Wpływ warunków formowania wstęgi w części sitowej maszyny

MASZYNY I URZĄDZENIA
W p ł y w w a r u n k ó w f o r m o w a n i a w s t ę g i w c z ę ści
s i t o w e j m a s z y n y p a p i e r n i c z e j n a w ł a ś c i w o ści
p a p i e r ó w h i g i e n i c zny ch
A n E f f e c t o f S h e et For mation C onditions in Wire S ection
on T is s u e Proper ti es
M a r i u s z R e c z u ls k i , W ło d z i m i e r z S z e w c z y k
Dynamiczny rozwój rynku papierów higienicznych powoduje nie
tylko wzrost ilości produkowanych papierów, ale także stawia coraz
większe wymagania co do ich jakości.
Jednocześnie w produkcji tego rodzaju papierów można zaobserwować trendy związane z ekologią i zmniejszaniem kosztów
produkcji i zużycia surowców (1). Znaczna część papierów
higienicznych produkowana jest na bazie włókien wtórnych.
Stosowanie tańszych surowców i mniejszych gramatur sprzyja
zmniejszeniu zużycia materiałów i obniżeniu cen wyrobów. W tej
sytuacji osiągnięcie wysokiej jakości papierów wymaga zachowania wysokich reżimów technologicznych i utrzymania właściwego
stanu technicznego maszyn.
Konsumenci wymagają od wyrobów higienicznych odpowiednich
właściwości użytkowych zarówno w zakresie estetyki, jak i wytrzymałości. Cechy te są kształtowane w całym procesie produkcji
wyrobu finalnego, tzn. zarówno podczas wytwarzania jak i przetwarzania papieru, ale już dla poprawnego przebiegu procesów
przetwórczych wymagane są określone właściwości mechaniczne
surowca. Podstawowe z nich to odpowiednia przepuszczalność
powietrza, wytrzymałość i rozciągliwość w kierunku maszynowym
i poprzecznym, a w szczególnych przypadkach określony współczynnik ortotropii wytrzymałości lub rozciągliwości.
Powszechnie wiadomo, że wymagana w przypadku papierów
higienicznych „krepa” uzyskiwana jest w procesie suszenia na
cylindrze Yankee, a jej wartość może być regulowana poprzez
odpowiednie zróżnicowanie prędkości cylindra i nawijaka (2). Na
wiele cech struktury włóknistej, a w szczególności na grubość
i pulchność, wpływa proces prasowania. Ale na wytrzymałość
papieru na rozciąganie, jego rozciągliwość w kierunku poprzecznym, czy przezrocze największy wpływ ma formowanie wstęgi
w części sitowej (3). Właściwości te są w znacznym stopniu
zależne od charakteru ułożenia włókien, który po opuszczeniu
części mokrej jest już w zasadzie określony i w procesie suszenia
ulega niewielkim zmianom.
Słowa kluczowe: papiery higieniczne, właściwości użytkowe,
warunki formowania, anizotropia, listwy odwadniające, mokre
skrzynki ssące, rozkłady podciśnień, pulsacje ciśnienia
A dynamic growth of tissue market not only increases production
capacity but also quality requirements. Apart from that, in the
production of this paper grade we observe trends focused on
environmental protection and reduced costs of production and
consumption of raw materials (1). Significant volume of tissue
paper is manufactured from secondary fibres. Cheaper raw materials and lower grammage contribute to reduced consumption of
materials and lower prices for tissue products. In such situation,
to obtain high quality of paper, higher technological and technical
standards are required.
Consumers expect tissue products with high esthetical and
strength properties. These properties are formed in the entire
production process of a final product, i.e. during paper manufacturing and converting. However, to maintain efficient converting
processes, specific mechanical properties of raw materials are
required. The basic properties include air permeability, strength
and elasticity in machine and cross direction and, in some cases,
a specific index of strength or elasticity.
It is well known, that a crepe effect is obtained in drying process
on Yankee cylinder and its value can be controlled by a speed of
cylinder and winder (2). Various properties of fibrous structure,
especially thickness and bulkiness, are impacted by pressing
process. However, paper tensile strength, elasticity in cross
direction or transparency are mainly affected by sheet formation
in the wire section (3). These properties significantly depend on
the fibres formation type, which when leaving a dry end is almost
fixed and does not change much when being dried.
Keywords: tissue paper, properties, formation conditions, anisotropy, drainage foils, wet suction boxes, subpressure distribution,
pressure fluctuations
Dr inż. M. Reczulski, dr hab. inż. W. Szewczyk, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczańska 223, 90-924 Łódź
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
125
MASZYNY I URZĄDZENIA
Podstawowe parametry charak tery zujące pracę
części sitowej i wlewu
Jednym z parametrów charakteryzujących pracę wlewu jest
Kierunek biegu sita
Tarcie o brzegi
Tarcie o brzegi
wysokość szczeliny wypływowej. Jej wartość jest zależna od
gramatury papieru, który ma być produkowany, oraz od stężenia
masy we wlewie. Przy stałej gramaturze produkowanego papieru,
ze wzrostem stężenia masy powinna maleć wysokość szczeliny
wylotowej. Różnicowanie wysokości szczeliny na poszczególnych
Listwy odwadniające
odcinkach szerokości maszyny papierniczej jest wykorzystywane do
wyrównywania profilu gramatury w kierunku poprzecznym wstęgi
papieru. Jednakże regulacja szczeliny w jednym miejscu powoduje
zwykle zmiany gramatury w sąsiednich miejscach. Jest to wywołane
rozprzestrzenianiem się włókien przechodzących przez poszczególne
Rys. 2. Niewłaściwy rozstaw listew odwadniających (6)
Kierunek biegu sita
Tarcie o brzegi
miejsca szczeliny w szersze strumienie, które się ze sobą częściowo
mieszają, a także ugięciem górnej ścianki dyszy wylotowej na długości większej niż długość regulowanego odcinka, na którym dokonano
zmiany wysokości szczeliny. Utrudnia to poprawne wyregulowanie
Brakująca listwa Brakująca listwa
otwarcia szczeliny na całej szerokości maszyny (4).
Listwy odwadniające
W masie dostarczanej do wlewu można stwierdzić czasem
pulsacje ciśnienia, powodujące okresowe, krótkotrwałe wahania
gramatury wzdłuż wstęgi papieru. Wahania natężenia przepływu powstają w miejscach, gdzie na krótkim odcinku następuje gwałtowny
spadek ciśnienia. Przyczyną tego są gwałtowne zmiany kierunku lub
prędkości przepływu. Wykrycie źródła zakłóceń jest często bardzo
skomplikowane. Wymaga ono wyodrębnienia pewnej cykliczności
wahań gramatury papieru, której częstotliwość zgadzałaby się
z częstotliwością drgań poszukiwanego źródła zakłóceń (4).
Istotnymi parametrami wpływającymi na formowanie wstęgi
papieru są kąt i miejsce padania strumienia masy na sito. Kąt
wypływu strumienia ze szczeliny wylotowej β (rys. 1) zależny jest
głównie od położenia górnej i dolnej wargi urządzenia wylewowego
w stosunku do siebie.
Im bardziej górna warga jest cofnięta w stosunku do krawędzi
dolnej wargi, tym bardziej kierunek strumienia jest zbliżony do
poziomego. Odwrotnie, jeśli górna warga jest wysunięta do przodu
Rys. 3. Niekompletny zespół listew odwadniających
w stosunku do dolnej, wówczas strumień uzyskuje dużą prędkość
skierowaną ku dołowi, co może doprowadzić do zbyt intensywnego
początkowego odwadniania masy (4).
W zespole rejestrowym maszyny papierniczej zachodzą dwa
procesy mające zasadniczy wpływ na właściwości wytwarzanego
papieru, tj. formowanie i odwadnianie wstęgi. Strumień masy, wylewający się na sito ze szczeliny wlewu, jest formowany w mokrą
wstęgę, której struktura, utrwalona w wyniku dalszej jej konsolidacji
(prasowania, suszenia, gładzenia), decyduje o właściwościach
papieru. Proces zmiany strumienia zawiesiny w mokrą wstęgę
trwa bardzo krótko, dlatego jego przebieg powinien być ustalony
i regulowany bardzo precyzyjnie. Jednym z ważniejszych czynników
mających wpływ na te zjawiska jest współczynnik wyprzedzania
sita. Współczynnik wyprzedzania sita jest to stosunek prędkości
wypływu masy z wlewu do prędkości sita. Wywiera on decydujący
wpływ na stopień zorientowania włókien we wstędze (a więc i na jej
anizotropię) oraz wpływa na przezrocze papieru (5).
Niewłaściwy stan techniczny maszyny papierniczej nie tylko
pogarsza jakość produkowanego papieru, ale także powoduje
przedwczesne zużycie jej elementów.
Zbyt duże odległości pomiędzy listwami w części sitowej maszyny
papierniczej (rys. 2) lub usuwanie listew (rys. 3) powodują, oprócz
zaburzeń w formowaniu i odwadnianiu zawiesiny, zagłębienie się
sita poniżej powierzchni stołu. Efektem tego może być m.in. nierównomierny nacisk sita na powierzchnię listew. Największy nacisk
sita występuje wtedy na brzegach listew i w takiej sytuacji sito,
trąc o brzegi listew, powoduje ich przyspieszone zużycie. Znacznie
Rys. 1. Kąt padania strumienia masy na sito (4)
126
szybciej zużywa się również powierzchnia sita (6).
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
MASZYNY I URZĄDZENIA
Kierunek biegu sita
Kierunek biegu sita
Tarcie o brzegi
Tarcie o brzegi
Listwy
Tarcie o brzegi
Listwy
Skrzynki ssące
Skrzynki ssące
Rys. 4. Niewłaściwy rozstaw listew w mokrych skrzynkach ssących (5)
Poziom powierzchni
listew odwadniających
Listwy odwadniające
Rys. 5. Niewłaściwe ustawienie elementów odwadniających (5)
To samo dotyczy mokrych skrzynek ssących (rys. 4). Mokre
skrzynki ssące o listwach niewłaściwie rozstawionych powodują, że
podciśnienie wciąga sito do wnętrza skrzynki, tym samym rozkład
nacisku sita jest nierównomierny na powierzchni listew. Istotna
w tym przypadku jest również wartość podciśnienia w skrzynce
ssącej.
Nierównoległe ustawienie powierzchni listew odwadniających
oraz skrzynek ssących do powierzchni sita lub „przemieszczenie
się” ich podczas pracy (rys. 5) powoduje, przyśpieszenie zużycia
powierzchni. Zdarza się to, gdy listwy bądź skrzynki ssące nie są
ustawione dokładnie w poziomie lub też, gdy znajdują się na różniej
wysokości (5).
Rys. 6. Profil gramatury wzdłuż wstęgi papieru mierzony po stronie napędu
(SN), w środku (ŚR) i po stronie obsługi (SO)
Wymienione ujemne skutki niewłaściwego działania elementów
odwadniających powodują konieczność sprawdzania i korygowania
ich ustawienia.
Pulsacje ciśnienia
Źródłem zakłóceń profilu gramatury w kierunku wzdłużnym wstęgi
papieru mogą być pulsacje ciśnienia masy. Powodują one cykliczne
wahania gramatury oraz innych właściwości papieru. Pomiar pulsacji
ciśnienia masy wykonuje się w różnych punktach układu doprowadzenia masy, aby wykryć źródło zakłóceń.
Jako ilustracja wpływu pulsacji we wlewie na gramaturę papieru
mogą służyć wyniki pomiarów wykonanych w trakcie produkcji
papieru workowego o gramaturze 70 g/m2. Na podstawie przepro-
Rys. 7. Profil gramatury wzdłuż wstęgi papieru mierzony po stronie napędu
(SN), w środku (ŚR) i po stronie obsługi (SO)
wadzonych pomiarów stwierdzono występowanie wahań gramatury
(rys. 6), o częstotliwości pokrywającej się z częstotliwością pulsacji
w układzie jej doprowadzania do wlewu, a powodem wahań grama-
ciśnienia masy we wlewie. Wahania gramatury występowały w kie-
tury jest w tym przypadku niewłaściwe funkcjonowanie elementów
runku wzdłużnym wstęgi, przy częstotliwościach od 0,4 do ponad
odwadniających.
20 Hz, a ich maksymalna amplituda dochodziła do 4 g/m2 (przy
prędkości maszyny 300 m/min).
Współczynnik w yprzedzenia sita
Nie zawsze jednak powodem wahań gramatury są pulsacje masy.
Jednym z ważniejszych czynników mających wpływ na stopień
Na podstawie wyników pomiarów papierów tissue, zestawionych
zorientowania włókien we wstędze (a więc i na anizotropię papieru)
na wykresie na rysunku 7, można zauważyć duże wahania profilu
oraz na przezrocze papieru jest współczynnik wyprzedzania sita.
gramatury w kierunku maszynowym (MD) w poszczególnych
Na maszynie papierniczej produkującej papier tissue z prędkością
punktach pomiarowych na szerokości wstęgi. Na badanej długo-
700 m/min przeprowadzono badania mające na celu określenie
ści wstęgi (10 m) wahania gramatury w kierunku maszynowym
właściwości mechanicznych w płaszczyźnie papieru przy zmiennym
wynoszą ok. 3 g/m .
współczynniku wyprzedzania sita.
2
Charakter zmienności wzdłużnych profili gramatury (rys. 7) nie
wskazuje na występowanie regularnych pulsacji ciśnienia masy
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
Wyniki badań papierów wyprodukowanych w trakcie prób zestawiono na rysunkach 8 i 9.
127
MASZYNY I URZĄDZENIA
ściwe działanie elementów odwadniających, których wyniki badań
przedstawiono dalej.
Ustawienie elementów odwadniających
Wyniki pomiarów kątów odchylenia listew w analizowanej maszynie przedstawiono na rysunku 10. W większości przypadków można
stwierdzić, że zalecane na listwach wartości kątów odchylenia nie
pokrywają się z wartościami zmierzonymi. O rzeczywistym kącie
ustawienia listwy decyduje ustawienie korpusu, na którym umieszczone są listwy oraz podany kąt na powierzchni listwy. Dlatego też
różnice w kątach odchylenia badanych listew w stosunku do wartości
Rys. 8. Wytrzymałość na zerwanie w zależności od wartości współczynnika
wyprzedzania sita
podanych mogą być spowodowane odkształceniem korpusów.
Analizując wartości kątów odchylenia listew odwadniających
można zauważyć, że na początku części rejestrowej występują duże
kąty, co powoduje intensywne odwadnianie zawiesiny. Jest to niekorzystne dla jakości papieru. Odwadnianie na początku stołu sitowego
powinno być stosunkowo łagodne, a dalej bardziej intensywne.
W części rejestrowej badanej maszyny brakowało listew odwadniających, pomimo umieszczonych korpusów (rys. 11), co
powodowało duże zagłębienie się sita i nierównomierny nacisk sita
Rozciągliwość, %
na powierzchnię listew. Brak listew w części sitowej maszyny może
powodować również podrzut masy na krawędzi następnej listwy
i w konsekwencji złe formowanie zawiesiny.
Takie nieprawidłowości w części rejestrowej maszyny papierniczej
powodują duże zaburzenia podczas formowania i odwadniania masy
na sicie, czego konsekwencją może być zmienny profil gramatury
na szerokości papieru. Wyniki pomiarów przebiegu zmienności
gramatury na szerokości wstęgi papieru wytworzonej z masy makulaturowej pokazano na rysunku 12.
Zły stan elementów odwadniających ma istotny wpływ na właściwości mechaniczne papierów, co obrazują wyniki pomiarów
Współczynnik wyprzedzania sita
Rys. 9. Rozciągliwość papieru w zależności od wartości współczynnika
wyprzedzania sita
papierów tissue o gramaturze 18 g/m2. Na podstawie wykresów
rozciągania określono napięcie zrywające i rozciągliwość w kierunku
maszynowym (MD) i poprzecznym (CD) (rys. 13 i 14).
Zmniejszanie wartości współczynnika wyprzedzenia sita powinno
powodować, że ułożenie włókien we wstędze będzie się zbliżało do
rozciągliwość w kierunku poprzecznym (CD), maleć rozciągliwość
w kierunku maszynowym, a odwrotnie powinny się zmieniać wytrzymałości na rozciąganie w obydwu kierunkach. Jednak w zbadanym
przypadku uzyskano inne wyniki, co ilustrują wykresy pokazane na
rysunkach 8 i 9.
Przy wartościach współczynnika poniżej 0,97 zauważono wyraźne
Kąt nachylenia listwy, (°)
kierunku maszynowego (MD). W następstwie tego powinna rosnąć
pogorszenie przeźrocza oraz gwałtowny spadek wytrzymałości
i rozciągliwości. Poprawa przezrocza i właściwości mechanicznych
papierów, była zauważalna przy wartościach współczynnika powyżej
1,03. Powodem opisanego wpływu współczynnika wyprzedzenia
sita na podstawowe właściwości mechaniczne papieru było niewła-
128
Nr listwy odwadniającej
Rys. 10. Kąty odchylenia poszczególnych listew odwadniających (pomiary
w czasie postoju maszyny); SO – strona obsługi, SN – strona napędu,
W – zalecane wartości kątów na powierzchni listew
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
MASZYNY I URZĄDZENIA
Kierunek biegu sita
Tarcie o brzegi
Brakująca listwa
Listwy odwadniające
Rys. 11. Zaburzenia podczas formowania i odwadniania zawiesiny
Rozciągliwość, %
Sito
Zawiesina
Nr tambora
Napięcie zrywające, kN/m
Rys. 12. Przebieg zmienności gramatury na szerokości wstęgi papieru
Napięcie zrywające, kN/m
Rys. 14. Rozciągliwości w obu kierunkach badanych bibułek
Odległość od SO, m
Rys. 15. Rozkłady wytrzymałości na zerwanie na szerokości wstęgi
Nr tambora
Rys. 13. Wytrzymałość bibułek tissue na zerwanie w obu kierunkach
Na podstawie zaprezentowanych wyników można stwierdzić,
że rozciągliwość bibułek w kierunku poprzecznym we wszystkich
papierów w kierunku poprzecznym zazwyczaj zawiera się w przedziale 2–4% (8). To oznacza, że rozciągliwość papieru oscyluje
w okolicach dolnych wartości tego przedziału. Jednocześnie analiza
wytrzymałości na zerwanie badanych bibułek pokazuje, że jest
Rozciągliwość, %
badanych tamborach nie przekracza 3%. Wydłużenie tego rodzaju
ona podobna w obydwu podstawowych kierunkach (w przypadku
innych papierów stosunek wytrzymałości w kierunku wzdłużnym
do wytrzymałości w kierunku poprzecznym zwykle wynosi ok. 2:1).
Dlatego uzyskane wyniki sugerowały nietypowe ułożenie włókien
w badanych papierach.
W celu określenia zmian właściwości mechanicznych na szerokości wstęgi papieru, z jednego zwoju pobrano próbki z różnych
miejsc na szerokości maszyny. Wyniki pomiarów właściwości tych
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013
Odległość od SO, m
Rys. 16. Rozkłady rozciągliwości na szerokości wstęgi
129
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rozciągliwość w kierunku CD, %
W związku z brakiem podciśnienia, skrzynka odwadniająca
pełniła jedynie funkcję „podpory” sita na stole sitowym. Stosując zespół skrzynek ssących należy uwzględnić wartości
rozkładu podciśnienia w każdej skrzynce i zasadę, że „podciśnienie powinno wzrastać stopniowo”. Jest ona warunkiem
optymalnego odwodnienia wstęgi i oszczędności energii.
Pomiary przeprowadzone na wybranej maszynie papierniczej, produkującej papiery higieniczne z mas makulaturowych o gramaturze 40 g/m2 z prędkością 200 m/min,
Nr punktu pomiarowego
(punkty oddalone od siebie w kierunku MD o ok. 4 m)
Rys. 17. Zmienność rozciągliwości bibułki tissue w kierunku poprzecznym
wykazały niewłaściwy rozkład podciśnień w skrzynkach
ssących (rys. 18). Zespół składał się z ośmiu skrzynek
z podciśnieniami mieszczącymi się w zakresie 8 do 30 kPa,
przy czym najwyższe wartości podciśnień były w skrzynkach
próbek (wartości średnie z dziesięciu pomiarów dla danego punktu
pomiarowego na szerokości wstęgi) zamieszczono na rysunkach.
15 i 16.
Dla wszystkich punktów pomiarowych maksymalna i minimalna
wartość pomiaru rozciągliwości w kierunku poprzecznym wynosi
o nr 5, 6 i 7.
Jeżeli podciśnienie w dalszych skrzynkach jest niższe niż w poprzednich, to maleje efektywność procesu odwadnianie wstęgi.
Tracona jest także energia niezbędna do wytwarzania podciśnienia
oraz następuje wzrost obciążenia napędu sita.
odpowiednio 3,4% i 2,58%. Dość duży i nierównomierny rozrzut
Właściwe „ustawienie” i utrzymywanie parametrów eksplo-
wyników rozciągliwości w kierunku CD nie gwarantuje utrzymania
atacyjnych skrzynek ssących jest podstawowym warunkiem ich
wymaganych właściwości papieru nawet w bobinach wyprodukowa-
efektywnej pracy.
nych z jednego zwoju. Ponadto, w badanym papierze występowały
znaczne zmiany rozciągliwości w kierunku CD na długości wytwarzanej wstęgi, co ilustruje rysunek 17.
Przyczyną powstawania omówionych wad było nieprawidłowe
formowanie wstęgi w części sitowej analizowanej maszyny.
Wpł y w war tości i rozk ładu podciśnień na jakość
formowania i odwadniania
Wnioski
Aby osiągnąć wysokie wartości wskaźników jakości papierów
higienicznych potrzebne są nie tylko odpowiednie surowce włókniste
i parametry technologiczne, ale także odpowiedni stan techniczny
maszyny zapewniający poprawne: formowanie wstęgi w części
sitowej oraz jej prasowanie, suszenie i krepowanie.
Pomimo że ogólnie znany jest wpływ „geometrycznego usta-
Nie tylko źle działające listwy odwadniające w części sitowej
wienia” wlewu i elementów odwadniających w części sitowej na
powodują zaburzenia w formowaniu i odwadnianiu masy na sicie.
podstawowe właściwości fizyczne papierów, to jednak bardzo często
Mokra skrzynka ssąca niepodłączona do źródła wytwarzającego
ich ustawianie i regulowanie nie jest właściwe, co w konsekwecji
niskie podciśnienie w jednej ze zbadanych maszyn powodowała
powoduje obniżenie jakości produkowanych papierów.
wiele niekorzystnych zjawisk, takich jak:
- zużycie sita oraz powierzchni listew,
- zwiększone zużycie energii do pokonania sił tarcia pomiędzy sitem
a listwami.
Rys. 18. Wyniki pomiarów podciśnień w skrzynkach ssących
Literatura
1. Rogut R., Klepaczka A. :,,Tendencje w prasowaniu i suszeniu papierów
higienicznych”, Przegl. Papiern. 57, 10, 623-627 (2001).
2. Rogut R., Klepaczka A.: ,,Tendencje w prasowaniu i suszeniu papierów
higienicznych”; INPAP – Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Rogowiec 17–19 październik 2001.
3. Klepaczka A.: ,,Postęp w produkcji bibułek higienicznych – najnowsze rozwiązania techniczne Beloita”, Przegl. Papiern. 53, 5, 305-306
(1997).
4. Szwarcsztajn E.: „Technologia papieru, Cz. II”, Wydawnictwo przemysłu
lekkiego i spożywczego, Warszawa 1968.
5. Rogut R.: „Ćwiczenia laboratoryjne z maszyn i urządzeń papierniczych,
Cz. I”, Skrypt dla szkół wyższych, Łódź 1977.
6. Łachecki Cz., Witkowski Z.: „Obsługa sita maszyny papierniczej”,
Wydawnictwo przemysłu lekkiego i spożywczego, Warszawa 1955.
7. Paulapuro H.: ,,Paper and Board Grades ”– Book 18. TAPPI Press, Helsinki
2000.
8. Szwarcsztajn E.: „Właściwości wytworów papierniczych”, Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Przemysłu Papierniczego w Polsce,
Łódź 1988.
Praca recenzowana
130
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 69 · LUTY 2013