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.