Applicatons Of Meganewton Level Force Measurement In Stell Industry and Need Of Traceability
Dr. Sinan FANK, Dr. Bülent AYDEMİR
TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü, Gebze-Kocaeli, Türkiye, sinan.fank@tubitak.gov.tr, bulent.aydemir@tubitak.gov.tr
ÖZET
Endüstride çok yaygın kullanım alanı bulan ve ihtiyaç duyulan kuvvet ölçümleri, özellikle demir çelik endüstrisinde presleme, haddeleme ve ekstrüzyon gibi alanlarda, gerek prosesin kontrolünde ve gerekse kaliteli ve tekrarlanabilir benzer ürünlerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Özellikle demir çelik sektöründe MegaNewton (MN) seviyesinde çok büyük kuvvetlerin ölçümüne gerek duyulur. Ölçümlerde kullanılan kuvvet ölçme cihazlarından doğru ve güvenilir ölçüm sonuçları alabilmek için uluslararası kuvvet standartlarına izlenebilir kalibrasyonlarının yapılmasına ihtiyaç vardır. Bu çalışmada kuvvet ölçümlerinin kullanım alanları, demir çelik endüstrisinde olan ihtiyaç ve MN seviyesindeki kuvvet ölçümleri için izlenebilirlik sağlanması konusunda bilgilere yer verilecektir.
Anahtar kelimeler: Kuvvet dönüştürücü, izlenebilirlik, kuvvet makinesi, kalibrasyon
ABSTRACT
Force measurements finding broad range of applications and needed in industry that they play an important role in rolling, pressing and extrusion process in steel and iron industry used in process control and development of high quality and repeatable products. Especially, MN level force measurements are needed for iron and steel industry. In order to get reliable and accurate measurement results from the force measuring devices, they need calibrations traceable to international force standards. In this study, needs on MN level force measurements in iron and steel industry and subjects on traceable force measurements will be discussed.
Keywords: Force transducer, traceability, force machine, calibration
1- Giriş
Kuvvet ölçümleri, tasarımı yapılan sistemin imalat aşamasından, kalite kontrolüne ve ürün testlerine kadar endüstrinin birçok alanında çok geniş kullanım alanı bulurlar. Bu alanlar uçak, inşaat, makine, gemi, savunma, otomotiv gibi birçok mühendislik çalışmaları, tıp ve medikal uygulamaları kapsayıp gerçekleştirilen tasarımların imal edilmeden önceki prototiplerine uygulanan kuvvetler, ürün geliştirildikten sonra kalite kontrol ve test çalışmalarını ve daha pek çok alandaki uygulamaları kapsamaktadır.
Endüstride yaşanan rekabet ve ilerleyen teknoloji nedeniyle daha kaliteli ve güvenilir ürünleri tüketiciye sunmak ve böylece pazar payını artırmak isteyen üreticiler, malzeme ve ürünlerine çeşitli testler uygularlar. Malzeme testleri, endüstriyel ürünlerde kullanılan malzemelerin uygunluklarının belirlenmesi amacı güder. Böylece uygun olmayan malzeme kullanımından kaçınılmış olur. Malzeme testleriyle özellikleri belirlenen malzemeleri kullanmak, dizayn aşamasından ürün aşamasına kadar olan tüm proseste, ekonomik ve daha güvenilir ürünlerin geliştirilmesini ve imalatını sağlar. Kuvvet ölçümleri ayrıca, kalite kontrol ölçümlerinde, üretim hatlarındaki proses kontrolünde, robot teknolojisinde, uçak, inşaat, makine, gemi, otomotiv gibi birçok mühendislik dalında, emniyet mühendisliği, tıp (ortopedi), askeri alanda, uzay çalışmalarında ve her türlü ağırlık ölçümlerinde çok yaygın olarak kullanılmakta ve bu nedenle hassas ve doğru ölçülmesi büyük önem taşımaktadır. Endüstri, bilim ve teknolojideki gelişmeye paralel olarak yüksek doğruluklu kuvvet ölçme cihazlarının geliştirilmesi sağlanmış ve buna bağlı olarak kuvvet ölçümünün önemi ve kullanımı daha da artmıştır. Bu cihazların kullanılması ile yapılacak çalışmaların kalitesi, cihazların uluslararası standartlara izlenebilir kalibrasyonlarının yapılmasıyla mümkün olabilmektedir.[1]
Günümüzde yüksek kapasiteli kuvvet ölçümlerine olan ihtiyaç her geçen gün artarak devam etmektedir. Özellikle havacılık ve uzay endüstrisi, demiryolu endüstrisi ve demir-çelik endüstrisi 100 MN’a (yaklaşık 100.000 tonf) çıkan mertebelerde kuvvet ölçümüne ihtiyaç duymaktadır [2]. Örneğin uzay araçları itme kuvvetini ölçerek gerekli roket tasarımları için 30 MN seviyesindeki kuvvetler, rüzgar, buhar türbini ve hidroelektrik santrallerinde kullanılan türbinlerin 3 milyar yük çevrimine maruz kalan yatak ve rulmanlarının geliştirilmesi için 5 MN’luk kuvvetlere, demir-çelik endüstrisinde kullanılan dövme, haddeleme, şekillendirme pres ve çekiçlerinin uyguladığı kuvvetlerin ölçülmesi, preslerin kontrolü ve geliştirilmesi için kullanılan kuvvet ölçme cihazlarının kapasiteleri ise 100 MN mertebelerine kadar çıkmaktadır. Ayrıca geliştirilen çelik malzemeler ve ürünlerin mekanik testleri için ise 30 MN’a kadar olan kuvvetlerin ölçülmesi gerekmektedir (Şekil 1) [2-3].
Kuvvet ölçümleri ya mekanik sistem üzerine yapıştırılan ve uzama ölçer (strain gage) adı verilen sensörler yardımıyla dolaylı olarak yada kuvvet ölme cihazları (kuvvet dönüştürücüler, yük hücreleri, kuvvet ölçerler, dinamometreler, kuvvet sensörleri vb.) olarak adlandırılan sistemlerle direkt olarak ölçülmektedir. Kuvvet ölçümleri, ihtiyaç alanına göre Newton (N) seviyesindeki (yaklaşık 981 gram ağırlığındaki kütlenin oluşturduğu etki) kuvvetlerden, 100 MN (100 milyon Newton) seviyesine kadar olan kuvvetlere kadar çıkabilmektedir. Kuvvet ölçüm cihazlarından doğru ve güvenilir ölçüm sonuçları alabilmek için bu cihazların uluslararası kuvvet standartlarına (kuvvet standardı makineleri) izlenebilir kalibrasyonlarının yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, kuvvet ölçümlerinin yapıldığı endüstriyel uygulamalar, demir çelik endüstrisindeki kullanım alanları ve MN seviyesindeki doğru kuvvet ölçümleri için gerekli olan izlenebilirlik konusundaki bilgiler ele alınacaktır.
2. Kuvvet Ölçümü Uygulamaları ve Demir Çelik Endüstrisinde Kullanımı
Kuvvet ölçme sistemleri, makine mühendisliği, havacılık endüstrisi, enerji üretim endüstrisi, inşaat endüstrisi, güvenlik mühendisliği, ürün ve malzemelerin testleri gibi endüstrinin birçok alanında çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle bu alanda kullanım örneklerinin bazıları aşağıda sıralanmıştır [4].
Şekil 1. Kuvvet ölçümlerinin farklı sektörlerde kullanım aralıkları
• Ürünün ilk üretiminde ve sonraki işlemlerin kontrolünde kullanılan malzeme test makineleri ve ürünlere uygulanan testler,
• Havacılık ve otomotiv endüstrisinde tasarımı yapılan parçalara uygulanan testler,
• Gaz türbinler ve jet motorlarının itme kuvvetlerinin belirlenmesi,
• Motorlar, pompalar ve dişli kutuların dönme torklarının belirlenmesi için ölçülen kuvvetlerin belirlenmesi,
• İnşaat ve köprü endüstrisinde malzemelerin ve konstrüksiyon ürünlerin testleri,
• Yangın testleri kapsamında ürünlerin sıcaklık altındaki dayanım testleri,
• Kablo ve fiber döşenmesi sırasında kablo gerginliğini ayarlamak için uygulanan kuvvetler,
• Su altı boru döşenmesinde uygulanan kuvvetler,
• Kâğıt, plastik film ve laminat bobinlerinin gerginliğini sağlayacak kuvvetlerin uygulanması,
• Metal endüstrisinde hadde makinesi kuvvetlerinin belirlenmesi,
• Metal plaka ve sac malzeme presleme kuvvetlerinin optimum ve kontrollü uygulanması,
• Takım tezgâhlarında kesme kuvvetlerinin kontrolü uygulanması ve belirlenmesinde,
• Petrol kuyusu açılması sırasında sondaj boruları yerleştirilmesi sırasındaki sondaj kulesine gelen kuvvetlerin belirlenmesi ve delme kuvvetlerinin kontrollü uygulanması,
• Gemi ve tankerlerin demirleyeceği kanca ve halat kuvvetlerinin belirlenmesinde,
• Deniz içi petrol platformlarındaki kule bacaklarına gelen kuvvetlerin ölçülmesi,
• Kule ve gezer vinç ve asansörlerdeki aşırı yükleme kontrolü,
• Trafikte kamyon tekerleklerinin asfalta uyguladığı kuvvetlerin belirlenmesi,
• Her türlü ağırlık belirlenmesi ve imalat sırasında proses kontrolü,
• Tank ve konveyörlerde dinamik ağırlık kontrolü ve ölçümü,
• Füze itme kuvvetlerinin belirlenmesi,
• Tank ve silah balistik ve geri tepme kuvvetleri belirlenmesi gibi daha birçok alanda kuvvet ölçümlerine ihtiyaç duyulmakta ve kullanılmaktadır.
Kuvvet ölçme cihazları, kontrol ve tartım teknolojisi alanında her geçen gün daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Modern haddehanelerde, merdane kuvvetlerinin kontrolü ve bu sistemlerin optimum olarak işletilebilmeleri için, elektriksel ölçüm yapan (dirençli uzama ölçerli) kuvvet ölçme cihazları monte edilmektedir. Silolarda kullanılan yük hücreleri ile doldurma ve paketleme işlemleri kontrol edebilmektedir. Kimya ve diğer sanayi kollarında kullanılan yük hücreleri vasıtasıyla; zaman, işçilik ve malzeme konusunda dikkate değer tasarruflar sağlanabilmekte ve böylece artan ürün kalitesiyle birlikte daha yüksek kazanç da elde edilebilmektedir. Havacılık ve uzay sanayinin gelişmesinde de kuvvet ölçümlerinde sağlanan gelişmelerin etkisi görülmektedir. Dört motorlu bir Jumbo Jet uçağının toplam 1MN’luk itme kuvvetine ve Satürn V ay roketinin 30MN’luk itme kuvvetine sahip olduğunun deneysel yollarla belirlenebilmesi, bu konudaki gelişmelere verilebilecek örneklerdir. İmalatın çeşitli aşamalarında kullanılan makina ve teçhizatın, her türlü kaldırma ve taşıma makinalarının aşırı yüke karşı korunması iş emniyeti açısından bu konunun yaygınlığını gösterebilecek örnekler olarak sunulabilir [1]. Tüm uygulamaların içinde demir çelik endüstrisindeki kullanım alanını ile ilgili bir kaç örneği aşağıda daha detaylı olarak açıklanacaktır.
Haddeleme kuvvetlerinin ölçülmesi
Metal haddelemesi için merdanelerin uyguladığı kuvvetlerin ölçülmesi hem ürün kalitesi hem de çalışma güvenliği açısından çok önemlidir. Şekil 2.‘de gösterildiği gibi, hadde merdanesi milinin yataklamasını yapan konstrüksiyonun, kuvvet ölçme cihazına (kuvvet sensörü) bağlanması gösterilmektedir.
Burada merdanelerin haddelenecek sıcak veya soğuk haddeleme için uygulanacak kuvvetleri kontrollü bir şekilde uygulaması ürünün kalitesi ve benzer ürünlerin sonradan aynı özelliklerde tekrar sonradan siparişe göre yeniden üretilebilmesine olanak sağlamakta ve firmanın güvenilir ve aynı kalitede ürünler üretmesine olanak sağlamakta ve dolayısıyla rekabet gücünün artmasına sebep olmaktadır.
Şekil 2. Hadde merdanesi miline bağlı kuvvet ölçüm sistemi
Metal sac presleme kuvvetlerinin ölçülmesi
Metal plaka (sac) malzeme preslemesi ve şekil vermesi sırasında presleme kuvvetinin kontrollü bir şekilde uygulanması, optimum kuvvetlerin belirlenmesi, ürün kalitesi, hasarsız üretim ve düşük enerji kullanımı açısından çok önemlidir. Ayrıca kalıp yüzeylerinin aşınmaması (uzun kalıp ömrü) açısından da ölçülebilir ve kontrollü presleme kuvveti gerekmektedir.
Uygulanacak maksimum kuvvetlerin seçilmesi sınırlandırılması ve sürekli kuvvet ölçümü yaparak kontrolü ve tekrarlanabilir imalat yapılması ürün kalitesinin artmasına ve firmanın rekabet gücünün artmasına sebep olmaktadır. Burada kuvvetler 100 MN’a kadar çıkabilmektedir. Benzer uygulama dövme presleri ve çekiçleri içinde geçerli olmaktadır.
Şekil. 3. Şekillendirme presinde kuvvet uygulaması
Sıcak ve Soğuk Dövme kuvvetlerinin ölçülmesi
Demir çelik endüstrisinde özellikle otomotiv endüstrisinin ihtiyacı olan parçaların, belirlenen özellikleri sağlaması ve uzun ömürlü ve mukavemetli olması için uygulanan sıcak ve soğuk dövme işlemleri ve bu amaçla kullanılan dövme preslerinde kuvvetin kontrolü bir şekilde uygulanması istenilen mekanik özelliklerin kazandırılması, aşırı yüklerden kaçınılması ve benzer ürünler için belirlenen aynı kuvvetlerin uygulanması açısından büyük önem arz etmektedir. Dövme işlemlerinde kuvvet değerleri 800 MN (8000 tonf) kadar çıkabilmektedir.
Yukarıda bahsedildiği gibi çok yaygın kullanım alanı bulan ve ihtiyaç duyulan kuvvet ölçümleri, özellikle demir çelik endüstrisinde presleme, haddeleme ve ekstrüzyon gibi alanlarda, gerek prosesin kontrolünde ve gerekse kaliteli ve tekrarlanabilir benzer ürünlerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Özellikle demir çelik sektöründe meganewton (MN) seviyesinde çok büyük kuvvetlerin ölçümüne gerek duyulur. Ölçümlerde kullanılan kuvvet ölçme cihazlarından doğru ve güvenilir ölçüm sonuçları alabilmek için uluslararası kuvvet standartlarına izlenebilir kalibrasyonlarının yapılmasına ihtiyaç vardır.
Şekil. 4. Dövme presinde kuvvet uygulaması
3. Kuvvet Kalibrasyonu ve İzlenebilirlik
Bir kuvvet ölçüm sistemi, kuvvet değişimini algılayan sensör elemanı (kuvvet dönüştürücü), gösterge elemanı ve bağlantı parçalarından oluşur. Genel olarak çalışma yapısı, kuvvet dönüştürücünün uygulanan kuvvet tarafından sıkıştırılması ile dönüştürücünün metal gövdesindeki değişimin sensör tarafından algılanarak gösterge elemanından belirli bir değer olarak okunması biçimindedir.
Şekil 5. Türkiye’deki kuvvet izlenebilirlik zinciri
Kuvvet ölçümleri, farklı prensipler (dirençli uzama ölçerli, piezo elektrik, kapasitif, indüktif, optik, hidrolik vs.) ile çalışan ve kuvvetin oluşturduğu etkiyi farklı bir fiziksel büyüklüğe dönüştürebilen kuvvet dönüştürücü adı verilen cihazlar ile gerçekleştirilir. Bu cihazların ne kadar doğruluk veya belirsizlik ile ölçüm yaptıkları ise uluslararası tanımlanmış birim sistemine göre ülkedeki metroloji enstitüleri tarafından gerçekleştirilir. Ülkemizde kuvvet dönüştürücü cihazların kalibrasyonunu gerçekleştirmek ve uluslararası sisteme entegrasyonunu sağlamakla görevli kuruluş TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü (UME) dir. TÜBİTAK-UME bünyesinde bulunan Kuvvet Laboratuvarı, kuvvet ölçme cihazlarının kalibrasyonun bünyesinde bulundurduğu 0,5 N ile 3 MN (MegaNewton) aralığında bulunan 5 farklı kuvvet standardı makinesi ile uluslararası geçerliliği ve kabulü olan standartlarla (EN ISO 376, ASTM E74) gerçekleştirilmektedir. Bu sayede ülkemizde gerçekleştirilen tüm kuvvet ölçümlerinin ulusal standartlara ve dolayısıyla uluslararası ölçme sistemine izlenebilirliği sağlanmış olmaktadır.
Şekil 6. Kuvvet uygulamaları ölçüm cetveli ve TÜBİTAK UME kuvvet standardı makinaları
4. Sonuç
MN (MegaNewton) seviyesinde kuvvet ölçümü ve uygulamalarının bu kadar yaygın olduğu endüstride, doğru ve güvenilir ölçümün ürün kalitesi, güvenli ve uzun ömürlü ürünler üretilmesi, enerji sarfiyatının azaltılması, düşük maliyetli ve aynı ürünlerin siparişe göre tekrarlı şekilde üretilmelerinin mümkün olması ve uluslararası pazarlarda kabul edilebilir ürünler sunulabilmesi açısından çok önemlidir. Bu nedenle yapılan kuvvet ölçümlerinin metroloji sistemi içinde izlenebilirliklerinin sağlanması gerekmektedir.
Günümüzde metroloji enstitülerinde MN (MegaNewton) seviyesindeki kuvvet standartları genellikle 1 MN aralığına kadar manivela veya hidrolik büyütmeli ölü ağırlıklı kuvvet standardı makineleri ile yapılmaktadır. 3, 10, 20, 30 MN kuvvet değerlerine ise 3 veya 9 adet referans kuvvet dönüştürücünün özel aparatlar ile paralel olarak bağlanmasıyla oluşturulan built-up kuvvet standardı makinesi ile sağlanmaktadır. Fakat daha büyük referans kuvvetlere çıkılması ve mevcut sistemlerin geliştirilmesi için Avrupa Birliği Ülkeleri içinde 2013 yılında başlamış olan ve TÜBİTAK UME’nin de yer aldığı “Meganewton seviyesindeki kuvvetler için izlenebilirlik” (Force traceability within the meganewton range) başlıklı proje başlatılmış olup proje 2016 yılında sonlandırılacaktır. Bu projenin tamamlanmasıyla endüstrinin ihtiyaç duyduğu izlenebilir kuvvet ölçümleri sağlanmış olacak ve ürün kalitesinin ve dünya ticaretinde yer alan MN (MegaNewton) seviyesinde kuvvet gerektiren ürünlerin imalatı ve farklı ülkelerde üretilen parçaların güvenle kullanılması sağlanabilecektir.
Kaynaklar
[1] Aydemir, B., Pelit, E., Fank, S. Genel Kuvvet Metrolojisi Eğitim Dökümanı, G2KV-010, TÜBİTAK UME, 2008
[2] Aydemir, B., Pelit, E., Fank, S. Malzeme Test Makinası Kalibrasyon Eğitim Dokümanı, G2KV-020, TÜBİTAK UME, 2008
[3] Dr. R. Kumme, EMRP Project document “SIB63- Force traceability within the meganewton range, years :2013-2016
[4] Dr. A. Schäfer, Increased Requirements for Higher Nominal Forces, Necessities and Possibilities to Measure Them, Sensor and Test Conference, 2011, 252-256
[5] Guide to the Measurement of Force, The Institute of Measurement and Control, 87 Gower Street London, Published in 1998, revised in 2013 ISBN 090445728 1
[6] Metroloji, TÜBİTAK UME, 2013, ISBN 978-975-403-731-9
[7] www.otomasyondergisi.com.tr
[8] EN ISO 376, Metalic Materials - Calibration of Force-Proving Instruments Used for the Verification of The Uniaxial Testing Machine, 2011
[9] EURAMET-cg-04.01 Uncertainty of Force Measurements, march 2010
[10] ASTM E74, Standard Practice of Calibration of Force-Measuring Instruments for Verifying the Force Indication of Testing Machines, 2013