Paperitekniikan laboratorio
Sami Leinonen
PAPERIKONEUU SINN AN VAIKUTUKSET POIKKIPROFIILEIHIN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Jämsänkoskella 30.6.1998.
Työn valvoja: Professori Hannu Paulapuro
Työn ohjaaja: Diplomi-insinööri Liisa Taavitsainen
TEKN'1 I /К’гм
PuL'ry'oSiucicM,. n\
Kirjasto
Työn tekijä, työn nimi
Sami Leinonen
Paperikoneuusinnan vaikutukset poikkiprofiileihin
Päivämäärä: 30.6.1998 Sivumäärä: 84
Osasto, professuuri
Puunjalostustekniikan osasto Puu-21 Paperitekniikka
Työn valvoja Työn ohjaaja
Professori Hannu Paulapuro DI Liisa Taavitsainen
Jämsänkosken PK 3 uusittiin keväällä 1998 perusteellisesti. Paperikoneen viira- ja puristinosa, liimapuristin, prosessin säätö- ja laatujärjestelmä ja suurin osa lyhyttä kiertoa uusittiin täydellisesti. Lisäksi kuivatusosaa modernisoitiin ja paperikoneen sähkökäytöt uusittiin. Paperikoneuusinnan keskeisiä tavoitteita oli tuotanto- potentiaalin kasvattaminen ja poikkiprofiilien parantaminen.
Tässä diplomityössä tutkittiin paperikoneuusinnan vaikutuksia neliömassa-, kuituorientaatio-, dimensiostabiliteetti- ja kosteuspoikkiprofiileihin. Lisäksi selvitettiin paperikoneuusintakaupassa optiona olleen perälaatikon laimennusvesi- järjestelmän tarve PK 3:n poikkiprofiilien parantamiseksi.
Kirjallisuusosa käsittelee kuituorientaation ja dimensiostabiliteetin teorioita sekä niiden hallintamenetelmiä. Lisäksi esitellään PK 3 ennen ja jälkeen uusinnan.
Teoreettisen tarkastelun pohjalta rakennetaan hypoteesi, jonka mukaan paperikoneuusinnan vaikutukset tutkittaviin poikkiprofiileihin ovat positiivisia.
Kirjallisuusosan perusteella todetaan myös, että profiiliongelmien ilmetessä uusinnan jälkeen ei ole järkevää investoida laimennusvesijärjestelmään. Perälaatikon
mahdollisia vikoja ei voi korjata laimennusvesijärjestelmällä.
Kokeellisessa osassa verrattiin ennen uusintaa otettuja referenssinäytteitä ja uusinnan jälkeen otettuja näytteitä. Tutkittavat profiilit paranivat uusinnan myötä, poikkeuksena vain kosteusprofiili huonontui. Kosteusprofiilin huononeminen selittyy uuden paperikoneen erilaisilla ajotavoilla vanhaan verrattuna sekä diplomityön kokeiden aikaisella ajankohdalla startin suhteen.
PK 3:n neliömassaprofiili on uusinnan jälkeen erittäin hyvä. Tapio-analysaattorilla mitatuista näytteistä lasketut tunnusluvut ovat uusinnan vaikutuksesta parantuneet huolimatta paperikoneen uusinnan jälkeen nousseesta nopeudesta.
Kuituorientaation hallintaa tutkittiin erilaisilla kokeilla, joissa muutettiin perälaatikon ja formerin ajoparametreja. Kokeiden tulokset olivat kirjallisuusosassa esitettyjen teorioiden mukaiset ja kuituorientaation hallinta on mahdollista uusitulla paperikoneella.
Kokeellisen osan tulokset osoittavat selvästi, että paperikoneuusinnan vaikutuksesta PK 3:n poikkiprofiilit ovat parantuneet. Tuloksista käy myös selvästi ilmi, että laimennusvesijäijestelmä on toistaiseksi tarpeeton Jämsänkosken PK 3:11a.
Sami Leinonen
The Effects of Papermachine Rebuild on Cross Directional Profiles
Date: 30.6.1998 Number of pages: 84
Department, Professorship
Department of Forest Products Technology Puu-21 Paper Technology
Supervisor Instructor
Professor Hannu Paulapuro Liisa Taavitsainen, M. Sc.
PM 3 at UPM-Kymmene’s Jämsänkoski mill was throughly rebuilt in spring 1998.
The rebuild included a new wire and press section, size press, control and quality system and most of the short circulation. Some parts of the drying section were modernised and power drives were rebuilt.
The object of this thesis was to discover the effects of the papermachine rebuild on cross directional (CD) profiles. Basis weight, fibre orientation, dimensional stability and moisture profiles were measured before and after the rebuild. A dilution system for the present headbox was an optional investment after the rebuild. The dilution system is designed to provide better CD profiles, and in the thesis the aim was to assess whether it would be necessary.
The literature review covers the theories of fibre orientation and dimensional stability and possibilities to control them on the papermachine. The structure of PM 3 is introduced, before and after the rebuild. Based on the theories, a hypothesis was created which stated that the effects of the rebuild on CD profiles would be positive.
According to the theories it was indicated that if there are problems with the CD profiles, installation of the dilution system would not solve them. The dilution system would not be beneficial if the headbox was not efficient.
The experimental part of the work is based on the comparison of the samples taken before the rebuild and from the experimental runs after the rebuild. Excluding moisture profile, all the profiles under concern were shown to have improved. The reduction of the moisture profile quality is due to the changes in the process equipment, and the early timing of the experimental runs after the initial start up.
The basis weight profiles and the statistical values from the Tapio-analyzer have significantly improved after the rebuild.
Trials to control fibre orientation were carried out by changing headbox and former parameters. The results of the experiments followed the theories and agreed with the hypothesis. It is possible to control the fibre orientation with the new papermachine.
The results of the experimental part of the thesis show clearly that the effects of the papermachine rebuild have been succesful on the CD profiles. It has also been proved that the addition of the dilution system to PM 3 is unnecessary at the present.
Tämä diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oyj:n toimeksiannosta Jämsänkosken paperitehtaalla.
Työni ohjaajalle, diplomi-insinööri Liisa Taavitsaiselle haluan esittää parhaimmat kiitokseni saamastani kannustuksesta ja tuesta. Samalla haluan kiittää Liisaa ja työni valvojaa, professori Hannu Paulapuroa asiantuntevista neuvoista ja ideoista.
Tekniikan lisensiaatti Pekka Aho, diplomi-insinööri Antti Teräsvuori ja insinööri Lauri Väisänen ansaitsevat kiitokset vaivannäöstä ja opastuksesta.
Kiitos kuuluu myös Diplomi-insinööri Klaus Jemströmille Kaukaan tutkimuskeskuksesta arvokkaista neuvoista ja ideoista. Tämän lisäksi haluan kiittää kaikki työtäni edesauttaneita henkilöitä UPM-Kymmene Oyj:ssä, KCL:ssä ja Valmetissa.
Kiitän koko tarrapaperiosaston sekä Jämsänkosken tehtaan tutkimuslaboratorion henkilökuntaa heidän avustaan työn kokeellisessa osassa.
Jämsänkoskella 30.06.1998
Sami Leinonen
1 JOHDANTO 1
1.1 JÄMSÄNKOSKEN PK 3...2
1.1 Tutkittavatlajit...j 2 KUITUORIENTAATIO 5 2.1 KUITUORIENTAATIOSUHDE...6
2.2 KUTTUORIENTAATIOKULMA...7
2.3 KUTTUORIENTAATIONMITTAUSMENETELMÄT....8
2.4 KUTTUORIENTAATIOON VAIKUTTA VAT TEKIJÄT....9
2.4.1 Huul¡suihkun ja viiran nopeusero... 9
2.4.2 Suihkuvirtauksen turbulenssi...12
2.4.3 Perälaatikon ominaisuudet... 12
2.4.4 Viiraosan ominaisuudet... 13
2.4.5 Kuitujen ominaisuudet... 14
2.5 KumJORIENTAATION HALUNTÄ P.iPERIKONEELLA...15
2.5.1 Jetprofile-säätöj ärj estelmä... 15
2.5.2 Dantec SensorLine on-line huulisuihkun nopeusmittaus...16
2.5.3 Laimennusperälaatikko... 17
3 DIMENSIOSTABILITEETTI 21 3.1 Kosteudenjalämpötilanvaikutusdimensiostabiuteettiin...22
3.2 KunVORIENT.AATION VAIKUTUS DIMENSIOSTABIUTEETTUN....23
3.3 Puristinosanvaikutindrænsiostabiliteeitiin...25
3.4 Kuivatuksenvaikutusdimensiostabiuteettiin....26
4 PAPERIKONEUUSINTA JA SEN VAIKUTUKSET TUTKITTAVIIN PROFIILEIHIN 29 4.1 Yleistä...29
4.2 VnRAOSA...30
4.2.1 Valmet Sym-Former MB...30
4.2.2 Viiraosan hallinta ia säätöparametrit...31
4.3.1 Kenkäpuristin... 33
4.3.2 Puristinosan vaikutus tutkittaviin profiileihin ja paperikoneen ajettavuuteen...35
4.4 Alkukuwatusosa...36
4.5 FlIMHHMiPURISIlN...36
4.5.1 Valmet SymSizer...37
4.6 Prosessinohjaus- jasäätöjärjesteimä...39
5 KIRJALLISEN OSAN YHTEENVETO 40 KOKEELLINEN OSA 42 6 JOHDANTO 42 7 NELIÖMASSAPROFHLI 43 7.1 TAPIO-ANALYS.4ATTORI...43
7.2 Koepisteetjanäytteidenotonmahdollisetvirhelähteet....44
7.2.1 PK 3 ennen uusintaa...44
7.2.2 PK 3 uusinnan jälkeen...44
7.3 Tulokset....44
8 KUITUORIENTAATIOPROFHLI 48 8.1 MHTÄUSMENETELMÄT....48
8.1.1 Lippke-kuituorientaatiomittari... 48
8.1.2 KCL S URPO Pintaorientaatiomittari...49
8.2 Tulostenmahdollisetvirhelähteet...50
8.3 Referenssinäytteet...52
8.3.1 Ensimmäinen taustapaperiajo... 52
8.3.2 Toinen taustapaperiajo...54
8.3.3 Ensimmäinen pintapaperiajo... 55
8.3.4 Toinen pintapaperiajo...57
8.4.2 Perälaatikon reunavirtauskoe... 61
8.4.3 Perälaatikon ohivirtauskoe... 63
8.4.4 Pintapaperiajon kuituorientaatio... 65
8.5 PAPER1KONEUUSINNAN VAIKUTUS KUTTUORIENTA4TIOSUHTEESEEN...66
9 DIMENSIOSTABILITEETTI...68
9.1 KCL OP TIDM DiMENSiosTMiUTEErmaiTAUs...68
9.2 Tulokset....69
9.2.1 Suihku/viira nopeuserosarja... 70
9.2.2 Reunavirtauskoe... 71
10 KOSTEUSPROFULI 73 11 KOKEELLISEN OSAN YHTEENVETO 76 11.1 LalmennusiœsijârjestelmA...76
11.2 Toimenpide-ehdotukset....77
LÄHDELUETTELO 79
LHTELUETTELO
Tässä työssä tarkastellaan UPM-Kymmenen Jämsänkosken tehtaiden PK 3:n uusinnan vaikutuksia tuotettavan paperilaadun poikkisuuntaisiin profiileihin.
Uusinnassa paperikoneen viiraosa, puristinosa, alkukuivatusosa ja liimapuristin uusittiin. Kirjallisessa osassa esitellään lyhyesti Jämsänkosken PK 3 ja sen valmistamat tuotteet, perehdytään työn kannalta keskeisimpien profiileiden teoriaan ja vertaillaan vanhaa ja uusinnassa koneeseen asennettavaa laitteistoa profiilien hallinnan kannalta. Työssä yritetään rakentaa hypoteesi uusinnan vaikutuksista tutkittaviin profiileihin. Hypoteesin toteutumista tarkastellaan kokeellisessa osassa.
Paperikoneuusinnan kaupassa on optiona laimennusvesijärjestelmä perälaatikkoa varten. Tämän työn kirjallisessa osassa tutustutaan laimennusperälaatikoiden teoriaan ja mietitään laimennusvesijärjestelmän tarpeellisuutta Jämsänkosken PK 3:lle. Kokeellisessa osassa pyritään koetulosten avulla selvittämään laimennusvesijärjestelmän tarve PK 3:lle.
Työn kokeellisessa osassa verrataan ennen uusintaseisokkia otettuja profiilinäytteitä uusinnan jälkeisiin profiileihin. Ennen uusintaa referenssinä on kaksi lajia, sekä tarran pinta- että taustapaperia, joista näytteet on otettu kahdelta ajokerralta. Ajo-olosuhteet pyritään optimoimaan ja näytteistä mitataan molemmilla kerroilla samat profiilit. Uusinnan jälkeisissä kokeissa näytteet otetaan samoilla lajeilla kuin ennen uusintaa, mutta ajo-olosuhteita muutetaan erillisen suunnitelman pohjalta.
Työ rajattiin käsittelemään seuraavia profiileja: neliömassa-, kuituorientaatio-, pintakuituorientaatio-, mittapysyvyys- ja kosteusprofiili. Lisäksi mitattiin huulisuihkun nopeusprofiili.
1.1 Jämsänkosken PK 3
Jämsänkosken PK 3 käynnistyi 1960. Käynnistyessään paperikone oli Euroopan suurin hienopaperikone, koneen trimmileveys on 4,1 - 4,2 m. Ajan kuluessa paperikonetta on uusittu ja tuotevalikoima on vaihtunut hienopaperista tarra- ja etikettipapereihin. Koneen vuosituotanto on noin 65.000 tonnia, josta nykyään pääosa koostuu tarran pinta-ja pohjapapereista.
Paperikone käyttää massana valkaistua koivusulfaattia ja valkaistua mäntysulfaattia suhteessa 70-85 % koivua, 30-15 % mäntyä. Massat jauhetaan erillisesti kahdella sarjaan kytketyllä jauhimella ja lisäksi konemassan jauhamiseen käytetään trimmijauhinta. Täyteaineena on kalsiumkarbonaatti, jota on perälaatikkomassassa lajista riippuen 20-50 %.
PK 3:n perälaatikko on Valmetin hydraulinen Sym-Flo perälaatikko, joka asennettiin koneeseen 1989. Perälaatikon kuivamassaprofiilia säätää Jetmatic- järjestelmä ylähuulen kärki listan hienosäätökarojen avulla. Karoja on 38 kappaletta ja niiden leveys on 123,6 mm. Jetmaticia ohjaa Measurexin mittapalkit. Uusinnassa ei perälaatikkoon tehdä teknisiä muutoksia, tosin koneuusinnan toimittaja on tarjonnut optiona laimennussäädön asentamista nykyiseen perälaatikkoon.
PAPER MACHINE
UNITED PAPER MILLS LTD. JÄMSÄNKOSKI PM 3
Kuva 1. Jämsänkosken PK 3 ennen uusintaa 1997.
Viiraosana on tasoviirayksikkö, jossa on viirarulla. Kuvassa 1. nähdään PK 3:n sivukuva. Viiraosan vedenpoistoelimet ovat perälaatikosta lähtien rintapöytä, foililaatikko, kaksi yksittäisfoilia, foililaatikot, märkäimulaatikot, tasoimulaatikot ja imutela.
Puristinosa on neljänippinen linjapurisiin, joka on uusittu 1986. Raina irroitetaan viiraosalta pick-up telalla, jonka jälkeen rata viedään ensimmäiselle puristimelle kahden huovan välissä. Puristinosalla on neljä puristinta, joissa vesi poistuu seuraavasti:
1. nippi molemmille puolille 2. nippi alapuolelle
3. nippi alapuolelle
4. nippi tasoituspuristin, ei merkittävää vedenpoistoa
Ajettavuuden kannalta oleellisia ovat puristinosan kolme vapaata vetoa, veto toisen nipin kivitelalta kolmannelle huovalle, pitkä vapaa veto kolmannen ja neljännen nipin välillä sekä puristinosan jälkeinen vapaa veto ennen kuivatusosaa.
Alkukuivatusosassa on neljä kuivatusryhmää, joissa kaikissa on kaksiviiravienti.
Ensimmäisessä ja toisessa kuivatusryhmässä voi höyryn määrää ylä- ja alasylintereille säätää erikseen. Alkukuivatusosan lopussa on Measurexin mittapalkki, jossa on traversoiva kosteusanturi.
Liimapuristin on horisontaalinen lammikkoliimapuristin, jossa paperi pintaliimataan tai esipäällystetään pigmenttipastalla. Liimapuristimen jälkeen on kaksi infrakuivainta, joita voidaan käyttää myös profiloivina kuivattimina.
Viides kuivatusryhmä on ns. välikuivatusosa, jossa paperin kosteuspitoisuus säädetään sopivaksi päällystystä varten. Välikuivatusosan jälkeen on toinen Measurexin mittapalkki, jossa mitataan pintaliimatun tai esipäällystetyn paperin neliömassa, tuhka- ja kosteuspitoisuus. Tämän palkin neliömassa/kuivamassa- mittaus profiloi perälaatikkoa Jetmatic ohjelman avulla. Tämä on selvä puute, sillä perälaatikon säätämiseen tulee näin mukaan liimapuristimen esipäällystys.
Pohjapaperin, siis paperin ennen liimapuristinta, todellista kuivamassaprofiilia ei voida mitata sen poikkiprofiilin säätämiseksi.
Päällystysasema on Wärtsilän SurfaceBlade-teräpäällystysasema, joka on asennettu koneeseen 1986. Paperin viirapuoli päällystetään lajikohtaisella päällystyspastalla, jonka jälkeen paperi kulkee infrakuivaimen läpi.
Infrakuivaimen jälkeen on ilmakääntölaite, ja ennen loppukuivatusosaa on vielä kostutuslaite, joka kostuttaa paperin päällystämättömän puolen.
Loppukuivatusosa, eli kuudes kuivatusryhmä, kuivattaa paperin haluttuun loppukosteuteen. Konekalanteri on normaali kovatelainen taipuma- kompensoidulla ylätelalla varustettu nippi, jossa paksuutta voidaan profiloida alatelan lämpötilan vyöhykesäädöllä.
Ennen poperullainta koneessa on Measurexin kolmas mittapalkki, jossa mitataan päällystetyillä lajeilla päällystemäärä ja -profiili, loppukosteus- ja paksuus profiili konekalanteroiduilla lajeilla. Kolmannen mittapalkkin mittaus säätää
myös kuivamassaprofiilia päällystämättömillä lajeilla, joilla toinen mittapalkki ei ole toiminnassa.
Paperikonelinjaan kuuluu lisäksi yksi superkalanteri, kantotelamallinen pituusleikkuri ja uudelleenrullauskone.
1.1 Tutkittavat lajit
Tässä diplomityössä tutkittavien poikkisuuntaisten profiilien näytteet otetaan kahdesta eri lajista. Näytteitä otetaan tarran pintapaperista, 80 g/m2 JÄMSÄ COAT-lajista, ja tarran taustapaperista, 65 g/m2 JÄMSÄ KRAFT-lajista. Lajit eroavat toisistaan merkittävästi, esipäällysteen ja päällysteen reseptit ovat erilaisia. Taustapaperi edustaa neliömassaltaan paperikoneen kevyintä lajia, pintapaperi puolestaan on yleisin laji.
2 Kuituorientaatio
Kuituorientaatio on paperin rakenteen tilastollinen ominaisuus, joka kuvaa paperirainassa olevien kuitujen suuntautumista rainan tasossa. Yleisesti paperin z-suuntainen kuituorientaatio jätetään huomioimatta, koska kuitujen keskimääräinen pituus on paperin paksuutta suurempi. Kuituorientaatiolla ja kuituorientaatioprofiililla on suuri vaikutus paperin anisotropiaan ja paperin lopullisiin ominaisuuksiin.
Kuituorientaatio syntyy paperiin rainanmuodostuksen yhteydessä ja paperikone- prosessin luonteen mukaisesti suurin osa kuiduista asettuu normaalitilanteessa konesuuntaisesti. Kuituorientaatiota tarkastellaan yleensä kahden suureen, kuituorientaatiosuhteen ja kuituorientaatiokulman, avulla. Tarrapaperin valmistuksessa molemmat suureet ovat tärkeät; Kuituorientaatiosuhde olisi minimoitava lujuus- ja mittapysyvyysominaisuuksien takia ja kuituorientaatio- kulmaprofiilin tulisi olla hyvä tarralaminaatin käyristymistaipumuksen takia.
Paperin käyristymisen syitä tutkittaessa on todettu, että paperin poikkisuuntaisen käyristymisen tärkein syy on kuituorientaation toispuoleisuus ja diagonaalikäyristymisen tärkein syy on kuituorientaatiokulman toispuoleisuus.
Kuituorientaation vaihtelu paperin z-suunnassa aiheutuu sekä perälaatikossa suihkuun syntyvästä nopeus- ja orientaatiojakaumasta että turbulenssitason ja sulpun virtausnopeuden kehittymisestä suotautumisen aikana. /1/
Kuituorientaation hallinta paperikoneella on tärkeää, koska se vaikuttaa ratkaisevasti paperin lopullisiin ominaisuuksiin. Kuituorientaatioprofiilin vikoja on mahdotonta korjata paperin jälkikäsittelyssä, joten kuituorientaation hallinta keskittyy perälaatikon ja rainaimen olosuhteiden optimointiin ja koko rainanmuodostuksen stabiilisuuden parantamiseen. Hienopaperin voimakas kuivatuskutistuman vaihtelu johtaa ristiriitaan neliömassan ja kuituorientaatiokulman poikkiprofiilin välillä. Toisen ominaisuuden optimointi, tarrapaperin tapauksessa neliömassaprofiilin, ei silti merkitse toisen ominaisuuden unohtamista. Kuituorientaatioon voi vaikuttaa myös neliömassaprofiilia heikentämättä. /2/
2.1 Kuituorientaatiosuhde
Kuituorientaatiosuhteella tarkoitetaan konesuuntaisesti suuntautuneiden kuitujen lukumäärän suhdetta poikkisuuntaisesti suuntautuneiden kuitujen määrään.
Kuituorientaatiosuhteen kasvaessa konesuuntaisten kuitujen osuus kasvaa.
Kuituorientaatiosuhdetta voi verrata paperin kone- ja poikkisuuntaiseen vetolujuussuhteeseen.
2.2 Kuituorientaatiokulma
Kuituorientaatiokulma kuvaa kuitujen pituusakselin kulmaeroa konesuunnasta.
Suuntajakauman maksimiarvoa, eli kuitujen pääorientaatiosuuntaa, vastaavaa kulmaa kutsutaan orientaatiokulmaksi. Parhaimmillaan orientaatiokulma poikkeaa vain muutaman asteen konesuunnasta, mutta suuremmatkin arvot ±5° -
±10° ovat tavallisia. Orientaatiokulma on herkkä rainanmuodostuksen tasaisuuden ja stabiilisuuden mitta. /3, 4/
Kuvassa 2 nähdään Jämsänkosken PK 3 :lta Lippke-laservalomittarilla mitattu kuituorientaatiokulmaprofiili. Kuvasta nähdään, että tämän näytteen orientaatiokulmaprofiili on varsin hyvä ja myös orientaatiokulmat ovat pieniä, keskiarvo on -1,25°. Kuvassa 3 on toinen samalta paperikoneelta mitattu kuituorientaatiokulmaprofiili. Mittausmenetelmä ja paperilaji ovat samat, mutta profiili ja orientaatiokulmien suuruudet ovat edellisestä näytteestä merkittävästi poikkeavat. Toisenkin näytteen keskiarvo on hyvä, -3,29° ja voidaan todeta, että kuituorientaatiokulmaprofiilin keskiarvolukua ei voi käyttää kuvaamaan kuituorientaatiokulmaprofiilin hyvyyttä.
Fiber- Orientation KAUKAS FO-Rn^le
16.0
-8 . Øø
-16.0
50 . O 150 .
Kuva 2. Jämsänkosken PK 3:n kuituorientaatiokulmaprofiili. Profiilin keskiarvo on-1,25°.
Kuituorientaatiokulma
Kuva 3. PK 3:n kuituorientaatiokulmaprofiili. Profiilin keskiarvo on -3,29°.
2.3 Kuituorientaation mittausmenetelmät
Paperin kuituorientaation mittaamiseksi on kehitetty monia menetelmiä.
Aiemmin on käytetty edellä mainittua vetolujuussuhdetta, mutta tekniikan kehittyessä myös mittausmenetelmät ovat kehittyneet. Vetolujuussuhteen käyttämisessä on myös huomioitava se, että kuivatus]ännityksen vaikutus vetolujuussuhteeseen on yleensä suurempi kuin kuituorientaation. /5/
Kuva-analyysiin perustuvissa menetelmissä mitataan paperista värjättyjen kuitujen orientaatiota. Tämä on tällä hetkellä ainoa kuituorientaatiota suoraan mittaava menetelmä. Ongelmana on se, että kuitujen kiharuuden vuoksi kuidun suunta ei ole yksikäsitteinen ja kuituorientaatiosuhde riippuu siitä kuinka kuidun suunta on määritelty. /3, 6/
Paperin kuituorientaatiota voidaan mitata optisin menetelmin. Tämän työn kokeellisessa osassa on kuituorientaatiota mitattu Lippke-laservalomittarilla, joka mittaa laservalon läpäisyä paperista. Paperin läpäisevä pyöreä laservalospotti leviää elliptiseksi sen kulkiessa paperin läpi. Valon diffuusio paperissa on suurinta kuitusuunnissa ja pienintä kuituja vastaan kohtisuorissa suunnissa.
Kuituorientaation epäsuorista mittausmenetelmistä Lippke-menetelmä mittaa, ainakin periaatteessa, suori mm in itse kuituorientaatiota. /7/
Lippke-menetelmän tekniikkaa on sovellettu myös on-line kuituorientaatiomittareihin. On-line mittauksen avulla on mahdollista säätää kuituorientaatioprofiilia käytettävissä olevilla menetelmillä, esim. perälaatikon ohivirtausta ja reunavirtauksia muuttamalla, ja tällöin säätämisen vaikutus profiileihin saadaan heti selville. /8/
Optisista mittausmenetelmistä KCL:n kehittämä surfo-mittaus on tarkoitettu pintakuituorientaation mittaamiseen. Paperiin suunnataan valospotti, jonka polarisaatiotasoa kääntämällä ja heijastuneen valon intensiteettiä mittaamalla saadaan selville paperin pintakerrosten orientaatiosuhde ja -kulma. /7/
Ultraääneen perustuvia mittausmenetelmiä käytetään myös yleisesti kuituorientaatiomittauksiin. Yleisesti ultraäänimenetelmä antaa suoraan paperin dynaamisen vetojäykkyys- tai kimmomodulijakauman mittaamalla ultraäänen nopeusjakauman paperin tason eri suunnissa. Ultraäänimenetelmä ei kuvaa ainoastaan kuituorientaatiota, vaan laajemmin paperinvalmistusprosessin aikana syntynyttä paperin tilaa. Paperikoneen konesuuntaiset vetoerot vaikuttavat siis ultraäänimenetelmien tuloksiin. /7/
Ultraäänimenetelmiä on sovellettu myös liikkuvan radan on-line mittauksena, mutta toistaiseksi huonoin tuloksin. Paperikoneen värähtelyt ja tärinät ovat estäneet mittausten onnistumisen. Laboratorio-olosuhteissa ultraäänimenetelmä on osoittautunut luotettavaksi ja nopeaksi orientaation mittausmenetelmäksi.
Laitteista voidaan mainita KCL:n Nomura ja L & W:n ISO. /7/
2.4 Kuituorientaatioon vaikuttavat tekijät
2.4.1 Huulisuihkun ja viiran nopeusero
Tärkein kuituorientaatioon vaikuttava tekijä on huulisuihkun ja viiran välinen nopeusero. Voidaan yleisesti todeta, että suihkun ja viiran nopeusero on myös
voimakkuus riippuu vain nopeuseron itseisarvosta. /4/
Suihkun ja viiran nopeuseron ollessa positiivinen puhutaan yläperällä ajamisesta.
Tämä tarkoittaa että viiran nopeus on pienempi kuin perälaatikosta tulevan sulppusuihkun. Negatiivinen nopeusero tarkoittaa puolestaan alaperää, eli päinvastaista tilannetta. Nopeuseron ollessa nolla puhutaan tasaperästä.
Kuituorientaatiosuhteen minimikohta vastaa tehollista tasaperää. Tasaperällä ajettaessa satunnaiset vaihtelut aiheuttavat voimakkaita vaihteluita kuituorientaatiokulmaan eli tasaperätilanne edellyttäisi mahdollisimman stabiilia prosessia. /2, 4/
Kuvassa 4 nähdään ylä- ja alaperän aiheuttama ero kuituorientaatioon. Jos huulisuihkussa on poikkisuuntainen nopeuskomponentti, on kuituorientaatio- kulma yläperällä ajettaessa vastakkaismerkkinen verrattaessa alaperätilanteeseen 16/. Poikittaiset virtaukset korostuvat etenkin tasaperällä ajettaessa ja reuna- alueilla, missä kuituorientaatioprofiilin viat yleensä vaikuttavat eniten.
Yläperä Alaperä
Kuva 4. Kuituorientaatiokulman synty. /7/
Kuvasta 4 nähdään myös miten kuituorientaatiokulma lasketaan:
Ф = arctan(v/Au) (1)
missä Ф on orientaatiokulma, v on poikittaisvirtauskomponentti ja Au on suspensiokerroksen ja viiran välinen nopeusero. /7/
Suotautumisvaiheessa sulppuvirtauksessa olevat poikittaiset nopeuskomponentit voivat syntyä mm. seuraavista syistä: /2/
• perälaatikko on vinossa
• ohivirtaus on liian pieni tai suuri
• painehäviöt perälaatikon reunoilla
• voimakkaat reuna-aallot viiralla
• poikkisuunnassa epätasainen vedenpoisto
• poikkisuunnassa epätasainen huuliaukko
• poikkisuunnassa epätasainen perälaatikon virtausvastus
Valmistettaessa tarrapaperia pyritään kone- ja poikkisuuntainen vetolujuussuhde minimoimaan. Jämsänkosken PK 3:n ajotavoissa tämä merkitsee tasaperän etsimistä vetolujuussuhdetavoitteen takia, jolloin tasaperästä johtuva prosessin epästabiilius on täytynyt hyväksyä.
Koneuusinta muuttaa PK 3:n tilannetta perusteellisesti, mm.
lujuusominaisuuksiin vaikuttavat märkävedot ennen kuivatusosaa vähenevät kolmesta yhteen ja kuivatusosan ja es ¿päällystyksen muutokset voivat pienentää lujuussuhdetta. Uusinta mahdollistaa uusien ajotapojen etsimisen, esimerkiksi tarran taustapaperin tapauksessa myös kuituorientaatioprofiilin optimoiminen voi tulla tarpeelliseksi.
Tasaperän etsiminen formeriuusinnan jälkeen pitäisi tehdä huolellisesti.
Sulppusuihkun virtausnopeus ei ole vakio, joten orientaatiosuhteen minimiarvon sijainti saattaa poiketa oletetusta tasaperätilanteesta. Lisäksi hybridiformerin
ja vaikuttaa orientaatiosuhteen minimiarvon sijaintiin. /4/
2.4.2 Suihkuvirtauksen turbulenssi
Kuitususpension turbulenttisuus vaikuttaa kuitujen orientaatioon. Turbulenttisuus merkitsee satunnaisia paine- ja nopeusheilahteluja virtauskentässä. Kuitujen suotautuminen tapahtuu siten myös näiden heilahtelujen vaikutuksen alaisena.
Tämä johtaa satunnaisuuteen kuitujen orientoitumisessa. Turbulenttisuus parantaa paperin anisotropiaa eli vähentää kuituorientaatiosuhdetta, mutta ei vaikuta merkittävästi keskimääräiseen orientaatiokulmaan. /7/
Suihkuvirtauksen turbulenssi kasvaa, kun perälaatikon virtaus kasvaa.
Jämsänkosken PK 3:11a perälaatikon virtaukset ja paine ennen uusintaa ovat selvästi mitoituksen alapuolella. Uusinnassa kasvavat vedenpoistokapasiteetti ja paperikoneen tuotantopotentiaali johtavat suurempiin perälaatikon virtauksiin ja näin myös kasvavaan turbulenssitasoon. Paperikoneuusinnan voidaan siis olettaa alentavan kuituorientaatiosuhdetta. 19/
2.4.3 Perälaatikon ominaisuudet
Perälaatikon huulikanavassa sulppuvirtaus kiihdytetään lopulliseen nopeuteensa.
Kiihtyvässä virtauksessa kuidut pyrkivät orientoitumaan virtauksen suuntaan eli perälaatikosta ulostulevalla suspensiolla on orientaatiojakauma. Tämän jakauman vaikutus paperin orientaatioon näkyy tasoviirakoneella paperin viirapuolella ajettaessa lähellä tasaperää. Pilot-koneella on saatu tuloksia, joiden mukaan viirapuolen kuituorientaatiosuhde on lähes riippumaton suihku/viira- nopeuserosta. /1, 4, 7/
Kuivamassaprofiilin säädössä perälaatikon huulta profiloidaan. Huulen avaaminen aiheuttaa poikittaissuuntaisia virtauksia kompensoimaan avatun huulikaran mahdollistama suurempi virtauma. Poikittaisvirtauksia aiheuttaa myös “bombeerattu” huulensäätö, jolla pyritään kompensoimaan
/
poikkisuuntaisen kuivumiskutistuman aiheuttama reuna-alueiden neliömassan nousu. Poikittaisvirtausten vaikutus kuituorientaatioon nähdään kuvasta 4. Ill
PK 3:11a olevan Valmetin Sym-Flo perälaatikon turbulenssigeneraattori on rakennettu porrastetusti. Reuna-alueilla tämä tarkoittaa sitä, että reunimmaisten pillien muoto on erilainen muihin nähden ja se aiheuttaa ylimääräisen virtausvastuksen. Myös huulikanavan sivureuna aiheuttaa virtausvastusta reunoihin ja tämä johtaa poikittaisvirtauksiin reunoilta radan keskustaan päin.
Valmet on kehittänyt perälaatikkoon erilliset sivuvirtausputket, joilla nämä poikittaisvirtaukset voidaan hallita.
Perälaatikon ohivirtaussäätö on myös tärkeä tekijä poikittaissuuntaisten virtauksien hallinnassa. Perälaatikon hoito- ja käyttöpuolen paine-eron on oltava nolla poikittaisvirtauksien estämiseksi. Ohivirtaussäätö on käytännössä helpoin ja paras tapa hallita perälaatikosta johtuvia poikkivirtauksia. Myös jakopillistön ominaisuudet voivat vaikuttaa syntyviin poikittaisvirtauksiin. /10, 11/
Kuituorientaation ja formaation hallinnassa voidaan käyttää myös perälaatikon huulen asetuksia. Huulen säätämisessä voidaan kuituorientaatiosuhdetta ja formaatiota optimoida avaamalla huulta formerin vedenpoistokapasiteetin rajoissa. Valitettavasti huulen avaaminen lisää puolestaan kuituorientaatiokulman virheitä. Myös kärkilistan ulottuman minimointi pienentää kuituorientaatiosuhdetta /12/. Työn kokeellisessa osassa palataan perälaatikon säätöihin.
2.4.4 Viiraosan ominaisuudet
Normaalitilanteessa viiraosalla ei enää ole suurta vaikutusta kuituorientaatioon.
Hyvin voimakas vedenpoisto voimistaa kuituorientaatiota, mutta vain lähinnä niissä kuitukerroksissa, jotka suotautuvat initiaalivedenpoiston aikana.
Vedenpoiston ensisijainen vaikutus kohdistuu kuituorientaation toispuo- leisuuteen. Kuituorientaatiota tarkasteltaessa ei voida kuitenkaan jättää huomioimatta huulisuihkun iskukohtaa ja viiraosan mahdollisia vikoja. /4/
mutta jos iskukohta vaikuttaa vedenpoistoon, voi se myös vaikuttaa kuituorientaatioon. Iskukohdalla on myös profiili; reunoilla huulisuihku lentää pidemmälle kuin keskellä rataa. /4/
Foilien profiiliviat ja esim. kuvan 5 kaltainen tilanne, jossa tasoimulaatikon reunaan kerääntynyt lika nostaa viiraa kyseiseltä kohdalta, aiheuttavat initiaalivedenpoistoalueella tasoviiralla poikittaisia virtauksia. Tällä on vaikutusta kuituorientaatioon ja sen kerroksellisuuteen. /4, 13/
;ДШ1ППппппп:
Kuva 5. Tasoimulaatikon reunaan kerääntynyt materiaali. /13/
2.4.5 Kuitujen ominaisuudet
Kuitujen ominaisuuksien vaikutuksen tutkiminen on hankalaa kuituominaisuuksien vaikuttaessa voimakkaasti mm. sulpun suotautuvuuteen.
Kuidun pituudella ei ole todettu olevan vaikutusta kuidun käyttäytymiseen suotautumisen aikana vaikuttavassa leikkauskentässä. Kuidun taipuisuus näyttäisi olevan kuituorientaation kannalta tärkein yksittäisen kuidun ominaisuus.
Viiraosalla vaikuttavassa leikkausvoimakentässä tai huulikartion kiihtyvässä virtauksessa kuidut voivat taipumalla kääntyä nopeammin kuin pelkästään jäykästi pyörimällä. Kuva-analyysimittauksella on saatu tulos, jossa taipuneiden
kuitujen suuntajakauma on isotrooppisempi kuin suorien kuitujen. /4, 14/
Sulpun sakeuden vaikutusta kuituorientaatioon on myös tutkittu, mutta tuloksista ei voi tehdä mitään selkeitä johtopäätöksiä. Kuitujen väliset vuorovaikutukset
näyttävät olevan KCL:n pilot-koneella tehtyjen kokeiden tulosten mukaan tärkeämpiä kuituorientaation suhteen kuin yksittäisten kuitujen ominaisuudet.
Yksittäisen kuidun kääntyminen suotautumisen aikana riippuu sulpun keskimääräisistä hydrodynaamisista ominaisuuksista, mutta ei kääntyvän kuidun dimensioista. Ajettaessa pilotkoneella lähellä tasaperää oli hienopaperimassa selvästi orientoituneempaa kuin puupitoinen massa. /4, 15/
2.5 Kuituorientaation hallinta paperikoneella
Kuituorientaation hallinta paperikoneella rajoittuu yleensä suihku/viira- nopeuseron säätämiseen. Jämsänkosken PK 3:11a tavoiteltaessa tasaperää säätö tapahtuu käytännössä maksimoimalla rainan leveyttä. Rainan ollessa leveimmillään ollaan oletetussa tasaperässä ja vetolujuussuhteen oletetaan olevan minimitasollaan. Kuituorientaatiota mitataan automatisoidussa Paperlab- paperinmittauslaitteessa, mutta tuloksia ei juuri seurata. Vetolujuussuhde on ainoa kuituorientaatioon liittyvä laatuparametri, jota seurataan.
Perälaatikon ohivirtaus ja reunavirtaukset on vakioitu, niitä ei käytetä kuituorientaation säätöön. Reunavirtauksia on joskus kokeiltu optimoida, mutta tulokset ovat olleet huonoja ja reunavirtausventtiileihin ei ole sittemmin koskettu kuituorientaation säätämiseksi. Uusinnan jälkeen tulisi etsiä oikeat säädöt sekä reunavirtauksiin että ohi virtaukseen. On luultavaa, että eri lajit vaativat erilaiset säädöt profiilien optimoinnin suhteen.
2.5.1 Jetprofile-säätöjärjestelmä
Valmetin Jetprofile-säätöjäijestelmä on kehitetty optimoimaan kuituorientaatio- profiili ja neliömassaprofiili. Molemmille profiileille on järjestelmään määritelty tavoitteet, joita Jetprofile-jäijestelmä yrittää saavuttaa. Jetprofile-järjestelmän lyhyt kuvaus on kuvassa 6. /16, 17/
— Operator weighting
—► Simulated FO, OD Orientation Angle (FO)
measurement from ~~~
lab or online gauge Edge F to*
Setpoints OD Target profile Optimized OD Target profile OD Measured profile
Oven Dry (OD) weight
Back Front
Kuva 6. Jetprofile-säätöjärjestelmä. /17/
Kuituorientaatiokulma mitataan säännöllisesti, joko laboratoriossa tai paperikoneella, ja tulokset syötetään Jetprofile-ohjelmaan. Ohjelma kommunikoi perälaatikon neliömassasäätöjärjestelmän kanssa tavoitteena löytää optimisäädöt molemmille profiileille. Käyttäjä voi muuttaa profiileiden painoarvoa esim.
lajikohtaisesti. Jetprofile-systeemi säätää reunavirtauksia ja suihkun virtausnopeutta tavoiteprofiilien mukaan, perälaatikon huulta säätää perälaatikon säätöjärjestelmä normaaliin tapaan. Yleisesti pätee, että aristettaville lajeille painotetaan kuituorientaatiokulmaprofiilia kun taas rullattaville lajeille neliömassaprofiili on tärkeämpi. /16, 17/
Jetprofile-järjestelmä soveltuu parhaiten hybridiformereille, joilla paras formaatio saadaan sellaisilla suihku/viira-nopeuseroalueilla, joissa kuituorientaation hallitseminen on vaikeinta. Säätöjärjestelmä on tällä hetkellä käytössä vain yhdellä tuotantomittakaavan paperikoneella. /16, 18/
2.5.2 Dantec SensorLine on-line huulisuihkun nopeusmittaus
Huulisuihkun nopeusmittaus traversoivalla on-line mittarilla on käytössä muutamalla paperikoneella Euroopassa. Mittaus perustuu laservalon säteilyyn mitattavasta kohteesta. Kahden lasersäteen heijastumaa verrataan toisiinsa ja SensorLine laskee mitattavan kohteen nopeuden säteiden etäisyyden suhteesta heijastumien etäisyyteen. SensorLine-mittauksen periaate on esitetty kuvassa 7.
/19/
Kuva 7. SensorLine-mittauksen periaate. /19/
Huulisuihkun nopeusprofiilimittauksella pyritään kuituorientaation hallintaan optimoimalla perälaatikon reunavirtaukset ja ohivirtaus. Huulisuihkun nopeusmittaus antaa myös käyttäjälleen tarkan tiedon suihku/viira nopeuserosta.
Perälaatikon painelähettimillä ja viiran nopeusmittauksella ei päästä samaan tarkkuuteen.
Dantec SensorLine huulisuihkun nopeusprofiilimittauslaitteisto on asennettu eräälle paperikoneelle, jonka tuotevalikoima on lähellä Jämsänkosken PK 3:sta.
Kokemukset laitteistosta ovat vielä vähäisiä, mutta on havaittu, että kuituorientaatiokulma, paperin käyristyminen ja huulisuihkun nopeusprofiili korreloivat keskenään. Tämän työn kokeellisessa osassa mitataan PK 3:n huulisuihkun nopeusprofiilia Dantec SensorLine mittarilla.
2.5.3 Laimennusperälaatikko
Laimennusperälaatikossa neliömassaprofiilin säätö tapahtuu laimennusveden avulla poiketen näin konventionaaliseen perälaatikon ylähuulen kärkilistan profiilisäädöstä. Laimennusperälaatikon kehittämiseen on ollut kaksi syytä: /20/
1. Neliömassaprofiilin tarkempi säätö, huuliaukon säätö on liian epätarkkaa
2. Kuituorientaation hallinta ilman neliömassaprofiilin heikentämistä
Valmetin ja Voitkin versiot laimennusperälaatikosta, mutta myös Beloitin laimennusperälaatikko on periaatteeltaan samanlainen. Eri valmistajien laimennusvesiperälaatikkojen suurimmat erot ovat laimennusveden ja sakean massan sekoituksessa.
Kuva 8. Valmetin SymFlo D-laimennusperälaatikon periaate. /21/
Kuva 9. Voitkin ModuleJet laimennusperälaatikon periaate. /22/
Laimennusperälaatikkoikin voidaan myös lukea BTF-konsepti. Siinä perälaatikon läkestymisputkisto ja jakotukki on korvattu “BTF-keskusjakelija- vaimentajalla”, josta perälaatikkomassa syötetään perälaatikkoon joustavia
letkuja pitkin. Letkujen virtaama on sama eivätkä massavirtauksen ominaisuudet poikkea letkujen välillä. Poikkisuuntainen profilointi tapahtuu laimentamalla letkujen virtauksia “keskusjakelijassa" . /23, 24/
Laimennusperälaatikossa neliömassapoikkiprofiilin säätö tapahtuu perinteisen huulen profiloinnin sijaan perälaatikkomassaa vyöhykkeittäin laimentamalla.
Valmetin SymFlo D perälaatikossa on kuitenkin mahdollista säätää myös huulta.
Perälaatikkoon johdetaan kahta sakeuksiltaan erilaista massaa kahdella jakotukilla ja massat sekoitetaan sekoituskammiossa. Valmetin versiossa sakeampi massa on sakeudeltaan normaalia perälaatikkomassaa ja laimennusvesi otetaan viirakaivosta.
Laimennusvesi annostellaan sakeamassan sekaan siten, että jokaiseen jakopilliin on kytketty oma laimennusvesilinja, jonka virtaamaa säädetään venttiilillä.
Venttiileitä ohjaa profiilinsäätöjärjestelmä. Valmetin ilmoittama keskimääräinen laimennusveden osuus perälaatikkovirtaamasta on 6-12 %. /21/
Neliömassaprofiilin säätö massavirtauksia laimentamalla poistaa tarpeen profiloida huulta, joten laimennusperälaatikkoa ajetaan normaalisti suoralla huulella. Tällä on suuri vaikutus kuituorientaatioon, koska huulen säädöstä johtuvat poikittaisvirtaukset poistuvat. Myös neliömassaprofiilin säätäminen tehostuu, sillä laimennussäädön säätövaste on parempi kuin huulen vastaava ja laimennussäädön säätöväli on mahdollista rakentaa pienemmäksi kuin huulen säätöväli. Laimennusperälaatikolla on siis teoriassa mahdollisuus optimoida sekä neliömassa- että kuituorientaatioprofiili.
Käytännön kokemukset laimennusperälaatikon paremmuudesta ovat laitevalmistajien artikkeleissa kiistattomat. Laimennusperälaatikko on pienentänyt neliömassapoikkiprofiilin 2-sigma hajontaa ja parantanut kuituorientaatioprofiileita. Myös lajinvaihtoajat ovat merkittävästi lyhentyneet.
Nämä kokemukset pohjautuvat kuitenkin suurimmaksi osaksi koneuusintoihin, joissa uusitaan perälaatikon lisäksi myös form eri. /25, 26, 27/
konventionaalisten perälaatikkojen eroista ei kuitenkaan täysin todista laitevalmistajien tuloksia. Valmetin ensimmäinen SymFlo D laimennus- perälaatikko asennettiin Simpeleen paperitehtaalle 1995. Valmetin ja UPM- Kymmenen näkemys installaation toimivuudesta on jossain määrin erilainen. /27, 28/
Simpeleen laimennusperälaatikkoa on ajettu asennuksen jälkeen sekä laimennussäädöllä että huulen säädöllä. UPM-Kymmenen mittaukset antoivat huulen säädöllä ajettaessa paremman jäännöshajonnan neliömassassa kun taas Valmetin mittausten mukaan laimennussäätö oli parempi. Jäännöshajonnan lisääntyminen selittyy sillä, että laimennusveden sekoittumisessa massavirtaan on ollut ongelmia. Tämä on yleisesti tunnettu laimennusperälaatikkojen ongelma.
/28, 29, 30/
Simpeleellä on myös havaittu, että teorioiden lupaama perälaatikosta johtuvien poikittaisvirtauksien poistaminen laimennusperälaatikon avulla ei ole toteutunut.
Tämä aiheuttaa paperiradan reuna-alueille kuituorientaatioprofiiliin poikkeamia.
/30/
UPM-Kymmenen sisäisen tutkimuksen mukaan mikään laimennusperälaatikko ei ole vielä toiminut niin hyvin kuin parhaat konventionaaliset huulta säätävät perälaatikot. Tutkimuksessa kävi myös ilmi, että perälaatikon ollessa ns. hyvä yksilö, tarve laimennussäätöön on pieni. Laimennussäätö vaatii onnistuakseen myös samat perälaatikkosäätöj en optimoinnit kuin konventionaalinen perälaatikko. Uusinnoissa on otettava huomioon myös kasvava säätö- ja mittaustekniikan tarve. /28, 29/
Tarkasteltaessa laimennusperälaatikon soveltuvuutta PK 3:lle on tiedettävä paperikoneuusinnan vaikutukset neliömassa- ja kuituorientaatioprofiileihin.
Diplomityön kokeellisessa osassa paneudutaan tähän perusteellisemmin, mutta jo teorian ja nykyisen käyttöfilosofian pohjalta voi todeta seuraavaa:
• Nykyinen perälaatikko on optimoitava koneuusinnan jälkeen
• Ohivirtaus- ja reunavirtaussäädöt
• Iskukulma
• Uusi konekonsepti voi mahdollistaa formerille profiilimielessä helpommat ajotavat
• Jos profiiliongelmat eivät helpotu koneuusinnan ja nykyisen perälaatikon optimoinnin myötä, on syytä harkita kokonaan uuden perälaatikon hankkimista, laimennusvesisäädöllä tai ilman sitä.
3 Dimensiostabiliteetti
Paperin dimensiostabiliteetilla tarkoitetaan paperin mittapysyvyyttä, eli paperin mittojen pysymistä vakiona kosteus-, lämpötila- tai mekaanisten kuormitusten alaisena. Paperin dimensiostabiliteetti on massalajin, massaan tehtyjen kemiallisten ja mekaanisten käsittelyjen ja paperikoneen osittaisprosessien funktio. /31/
Tässä työssä keskitytään vain paperikoneprosessin vaikutukseen paperin dimensiostabiliteettiin, paperin jatkojalostuksen ja painatuksen vaikutuksiin ei ole perehdytty. Paperin dimensiostabiliteetti on suuresti riippuvainen paperimassan ominaisuuksista, mutta myös massan ominaisuuksien vaikutus dimensiostabiliteettiin on rajattu työn ulkopuolelle.
Paperin poikkisuuntainen dimensiostabiliteettiprofiili on yleensä muodoltaan samantyyppinen riippumatta paperikoneesta ja paperilajista. Kuvassa 10 on esitetty tyypillinen paperikoneen poikkisuuntainen kutistumaprofiili. Paperiradan reunat kutistuvat huomattavasti enemmän suhteessa keskustaan.
CD Position (m from back edge)
Kuva 10. Tyypillinen paperikoneen poikkisuuntainen kutistumaprofiili. /32/
3.1 Kosteuden ja lämpötilan vaikutus dimensiostabiliteettiin
Kosteusmuutokset vaikuttavat paperin dimensiostabiliteettiin rajuimmin.
Taulukossa 1 on esitetty paperin laajenemiskertoimien arvoja, kosteuslaajenemis- kertoimet ovat noin kymmenen kertaa lämpölaajenemiskertoimia suurempia.
Taulukosta käy myös ilmi, että paperikuitujen dimensiostabiliteetti kuidun säteen suunnassa on huomattavasti huonompi kuin pituusakselin suunnassa.
Kosteuslaajenemiskerroin, 10"4 %/ %RH
Lämpölaajenemiskerroin, 10'4 %/ C°
Konesuunta 20-40 3-8
Poikkisuunta 77 - 237 8-16
Paksuussuunta 1400-2800 -
Taulukko 1. Paperin laajenemiskertoimia. RH tarkoittaa suhteellista kosteutta (relative humidity). /31/
3.2 Kuituorientaation vaikutus dimensiostabiliteettiin
Kuituorientaation vaikutuksesta paperin dimensiostabiliteettiin on kirjallisuudessa varsin ristiriitaisia mielipiteitä. Monet tutkijat pitävät kuituorientaation hallintaa tärkeänä keinona hallita dimensiostabiliteettia.
Kuidut laajenevat poikkisuunnassa huomattavasti enemmän kuin pituussuunnassa. Tämä johtaa suureen anisotropiaan poikki- ja konesuunnan kosteuslaajenemassa. Jos paperin vetolujuussuhde on esim. 2, kosteuslaajenemasuhde voi olla yli 4. Dimensiostabiliteetti näyttää siis olevan suoraan verrannollinen kuituorientaatiosuhteeseen. /31, 33/
Kuten kuvasta 10 käy ilmi, reunojen kutistuma on suurempi kuin keskustan.
Tämän on katsottu johtuvan muiden syiden ohella myös reuna-alueiden poikkisuuntaisista virtauksista kun kutistuman kompensoimiseksi säädetään reunojen neliömassaa. Kuituorientaatiosuhteella, -kulmalla ja kuituorientaation toispuoleisuudella on todettu olevan vaikutusta kosteuslaajenemakertoimeen ja siten mittapysyvyyteen. /34/
Hienopaperilajeilla on kuitenkin tehty tutkimus, jonka mukaan kuituorientaation muutos ei vaikuta kutistumaprofiiliin. Kuvassa 11. nähdään kaksi saman hienopaperikoneen kutistumaprofiilia. Näytteessä 1 (sample 1) molemmat reunavirtaukset ovat samansuuruisia, näytteessä 2 (sample 2) takareunan reunavirtausta on vähennetty 25 %. Profiilit ovat hyvin samanlaisia, joten ainakaan tässä tapauksessa kuituorientaation säätäminen ei ole vaikuttanut kutistumaprofiiliin. /32/
■c 4 5
О
Sample 1
Sample 2
X
3 2
1
0
• 1
*2
-3 i -
Ä
•iИ „ 1 *
Comparison of Average % CD Relative Shrinkage Fino Paper Grade
v*
/-
CD Position (Rmtlve to beck »de«)
Kuva 11. Hienopaperikoneen kutistumaprofiilit reunavirtauksia säädettäessä. /32/
Toinen esimerkki kutistumaprofiilin riippumattomuudesta kuituorientaatioon nähdään kuvasta 12. Kuvan 12 kutistumat on laskettu seuraavasti: /31/
Sallittu kutistuma (Allowed shrinkage) =
(Valmiin paperin mitta / Kostutetun paperin mitta) * 100 (2)
Potentiaalinen kutistuma (Potential shrinkage) =
(Kostutetun paperin vapaasti kuivattaessa muodostunut mitta / Kostutetun
paperin mitta) * 100 (3)
CD POTENTIAL
CD ALLOWED
MO POTENTIAL
MO ALLOWED
FRONT CROSS MACHINE POSITION BACK
Kuva 12. Poikittaissuuntaiset profiilit sallitusta ja potentiaalisesta kutistumasta.
/31/
Kuten kuvasta 12 nähdään, on poikkisuuntainen potentiaalinen kutistumaprofiili merkittävästi suorempi kuin sallittu poikkisuuntainen kutistumaprofiili. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan ajatella kuivatuskutistuman olevan tärkein syy dimensiostabiliteettipoikkiprofiilin muotoon.
3.3 Puristinosan vaikutus dimensiostabiliteettiin
Puristinosalla syntyy paperin lopullinen paksuussuuntainen tiheysjakauma.
Puristinnippien poikittaissuuntaiset puristuspaineprofiilit vaikuttavat tiheysprofiiliin merkittävästi ja yksihuopaisessa nipissä paperin huopapuolella on korkeampi tiheys kuin toisella puolella. Tiheyden kasvu johtaa paperin kosteuslaajeneman kasvuun, tiheysprofiilin paksuus- ja poikittaissuuntaiset muutokset johtavat mittapysyvyysprofiilin muutoksiin. /31, 34/
PK 3:n puristinosa muuttuu uusinnassa vanhasta linjapuristimesta nykyaikaiseen suljettuun puristimeen, jossa on kahden telanipin lisäksi kolmantena nippinä kenkänippi. Kenkäpuristimen vaikutuksista paperin ominaisuuksiin on vielä
vastaavasta paperilaadusta osoittaa, että paperin z-suuntainen tiheys] akauma on kenkänipillä varustetulla puristimella hyvä. Puristinosauusinnan vaikutusta mittapysyvyyteen käsitellään enemmän kappaleessa “Paperikoneuusinta ja sen vaikutukset tutkittaviin profiileihin”. /35/
Z-DIRECTION PAPER DENSITY
SYM-PRESS II ^ SYM-PRESS II 3B RBRES(%)
100,---
BS PAPER Z-DIRECTION TS HYBRID-FORMER
RBRES (%) 100
,----
BS PAPER Z-DIRECTION TS
Kuva 13. Kenkäpuristimen vaikutus paperin z-suuntaiseen tiheys]akaumaan. /35/
3.4 Kuivatuksen vaikutus dimensiostabiliteettiin
Poikkisuuntainen mittapysyvyyden epäsymmetrisyys johtuu suurimmaksi osaksi paperin kuivatuksessa tapahtuvasta kuivatuskutistumasta. Paperin kosteuslaaj enema on suoraan verrannollinen paperin kuivatuskutistumaan.
Reunojen kutistumista ei pystytä hallitsemaan kuten rainan keskiosaa, ja tuloksena on kuvan 10 mukainen kutistumaprofiili. /33, 36, 37/
Hienopaperi kutistuu poikkisuunnassa pääasiassa kuivatusosalla, kuivatuskutistum a on yleensä selvästi märkävenytyksessä syntynyttä kutistumaa suurempi. Raina pääsee kutistumaan poikkisuunnassa reunoiltaan vapaasti, keskustan kutistumista rajoittaa kitka kuivatussylintereitä ja -viiroja vasten sekä näiltä tukipinnoilta avoimeen vientiin välittyvä poikkisuuntainen jännitys.
Keskustan kutistuminen edellyttää myös, että se vetää reunaa mukanaan. Radan kutistumista poikkisuunnassa voidaan perinteisessä sylinterikuivatuksessa
vähentää löysäämällä kuivatusryhmien välisiä vetoja ja kiristämällä kuivatusviiroja. /33, 38/
Kuivatusviirojen kireydensäätö vaikuttaa kuivatuskutistumaprofiiliin kuvan 14 mukaisesti. Kireydensäätö ei vaikuta aivan paperiradan reunoihin, joiden kutistuminen on aina vapaata, mutta kireyttä voimakkaasti nostettaessa kutistuvat reuna-alueet kapenevat hieman ja profiili muuttuu jyrkemmäksi. /33/
a.
Kuva 14. Kaavio kuivatuskutistumaprofiilin todennäköisistä muutoksista kuivatusviirojen kireyden T ja kuivatusnopeuden A kasvaessa. /33/
Kuten kuvasta 14 nähdään, myös kuivatusnopeus vaikuttaa kuivatuskutistuma
profiiliin.
Moderni kuivatusosa on rakenteeltaan perinteistä kuivatusosaa parempi kuivatuskutistuman ehkäisemiseksi. Perinteiset kaksiviiraviennit on korvattu yksiviiravienneillä, ns. slalomvienneillä. Tässä paperi viedään yhden kuivatusviiran tukemana läpi kuivatusryhmän, jolloin paperi kulkee kuivatusviiran ja -sylinterin välissä vain joka toisella sylinterillä.
Moderneissa kuivatusosaratkaisuissa on myös parannettu perinteisten kaksiviiravientien poikkisuuntaisen kutistumaprofiilin hallintaa. Kuivatusryhmät rakennetaan ns. matalaa rakennetta tavoitellen ja lyhennetään kuivatusryhmän sisällä olevien vapaiden välien pituutta.
Kosteusprofiilin tasaisuus poikkisuunnassa on tärkeää. Kosteuspitoisuuden muutokset radan poikkisuunnassa aiheuttavat paperin kuivumisen epähomogeenisuuden, joka voi synnyttää ylimääräisiä kuivatusjännityksiä ja lisätä esim. käyristymistä. /36/
Mittapysyvyyden hallinta paperikoneella tarkoittaa käytännössä samaa kuin paperiradan kutistuman hallinta. Kuivatuskutistuman hallinta on Jämsänkosken PK 3:n tuottamalla paperilajilla tärkein mittapysyvyyden hallintamuoto.
Paperikoneparametrien vaikutus paperin dimensiostabiliteettiin on kuitenkin pieni verrattuna massan jauhatuksen ja kemiallisen käsittelyn vaikutuksiin. /37/
4 Paperikoneuusinta ja sen vaikutukset tutkittaviin profiileihin
4.1 Yleistä
Jämsänkosken PK 3 paperikoneuusinta käsittää lyhyen kierron uudistuksia, uuden viiraosan, puristinosan, alkukuivatusosan, liimapuristimen, infrakuivaimet, kostutuslaitteen ja konepulpperit. Lisäksi paperikoneen käyttö- ja automaatiojärjestelmät uusitaan täysin ja koneeseen asennetaan kiertovoitelu- järjestelmä. Kuvassa 15 nähdään PK 3:n sivukuva uusinnan jälkeen.
Kuva 15. Jämsänkosken PK 3 uusinnan jälkeen.
4.2 Vüraosa
Paperikoneen vüraosa muuttuu uusinnassa perinpohjaisesti. Vanhan tasoviiran ja viirarullan tilalle tulee Valmetin toimittama hybridiformeri SymFormer MB.
Vanha tasoviira puretaan täysin ja myös viirakaivo uusitaan.
4.2.1 Valmet Sym-Former MB
Valmetin Sym-Former MB on hybridiformeri, jossa tasoviiraosan päällä on MB- yksikkö. МВ-yksikkö on yläviirayksikkö, jossa on rainaa molemmilta puolilta kuormittava kuormituspöytä. Formerin vedenpoistovyöhykkeessä vesi poistuu rainasta pääasiassa yläpuolelle. Alapuolelta on vettä poistettu ennen MB- yksikköä tavallisella tasoviiraosalla siten, että formeriyksikölle saapuvan rainan sakeus on paperilajista riippuen 1 - 2,5 %. PK 3:n viiraosan vedenpoistokalusto ennen МВ-yksikköä sisältää rintapöydän, neljä kappaletta foililaatikoita ja vacufoililaatikon, joka on МВ-yksikön etutelan kohdalla. Kuvassa 16 on esitetty Sym-Former MB:n vedenpoistokalusto МВ-yksikön kohdalla. Kuvan 16 yläimulaatikko poikkeaa Jämsänkosken PK 3:lle asennettavasta siten että PK 3:11a yläimulaatikossa on kolme imukammiota. /39/
Kuva 16. Sym-Former MB:n vedenpoistokalusto. /39/
Rainan tullessa MB-yksikölle se ei kosketa etutelaa. Alaviiran alla olevan esikuormituselementin kuormituspaineita voidaan säätää ja asteittainen kuormituksen lisääminen saa rainassa aikaan kasvavan suotautumispaineen.
Tämä aloittaa vedenpoiston ylöspäin rauhallisesti ja esikuormitusalueen ylöspäin poistunut vesi imetään ensimmäiseen imukammioon, deflektoriin. /39/
Tämän jälkeen rainaa kuormitetaan varsinaisella kuormituspöydällä. Kuormitus säädetään kasvamaan asteittain rainan kulkusuunnassa. Vesi poistuu rainasta ylöspäin foilien kautta yläimulaatikon toiseen ja kolmanteen imukammioon. /39/
Kuormituspöydän jälkeen tasoviiralla oleva vedenpoistokalusto on seuraava:
tasoimulaatikko, siirtoimulaatikko kaarevalla reunalla (tällä kohdalla yläviira erkanee rainasta), neljä kappaletta tasoimulaatikoita ja viiran imutela. /40/
Sym-Former MB soveltuu hyvin Jämsänkosken PK 3:11a tuotettaville paperilajeille. Paperikoneen nopeusalue sopii hybridiformerille ja kuormituspöydällä on mahdollista saavuttaa paras mahdollinen formaatio alhaisella kuituorientaatiosuhteella. /39, 41/
4.2.2 Viiraosan hallinta ja säätöparametrit
Verrattuna vanhaan tasoviiraosaan uuden Sym-Former MB:n säätömahdollisuudet ovat monipuoliset. Formerin säädöillä voidaan hakea optimia formaatioon ja vedenpoistoon. /42, 43/
MB-formerilla voidaan operoida laajalla formerille tulevan rainan kerrospaksuusalueella. Tämä merkitsee sitä, että huuliaukon säätöä voidaan käyttää formaation ja kuituorientaatiosuhteen optimointiin. Kerrospaksuuden pitää kuitenkin olla alueellaan, muuten voi seurata retentio- ja reikäongelmia.
/41, 42/
Eräällä paperikoneella on kokeiltu gammasäteilyyn perustuvaa MB-formerille tulevan rainan sakeusmittausta. Yleinen käytäntö kuitenkin tuntuu olevan se, että MB-formerille tulevalla kerrospaksuudella ei ole suurta merkitystä, joten sitä ei
mittapalkki, jossa NDC-mittarilla voidaan mitata kerrospaksuutta.
Starttivaiheessa on tarkoitus etsiä eri paperilajeilla käytettävät ajoparametrit, joita sitten myöhemmin voidaan käyttää ilman kerrospaksuusmittausta. /42, 43, 44/
МВ-yksikön sisäänmenogeometriaa voidaan säätää etutelan asentoa ja esikuormituspöydän kahden kuormituselementin kuormituspainetta muuttamalla.
Eräällä paperikoneella pidetään etutelan asennon säätöä yhtä tärkeänä kuin yläimulaatikon imutasojen säätöä. Varsinaisen kuormituspöydän kolmea kuormituselementtiä voidaan myös säätää; kuormituspaineiden säätö tapahtuu niihin tulevan ilman painetta säätämällä. /40, 42, 44/
Yläimulaatikossa voidaan säätää eri kammioiden imutasoja ja imulaatikon etureunan korkeutta. Deflektorin imutasoa voidaan käyttää formaation optimointiin ja toisen ja kolmannen imukammion alipaineella säädetään kuiva- ainepitoisuutta. Imutasojen nostaminen lisää viirojen kulumista, ja kuiva- ainepitoisuutta säädetään paremmin massan vedenpoisto-ominaisuuksien kautta, esim. trimmijauhatuksella. Trimmijauhin poistetaan PK3:lta uusinnassa, joten jauhatuksen optimointi pitää tehdä molemmilla massalinjoilla varsinaisilla jauhimilla. /42, 43, 44/
MB-formerin laajat säätömahdollisuudet eivät kuitenkaan tee siitä käyttäjän painajaista monimutkaisuudellaan, sillä formen optimoidaan käyttöönotettaessa paperikone- ja paperilajikohtaisesti. Tämän jälkeen formerin säätämisen vaikutukset ovat varsin vähäisiä jos formerin perussäädöt ovat kunnossa.
Tärkeimpänä säätöparametrina käyttäjälle pidetään yläimulaatikon imutasoja.
/42, 43/
4.3 Puristinosa
Uusi puristinosa on Valmetin SymPress II 3B. Paperirata irroitetaan märkäviiralta pick-up imutelalla ja rata johdetaan ensimmäiseen nippiin kahden huovan välissä. Imutelan ja taipumakompensoidun uratelan muodostama ensimmäinen nippi poistaa vettä molempiin suuntiin. Ensimmäisen nipin
imutelalta rata siirtyy keskitelalle toisessa nipissä, jossa vesi poistuu yläpuolen suuntaan. Kolmas nippi on pitkänippipuristin, ns. kenkäpuristin, jossa vesi poistuu ylöspäin. Keskitela on taipumakompensoitu pinnoitettu valurautavaippainen tela. /45/
Keskitelalta paperirata siirretään ensimmäiselle kuivatusryhmälle kuivatusviiran tukemana. Kuivatusviiraan saadaan alipaine PressRun-laatikoiden avulla jolloin radan vienti kuivatusosalle helpottuu. /45/
4.3.1 Kenkäpuristin
Kenkäpuristimen perusajatuksena on synnyttää puristinnipissä riittävän pitkä nippiaika, jotta radassa oleva vesi ehtisi syntyvän nippipaineen vaikutuksesta poistua huopaan. Tämä toteutetaan ns. kenkätelalla, jonka kovera kenkää vasten paperi, huopa ja ns. heitti, eli vyö, puristetaan vastatelalla, joka on Jämsänkosken PK 3:lla puristimen keskitela. Kuvassa 17 on esitetty Valmetin versio kenkäpuristimesta, Valmet SymBelt. Tälläinen kenkäpuristin asennetaan myös Jämsänkosken PK 3:lle. /35, 46/
Kuva 17. Valmetin SymBelt kenkäpuristin. /47/
tai sokeaporattu. Uritetulla vyöllä saadaan tehokkaampi vedenpoisto kuin sileällä, mutta sileän vyön antamat paperin pintaominaisuudet ovat paremmat.
Vyö pyörii kenkätelan ympäri ja kengän kohdalla vyö taipuu nipin mukaisesti kasvattaen nipin pituuden 20- 30 cm:ään. Vyö ei kosketa paikallaan olevaa kenkätelaa missään vaiheessa, koska vyön ja kenkätelan välissä on ohut voiteluöljykerros. /46/
Eri laitevalmistajilla on hieman erilaiset ratkaisut kenkätelan vyön voitelussa.
Voitelu on luonteeltaan hydrostaattista tai hydrodynaamista. Valmetin kenkäpuristimessa voiteluöljy syötetään kengän keskelle, jossa se muodostaa hydrostaattisen ”öljytaskun”. Öljy virtaa taskusta hydrodynaamisena kiilana kengän reunojen yli, minkä jälkeen se jäähdytetään ja syötetään takaisin kenkään.
Minimoimalla kengän ja vyön välinen kitka voitelun avulla vähennetään puristimen energiankulutusta ja pidennetään vyön käyttöaikaa. /35/
Kenkätelan kuormitussylinterit on sijoitettu Valmetin kenkäpuristimessa kahteen riviin. Tämä antaa käyttäjälle mahdollisuuden säätää niiden keskinäistä kuormitussuhdetta, “tilttiä”. Lisäksi kuormitussylinterit on jaettu poikittaissuuntaisiin lohkoihin, joiden avulla on mahdollista profiloida puristuspainetta. PK 3:lle asennettavassa puristimessa on kuormitussylinterit jaettu viiteen lohkoon. /46/
Kenkäpuristimen pitkän nipin ansiosta puristava voima jakaantuu laajemmalle pinta-alalle kuin telapuristimessa. Kenkäpuristimen kuorin itusvoima on moninkertainen verrattuna telapuristimeen ja kenkäpuristimen puristusimpulssia voidaan muuttaa säätämällä ”tilttiä”. Kuvassa 18 nähdään paineimpulssin muutos, kun ”tilttiä” muutetaan. Tästä on hyötyä silloin, kun kyseessä on monilajikone, jolla tuotetaan sekä tiheitä että bulkkisia lajeja.
Kuva 18. Kenkäpuristimen paineimpulssi. Kuvassa on piirretty mustalla myös perinteisen telanipin paineimpulssi. /46/
4.3.2 Puristinosan vaikutus tutkittaviin profiileihin ja paperikoneen ajettavuuteen
Puristinosan uusinnassa on kolme tärkeää parannusta tuotettavan paperin ja paperikoneen ajettavuuden kannalta:
• Vapaat vedot puristimella poistuvat
• Puristinosan vedenpoistosuunta muuttuu
• Puristinosan jälkeinen kuiva-ainepitoisuus kasvaa
Uudessa puristimessa ei ole vapaita vetoja ennen radan siirtoa keskitelalta kuivatusosalle. Tämä parantaa paperikoneen ajettavuutta merkittävästi, mutta sillä on myös merkitystä paperin ominaisuuksien kannalta. Paperin lujuusominaisuuksien voi odottaa paranevan. /35/
Puristinosan päävedenpoistosuunta muuttuu vanhasta alaspäin tapahtuvasta vedenpoistosta ylöspäin tapahtuvaan vedenpoistoon. Paperin alapinta tulee sileämmäksi kuin yläpinta, mikä on tärkeää päällystettäessä alapintaa.
Kenkäpuristimen vedenpoisto on rauhallisempaa kuin telanipin ja uudessa puristinosassa kenkäpuristimen ollessa viimeisenä puristinnippinä paperin z- suuntainen tiheysjakauma tasoittuu. Tällä voi olla parantava vaikutus mittapysyvyyteen ja paperin käyristymiseen. /35/
Uuden puristinosan jälkeinen paperin kuiva-ainepitoisuus on suurempi kuin vanhan puristinosan. Tämä antaa mahdollisuuden optimoida kuivatusosan ajostrategia. Alkukuivatusosan jälkeinen kosteuspitoisuus ennen filmiliimapuristinta ja alkukuivatuksen rajuus (höyryryhmien paine-erot) voivat olla parametrejä mittapysyvyysprofiilin optimoinnissa.
4.4 Alkukuivatusosa
Viiraosan ja puristinosan uusinta lyhentää paperikoneen märkäosaa merkittävästi.
Tämä tila käytetään hyväksi rakentamalla siihen uusi ensimmäinen kuivatusryhmä. Paperi tuodaan ensimmäiselle kuivatusryhmälle kuivatusviiran tukemana, ja tämä kuivatusryhmä on viiravienniltään ns. slalomryhmä.
Alkukuivatus muuttuu uusinnassa täysin, sillä uuden kuivatusosan konfiguraation lisäksi myös kuivatusosalle tulevan paperin ominaisuudet ja alkukuivatusosalta lähtevän paperin vaatimukset muuttuvat. Uudessa konekonseptissa ei ole tarvetta kuivata paperia alkukuivatusosalla rutikuivaksi ennen filmiliimapuristinta ja tämä antaa mahdollisuuden kokeilla alkukuivatuksen vaikutusta mittapysyvyysprofiiliin ja liimapuristimelle tulevaan kosteusprofiiliin.
4.5 Filmiliimapuristin
Vanha horisontaalinen lammikkoliimapuristin vaihtuu paperikoneuusinnassa Valmetin SymSizer-filmiliimapuristimeen. Jämsänkosken PK 3:11a filmiliimapuristinta käytetään sekä paperin pintaliimaukseen että esipäällystykseen.
Kuva 19. Valmetin SymSizer filmiliimapuristin. /48/
4.5.1 Valmet SymSizer
SymSizer on filmiliimapuristin, jonka nipissä paperi pintaliimataan tai päällystetään puristinteloilla filminä olevalla liimalla tai päällystyspastalla.
SymSizerin filminmuodostuksen periaate nähdään kuvasta 20. Päällystefilmi muodostetaan puristintelalle lyhytviipymätyyppisten applikointisuuttimien avulla. Filmin paksuus säädetään puristintelaan verrattuna vastakkaissuuntaan pyörivän sauvan kuormituspaineella. /49/
Applikointikammio on suljettu rei’itetyllä patoterällä. Terän läpi pääsevä pintaliima/päällystepasta estää sekä ilman tulon applikointikammioon että telan vaurioitumisen patoterän hankauksen takia. Käytettäessä SymSizeria päällystykseen käytetään sileää sauvaa, jonka halkaisija on suuri (25-40 mm).
Suuren halkaisijan etuna on parempi päällystéprofiili ja vähäisempi päällysteen juovikkuus. Pintaliimauksessa käytetään uritettua ohutta sauvaa. /49/
Kuva 20. SymSizerin pastan applikointi puristintelalle. /48/
Päällystefilmi siirtyy paperiin puristintelojen nipissä. Paperiin siirtyvän filmin määrä riippuu pohjapaperin ominaisuuksista, nippipaineesta, filmin ominaisuuksista ja filmin paksuudesta. Nippipaineeseen vaikuttaa sekä nipin kuormitusvoima että puristintelan kovuus. Pohjapaperin pysyessä muuttumattomana paperiin siirtyvän päällysteen määrä riippuu eniten filmin paksuudesta. /49/
Puristintelalla oleva päällystefilmi ei siirry kokonaisuudessaan paperiin. Nipin jälkeen filmi halkeaa paperin irrotessa puristinteloilta ja osa filmistä jää puristintelalle. Filmin si irtosuhde, eli paperiin siirtyneen ja telalle jääneen filmin määrän suhde, riippuu päällystemäärästä, filmin kuiva-ainepitoisuudesta ja puristintelalla olevan filmin määrästä (g/m2). /50/
Filmin halkeamisen jälkeen päällystetty rata viedään ilmakääntölaitteen kautta infrakuivaimeen. Infrakuivain voidaan asettaa profiloimaan kosteusprofiilia ennen teräpäällystintä olevan Measurex-mittapalkin mittauksen mukaan.
SymSizerilla on mahdollista käyttää erilaisia päällystepastoja paperin eri puolille kahden erillisen konekierron ansiosta. Tämä mahdollistaa päällystemäärän, pastan kuiva-ainepitoisuuden ja pastan reseptien toispuoleisuuden, näin on myös mahdollista pintaliimata toinen puoli ja päällystää toinen puoli paperista SymSizerilla.
SymSizer on sekä ajettavuustekijöiden että paperin poikittaisprofiilien kannalta selvä parannus vanhaan lammikkoliimapuristimeen. Lammikkoliimapuristimen korvaaminen filmipäällystyksellä on vähentänyt liimapuristinkatkoja merkittävästi ja parantanut paperin poikittaisprofiileja. /51, 52/
Seuraavassa on listattu SymSizerin mahdolliset edut ja haitat verrattuna lammikkoliimapuristimeen: /51, 52, 53, 54/
EDUT:
• Vähemmän paperissa olevista vioista johtuvia katkoja. SymSizerissa ei ole lammikkoa, jonka takia paperiin kohdistuvat voimat ovat pienempiä ja paperin lujuustaso nipin jälkeen on suurempi paperin kosteuspitoisuuden ollessa alhaisempi.
• SymSizerille tulevan paperin kosteuspitoisuus ei ole kriittinen suure, tärkeämpää on saada kosteusprofiili tasaiseksi alkukuivatusosalla.
• Kuivatuskapasiteetti nousee, koska filmipäällystys ei kastele paperia läpi paksuuden.
• Paperin eri puolet on mahdollista päällystää erilaisilla päällysteillä/pintaliiimalla.
• Pigmentoinnissa voidaan käyttää korkeampia pastan kuiva-ainepitoisuuksia.
HAITAT:
• Esipäällystepigmentti tai pintaliima ei tunkeudu SymSizerissa paperin sisimpiin kerroksiin. Paperin z-suuntainen lujuustaso laskee.
4.6 Prosessin ohjaus- ja säätöjärjestelmä
Profiilimielessä eräs paperikoneuusinnan merkittävimmistä parannuksista on perälaatikon säädön parantuminen. Ennen uusintaa perälaatikkoa säädetään joko toisella tai kolmannella Measurexin mittapalkilla, jotka molemmat sijaitsevat liimapuristimen jälkeen paperiradan kulkusuunnassa. Lammikkoliimapuristimen vaikutus neliömassaprofiiliin vaikuttaa näin perälaatikon säätöön, perälaatikkoa ei siis säädetä todellisen pohjapaperin profiilien mukaan.
Uusinnan yhteydessä Measurex asentaa uuden mittapalkin neljännen kuvausryhmän ja SymSizer-filmiliimapuristimen väliin. Tämä mittapalkki tulee mittaamaan mm. neliömassan, tuhkan ja kosteuden pohjapaperista. Perälaatikon säätö perustuu näin todellisen pohjapaperin profiilimittauksiin ja voidaankin olettaa, että pohjapaperin profiilit paranevat.
