Study of optimized welded head design for roll applications

Abstract

The manufacturing of paper and cardboard machines consumes a significant amount of steel. The paper drying process covers the largest area of the machine. It also accounts for most of the energy consumption during operation. In the drying section, the paper web is dried using steam-heated drying rolls. From both sustainability and consumption perspectives, it is important to optimize material usage. By reducing material usage, cost savings can be achieved in manufacturing.

This study investigates the possibility of lightening the head structure of the drying rolls. Welded support structures can be used to reduce the weight of the head structure. The work adheres to the European design standard for unfired pressure vessels, SFS-EN 13445-3:2021. Only the most critical load case is considered in the study.

The investigated support structures include ribs and cones. The end plate has been studied as both formed and unformed. The optimal structure in terms of strength and cost is an unformed end plate supported by six ribs. Strength analysis using the finite element method has been carried out for partially penetrated welded ribs. Welds are designed to be performed robotically. Cost analysis revealed that rib supported structure is not cheaper than the original end structure with low material prices. Depending on the case, with increasing material prices cost savings are possible.

Paperi- ja kartonkikoneen valmistus sitoo suuren määrän terästä. Paperin kuivatusosa kattaa suurimman osan koneen alasta. Se kattaa myös suurimman osan käytönaikaisista energiakuluista. Kuivatusosalla paperirataa kuivataan höyryllä lämmitetyillä kuivatusteloilla. On sekä kestävän kehityksen että kulutuksen näkökulmasta tärkeää optimoida materiaalin käyttöä. Materiaalin käyttöä vähentämällä voidaan saavuttaa valmistuksessa kustannussäästöjä.

Työssä tutkitaan mahdollisuutta kuivaustelojen päätyrakenteen keventämiseen. Hitsatuilla tukirakenteilla on mahdollista keventää päätyrakennetta. Työ noudattaa Eurooppalaista lämmittämättömien painelaitteiden suunnittelustandardia SFS-EN 13445-3:2021. Työssä tarkastellaan ainostaan keskeisintä kuormitustapausta.

Tukirakenteina on tutkittu ripoja ja kartioita. Päätylevyä on tutkittu sekä muovattuna että muovaamattomana. Optimaalisin rakenne sekä lujuusominaisuuksiltaan että kustannuksiltaan on 6 rivalla tuettu muovaamaton päätylevy. Lujuusanalyysi elementtimenetelmää hyödyntäen on toteutettu läpihitsaamattomille rivoille. Hitsaukset on suunniteltu tehtäväksi robotisoidusti. Kustannusanalyysista ilmeni, että alhaisilla materiaalihinnoilla rivoitettu pääty ei ole alkuperäistä päätyrakennetta halvempi. Tapauksesta riippuen kasvavilla materiaalihinnoilla kustannusäästöt ovat mahdollisia.