngränserna kan ha försvagad korrosionshärdighet kan vara för att materialet kan vara oädlare där. Det kan också bero på att den passiverande hinnan lättare bryts ned och
17 har svårare att återskapas i korngränserna än i kornet (Elsevier Science Publishers, 1993;
Mattson, 1987; Ullman & Bengtson, 2003).
Spänningskorrosion innebär att korrosion och töjning uppstår samtidigt och kan frambringa en spricka i metallen. Skillnaden mellan spänningskorrosionssprickor och utmattningssprickor är att spänningskorrosionssprickorna är ”gafflade” och utmattningssprickor är ”raka”.
Spänningskorrosion är vanligast i höghållfastighets aluminiumlegeringar, autentiskt stål, konstruktionsstål med låg kolhalt, höghållfastighets stål och kopparlegeringar. Vid spänningskorrosion likt korngränsfrätning bibehåller komponenten sin ursprungsform men hållfasthetsegenskaper försämras drastiskt. Spänningskorrosionssprickor kan vara både trans- och intergranulära eller en kombination av dessa. Korrosionsutmattning uppstår genom töjning under växlande belastning med samtidig korrosion, vilket kan leda till att materialet spricker.
Sprickorna som uppstår är nästan alltid ”raka”, transkristallina sprickor (Elsevier Science Publishers, 1993; Mattson, 1987; Powell & Mahmoud, 1986; Ullman & Bengtson, 2003).
Kolawole et al. (2019) studerar en spricktillväxt vid korrosionsutmattning för ett mjukt kolstål utsatts för olika pH-värden. Studien visar att ett sänkt pH gör att kraften som krävs för att en utmattningsspricka ska skapas minskas. Den visar också att ett lägre pH ger en ökad spricktillväxt per cykel. Morgantini et al. (2018) utför en experimentell undersökning av effekten av medelspänningarna på utmattningslivslängden och korrosionsutmattnings- livslängden för lågkolhaltiga stål. Experimenten utförs i två olika miljöer, i torrluft (icke korrosiv) och i vatten med 0,824 % salinitet (korrosiv). Resultatet visade att efter 4 miljoner cykler halverades utmattningsgränsen för testobjektet utsatt för en korrosiv miljö jämfört med den i en icke korrosiv miljö
4.4 Formler 4.4.1 Tyngdpunkt
Formeln för beräkning av tyngdpunkt i x- och y-led.
𝑋̅ =
∑𝑚∑𝑚𝑖 𝑥𝑖𝑖
(
1.1)𝑌̅=
∑𝑚𝑖 𝑦𝑖∑𝑚𝑖
(
1.2)Där 𝑋 är tyngdpunktens läge i x-led (m), 𝑌 är tyngdpunktens läge i y-led (m), 𝑚𝑖 är massan för en last i (kg) och 𝑥𝑖 är läget för lasten i, i x-led (m) (Grahn & Jansson, 2013).
4.4.2 Utmattning
Spänningsamplitud.
𝜎
𝑎=
12
(𝜎
𝑚𝑎𝑥− 𝜎
𝑚𝑖𝑛) (
2.1)Där
𝜎
𝑎 är spänningsamplitud (Pa),𝜎
𝑚𝑎𝑥 är största spänningen (Pa) och𝜎
𝑚𝑖𝑛 är minsta spänningen (Pa) (Institutionen för hållfasthetslära, 2014).18
5 Hypoteser
Utifrån insamling av data och teori bildas hypoteser. Gjutning och varmvalsning anses med största sannolikhet inte vara bidragande faktorer till sprickbildningen eftersom sprickorna uppkommer på samma ställe i konstruktionen, där inga gjut- eller varmvalsningsfel har upptäckts. Krypning anses inte vara en möjlig brottmekanism till sprickbildningen eftersom temperaturerna som uppmätts under drift inte uppnår de som krävs för att krypning ska äga rum.
Hypotes 1:
Spänningar större än brottgränsen (”överlast”) för materialet leder till sprickbildning.
Denna hypotes skapas eftersom information som tagits fram genom datainsamling visar att systemet utsätts för höga laster som kan ge upphov till spänningar större än brottgränsen och därmed frambringa sprickbildning.
Hypotes 2:
Utmattning leder till sprickbildning.
Denna hypotes skapas eftersom statistik som tagits fram genom datainsamlingen uppskattar att 90 % av alla servicefel på metalldelar är orsakade av utmattning och att systemet roterar vilket skapar lastväxlingar som kan leda till utmattning och därmed sprickbildning.
Bidragande faktorer till hypoteserna:
Termiska spänningar
Korrosion
Svaga svetsar
De bidragande faktorerna till sprickbildning har tagits fram eftersom systemet utsätts för temperaturväxlingar vid start och stopp av ugnen, vilket kan skapa termiska spänningar. Ugn med kylelement står utomhus utan tak och saknar rostskydd vilket kan göra att korrosion skapas. Tidigare sprickor har bara upptäckts i svetsfogar vilket kan tyda på att svetsarna kan vara svaga.
19
6 Beräkningar och analyser
Här testas hypoteserna med handberäkningar och FE-analyser.
6.1 Handberäkningar 6.1.1 Tyngdpunkt
Kylelementet består av flera hundra omrörarplattor av olika varianter, dessa sitter ojämnt fördelade med varierande vikter i olika zoner. En förenkling av zonerna utfördes och en beräkning av plattornas sammanlagda vikt i en tyngdpunkt för zonen genomfördes istället för att genomföra en tyngdpunktsberäkning per platta, se bilaga 2, detta för att underlätta beräkningar av krafter som uppkommer i den fasta infästningen.
6.1.2 Jämviktsberäkning för stödreaktioner
Krafter som uppkommer i den fasta infästningen har tagits fram genom en jämviktsekvation, se bilaga 2, där egenvikter och materialflöde ingår. Syftet med denna beräkning är att använda resultatet som last i FE-analyser.
6.1.3 Lastfall
De elva kylelementen roterar med ugnen och intar olika lägen placerade runt denna. Tolv olika positioner för den fasta infästningen har tagits fram över den ena sidan (180 grader) av ugnen, se figur 17, detta eftersom lasten repeteras fast spegelvänd över de resterande 180 graderna.
Dessa tolv lastfall analyseras med FE-analyser för att erhålla de högsta spänningarna i respektive lastfall.
Vinkeln mellan varje position (numerisk ordning) beräknas enligt: 18011 ≈ 16,37°
Figur 17: Lastfall för den fasta infästningen.
20
6.1.4 Laster i den fasta infästningen
Lasten från egenvikt och materialflöde är placerad i gravitationens riktning, se illustration i figur 18. Kraften är ansatt över halva innerarean av den fasta infästningen, eftersom kylelementet är fast inspänt och kommer då att vara i kontakt med hela innerarean. I den rörliga infästningen finns ett konstruerat spelrum på 15 millimeter. Slitage har bidragit med att spelrummet har ökat till 60 millimeter. Spelrummet i den rörliga infästningen kommer att bidra med en hävarmseffekt, det vill säga ett böjande moment i den fasta infästningen, se figur 19.
Hävarmens riktning flyttas med lasten i gravitationens riktning. För denna last har hävarmens vinkel beräknats, se bilaga 2, för att användas vidare i FE-analyser.
Figur 18: Lastens placering i lastfallen.
Figur 19: Illustration av spelrummet i den rörliga infästningen.
21
6.2 FEM
FE-analyserna genomförs på den fasta infästningen, både för den nya och gamla bygeldesignen.
CAD-modeller skapas i Creo Parametrics 6.0 och överförs som 3D-solid modeller till Abaqus CAE. Kylelementet modelleras direkt i Abaqus CAE som en 3D-skal modell och icke deformerbar, se figur 20. Detta då kylelementen är tillverkad i rostfritt stål och är av tjockare gods, det anses därför inte troligt att kylelementen deformerar innan infästningen.
Kylelementets syfte i Abaqus är att applicera en trovärdig modell av det böjande moment som skapas av spelrummet. Huvudspänningarna i de tidigare sprickbildningsplatserna, se figur 21, analyseras för att se om det uppstår drag eller tryck. Den nya och den gamla bygelns geometri förenklades genom att geometrin för bultförbandets togs bort, se figur 22, detta för att minimera arbetstid utan att påverka resultaten nämnvärt.
Figur 20: FE-modell av kylelementet.
Figur 21: Tidigare sprickbildningspositioner (1,2,3 och 4) i byglar (nedre) och inspänning (övre).
22
6.2.1 Materialegenskaper
Det kolstål som infästningen är gjord av modelleras i FE-programmet som ett elastisk-plastiskt material. Materialegenskaper för elasticitetsmodul och Poisson’s tal är tagna från tabell 1.
Svårigheterna med att hitta information om materialet har gjort att värden för plasticiteten behövt vara hypotetiska och tagits fram genom jämförelse med liknande material.
6.2.2 Randvillkor, interaktioner och laster
Den fasta infästningen tilldelas randvillkor för att likna verkliga mekaniska funktioner, se figur 9. Svetsförbandet mot ugnen modelleras som fast inspänt i alla riktningar. Bultförbanden mellan bygel och inspänning modelleras med randvillkor som sätts ut i en referenspunkt för varje sida, dessa är låsta i rotation. Mantelytan i bulthålen för bygeln respektive inspänningen kopplas individuellt med en koppling mot de tidigare nämnda referenspunkterna för varje hål.
Kopplingarna mellan inspänningen och referenspunkterna är kopplade i alla led, medan de mellan byglarna och referenspunkterna är kopplade i alla led förutom y-led i koordinatsystemet på figur 23.
Hävarmsrörelsen av spelrummet som skapar ett vridmoment i den fasta infästningen modelleras med ett kylelement, detta kylelement har en kontrollpunkt utsatt i centrum av kylelementet. I denna kontrollpunkt ansätts randvillkor med en frihetsgrad i z-led samt en rotation i randvillkoret runt x-axeln, se figur 23. Mantelytan på insidan av infästningen (mot kylelementet) är kopplad till kylelementets kontrollpunkt med en koppling och är endast bunden till denna i z-led. Ett kontaktvillkor används för att överföra kraften från kylelementet till infästningen, denna är av typen ”hård kontakt” med en friktion på 0,7. Friktionen på 0,7 antas för kontakt mellan kolstål och rostfritt stål. Kylelementets yttre mantelarea fungerar som
”styrenhet” och infästningens inre mantelarea har ansats som ”svarsenhet” då det är denna som är intressant i analysen. Last från egenvikt och materialflöde modelleras med ett tryck på halva inre mantelarean, se figur 18. Trovärdigheten för ansatta randvillkor, interaktioner och laster testas genom deformationernas rimlighet, det vill säga liknar det som skulle inträffat i verkligheten.
Figur 22: Förenklad CAD modell av den gamla bygeldesignen.
23
6.2.3 Rutnät
Modellen tilldelas ett rutnät, se figur 24, vilket är finare i de områden som är mer intressanta i analysen, de ställen som tidigare sprickor har uppdagats i, se kapitel 3.2. Tetraedriska element används och den geometriska ordningen är kvadratisk. Rutnätets tillförlitlighet testas och säkerställs med ett konvergenstest.
6.2.4 Analys
Resultat som tagits fram genom FE-analyser är spänningar orsakade av tre belastningsfall:
1. Egenvikt av ett kylelement (44 ton) och materialflöde genom ett kylelement (7,5 ton per timme) (“last”)
2. Spelrum i den rörliga infästningen (15 millimeter och 60 millimeter) 3. ”Last” kombinerat med spelrum
Dessa belastningsfall har valts då lastfall 3 är det verkliga fallet som uppstår i systemet, för att se ifall det är en specifik faktor som utgör större delen av påverkan har detta delats in i belastningsfall 1 och 2. Resultat som togs fram genom FE-analysen var de maximala huvudspänningarna för de olika positionerna i byglarna och inspänningen, se figur 21, vilka jämfördes mot materialets sträck- och brottgräns för att undersöka om ”överlast” uppstår eller inte. De tolv lastfallen som analyserades är de från figur 17, och den gamla bygeldesignen jämfördes mot den nya.
Figur 23: Randvillkor.
Figur 24: Finare rutnät i de intressantare områdena för analysen.
24
6.3 Utmattningsanalys
Ett S-N-diagram för materialet P235GH som fasta infästningen består av finns inte att tillgå, därför användes ett diagram för ett kolstål med liknande materialegenskaper, se figur 25. Detta diagram utgjorde hypotetiska värden för utmattningsberäkningarna. Den lägsta spänningsamplituden i diagrammet att leda till utmattning antogs utifrån figur 25 ligga på cirka 120 MPa, vilket påvisade att spänningsamplituder från 120 MPa och större bör leda till utmattning. Spänningsamplituden på 120 MPa användes därför som utmattningsgräns i jämförelse med beräkningarna från formel 2.1, värden på spänningarna som användes i beräkningarna kommer från FE-analyserna. Beroende på vilket lastfall som har störst påverkan på respektive analysposition genomgår de olika positionerna en till två lastväxlingar per varv, detta ger 900 000 respektive 1,8 miljoner lastväxlingar per år, se bilaga 2.
Resultat som togs fram genom utmattningsanalysen var den maximala spänningsamplituden för de olika positionerna i byglarna och inspänningen, se figur 21, vilken jämfördes mot den hypotetiska utmattningsgränsen på 120 MPa för att se om utmattning uppstår eller inte. Den gamla bygeldesignen jämfördes mot den nya och de olika belastningsfallen som användes i FE- analyserna undersöktes.
Figur 25: S-N-diagram för ett liknande material (Matmatch, (u.å.)).
25
7 Resultat
Belastningsfall 1:
”Last”:
Detta belastningsfall bidrar inte med spänningar över materialets sträck- eller brottgräns.
Spänningsamplituderna som uppstår ligger inte över utmattningsgränsen. Detta gäller för båda bygeldesignerna.
Belastningsfall 2:
15 millimeter spelrum:
Detta bidrar inte med spänningar över materialets sträck- eller brottgräns. Spännings- amplituderna som uppstår ligger inte över utmattningsgränsen. Detta gäller för båda bygeldesignerna.
60 millimeter spelrum:
Detta bidrar med spänningar som överstiger sträck- men inte brottgränsen.
Spänningsamplituderna överstiger utmattningsgränsen, i alla bygelpositioner för den gamla bygeldesignen och i en position för den nya. Spänningsamplituden överstiger utmattningsgränsen i alla inspänningspositioner för både ny och gammal bygeldesign.
Spänningarna i byglarna är lägre i den nya bygeldesignen och överstiger endast sträckgränsen i sex lastfall medan den gamla överstiger i alla. I inspänningen syns ingen tydlig skillnad mellan ny och gammal bygeldesign.
Belastningsfall 3:
15 millimeter spelrum kombinerat med ”last”:
Detta bidrar inte med spänningar över materialets sträck- eller brottgräns. Spännings- amplituderna som uppstår ligger inte över utmattningsgränsen. Detta gäller för båda bygeldesignerna.
60 millimeter spelrum kombinerat med ”last”:
Detta likt belastningsfall 2 med 60 millimeter spelrum bidrar med spänningar över sträck- men inte brottgräns. Spänningsamplituderna överstiger utmattningsgränsen och alla spänningar är marginellt högre än de för belastningsfall 2.
26 Det hypotetiska S-N-diagrammet, se figur 26, påvisar att den beräknade maximala spänningsamplituden på 166,5 MPa, vilken motsvarar belastningsfall 3 med spelrum på 60 millimeter, kommer att orsaka utmattning efter cirka 600 000 cykler. S-N-diagrammet påvisar att vid 1,8 miljoner cykler (antal cykler systemet utsätts för under ett år) kommer utmattning att uppstå vid en spänningsamplitud på 137 MPa. För analysdata se bilaga 2.
Figur 26: S-N-diagram för ett liknande material (Matmatch, (u.å.)).
27
8 Diskussion och rekommendationer
FE-analysernas resultat från spänningarna orsakade av belastningsfall 1, visar att spänningarna relativt brottgränsen är väldigt små och kan med största sannolikhet inte orsaka ”överlast”.
Belastningsfall 2 med ett konstruerat spelrum på 15 millimeter bidrar med låga spänningar relativt brottgränsen och anses därför inte orsaka ”överlast”, belastningsfall 3 kombinationen 15 millimeters spelrum med ”last” likaså. En korrelation har påvisats mellan ökning av spelrummet i den rörliga infästningen och ökning av spänningarna i den fasta infästningen.
Spänningarna som uppstår från belastningsfall 2 med spelrummet på 60 millimeter ligger relativt nära men inte över brottgränsen för materialet, vilket tyder på att brott inte har uppstått av ”överlast”. Belastningsfall 3 med spelrum på 60 millimeter och ”last” har likt ovanstående inte lett till spänningar över brottgränsen.
En faktor som kan sänka brottgränsen är korrosion, då den fasta infästningen står utomhus utan skydd utsätts den för en korrosiv miljö. Höga temperaturer och temperaturväxlingar kan leda till att termiska spänningar uppstår. Då de fasta infästningarna utsätts för temperaturväxlingar när ugnen startas och stoppas kan termiska spänningar i materialet inte uteslutas. Svetsar kan innehålla lokala spänningskoncentrationer vilket likt termiska spänningar kan ge upphov till högre spänningar än vad analyserna har visat. Svetsar kan även sänka ett materials hållfasthetsegenskaper. Belastningsfallen 2 (spelrum på 60 millimeter) och 3 (kombinationen spelrum på 60 millimeter med ”last”) orsakar spänningar högre än sträckgränsen, vilket bör leda till plastisk deformation och kan påverka materialegenskaperna. Ovanstående eventuella faktorer leder till att hypotesen om ”överlast” på grund av belastningsfall 2 och 3 med 60 millimeters spelrum inte kan förkastas då spänningarna för dessa ligger relativt nära brottgränsen.
Analyserna av utmattningsberäkningarna visar att belastningsfall 2 och 3 med 60 millimeter spel har spänningsamplituder över det hypotetiska värdet för utmattningsgränsen. Detta innebär att utmattning kommer att äga rum efter ett specifikt antal cykler. S-N-diagrammet påvisar att utmattning bör äga rum vid cirka 600 000 cykler med den maximala spänningsamplituden som uppmäts. Resterande belastningsfallen (”last” och spelrum på 15 millimeter samt kombination av dessa) leder inte till spänningsamplituder över utmattningsgränsen, vilket påvisar att utmattning inte bör äga rum av dessa belastningsfall. Ett material som utsätts för en korrosiv miljö kan få en sänkt utmattningsgräns och svetsar kan påverka materialegenskaper, därför kan resultaten från utmattningsanalysen vara felaktiga. De hypotetiska värdena för materialet som används gör att hypotesen om utmattning inte kan säkerställas eller förkastas.
Tillförlitligheten för resultaten har försökt att säkerställas genom att handberäkningar har genomförts flera gånger, avläsning av spänningsvärden från FE-analyserna har utförts av två observatörer och inställningar i FEM har kontrollerats genom att den uppnådda deformationen ska likna den verkliga som rimligtvis borde uppstå. Den mänskliga faktorn kan ha en stor påverkan för resultatens tillförlitlighet, genom exempelvis avläsnings- och tolkningsfel, glömskhet och felberäkningar.
Ritningar och information som tillhandahållits från Cementa, har varit av varierande kvalitet och vissa antaganden har behövt genomföras:
