EXAMENSARBETE
Brandresistent hydraulik för anläggningar
Jonathan Olofsson2015
HögskoleingenjörsexamenMaskinteknik
Luleå tekniska universitetInstitutionen för teknikvetenskap och matematik
i
Sammanfattning
Hydraulik är en effektiv och tacksam form av energiöverföringsmetod men den har sina
baksidor. En särskild baksida uppkommer då tekniken används i varma miljöer. Oljebränder
är förödande och svårsläckta, katastrofen i kolgruvan Bois du Cazier 1956 talar om detta med
sin dödssiffra på 262 stycken gruvarbetare. Oljebranden startade med en enkel kortslutning.
I Outotecs anläggningar ingår ofta hydrauliska delsystem. Med bakgrund i efterfrågan från
Outotecs kunder undersöks brandresistenta, icke-mineraloljebaserade, hydraulvätskor och
implementeras i ett befintligt system, Outotecs kaldougn TBRC. De ingående komponenterna
i systemet har modellerats i Solidworks som en hydraulenhet, Power Pack, och placerats i en
20 fot lång sjöfartscontainer. En Life Cycle Cost-analys har utförts för TBRC med tillhörande
hydraul- och lanssystem.
En hydraulvätskeanalys har sammanställts med stöd av industristandarder, hydraulisk- och
tribologisk teori samt kontakter med marknadsledande hydraulikleverantörer. Modellering
av systemet har skett i Solidworks med utgångspunkt i krav på prestanda, service och
driftsäkerhet samt studiebesök och mekanhydraulisk teori. LCC-analysen är
erfarenhetsbaserad och även baserad på rapporter via Outotec serviceorganisation från
system i drift.
Som första val av brandresistent vätska att uppfylla de krav som ställs är en Polyolester vald,
vilket är produkten av en fet syra och en alkohol. Denna hydraulvätska går att använda i
befintligt system utan några egentliga modifieringar. Alternativet till Polyolester är en vatten-
och glykolbaserad hydraulvätska. Om denna vätska ska användas tillkommer restriktioner
såsom downrating på de pumpar och motorer i hydraulsystemet för TBRC.
Systemlayouten nedan har hydraultanken placerad centralt. Runt denna placeras filter och
kring den placeras pumparna. Åtkomlighet och servicevänlighet genomsyrar placeringen av
de övriga komponenterna, exempelvis ackumulatorstället som även agerar ventilbord.
ii
Abstract
Hydraulics is an efficient and a generally good way of transferring energy, but the technology
does not come without its drawbacks. One in particular is when it is used in hot
environments. Oil fires are devastating and hard to extinguish, the catastrophe in Bois du
Cazier 1956 tells us this with its 262 casualties of which most were coal mining workers.
The tragedy started with a simple short circuit.
In Outotecs plants hydraulics is commonly used. With background in Outotecs customer
demands this thesis investigates fire-resistant, non-mineral oil based, hydraulic fluids and
implements them in an existent plant, Outotecs kaldo furnace TBRC. The components in the
hydraulic system have been modeled using Solidworks and assembled as a hydraulic unit,
Power Pack, that has been placed within a 20 feet shipping container. A Life Cycle Cost-
analysis has been made for the furnace with the hydraulics and lance systems.
A hydraulic fluid analysis has been made using industrial standards, hydraulic- and tribologic
theory and contact with leading hydraulic suppliers. The modeling of the system has been
made using Solidworks with basis in performance demands, service and reliability, study
visits and mechanical hydraulic theory. The LCC-analysis is based on Outotec experience and
economic reports delivered by one of Outotecs operational organisations which contains
operational characteristics from a similar TBRC in service.
The primary choice of fire resistant hydraulic fluid is the polyol ester which is the result of a
fatyt acid and an alcohol. The fluid can be used in the current system without any
modifications. The alternative is a water and glycol based hydraulic fluid, if this liquid is used
the pumps and motors have to be downrated in the current hydraulic system in the TBRC.
The component layout is evolved around the tank. On it the filters are placed, beside it the
pumps. Accessibility and service operation controls the placement of the other components.
For example the accumulator rack also acts as a valve support.
iii
Förord
Detta examensarbete har utförts som sista kurs i min högskoleingenjörsutbildning i
Maskinteknik vid Luleå Tekniska Universitet.
I samarbete med Outotec Sweden AB har detta arbete utförts under vårterminen 2015.
Jag vill tacka min handledare vid Outotec, Nicklas Morén, för det stöd han givit mig under
arbetets gång. Jag vill även tacka David Gustavsson för att han delat sin hydrauliska kunskap
och sina frågeställningar, Carl-David Johansson för hans kunskap kring kaldotekniken samt
Jakob Hedlund för hans kunskap och snabba support inom Solidworks.
Skellefteå, Juni 2015
Jonathan Olofsson
Innehållsförteckning Sammanfattning ....................................................................................................................................... i
Abstract ....................................................................................................................................................ii
Förord ...................................................................................................................................................... iii
1 Inledning ............................................................................................................................................... 1
1.1 Bakgrund ....................................................................................................................................... 1
1.2 Målsättning och syfte .................................................................................................................... 1
1.3 Avgränsningar ................................................................................................................................ 1
2 Teori ...................................................................................................................................................... 2
2.1 Hydraulik........................................................................................................................................ 2
2.1.1 Viskositet ................................................................................................................................ 2
2.1.2 Flöde ....................................................................................................................................... 2
2.1.3 Förbrukare .............................................................................................................................. 2
2.1.4 Pumpar ................................................................................................................................... 3
2.1.5 Ventiler ................................................................................................................................... 3
3 Metodbeskrivning ................................................................................................................................ 4
3.1 Förstudie ........................................................................................................................................ 4
3.2 Hydraulvätskeanalys ...................................................................................................................... 4
3.3 Konceptgenerering ........................................................................................................................ 4
3.4 Vätskeval ....................................................................................................................................... 4
3.5 Systemlayout ................................................................................................................................. 5
3.6 Life Cycle Cost ................................................................................................................................ 5
4 Resultat ................................................................................................................................................. 6
4.1 Förstudie ........................................................................................................................................ 6
4.1.1 Kaldoprocessen ...................................................................................................................... 6
4.1.2 Systemanalys .......................................................................................................................... 7
4.2 Hydraulvätskeanalys .................................................................................................................... 10
4.2.1 Hydraulvätskans roll ............................................................................................................. 10
4.2.2 Brandresistenta hydraulvätskor ........................................................................................... 11
4.3 Utvärdering av HF-vätskornas egenskaper ................................................................................. 14
4.3.1 TBRC med HFC ...................................................................................................................... 15
4.3.2 TBRC med HFD-U .................................................................................................................. 16
4.4 Vätskeval ..................................................................................................................................... 16
4.5 Systemlayout ............................................................................................................................... 18
4.6 Life Cycle Cost .............................................................................................................................. 24
5 Diskussion och slutsats ....................................................................................................................... 25
6 Fortsatt arbete .................................................................................................................................... 27
7 Referenser .......................................................................................................................................... 28
Bilagor .................................................................................................................................................... 29
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Outotec är ett ledande företag som levererar processlösningar, teknologier och tjänster för gruv-, metallurgi- och energiindustrin. Med rötter i Boliden Contech, Lurgi Metallurgie och Outokumpu Technology har Outotec en erfarenhet som spänner över 100 år. Företaget använder denna långa erfarenhet och avancerade processkunskap till att leverera nyckelfärdiga anläggningar, delsystem och tjänster baserat på äganderätten av bland annat Flash Smelter Technology, Fluidized Bed Platform och Top Blown Rotary Converter. Outotec omsatte 1,911 miljoner euro år 2013 med mer än 4800 anställda. Av dessa är 150 stycken processexperter och ingenjörer baserade i Skellefteå som är kompetenscentret för icke-järn framställning, gasrengöring och mineralframställning. I Outotecs anläggningar ingår ofta hydrauliska delsystem, vilka används för att öppna och stänga ventiler, utföra linjära och roterande rörelser samt i vissa fall kraftuttag vid service. Ett allmänt problem med hydraulik som energiöverföringsmetod är att hydrauloljan som används ofta är brandfarlig. Vid läckage fås en oljedimma som är väldigt lättantändlig varför vissa kunder vill välja bort hydrauliken som alternativ då det gäller miljöer som är väldigt varma.
1.2 Målsättning och syfte Målsättningen med detta examensarbete är att konstruera ett hydraulaggregatskoncept, Power Pack, som ska kunna monteras i befintlig anläggning (TBRC). Utbudet av mindre brandfarliga alternativ till hydraulolja på marknaden ska undersökas och implementeras i Power Pack. Syftet är att öka förståelsen och att minska risken med hydraulik i brandfarliga miljöer.
1.3 Avgränsningar I examensarbetet ingår inte hållfasthetsberäkningar, detaljerade modeller och detaljritningar. Kontrollprinciper och gränssnitt mot styrsystem ingår ej.
2 Teori
Detta kapitel redogör för den teoretiska grund examensarbete vilar på.
2.1 Hydraulik
Hydraulik (av grekiskans hydor, "vatten" och aulo's, "rör") är ett begrepp för komponenter i
ett hydrauliskt system. Hydraulsystem är inordnade i gruppen fluidsystem (både vätska och
gas) där hydraulsystem arbetar med vätska och pneumatiksystem arbetar med gas. Ett
hydraulsystem är ett system som med en strömmande eller vilande trycksatt vätska överför,
och i de flesta fall styr, energin från en kraftkälla i form av en elektrisk motor eller dylikt via
en pump, till hydraulmotorer och/eller hydraulcylindrar. Pumparna, motorerna, ventilerna
och ackumulatorerna i hydraulsystemen kan styras på olika sätt för de olika funktioner som
krävs av systemet. Denna styrning har fått en väldigt hög precision i och med elektronikens
intågande inom hydrauliken i form a proportionalventiler. De flesta större tillverkare
erbjuder också frekvensstyrda elmotorer och färdiga datornoder för implementering av
önskad funktionalitet. Verkningsgraden i hydraulsystem har på så vis förbättrats på den
senaste tiden.
2.1.1 Viskositet
Viskositet är per definition en vätskas motstånd mot att flöda och att skjuvas. Det är en viktig
egenskap hos vätskan då det påverkar både förslitningen och verkningsgraden hos
hydraulsystem. Den viskositet man ofta pratar om är den kinematiska viskositeten som är
starkt temperaturberoende. I system som TBRC där arbetstemperaturen är i intervallet 40-
45°C använder man i regel viskositetsklass ISO VG46 som innebär att vätskan har ett
motstånd runt 46 mm2/s vid temperaturen 40°C. Pumpar och motorer är designande med
interna toleranser som tillåter läckageflöde som motsvarar ISO VG46 vid 40°C.
2.1.2 Flöde
Laminärt vätskeflöde eller volymströmning är definierat som flödeshastigheten multiplicerat
med tvärsnittsarean som vätskan flödar i. Flöde är väldigt viktigt då ett hydraulsystem
konstrueras då det tillsammans med systemtrycket bestämmer hastigheten på
hydraulkolvar, storleken på pumpar och motorer samt rör- och slangdimensioner.
2.1.3 Förbrukare
Hydraulsystemets händer, dessa är de komponenter som arbetar rent fysiskt med lasterna i
systemet. Lineära omvandlare som hydraulkolvar hanterar tryckande och ibland dragande
laster. En hydraulkolv fungerar på så vis att en fluid befinner sig innesluten i
hydraulcylindern som omsluter hydraulkolven. Då fluiden trycksätts trycker den på
hydraulkolven som via sin area förmedlar kraften vidare. Det finns enkel- och
dubbelverkande samt teleskopiska hydraulkolvar.
I TBRC finns inga hydraulkolvar, vad som däremot finns är roterande hydraulmotorer. Den
mekaniska principer för dessa är detsamma som för en pump, vilket i sin enklaste form
liknar två kugghjul som är i ingrepp med varandra. Mellan kuggtänderna uppstår en
tryckskillnad som suger och trycker vätskan mellan in- och utlopp. När något ska roteras så
trycker man vätska mellan kugghjulen. Se figur 1 på nästa sida för principskiss.
Figur 1: Principskiss för en kugghjulsmaskin. Källa: (1)
Kugghjulsmaskinen är enkel och billig men då större varvtal och tryck krävs använder man
kolvmotorer. Arbetsprincipen för en radialkolvmotor kan liknas vid hydraulkolvar som
trycker mot en vevaxel som för kraften vidare i form a vridmoment. Samma princip gäller för
axialkolvmaskinen men i stället för en vevaxel trycker hydraulkolvarna mot en sned platta
som sitter fast runt en axel. Se figur 2 nedan för principskiss.
Figur 2: Principskiss för axialkolvmaskin. Källa: (1)
2.1.4 Pumpar
Hydraulsystemets hjärta. Olja pumpas från tank och ut till förbrukarna i systemet.
Konstruktionsmässigt finns olika varianter där axialkolvmaskinen är den vanligaste i större
system. Andra varianter som radialkolvmaskiner och vingpumpar är vanligare i mindre
system. I mer avancerade hydraulsystem som i fallet med TBRC används pumpar som har
variabelt, tryckstyrt deplacement, fördelen med detta är att pumpen kan leverera ett flöde
som anpassas efter behovet hos förbrukarna vid ett konstant tryck. När detta inställda tryck
uppnås ställer pumpen ner deplacementet, det vill säga att pumpen reglerar.
2.1.5 Ventiler
Funktionen hos ventiler är att öppna och stänga flödesvägar i hydraulsystem. De rörliga
delarna i ventilen reglerar flödet mellan de inre kanalerna i ventilhuset. Öppningen och
stängningen av flödesvägarna möjliggör reglering av både tryck och flöde i hydraulsystem.
Det finns manuella ventiler, proportionalventiler och ventiler med en specifik roll, så som
tryckbegränsningsventiler, backventiler och strypbackventiler.
3 Metodbeskrivning
Detta kapitel redogör för de metoder och arbetssättet under examensarbetets gång. Se bilaga
1 för den kravspecifikation som avses att uppfyllas för hydraulsystemet till Kaldo TBRC.
3.1 Förstudie
Det befintliga systemet till TBRC studeras i flödesschema, ritningar och manualer. Utifrån detta och med hjälp av handledare härledes systemets funktioner, eventuella nödfunktioner och andra viktiga aspekter vad gäller drift av anläggningen. Vilka typer av förbrukare och pumpar som används fastställs och studeras i tillhörande manualer och genom kontakt med respektive leverantör.
3.2 Hydraulvätskeanalys
Hydraulvätskans roll i hydraulsystem undersöks, övriga systemkomponenters beroende av
vätskans egenskaper fastställs. Detta gäller egenskaper som smörjning, arbetstemperatur,
korrosionsskydd, kompatibilitet och underhåll med mera.
Vilka brandsäkra hydraulvätskor som finns etablerade på marknaden och tillgängliga
fastställs och egenskaperna hos dessa undersöks. Etablerade standarder för drift med dessa
vätskor på förbrukare och pumpar, ventiler, tätningsmaterial, slidspår, slangar samt
ackumulatorer fastställs och undersöks för respektive vätska eller vätskeklass.
3.3 Konceptgenerering
Med grund i hydraulvätskeanalysen och mekanhydraulisk teori genereras koncept med olika hydraulvätskor som möjliggör drift med alternativ hydraulvätska i TBRC. Betoningen i dessa koncept ligger på de avvikelser som kan uppstå från nuvarande system som körs med konventionell mineralolja. Systemets funktion och prestanda ska bibehållas med dessa.
3.4 Vätskeval
Vätskorna vägs mot varandra genom att olika parametrar före respektive vätska uppskattas
med hjälp av ”Weighted Scoring Model” (2) som fungerar på så vis att olika kriterier för
respektive vätska tilldelas poäng mellan 0 och 100 som medför att vätskorna enkelt kan
jämföras med varandra. Ett högt poäng inom ett kriterie innebär att vätskan har höga
tendenser åt kriteriets titel, exempelvis hållfasthet. Hur viktigt ett kriterie sedan är vid
vätskevalet bestäms sedan med hjälp av en faktor. Detta fungerar genom att det poäng ett
koncept har multipliceras med en faktor som representerar kriteriets betydelse vid
vätskevalet. Denna faktor har intervallet noll till ett. Metoden är fördelaktig om olika
alternativ med olika egenskaper som i sin tur inte är lika viktiga ska vägas mot varandra. Se
exempel i tabell 1 på nästa sida.
Tabell 1: Tabell som exemplifierar ”Weighted Scoring Model”.
Kriteriepoäng
Kriterie Kriteriefaktor Alternativ A Alternativ B
Tolerans 0.30 50 30
Åtkomlighet 0.45 20 8
Tillgänglighet 0.74 90 76
Hållfasthet 0.89 15 18
Konstruktion 0.11 74 13
Underhåll 0.87 45 48
Poängumma: 151.24 128.05
I exemplet ovan vinner alternativ A med 151.24 poäng jämfört med 128.05 poäng för
alternativ B. Kriteriet ’Hållfasthet’ var viktigt varför det fick en hög kriteriefaktor, kriterie
’Konstruktion’ var mindre viktigt varför det fick en låg faktor. Alternativ A vinner på grund
av höga kriteriepoäng inom kriterie ’Tolerans’ och ’Åtkomlighet’. Poängen för alternativen
räknas enligt följande: ∑(Kriteriefaktor*Kriteriepoäng) eller som för alternativ A:
0.30*50+0.45*20+0.74*90 och så vidare.
3.5 Systemlayout Med grund i systemets ingående komponenters funktioner, dimensioner och det nuvarande systemets layout kan Power Packs layout bestämmas. Med detta menas komponenternas infästningar, eventuell ramstruktur med mera i en sjöfartscontainer med längden 20 fot. Systemet skissas och ritas övergripande i Solidworks för visualisering och bestämning av komponenternas positioner relativt varandra, vilket exempelvis medför att hydraulslangarnas längder kan fastställas och åtkomst för service och underhåll säkerställas.
3.6 Life Cycle Cost
Komponenternas livscykelkostnader bestäms och en Life Cycle Cost-analys utförs för TBRC med hydraul- och lanssystem. LCC-analysen utförs ur ett kundperspektiv så att kunden enkelt ska kunna jämföra olika investeringsalternativ. Denna analys kommer att ha en betoning på systemets energikostnader, men exkluderar inte reparationskostnader och särskilt underhåll. LCC-analysen kommer innehålla:
Investerings- och engångskostnaden Capex för kaldougn med lans- och hydraulsystem.
Driftskostnaden Opex som inkluderar:
Strömförbrukning i kWh Övrig energiförbrukning Mantimmar för reparationer och underhåll
Kalkylräntan beskriver lönsamheten i investeringen och talar om hur mycket överskott investeringen måste generera för att nå ’break-even’ jämfört med andra investeringsalternativ. En rimlig sådan ansätts för systemet.
4 Resultat
Detta kapitel redogör för resultaten av examensarbetet.
4.1 Förstudie
4.1.1 Kaldoprocessen
Kaldoprocessen för kopparframställning fungerar på så sätt att material innehållande järn-
och kopparsulfid smälts i en roterande ugn genom lansar som tillför brännargas, syrgas och
en brännarlåga. Se figur 3.
Figur 3: Kaldougn.
I det första steget reagerar materialet med syret som genererar järn- och kopparoxid samt
svaveldioxid som tillsammans genererar än mer kopparsulfid och järnoxid, i och med järnets
högre affinitet med syret.
FeS + O2 → FeO + SO2
CuS + O2 → CuO + SO2
CuO + FeS → CuS + FeO
Fluss som i huvudsak består av kisel tillförs smältan som reagerar med järnoxiden och bildar
silikatmineralet fayalit. Detta mineral är en slaggprodukt som hälls ut ur ugnen.
2FeO + SiO2 → Fe2SiO4
Denna process repeteras och efter många körningar består smältan av en hög halt av
kopparsulfid. I det andra steget syresätter man smältan som bildar fri koppar och
svaveldioxid.
CuS + O2 → Cu + SO2
Renhetsgraden på kopparn efter denna process är generellt högre än 95 %. Avgaserna från
processen innehåller mer än 10 % svaveldioxid vilket används vid tillverkning av svavelsyra.
Ugnen roterar under processen för att förbättra blandningen av smältan och därmed
konverteringen från svavelföreningar till metalloxider. Processen kräver att ugnen ska rotera
med variabel hastighet och kunna tippas försiktigt då slagg och koppar ska tömmas.
Lansarna ska kunna manövreras in och ut då ugnen tippas.
4.1.2 Systemanalys
Förbrukare
Ugnsrotationen drivs av en Hägglund CA140, vilket är en långsamtgående radialkolvmaskin
som kännetecknas av sitt höga vridmoment och sin långsamma rotation. Arbetsprincipen är
densamma som för en vanlig radialkolvmaskin med den skillnaden att hydraulkolvarna
driver på en kamring. Ventilstyrningen sker genom en rotationsventil. Fördelen med denna
radialkolvmaskin är att man ofta slipper använda en växellåda på grund av det höga
vridmomentet. Motorerna har i regel ett väldigt stort deplacement. (1) Här kan det lokalt bli
väldigt varmt och är troligen det varmaste stället i hydraulsystemet. Detta beror delvis på
grund av effektförlusterna i motorn och delvis på grund av att motorn sitter ovan den skänk
där smältan tappas. Se figur 4 nedan för motor och montage.
Figur 4: Hägglunds CA140, monterad under TBRC.
Tiltfunktionen drivs av en annan radialkolvmaskin men av en modell där oljepelare driver på
en excentrisk vevaxel, tätningen och förslutningen av denna pelare utgörs av cylinderväggar
som följer med den excentriska rörelsen vevaxeln gör under en arbetscykel. Ventilstyrningen
sköts av en rotationsventil. Denna motor sitter med växellåda och broms i samma paket av
tillverkaren Calzoni. Växellådsoljan är separerad från hydraulsystemet varför den ej behöver
anpassas till annan vätska. Se figur 5 nedan.
Figur 5: Radialkolvmaskinen Calzoni, MR-serien.
Lansarna behöver föras in och ut ur ugnen vilket sker med hjälp av en ett kugghjul som
driver på en kuggstång. Detta kugghjul drivs i sin tur av en kugghjulsmotor via växellåda
med tillhörande broms från tillverkaren Bonfiglioli/Trasmital. Växellådsoljan är separerad
från hydraulsystemet varför den ej behöver anpassas till annan vätska. Se figur 6 nedan.
Figur 6: Lanssystemet på TBRC.
Pumpar Motoraxeln och därigenom ugnen roterar mellan 1 och 20 varv/minut vilket medför stora
skillnader vad gäller flödesmängd på grund av motorns stora deplacement. För att förse
motorn med detta flöde används två kolvpumpar som sitter förbundna med en axel.
Pumparna är tillverkade av Parker och har variabelt, tryckstyrt, deplacement vilket medför
att dessa stora flödesskillnader kan genereras.
Dessa pumpar kräver ett starttryck för att börja arbeta vilket sköts av samma kolvpump som
genererar flöde till tippmotorn. Denna är tillverkad av Kawasaki och har även den variabelt,
tryckstyrt deplacement men kräver till skillnad från Parkerpumparna inget starttryck för att
fungera.
Nöddrift Vid ett strömavbrott är det av stor vikt att kunna avbryta processen varför ackumulatorer
används i systemet. Dessa är ansluta till brännarlansen, tippningsmotorn samt
rotationsmotorn för att ugnen ska kunna tömmas. Töms inte ugnen och materialet tillåts att
stelna vid ett strömavbrott tillkommer arbete med att rensa ut materialet från ugnen med
stora kostnader anknutna till produktionsbortfall och underhåll.
Ventiler
Rotationsventilen är levererad av Danfoss. Den är elektrohydrauliskt reglerad och är av
typen 3/4, vilket innebär att den har tre möjliga lägen och 4 anslutningar. P1 kommer från
pump, T1 går till tank och A1 samt B1 är arbetsportarna enligt figur 7.
Figur 7: Rotationsventil för kaldougn.
Tiltventilen är tillverkad av Proclain. Den är elektrohydrauliskt reglerad med
fjädercentrering och är av typen 3/5. Mittporten kommer från pump, A och B är
arbetsportarna enligt figur 8.
Figur 8: Tiltventilen för kaldougn TBRC.
4.2 Hydraulvätskeanalys
4.2.1 Hydraulvätskans roll
Energiöverföring
Hydraulvätskans primära roll är att överföra energi från exempelvis en elmotor till en pump
som trycksätter systemet. Trycket är potentiell energi som lagras i hela systemet inklusive
hydraulslangar och ackumulatorer. Med hjälp av flöde kan denna energi frigöras i motorer
och hydraulcylindrar som sin tur förflytta energin dit den riktas. De utför det arbete som
krävs av hydraulsystemet.
Smörjning
I de flesta hydraulsystem måste även hydraulvätskan smörja systemets ingående
komponenter. Pumpar, motorer och cylindrar behöver smörjning för att fungera bra och
erhålla en lång livslängd och verkningsgrad. Mineraloljor har ofta additiv för att säkerställa
bra smörjning. Vid allt för höga systemtemperaturer bryts dessa additiv ned vilket försämrar
vätskans smörjande egenskaper. Hydraulvätskans smörjande egenskaper är alltså starkt
relaterade till vätskans tjocklek och systemets arbetstemperatur.
Viskositet
Hydraulvätskans tätar hydraulsystem på grund av sitt interna motstånd mot skjuvning, eller
viskositet. Nästan alla pumpar och ventiler har ytor där metall mot metall är i ingrepp med
små toleranser. Allt för tunna hydraulvätskor kommer in mellan dessa ytor med lägre
verkningsgrad och nötning som följd vilket i sin tur påskyndar detta förlopp. Tjockare
vätskor hjälper mot detta och förhindrar denna effektförlust som genererar värme i
systemet. Vid allt för höga temperaturer så slits både tätningar och lager i ventiler, pumpar
och motorer på grund av att viskositeten för blir för låg. Är vätskan däremot för tjock finns
det risk att vätskan kaviterar, det vill säga att trycket blir så lågt att vätskan kokar lokalt och
övergår till gasform i form av små bubblor i vätskan. Då det statiska trycket stiger återgår
gasbubblorna till vätskeform mycket hastigt som skapar lokala jetströmmar som skadar
pumpen internt. En viskositet som är lämplig vid systemets arbetstemperatur är alltså
väldigt viktig. (3)
Korrosionsskydd
För att en korrosionsprocess ska kunna ske måste metall utsättas för ett oxidationsmedel
samtidigt som elektroner måste kunna vandra från en anodyta till en katodyta.
Korrosionsprocessen består av två halvceller, nämligen oxidation och reduktion. Där
oxidationen sker, sker även angreppet på metallen. Metallen bildar metalljoner medan
elektroner avges. Sett på ytan av metallen bildas gropar och urgröpningar som kallas
gropfrätning. Rostiga hydraulkolvar sliter på cylindertätningar och avskrapare. Rost och
korrosion i pumpar sliter på cylinderväggar och kolvringar som ökar friktionen och
läckageflöde. Rost och korrosion smutsar ner hydraulvätskan och leder till försämrad
livslängd. Därför är hydraulvätskans skyddande egenskaper mot detta alltså väldigt viktiga i
hydraulsystem.
Underhåll
Hydraulsystems generella underhåll har en betoning på att systemet ska vara rent. (4)
Systemmässigt filtreras alltid hydraulvätskan då den återgår till tank från förbrukarna, ofta
även då den trycks från pumparna genom tryckfilter, vilket är fallet på TBRC. Det är även
vanligt att vätskan filtreras på pumpens sugsida men då det genererar tryckfall i
sugledningen rekommenderas det inte på grund av kavitationsrisken. Det handgripliga
underhållet sker genom filter- och vätskebyten, rengöring av tank och visuell inspektion av
hydraulkolvar. I övrigt gäller mätningar av undertryck på pumparnas sugsidor och
mätningar av övertryck på pumparnas trycksidor. Vätska som återfylls måste vara ren och
helst passera ett filter innan fyllning.
Kompatibilitet
Mineraloljor är kompatibla med hydraulsystem. Eftersom dagens komponenter är avsedda
för drift med mineralolja. Kompatibilitet blir en faktor då alternativa, icke mineralbaserade,
vätskor undersöks. Kompatibilitet vad gäller polymera material i tätningar, slangar,
packningar samt med metaller och legeringar. En polymer som fungerar med mineralolja
behöver inte fungera med en icke mineralbaserad hydraulvätska.
4.2.2 Brandresistenta hydraulvätskor
De brandresistenta hydraulvätskor som finns etablerade i dag är alla klassificerade i en så
kallad HF-klassning (5), där ”H” står för ”hydraulic fluids” och ”F” för ”fire resistant”. Med
”fire-resistant hydraulic fluid” menas ”hydraulisk vätska som är svårantändlig och visar liten
tendens att propagera flamma”. Se bilaga 2 och nedan för klassificering.
HFA
HFA-klassen har ett väldigt högt vatteninnehåll (95 %), vilket gör denna klass extremt
brandsäker. Det finns i huvudsak två varianter av HFA; vatten-i-olja-emulsion där små
oljedroppar flyter omkring fritt i vattnet, samt vatten med olika polymeriska tillsatser vilka
ser till att godtagbart oxid- och slitageskydd erhålls, vatteninnehållet till trots. På grund av
det höga vatteninnehållet levereras dessa ofta som ett koncentrat som blandas av
slutanvändaren. Alla vattenbaserade hydraulvätskor har en högre densitet än konventionell
mineralolja vilket medför att varvtal och maximalt tryck på pumpar och motorer måste
sänkas, så kallad downrating.
HFA kräver att komponenterna den används med är avsedda för drift med vatten och
fungerar således inte med komponenter avsedda för mineralolja. Denna klass finns både som
förtjockad och icke-förtjockad vätska i form av ett syntetiskt polymerförtjockningsmedel.
HFA-E
Vatten-i-olja-emulsion (E) med ett väldigt högt vatteninnehåll vilket medför en hög
brandresistens. På grund av vatteninnehållet finns det frysrisk om denna vätska används vid
temperaturer som underskrider 0°C, vilket medför att arbetstemperaturen för klassen ligger
mellan 5- och 50°C men generellt runt 40°C. Vid högre temperaturer kan vattnet börja
dunsta vilket minskar viskositeten och ångtrycket. Minskar vatteninnehållet så minskar
också brandresistensen hos vätskan (6). Tillåts emulsionen frysa så kan emulsionen förstöras
och vätskan måste bytas (7). Beroende på tillsats så kan hydraulsystem med HFA-E uppvisa
svamp- och bakterietillväxt, varför vätskan inte är särskilt utbredd i dagsläget.
HFA-S
Vatten med olika syntetiska (S) polymeriska tillsatser som uppträder som emulsioner eller
mikroemulsioner i vattnet. HFA-S fryser under 0°C och innehåller mycket vatten vilket ger
den samma intervall vad gäller arbetstemperatur som för HFAE. Vätskan är resistent vad
gäller bakterie- och svamptillväxt i de hydraulsystem som den används i.
HFB
Inverterad vattenemulsion, vilket innebär att vatten är emulgerat i olja. Generellt är detta en
ganska instabil emulsion som separerar med tiden. Vatteninnehållet är generellt 35-40 %
och har jämfört med HFA bättre smörj- och oxidskyddsegenskaper som i vissa fall närmar
sig mineraloljornas (8). Brandresistensen hos vätskan ökar med vatteninnehållet då det är
vattnet i emulsionen som agerar släckande vid brand. Vätskan behöver kontinuerlig
övervakning av vatteninnehåll och emulsionstillstånd varför den inte är så använd i
dagsläget.
HFC
Den vanligaste vätskan i brandresistenta hydrauliska anläggningar i dagsläget (8).
Vatten (30-45 %) med polymertillsats, vanligen polyglykol samt glykol som används i
konventionella kylsystem. Tillsatser är antislitagemedel och aminer. Precis som med HFB så
är det vatteninnehållet som gör vätskan brandresistent, vilket även betyder att HFC behöver
övervakas kontinuerligt för att säkerställa detta. Partikelkontamination är ett problem för
vattenglykol på grund av polymerernas förmåga att bära fina partiklar i kombination med
vattnets höga densitet. (9) HFC har jämfört med mineralolja inte de bästa
smörjegenskaperna men kan med de rätta tillsatserna och proportionerna fungera bra.
ASTM D2882-testet har utförts för HFC där man kontrollerar hur blandningsförhållandet
mellan vatten och glykol påverkar slitaget. Testet sker under trycket 138 bar under 100
timmar med en ett flöde på 30,6L/min från och i genom en Sperry Vickers V-140C
vingpump. Nedan visas figur 9 som redogör för slitaget från detta test (10).
Figur 9: Effekten av vatteninnehåll på slitage med en HFC-vätska. Slitaget anges i mg/h
och vatteninnehållet anges i procent.
HFD
Helsyntetiska vätskor utan vatteninnehåll, vanligen estrar som är produkten av en fet syra
och en alkohol. Då syran som används vid tillverkningen av estrarna är väldigt fet så har de
väldigt goda smörjande egenskaper. Arbetstemperaturen hos dessa vätskor ligger generellt
mellan -10 till 70°C. Kommer fosfatestrar i kontakt med vatten uppstår hydrolys som
innebär att den syran och alkoholen som estern är uppbyggd av säras. Aktiv
vattenelimination rekommenderas i hydraulsystem som använder fosfatestrar som
hydraulvätska.
HFD-R
Fosfatestrar används som tillsatser i många mineral- och vattenbaserade oljor, men finns
även som ren hydraulvätska i EHC, Electro Hydraulics Controls, som är system som förser
ångturbiner med ångflöde. Dessa estrar är brandresistenta på grund av deras låga
värmevärde som innebär att de avger väldigt lite energi vid förbränning vilket resulterar i
självsläckande bränder. Fosfatestern tål lokalt under kort tid temperaturer upp mot 150°C,
vid längre tider slits vätskan. HFD-R är inte kompatibel med mineralolja vilket kan vara
problematiskt då många pumpar och motorer testas med mineralolja på fabrik.
Kompatibiliteten med de polymerer som används i hydraulsystem avsedda för mineralolja är
inte den bästa, bland annat tål inte HFD-R nitrilgummi vilket är ett väldigt vanligt
tätningsmaterial i hydraulsystem.
HFD-U
Polyolestrar och polyalkaliska glykoler är den vanligaste HFD-vätskan i dagsläget. Vätskan
är brandresistent på grund av en rad olika faktorer, för det första har den relativt höga flam-
och antändnings- samt självantändningspunkter. De brinner med en lägre temperatur än
mineralolja vilket gör vätskan självsläckande om än inte lika självsläckande som
fosfatbaserade estrar. (11) HFD-U är, till skillnad från HFD-R kompatibel med nitrilgummi
och de tätningar som används i hydraulsystem. Denna hydraulvätska är även oerhört
miljövänlig och är biologiskt nedbrytbar.
Brandresistensen hos ovan nämnda vätskeklasser mäts med olika standardiserade metoder.
Urvalet på dessa metoder är många, vanliga är bland andra ‘Stabilized flame heat release
method’ (12) samt ’Hot-channel ignition test’ (6). Dessa metoder finns utförligt beskrivna i
respektive standard och tas inte upp nämnvärt här. Se figur 10 och 11 nedan samt på nästa
sida.
Figur 10: ‘Stabilized flame heat release method’.
Figur 11: Hot-channel ignition test. Källa: (6)
4.3 Utvärdering av HF-vätskornas egenskaper
Egenskaperna hos dessa HF-vätskor är bra ur ett brandsäkerhetsperspektiv men de har även
nackdelar som påverkar hydraulsystem negativt jämfört med konventionell drift med
mineraloljor. Exempelvis är de vattenbaserade vätskorna är väldigt inkompressibla vilket
medför att systemen de används i tenderar att generera höga tryckspikningar. Vatten har
högre densitet än mineralolja och smörjer även sämre, varför pumpar och motorer måste
köras på mindre varvtal och maximalt tryck, så kallat downrating. Se bilaga 3 för
egenskaperna jämfört med hydraulolja.
Oljeemulsionen HFA-E och vattnet HFA-S är inte aktuella på grund att de inte är tillräckligt
etablerade vilket påverkar tillgången av dessa på den globala marknaden. De är ej heller
kompatibla med pumpar som saknar lagerspolning på grund av det höga vatteninnehållet
och dåliga smörjegenskaperna, pumpar som saknar detta skär ganska fort.
Vattenemulsionen HFB är ej heller den etablerad även om den har klart bättre
smörjegenskaper än HFA-vätskorna. Då de är vattenbaserade och HFA-S inte har tillräckligt
med glykol så tål dessa vätskor inte temperaturer under 0°C, de fryser och emulsionerna
HFA-E och HFB kan skilja sig. Vid temperaturer över 50°C fås ångtryck i och med att
vattenånga frigörs. Detta ger ett övertryck i tanken och systemet tappar vatten i form av
ånga. Denna ånga kan även bli innesluten i vätskan vilket ger ett mer kompressibelt system.
Fosfatestrarna HFD-R är inte kompatibla med nitrilgummi vilket gör dessa inkompatibla
med tätningarna i TBRC i dess nuvarande form. Detta lämnar HFC och HFD-U som
gångbara vätskeklasser i TBRC.
4.3.1 TBRC med HFC
Nitril- och vitontätningar i systemet tål vattenglykol. Vad gäller förbrukare så fungerar
vätskan med Hägglunds CA140 och Calzoni MR190C dock med förkortad livslängd på grund
av att lagerna slits mer med vattenbaserad vätska. Calzoni menar att deras motoraxlar måste
vara specialbehandlade för HF-vätskor vilket finns tillgängligt vid en nybeställning.
Hägglunds rekommenderar att motorn ska vara omålad invändigt vilket den inte är i
dagsläget, i standardutförande är den målad med en zinkbaserad färg.
HFC är väl etablerat på marknaden och tillgänglig världen över. Komponenterna i systemet
fungerar med vätskan om än med downrating, men då det finns risk att det blir varmt i
systemet och HFC är vattenbaserat så är det starkt rekommenderat att temperaturen i
hydraulsystemet inte överstiger 50°C för att undvika ångbildning vilket kan göra systemet än
mer kompressibelt och ge lokalt ångtryck i tanken vilket ger förlust av vatten i form av ånga.
Vad gäller pumpar fungerar Kawasaki med HFC men det rekommenderas att det bakre
nållagret byts ut mot ett tvådelat som inte förstör pumpaxeln då lagret skär. Detta är inte
tillgängligt på pumpar med så kallad through-drive vilket pumpen har i dagsläget. Kawasaki
rekommenderar även att axeltätningarna byts från den befintliga kombinationen av nitril-
och fluorgummi till tätningar med endast nitril.
Downrating blir aktuellt med HFC på både pumpar och förbrukare vilket redovisas i tabell
nedan. Med livslängdsfaktor menas den faktor som multipliceras med den livslängd som fås
med konventionell mineralolja. Se tabell 2 nedan:
Tabell 2: Redovisning för den downrating som komponenttillverkarna rekommenderar.
Downrating Befintligt Pump/Motor Kont. tryck Inter.
tryck Varvtal Tryck Varvtal Livslängdsfaktor
Hägglunds CA140
245 294 220 200 20 0.24
Calzoni MR190C
150 180 510 170 424,8 0.50
Bonfiglioli MG050
- - - 170 136,32 -
Parker PV+ 210 252 1500 200/125 1450 0.25 Kawasaki K3VL
206 206 2400 175 1450 0.20
Settima Continuum
- - - 10 1450 -
Skulle pumparna ersättas verkar radialkolvpumpen Moog (Bosch) RKP II fungera bra med
vattenbaserade hydraulvätskor som finns med lagerspolning i de storlekarna som troligen
behövs, i vart fall för TBRC.
Drift med HFC innebär att vätskans vatteninnehåll via viskositetsprov samt pH-värde bör
övervakas kontinuerligt. Saknat vatten ersätts för att säkra både viskositets- och
brandegenskaper. Den mest etablerade HFC-vätskan är Vatten/Glykol som har rötter i 50-
talet, varför den föreslås som hydraulvätska i detta koncept.
4.3.2 TBRC med HFD-U
Efter kontakt med Hägglunds och Kawasaki har Polyolester valts som hydraulvätska i detta
koncept. Polyolester är av klassen HFD-U och är således inte en fosfatester vilket medför att
de befintliga nitril- och vitontätningar i systemet fungerar och kan användas. Vad gäller
pumpar och motorer är det ej nödvändigt att sänka tryck och flöden nämnvärt då vätskan
har väldigt bra smörjande egenskaper. Hägglunds CA140 är invändigt målad med en färg
som inte är tvåkomponentsbaserad vilket innebär att finns det risk för kontamination om en
konvertering av befintligt system sker. Vid en nybeställning rekommenderas det att motorn
beställs utan invändig målning.
Vätskan har körts av kund till Hägglunds. Kunden, som tillverkar stål, har prövat den i flera
år under varma förhållanden. Kawasaki har testat den i Japan och menar att den sliter
väldigt lite på pumpen men att den kan skumma lite mer än andra konkurrenter som de
vägrar att nämna.
HFD-U är inte vattenbaserat och tål temperaturer upp mot 70°C, vid högre temperaturer
bryts vätskan ned snabbare. Vätskan tenderar att åldras dubbelt så snabbt vid
temperaturökningar med 10 grader. Detta är så pass tillförlitligt att man använder metoden i
laboratorium då polyolestrar åldras i olika försök.
Polyolester är den mest etablerade polyolestern avsedd för hydrauldrift. Den tillverkas av
Tillverkare och distribueras världen över varför den kan köpas lokalt av flertalet kunder,
vilket gör drift med vätskan möjligt världen över nästan oavsett vilket land anläggningen
hamnar i.
Polyolester och Vatten/Glykol har ersatt namnen på de varumärken som föreslås till
hydraulsystemet i TBRC. Se bilaga 7 för varumärkena.
4.4 Vätskeval
Vätskekoncepten HFC och HFD-U har vägts mot varandra med hjälp av ”Weighted Scoring
Model”. Kriterierna som har använts har bestämts med handledare och hydraulkonstruktör
på Outotec. Dessa är:
Brandresistens, som beskriver hur vätskan reagerar med fri flamma eller höga
temperaturer. Ett högt poäng innebär att vätskan har bra brandresistens.
Kompatibilitet som blir ett mått på hur kompatibel hydraulvätskan är med
komponenterna i det nuvarande systemet, samt hur bra den fungerar med det.
Arbetstemperatur som är det temperaturintervall som vätskan är avsedd att arbeta
inom. Ett högt poäng innebär att vätskan har en hög arbetstemperatur.
Smörjande egenskaper, som blir ett mått på hur väl hydraulvätskan smörjer
komponenterna i hydraulsystemet, främst gäller detta pumpar och
rotationsmotorerna. Ett högt poäng innebär att vätskan smörjer komponenterna i
systemet bra.
Korrosionsskydd, som beskriver hur väl hydraulvätskan skyddar metall- och
legeringsmaterialen i komponenterna mot syraangrepp i form av korrosion och
rostskydd. Ett högt poäng innebär att vätskan har bra korrosionsskydd.
Särskilt underhåll, detta kriterie blir ett värde på vilket särskilt underhåll som
vätskan kräver vid alldaglig drift. Ett lågt poäng innebär att vätskan kräver mycket
underhåll.
Brandegenskaperna har varit väldigt viktigt vid detta konceptval varför dess viktfaktor
har varit den största, 0.9. Kompatibiliteten med systemet har varit den näst största
viktfaktor vid konceptvalet då en kompatibel hydraulvätska förenklar
systemimplementeringen avsevärt. Generellt blir det varmare än systemtemperaturen
vid förbrukarna i ett hydraulsystem varför arbetstemperaturen har varit den tredje
viktigaste faktorn, 0.8. Samma metodik har varit gällande för övriga faktorer där den
minsta, korrosionsskydd, har tilldelats viktfaktorn 0.15. Se tabell 3 nedan:
Tabell 3: Tabell som redogör för ”Weighted Scoring Model”.
Kriteriepoäng
Kriterie Kriteriefaktor HFC HFD-U
Brandresistens 0.9 100 30
Smörjegenskaper 0.36 30 100
Arbetstemperatur 0.8 50 90
Särskilt underhåll 0.19 20 35
Korrosionsskydd 0.15 80 90
Kompatibilitet 0.15 35 100
Poängsumma: 186.25 239.5
HFD-U vinner som koncept trots att den har sämre brandegenskaper än HFC. 239,5 poäng
jämfört med 186,25. Detta på grund av att HFD-U i princip går att fylla i dagens system och
använda direkt. Detta ger HFD-U höga poäng i de viktiga kriterierna arbetstemperatur och
kompatibilitet. De övre temperaturgränserna för de vattenbaserade hydraulvätskorna är för
låga för att användas riskfritt i de miljöer som TBRC används i, där rotationsmotorn
Hägglunds CA140 är den kritiska komponenten.
Ytterligare en faktor som talar för polyolestrarna men som inte analyserats nämnvärt är dess
miljövänlighet. De är biologiskt nedbrytbara och icke-giftiga, vilket gör HFD-U som
hydraulvätska gångbart som ett miljövänligt alternativ till mineralolja för de kunder som
värdesätter detta.
4.5 Systemlayout
Fördelarna med att installera hydraulikutrustning i en container är många. För det första
kan anläggningen hållas ren från kontaminering vilket ökar livslängden på komponenterna,
för det andra kan den testas innan leverans och för den blir enkel att frakta världen över.
Problemet blir att få allt att rymmas i containern vilket redogörs nedan. Topp och sidovy
återfinns i bilaga 4.
De hydraulikkomponenterna som monterats i containern har hittats i hydraulschema som
finns i bilaga 5. Vad gäller modelleringen av dessa så har några få komponenter återfunnits
hos respektive leverantör i form av färdiga CAD-modeller medans några komponenter har
ritats fritt från tillhörande produktblad. Andra komponenter, exempelvis motorvaggorna har
ritats efter besök hos Specma där en hydraulcontainer har konstruerats på uppdrag av
Outotec under examensarbetets gång. Märk väl att alla väggar inte är synliga på containern,
den är sluten. Väggarna har tagits bort för att illustrera enligt figur nedan.
Figur 12: Power Pack i sin helhet, med alla komponenter installerade.
På grund av tankens storlek och roll i hydraulsystemet så placeras den centralt i containern.
Det krävs att pumparna monteras nära tanken för att hålla sugledningen till dessa så kort
som möjligt för att minsta tryckfallet i dessa. På tanken finns det en manlucka som medför
att invändiga reparationer kan utföras, samt ett siktglas som gör att man kan inspektera
filter, sugledningar, vätskeskumning med mera utifrån. Tanken vilar på gummikuddar för att
undvika skummande vibrationer. Tryckfiltrena monteras på tanken i en egen ram, från dessa
går hydraulslang till hydraulrören som sedermera ansluter till ventilerna och förbrukarna
kring kaldougnen i anläggningen.
Figur 13: Hydraultank med tryckfilter i egen ram.
Systempumparna med tillhörande elmotorer placeras nära tank mot containerns gaveldörr
för att underlätta montage och underhåll av dessa, placeringen medför exempelvis att
elmotorerna kan lyftas på plats med hjälp av en hjullastare. På pumparnas sugledning krävs
det både en kompensator och en ventil så att systemet ej behöver tömmas om en pump
behöver repareras. På utloppet från pumparna monteras en så kallad silencer som minskar
både vibrationer och flödesskillnader. Motorernas elskåp placeras ovanför dessa i fall
strömmen till dem behöver brytas vid nödfall eller repstopp. Motorerna vilar på separata
vaggor som i sin tur vilar på motorkuddar. Mellan pumparna och tryckfiltren går
hydraulslang istället för rör som kompenserar för pump- och motorvibrationer.
Figur 14: Pumpar med elmotorer på vaggor och tillhörande elskåp.
Ackumulatorerna med tillhörande gasflaskor monteras i ett eget ställ som placeras i det hörn
som hamnar närmast containerns anslutningar. Stället tillverkas förslagsvis av vanlig VKR-
profil. En konsol på denna ram agerar ventilbord då endast en handventil för ugnsrotationen
behöver placeras i containern. I fall att fler ventiler monteras i containern så förlängs denna
konsol motsvarande i de fall där ventilerna inte kan monoblock- eller sandwichmonteras.
Figur 15: Ackumulatorställ med gasflaskor och ventilkonsol.
Filter med överströmningsventil monteras på tanken, returledning från förbrukarna kopplas
till denna så att hydraulvätskan i tanken håller sig så ren som möjligt. Då vätskan pumpas
uppstår det vätskevolymsändringar i tanken, för att hålla tanken fri från över- och
undertryck monteras ett andningsfilter på tanken.
Figur 16: Retur-, cirkulations- och andningsfilter på tank.
Systemet kräver kylning av hydraulvätskan, denna kylare monteras på tanken och pumpen
med elmotor placeras under den för att hålla sugledningen så kort som möjligt. För att
säkerställa att hydraulvätskan filtreras även om det ordinarie filtret blivit igensatt så
monteras ett filter på kylkretsen. Kylaren kopplas mot processvatten med vattenrör som får
följa kabelstegen som monteras i taket. I kabelstegarna monteras alla hydraulrör och
slangar. På det inkommande vattenröret monteras ett vattenfilter så att kylaren inte sätts
igen med varm hydraulvätska som följd om processvattnet blir smutsigt.
Figur 17: Vattenledningarna och hydraulrören under kabelstege.
Figur 18: Hydraulvätskekylare med tillhörande pump och vattenfilter.
Det är viktigt att det är rent i containern. För att förhindra att containern inte blir alltför
varm eller smutsig monteras ett ventilationssystem av typ EP-Comp från leverantören
Elektroprim. Det är en ventilationsfläkt som ser till att det alltid råder ett visst övertryck i
containern vilket i sin tur ser till att damm och andra partiklar stannar ute. Insugsluften
filtreras i en filterstrumpa som enkelt byts ut inifrån containern vars lufttillflöde stryps från
kringmiljön med ett spjäll under filterbytet. I EP-Comp ingår även ett AC-aggregat som
recirkulerar och kyler luften vilket hjälper både systemet att hålla en låg temperatur och låg
relativ luftfuktighet.
Tyvärr måste AC-aggregat monteras utanför containerväggen vilket försvårar frakten av
containern då den monteras på svensk mark innan avfärd mot slutdestination. Lösningen på
detta problem vore en plåt med samma hålbild som det huligangaller som AC-aggregat sitter
monterat i som får försegla hålet då containern fraktas. Den utgående luften går genom ett
vanligt ventilationsspjäll som endast släpper ut luft. Se figur nedan.
Figur 19: Ventilationssystemet EP-Comp med AC-aggregat samt ventilationsspjäll.
I fall att systemet behöver tömmas, fyllas eller vätskan bytas så görs detta med en extern,
mobil, pump. Denna pump med tillhörande motor och sugrör bör förvaras i containern i en
verktygslåda som kan låsas. Förvaringen av denna är viktigt för att det är en kritisk enhet
som ej får vara försvunnen om vätskan akut behöver bytas eller fyllas. Förslagsvis lagras
även reservfilter och handkontrollen till AC-aggregatet i verktygslådan så att även de finns
tillgängliga vid behov.
Figur 20: Verktygslåda för mobil pump och reservfilter.
Skulle någon hydraulkomponent fallera i containern med läckage som följd så ska allt spill
stanna i containern, detta löses enkelt med hjälp av att golvytan och tröskelns höjd bildar
systemets totala volym och lite till. Durkgaller placeras överallt där personal och installatörer
kan tänkas ställa fötterna för att minska halkrisken om mindre katastrofala läckage inträffar.
Figur 21: Tröskel i hydraulcontainern.
4.6 Life Cycle Cost
LCC-analysen presenteras i tabell 4 och 5 samt grafiskt i bilaga 6 som även visar underlaget.
Denna analys omfattar hydraulsystemet, lanssystemet och underhållet av ugnskärlet. LCC-
analysen är gjord ur ett kundperspektiv från Amerika. Analysen omfattar 20 år och en
kalkylränta på 5 % har använts. Valutan är svenska kronor, valutaväxlingskursen 7,69 har
använts mellan de två valutorna USD och SEK.
Det primära underhållet av kaldougnen är tegelbyte. Stenarna och bruket nöts ganska
mycket av processen trots att stenarna är avsedda för direktkontakt med smälta. Man murar
om ugnen tre gånger per år vilket är intervallet som använts i analysen. Man byter stödhjulet
och lagerringen då de blivit nötta efter 10 – 15 år beroende på driftsätt. Dessa operationer
med driftstopp och montage har inkluderats. Hydraulsystemet underhålls en gång per år då
man byter hydraulvätskan och alla filter. Kostnaderna för filterbytena och vätskepriset har
erhållits från en offert på en liknande anläggning. Se tabell 5 i bilaga 6 för sammanställning
av underhållsoperationerna och dess kostnad per år.
Man förbränner dieselolja tillsammans med syrgas som tillförs genom lansarna. Övriga
medier är tryckluft, ånga och LPG-gas. Dessa anläggningar står sällan ensamma och kunden
har ofta en egen produktion av ånga och tryckluft. Kostnaderna för dessa har tillhandahållits
från Outotec i form av ett underlag som kommer från en liknande anläggning. Se tabell 6 i
bilaga 6 för systemets bränslekostnader.
Då processen kyls pumpas det kylvatten kontinuerligt. En driftsfaktor på 0.9 har använts på
kylvattenpumparna, vilket betyder att det går 90 % av tiden. Elmotorerna som driver
hydraulpumparna har tillgivits faktorn 0.15 vilket på motsvarande sätt innebär att de är i
drift 15 % av tiden. Energipriset 0,87 kr/kWh har använts. Se tabell 7 i bilaga 6 för
sammanställning av systemets elkostnader.
I övrigt handlar det mest om förebyggande underhåll i form av okulära besiktningar, kontroll
av ventiler, smörjning med mera. Detta underhåll har inte analyserats nämnvärt då gränsen
mellan daglig drift och underhåll någonstans måste dras.
5 Diskussion och slutsats
Resultatet visar att polyolestrar fungerar bra med det befintliga hydraulsystemet i TBRC.
Den fungerar med systemet som det står i dag utan några egentliga förändringar, de smörjer
väldigt bra på grund av att syran som används vid framställningen är ganska fet. Densiteten
på dem är direkt jämförbar med mineralolja varför det ej krävs någon downrating på
pumpar och motorer. Brandfaran bedöms som betydligt mindre om polyolestrar används i
hydraulsystemet i och med att de brinner betydligt sämre än mineralolja på grund av deras
låga värmevärde.
De tester som utförs på dessa HF-vätskor är många och standardiserade av nästan lika
många standardiseringsinstitut. Exempel är DIN, SIS, FM för att nämna några. Detta tycker
jag visar på att det är svårt att bestämma vilka egenskaper det är som gör en brandresistent
vätska just brandresistent. Här hade man kunnat lägga ner mycket tid på att studera vad de
testar och varför för att på så sätt kunna väga olika vätskor mot varandra, men jag insåg
ganska fort att det skulle ta mycket tid i anspråk och att många av testerna inte går att utföra
på de vattenbaserade vätskorna. Jag har i stället letat information om vätskornas egenskaper
och talat med folk inom branschen för att på så sätt förstå hur vätskorna fungerar och vilka
fördelar de har gentemot varandra. Med mer tid att tillgå vore det klart intressant att studera
testerna metodik ingående och därigenom HF-vätskorna egenskaper än djupare.
De hydraulvätskor som brinner sämst är de vattenbaserade, antingen i form av emulsion
eller vatten med tillsats. Till skillnad från estrarna så fås ingen egentlig brand, men vad man
däremot kan få är ångexplosioner eller plötslig brand då vattnet avdunstat och endast tillsats
eller emulsion återstår vid ett läcka eller spill på varm yta. Här måste man göra en
bedömning, är det bättre med en liten kontrollerad brand eller är det bättre att det inte
brinner med explosionsrisk. I TBRC gör jag bedömningen att små kontrollerbara bränder är
att föredra då explosioner kring smälta kan få svåra konsekvenser på närliggande utrustning
och personal.
Inköpskostnaden för polyolestrarna är ungefär dubbelt så stor som mineralolja vilket kan
vara en viktig faktor för mindre system som befinner sig i smutsiga miljöer där vätskan kan
fara illa, men jag vill mena att hydraulvätskekostnaden i stora industriella system som det
som driver TBRC är försvinnande liten om man jämför med vad ugnen med anläggning
kostar i sin helhet. Jag tror att det här verkligen är applicerbart, även på anläggningar som
redan finns i och med att estern tål att blandas med mineralolja.
Vad gäller CAD-modelleringen så har mycket arbete lagts på detta. Det verkar som att det är
lätt hänt att mycket tid läggs på just CAD-modellering då det är ett roligt och ibland
utmanande arbete. Jag själv känner att jag har lagt lite för mycket tid på det här momentet i
mitt examensarbete och kanske är det så att den tiden hade varit bättre använd på andra
håll. Själva modellen är jag mycket nöjd med och jag vet att Outotec har användning av både
modellen och de tankar och frågeställningar som har uppkommit då modelleringen utförts,
bland annat AC-aggregatet, förvaringen av den mobila pumpen, ventilplacering med mera.
Dessa tankegångar och frågeställningar kommer nog att finnas kvar i framtida
hydraulaggregat som Outotec levererar.
Resultatet är viktigt för nu har Outotec ett färdigt alternativ för de kunder som känner sig
tveksamma till hydraulik med mineralolja i varma miljöer. De har även en färdig CAD-
modell av ett hydraulaggregat som kan användas till presentationer och dylikt.
Vad gäller den teoretiska grunden i arbetet så vill jag mena att det inte är så stark. Det är
klart att hydraulisk teori har använts då man kontrollerat att pumpar fungerar med de
vattenbaserade hydraulvätskorna men i övrigt har den inte varit applicerbar då min
bedömning är att tillgänglig information på området brandresistent hydraulik och även
teorier bakom tekniken är bristfällig. Detta trots det faktum att problematiken kring
brandfarlig hydraulik är gammal. Till exempel så har Vatten/Glykol (HFC) rötter ända
tillbaka till 50-talet, vilket verkligen visar att produkterna varit tillgängliga en längre tid men
ändå vill jag mena att informationen kring och teorierna bakom brandresistent hydraulik
varit svårfunnet.
Det kan vara så att det är så etablerat med mineralolja att flertalet konsumenter inte kan
tänka sig någon annan vätska än just mineralolja, sedan är det ju så att ett hydraulsystem
konstruerat för mineraloljedrift ofta har en specificerad mineralolja som ska användas. Detta
gäller även på Outotec som sedan följer med kunderna ut i världen som sällan byter till något
annat fabrikat av mineralolja. Vanans makt är stark och industrin är ofta sen att anamma ny
teknik om den inte redan är väl beprövad.
Den viktigaste slutsatsen av detta examensarbete är att polyolestrar är oerhört lämpliga som
hydraulvätska i brandfarliga miljöer.
6 Fortsatt arbete
Parkerpumparna, objektnummer (49) samt (50) i bilaga 4 kräver i och med att de har
variabelt deplacement ett mottryck för att starta. I dagsläget sköts detta av en Kawasaki-
pump (12) som drivs av en VEM-motor (74) på 22kW. En intressant idé vore att låta
cirkulationspumpen som kyler Hägglundsmotorn göra detta då starttrycket som krävs är
väldigt litet.
Drift med HFC i TBRC känns osäkert i dagsläget. Detta på grund av att det är svårt att
bestämma en maximal temperatur vid förbrukarna, troligen blir det som allra varmast vid
rotationsmotorn. En temperaturgivare på denna vore önskvärt så att en maximal temperatur
erhålles innan ett eventuellt försök med vätskan.
Vore ugnsrotationen på en sluten krets skulle man kanske kunna använda en
proportionalventil med varvtalsgivare för att reglera flödet och därigenom ugnsrotationen i
stället för det förlustgenererande anslutningsblocket, objektnummer (152) i bilaga 4.
7 Referenser
1. Grundläggande Hydraulik. Isaksson, Ove. Luleå : Hydcon, 1991.
2. Project Management for Engineering Design. Charles Stephen Lessard, Joseph P.
Lessard. u.o. : Morgan & Claypool Publishers, 2007.
3. Hydraulic fluids for system reliability. Trinkel, Bud. u.o. : Hydraulics & Pneumatics,
den 24 Augusti 2006.
4. Hydraulic System Care & Maintenance. Exxon Mobil Corporation. 2009.
5. SIS. SS-EN ISO 6743-4. Stockholm : SIS Förlag AB, 2002.
6. Totten, George E. Handbook of Hydraulic Fluid Technology. u.o. : CRC Press, 1999. 0-
8247-6022-0.
7. Grace L Cramp, Andrea M Docking, Supratim Ghosh, John N Coupland. On the
stability of oil-in-water emulsions to freezing. u.o. : Elsevier Ltd., 2004.
8. Zink, Michael. When it comes fluid to performance Match characteristics to
application needs. u.o. : Hydraulics & Pneumatics, den 27 Juni 2006.
9. Water Glycol - Fire-Resistant Hydraulic Fluids. Basilone, Garry M. u.o. : Machinery
Lubrication.
10. Roland J. Bishop, Dow Chemical Company G.E. Totten, G.E. Totten &
Associates LLC. Maintenance and Analysis of Water-Glycol Hydraulic Fluids. [Article]
u.o. : Machinery Lubrication, January 2003.
11. Totten, George E. Westbrook, Steven R. Shah, Rajesh J. Fuels and lubricants
handbook : technology, properties, performance and testing. West Conshohocken, Pa. :
ASTM International, 2003. 0-8031-2096-6.
12. SIS. SS-EN ISO 15029-2:2012. Stockholm : SIS Förlag AB, 2012.
Bilagor
1 Kravspecifikation ................................................................................................................................... 1
2 Klassificering av hydraulvätskor ............................................................................................................ 1
3 HF-vätskornas egenskaper jämfört med mineralolja ............................................................................ 1
4 Layout av hydraulsystemet ................................................................................................................... 1
5 Flödesschema ........................................................................................................................................ 2
6 Life Cycle Cost ....................................................................................................................................... 1
7 Förtydligande ........................................................................................................................................ 1
Innehållet i samtliga bilagor är konfidentiellt för Outotec (Sweden) AB. Därför redovisas i
denna rapport enbart titeln på bilagorna ovan, ej innehållet.
Top Related