Factors Affecting Runnability of Press Forming Equipment

The growth of the food packaging industry has raised more interest in bio-based fibre packing. The use of petroleum based packages is unfriendly to the environment while bio-based is a sustainable option for food packing. In this Master Thesis the aim was to discover how the press forming machineries runnability is affected by parameters of the press and how it also affects formability of paperboard trays. Familiarisation of the working operation parameters was done with the KAMA ST 75 flat-bed die cutting machine and the VP3-70 mould press. Some small test runs of moulding trays where done to get acquainted to the adjustment parameters of the machines. Literature study was done on how paperboards physical properties react to the forces applied during press forming. The study of what kind of defects to the paperboard tray might occur during forming process and the causes for these defects. Also how the parameters of the press forming machine affects formability of the tray. Maintenance procedures was done to the press forming machine to enhance the reliably of production process. Tool alignment measurement was done to determine proper alignment. Laboratory test of the physical properties of the test material was done to find any connection to how the test material performs in press forming. An evaluation criterion was made to evaluate the dimensions and defects of the tray. From the test result a conclusion can be drawn on how the parameters of the press forming process affect the paperboard material. Based on the results the adjustment the parameters of moulding machines to the mechanical properties of paperboard it is possible to produce high quality fibre passed trays for the food packaging industry.

Influence Of AirContent On Board Properties

Työn tarkoitus oli testata kartonkikoneen lyhyen kierron ilmapitoisuuden merkitystä kartongin ominaisuuksiin. Aluksi työssä selvitettiin ilmapitoisuuden alkutilanne käyttäen kompressioilmiöön perustuvaa ilmapitoisuusmittaria. Sen jälkeen tehtiin kokeita käyttäen POMp-pumppua sekä vaahdonestoainetta. Tarkoituksena oli luoda yhteys prosessin ilmapitoisuuden ja lopputuotteen ominaisuuksien välille. POMp-kokeissa tutkittiin keskipakopumppauksen vaikutusta massan ilmapitoisuuteen. Tuloksista nähdään, että pintakerroksen ilmapitoisuus oli suurempi kuin taustakerroksen, mikä selittyy POMp-pumpun sijainnilla taustakerroksen lyhyessä kierrossa. Vaahdonestoainekokeissa saatiin myös vaikutuksia massan ilmapitoisuuteen. Vaahdonestoaineen lisäyksen jälkeen runkokerroksenilmapitoisuus laski, kun samanaikaisesti pinta- ja taustakerroksen sekä rejektisysteemin ilmapitoisuudet nousivat. Ilmapitoisuuden käytöksen syyksi paljastui lyhyen kierron yhteinen vesikierto ja nykyisille tuotantomäärille alimitoitettu ilmanpoistokapasiteetti. Vaahdonestoaineen lisäyksen jälkeen vedenpoisto parani ja ensimmäisillä kolmella runkokerroksen foililaatikolla havaittiin poistuvan veden virtausten kasvaneen. Samaan aikaan runkokerroksen viiraosan lopulla poistuvan veden virtaukset pienenivät. Kartongin ominaisuuksissa ei havaittu kuitenkaan eroa, vaikka vedenpoisto parani viiraosalla selvästi. Vaahdonestoainekokeiden aikana oli myös tavallista enemmän ajettavuusongelmia, kuten ratakatkoja. Prosessissa esiintyneitä ongelmia ja niihin reagoivia muutosehdotuksia esitellään myös. Vaikein ongelma oli ilman muodostuminen runkokerroksen lyhyessä kierrossa. Ratkaisu voisi koostua isommasta keskikerroksenvesilukkosäiliöstä ja runkokerroksen lyhyen kierron puhdistusveden uudelleen kohdentamisesta. Voisi myös olla hyödyllistä yrittää ilmanpoistoa kemikaalien avulla kiertoveden varastosäiliössä.

Enzyme convertedstarch in pigment coating

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää entsyymikonvertoinnin mahdollisuudet vaikuttaa sideainetärkkelyksen toiminnallisiin ominaisuuksiin. Tärkein tehtävä oli etsiä vastaukset kysymykseen, kuinka paljon entsyymikonvertointia optimoimalla voidaan maksimoida tärkkelyksen positiivisia vaikutuksia. Tavoitteena oli myös tutkia, voiko lisäaineita käyttämällä ja tärkkelystä plastisoimalla säilyttää tärkkelyksen vaikutus paperin jäykkyyteen ja saada tärkkelysfilmille joustavuutta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin tärkkelyksen entsyymikonvertointiin vaikuttavia tekijöitä, eri tärkkelysraaka-aineiden eroja, sekä konvertoinnissa käytettävien entsyymien ominaisuuksia. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myöstärkkelyksen käyttöä sideaineena pigmenttipäällystyksessä. Kokeellisessa osassakeskityttiin selvittämään entsyymikonvertoinnin olosuhteiden, käytettävän raakatärkkelyksen ja entsyymin vaikutusta konvertoidun tärkkelyksen ominaisuuksiin. Konvertoiduista tärkkelyksistä valmistettiin päällystyspastat, ja tutkittiin niinpastan kuin päällystetyn paperin ominaisuuksia. Myös erilaisten pehmentimien vaikutusta niin päällystyspastaan, kuin paperin pinnalle tutkittiin. Havaittiin, että konvertoimalla tärkkelysketjua entsymaattisesti, voidaan tärkkelysketjun pituutta säädellä. Tarkoituksena oli konvertoida tärkkelystä niin, että tärkkelyksen molekyyliketjujakaumat sisältävät lyhyitä, keskipitkiä sekäpitkiä molekyylejä. Päällystämisen havaittiin olevan vaikeaa Helicoaterilla varsinkin pitkäketjuista tärkkelystä suuren määrän sisältävillä pastoilla. Myös tärkkelys/lateksi-suhde vaihteli eri pastoilla. Päällystyspastojen reologisia ominaisuuksia testattaessa huomattiin, että tärkkelysketjun pituuden kasvaessa pastanviskositeetti lisääntyy ja vesiretentio vähenee. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin tärkkelysketjun pituuden kanssa. Näitä olivat kiilto, Gurley-Hill huokoisuus, taivutusvastus, taivutuspituus sekä IGT pintalujuus. Pehmentimien ei havaittu vaikuttavan moneenkaan paperin eri tekniseen ominaisuuteen. Suurimmat erot huomattiin paperin taivutuspituudessa ja taivutusvastuksessa.

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.

Spray coating technique asa surface treatment for woodcontaining paper grades

The objective of this work was to introduce the emerging non-contacting spray coating process and compare it to the existing coating techniques. Particular emphasis was given to the details of the spraying process of paper coating colour and the base paper requirements set by the new coating method. Spraying technology itself is nothing new, but the atomisation process of paper coating colour is quite unknown to the paper industry. The differences between the rheology of painting and coating colours make it very difficult to utilise the existing information from spray painting research. Based on the trials, some basic conclusion can be made:The results of this study suggest that the Brookfield viscosity of spray coating colour should be as low as possible, presently a 50 mPas level is regarded as an optimum. For the paper quality and coater runnability, the solids level should be as high as possible. However, the graininess of coated paper surface and the nozzle wear limits the maximum solids level to 60 % at the moment. Most likelydue to the low solids and low viscosity of the coating colour the low shear Brookfield viscosity correlates very well with the paper and spray fan qualities. High shear viscosity is also important, but yet less significant than the low shear viscosity. Droplet size should be minimized and besides keeping the brrokfield viscosity low that can be helped by using a surfactant or dispersing agent in the coating colour formula. Increasing the spraying pressure in the nozzle can also reduce the droplet size. The small droplet size also improves the coating coverage, since there is hardly any levelling taking place after the impact with the base paper. Because of the lack of shear forces after the application, the pigment particles do not orientate along the paper surface. Therefore the study indicates that based on the present know-how, no quality improvements can be obtained by the use of platy type of pigments. The other disadvantage of them is the rapid deterioration of the nozzle lifetime. Further research in both coating colour rheology and nozzle design may change this in the future, but so far only round shape pigments, like typically calcium carbonate is, can be used with spray coating. The low water retention characteristics of spray coating, enhanced by the low solids and low viscosity, challenge the base paper absorption properties.Filler level has to be low not to increase the number of small pores, which have a great influence on the absorption properties of the base paper. Hydrophobic sizing reduces this absorption and prevents binder migration efficiently. High surface roughness and especially poor formation of the base paper deteriorate thespray coated paper properties. However, pre-calendering of the base paper does not contribute anything to the finished paper quality, at least at the coating colour solids level below 60 %. When targeting a standard offset LWC grade, spraycoating produces similar quality to film coating, but yet blade coating being on a slightly better level. However, because of the savings in both investment and production costs, spray coating may have an excellent future ahead. The porousnature of the spray coated surface offers an optimum substrate for the coldset printing industry to utilise the potential of high quality papers in their business.

Päällystävän paperikoneen vesikiertojen mallinnus

Työssä mallinnettiin kevyesti päällystettyjä aikakauslehtipapereita valmistavan paperikoneen vesikierrot Balas-ohjelman avulla. Mallin avulla selvitettiin paperikoneelle suunniteltujen muutosten vaikutuksia haitallisten aineiden tasoihin, muihin mallinnettuihin parametreihin ja vedenkulutukseen. Mallin luotettavuutta testattiin käytännössä tehdyillä muutoksilla. Vesinäytteistä haitallisina aineina tarkasteltiin lipofiilisten uuteaineiden, kalsiumin, alumiinin, raudan, piin ja sulfaatin pitoisuuksia. Pohjapaperinäytteistä määritettiin lipofiilisten uuteaineiden sekä kalsiumin ja alumiinin pitoisuudet. Paperikoneelle suunniteltuja muutoksia olivat kiekkosuodattimien kirkkaan suodoksen käyttö viiraosan suihkuvetenä ja päällystyksen yhteydessä syntyvän pastajätteen käyttö pohjapaperin täyteaineena. Kirkkaan suodoksen käytön lisäämisellä pyrittiin vähentämään raakaveden käyttöä. Pastajäte sisältää arvokkaita raaka-aineita, jotka kannattaisi hyödyntää paperitehtaalla. Nykyisin pastajäte kuljetetaan läjitysalueelle. Balas-mallin todettiin mallintavan melko luotettavasti liuenneiden haitallisten aineiden pitoisuuksien sekä muista parametreista muun muassa sakeuden ja tuhkapitoisuuden muutoksia. Pastajätteen palautuksen mallinnuksessa haitallisten aineiden pitoisuudet laskivat prosessissa. Tämä toteutui koeajossa, koska jätepastasta suurin osa oli vettä, joka huuhtoi prosessia. Kirkkaan suodoksen käyttö suihkuvetenä ei nostanut epäorgaanisten haitallisten aineiden pitoisuuksia niin paljon kuin malli ennusti. Todennäköisesti haitalliset aineet saostuivat tai poistuivat tuotteen mukana prosessista. Kirkassuodos-koeajon aikana otetussa pohjapaperinäytteessä kiinteän kalsiumin pitoisuus oli 40 % ja kiinteän alumiinin pitoisuus 11 % korkeampi mutta uuteaineiden pitoisuus 20 % alhaisempi kuin referenssipohjapaperissa.

Filmipäällystimen nippitapahtuman vaikutus päällystyskoneen ajettavuuteen

Työn tavoitteena oli syventyä filmipäällystimen nippitapahtumaan ja siellä tapahtuviin ilmiöihin. Tämän lisäksi selvitettiin esipäällystysparametrien ja pohjapaperin merkitys filmipäällystimen ajettavuudelle. Erityisesti pyrittiin selvittämään päällystemäärän ja applikointitelojen momenttieron vaikutus ajettavuuteen sekä kiihdytysvaiheessa ilmenevien ajettavuusongelmien syntymekanismit. Työn kokeellinen osa jakaantui kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa pyritään löytämään lisäymmärrystä nippitapahtuman ilmiöille joita sitten hyödynnetään toisen osan koeajoissa. Staattisilla kuormituskokeilla tutkittiin telapinnan kokoonpuristumista ja suurnopeus-kamerakuvauksilla nipin geometriaa päällystyskoneen ajon aikana. Applikointitelojen momenttierokoeajoilla pyrittiin selvittämään paperiradan mahdollista luistoa nipissä. MCA-kosteuspitoisuusanalysaattorilla mitattiin nippitapahtuman muutosten vaikutusta filmipäällystimen paluufilmin ominaisuuksiin. Muuttelemalla päällystemäärää ja – jakaumaa sekä applikointitelojen momenttieroa selvitettiin esipäällystysparametrien vaikutus filmipäällystimen ajettavuuteen. Muokkaamalla pohjapaperin absorptiokykyä sekä pastan vedenpidätyskykyä tutkittiin nestepenetraation vaikutusta ajettavuuteen. Telapinnan kokoonpuristuman havaittiin olevan pieni eikä ajon aikana nipin geometriassa havaittu muutoksia. Paperiradan todettiin luistavan nipissä, mutta luistoilmiö oli huomattavasti pienempi mitä nopeuserolukemista voidaan päätellä. Kiihdytysvaiheessa havaittiin selviä muutoksia paluufilmissä, mutta ajon aikana paluufilmi pysyi lähes vakiona. Päällystemäärän todettiin olevan suurin yksittäinen tekijä filmipäällystimen ajettavuudessa ja siihen tulee kiinnittää erityistä huomiota filmipäällystimen kiihdytysvaiheessa. Aukirullauksen levitystelan vaihdon myötä todettiin pohjapaperiin kohdistuvilla kuormituksilla olevan myös suuri merkitys filmipäällystimen ajettavuudelle.

Rheology of high solids surface size starches

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pintaliimatärkkelysten reologista käyttäytymistä korkeissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Tarve työn suorittamiselle syntyi kun tutkittiin pintaliimausta filminsiirtopuristimella tavallista korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa, sileän sauvan ollessa applikointilaitteena. Koska applikointi sileällä sauvalla tapahtuu hydrodynaamisten periaatteiden mukaisesti, sen käyttö edellyttää pintaliimojen reologisten ominaisuuksien tarkkaa tuntemusta ja hallintaa.Kiinnostuksen kohteena olevat ominaisuudet olivat tärkkelysten kuiva-ainepitoisuuden (8 – 30 %) vaikutus viskositeettiin eri lämpötiloissa (20, 30, 40 ja 50 ºC), leikkausnopeus alueella 1 s-1 - 700 000 s-1. Myös tärkkelysten myötörajat määritettiin tutkimuksessa. Viskositeetti eri leikkausnopeusalueilla mitattiin seuraavilla laitteilla: Bohlin VOR (matalat leikkausnopeudet ja myötöraja) ja Hercules HiShear (keskitason leikkausnopeudet) reometrit sekä Eklund kapillaariviskometri (korkeat leikkausno-peudet). Analysoidut tärkkelykset olivat kaksi anionista matalaviskoottista peruna (tärkkelys A) ja ohra (tärkkelys C) tärkkelystä, sekä yksi kationinen korkeaviskoottinen peruna tärkkelys (tärkkelys B). Tutkittujen tärkkelysten Brookfield viskositeetit (100 rpm) olivat (10 % liuos, 60 °C:ssa) tärkkelys A ja C: 25 ± 5 mPas ja tärkkelys B: 100 ± 20 mPas.Tärkkelysliuosten kuiva-ainepitoisuuden noustessa muuttui virtauskäyttäytyminen Newtoniaalisesta leikkausohenevaksi. Leikkausoheneva käyttäytyminen oli voimakkainta tärkkelys B:n kohdalla. Viskositeetti – lämpötila riippuvuus korkeissa leikkausnopeuksissa (esim. 500 000 s-1) oli vähäisempää, mitä oli oletettavissa Brookfield viskositeettiarvojen perusteella. Kaikki tarkkelykset osoittautuivat tiksotrooppisiksi, myös tiksotrooppisuus lisääntyi kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa. Tärkkelysten myötörajat osoittautuivat odottamattoman alhaisiksi, kuitenkin varsinkin tärkkelys B:n myötörajat olivat selvästi riippuvaisia lämpötilasta ja kuiva-ainepitoisuudesta. Tutkittujen tärkkelysten virtauskäyttäytyminen oli kirjallisuudessa esitetyn kaltaista. Tärkkelysmolekyylien ketjun pituus oli tärkein tärkkelyksen reologisia ominaisuuksia määrittävä tekijä; mitä matalampi on tärkkelyksen molekyylimassa, sitä matalammat ovat viskositeetti ja myötöraja. Pintaliimauksessa tärkkelysmolekyylien ketjunpituudella on suuri vaikutus ajettavuuteen ja lopputuotteen ominaisuuksiin. Haasteellista pintaliimatärkkelyksen valinnassa on sellaisen yhdistelmän löytäminen, jossa sopivan reologisen käyttäytymisen omaava tärkkelys ja pintaliimatulle paperille tai kartongille asetetut vaatimukset kohtaavat.

Sellulinjojen rejektinkäsittelyn tehokkuuden arviointi

Työssä kartoitettiin sellulinjojen rejektinkäsittelyn toimintaa ja arvioitiin rejektinkäsittelyssä liikkuvan rejektin laatua. Tavoitteena oli arvioida rejektinkäsittelyn toiminnan hyvyyttä ja löytää mahdollisia ongelmakohtia. Toiminnan hyvyyttä arvioitiin rejektinkäsittelyn ajettavuuden, hallinnan ja käytettävyyden sekä rejektin laadun perusteella. Työn kirjallisuusosassa käsitellään yleisesti sellulinjoilla esiintyviä epäpuhtauksia ja kemiallisen massan lajittelua. Kirjallisuusosan pääpaino on sellulinjan ruskean massan lajittelun ja erityisesti lajittamon rejektinkäsittelyn esittelyssä. Rejektinkäsittelyosuus käsittelee nykyaikaiseen rejektinkäsittelyyn kuuluvia laitteita ja toimintoja sekä esittelee erilaisia rejektinkäsittelyjärjestelmiä ja –vaihtoehtoja. Työn kokeellisessa osassa arvioitiin kolmen sellutehtaan kuitulinjan rejektinkäsittelyn toiminnan hyvyyttä. Arvioitavat tehdaskohteet olivat Stora Enson Kaukopään sellutehdas, Botnian Joutsenon sellutehdas sekä UPM-Kymmenen Kaukaan sellutehdas. Tavoitteena oli selvittää ruskean massan lajittelun rejektinkäsittelyssä liikkuvan rejektin laatua, jonka perusteella toiminnan hyvyyttä voitiin arvioida. Tutkimus tehtiin siten, että tehdaskäyntien aikana otettiin arviointiin tarvittavat tehdasnäytteet sekä kerättin muu arviointiin tarvittava tieto. Tehdyn tutkimuksen perusteella saatiin kokonaiskuva kolmen nykyaikaisen sellutehtaan rejektinkäsittelyn toiminnasta. Työssä saatiin runsaasti tietoa rejektinkäsittelyyn ajettavan rejektin laadusta ja määristä sekä rejektinkäsittelylaitteiden toimivuudesta. Prosessista poistettavan rejektin määrän ja laadun selvittäminen oli tehtaille erityisen tärkeä asia selvittää. Kuitutappioiden muodossa prosessista poistettavan rejektin laadulla on myös jonkinlainen taloudellinen merkitys. Arvokasta tietoa saatiin myös prosessissa liikkuvista ja poistettavista hiekkamääristä. Yleisenä havaintona oli, että työhön kuuluneilla sellutehtailla rejektinkäsittely oli hyvin hallinnassa eikä suuria ongelmakohtia löytynyt.

Sellun kuivauskoneen ajettavuusongelman monimuuttujainen tarkastelu

Tässä työssä on tutkittu sellun kuivauskoneella koivusellua kuivattaessa esiintyvää ajettavuusongelmaa. Tähän ongelmaan on etsitty ratkaisua monimuuttujamenetelmien avulla. Työn kirjallisuusosassa on lyhyesti käyty läpi sellun kuivauskoneiden historia lieriöviirakoneista nykyaikaisiin kaksoisviirasovelluksiin. Lisäksi kirjallisuusosassa on käsitelty tässä työssä käytettyjen monimuuttujamenetelmien perusteet ja käyty esimerkin omaisesti läpi joitakin kemometrian sovelluksia puunjalostusteollisuudessa. Työn kokeellisessa osassa on haettu tiedonkeruujärjestelmästä massan ominaisuuksista ja kuivauskoneen ajoparametreistä koostuvaa dataa vuoden 1999 ajalta. Tästä datasta on tehty PCA-mallit vuoden 1999 jokaisen kuukauden datasta ja diskriminoiva PLS-malli ajettavuuden kannalta hyvästä ja huonosta jaksosta koostuvasta datasta. Kuivauskoneelta on koottu dataa myös ottamalla kiertovesi- ja selluarkkinäytteitä. Kiertovesinäytteiden analyysituloksista on tehty PCA-mallit ja lisäksi analyysitulokset on tarkasteltu yksimuuttujaisesti. Selluarkkinäytteistä on määritetty UV-spektrit ja niistä on tehty PCA-mallit, jotta spektreistä saataisiin mahdollisimman paljon informaatiota. Työssä on havaittu yhdeksi selitykseksi ajettavuusongelmalle kuivauskoneen kiertovesien likaantuminen. Kiertovesiä ja massarainan pintakemiaa tulisi kuitenkin tutkia laajemmassa mittakaavassa kuin tämän työn puitteissa on ollut mahdollista tutkia.

Paperikoneen märkäosan kemian hallinnan käytännön työkalut

Tämän työn lähtökohtana oli selvittää erään hienopaperikoneen merkittävimmät märkäosan kemian tasapainoon vaikuttavat tekijät. Työkaluina käytettiin WIC Compact -laitteistoa ja prosessin on-line -mittauksia. Näiden tuottaman informaation pohjalta tutkittiin tekijöiden vaikutusta paperikoneen ajettavuuteen tavoitteena löytää mahdolliset syy-seuraus -ilmiöt ja ennakoida näiden vaikutukset ennen paperikoneella tapahtuvia varsinaisia muutoksia. Kokeellisessa osassa mitattiin sameutta, varustilaa, alkaliteettia, pH:ta, lämpötilaa ja johtokykyä. Mittaukset tehtiin paperikoneen mänty- ja koivusellusta sekä hylkymassasta ja viiravedestä. Kokeellisen osan mittaustulosten perusteella havaittiin koivusellun uuteainepitoisuuden ja sameuden välillä olevan yhteyttä paperikoneen pihkaongelmiin. Katkotilanteet ajoittuivat usein prosessin pH- ja lämpötilavaihteluiden muutoskohtiin, missä pH ja lämpötila laskivat. Sen sijaan muutokset johtokyvyssä eivät olleet yhteydessä katkoihin. Optisen kirkasteen annostelumäärä vaikutti prosessin varaustilaan ja tapauksissa, missä varaustila selvästi kasvoi, kun optisen kirkasteen annostelua oltiin vähennetty, ilmeni ajettavuushäiriöitä. Muutokset PCC:n pH:ssa ja annostelussa näyttivät aiheuttavan perälaatikon pH-vaihteluita.

Characterisation of Hydrophobic Nonfibrous Material and Its Removal From Pulp Suspension

Paperin ja kartongin kierrätys lisääntyy taloudellisten intressien ja ympäristöhygieenisten tavoitteiden takia jatkuvasti. Lisääntyvän kierrätyksen myötä myös paperin ja kartongin epäpuhtauksien määrä kasvaa, mikä huonontaa kierrätysraaka-aineen laatua. Tämän työn tarkoituksena on antaa perustietoa eräästä kartongin päällystyksessä käytettävästä hydrofobisesta materiaalista, epäpuhtaan kartongin kierrätyksestä sekä ongelmista, joita epäpuhtaan kartongin kierrätyksestä syntyy. Kierrätyskuidun fraktiointi on yksinkertainen prosessi aallotuskartongin, testilainerin ja taivekartongin valmistuksessa. Kierrätysprosessin ensisijaisia tehtäviä ovat kuidutus ja epäpuhtauksien poisto sekä näiden epäpuhtauksien vaikutusten eliminointi, jotta kierrätysmassan laatuvaatimukset täyttyvät. Lisääntynyt epäpuhtauksien määrä raaka-aineessa asettaa vaatimuksia lajitteluprosessin kehittämiseksi. Nykyaikaisilla kierrätyslaitoksilla ei pystytä käsittelemään ylettömiä määriä epäpuhtauksia. Epäpuhtaudet aiheuttavat ongelmia ajettavuuteen ja heikentävät tuotteen laatua kierrätysprosessissa. Epäpuhtauksien poistoon on olemassa useita teknisiä ratkaisuja, mutta minkään niistä ei ole todettu täysin poistavan kaikkia ongelmia. Työn kokeellisessa osassa kartongin päällystykseen käytettävää hydrofobista materiaalia analysoitiin erilaisin menetelmin. Tutkittiin myös erilaisten olosuhteiden vaikutusta tämän materiaalin poistoon.

Erikoispaperin käyristymisen pienentäminen mittapysyvyyttä parantamalla

Diplomityössä on tutkittu Tervakoski Oy:n PK8:lla valmistettavan irrokepaperin mittapy-syvyysongelmaa. Tämä ilmenee asiakkaan jatkojalostusprosesseissa esim. silikonointi- ja liimausvaiheissa paperin huonona ajettavuutena. Työ pohjautuu PK8:lla suoritettavien tehdasmittakaavaisten koeajojen prosessiolosuhteiden ja mittapysyvyyttä kuvaavien analyysien tulosten tarkasteluun. Työn kirjallisuusosassa kerrotaan silikonointi- ja laminointiprosessin vaatimuksista irrokepaperille. Mittapysyvyyden teoreettista taustaa lähestytään puukuidun sorptio-ominaisuuksien tarkastelulla. Osassa perehdytään mm. paperin mittapysyvyyteen ja käyristymiseen vaikuttaviin eri tekijöihin. Osio sisältää myös katsauksen paperin mittapysyvyyden ja käyristymisen eri mittausmenetelmistä. Työn kokeellisessa osassa tarkastellaan PK8:n prosessiolosuhteiden vaikutuksia mittapysy- vyyden tasoon. Kokeellinen osa sisältää neljä tehdasmittakaavaista koeajosarjaa ja 23 eri koepistettä, joiden tarkoituksena on löytää PK8:lle mittapysyvyyden kannalta parhaimmat mahdolliset olosuhteet muiden laatuarvojen kärsimättä. Koesarjojen muuttujina on käytetty kuivatusviirojen kireyttä, konesuuntaista vetojännitystä sekä suihkusuhteen ja jauhatusasteen muutoksia. Lisäksi paperin käyristymiseen pyrittiin vaikuttamaan PK8:lla toispuoleisella kuivatuksella ja erilliskostutuskoneen toispuoleisella kostutusvesimäärällä. Koesarjojen prosessiolosuhteiden ja analyysitulosten perusteella PK8:lla muutettiin ajotapamallia jo työn kuluessa. Kokeellisen osan loputtua PK8:n tuotantolinjalle määriteltiin uusi ajotapamalli. PK8:n tuotantolinjalla valmistettavan glassiinin poikkisuuntainen kuivatuskutistuma aleni eräässä koesarjassa prosessiolosuhteiden muutosten myötä noin 13 %. Mittapysy-vyyttä kuvaavat kosteuslaajentuma, märkämuodonmuutos ja käyristyminen paranivat keskimäärin 11 %. Uuden ajotapamallin myötä PK8:n valmistaman irrokepaperin laatutaso on noussut, jolloin on jo nyt havaittu, että glassiinin ajettavuus on selkeästi parantunut asiakkaan jatkojalostusprosesseissa.

Sellun jälkilajittelun kehittäminen

Työn tavoitteena oli löytää painelajittimen roottorin keskeiset muuttujat ja ajoparametrit, kun pyritään jälkilajittelemaan valkaistua sellumassaa korkeassa sakeudessa, sekä näiden vaikutukset. Tavoitteena oli teknisesti onnistunut lajittelu korkeassa sakeudessa siten, että laitteen puhdistustehokkuus on hyvä, ominaisenergian kulutus on pieni ja kapasiteetti on korkea. Ensin tarkasteltiin kuitenkin teoreettisesti valkaistun sellumassan painelajittelun ongelmakenttää, keskeisten epäpuhtauksien poistoa jälkilajittelussa ja vertailtiin korkea- ja matalasakeuslajittelua. Lisäksi esiteltiin yleisellä tasolla koesuunnittelumenetelmien periaatteita ja menetelmiä sekä analyysiä so. mallinnus. Tätä taustaa vasten haluttiin myös kartoittaa ja esitellä painelajittimen keskeinen muuttujakenttä. Tämän jälkeen selvitettiin kokeellisesti miten ajettavan valkaistun mäntysellumassan sakeus, roottorin kehänopeus ja roottorin rakenteen muutokset vaikuttavat painelajittimen kapasiteettiin, rejektin sakeutumiskertoimeen, ominaisenergian kulutukseen ja puhdistustehokkuuteen. Vaikutusten ja parhaan roottorirakenteen sekä ajosuureiden määritys suoritettiin mallintamalla mittaustulokset lineaarisella regressioanalyysilla. Saatiin tärkeimmät vasteisiin vaikuttavat riippumattomat muuttujat ja niiden matemaattiset esityk-set, malliyhtälöt. Mallinnusta hyväksi käyttäen tarkasteltiin vielä erikseen yhden roottorin ajoa. Tärkeimpinä tuloksina saatiin selville, että puhdistustehokkuus on lähes vakio tietyllä roottorirakenteella riippumatta sakeudesta ja roottorin kehänopeudesta. Edullista puhdistustehokkuuden kannalta on käyttää ensisijaisesti isoa roottorin palaelementin korkeutta ja välystä suhteessa sihtirumpuun. Jälkilajittelu painelajittimella korkeassa sakeudessa kannattaa suorittaa pienellä roottorin kehänopeudella, runko- ja palaelementtivälyksellä suhteessa sihtirumpuun sekä suurella palaelementin korkeudella. Tällöin saavutetaan hyvä kompromissi ominaisenergian kulutuksen ja laitteen ajettavuuden osalta. Iso elementin korkeus ja pieni elementtivälys eivät aja massaa tehokkaasti laitteen alaosaan. Tällöin ei pyöritetä myöskään suurta massamäärää. Pieni elementtivälys mahdollistaa myös massan tehokkaamman leikkauksen, joka parantaa fluidisoitumista. Kitkavoimat ovat luonnollisesti ko. olosuhteissa suuremmat, joten ominais-energian kulutus kasvaa jonkin verran. Ratkaisevinta ominaisenergian kulutuksen kannalta on kuitenkin ajaa laitetta pienellä kehänopeudella.

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.