Puristin- ja viiraosan vedenpoiston hallinta nopeudennoston yhteydessä

Koneuusintojen sekä täysin uusien konelinjojen myötä SC-paperin valmistuskapasiteettia on tullut ja tulee paljon lisää 2000-luvulla. Uudistettujen sekä uusien linjojen tuottavuudet ja laatutasot ylittävät huomattavasti Myllykoski Paperin PK7:n nykyisen tason. Tämän vuoksi PK7:lla tulee pystyä valmistamaan vähemmän kilpailtuja ja jalostusarvoltaan parempia laatuja kuin mitä suurimmat SC-tuottajat valmistavat. Työn tavoitteena oli antaa vastauksia investointitarpeisiin, jos PK7:n tuotesuuntaa ollaan muuttamassa. Toisena tavoitteena oli luoda puristin- ja viiraosan vedenpoiston kannalta ajoikkuna, jossa muuttujna ovat neliömassa, paperikoneen nopeus sekä massatärkkelyksen määrä Kirjallisuusosassa tarkasteltiin SC-paperikoneen viira- ja puristinosan vedenpoistoa. PK7:n nykyisen listakenkäformerin vedenpoistokapasiteetti voi olla riittämätön nykyisellä laatutasolla ja hiokemassoilla suurempia ajonopeuksia tavoiteltaessa. Ongelmiksi voivat tulla listakengän vedenpoisto ja viiraosan jälkeinen kuiva-aine. Puristinosalla paksut lajit, alhainen kuiva-aine sekä nopea ja äkillinen vedenpoisto voivat aiheuttaa telanipissä kurausta. Kokeellisessa osassa selvitettiin raskaiden ja ohuiden neliömassojen sekä eripaperilajien mahdolliset vedenpoiston rajoitukset viira- ja puristinosalla. Formeritelan ja listakengän sekä 1. puristimen vedenpoistokapasiteetit tulivat koeajon perusteella kriittiseksi raskailla lajeilla ja suurilla massatärkkelysmäärillä, kun koneen nopeus nousi yli 1240 m/min.

Prosessimuuttujien vaikutus märän rainan irrotustapahtumaan

Työn tavoitteena oli selvittää rainan irrotukseen puristinosan keskitelalta vaikuttavat tärkeimmät tekijät. Työn avulla pyrittiin ymmärtämään tuotantokoneella esiintyvien prosessimuuttujien vaikutusta rainan irrotustapahtumaan ja puristin- ja kuivatusosan väliseen vetoerotarpeeseen. Samalla tutkittiin märkävetojen vaikutusta paperin laatuun ja fluting-käyttäytymiseen HSWO-painossa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin märän rainan irrotuksen perusteoriaa sekä rainan ja telapinnan väliseen adheesioon vaikuttavia tekijöitä. Kirjallisuusviitteiden avulla koottiin yhteen tärkeimmät rainan irrotukseen ja keskitelan ajettavuuteen vaikuttavat tekijät. Kirjallisuuden antamien viitteiden perusteella valittiin seurattavat prosessimuuttujat kokeelliseen osaan. Työn kokeellinen osa suoritettiin tuotantokoneella prosessiseurantana. Irrotusta tutkittiin rainan irrotuskohdan muutosten ja puristin- ja kuivatusosan välisen vetoeron avulla. Seurannan perusteella pyrittiin löytämään normaalissa ajotilanteessa rainan irrotusetäisyyteen suurimmat vaihteluita aiheuttavat tekijät. Lisäksi suoritettiin muutamia koeajoja, joiden uskottiin vaikuttavan irrotukseen. Valikoiduista koepisteistä analysoitiin myös vaikutus paperin laatusuureisiin. Työn perusteella selvitettiin suurin osa kyseisellä koneella irrotukseen vaikuttavista muuttujista. Tutkituista viira- ja puristinosan mekaanisista muuttujista eniten irrotukseen vaikuttivat koneen nopeus ja suihkuviirasuhde. Myös viiraosan vedenpoistoelementeillä ja puristinosan höyrylaatikolla havaittiin olevan vaikutusta irrotukseen. Prosessiin lisätyistä raaka-aineista irrotukseen vaikuttivat eniten CTMP:n osuus tuoremassasta, kationinen retentioaine sekä massatärkkelys. Massojen jauhatuksella sekä pohjapaperin täyteainepitoisuudella oli myös selvä vaste irrotukseen. Prosessin kemiallista tilaa kuvaavista suureista irrotukseen vaikutti selvimmin massasysteemin varaustila. Puristin- ja kuivatusosan välisen vetoeron korvaaminen viira- ja puristinosan välisellä vetoerolla helpotti irrotusta keskitelalta, mutta ei tuonut etuja paperin laatuominaisuuksiin eikä vähentänyt fluting-käyttäytymistä.

Pellettien laatu ja ominaisuudet eri raaka-aineilla ja niiden seoksilla

Diplomityö tehtiin osana Vapon toteuttamaa monivuotista pelletin kehitysohjelmaa. Kehitysohjelma koostuu useista pienemmistä osaprojekteista, jotka täydentävät toinen toisiaan. Pellettien raaka-ainepohjan laajentaminen on eräs näistä osaprojekteista. Tutkimustyön tavoitteena oli selvittää erilaisten potentiaalisten bioraaka-aineiden soveltuvuutta pelletointiin joko sellaisenaan tai erilaisina seoksina. Raaka-aineiden pelletoitavuutta tutkittiin kenttäolosuhteissa mobiilipelletointilaitoksella. Laitoksen pääkomponentit muodostivat Kahl C 38–780 tasomatriisipuristin, jäähdytin ja täryseula. Pelletointikokeissa tutkittuja raaka-aineita olivat mäntysahanpuru, männynkuori, harvennusranka, haapa, koivu, jyrsinturve ja ruokohelpi. Raaka-aineiden irtotiheys käyttökosteudessa vaihteli välillä 73–244 kg/m3 ja keskimääräinen kosteuspitoisuus 6,5–15 %. Useissa tapauksissa säkitettyjä raaka-aineita säkkikostutettiin haluttuun kosteuspitoisuuteen ennen pelletointia. Säkkikostutettujen raaka-aineiden kosteuspitoisuudet vaihtelivat tällöin välillä 12–14 m- %. Valtaosa tutkituista raaka-aineista ja niiden seoksista pystyttiin pelletoimaan puristimen matriisilla 8/40 mm, jossa puristuskanavan halkaisija oli 8 mm ja kanavan suoran osan pituus 40 mm. Vaikeuksia tuotti ainoastaan pelkän koivupurun ja ruokohelven pelletointi. Käytetty matriisi oli kanavapituudeltaan liian pitkä koivupurun pelletointiin nostaen puristusvastuksen suureksi. Ruokohelven pelletoinnin vaikeudet johtuivat pääasiassa pelletointiin liian karkeasta raaka-aineesta. Myös matriisia 8/55 mm kokeiltiin, mutta se osoittautui liian ”tiukaksi” valtaosalle puuraaka-aineista. Ainoastaan jyrsinturpeen pelletointi onnistui tällä matriisilla. Männynkuoren pelletointia ei matriisilla 8/55 mm yritetty. Kenttäkokeissa valmistetuista pelleteistä määritettiin erilaisia ominaisuuksia, kuten keskipituus, kosteuspitoisuus, irtotiheys, hienoaineksen määrä ja käsittelykestävyys. Lujuus mitattiin sekä Ligno-testillä että CEN-rummutuslujuuden määrityksellä. Lisäksi pelleteille määritettiin alkuaineanalyysi, tuhkapitoisuus ja lämpöarvo ENAS Oy:n laboratoriossa Jyväskylässä. Ligno-testauksessa parhaimman luokan pelletin tulee yltää arvoon 97,5 %. Pelletoitaessa raaka-aineita ja niiden seoksia tasomatriisikoneella sopivalla matriisilla yllettiin usein näihin tai parempiin tuloksiin. Puumateriaaleilla raaka-aineen optimaalinen lähtökosteus oli välillä 12–14 m- % ja turpeella sekä ruokohelvellä 14–16 m- %. Pelletointi onnistui tällöin vaivattomasti, kunhan sopivat puristimen ajoparametrit oli löydetty. Pellettiä alkoi muodostua matriisin puristuskanavien lämpötilan kohotessa noin 70 ºC. Pellettien lämpötila stabiilitilanteessa heti pelletoinnin jälkeen oli useissa tapauksissa 80–90 ºC. Pelletoinnin aikainen tehontarve vaihteli välillä 90–150 kWh/t, ollen suurimmillaan irtotiheydeltään keveillä materiaaleilla. Raaka-aineen suuri partikkelikoko kasvatti puristimen tehontarvetta. Tämä havaittiin selvästi lisättäessä karkeaa ruokohelpisilppua eri raaka-aineiden joukkoon. Kestävyydeltään erinomaisia pellettejä saatiin, kun raaka-aineena oli jyrsinturve, harvennusranka tai mäntypuru. Varsinkin jyrsinturpeen ja harvennusrangan seoksesta valmistetut pelletit osoittautuivat erittäin kestäviksi. Myös jyrsinturpeen ja ruokohelven sekä mäntypurun ja ruokohelven seoksien pelleteille määritettiin hyviä kestävyysarvoja. Männynkuoresta valmistetut pelletit jäivät Ligno-testauksessa kestävyydeltään alle 97,5 % rajan. Pääsyynä tähän oli kuoren pelletointiin käytetyn matriisin 8/40 mm liian lyhyet puristuskanavat.

Erikoispuristimen kehitys liikkuvalle raaka-ainerainalle

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle nopeasti ja ketterästi liikkuva, lävistyksiä ja muovauksia tekevä puristin. Laitteisto on tarkoitus liittää osaksi tuotantolinjaa, jossa suulakepuristin eli ekstruuderi tuottaa pehmeä, ei-metallista materiaalia katkeamattomasti. Teoriaosuudessa esitellään vaihtoehdot puristimen, ohjauksen, työkalun ja liikutuslaitteiston osalta. Empiriaosuudessa suoritetaan laitteiston eri komponenttien valinta hinnan, nopeuden, kestävyyden, käytettävyyden ja koon perusteella. Tutkimuksen lopussa arvioidaan laitteistokokonaisuuden nopeutta suulakepuristimen tuotaman materiaalin maksiminopeuteen. Laitteiston nopeuden rajoittavana tekijänä toimii puristimen iskunopeus, jonka perusteella suulakepuristimen tuottaman materiaalin etenemisnopeus joudutaan pudottamaan hieman alle puoleen tavoitteena olleesta nopeudesta. Laitteiston kestävyyden heikon kohta on työstöä tekevien komponenttien liikuttamiseen tarkoitettu laitteisto. Puristuslaitteistoa on tarkoitus käyttää kahdeksan tuntia päivässä, viitenä päivänä viikossa, 52 viikkoa vuodessa. Näiden käyttötietojen perusteella koko laitteiston käyttöikä on useita vuosia.