Kyösti Kultalahti PYROMETRIN KÄYTTÖÖNOTTO DISA KAAVAUSLINJALLE

Transkriptio

1 Kyösti Kultalahti PYROMETRIN KÄYTTÖÖNOTTO DISA KAAVAUSLINJALLE Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Syyskuu 2008

2 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Aika Tekniikka ja liiketalous Koulutusohjelma Kone- ja tuotantotekniikka Työn nimi Pyrometrin käyttöönotto DISA kaavauslinjalle Työn ohjaaja DI Mats Albäck Työelämäohjaaja Insinööri Ari Karvonen Tekijä Kyösti Kultalahti Sivumäärä liitettä Valulämpötilan tunteminen on tärkeää laadukkaiden valurautakomponenttien tuottamisen kannalta. Mitä paremmin valuprosessin lämpötila hallitaan, sitä paremmin kyetään eliminoimaan valulämpötiloista johtuvien valuvirheiden syntyminen ja sitä kautta parantamaan tuotteiden laatua ja tuottavuutta. Opinnäytetyön tarkoituksena oli pohjustaa luotettavan valulämpötilan seurantajärjestelmän käyttöönottoa Componenta Pietarsaaren valimoyksikön DISA kaavauslinjalle. Opinnäytetyö rakentui ISQ 5-LO 2 -väripyrometrin ympärille. Tehtävänä oli tutustua uuteen laitteistoon ja laatia käyttöönottosuunnitelma, johon kuului valulämpötilatietojen vastaanottolaitteiston valinta ja siihen sisältyen tarpeellisten parametrien määrittäminen, optimaalisen asennuspaikan valinta sekä laitteiston suojaukset sulan raudan roiskeita vastaan. Teoreettisessa osassa käydään läpi kaavauslinjan toimintaa, tarkastellaan valurautojen ominaisuuksia sekä tutustutaan teollisuuden eri lämmönmittaus menetelmiin. Opinnäytetyön teoriaosuuden tietoja voidaan hyödyntää teoriatuntien opiskelumateriaalina ja käyttöönottosuunnitelman tietoja tullaan käyttämään hyväksi laitteiston tiedonkeruujärjestelmän valintaa tehtäessä sekä pyrometrin asennuksessa ja käyttöönotossa DISA kaavauslinjalle. Asiasanat Pyrometri, valurauta, lämpötilanmittaus

3 ABSTRACT Unit Technology and Business Date Author Kyösti Kultalahti Degree programme Mechanical Engineering Name of thesis Introduction of Pyrometer on DISA 2013 Moulding Line Instructor Mats Albäck, M.S Pages appendices Supervisor Ari Karvonen, Engineer It is very important to know the casting temperature to produce first-rate cast iron components. The better the temperature of the casting process can be controlled the easier it is to eliminate casting errors in the casting temperatures and thus make better quality products and improve productivity. The meaning of this thesis was to lay the groundwork for the introduction of a reliable system to control the casting temperature in Componenta DISA 2013 moulding line in Pietarsaari. The thesis was built around ISQ 5-LO 2-colour pyrometer. The aim was to become acquainted with the new equipment and make a plan for the introduction including choosing the reception equipment of the casting temperature and determing the needed parameters, choosing the optimum place for the pyrometer and the protection of the pyrometer against the plashes of the molten iron. In the theoretical part of the thesis the process of the moulding line is covered and the cast irons and technology of the industrial temperature measurement methods are examined. The information of the theoretical part is available for study material and the facts of the introduction plan of the pyrometer will be exploited to mount the pyrometer and in the introduction of the pyrometer in Componenta DISA 2013 moulding line in Pietarsaari. Key words Pyrometer, cast iron, temperature measurement

4 SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 COMPONENTA Konsernin historia Componenta Pietarsaari Kaavauslinja DISA Kaavauspään työryhmä Koneenhoitajan työtehtävät Sulankuljettajan työtehtävät Valurin työtehtävät 10 3 VALURAUDAT Valurautojen perusominaisuudet Kiderakenteen muodostuminen Suomugrafiittivalurauta Pallografiittivalurauta Valkoinen valurauta Adusoitu valurauta Valuraudat DISA kaavauslinjalla Valurautojen valuvirheet 20 4 LÄMPÖTILAN MITTAUS Lämpötilan mittaaminen Lämpötila-asteikot Mekaaniset lämpömittarit Bimetallilämpömittari Nestepatsaslämpömittari Kapillaarilämpömittari Sähköinen lämpötilan mittaus Termoelementti Vastusanturit Lämpötilan mittaus DISA kaavauslinjalla 32 5 OPTINEN LÄMPÖTILAN MITTAUS Yleistä Teoriaa Pyrometrien luokittelu Kokonaissäteilypyrometri Osittaissäteilypyrometri Suhdesäteilypyrometri Pyrometri ISQ 5-LO MB 18 TYPE II 42 6 PYROMETRIN KÄYTTÖÖNOTTO Työn taustaa Työn aloitus Järjestelmän valintaan vaikuttavat tekijät Pyrometrin asennuspaikka ja suojaukset 51

5 6.5 Käyttöönotto ja viikkotarkistukset 57 7 POHDINTA 59 LÄHTEET 60 LIITTEET 1. Valimon yleiskuva 2. Suomugrafiittivaluraudan tavoitearvot 3. Pallografiittivaluraudan tavoitearvot 4. Emissiokertoimia 5. ISQ 5-LO

6 1 1 JOHDANTO Valulämpötilan tunteminen on yksi tärkeimmistä tekijöistä laadukkaiden valurautakomponenttien tuottamisen kannalta. Mitä paremmin valuprosessin lämpötila hallitaan, sitä paremmin kyetään eliminoimaan valulämpötiloista johtuvien valuvirheiden syntyminen ja sitä kautta parantamaan tuotteiden laatua ja tuottavuutta. Projektin tavoitteena oli käyttöönottaa luotettava ja helppokäyttöinen valulämpötilan seurantajärjestelmä Componenta Pietarsaaren valimoyksikön DISA kaavauslinjalle. Vanha pyrometri oli poistettu käytöstä monien ongelmien vuoksi vuonna 2007, jonka jälkeen mittaukset on suoritettu termoelementillä. Vaikkakin termoelementillä saadut tulokset ovat olleet luotettavia, sillä ei pystytä mittaamaan valuraudan lämpötilaa jatkuvatoimisesti. Jatkuvatoiminen mittaus on kuitenkin ehdoton edellytys valulämpötilan seuraamiselle kaavauslinjalla ja luotettavalle mittaustulosten rekisteröimiselle sisäiseen tietokantaan laadunhallintaosaston käyttöön. Lämpötilan jatkuvatoimisen mittauksen avulla valuprosessin lämpötilaa pystytään hallitsemaan paremmin, ja kattavan tietokannan avulla laaduntarkkailu pystyy valuvikojen ilmetessä eliminoimaan valulämpötilan osuuden ilmenneiden valuvirheiden aiheuttajaksi. Opinnäytetyö rakentui valmiiksi hankitun suhdepyrometrin ympärille. Tehtävänä oli tutustua uuteen laitteistoon ja sitä kautta tehdä pohjatyö sopivan järjestelmän valinnalle valulämpötilatilatietojen keräämiseksi ja sopivien parametrien määrittämiseksi. Datatietojen keräämisen lisäksi oli suunniteltava laitteiston käyttöönotto, johon sisältyi asennuspaikan optimaalinen valinta laitteistolle sekä laitteiston suojaukset sulan raudan roiskeita vastaan. Valitettavasti pyrometrin käyttöönottoa ei voitu suorittaa kesäseisokin aikana, koska laitteiston logiikan asentavalla yrityksellä ei työkiireiden vuoksi ollut aikaa suorittaa järjestelmän asentamista. Sen vuoksi työn painopiste siirrettiin kattavan teoriaosuuden laatimiseen ja asennussuunnitelman tekemiseen. Teoreettisessa osassa käydään läpi kaavauslinjan toimintaa, tarkastellaan valurautojen ominaisuuksia ja lämpötilan vaikutusta niiden ominaisuuksiin sekä tutustutaan teollisuuden eri lämmönmittausmenetelmiin. Opinnäytetyön teoriaosuuden tietoja voidaan hyödyntää teoriatuntien opiskelumateriaalina ja käyttöönottosuunnitelman tietoja tullaan hyödyntä-

7 2 mään laitteiston tiedonkeruujärjestelmän valintaa tehtäessä sekä pyrometrin asennuksessa ja käyttöönotossa DISA kaavauslinjalle.

8 3 2 COMPONENTA 2.1 Konsernin historia Vuonna 1918 konepajaopin saanut Matti Lehtonen perusti yhtiökumppaninsa kanssa Helsinkiin Componentan ensimmäisen valimon Rauta- ja Metallivalimo Suomen. Jo ensimmäisenä toimintavuotenaan valimo tuotti noin 40 tonnia valurautatuotteita kotimaan markkinoille: osia laivoihin, korjaus- ja asepajoille ja esimerkiksi lattialaattoja meijeriin luvulla maaseudun koneistumisen myötä valimon tuotanto keskittyi pääasiassa maatalouskoneiden osien valmistukseen. (Componenta 2008.) Kun toinen maailmansota alkoi, oli valimon tuotannosta osa siirrettävä Suomen sotatarviketeollisuuden pariin. Myös sodan jälkeisinä vuosina se osallistui sotakorvaustoimituksiin, jonka vuoksi valimon oli moninkertaistettava tuotantonsa luvulle siirryttäessä ja tuotannon yhä kasvaessa joitakin loppuun asti koneistettuja omia tuotteita valmistettiin jopa sarjatuotantona. Omien valutuotteiden valmistuksen ja markkinoinnin myötä aloitti yritys vientitoiminnan 1960-luvulla. Metallivalimo Suomi toimi 1970-luvun puoliväliin saakka yksinomaan Helsingissä, jolloin valutuotteiden kysynnän kasvaessa oli rakennettava uusi nykyaikainen valimo Iisalmeen. (Componenta 2008.) 1980-luvulta lähtien yhtiö on kasvanut huomattavasti yritysostojen ja toimialarationalisoinnin myötä. Componenta on myös joutunut luopumaan monista ydinliiketoimintaan kuulumattomista toiminnoista, mutta näin se on saanut tehostettua omaa toimintaansa. Viimeisimmät suuret laajennukset tapahtuivat maaliskuussa 2004 ja lokakuussa 2006; vuonna 2004 Componenta osti osake-enemmistön hollantilaisesta valimosta De Globesta, ja 2006 se osti Turkkilaisen rauta- ja alumiinivalukomponentteja valmistavan Dökümcülük Sanayi ve Ticaret A.S:n osake-enemmistön. Tällä hetkellä yhdessä Döktasin kanssa Componenta on Euroopan toiseksi suurin itsenäinen valukomponenttien valmistaja. Konsernin historia kehitys on esitettynä kuviossa 1. (Componenta 2008.)

9 4 KUVIO 1. Componenta konsernin kehitys (Componenta 2008.) Tällä hetkellä Componenta on kansainvälinen rauta- ja alumiiniteollisuuden konserni, joka tuottaa valettuja, valmiiksi koneistettuja ja pintakäsiteltyjä komponentteja ympäri maailmaa. Konsernin tuotantoyksiköt valimot, konepajat ja takomot sijaitsevat Hollannissa, Ruotsissa ja Turkissa ja Suomessa, jossa myös Componentan pääkonttori sijaitsee. Suurimmat asiakkaat kuuluvat työkoneteollisuuden, raskaan ajoneuvoteollisuuden, dieselmoottori- ja tuulivoimakomponentteja valmistavien yritysten piiriin. Componentan kahdeksan rautavalimoa, yksi alumiinivalimo, kuusi konepajaa ja muu liiketoiminta työllistävät noin 5100 ihmistä ympäri maailmaa. (Componenta 2008.) 2.2 Componenta Pietarsaari Componentan Pietarsaaren yksikkö on jaettu kahteen osaan, konepajaan ja valimoon. Tässä työssä tullaan käsittelemään vain Pietarsaaren yksikön valimoa, joten sanalla Componenta tarkoitetaan vain Pietarsaaren valimoyksikköä. Componenta Pietarsaaren valimo tuottaa noin tonnia erilaisia valurautakomponentteja vuodessa, mutta tavoitteena on muutaman vuoden kuluessa nostaa kapasiteetti yli tonniin. Valukomponentit valmistetaan suomugrafiitti- ja pallografiittivaluraudasta, joiden sulatusprosessi tapahtuu 4,3 megawatin keskitaajuus- ja kahdella 1,8

10 5 megawatin verkkotaajuusuunilla. Sulatuksen jälkeen sula rauta siirretään odottamaan kuumanapitouuneihin (LP-uuneihin), joista sulankuljettajat ajavat seostetun metallin kaavauskoneille. Kaavauslinjat DISA 2013 ja DISA 2130 kaavaavat lähes yhtäjaksoisesti hiekkatornissa valmistettavasta tuorehiekasta valuradalle muotteja, joissa valurit valavat valukoneilla kaavatut muotit täyteen rautaa. Muotit jäähtyvät kaavausradalla ja jäähdytystunnelissa, josta ne siirtyvät seuraavaan vaiheeseen eli teräshiekkasinkoukseen ja esitarkastukseen. Esitarkastuksen jälkeen silmämääräisesti tarkastetut kappaleet siirretään joko lämpökäsittelyyn tai suoraan puhdistamoon hiottavaksi, jonka jälkeen ne siirretään joko lähettämöön ja sitä kautta varastoon odottamaan lähetystä tai koneistettavaksi, maalaamoon ja lopulta asiakkaalle. Valimon tuotantoprosessi on kuvattuna kuviossa 2. (Componenta 2008.) Liitteessä 1 löytyy karkea pohjapiirros Pietarsaaren valimosta. KUVIO 2. Valimon tuotantoprosessi (Componenta 2008.) Koko valimoprosessi toimii karkeasti yksinkertaistettuna päivästä toiseen samalla tavalla noin 200 työntekijän voimin. Viimeistellyt komponentit lähetetään ammattitaitoisen ja osaavan henkilöstön valmistamina maailmanlaajuisesti vaativiin rakenteisiin ja osakokonaisuuksiin konsernin ja asiakkaiden arvoja kunnioittaen.

11 6 2.3 Kaavauslinja DISA 2013 Componenta Pietarsaaren valimon toiminta rakentuu kahden kaavauslinjan ympärille. Pienempi linja, DISA 2013, tuottaa pystykaavauksella tuorehiekasta erivahvuisia, korkeudeltaan 480 mm:n ja leveydeltään 600 mm:n kokoisia hiekkamuotteja, joihin rauta valetaan. Koneella pystytään kaavaamaan noin 400 muottia tunnissa erikokoisia valukappaleita, joiden massa vaihtelee kymmenistä grammoista noin 20 kiloon. (Componenta 2008.) Kaavauslinjan toiminta perustuu monen osa-alueen optimaaliseen yhteistyöhön: sulaton on sulatettava riittävästi oikeanlaatuista rautaa, hiekkatornin on valmistettava hyvälaatuista kaavaushiekkaa riittävän nopealla tahdilla, ja esitarkastuksen teräshiekkasinkouksen sekä valurankojen irtikiilauksen on oltava riittävän nopeaa, jotta kaavauskoneella voidaan kaavata muotteja ja valuautomaatilla voidaan valaa kappaleita riittävän tehokkaalla tahdilla. Prosessin onnistuminen vaatii kaikilta osastojen työntekijöiltä osaamista ja ammattitaitoa, jotta valukomponenttien tuottaminen olisi kannattavaa. Kaavauslinja DISA 2013:n prosessiin osallistuvat kaavauspään työryhmä ja esitarkastuksen työryhmä, joihin molempiin kuuluu neljä työntekijää joka vuoroon. Tässä työssä keskitytään vain kaavauspään toimintaan, koska kaavausvaiheessa pystytään vielä vaikuttamaan valuraudan valmistuksen kriittisiin parametreihin, kuten valulämpötilaan. 2.4 Kaavauspään työryhmä Kaavauspään työryhmään kuuluu joka vuoroon neljä henkilöä: kaavauskoneenhoitaja, vaihtomies (2. koneenhoitaja), valuri ja sulankuljettaja. Lisäksi joka vuorossa toimii analyysimies, jonka tehtävänä on analysoida raudan rakennetta ja koostumusta, jotta rauta olisi asetettujen normien mukaista. Näiden kaikkien henkilöiden on toimittava saumattomasti yhteen, jotta saavutettaisiin optimaalinen lopputulos tuottavuuden, laadun ja työturvallisuuden kannalta. Seuraavassa on esitellään työryhmän jäsenten työnkuva yksinkertaistettuna.

12 Koneenhoitajan työtehtävät DISA 2013 (kuvio 3) on automaattinen kaavauskone, jossa tuorehiekasta valmistettavat muotit kaavataan valuradalle oikeanlaista puhallus-, puristus- ja kasauspainetta sekä muotinpaksuutta käyttäen ilman kehyksiä. Muottikammiossa syntyvän valumuotin jakopinta on pystysuorassa kaavausrataan nähden. KUVIO 3. Kaavauskone DISA 2013 Työskentely kaavauspäässä alkaa, kun kaavauskoneenhoitaja tilaa hiekkatornista kaavaushiekkaa, valitsee ennalta määrätystä ajolistasta mallin, nostaa kyseisen mallin levyt paikoilleen DISA kaavauskoneeseen ja alkaa kaavata muotteja valuradalle mallille sopivilla asetuksilla. Jos muotteihin pitää asettaa keernat, koneenhoitaja tai vaihtomies lisäävät ne joko käsin tai automaattisella keernamaskilla. Koneenhoitaja ilmoittaa ryhmän jäsenille mallin tiedot, jotta sulankuljettaja tietää tuoda oikeanlaista rautaa oikean määrän ja valuri saa ajettua oikeat mallitiedot valuautomaattiin. Kun muotteja on kaavattu riittävä määrä valuradalle, valuri tilaa rautaa, jonka sulankuljettaja ajaa valuautomaatille. Lopulta kun kaavattava mallin muotteja on tuotettu ja valettu kuormituslistan ilmoittama määrä, koneenhoitaja vaihtaa uuden mallin koneeseen, mistä hän on tiedottanut valurille ja rautakuskille etukäteen. Lopuksi kaavauskoneenhoitaja raportoi kaavatut kappaleet SAPtuotannonohjausjärjestelmään. (Componenta Global 2008.)

13 Sulankuljettajan työtehtävät Sulankuljettajan eli rautakuskin tehtävänä on kuljettaa sulankuljetustrukilla lisäaineilla seostettua sulaa rautaa LP-uuneista (raudan kuumanapitouuneista, joissa sulatettu rauta pidetään kuumana kaavauslinjoja varten) valuautomaatin valualtaaseen, josta rauta valetaan kaavattuihin muotteihin. Vakiintuneilla raudankäsittely- ja kuljetuskäytännöillä on pystytty parantamaan valettujen kappaleiden metallurgisia ja laadullisia ominaisuuksia. Sen mukaan, mitä rautalaatua ajetaan, rautakuskin työnkuva vaihtelee suuresti. (Componenta Global 2008.) Pallografiittivalurautaa eli GJS-laatua valettaessa rautakuski käyttää sulankuljettamiseen kannellista sulankuljetussenkkaa. Aina ennen sulankäsittelyn aloittamista trukkikuskin on varmistuttava, että analyysimies on ottanut rautanäytteen LP-uunista ja sen tiedot ovat latautuneet rautakuskin käytettävänä olevaan maustekoneeseen, josta näkyvät lisättävät lisäainemäärät. Seuraavassa luetellaan sulankuljettajan toimenpiteet pallografiittivalurautaa ajettaessa vaiheittain. KUVIO 4. Maustekoneen näyttö (vaihe 1) ja raudanotto LP-uunista (vaihe 4 ja 5) 1. Kuljettaja lukee viivakoodinlukijalla ajolistassa vuorossa olevan mallin koodin, ja mallin tiedot ilmestyvät maustekoneen näytölle. 2. Rautakuski punnitsee GJS-palloutumiskäsittelyyn tarvittavan magnesiumin määrän, (noin 1,5 kiloa magnesiumseosta jokaista 100 kg sulaa rautaa kohden) ja lisää koneen ilmoittamat lisäaineiden, kuten kuparin, piin, peittoaineen ja ymppäysaineen, määrän.

14 9 3. Kuski laittaa lisäaineet sankoihin oikeassa järjestyksessä, lisää ymppäysaineen senkassa olevaan ymppäysputkeen ja siirtää trukin LP-uunin viereen. 4. Valuri ilmoittaa raudan tarpeesta rautakuskille sytyttämällään merkkivalolla, jolloin kuljettaja kaataa kuumanapitouunia siten, että sula saadaan nopeasti senkkaan, lisää magnesiumin, lisäaineet ja peittoaineet kuljetussenkkaan ja lisää tarvittavan määrän sulaa päälle. 5. Magnesium reagoi voimakkaasti sulan raudan kanssa muodostaen rautaan pallomaisia grafiittikiteitä. Palloutumisreaktion jälkeen kuski käynnistää valuaikakellon, joka kertoo käytettävissä olevan valuajan GJS-raudalle 20 minuuttia ja ajaa trukin kuonauspaikalle. 6. Kuljettaja poistaa kannen senkasta, kuonaa senkan ja kaataa raudan valualtaaseen, jonka jälkeen hän siirtyy odottamaan uudelleen raudantilausvalon syttymistä. (Componenta Global 2008.) KUVIO 5. Raudan kuonaus ja sulan kaato valualtaaseen (vaihe 6) Suomugrafiittivalurautaa (GJS) eli harmaavalurautaa valettaessa rautakuskin senkka on kanneton, koska pallomaisia grafiittikiteitä muodostavaa voimakasta magnesiumreaktiota ei tapahdu magnesiumin puuttumisen vuoksi. Koska vaaraa palloutumisen häviämisestä ei ole, valuaika harmaalla valuraudalla on 30 minuuttia. Ainoa vaara on, että rauta on liian kuumaa, jolloin usein esiintyi suomugrafiittiraudalla valukappaleissa imuvirheitä. Tämän vuoksi kuljettaja lisää senkan pohjalle jäähdytysrautaa (valurankoja tai muuta kiertoromua), jotta tavoiteltu valulämpötila toteutuisi. Lisäaineiden lisäys senkkaan tapahtuu vasta, kun senkan pohjalle on kaadettu LP-uunista hieman sulaa. Kun rautaa on

15 10 senkassa tarvittava määrä, sulankuljettaja käynnistää valuaikakellon, ajaa valupaikalle, kuonaa tarvittaessa, kaataa sulan valualtaaseen ja palaa odottamaan uutta tilausta. (Componenta Global 2008.) Valurin työtehtävät Disa kaavauslinjan valurin tehtävänä on valaa jokainen kaavattu muotti täyteen sulaa rautaa. Linjan valukone, kuviossa 6, on yksi maailman kehittyneempiä; valutapahtuma suoritetaan valuautomaatilla, jossa pistelaser etsii muotin reiän (kuusa) ja viivalaser analysoi jatkuvasti muotin reiän pintaa lopettaen valun muotin ollessa täynnä. Valuri vain esiasettaa mallin asetustiedot lukemalla mallin viivakoodin ajolistasta, jolloin esitallennetut tiedot ilmestyvät kosketusnäytölle. Tietoja hienosäätämällä, esimerkiksi valuaikaa, valunvoimakkuutta, reagointiherkkyyttä, valuri asettaa valuautomaatin valamaan muotin mahdollisimman nopeasti täyteen. (Componenta Global 2008.) KUVIO 6. Valukone ja valukoneen hallintalaitteisto Valuri myös huolehtii analyysinäytteiden merkitsemisestä ja otosta, joilla todetaan raudan seoksen oikeellisuus ja pallografiittivaluraudalla myös palloutumisaste. Sen lisäksi valajan tehtävänä on koevetosauvojen valaminen jokaisesta työvuorossa valettavasta rautalaadusta. Hän myös hoitaa jälkiymppäyksen voimakkuuden säädön, jonka tarkoituksen on vähentää karbidien muodostumista ja parantaa GJS-rautalaadun palloutumaa. Valuri myös huolehtii

16 11 valulämpötilan valvonnasta sekä valulämpötilan korjaavista toimenpiteistä. (Componenta Global 2008.) Valulämpötilan hallinta sekä raudan rakenteen ja sen koostumuksen seuranta ovat tärkeimpiä parametreja, joita kaavauslinjalla valvotaan. Siksi on välttämätöntä, että jokainen työntekijä kaavauspäässä osaa tehtävänsä, jotta kaavaus, raudan kuljetus ja valaminen etenisivät jouhevasti. Silloin on mahdollista hallita ja ylläpitää raudan lämpötila ja kiderakenteen koostumus oikeanlaisena, jolloin pystytään tuottamaan laadukkaita valurautakomponentteja. Seuraavaksi tutustutaankin valurautojen kiderakenteeseen sekä erityyppisiin valurautoihin ja niiden ominaisuuksiin, jotta ymmärrettäisiin paremmin valulämpötilan tuntemisen ja jatkuvatoimisen lämpötilan mittaamisen tärkeys laadukkaita valukomponentteja tuotettaessa.

17 12 3 VALURAUDAT 3.1 Valurautojen perusominaisuudet Määritelmänsä mukaan valuraudat ovat metalleja, joiden rautapitoisuus on vähintään 50 % ja hiilipitoisuus vähintään 2 %. Käytännössä kuitenkin niiden C-pitoisuus vaihtelee 2,0 4,1 %. Lisäksi valuraudat sisältävät aina piitä, mangaania, fosforia ja rikkiä. ( TTY ) Valurautojen sulamispiste on noin 1200 C, ja niiden valulämpötila vaihtelee noin C. Koska valuraudan juoksevuus on erinomainen, sillä pystytään valamaan monimutkaisia ohutseinämäisiä rakenteita, joita olisi muilla keinoin vaikeaa tai mahdotonta valmistaa. Valurauta antaa paremman mittatarkkuuden kuin teräsvalut, imee vähemmän ja on valettavissa pienempiin työstövaroihin. Pienen loviherkkyyden ansiosta etenkin suomugrafiittivaluraudat vaimentavat värähtelyä hyvin. Ne myös säilyttävät muotonsa ja mittansa lämpötilan vaihteluissa paremmin kuin teräkset. (TTY ) Ominaisuuksia, jotka erityisesti suomugrafiittivaluraudoilla ovat keskimäärin huonompia kuin teräksillä, ovat vetolujuus, iskusitkeys ja hitsattavuus. Suomugrafiittirautojen vetomurtolujuus on noin 2/3 ja myötölujuus noin 1/3 verrattuna teräksiin. Pallografiitti- ja adusoidut valuraudat ovat kuitenkin lähellä teräksen kyseisiä arvoja. Valuraudan hitsausta vaikeuttaa teräksiin verrattuna suuri hiilipitoisuus, koska hitsin reuna-alueelle muodostuu valkoista valurautaa ja samalla paikallisia jännityksiä. Pallografiitti- ja adusoidut valuraudat ovat harmaata valurautaa paremmin hitsattavissa pallomaisten grafiittisulkeumien ansiosta. (TTY ) 3.2 Kiderakenteen muodostuminen Valuraudan kiderakenne koostu grafiitista ja matriisista. Tyypillisesti valurauta sisältää noin 3 massaprosenttia grafiittia, joka on noin 9 % valuraudan tilavuudesta. Enin osa hiilestä on yleensä grafiittisulkeumina, mutta merkittävä osa siitä on myös matriisin karbidikiteissä rautaan ja toisinaan myös seosaineisiin yhtyneenä. Grafiittisulkeumien

18 13 muoto, koko ja jakautumismalli vaikuttavat oleellisesti valurautojen ominaisuuksiin, koska grafiitilla on matriisiin verrattuna pieni vetomurtolujuus, pieni sitkeys ja olematon muovattavuus. Valurautojen pääryhmittely perustuukin grafiittisulkeumien muotoon. (TTY ) Grafiittisulkeumien erilaiset muodot johtuvat erilaisista kiteytymisolosuhteista. Ratkaisevia tekijöitä tietyn kiderakenteen muodostumiseen ovat lisäaineiden määrä raudassa, jäähtymisnopeus C:n alueella sekä jäähtymisnopeus välillä C. (TTY ) Kuvio 7 esittää rauta-hiili tasapainopiirrosta. Valukappaleiden jäähtyessä eutektoidisen muutoslämpötilan yläpuolella, kuvan tapauksessa hiilipitoisuuden ollessa noin 4 % ja lämpötilan C, sementiittiä hajoaa austeniitiksi ja grafiitiksi. Lämpötilan pudotessa eutektoidisen pisteen alapuolelle, C, jäännössula kiteytyy austeniitin, grafiitin ja sementiitin yhdistelmäksi. Tällöin määräytyy grafiittikiteiden muoto, määrä, jakautuminen ja koko. Eutektista pistettä vastaava hiilipitoisuus eli hiiliekvivalentti lasketaan kuvion 8 kaavalla. KUVIO 7. Rauta-hiilitasapainopiirros (Shepherd 2005.) KUVIO 8. Hiiliekvivalentin laskukaava (Componenta Global 2008.)

19 14 Mitä hitaampaa jäähtyminen on sekä mitä enemmän valurauta sisältää hiiltä ja piitä, sitä enemmän hiili muodostaa pehmeää grafiittia tällä lämpötila-alueella. Kun raudan lämpötila putoaa alle 780 C, syntyy perliittiä, joka koostuu ferriitistä ja sementiitistä. Perliitin sementiitti jatkaa hajoamistaan aina 580 C:seen asti, jolloin sen diffuusio estyy, ja myös ferriitin ja perliitin määräsuhde matriisissa on muodostunut. Suuri osa valuraudan grafiitista syntyy kuitenkin vasta kiinteässä tilassa tapahtuvan grafitoitumisen yhteydessä, jolloin hiiliatomeja erkanee sementiitistä ja siirtyy jo syntyneiden grafiittisulkeumien pintaan kasvattaen niiden kokoa. Kun sula rauta on lopulta jähmettynyt, voidaan grafiittikiteiden muodon perusteella valuraudat ryhmitellä. (TTY ; Nykänen 2005.) Suomugrafiittivalurauta Suomugrafiittivalurauta (GJL) eli harmaavalurauta on koneteollisuuden tärkein rakenneaine. Suomugrafiittivaluraudoissa grafiitti esiintyy vähän käyristyneinä litteinä suomuina (kuvio 9), joista se on saanut nimensä. Nimitys harmaarauta johtuu murtopinnan tummanharmaasta sävystä, jonka syynä on murtuman eteneminen grafiittisuomuja pitkin. Harmaat valuraudat sisältävät keskimäärin 3,4 % hiiltä ja noin 2,2 % piitä. Lisäaineilla ja säätämällä C- ja Si-pitoisuuksia saadaan metallille halutut ominaisuudet. Vähentämällä Si-pitoisuutta tai molempia saadaan rauta lujemmaksi ja kovemmaksi. (Östberg 1967, 189; TTY ) KUVIO 9. Suomugrafiittivaluraudan mikrorakenne (TTY )

20 15 Seostuksen ja jäähtymisnopeuden mukaan harmaavalurautojen matriisi voi ilmetä seuraavanlaisina rakenteina: ferriittinen ferriitti + perliitti perliittti + eutektinen sementiitti Matriisin rakenteen mukaan valurautojen ominaisuudet vaihtelevat suuresti, kovuudet jopa noin HB ja vetomurtolujuudet N/mm². (Nykänen 2004.) Suomugrafiittivalurautojen suosio perustuu halpaan hintaan, hyvään valettavuuteen ja työstettävyyteen sekä useimmissa tapauksissa riittävään lujuuteen. Haittoina on mainittava valuraudan hauraus sekä seinämäherkkyys, joiden johdosta se voi ohuissa seinämissä jähmettyä valkoisena ja aiheuttaa työstövaikeuksia. Suomugrafiittivalurautojen tärkeimpiä sovelluskohteita ovat esimerkiksi koneiden ja työstökoneiden rungot, jarruosat, turbiinipesät sekä autojen ja traktoreiden moottorit, koska sen värähtelyn vaimennuskyky on erinomainen. Harmaavaluraudan muodon ja mittojen pysyvyys on myös hyvä, joten sähköliesien keittolevyt, paistinpannut, padat ja takkojen luukut ja arinat valmistetaan tyypillisesti siitä. Lisäksi harmaarautaa käytetään useissa muissakin sovelluskohteissa, kuten valukokilleissa, vaihdekoteloissa, laakeripesissä, viemärikaivoissa ja viemäriputkissa. (Östberg 1967, 189; TTY ; Tampereen kaupunki 2002.) Pallografiittivalurauta Pallografiittivaluraudoissa (GJS) grafiitti esiintyy erillisinä pallomaisina sulkeumina, kuten kuviossa 10. Grafiitti saadaan palloutumaan lisäämällä sulaan rautaa noin 0,04 % magnesiumia ennen ymppäyskäsittelyä ja myös ceriumia voidaan käyttää. Jotkut romuraudoissa olevat lisäaineet, kuten rikki, titaani ja alumiini ovat grafiitin palloutumista estäviä aineita, joten pallografiittirautojen sulatus- valmistus- ja analyysiprosessit vaativat tarkemman valvonnan kuin suomugrafiittivalurautojen. (TTY ; Tampereen kaupunki 2002.)

21 16 KUVIO 10. Pallografiittiraudan mikrorakenne (Tampereen kaupunki 2002.) Pallomaiset grafiittisulkeumat eivät heikennä mekaanisia lujuusominaisuuksia läheskään niin paljon kuin harmaavaluraudan suomumaiset sulkeumat, ja näin ollen pallografiittivalurautojen lujuus- ja sitkeysominaisuudet ovat perusrakenneterästen tasolla; tavallisimmat vetomurtolujuudet ovat N/mm². Vetomurtolujuus saadaan nostettua jopa arvoon 1000 N/mm² asti, mutta siihen ei päästä muuten kuin lämpökäsittelyllä. Pallografiittivalurautojen lämpökäsittely on kuitenkin tavallinen prosessi valimoteollisuudessa haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Raudan matriisi voidaan käsitellä lämpökäsittelyllä monin eri tavoin: ferritointi ja perlitointi (raudan normalisointi) jännityksenpoistohehkutus karkaisu ja pintakarkaisu nuorrutus. (TTY ; Tampereen kaupunki 2002;) Pallografiittiraudan valettavuus on hiukan suomugrafiittivalurautaa heikompi, mutta se ei ole yhtä seinämäherkkä. Sen koneistettavuus on selvästi parempi kuin teräksien, jopa harmaavaluraudan luokkaa. Hitsattavuus ei ole kovinkaan hyvä, joskin hieman parempi kuin suomugrafiittivaluraudoilla, mikä johtuu sen sitkeämmästä matriisin rakenteesta, joka vähentää hitsauksen repeilytaipumusta. Suomugrafiittivalurautaan verrattuna myös sen vetolujuus, sitkeys, iskunkestävyys, väsymislujuus sekä syöpymis- ja kuumuudenkestävyys ovat parempia. Näiden ominaisuuksien vuoksi suomugrafiittivalurautojen käytetään valukappaleissa, joissa vaaditaan hyvän lujuuden ohella sitkeyttä ja väsymislujuutta. Tyypillisinä kohteina ovat turvallisuusosat, kuten jarruvivut, moottoreiden kiertokanget,

22 17 hammaspyörät ja laakerikaulat. (TTY ; Tampereen kaupunki 2002; Östberg 1967, 192.) Valkoinen valurauta Valkoisessa valuraudassa (GJN) kaikki hiili on sitoutuneena sementiitin karbideihin eikä sen rakenteessa esiinny lainkaan grafiittia (kuvio 11). Siksi se on todella haurasta, ja se on käyttökelpoista sellaisenaan ainoastaan kappaleissa, joissa vaaditaan erittäin hyvää kulumiskestävyyttä; sen sisältämät karbidipartikkelit kestävät kulutusta paremmin kuin pehmeä grafiitti. Yleensä kuitenkaan valkoista valurautaa ei käytetä sellaisenaan, vaan sen parhaat kulumiskestävyys- ja sitkeysominaisuudet saadaan aikaan runsaalla seostuksella, esimerkiksi lisäämällä rautaan kromia, nikkeliä tai molybdeeniä. Tärkeimmät käyttökohteet valkoisella valuraudalle ovat suurta kulumiskestävyyttä vaativat koneen osat, kuten malmin jauhatukseen käytettävät jauhinkuulat sekä sinkopuhdistuskoneiden kulutusosat. (TTY ; Nykänen 2004.) KUVIO 11. Valkoisen valuraudan mikrorakenne (Nykänen 2004.) Adusoitu valurauta Adusoitu eli tempervalurauta (GJM) valmistetaan lämpökäsittelyn kautta valkoisesta valuraudasta. Adusoinnissa kappaletta pidetään noin C:n lämpötilassa hapettavassa väliaineessa useiden tuntien ajan (12 30 h). Tällöin hiiliatomit hajoavat ja

23 18 muodostavat temperhiiltä (kuvio 12). Raudan rakenne on tässä vaiheessa austeniittiä ja temperhiiltä, ja tämän jälkeen aloitetaan jäähdytysprosessi, jolla säädetään matriisin lopullinen rakenne ja valuraudan ominaisuudet. Jäähdytysnopeuden ja -tavan mukaan tempervaluraudan rakenne voi olla jokin seuraavista ferriittinen perliittinen mustaydinvalurauta, jossa grafiittikiteet esiintyvä kerämäisinä sulkeumina valkoydinvalurauta, josta lämpökäsittelyssä poistuu hiiltä ja joka näin ollen on adusoinnin jälkeen helposti hitsattavissa. (Nykänen 2004.) KUVIO 12. Adusoidun valuraudan mikrorakenne (Nykänen 2004.) Adusoitujen rautojen ominaisuudet ja siten myös käyttöalueet ovat pienissä kappaleissa melko samanlaiset kuin pallografiittivalurautojen. Sen vuoksi tempervalurautojen käyttö on korvautumassa pallografiittivaluraudoilla, koska lämpökäsittelykustannukset ovat suuret. Niitä kuitenkin käytetään vielä kulkuväline- ja sähköteollisuuden suursarjatuotteissa, joissa tarvitaan hyvää työstettävyyttä, sitkeyttä, vaimennuskykyä ja pallografiittirautojen mekaanisia ominaisuuksia. (TTY ; Tampereen kaupunki 2002; Nykänen 2004.)

24 19 KUVIO 13. Valurautojen ominaisuudet (TTY ) 3.3 Valuraudat Disa kaavauslinjalla Componenta Pietarsaaren valimon sulatusprosessit suoritetaan 4,3 megawatin keskitaajuus (JUNKER-uuni)- ja kahdella 1,8 megawatin verkkotaajuusuunilla (BBC-uunit), joista sularauta siirretään odottamaan käyttöä sulatuksen jälkeen kuumanapitouuneihin (LPuunit). Disa kaavauslinjalla valetaan kahta perusrautalajia, suomugrafiittivalurautaa ja pallografiittivalurautaa, joiden materiaalin hallinta perustuu kovuuteen standardien SFS- EN 1563 ja SFS-EN 1561 mukaisesti. (Componenta Global 2008.) Suomugrafiittivalurautaa valmistetaan kolmea eri Meehanite-prosessia, GD, GE ja GF. Kaikilla rautatyypeillä on omat sulatusohjeet, joista selviävät prosessien analyysit ja rajaarvot, sulatettavan panoksen koostumus, raaka-aineiden määrät, lisäaineet sekä lämpötilat. Kovuuden ja lujuuden suunnittelu GJL-raudoilla perustuu hiili- ja piipitoisuuksien hallintaan. Materiaalin hallinta suoritetaan valueräkohtaisella analyysiseurannalla ja sen perusteella tehdään korjaukset valun aikana. Lopullinen tarkistus tehdään valmiista

25 20 valukappaleista kovuuden tarkistuksella ja lujuuden mukaan luokiteltujen suomugrafiittivalurautojen murtolujuuden määrityksellä valetuista koevetosauvoista. (Componenta Global 2008.) Hiili- ja piipitoisuuksien tavoitearvot valun aikana eri Meehanite-prosesseille sekä luokittelu lujuuden ja kovuuden mukaan löytyvät liitteestä 2. Pallografiittivaluraudasta valettuja tuotteita käytetään kohteissa, joissa lujuudelle on asetettu kovat vaatimukset. On aina varmistettava sataprosenttisesti, ettei yhtään tuotetta, jonka palloutuminen on alle 85 %, pääsisi asiakkaalle. Valvonta ja varmistus on tehtävä jo kaavauksen aikana, koska materiaalin esitarkastuksessa pistokokein tehtävällä kovuusmittauksella ei saada täydellistä varmuutta tuotteiden laadusta. Kovuuden suunnittelu pallografiittivaluraudalla suoritetaan kuparilisäyksen avulla. Kuparilisäyksen suorittaa sulankuljettaja valueräkohtaisesti mallitietoihin perustuvalla kuparilisäyksellä, jonka maustekoneen CE-ohjelmisto laskee huomioiden LP-uunissa olevan kuparimäärän perusteella. Rautakuski myös vastaa aina Foundrysil-ymppäysaineen lisäyksestä sekä pallografiittivaluraudan magnesiumilla tehtävän palloutumiskäsittelyn suorittamisesta. Analysoija tarkistaa jokaisen käsittelyerän kuparipitoisuuden ja vertaa sitä ohjeistettuun arvoon. Hän myös tarkistaa muiden lisäaineiden määrät sekä palloutumiskäsittelyn onnistumisen senkkakohtaisesti. Kappaleiden kovuuden tarkistus suoritetaan pistokokein ja niiden perusteella tehdään mahdolliset lämpökäsittelytoimenpiteet. Lujuuden tarkistus suoritetaan lujuusluokiteltujen pallografiittivalurautojen murtolujuuden ja murtovenymän määrityksellä koevetosauvoista. (Componenta Global 2008.) Pallografiittivalurautojen materiaalivaatimukset löytyvät liitteestä Valurautojen valuvirheet Valukomponenteissa esiintyvät valuvirheet muodostavat aina valimolle suuren kustannustekijän. Tuotannon alkuvaiheessa virheiden merkitys voi olla vähäisempi, mutta kappaleiden hylkääminen monimutkaisten koneistusvaiheiden jälkeen aiheuttaa rahallisen tappion lisäksi toimitusaikamyöhästymiä ja sitä kautta asiakkaan luottamuksen vähenemisen valukappaleiden toimittajaan. (Valimoiden toimialaryhmä 1985.) Koska valuvirheiden kirjo on laaja, on tässä keskitytty ainoastaan opinnäytetyön aiheeseen liittyen valulämpötilasta johtuvien valuvirheiden esittämiseen, jotka voitaisiin estää valulämpötilan systemaattisella valvonnalla.

26 21 Paljastuneisiin valuvirheisiin assosioituu useimmiten yksi ensisijainen syy, joka varsinaisesti on aiheuttanut ilmenneen virheen. Käytännössä kuitenkin saattavat monet eri perussyyt aiheuttaa samoja vikoja yksistään tai virheiden syntyminen voi olla monen eri tekijän summa. Valulämpötilasta aiheutuvat valuviat voidaan kuitenkin jakaa kahteen kategoriaan: valaminen liian kylmällä tai valaminen liian kuumalla metallilla. Lämpötilojen raja-arvot ovat valimo- ja mallikohtaisia, mutta alarajana voidaan kuitenkin pitää valurautoja valettaessa 1340 C o :n lämpötilaa. Kylmemmällä raudalla valettaessa raudan palloutumaa parantava ja kovia karbidikiteitä vähentävä ymppäysaine ei sula 100-prosenttisesti raudan sekaan. Componenta Pietarsaaren valimon yleisrajat ovat määritelty taulukossa 1. TAULUKKO 1. Valulämpötilan yleisrajat Componenta Pietarsaaren valimossa. (Componenta Global 2008) Laatu Tavoite [C ] Valvontarajat [C ] Suomugrafiittivalurauta, GJL Pallografiittivalurauta, GJS Yleisrajojen lisäksi voi kuormituslistan työkorteissa olla mainittu tuotteille, joilla on erityisvaatimuksia, mallikohtainen valulämpötilan ylä- tai alaraja. Suomugrafiitti- ja pallografiittiraudan valulämpötilasta johtuvat tyypillisimmät valuvirheet eroavat hieman toisistaan. GJL-raudan kiderakenteen koostumus on erilainen verrattuna pallografiittirautaan, joten sillä on parempi juoksevuus kuin GJS-raudalla, ja lisäksi rautojen jäähtymiskutistuminen tapahtuu hieman eri tavalla. Samoja virheitä esiintyy kuitenkin molemmilla rautalaaduilla, mutta konkreettisimpana erona voidaan pitää seuraavaa sääntöä: suomugrafiittivaluradalla tyypillisimmät valuvirheet syntyvät valettaessa liian kuumalla metallilla ja pallografiittiraudalla liian kylmällä. Taulukossa 2 on esitetty valuraudoilla lämpötilasta johtuvia valuvirheitä.

27 22 TAULUKKO 2. Valulämpötilasta aiheutuvia valuvirheitä. (Valimoiden toimialaryhmä 1985) Virhe Virheen kuvaus Ensisijainen syy Vajaavalu Metallin vuotaminen Valukappaleesta puuttuu muotista on aiheuttanut Korkea valulämpötila tai ainetta, purseita saattaa muotin vajaan täyttymisen epänormaali metallin esiintyä juoksevuus Kylmäjuoksu Jakopintapurse Hiekkahuuhtoutuma Vaahtografiittikuopat (GJLrauta) Paloreikä Imuvirheet: imupainuma, avoimu, imuontelo, mikroimu Pintarakkula Kuonasulkeuma Kylmäsauma Hitsautumisvirhe Imuhalkeama Kuumahalkeama joh- Lämpötilasta tuva perussyy Valukappaleesta ainetta Purseita valukappaleen jakotasossa Rosoinen kohouma valukappaleen pinnalla Valukappaleen vaahtografiitin kuoppia puuttuu Metalli on jähmettynyt Valu suoritettu liian kylmällä ennen muotin täyttymistä metallilla Metallia tunkeutunut Normaalia muotin osien väliin valulämpötila korkeampi Juoksevan metallin pois Valu suoritettu ylikuumalla huuhtelema hiekka metallilla Raudasta on erottunut pinnassa kuohugrafiittia, joka on Liian matala valulämpötila, jolloin vaahtografiittia täyttämiä noussut kappaleen pintaan erkanee valualtaaseen Kappaleen pinnassa esiintyy Metallin paikallinen palaminen kraaterinomaisia kuoppia valukappaleen kuona-aineiden täyttäminä pinnalle Korkea valulämpötila Valu liian kuumalla metallilla ilman valukappaleen syöttöä tai valu liian kylmällä Erilaisia ja erikokoisia paikallisia raudalla tapauk- painaumia ja onteloita Kaikki imuvirheet johtuvat sissa, joissa metallin valukappaleen pinnalla ja periaatteessa syöttömetallin edellytetään olevan kuu- sisällä puutteesta maa Kaasutyyny on estänyt Metallin lämpötila on niin Pyöristynyt pieni reikä valukappaleen metallia täysin täyttä- alhainen, että siihen tunmassa, pinnan tuntumästä muottionteloa tai keutunut kaasu jää sulke- mutta voi esiintyä kaasu on kulkeutunut uksiin jäykkäjuoksuista myös muissa kohdin sulaan pintakerrosta vastaan Valukappaleessa pinnallisia Kuonaa on tullut metallin tai syvemmällä olevia kuonahiukkasia mukana tai muodostunut Alhainen sulatus- tai va- valun aikana lulämpötila Metalli on ollut liian kylmää Repeämäntapainen, tai hapettunut su- pyöristetyillä reunoilla varustettu lautuakseen täydellisesti katkos yhteen Matala valulämpötila Kiinnivalettava keernatuki, Vieraan kappaleen ja jäähdytys- tai muu vieras valun yhteen hitsautuminen on ollut epätäydelli- Valu suoritettu liian kyl- kappale ei ole kiinteästi sulautunut valukappaleeseen nen mällä metallilla Jännityksen suhteessa aineen murtolujuuteen ovat olleet liian suuret Imuun liittyvä halkeama valukappaleessmässä imuvirheen heikentä- valussa Liian korkea valulämpötila Kutistumisjännitykset ovat Valussa esiintyy halkeamia, korkeassa lämpötilassa Korkea valulämpötila, joiden murtopinta on hapettunut. muodostuneet liian suu- mikä johtaa erikoisesti Murtuma etenee kiteiden riksi suhteessa valume- painotettuihin lämpökes- välistä, ei niiden halki tallin murtolujuuteen kittymiin

28 23 On tärkeää huomata, että taulukossa ensisijaiseksi luokiteltu syy ei läheskään aina aiheudu väärästä valulämpötilasta vaan virheen syntymisen aiheuttaa usein jokin muu tekijä kuin metallin lämpötila, mutta on myös huomattava, että joissakin tapauksissa väärä valulämpötila on ainoa mahdollinen syy virheen aiheuttajaksi. Jotta valuvirhe voidaan erottaa muista virheistä lämpötilasta johtuvaksi, on lämpötilamittaukset oltava tehtynä ja niistä saatavat tiedot tallessa. Seuraavassa luvussa perehdytäänkin lämpötilan mittaamiseen ja teollisuuden lämmönmittausmenetelmien vaihtoehtoihin.

29 24 4 LÄMPÖTILAN MITTAUS 4.1 Lämpötilan mittaaminen Lämpötilan mittaaminen on yksi tärkeimmistä mittaussuureista, sillä luonnon ilmiöt ovat tavalla tai toisella lämpötilasta riippuvaisia. Lukemattomilla teollisuuden aloilla lämpötilan luotettava tunteminen on tärkeää, koska miltei kaikkien kemiallisten ja fysikaalisten prosessien kulku riippuu lämpötilasta. (Frondelius 2005a.) Kappaleen tai aineen lämpötilan mittaus perustuu aina kosketusmittaukseen tai koskemattomaan mittaukseen. Kosketuslämpömittareissa tunto-osa on aina tutkittavassa aineessa tai koskettaa sitä. Mittarien toiminta voi perustua ainemäärän tilavuuden, paineen, nesteen höyrynpaineen tai kappaleen pituuden muutoksiin. Myös monet sähköisten suureiden muuttumiseen perustuvat mittarit ovat kosketuslämpömittareita, kuten vastuslämpömittarit ja termoelementit. Kosketukseton lämpötilan mittaus perustuu kappaleen lähettämän säteilyenergian mittaamiseen. Nimensä mukaan mittauselin ei missään vaiheessa kosketa mitattavaa kohdetta vaan on kaukana siitä. Näitä laitteita kutsutaan yleisesti pyrometreiksi. (Lähteenmäki 1981, 11.) 4.2 Lämpötila-asteikot Lämpötila-asteikkoja on kolmea eri päätyyppiä: Celsius, Kelvin ja Fahrenheit. Asteikkojen yhteydet ovat esitettyinä kuviossa 14 ja 15. Celsius asteikon kiintopisteet ovat jään sulamispiste 0 C ja veden kiehumispiste 100 C normaalipaineessa 1,0132 x 10 5 Pascalia. Celsius-asteikko on huomioitu myös SI-järjestelmässä; Celsius-lämpötila on määritelty järjestelmän johdannaissuureeksi ja celsiusaste johdannaisyksiköksi. (Frondelius 2005a.) Termodynaamisen lämpötila-asteikon eli Kelvin-asteikon nollakohtana on ns. absoluuttinen nollapiste 273,15 C, jonka lisäksi on kiintopisteeksi valittu veden kolmoispiste, jossa jää, vesi ja höyry esiintyvät samanaikaisesti tasapainossa. Kyseiseksi lämpötilaksi on määritelty 273,16 K, jolloin asteikon jaotus yhtyy Celsius-asteikon jaotukseen. Näin mää-

30 25 ritellyn absoluuttisen Kelvin-asteikon jako-osa on SI-järjestelmän mukainen lämpötilan perusyksikkö K eli Kelvin. (Frondelius 2005a.) Fahrenheit-asteikko on yleisessä käytössä anglosaksisissa maissa, tosin näissäkin ollaan siirtymässä SI-järjestelmään. Fahrenheit merkitsi veden jäätymispistettä 32 asteella ja terveen ihmisruumiin lämpötilaa 96 asteella. Nollaksi asteeksi Fahrenheit määritteli jää-vesiammoniakkisuolaseoksen lämpötilan. (Frondelius 2005a; Lähteenmäki 1981, 3.) Veden kiehumispiste 373, Veden jäätymispiste 273, Absoluuttinen nollapiste 0 273, K C F KUVIO 14. Lämpötila-asteikkojen vertailukaavio (mukaillen Lähteenmäki 1981, 5.) C = 5/9( F - 32) F = 9/5 C + 32 K = C + 273,15 KUVIO 15. Celsius-, Fahrenheit- ja Kelvin-asteikon välillä vallitsevat yhteydet ( Frondelius 2005a.)

31 Mekaaniset lämpömittarit Mekaaniset lämpömittarit ovat kosketusmittaukseen perustuvia mittareita. Niitä käytetään teollisuudessa ainoastaan paikalliseen lämmönmittaukseen. Ne eivät muodosta sähköistä signaalia, joten niitä ei voida yhdistää mihinkään valvontalaitteeseen. Lämpömittareiden tarkkuus ei myöskään ole verrattavissa sähköisten antureiden antamaan tarkkuuteen, mutta joissakin sovelluksissa niiden käyttö on kuitenkin kannattavaa. (Frondelius 2005a.) Bimetallilämpömittari Bimetallimittarissa, kuvio 16, on kaksi eri lämpötilakertoimella olevaa metalliliuskaa valssattu yhteen ja taivutettu spiraaliksi tai kierteeksi. Lämpötilan muuttuessa suuremman lämpötilakertoimen omaava liuska pyrkii laajenemaan tai supistumaan toista liuskaa enemmän, mistä seuraa liuskaparin kiertyminen. Liuskaparin toinen pää on kiinnitetty mittarin runkoon ja toiseen päähän on kiinnitettynä osoitin. Lämpötilan muuttuessa liuskaparin kiertyminen aiheuttaa lämpötilaan verrannollisen osoittimen liikkeen, joka kertoo lämpötilan. Mittareita löytyy kotitalouksissa esimerkiksi paisto- ja kiuasmittareina. Teollisuudessa bimetallimittaria käytetään sovelluksissa, joissa ei tarvita suurta tarkkuutta, kuten lämpökytkiminä erilaisissa sähkölaitteissa: lämpötilan noustessa bimetalliliuska käyristyy ja virtapiiri katkeaa määrätyssä lämpötilassa. (Frondelius 2005a.) KUVIO 16. Bimetallilämpömittari (Frondelius 2005a.)

32 Nestepatsaslämpömittari Nestepatsaslämpömittari koostuu nesteellä täytetystä säiliöstä ja tähän yhdistetystä kapillaariputkesta (kuvio 17). Lämpötilan kohotessa neste lämpölaajenee ja nousee kapillaariputkeen, johon on merkitty asteikko. Täyttönesteenä voidaan käyttää elohopeaa (kotona pakkasmittari), alkoholia, tolueenia ja joitakin orgaanisia nesteitä, kuten pentaania. Mittausalue vaihtelee täyttönesteen mukaan C. Teollisuudessa mittarin materiaalin valinta on oleellista, joten mittarit on valmistettu yleensä korkeita lämpötiloja kestävistä lasilaaduista ja suojattu metallikuorella. Näin ollen mittarien lämmönkestävyys on saatu nostettua jopa 500 C:seen. (Frondelius 2005a.) KUVIO 17. Nestepatsaslämpömittari teollisuudessa (Frondelius 2005a.) Kapillaarilämpömittari Kapillaarilämpömittari muodostuu anturisäiliöstä, jossa sijaitsee mittarin välitysaine ja kapillaariputkesta. Sen lisäksi mittarissa on bourdonkaari, joka on liitettynä lämpöosoittimeen. Jos välitysaineena on neste, mittaus perustuu nesteen lämpölaajenemiseen. Jos välitysaineena on kaasu tai höyry, mittaus perustuu kaasun/höyryn paineen muuttumiseen lämpötilan muuttuessa. Kapillaarilämpömittarit ovat yleisesti käytettyjä mittareita kylmä-, ilmastointi- ja lämmityslaitteissa. (Frondelius 2005a.) Kapillaarilämpömittarin rakenne on esitetty kuviossa 18.

33 28 KUVIO 18. Kapillaarilämpömittari (Frondelius 2005a.) 4.4 Sähköinen lämpötilan mittaus Sähköinen lämpötilan mittaus on yksi teollisuusprosessien keskeisimpiä mittaustapoja. Mekaanisten lämpömittareiden antama tarkkuus ei yleensä ole riittävä teollisuuden vaatimuksille, ja niitä voidaan käyttää ainoastaan paikalliseen lämpötilanmittaukseen, joten teollisuudessa lämpötilan mittauksessa antureina käytetään yleensä termoelementtiä tai vastusanturia Termoelementti Termoelementti on yleisesti käytössä oleva Seebeckin ilmiöön perustuva anturityyppi lämpötilan mittaukseen. Sen käytön yleisyys perustuu yksinkertaiseen rakenteeseen, pieneen kokoon, nopeuteen, luotettavuuteen ja halpaan hintaan. Varsinkin 500 C ylittävissä lämpötiloissa termoelementin käyttö on vastusantureita yleisempää. (Lähteenmäki 1981, 55; Weckström 2005, 25.) Termoelementin toiminta perustuu Seebeckin ilmiöön, jossa kahden eri metallin liitoksessa syntyy jännite, joka on riippuvainen lämpötilasta. Elementti muodostuu kahdesta eri metallia olevasta johtimesta, jotka on liitetty suljetuksi virtapiiriksi. (Lähteenmäki 1981, 55)

34 29 Seebeckin ilmiön periaate nähdään kuviosta 19. Kun liitoskohdat ovat lämpötiloissa T1 ja T2, jossa T2 > T1, virtapiirissä ilmenee virta, joka johtuu sähkömotorisesta voimasta ja jonka suuruus on verrannollinen vallitsevaan lämpötilaeroon ja materiaaleihin, joista termopari on tehty. Virta kulkee niin kauan kuin liitokset ovat eri lämpötiloissa. Lankaa A kutsutaan positiiviseksi B:hen nähden, jos virta A:sta B:hen kulkee vertailuliitoksen T1 kautta. Sähkömotorista voimaa, joka aiheuttaa virran liitosten välillä, kutsutaan yleisesti Seebeckin sähkömotoriseksi voimaksi. (Lähteenmäki 1981, 55.) termoliitos termoliitos A + T1 T2 kylmä liitos eli kuuma liitos eli vertailuliitos B - mittausliitos KUVIO 19. Seebeckin ilmiön periaate (Lähteenmäki 1981, 55.) Termoelementit jaotellaan käytettyjen metallien mukaan kahteen pääryhmään: epäjaloihin metalleihin ja niiden seoksiin sekä jalometalleihin ja niiden seoksiin. Yleisimmät tyypit kuitenkin ovat J-tyyppi: lankoina rauta ja konstantaani (Fe-Ko, jossa konstantaani on kuparin ja nikkelin seos eli CuNi), lämpötila-alue C T-tyyppi: lankoina kupari ja konstantaani (Cu-Ko), lämpötila-alue C Tyypit R, S ja B: platina-platinarhodium-termoelementtejä eri seossuhteina, tarkoitettu korkeille lämpötiloille. (Frondelius 2005b.) Termoelementin toimintaperiaate voidaan hyvin kuvailla kuviosta 20. Termoelementin sauvan sisäpuolella olevat kaksi eri materiaalista olevaa johdinta on hitsattu yhteen. Kun sauva upotetaan mitattavaan nesteeseen, syntyy liitinpäähän heikko jännite, jota kutsutaan lämpösähköiseksi ilmiöksi. Häiriöille herkkä jännite muunnetaan lähettimen avulla vir-

35 30 tasignaaliksi, joka johdetaan vastaanottolaitteistoon, jossa signaali muunnetaan virtaviestin verrannolliseksi lämpötila-asteeksi. (Frondelius 2005b.) Virtaviesti 4-20 ma Säädin, C Osoitinkoje, C Piirturi, C Näyttö, C LÄHETIN Liitinpää, liitinalusta Sauva MITATTTAVA AINE/NESTE KUVIO 20. Termoelementin toimintakuva (Frondelius 2005b.) Vastusanturit Mitattaessa lämpötilaa vastuslämpötila-anturin avulla käytetään hyväksi metallin sähkönjohtavuuden riippuvuutta lämpötilasta. Varsinainen lämmön tunteva tunto-osa on ohut metallilanka, ja jos sen resistiivisyys tunnetaan, voidaan lämpötilan mittaus kääntää resistanssin mittaukseksi. Materiaalin mukaan voidaan vastusanturit jakaa kahteen luokkaan: metalleihin ja puolijohteisiin. Metallisia johteita käytettäessä puhutaan yleensä vastuslämpömittareista ja puolijohdeantureita kutsutaan yleisesti termistoreiksi. (Lähteenmäki 1981, 34.)

36 31 Vastuslämpömittareita käytetään nesteiden, kaasujen ja höyryjen lämpötilan mittauksiin lämpötila-alueella C. Tavallisimmin käytetyt anturit on valmistettu platinasta, kuparista tai nikkelistä. Anturimateriaalia valittaessa on otettava huomioon useita vaatimuksia, kuten korkea lämpötilakerroin, suuri resistiivisyys, hyvä toistuvuus, helppo saatavuus ja hyvä kestävyys mekaanisia ja kemiallisia rasituksia vastaan. Yleisimmin käytetty anturityyppi on platinavastusanturi Pt-100, kuvio 21. Platina on erittäin stabiili jalometalli korkeissakin lämpötiloissa, ja sitä on helppo muovata, joten se soveltuu hyvin anturimateriaaliksi. Sillä on myös laaja mittausalue, ja sitä saadaan erittäin puhtaana. Puhtautensa ansiosta platinavastusten ominaiskäyrä muuttuu tasaisesti, joten tarkkuuslämpömittarien anturit valmistetaan yleensä siitä. (Lähteenmäki 1981, 34.) KUVIO 21. Pt-100 vastusanturi (Mittaustekniikka 2007.) Rakenteeltaan anturit ovat 2-, 3-tai 4-johtimisia; rakenne riippuu siitä, minkälaisella kytkennällä lämpötilaa halutaan mitata. Tavallisimmin käytetään Wheatstonen siltakytkentää ja sen muunnelmia. Kuitenkin voidaan yleisesti sanoa, että mitä tarkempaa mittaustulosta halutaan, mitä suuremmat ovat ympäristölämpötilan vaihtelut ja mitä pidemmäksi johdinpituudet kasvavat, sitä suuremmalla syyllä tulisi käyttää 3- tai 4-johdin kytkentää tarkemman tuloksen varmistamiseksi. (Lähteenmäki 1981, 42 45; Weckström ) Pt-100 Pt-100 Pt-100 KUVIO 22. Platinavastusanturin 2-,3- ja 4-johdinkytkennät (Weckström 2005, 45.) Termistorit ovat puolijohteisia keraamisesta materiaalista ja metallien oksideista sintraamalla valmistettuja vastusantureita. Antureiden ominaisuuksiin vaikuttavat käytetty mate-

37 32 riaali sekä termistorin koko ja rakenne. Niitä valmistetaan kahta eri tyyppiä: NTC-termistorit, joiden lämpötilakerroin on negatiivinen, sekä PTC-termistorit, joiden lämpötilakerroin on positiivinen. Suurimmat erot metallisiin lämpövastusantureihin ovat termistorien pieni koko (kuvio 23), suuri lämpötilakerroin (suuri herkkyys) ja korkea resistiivisyys, joten kaksijohdinkytkentä yleensä on riittävä. Toisaalta termistorien käyttöalue on kapea, noin C, niiden lämpötilariippuvuus on epälineaarista, ja lisäksi termistorien käyttöä rajoittaa vaikeus valmistaa identtisiä termistoreja, joten ne on kalibroitava yksitellen ja kalibrointi on uusittava aika ajoin. (Lähteenmäki 1981, ) KUVIO 23. Pieni termistori (Epcos 2008) 4.5 Lämpötilan mittaus DISA kaavauslinjalla Componentan Laatukäsikirjan mukaan valulämpötilan seurannasta ja korjaavista toimenpiteistä DISA kaavauslinjalla vastaa valuri. Vanhan Dr. Georg Maurer -pyrometrin jäätyä pois käytöstä on mittaamisen suorittanut yleensä kuitenkin joku muu kaavausryhmän jäsen. Syynä tähän on ainoastaan ollut se, että nykyään mitattaessa valulämpötilaa termoelementillä mittaus on suoritettu suoraan valualtaasta, ei valusuihkusta niin kuin pyrometrillä. Valurin seuratessa valuprosessia ei aina ole mahdollista nousta valukelkan yläpuolelle mittaamaan lämpötilaa, koska valuautomaatti riippuen valettavasta mallista ei aina toimi niin kuin pitäisi. Valurin on siis suoritettava valu joskus käsin, joten poistuminen valupaikalta ei aina käytännössä ole mahdollista. (Componenta Global 2008) Osittaissäteilypyrometrin ollessa vielä käytössä valurin tehtävänä oli päivittäin verrata pyrometrin lämpötilanäyttämää termoelementin vastaavaan lämpötilaan ja sen mukaan säätää pyrometri oikealle tasolle ja kirjata tulokset. Lisäksi oli aina tarkistettava, että laitteisto oli kohdistettu oikein sekä skannerin suojalasi ja jäähdytysilman kulku olivat kunnossa. Nämä

38 33 toimenpiteet suoritetaan vielä DISA kaavauslinjalla, koska vastaavaa laitteistoa käytetään yhä kyseisellä linjalla (kuvio 24). (Componenta Global 2008.) KUVIO 24. Maurer -pyrometri ja vastaanottolaitteisto DISA kaavauslinjalla DISA kaavauslinjalla lämpötilan mittaus suoritetaan perinteisellä termoelementtimittauksella. Siinä yksi kaavausryhmän jäsenistä kapuaa valualtaan yläpuolelle ja upottaa keraamisella suojavaipalla varustetun termoelementin sulaan rautaan, jolloin näyttöön ilmestyy sen hetken valulämpötila. Laatukäsikirjan ohjeiden mukaan termoelementillä mittaus suoritetaan vain joka kolmannesta valusenkasta/valualtaasta. Mittauksen jälkeen tulos kirjataan analyysinäytteessä olevaan peltiliuskaan, ja analyysimies kirjaa sen tietokantaan samaisen analyysinäytteen yhteyteen. (Componenta Global 2008.) KUVIO 25. Termoelementin keraamisia suojaputkia, suojaputki termoelementtisauvassa ja lämpötilan mittaus valualtaasta termoelementillä Valulämpötilan valvontarajojen ylityksen tai alituksen korjaavat toimenpiteet tehdään ennen valun jatkamista. Lämpötilan ollessa liian korkea odotetaan sulan jäähtymistä tai käytetään jäähdytysrautoja. Metallin ollessa liian kylmää valu keskeytetään ja palautetaan takaisin kuumanapitouuniin. Näin käy harvoin, sillä jos huomataan hidasta mallia kaavatta-

39 34 essa, että rauta joutuu seisomaan liian kauan valualtaassa, jossa se jäähtyy, niin silloin rautakuskin tuomaa sulamäärää pienennetään ja valualtaaseen laitetaan nestekaasupoltin, jolla pystytään hidastamaan lämpötilan laskua. (Componenta Global 2008.) KUVIO 26. Nestekaasupoltin ylläpitämässä raudan valulämpötilaa

40 35 5 OPTINEN LÄMPÖTILAN MITTAUS 5.1 Yleistä Optinen lämpötilan mittaus eli pyrometria on tekniikka, jolla kohteen lämpötilaa mitataan koskettamatta käyttäen hyväksi kohteen pinnasta säteilevää sähkömagneettista säteilyä eli niin sanottua lämpösäteilyä. Pyrometrillä voidaan mitata lämpötiloja, joita mekaaniset lämpömittarit, vastusanturit, termistorit ja termoelementit eivät kestä tai niiden asentaminen on joko mahdotonta tai erittäin hankalaa. Teollisuusprosesseissa on usein myös pakko käyttää optiseen lämpötilan mittaukseen perustuvaa teknologiaa liikkuvien kohteiden, rähähdysvaarallisten ympäristöjen ja nopeasti muuttuvien lämpötilojen vuoksi. (Weckström 2005, 49.) Seuraavassa tarkastellaan säteilylämpömittauksen perustana olevaa teoriaa ja eri mittausprosesseja. 5.2 Teoriaa Kaikki kohteet, joiden lämpötila poikkeaa absoluuttisesta nollapisteestä, lähettävät sähkömagneettista säteilyä, lämpösäteilyä, joka on tulosta atomien liikkeestä. Säteilyn intensiteetti on riippuvainen yksinomaan kappaleen omasta eikä siis lainkaan ympäristön lämpötilasta. Planckin lain mukaan eri aallonpituuksiin jakautuminen tapahtuu kuvion 27 mukaisesti. Kokonaissäteily kasvaa lämpötilan noustessa, ja samalla tapahtuu siirtymistä lyhytaaltoiseen suuntaan. Kun lämpötila yhä nousee, kappale alkaa lähettää myös näkyvää säteilyä, ensin pitkäaaltoisinta punahehkua ja sen jälkeen yhä enemmän lyhytaaltoisia värejä, valkohehkua. (Kortesalo 1996, 3.)

41 36 KUVIO 27. Säteilyenergia eri lämpötiloissa (IMPAC-MIKRON 2008.) Kuten kuviossa 28 lämpösäteilyn kohdatessa jonkin kappaleen osa säteilystä absorboituu, osa heijastuu ja osa läpäisee kappaleen. Kirchhoffin lain mukaan voidaan kirjoittaa: α + ρ + τ = 1 α = absorbtiokerroin ρ = heijastuskerroin τ = läpäisykerroin Mikäli kappale itse lähettää säteilyä, voidaan absorbtiokerroin korvata emissiokertoimella, ε. Tuleva säteily Heijastus Emissio Imeytyminen Läpäisy KUVIO 28. Säteilyn käyttäytyminen (IMPAC-MIKRON 2008.)

42 37 Kappaletta, joka ei heijasta eikä läpäise säteilyä, sanotaan mustasäteilijäksi eli ideaalikappaleeksi. Se pystyy absorboimaan kaiken sille tulevan säteilyn aallonpituudesta riippumatta, eli käänteisesti se pystyy emittoimaan (emissiokerroin ε = 1) kaikkia aallonpituuksia, joten sellaisella kappaleella ei ole läpäisy- eikä heijastuskykyä. Käsitteenä mustalla kappaleella on tärkeä tehtävä lämpösäteilymittauksissa, koska todellisten kappaleiden ominaisuudet määritellään vertaamalla pintoja mustaan kappaleeseen. Mustansäteilijän ominaissäteily noudattaa Planckin säteilylakia, joka polarisoitumattomalle säteilylle on c 1 = 3, W m m c 2 = 1, m K Lineaarisesti polarisoidulle säteilylle C :n tilalle on merkittävä C /2. Mustan kappaleen kokonaissäteilytiheys saadaan Stefan-Boltzmannin laista: I (λ) (T) = σ T 4 missä σ on Stefan-Boltzmannin vakio. c = valonnopeus h = Planckin vakio k =Boltzmannin vakio Todellisten pintojen säteilyominaisuudet eroavat kuitenkin mustan säteilijän ominaisuuksista, joten Stefan-Boltzmannin lakia ei voida käyttää suoraan. Todellisille kappaleille yhtälö on vielä kerrottava kullekin aineelle ominaisella emissiokertoimella. Näin ollen kaava saa muodon I (λ) (T) = ε σ T 4

43 38 Käytännössä pyrometreille suoritetaan emissiokertoimen korjaus mitattavan pinnan emissiivisyyden mukaan. Toimenpidettä varten on olemassa taulukoita, joista löytyy useimpien materiaalien emissiokertoimien arvot. Joissakin tapauksissa täytyy emissiokertoimen arvo selvittää tapauskohtaisesti. Tämä voidaan tehdä vertailemalla pyrometrin näyttämää pintalämpötila-anturiin, termoelementtiin tai muuhun mittalaitteeseen, mustaamalla kohde, emissioteipillä tai mustan aukon mittauksella, jonka syvyys on vähintään 6 kertaa halkaisija. (Kortesalo 1996, IMPAC-MIKRON 2008.) Tyypillisimpiä emissiokertoimien arvoja löytyy liitteestä 4. Voidaan siis todeta, että mustan kappaleen säteilyyn voimakkuus riippuu lämpötilasta ja aallonpituudesta (kuvio 29). Tätä kutsutaan myös mustan säteilyn isotermiksi. KUVIO 29. Mustan kappaleen säteily (Karttunen 2008.) Säteilyvoimakkuudella on siis aina tietty maksiminsa tietyssä lämpötilassa aallonpituudella λ m. Wienin siirtymälain avulla on voitu todeta, että maksimikohta siirtyy lämpötilan laskiessa yhä suurempia aallonpituuksia kohti, ja lämpötilalla ja aallonpituudella on seuraavanlainen riippuvuus: λ m T = 2896,2 µm K Eli jos lämpötila tiedetään, voidaan kaavasta laskea suurin mahdollinen säteilyenergia aallonpituudelle λ m ja päätellä siitä, mikä pyrometrityyppi olisi soveliain kyseisiin lämpötilan mittauksiin.

44 Pyrometrien luokittelu Pyrometrien mittausperiaatteita voidaan tarkastella kuvion 30 avulla. Kuvaajat esittävät säteilyn emissiokykyä aallonpituuden funktiona lämpötilassa T. Kuvaaja 1 täyttää koko spektrin alueen, ja kuvaajat 2 ja 3 täyttävät vain näkyvän valon aallonpituus alueen KUVIO 30. Pyrometrien mittausperiaatteet: (1.) kokonaissäteily-, (2.) osittaissäteily-, ja (3.) suhdepyrometri (Lähteenmäki 1981, 100.) Kuvioista nähdään, kuinka säteilyenergia jakaantuu eri aallonpituusalueille. Kun käyrän ja vaaka-akselin väliin jäävä pinta-ala vastaa kuvan 1 tilannetta, käytetään pyrometrejä, joiden toiminta perustuu kokonaisenergian mittaamiseen. Näitä pyrometrejä kutsutaan kokonaissäteilypyrometreiksi. Toinen kuvista kuvaa intensiteetin mittaamista hyvin kapealla aallonpituusalueella. Näitä osasäteilyn mittaamiseen perustuvia laitteita kutsutaan osittaissäteilypyrometreiksi. Kun taas säteilyä mitataan kahdella toisiaan lähellä olevalla aallonpituudella kuvan 3 tapaan ja niistä muodostetaan lämpötilaan verrannollinen suhde, niin pyrometrit ovat suhdepyrometrejä eli toiselta nimeltään kaksiväripyrometrejä, (Lähteenmäki 1981, ) Kokonaissäteilypyrometri Kokonaissäteilypyrometrit vastaanottavat lämpösäteilyä hyvin laajalla aallonpituusalueella, joka käytännössä rajoittuu alueella µm. Mitattavan aallonpituusalueen laajuuden vuoksi kokonaissäteilypyrometreissä käytetään peilioptiikkaa (kuvio31). Tämä johtuu ainoastaan siitä, että matalia lämpötiloja mitattaessa tulisi optiikan läpäistä vielä yli 30

45 40 µm:n aallonpituista lämpösäteilyä, mikä on käytännössä mahdotonta linssioptiikalla. Tämän takia optiikalle tuleva lämpösäteily keskitetään peileillä vastaanottimena toimivalle säteilynilmaisimelle. Säteilynilmaisimina käytetään yleensä sarjaan kytkettyjä termoelementtejä, jotta detektori eli säteilynilmaisin olisi toiminnaltaan riippumaton aallonpituudesta. Koska termoelementtejä käytetään säteilynilmaisimina, pyrometrin vasteaika on tavallisesti melko hidas, 1 3 sekuntia. Myös laaja mitattava aallonpituusalue aiheuttaa epävarmuutta mittaustuloksiin, koska tällöin laite on entistä alttiimpi erilaisille säteilystä ja mittausolosuhteista johtuville häiriöille. (Lähteenmäki 1981, ; Weckström 2005, 54.) KUVIO 31. Peilioptiikan periaatekaavio (Kortesalo 1996, 11.) Osittaissäteilypyrometri Osittaissäteilypyrometrit toimivat hyvin kapealla aallonpituusalueella 0,6 1.1 µm. Voimakas aallonpituusalueen kavennus on saatu yleensä aikaan vastaanottimena toimivan piivalokennon herkkyyden avulla. Vastaanottimen herkkyyden ansiosta saadaan myös lämpötilaan verrannollinen ulostulojännitteen ominaiskäyrä jyrkäksi, jonka vuoksi pyrometrillä päästään alle 0,1 sekunnin asettumisaikoihin (vasteaika). Nopeutensa ansiosta laitteet

46 41 soveltuvat hyvin liikkuvien kohteiden lämpötilan mittaukseen. Myös emissiokertoimen epävarmuudesta johtuva mittausvirhe on suhteellisen pieni verrattuna kokonaissäteilypyrometreihin.( Weckström 2005, 55.) Suhdesäteilypyrometri Suhdesäteilypyrometrillä, toiselta nimeltään 2-väripyrometrillä, lämpösäteily mitataan kahdella toisiaan lähellä olevalla aallonpituudella kuvio 32 ja niistä muodostetaan suhde, joka on verrannollinen mitattavan kohteen lämpötilaan. Laite siis tavallaan koostuu kahdesta osittaissäteilypyrometristä. Suhdesäteilypyrometreissä lämpösäteily kerätään värikorjatulla objektiivilla optiseen kuituun, jonka jälkeen se sekoitetaan ja johdetaan interferenssisuotimelle. Suodatin heijastaa lyhyempiaaltoisen säteilyn, mutta päästää läpi pitempiaaltoiset säteet. Molemmat säteilyenergiat vastaanotetaan suotimen kummallekin puolelle kytketyillä vastaanottimilla. Vastaanottimina toimivat yleensä piikennot, joissa syntyvä jännite muokataan joko suoraan lämpötilaan verrannolliseksi tasavirraksi tai johdetaan mittalaitetta kehitetylle piirturille. (Lähteenmäki 1981, ; Weckström 2005, 55.) KUVIO väripyrometrin tyypillinen rakenne (IMPAC-MIKRON 2008.) 2-väripyrometrin etuna muihin pyrometrihin verrattuna on sen riippumattomuus mitattavan kohteen emissiokertoimesta, kunhan kerroin pysyy samana molemmilla mitatuilla aallonpituuksilla. Käytännössä kuitenkin kohteen emissiokertoimen arvo ei useinkaan pysy vakiona vaan se muuttuu lämpötilan mukana, mikä usein aiheuttaa virheitä saatuihin tulok-

47 42 siin. Toisena haittana voidaan mainita käytettävistä aallonpituuksista johtuva mittausalue: molemmat käytettävistä aallonpituuksista ovat lähellä 1 mikrometriä, joten mittausalue alkaa vasta asteesta, joten 2-väripyrometri ei sovellu alhaisten lämpötilojen mittaamiseen, mutta toisaalta suhdesäteilypyrometreillä on mahdollista mitata jopa 3000 C:seen saakka. (Lähteenmäki 1981, ; Weckström 2005, 55.) Koska kohteen lämpötilaa mitattaessa edellytetään ainoastaan emissiokyvyn säilymistä vakiona, eivät pyrometrin ja kohteen välillä olevat savukaasut, pöly tai vesihöyry aiheuta ongelmia mittaustulokseen. Laitteilla saadaan mitattua lämpötiloja, vaikka mitattava kohde peittyisikin osittain; joissakin tapauksissa jopa 95-prosenttisesti peittyminen ei aiheuta ongelmaa. Tämän vuoksi 2-väripyrometrejä käytetäänkin yleensä suhteellisen vaikeissa olosuhteissa mitattavien kohteiden lämpömittareina. (Lähteenmäki 1981, ; Weckström 2005, 55.) Pyrometri ISQ 5-LO MB 18 TYPE II Pyrometri ISQ 5-LO, kuvio 33, on Impacin valmistama digitaalinen kosketuksettomaan lämpötilan mittaukseen suunniteltu 2-väripyrometri. Laitteisto on suunniteltu varsinkin haastaviin teollisuuden olosuhteisiin, joissa pöly ja lika ovat osana työympäristöä. Kyseinen suhdepyrometrimalli on sama, jonka ympärille opinnäytetyö rakentui. KUVIO väripyrometri ISQ 5-LO (Impac 2008.)

48 43 Laite mittaa lämpötilaa niin sanotulla suhdeperiaatteella, jossa kahta rinnakkaista, toisiaan lähellä olevaa aallonpituutta hyödynnetään mittaamaan lämpötilaa. Periaatteen etuina verrattuna tavallisiin yksiväripyrometreihin voidaan luetella seuraavat: Mitattavan kohteen emissiivisyys on riippumaton suurellakin lämpötilan vaihteluvälillä. Pyrometrin ja mitattavan kohteen välissä oleva pöly ja muut epäpuhtaudet eivät vaikuta mittaustulokseen. Mitattava kohde voi olla pienempi kuin pyrometrin mittauspiste. Laitteen mahdollisessa suojalasissa oleva lika tai muut roiskeet eivät häiritse mittausta. (Impac 2008.) ISQ 5-LO MB 18 -mittalaite voidaan varustaa jopa kolmenkymmenen metrin pituisella valokaapelilla, joka kestää jopa 250 C:n lämpötilaa ilman jäähdytystä. Valokaapeliin avulla pystytään kuumuutta kestämätön muunnin, jossa sensori ja muu elektroniikka sijaitsevat, siirtämään kauemmas itse mittauspäästä. (Impac 2008.) Componentalle tilattuun laitteistoon valittiin 5 m:n pituinen kaapeli, koska sen pituuden uskotaan riittävän suojaamaan vastaanotin kuumuudelta ja raudan roiskeilta. MB 18 -mallilla voidaan mitata lämpötiloja C:n välillä. Toisella mallilla, MB 25:llä, olisi mahdollista mitata 2500 C:een asti, mutta valuraudan lämpötilaa mitattaessa niin korkeiden lämpötilojen mittaaminen on tarpeetonta, joten valinta laitteistojen välillä oli yksiselitteinen. Optisia mittauspäitä oli valittavissa kahta eri mallia, TYPE I ja II. Mittapäiden tiedot näkyvät kuviosta 34. Mallit eroavat toisistaan kooltaan, etäisyysasettelulta kohteeseen ja optiikan aukon halkaisijalta. (Impac 2008.) Componentalle mittauspäistä valittiin TYPE II, joka 600 mm:n mittausetäisyydellä antaa leveämmän mittapisteen. Sen avulla pystytään säilyttämään mitattava kohde eli sulan raudan valusuihku koko ajan mitattavissa, vaikka valusuihku huojuisikin.

49 44 KUVIO 34. Pyrometrin vaihtoehtoiset mittauspäät (Impac 2008.) Optiikka on helppo kohdistaa kohteeseen kohdistuslaserilla, joka sijaitsee mittauspäässä (kuvio 35). Tavanomaisesta pyöreästä spotista poiketen ISQ 5-LO on varustettu viivamaisella mittauspisteellä, joten valusuihkun heiluessakin mittalaite pystyy jatkuvasti mittaamaan raudan lämpötilaa. Mittalaitteen vasteaika eli mittausvaihteluiden reagointiaika pyrometrillä on ainoastaan 10 ms, joten pienimmätkin lämpötilavaihtelut pystytään huomioimaan hetkessä. Vasteaika ja laitteen muutkin tärkeät säädöt ovat helposti muokattavissa mittalaitteesta, kuten analogisen ulostulon voimakkuus ja emissiivisyyden säätö. (Impac 2008.) Laitteen muut tekniset data-tiedot löytyvät liitteestä 5. KUVIO 35. ISQ 5-LO pyrometrin säätöjä ja kohdistuslaser (Impac 2008.)