EXAMENSARBETE
2005:140 CIV
MARKUS KURU HENRIK SANDSTRÖM
Förbättring av styrning och kontroll av viskositet vid framställning av
dissolvingmassa vid Domsjö Fabriker AB
CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Industriell ekonomi
Luleå tekniska universitet
Institutionen för industriell ekonomi och samhällsvetenskap Avdelningen för kvalitets- och miljöledning
2005:140 CIV • ISSN: 1402 - 1617 • ISRN: LTU - EX - - 05/140 - - SE
Förbättring av styrning och kontroll av viskositet vid framställning av dissolvingmassa vid Domsjö Fabriker AB
Improvement of regulation and control of viscosity when producing dissolving pulp at Domsjö Fabriker AB
Examensarbete utfört inom ämnesområdet kvalitetsteknik vid Luleå Tekniska Universitet och Domsjö Fabriker AB i Örnsköldsvik
Av
Markus Kuru Henrik Sandström
Luleå 2005-04-27
Handledare:
Olaf Johannson, Domsjö Fabriker AB
Erik Vanhatalo, Luleå Tekniska Universitet
Förord
Vi vill framföra ett stort tack till dem som hjälpt och stöttat oss genom detta examensarbete.
• Olaf Johannson, vår handledare vid Domsjö Fabriker AB, för att han alltid varit tillgänglig att svara på frågor och funderingar om processen, samt för hjälp med att genomföra nödvändiga försök.
• Erik Vanhatalo, vår handledare vid Luleå tekniska universitet, för bland annat stöd och goda råd när inriktningen på arbetet förändrades drastiskt.
Tack riktas även till Roland Agnemo, Erik Karlsson och Håkan Östman, alla tre vid Domsjö Fabriker AB, samt Ronald Andersson vid Eurocon.
Vi skulle även vilja tacka personalen vid kokeriet för visat tålamod med frågor och upprepade försök.
Örnsköldsvik, april 2005
Markus Kuru och Henrik Sandström
Sammanfattning
Syftet med detta examensarbete var att förbättra styrning och kontroll av viskositeten vid tillverkning av dissolvingmassa i kokeriet vid Domsjö Fabriker AB i Örnsköldsvik. Genom att genomföra en försöksplanering skulle författarna bilda sig en uppfattning om vilka kokparametrar som styr viskositeten och hur dessa borde regleras för att minimera
viskositetens varians, som när arbetet inleddes var för hög. Problem stöttes på som gjorde försöksplaneringen omöjlig att genomföra. Två försöksplaner har dock upprättats. En av dessa undersöker bland annat faktorn flisfukt och är anpassad för laborationsmiljö, medan den andra försöksplanen, som inte tar hänsyn till flisfukt, kan genomföras både i laboratorium och i produktion. Den senare försöksplanen analyserar ett större antal faktorer.
Ett annat tillvägagångssätt för att förbättra styrningen av viskositeten var att utveckla en ny modell för hur kokvätskans färg utvecklas. Denna färg är direkt kopplad till viskositeten.
Under arbetets gång har följande undersökningar och beräkningar gjorts på detta område:
• Test av gammal modell för att se om denna kunde utvecklas vidare
• Försök att beskriva färgutvecklingen med två på varandra följande exponentialkurvor
• Anpassning av polynomialkurvor till kurvan för färgutvecklingen
Sedan färgmätningssystemet infördes vid Domsjö Fabriker AB har den allmänna
uppfattningen varit att färgutvecklingen är exponentialfördelad. Undersökningar gjorda under detta projekts gång visar att så inte är fallet. En lösning kan vara att dela upp kurvan eller att addera två funktioner.
Färgutvecklingen kan skattas med polynomiala funktioner. Kurvor av ordning fem följer färgkurvan väl från början till slut. Att inga samband kunde finnas mellan olika kurvor beror troligen på att en bakgrundsfärg bildas på grund av diverse faktorer, till exempel mängd återanvända kemikalier. Exakt vad bakgrundsfärgen består av borde utredas grundligt, till exempel genom en försöksplanerin. Dessutom bör tester genomföras för att se om färgkurvan kan skattas med hjälp av två adderade exponentialkurvor, varav en är avtagande.
Abstract
The aim of this thesis is to find a way to improve regulation and control of viscosity when producing dissolving pulp at Domsjö Fabriker AB in Örnsköldsvik. By carrying out a designed experiment it would be determined which variables affect the varition of the viscosity, and how to regulate them in order to minimize that variation. During the course of the project, a problem was encountered that made it impossible to complete the experiment.
Even so, two experiments have been designed. One of them investigates the effect of the moisture of the wood chips and is suited for a laboratory. The other experiment, which does not investigate the effect of the moisture of the wood chips, can be carried out both in a laboratory and in production. The latter experiment analyzes a larger number of production factors.
Another way to improve the regulation of the viscosity was to develop a new model to describe how the colour of the fluid evolves. This colour is directly linked to the viscosity.
During the course of the project, the following investigations and calculations have been made in order to create such a model.
• Examination of the old model to determine whether this could be developed further
• Attempts to describe the development of the colour with two consecutive exponential curves
• Conforming polynomial curves to the curve describing the colour development Since the colour measuring system was implemented at Domsjö Fabriker AB the public understanding has been that the colour development is exponentially distributed. Tests carried out during the course of this project have shown that this is not the case. A possible solution could be to divide the curve into segments or to describe the colour with two added functions.
Curves of the fifth order can be used to approximate the colour development. No connections could be found between different curves. This problem is most likely caused by some sort of background colour which is formed by various factors, for instance recycled chemicals. It should be thoroughly analyzed what the background colour consists of, for instance by performing a designed experiment. Furthermore tests should be carried out in order to
determine whether the development of the colour can be estimated by two added exponential curves, one of which is regressive.
Innehållsförteckning
1. INTRODUKTION ... 2
1.1FÖRETAGSPRESENTATION... 2
1.1.1 Processen ... 2
1.1.2 Produkter ... 3
1.2BAKGRUND... 3
1.3PROBLEMBESKRIVNING... 3
1.4SYFTE... 4
1.5AVGRÄNSNINGAR... 4
2. METOD ... 5
2.1FORSKNINGSANSATS... 5
2.1.1 Induktiv eller deduktiv ansats ... 5
2.2UNDERSÖKNINGSANSATS... 5
2.3UNDERSÖKNINGSMETOD... 5
2.3.1 Kvalitativa metoder... 5
2.3.2 Kvantitativa metoder... 6
2.3.3 Valda undersökningsmetoder... 6
2.4DATAINSAMLING... 6
2.4.1 Sekundärdata från databaser ... 6
2.4.2 Intervjuer ... 7
2.4.3 Enkätundersökningar ... 7
2.5VALDA ANALYSMETODER... 8
2.5.1 Försöksplanering... 8
2.5.2 Reducering av faktorer... 9
2.5.3 Kurvanalyser... 9
2.6RELIABILITET OCH VALIDITET... 10
2.6.1 Reliabilitet ... 10
2.6.2 Validitet ... 10
3. TEORETISK REFERENSRAM ... 11
3.1SULFITKOKNING... 11
3.1.1 Steg ett ... 11
3.1.1 Steg ett ... 12
3.1.2 Steg två ... 12
3.2PRINCIPALKOMPONENTANALYS,PCA... 12
3.3FÖRSÖKSPLANERING... 13
3.3.1 Robust design enligt Taguchi... 14
3.4FÄRGMÄTNING... 15
3.4.1 Nuvarande modell för färgutvecklingen ... 15
3.5FÄRGMÄTARE... 16
3.5.1 Bakgrund ... 16
3.5.2 Uppbyggnad... 16
3.5.3 Mätprocess... 16
3.5.4 Styrsystem ... 17
4. RESULTAT OCH ANALYS... 18
4.1PRINCIPALKOMPONENTANALYS... 18
4.2SAMBANDSGRAFER... 18
4.3FÖRSÖKSPLANERING... 20
4.3.1 Taguchi ... 20
4.3.2 Nivåval... 21
4.4MODIFIERING AV MODELL FÖR FÄRGUTVECKLINGEN... 22
4.4.1 Test av ursprunglig modell ... 22
4.4.2 Tidssamband ... 22
4.4.3 Exponentialkurvor ... 23
4.4.4 Polynomiala kurvor... 24
5. SLUTSATSER... 25
5.1FÖRSÖKSPLANERING... 25
5.2FÄRGKURVOR... 25
5.2.1 Den ursprungliga modellen... 25
5.2.2 Exponentialkurvor ... 25
5.2.3 Polynomialkurvor ... 26
5.2.4 Bakgrundsfärg... 26
5.2.5 Färgmätare ... 26
5.3SAMMANFATTNING AV SLUTSATSER... 27
6. DISKUSSION ... 28
6.1PROBLEM UNDER ARBETETS GÅNG... 28
6.1.1 Databaser ... 28
6.1.2 Brist på tidigare forskning ... 28
6.2VALIDITET OCH RELIABILITET AV DATA... 28
6.3VÄRDERING AV VALDA METODER... 29
6.3.1 Försöksplanering... 29
6.3.2 Principalkomponentanalys ... 29
6.3.3 Sambandsgrafer ... 29
6.4FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE... 30
6.4.1 Avtagande kurvor ... 30
6.4.2 Kontroll av flisblandning ... 30
REFERENSLISTA BILAGOR ANTAL SIDOR Bilaga A: Typiska kokbetingelser 1
Bilaga B: Sammanfattning av principalkomponentanalysen 1
Bilaga C: Överlagringsmönster 1 Bilaga D: Försöksplan enligt Taguchis modell 1 Bilaga E: Sammanfattning tidssamband 1 Bilaga F: Fördelningstester 1 Bilaga G: Exponentialkurvor 5 Bilaga H: Sammanfattning exponentialkurvor 1 Bilaga I: Polynomialkurvor 4 Bilaga J: Missivbrev 1 Bilaga K: Enkät 1
1. Introduktion
I detta kapitel beskrivs företaget, dess produkter och process. Vidare beskrivs det aktuella problemet, samt syfte och avgränsningar
1.1 Företagspresentation
Domsjö Fabriker AB, tidigare MoDo, är beläget 2 kilometer utanför Örnsköldsvik och är ett av två sulfitbruk i Sverige. Domsjö sulfitbruk grundades 1903 av Frans Kempe och producerade oblekt pappersmassa fram till 1923 då det första blekeriet togs i drift. Under de första tio åren expanderade verksamheten kraftigt och försäljningen tredubblades. I mitten av 1930-talet introducerades dissolvingmassaproduktion och denna massa blev snart Domsjös huvudprodukt. I början av 1970-talet sjönk produktionen av denna massa kontinuerligt och 1979 lades den ner helt och hållet av miljöskäl. Men i mitten på 1980-talet genomfördes ett flertal åtgärder för att reducera utsläppen från bruket. Till exempel infördes ett biologiskt reningssteg. Forskningen inom detta område fortsatte och i slutet på 1990 blev Domsjö värdens första massafabrik som totalt kunde sluta sin blekningsprocess, vilket innebar att alla ämnen som användes i blekningen kunde tas till vara. Under våren 1993 återupptogs produktionen av dissolvingmassa. Andelen dissolvingmassa uppgick 1999 till 55 procent av produktionen. (www.domsjoe.com)
I oktober 1996 förklarade MoDo-koncernen att sulfitfabriken skulle läggas ner. Ett beslut som förändrades när fabriken något senare förklarades till salu. Den 1 januari sålde MoDo- koncernen fabriken till ett privat konsortium. Bakom konsortiet stod sex privatpersoner som förklarade att man ville satsa på att vidareutveckla fabriken i framtiden. (www.domsjoe.com) Fabriken har cirka 380 anställda varav ungefär 180 är skiftgående personal. Produktionen för år 2004 planeras att uppgå till ca 200 000 ton. (www.domsjoe.com)
1.1.1 Processen
Domsjös tillverkningsmetod för sulfitmassa skiljer sig i två avseenden från andras; de använder en teknik som kallas tvåstegskokning och blekningsprocessen är klorfri. Tack vare tvåstegskokningen kan Domsjö koka bort mer lignin1 än vad andra fabriker gör utan att massakvaliteten försämras. Blekningen av massan görs med hjälp av väteperoxid. Trots det blir massan lika vit som tidigare när klorblekning användes. Det har ingen i världen lyckats med före Domsjö massafabrik. (www.domsjoe.com)
Domsjö använder sig av drygt en miljon kubikmeter ved för en årsproduktion av massa.
Veden barkas i en 48 meter lång trumma och huggs till centimeterstor flis som matas in i kokeriet. I första koksteget blandas flisen med natriumsulfit, värms till cirka 150 grader och kokas i två timmar. I andra steget tillsätts svaveldioxid varefter koket fortsätter i ytterligare fem timmar. Därefter följer en tvätt där fibrerna skiljs från kokvätskan som nu innehåller lignin och kemikalier. Vedämnena i kokvätskan bränns i två stora sodapannor. På så sätt tillvaratas energi och kemikalierna återvinns. Därefter sker blekning med väteperoxid.
Eftersom endast väteperoxid och natronlut används som blekkemikalie kan samtliga vätskor från blekeriet återvinnas (slutet blekeri). (www.domsjoe.com)
1 Bindemedel i veden
3
1.1.2 Produkter
Domsjö producerar i nuläget tre olika typer av massa;
Domsjö ECO Bright
Pappersmassa som passar för produktion av bland annat skriv- och tryckpapper samt toalett- och hushållspapper.
Domsjö Dissolving Plus
Dissolvingmassa av extra hög kvalitet som används för produktion av bland annat mikrokristallincellulosa (MCC) till medicinska applikationer, t ex bindemedel i tabletter.
Domsjö Dissolving
Dissolvingmassa som används till bland annat cellofan (plastfolie) och korvskinn.
1.2 Bakgrund
Domsjö har många olika krav från kunden på massans egenskaper, då den används inom så många skilda områden. Till exempel tillverkas massa med viskositet, det vill säga
fiberlängden hos cellulosan, från allt mellan 400 ml/g till 900 ml/g. Oavsett målvärde på viskositeten får massan inte avvika mer än ± 35 ml/g. Kundkraven skiljer sig kraftigt ifrån varandra då produkten skall användas i två helt olika avseenden som till exempel MCC och Cellofan då det gäller dissolvingmassa2, och skriv- och toalettpapper för pappersmassa. Då en stor variation på produktens egenskaper efterfrågas, är det av yttersta vikt att
kvalitetsstyrningen sker på ett noggrant och tillförlitligt sätt. Om massan som tillverkas avviker alltför mycket från sitt målvärde går det i nuläget vanligen att sälja produkten till en annan kund med andra kvalitetskrav. Marknaden är dock något begränsad och det finns ingen garanti för att någon är villig att köpa den felaktiga massan. Problem uppstår även om
produkten kan säljas till en ny kund. Massan är redan producerad och kan inte lagras hur länge som helst. Detta är den nya kunden fullt medveten om och försäljningspriset blir därför lägre. Domsjö planerar dessutom att i framtiden att utöka sitt produktsortiment, vilket
kommer att medföra att det inte kommer att finnas köpare till misslyckad massa vars viskositet ligger utanför det tidigare nämnda intervallet. (Östman, 2004)
1.3 Problembeskrivning
Domsjös produkter har alla olika krav gällande viskositeten på massan. Företaget har genomgående haft problem med att träffa målvärdena för denna. Man har genom diverse åtgärder, till exempel införande av optisk mätning av färgutvecklingen under kokförloppet, i stort sett halverat spridningen för viskositeten, men denna är fortfarande hög. Den höga spridningen beror troligtvis på faktorer såsom variationer i vedfukt och kokvätskans sammansättning, men även andra okända faktorer kan ha inverkan. Ett annat redan känt problem är att färgutvecklingsmodellen för koken med största sannolikhet inte är helt korrekt.
Modellen används för att beräkna när det aktuella koket skall nedgasas, det vill säga avslutas.
Då färgutvecklingen är mycket stark i slutet av ett kok föreligger en mycket stor risk för felaktig viskositet om koket gasas ned för sent eller för tidigt. Problemet förstärks av att färganalysatorerna visar olika värden för samma prov vid låga färgvärden. En modell som
2 Dissolvingmassa är en högkvalitativ massa som består endast av cellulosa, vilken är den starkaste fibern i veden. Resterande beståndsdelar har i stort sett eliminerats i kokförloppet.
bättre beskriver utvecklingen skulle medföra bättre prediktering av tidpunkten för nedgasning och därmed också bättre viskositetsprecision.
1.4 Syfte
Syftet med arbetet är att i första hand analysera loggade processparametrar rörande kokbetingelser, och med hjälp av tillgängliga verktyg utröna vilka samband dessa har med viskositeten. En modell för styrning av kokprocessens parametrar skall också utformas.
Dessutom skall en mer exakt modell för hur färgen utvecklas i ett kok tas fram.
1.5 Avgränsningar
Då pappersmassa skall produceras styrs koken efter Kappatal, det vill säga mängden lignin kvar i massan. Styrningen av koken blir därför annorlunda jämfört med kok av dissolvingmassa då så mycket som möjligt av ligninet kokas bort. Då styrningen med hjälp av kappatal fungerar bra önskar företaget endast förslag på lösning rörande problemet med dissolvingmassa. Därför kommer endast kok av denna massa analyseras.
För att förhindra att datainsamlingen drar ut för mycket på tiden och för att inte överbelasta mätinstrumenten väljs att analysera data från tre kokare och sedan låta resultaten representera samtliga kokare.
5
2. Metod
Här beskrivs de metodval som gjorts och de tekniker som använts för att samla in data för att uppfylla syftet.
2.1 Forskningsansats
2.1.1 Induktiv eller deduktiv ansats
Ett forskningsproblem kan angripas på ett deduktivt eller induktivt vis. Ett induktivt angreppssätt innebär att forskaren försöker förvärva generaliserbar data, utifrån observationer i verkligheten, och att med hjälp av dessa skapa relevanta teorier. Med en deduktiv ansats utgår forskaren från befintliga teorier jämför hur väl dessa stämmer överens med de hypoteser som hämtats från verkligheten. (Eriksson & Wiedersheim-Paul, 1987)
Detta examensarbete har utgått ifrån både den induktiva och den deduktiva ansatsen. Detta då arbetet inleddes med att undersöka redan framtagna modeller samt att fortsätta arbeta med den redan presenterade teorin kring det berörda ämnet. Arbetet har även behandlats enligt den induktiva ansatsen då nya fördelningar och modeller tagits fram utifrån observationer i processen.
2.2 Undersökningsansats
Undersökningsansats har att göra med en undersöknings grundläggande tekniska utformning.
Beroende på vilken ansats forskaren väljer kan denne bestämma om undersökningen ska gå på djupet eller bredden. (Lekvall & Wahlbin, 1987)
De olika undersökningsansatser en forskare kan välja mellan är exempelvis fallstudie, survey och experimentell undersökning. Syftet med en fallstudie är att ta en liten del av ett stort förlopp och med hjälp av fallet beskriva verkligheten. Nackdelen med denna typ av studie är att ett ensamt fall aldrig fullt ut kan representera verkligheten. Det betyder att man måste vara försiktig med de slutsatser man drar. (Ejvegård, 1996)
Detta arbete har genomförts i form av en fallstudie. Domsjö använder i sin process ett stort antal kokare och det skulle därför ha blivit alltför resurskrävande att undersöka allihop. Därför valdes endast tre av dessa kokare ut för analys. Resultaten av analysen kan sedan appliceras på samtliga kokare.
2.3 Undersökningsmetod
De metoder som används för att lösa problem delas normalt in i två klasser; kvalitativa och kvantitativa metoder. (Holme & Solvang, 1997)
2.3.1 Kvalitativa metoder
När informationen som skall analyseras kommer från skriven text eller verbala källor är det vanligen lämpligt att analysera denna med hjälp av kvalitativa metoder. Om något ska beskrivas, förstås eller om samband och strukturer ska identifieras är det också fördelaktigt att använda sig av denna typ av metoder. Det är forskarens tolkningar och slutsatser som står i centrum, vilket innebär att materialet inte bör omvandlas till graderbara variabler. (Holme &
Solvang, 1997)
Fördelen med detta angreppssätt är att undersökaren får en helhetsbild av ett område och därigenom djupare förståelse för detsamma. Nackdelen är att resultatet av undersökningen inte alltid motsvarar den optimala lösningen då det är grundat på undersökarens egna tolkningar. (Holme & Solvang, 1997)
2.3.2 Kvantitativa metoder
Kvantitativa metoder används vanligen för att behandla information som består av siffror eller graderbara variabler. Angreppssättet går ut på att omvandla all indata till siffror så att en statistisk bearbetning och analys av materialet kan göras. Syftet med en kvantitativ undersökning är att forskaren skall få en förklaring eller en gemensam nämnare till ett existerande fenomen. (Holme & Solvang, 1997)
Fördelen med denna typ av metod är att resultatet vanligen blir exakt. En nackdel kan vara att materialet som används för analys ibland blir ytligt. (Holme & Solvang, 1997)
2.3.3 Valda undersökningsmetoder
De metoder som användes och som beskrivs nedan är av uteslutande kvantitativ karaktär, förutom intervjuer som är en kvalitativ metod och användes för att få fram nödvändig information för genomförandet av resterande metoder. Målet var genomgående att uppnå syftet med arbetet genom beräkningar och statistisk analys, varför ett val av denna typ av metoder var nödvändigt.
2.4 Datainsamling
Insamlad data kan delas in i två klasser; primär- och sekundärdata.
Primärdata är data som samlats in på egen hand för det aktuella undersökningsändamålet. Den kan samlas in genom observationer, enkäter och intervjuer.
(Holme & Solvang, 1997)
Insamling av sekundärdata innebär att forskaren utgår från data
som insamlats tidigare, men i annat syfte. Exempel på sådana data kan vara arkivmaterial, statistik, databaser, litteratur, tidningar och tidskrifter. Ett problem med denna typ av data är att material som insamlats utgått från ett annat syfte och andra definitioner. (Holme &
Solvang, 1997)
2.4.1 Sekundärdata från databaser
Vid Domsjö Fabriker AB används ett datasystem (WinMOPS), vilket loggar processparametrar, exempelvis flöden och koncentrationer, ute på fabrikens olika avdelningar.
Datasystemet hämtar kontinuerligt in data från fabriken samt de olika laboratoriernas prover.
WinMOPS har körts sedan år 2000 och alla värden finns sparade sedan starten.
I kokeriet finns även ett datasystem som mera ingående behandlar parametrar som berör kokeriet och dess avdelning. Dessa värden sparas sedan som Access-filer vilka viss personal får tillgång till. Då arbetet behandlar problemet med viskositetsstyrning i kokeriet hämtades den data som bearbetades ur dessa Access-filer. Ett problem som uppstod var dock att systemet ibland hade blivit strömlöst vilket fått den inverkan att värden saknades för vissa tidsperioder, vilket gav att komplettering med hjälp av WinMOPS behövdes. Värdena hämtades från WinMOPS och lades till i databasen.
Datan som valdes för analys från Access-filerna sträckte sig från 15 april, 2003 till 10 september, 2004. Anledningen till att dessa datum valdes är att det saknades loggdata för
7
februari till mars samt 80 dagar mellan april och juli. Därför lades några månader till analysen för att få data för ett helt år. Tanken var att verifiera resultaten från försöken med hjälp av värden från kok under tidsperioder före och efter den redan analyserade perioden.
Den data som beskrivits ovan tillhör klassen sekundärdata. Materialet uppfyllde syftet med denna undersökning, men det var inte med anledning av svårigheter med viskositetsstyrning som systemet upprättades.
All den resterande data som inte beskrivits här klassas som primärdata. Inget material från tidigare forskning på området fanns tillgängligt, varför det var nödvändigt att samla in ny data.
2.4.2 Intervjuer
För att genomföra en intervju behövs det noggranna förberedelser om en önskan att få ett bra resultat finns. Ett huvudspår bör följas igenom hela intervjun för att få svar på så mycket som möjligt rörande de förutbestämda frågorna. Om inget huvudspår bestäms i förväg kan det få följderna av att intervjun har gett en hel del svar, men inte svar på de frågor som var tänkta att få svar på från början. (Häger, 2001)
I de flesta fall kan det vara lämpligt att presentera intervjuunderlaget för den som ska intervjuas i förväg, så att denne har möjligheten att studera frågorna och tänka igenom sina svar i förväg. Om man ger den intervjuade denna möjlighet att förbereda sig bidrar det till att huvudspåret följs automatiskt då inga utsvävande svar fås. (Häger, 2001)
Intervjun kan genomföras av en eller flera personer förutsatt att något väsentligt ligger till grund för att mer än en skall intervjua. En viktig sak som man bör tänka på i början av en intervju är att försöka skapa ett förtroende mellan den som intervjuar och den person som intervjuas. Två sätt som kan tillämpas då en intervju skall genomföras är att antingen använda sig av direkta eller indirekta frågor. Direkta frågor fungerar så att man ställer fråga för fråga till den som intervjuas som får ge sitt svar, indirekta frågor bygger på att man har ett samtal med den som skall intervjuas kring frågorna vilka sedan bockas av en efter en. En fördel med den indirekta metoden är att man möjligtvis kan få fram information som inte kommit fram vid direkta frågor, en nackdel kan vara att den inte ger några raka svar. (Jacobsen, 1993) Telefonintervju och personliga intervjuer är två typer som kan användas då det gäller intervjuer. Om korta och raka frågor skall ställas så fungerar det bra med telefonintervjuer, men längre och lite mer problematiska frågor görs med fördel en personlig intervju.
(Jacobsen, 1993)
De intervjuer som gjorts i detta arbete är gjorda helt enligt den indirekta intervjutekniken.
Detta då frågorna ofta varit lite vaga och en diskussion med respondenten har önskats.
Personliga intervjuer har använts då frågorna som ställts krävt djupa svar med kraftiga utsvävningar samt många följdfrågor. En förhoppning som fanns med valet av den indirekta metoden var att få reda på så mycket som möjligt kring frågorna då processen är relativt komplex och mycket kunskap fanns hos respondenterna.
2.4.3 Enkätundersökningar
Enkäter är en skriftlig utfrågning av en specifik målgrupp. Enkäten är ett formulär med frågor som skickas till undersökningspersonernas bostad, arbete eller dylikt. Enkäter är standardiserade med likalydande frågor som ställs i samma ordningsföljd. Frågorna kan vara ställda som flervalsfrågor eller som öppna frågor. Öppna frågor ger respondenten möjlighet
att formulera svaret själv, dock ger denna sorts frågor mera efterarbete. (Hansagi & Allebeck, 1994)
Fördelen med att använda sig av enkäter istället för intervjuer är främst att möjligheten till att få ett större antal respondenter samt att anonymitet finns. Enkäter kräver mindre tid än intervjuer samt att en stor spridning geografiskt kan fås. Risken att den intervjuade blir påverkad av intervjuaren elimineras med hjälp av enkätutfrågning. Nackdelar med enkäter kan vara att ingen förklaring kan ges om respondenten inte förstår frågan vilket kan leda till
”felaktiga” svar. (Hansagi & Allebeck, 1994)
Den enkät som upprättades under detta arbetes gång baserades uteslutande på öppna frågor.
För att undvika att syftet med enkäten skulle missförstås delades den ut personligen av författarna. Med enkäten bifogades även ett missivbrev med en kort förklaring, samt examensarbetarnas telefonnummer
2.5 Valda analysmetoder
2.5.1 Försöksplanering
Redan innan arbetet inleddes var planen att genomföra en försöksplanering för att identifiera aktiva faktorer i massakoken. Detta då denna metod dels ansågs vara den mest effektiva och dels var den som redan behärskades. Då det är mycket svårt att variera ett stort antal faktorer samtidigt utan att riskera att massan förstörs, var den ursprungliga tanken att genomföra en fiktiv försöksplanering, alltså en försöksplanering där nivåer bestäms utifrån kok som redan gjorts, på faktorer utvalda i samråd med kokarmästare samt annan berörd personal. Denna idé förkastades dock på ett tidigt stadium av två anledningar; höga och låga nivåer var mycket svåra att sätta på grund av stora variationer i mätdata samt att mängden faktorer ej gick att reducera till ett hanterbart antal utan att riskera eliminering av aktiva faktorer. Istället genomfördes en principalkomponentanalys för att sålla bort ej påverkande faktorer och sedan om möjligt optimera processen med hjälp av försöksplanering. Problemet med nivåval kvarstod dock.
Det stod redan från början klart att det skulle bli en ganska kraftigt reducerad försöksplan, dels på grund av det stora antal faktorer som skulle undersökas och dels på grund av att handledare vid Luleå tekniska universitet givit rådet att inleda experimentet med en hårt reducerad försöksplan som sedan följs upp med tilläggsförsök efter behov. Kostnaden såg ut att bli stor per försök, varför detta angreppssätt ansågs vara mest logiskt.
2.5.1.1 Nivåval
Då val av faktornivåer till försöksplaneringen var svåra att bestämma planerades att kontakta kokeripersonalen för förslag på lämpliga nivåer. Detta på grund av att nivåerna inte fick bli för extrema vilket riskerade att göra massan obrukbar. Tanken var att med hjälp av en enkätundersökning få förslag på lämpliga faktornivåer. Enkäten skulle delas ut till var och en av skiftlagens kokarmästare samt produktionschefen för kokeriet. I samband med enkäten skulle ett missivbrev innehållande förklaring och kontaktuppgifter bifogas. Ett besök kort efter utdelningen av enkäten planerades för att svara på eventuella uppkomna frågor.
9
2.5.2 Reducering av faktorer
Domsjös kokprocess innehåller ett stort antal produktionsfaktorer. Det går inte att analysera dessa i samma försöksplanering, varför författarna valde att genomföra två olika analyser för att sålla bort faktorer som inte är intressanta att undersöka vidare.
2.5.2.1 Principalkomponentanalys
Målet med principalkomponentanalysen (PCA) var att identifiera vilka faktorer som påverkade spridningen på viskositeten, det vill säga vilka faktorer som skulle analyseras vidare i försöksplaneringen. PCA nyttjades då kunskaper redan fanns om detta verktyg. En undersökning planerades att göras på datamaterialet för att se om det fanns något samband mellan variablerna, då sådana samband är en förutsättning för att man skall kunna använda sig av en principalkomponentanalys.
Tanken var att ta med de faktorer som hade sitt högsta värde i någon av de principalkomponenter som skulle analyseras. Antal komponenter som skulle analyseras valdes enligt tumreglerna; egenvärdet för enskild komponent är större än ett, eller komponenterna förklarar tillsammans mer än 70 procent av spridningen i datamaterialet.
Förhoppningen var att analysen skulle ge få komponenter vilket skulle leda till få och betydelsefulla faktorer. Detta skulle då ge en bra bild över vilka faktorer som var intressanta att jobba vidare med.
2.5.2.2 Sambandsgrafer
Målet med denna undersökning var att sålla bort faktorer inför den kommande försöksplaneringen. Detta skulle göras genom att finna eventuella samband mellan kokens variabler och viskositeten. Samband mellan de faktorer som kunde tänkas påverka viskositeten och de andra ingående faktorerna skulle också identifieras. För att inte riskera att något förbisågs, var tanken att alla variabler som visade minsta möjliga antydan till samband i dessa grafer skulle analyseras vidare.
2.5.3 Kurvanalyser
Som tidigare nämnts var den allmänna uppfattningen i produktionen att den gamla formeln som användes för att bestämma färgutvecklingen inte var korrekt. Dock hade inga undersökningar gjorts för att stärka denna misstanke. Därför var det självklart att inledningsvis undersöka huruvida den gamla modellen verkligen var felaktig och, om så var fallet, hur stort felet var.
Författarna planerade att kontrollera färgkurvornas tider fram till, och emellan olika färger.
Tanken med det var att försöka identifiera eventuella tider som stämde överens mellan färgkurvorna som tagits fram. Till exempel kunde man titta på om det fanns likheter mellan färgkurvornas tid att gå från färg tio till tjugo etcetera. Denna undersökning planerades i första hand för att bekanta sig med kurvorna och få en viss förståelse för vilka tider, färger, skillnader, och relationer som färgkurvorna för de respektive koken innehöll. Men avsikten var även att identifiera eventuella samband mellan olika tidsintervall.
2.5.3.1 Exponentiella kurvor
Med hjälp av grafiska metoder skulle en exponentialfunktion identifieras för kokvätskornas färgutveckling. Detta på grund av att tidigare forskning inom området visat tecken på exponentialfördelning. Färgvärdena för respektive kokare plottades, vilka sedan skulle generera en modell. Målet var att för de tre undersökta kokarna samt de två färgmätarna ta
fram en modell som kunde beskriva kokvätskans generella färgutveckling. Ett konfidensintervall för modellen och dess prediktering valdes i samråd med Domsjös personal till 95 %.
2.5.3.2 Polynomiala kurvor
Polynomiala kurvor skrivs på formen y=k0 +k1x+k2x2 +...+knxn och är relativt lika de exponentiella fördelningarna inom vissa intervall. Därför valdes att även undersöka hur väl dessa kurvor skattade färgutvecklingen. Även här var det tänkt att jämföra de olika modellerna och försöka hitta likheter samt vad som gör att de skiljer sig åt.
2.6 Reliabilitet och validitet
Validitet och reliabilitet kan förklaras som en metods tillförlitlighet och giltighet.
2.6.1 Reliabilitet
Om en undersökning ska kunna sägas ha hög reliabilitet krävs att liknande resultat skulle fås om en annan forskare genomförde samma undersökning med samma mätmetoder. Det är alltså till exempel ett mått på ett instruments förmåga att ge stabila utslag, alltså dess tillförlitlighet. (Eriksson & Wiedersheim-Paul, 1987)
För att öka reliabiliteten för detta arbete togs två provomgångar vid de tillfällen då mätvärdena kunde ifrågasättas. Dessutom användes, som nämndes i avsnitt 2.4.1, data som sträckte sig över ett år för att minska risken för att produktionsförändringar störde undersökningarna.
2.6.2 Validitet
Validitet kan beskrivas som ett mätinstruments förmåga att mäta det som avses att mätas, alltså dess giltighet. För att en undersökning ska kunna sägas ha hög validitet krävs alltså att den ger svar på vad målet med undersökningen var. (Eriksson & Wiedersheim-Paul, 1987) Inga större åtgärder behövde göras för att säkra validiteten för detta arbete. Alla mätningar som behövdes inför försöksplaneringen hade redan gjorts av det datasystem som diskuteras i avsnitt 2.4.1. Författarna behövde endast välja ut den data som var intressant att analysera.
Datainsamlingen inför färgkurveanalyserna behövde heller inte de planeras nämnvärt, då det endast finns ett sätt att mäta färgutvecklingen från början av koket till dess slut, nämligen att låta färgmätaren ta prover med ett visst tidsmellanrum.
11
3. Teoretisk referensram
Detta kapitel är tänkt att ge läsaren en inblick i de teorier som ligger till grund för de arbetssätt som använts samt för analysen av den empiriska undersökningen
3.1 Sulfitkokning
Vid sulfitkokning används idag uteslutande diskontinuerliga kokare, det vill säga kokningen görs satsvis. Skälet till detta är att risken för ”svartkokning”3 är stor i en kontinuerlig kokare, om till exempel flispelaren hänger sig eller impregneringen av flisen inte fungerar. Storleken på dessa kokare kan vara ända upp till 400m3, vilket ger ca 40 ton massa per kok. Vid Domsjö fabriker ligger storleken på kokarna från 377m3 till 430 m3. (Häggström, 1992)
Det finns fyra olika kemiska ämnen som kan användas som baser vid sulfitkokning. Dessa är kalcium, ammonium, magnesium och natrium. Basen binder upp de sura aktiva kokkemikalierna. Baserna har alla olika egenskaper samt olika krav på dess omgivningar.
Nedan kommer en kort beskrivning. (ibid.)
Kalcium; har ett starkt begränsat verksamhetsområde då den endast fungerar vid pH 1-2.
Denna bas är svår att återvinna och är därför miljöovänlig. (ibid.)
Ammonium; har ett lite bredare verksamhetsområde gällande pH men massan blir mörk då pH stiger över 4. Ammonium används inte i Sverige men vid några få fabriker utomlands. (ibid.) Magnesium; kan användas upp till pH-värde 5. Vid högre pH-värden avtar lösligheten hos magnesium. Magnesium är den i särklass vanligaste basen, framförallt beroende på en relativt enkel återvinning. (ibid.)
Natrium; kan användas inom hela pH-intervallet. Det är endast tre fabriker i världen som använder denna bas, där Domsjö fabriker AB är en av dem. Återvinning av natriumbaserade kokkemikalier är relativt komplicerad men fungerar driftsmässigt. Domsjö använder denna som bas då de kokar enligt en tvåstegsmodell, där det första steget sker i en neutral omgivning (pH 6,5 – 8) och andra steget i en sur omgivning (pH 1,5). Dessa kriterier ger då endast natrium som ett fungerande alternativ till bas. (ibid.)
Fördelen med tvåstegskokning är att rötskadad och lagringsskadad ved kan kokas tack vare den goda sulfoneringen4 i steg ett. Domsjös kokprocess har ett utbyte 5-6 procent bättre än andra sulfitprocesser och koket kan drivas ända ner till kappatal 9, det vill säga en ligninhalt på 9*0,15 = 1,35%, utan att massans styrkeegenskaper försämras avsevärt. (ibid.)
3 Ett kok där det utlösta ligninet faller tillbaka in i massan.
4 Kemisk reaktion vid vilken en väteatom i en förening ersätts med sulfonsyragruppen, 4SO3H
Basning (steg ett) Flis tillsätts Temperatur höjs Ångtryck justeras
Fasövergång Mellangasning Kylning
Kokning (steg två) Tillförande av aktiva
kokkemikalier
Figur 3.1Kokförlopp
3.1.1 Steg ett
I steg ett har pH-värdet en avgörande betydelse för massautbytet i koket. Med stigande pH upp till cirka 7 stiger utbytet. Detta på grund av att vid förhöjt pH sker en stabilisering av hemicellulosan, vilket görs att den inte bryts ned i det sura andra steget. En temperaturhöjning gör att stabiliseringen av hemicellulosan sker vid ett lägre pH-värde. Samma effekt kan fås om tiden förlängs i steg ett vid konstant temperatur. Det avgörande är hur mycket energi som steg ett får. Energiinsatsen brukar mätas genom att beräkna en H-faktor, där H är en funktion av tid och temperatur. H-faktorn kan inte tillåtas bli hur hög som helst beroende på att kokarkapaciteten blir begränsande. Vid en viss produktionstakt blir tillgänglig koktid för varje kokare avgörande för hur mycket tid som finns tillgänglig för steg ett. (Häggström, 1992) Efter steg ett mellangasas koket så att inerta5 gaser som kväve och koldioxid avlägsnas.
Samtidigt dras vätska (lut) av från kokaren så att vätske/ved-förhållandet går från 4:1 till 2,5:1. När avdragsluten är avlägsnad och mellangasningen gjord, kyls koket ned 15-18°C med SO2-haltigt vatten. (ibid.)
3.1.2 Steg två
Efter kylning och mellangasning tillsätts flytande SO2 in till ett kokartryck på 6 bar och steg två tar vid. Tiden från att den flytande svaveldioxidentillsätts till att koket avslutas benämns som hydrolystid. För att alltid hålla ett tillräckligt högt partialtryck6 av SO2 har temperaturen i steg två maximerats till 135°C. Processen fortgår tills den önskade viskositeten uppnås. För att hålla koll på viskositetsutvecklingen används en färgmätare, som analyserar vilken färg kokvätskan har. (Häggström,1992)
Typiska betingelser för de två stegen framgår i bilaga A 3.2 Principalkomponentanalys, PCA
PCA används för att sammanfatta informationen av flera variabler i få variabler, med en minimal förlust av variationen hos datamaterialet. Dessa nya variabler kallas principalkomponenter och har optimala egenskaper i meningen att en av dem har den största möjliga variansen bland linjära funktioner av de givna X1, en annan har den största variansen bland linjära funktioner av X2 som är okorrelerade med den förra osv. Bestämningen av principalkomponenterna grundar sig på beräkning av egenvektorer till varians-, kovarians- eller korrelationsmatrisen för de givna Xi. Då måtten är standardiserade utgår man från korrelationsmatrisen i denna analys. (Johnson, 1998)
PCA är en interdependence technique med vilket menas att variablerna inte delas in i beroende och oberoende och alla variabler analyseras samtidigt. PCA är ett explorativt verktyg som används för att undersöka data. En förutsättning för att en PCA skall ge någon reducering av datamaterialet, det vill säga kunna få variablernas variation beskrivna av ett färre antal komponenter, måste ett visst samband föreligga mellan variablerna. Om detta ej finns skapas inget nytt av intresse med hjälp av PCA. (Johnson, 1998)
5 Gaser som är opåverkbara, det vill säga gaser som ej påverkar kokningen men tar plats för aktiva ämnen
6 Det tryck som en enskild gas i en gasblandning skulle ha om den ensam upptog blandningens volym vid oförändrad temperatur.
13
3.3 Försöksplanering
Försöksplanering är ett statistiskt verktyg som har ett flertal olika användningsområden.
Vanligen används det för att studera hur en process eller ett system beter sig under olika förutsättningar och då främst genom att;
• Avgöra vilka variabler som har störst inverkan på responsvariabeln
• Bestämma inställningarna för aktiva faktorer så att responsvariabelns varians minimeras
• Bestämma inställningarna för aktiva faktorer så att responsvariabelns värde håller sig runt sitt målvärde
• Bestämma inställningarna för aktiva faktorer så att effekten av faktorer som ej kan kontrolleras minimeras
(Montgomery, 2001)
Dessa punkter bestäms genom att ett antal faktorförsök genomförs. Säg för enkelhetens skull att det ska undersökas hur tre faktorer påverkar en process. Höga och låga nivåer väljs för dessa faktorer och nivåerna varieras sedan så att alla kombinationer faktorerna emellan testas.
Svar fås då på hur faktorerna beter sig inom det rum som skapas (se figur 3.2).
En försöksplaneringscykel består vanligen av sju steg;
• Problemdefiniering
• Val av responsvariabel
• Val av faktorer och nivåer
• Val av försöksplan
• Genomförande av experiment
• Statistisk dataanalys
• Slutsatser och rekommendationer (Montgomery, 2001)
Till responsvariabel väljs en faktor som är nära sammankopplad med problemet, det vill säga att en förändring i till exempel dess standardavvikelse skulle leda till att problemet löses.
Följande krav ställs på responsvariabeln;
• Den skall vara kontinuerlig, helst normalfördelad och mätbar
• Den skall helst vara en variabel som ofta mäts
• Den måste ligga så nära målet med undersökningen som möjligt
• Den skall helst mätas med oförstörande provning (Bergquist, 2004)
Figur 3.2 Försökskub
Det ställs också krav på de faktorer som väljs till undersökningen. Detta beskrivs bäst genom att beskriva dessa med tre grupperingar, nämligen Påverkande faktorer, Styrbara faktorer och Mätbara faktorer (se figur 3.3). De faktorer som väljs till försöksplanen måste samtliga tillhöra alla de tre grupperna. Faktorer som endast är påverkande och mätbara, men ej styrbara, kallas för störfaktorer och kan ställa till problem, då deras effekt på responsvariabeln inte kan skattas. (Bergquist, 2004)
Krav ställs även på de nivåval som görs för respektive faktor.
De skall väljas sådana att skillnaden mellan den höga och låga nivån inte är större än att en linjär approximation kan antas vara giltig inom intervallet, men ändå så stor att den förväntade effekten blir detekterbar.
(Bergquist, 2004)
För att undvika att några eventuella störningar i processen får alltför stor inverkan på resultatet av försöksplaneringen används en princip som kallas randomiseringsprincipen.
Denna innebär att de olika försöken körs i slumpartad ordning, vilket medför att effekten av störningarna distribueras jämnt över försöken. Tillsammans med denna princip används ofta blockningsprincipen, vars huvudsakliga mål är att minska effekten störfaktorer har på resultatet. Exempelvis kan råvarorna som används till försöken komma från olika leverantörer. Sannolikt kommer då variansen mellan försök gjorda med råvaror från olika leverantörer vara större än variansen mellan försök gjorda med råvaror från samma leverantör.
Om försöken blockas efter vilken råvara som används minskas effekten av denna skillnad.
(Montgomery, 2001)
För att ytterligare öka den statistiska säkerheten på resultaten kan replikat tillämpas. Med replikat menas att varje försöksuppställning körs två eller flera gånger, fortfarande randomiserat. Om processen är besvärlig att ställa om kan samma uppställning köras två gånger, men kallas då för duplikat. Hur dessa båda principer tillämpas diskuteras inte närmare här, då ingen av dem användes. (Montgomery, 2001)
3.3.1 Robust design enligt Taguchi
En japansk ingenjör vid namn Genichi Taguchi utvecklade under tidigt 80-tal en metod för att minska variationerna i en process eller produkt som orsakas av störfaktorer. Metoden kallas Robust Parameter Design, RPD. Precis som vid en vanlig försöksplanering sätts vid användning av RPD en matris samman av de styrbara faktorer som kan tänkas påverka responsvariabeln. Denna matris kallas för den inre matrisen. Ytterligare en matris, den yttre matrisen, bildas av de faktorer som klassificerats som störfaktorer. Dessa styrs i normala fall inte, men undantag görs under experimentet för att undersöka deras bidrag till variansen.
Störfaktorerna ställs in efter uppställningen i den yttre matrisen, varefter de xy−z variationerna av produktionsvariablerna körs. Störfaktorerna ställs om och proceduren upprepas. (www.itl.nist.gov)
Påverkbara faktorer
Styrbara faktorer
Mätbara faktorer
Figur 3.3 Faktortyper
15
Resultaten av försöken analyseras radvis eftersom det är inställningarna av de under produktion styrbara faktorerna som är intressanta. Till varje rad räknas två resultat fram;
medelvärde för responsen samt standardavvikelsen för densamma (variansen). Efter att detta gjorts kan det således bestämmas vid vilka inställningar för produktionsfaktorerna som processen ligger närmast målvärdet samt vid vilka inställningar störfaktorerna har minst inverkan på responsen. Vid optimalt utfall får samma rad bäst medel och lägst standardavvikelse. Om så inte är fallet krävs en kompromiss eller fortsatta undersökningar.
Till exempel kan konturplotter tas fram med avsikt att finna optimum som inte ligger i någon av undersökningens ytterligheter, men detta kommer inte att diskuteras vidare här.
(www.itl.nist.gov)
Nackdelen med undersökningar enligt Taguchis modell är att det krävs väldigt många försök för att få några resultat. (Montgomery, 2001)
3.4 Färgmätning
Färgmätning är en metod som använts sedan slutet av 1800-talet för att bestämma längden på koken i syfte att nå en konstant viskositet i massan. Kokvätskans färg kommer ifrån att kromofora7 grupper som löses ut ur veden och reagerar med kokvätskan. I de nämnda grupperna har lignosulfonsyrorna8 en pH-beroende färg. Färgen är mörkröd i alkalisk lösning medan de är gula i sur lösning. (Lenzing, 1997)
Kok vid Domsjö Fabriker AB styrs efter en så kallad färgkurva (se figur 3.4). Denna visar hur färgen på massan utvecklas under kokets gång. Färgen är i sin tur direkt kopplad till viskositeten. Ett visst värde för färgen skulle motsvara ett visst värde för viskositeten enligt färgkurvan, men det kunde med största säkerhet sägas att färgkurvan som koken styrdes efter inte var helt korrekt.
Vid vissa tidsintervall under koken används en av färgmätarna för att bestämma hur snabbt färgen förändras just då. Med hjälp av den lutning på kurvan som fås fram kan det sedan predikteras vad färgen borde vara vid en viss framtida tidpunkt. Denna prediktering blir alltså felaktig på grund av att färgkurvan är felaktig.
3.4.1 Nuvarande modell för färgutvecklingen
1999 gjordes det första försöket att ta fram en modell som beskriver hur färgen utvecklas under kokets gång. Det var sedan tidigare känt att färgförändringen är exponentiell, d.v.s.
färgen mörknar snabbare ju mörkare den är. Det misstänktes också att faktorn ekt på något sätt var inblandad, då flertalet kemiska och biologiska processer innehåller denna. Lutningen på färgkurvan skrivs som;
dt dF
k = F1 * (1), där F är den nuvarande färgen och t, precis som i faktorn ovan, är tiden som koket pågått. (Lindståhl, 1999)
Genom att integrera (1) och lösa ut F fås sedan en modell för färgen:
7 Ämnen som orsakar pigmentering
8 Förening som bildas genom reaktioner mellan bisulfit och ligninet i veden.
Figur 3.4 Färgkurva Färg
Tid
C
ekt
F C F t
F k dt dF
k =∫ ⇒ = + ⇒ = −
∫ * * ln( ) (2)
För att bestämma konstanten C sätts tiden t till 0. Vid t0 fås:
) ln( 0
* 0
0 e C F
F = k−C ⇒ =− (3) Sätts (3) in i (2) fås:
kt F
kt F F e
e
F = +ln 0 ⇒ = 0 * (Lindståhl, 1999)
Varje nytt mätvärde för färgen sätts sedan som F0 och ett nytt C räknas ut. Därmed erhålls en kontinuerlig anpassning på kurvan till färgens utveckling. (Lindståhl, 1999)
Om t löses ut, kan tiden till önskad färg beräknas. Denna formel är den som används vid prediktering av tid till nedgasning.
k F t ln(F/ 0)
= (Lindståhl, 1999)
Denna modell stämde väl med det gamla mätsystemet, men under sommaren 2004 installerades en andra färgmätare, vilket innebar att viskositeten kan mätas betydligt tidigare under koken. Detta ledde i sin tur till att fördelningen på den insamlade datan förändrades något och att den gamla modellen inte längre skattar kurvan lika väl som tidigare.
3.5 Färgmätare
3.5.1 Bakgrund
Den färgmätare som Domsjö Fabriker AB använder sig av är utvecklad och levererad av ett österrikiskt företag vid namn Lenzing Technik. Färgmätaren vid Domsjö installerades provisoriskt under september 1997 och provkördes fram till februari 1998 då installerat provexemplar köptes av Domsjö. Som ovan nämndes installerades den andra mätaren 2004.
3.5.2 Uppbyggnad
Färgmätaren består av tre delar.
Lokal styrenhet; styr färgmätarens ventiler, räknar om färgmätningens rådata till färgenheter samt skickar värden till operatörerna.
Provbehandlingsdel; system som hanterar inmätning, filtrering och avgasning av kokvätskeproven.
Mätcell; består av en lampa (lysdiod), färgfilter med optik, kyvett9 med anordning för avståndsändring, och en fotodiod som mäter intensiteten hos överfört ljus. (Lenzing, 1997)
3.5.3 Mätprocess
Färgmätaren arbetar sekventiellt, det vill säga den tar vätskeprov som analyseras ett och ett och arbetar alltså inte med ett kontinuerligt genomströmmande flöde. Provet tas in via ett filter med en viss reningseffekt till två öppna avgasningsbehållare. Från dessa rinner provet med självtryck ned i kyvetten. I kyvetten analyseras vätskans ljusabsorption. Man använder
9 Behållare, oftast av glas, med planparallella fönster, avsedd för genomlysning av gas eller vätska vid analys
17
ett blått ljus med våglängden 430 nm då denna ger störst skillnad i absorption mellan mörk och ljus kokvätska. (Lenzing, 1997)
När avgasningsbehållarna är tömda mäts provet. Därefter minskas avståndet mellan kyvettglasen från 0,3 mm till 0,15 mm, varvid en ny mätning görs. Beräkningen av vätskans färg utgår från skillnaden i ljusabsorption mellan de två mätningarna. På så vis elimineras riskerna att beläggning på glasytorna, långsamma förändringar på lampa och optik påverkar mätresultaten. (Lenzing, 1997)
Innan provet når färgmätaren kyls det via en reglerkrets till 30-35 °C. Anledningen är att bälgen i kyvetten, som gör det möjligt att ändra avstånd, är gjord i ett plastmaterial som åldras och spricker om det får arbeta i en alltför hög temperatur. Emellertid bör inte temperaturen vara alltför låg heller, för provet ska strömma in mellan de två glasytorna i kyvetten. Ju lägre temperatur, desto tjockare vätska och därmed ökad risk för att gammal vätska ligger kvar i spalten och stör mätningen. (Lenzing, 1997)
3.5.4 Styrsystem
Systemet väljer vilket kok som skall bevakas genom att rangordna koken efter beräknad nedgasningstid. Det vill säga att kokare som är på väg att bli färdiga inom loppet av 3-4 timmar ställs på kö för provtagning. Utöver uppföljningen på slutet av koken mäts även några strövärden innan slutfasen. (Lenzing, 1997)
4. Resultat och analys
I detta kapitel presenteras och analyseras resultaten av den empiriska undersökningen 4.1 Principalkomponentanalys
Efter att databaserna som diskuterades i avsnitt 2.5.1 kompletterats och kok med saknade värden eliminerats genomfördes en principalkomponentanalys. Tanken var att använda resultatet av denna till att sortera bort faktorer som redan här kunde sägas vara utan effekt och på så sätt göra den kommande försöksplaneringen mer lätthanterlig. Analysen gjordes i datorprogrammet Statgraphics. Cirka 2500 kok analyserades, där varje kok hade 31 ingående variabler. Viskositet användes som responsvariabel. Alla värden standardiserades för att undvika att variablerna med större varians, till exempel Total tid, påverkade resultatet.
Det kunde utläsas ur sammanfattningen i Statgraphics (se bilaga B) att åtta komponenter krävdes för att förklara spridningen i datamaterialet på ett tillfredsställande sätt. Detta enligt tumreglerna att komponenter med ett egenvärde över ett skall inkluderas samt att utvalda komponenter skall förklara 70 % eller mer av variansen i materialet. I detta fall förklarade de åtta komponenterna cirka 73,6 % av variationen. Scree plot (se figur 4.1) bekräftade valet av antal komponenter.
Generellt kan sägas att om en analys av denna typ resulterar i åtta principalkomponenter tyder det på att spridningen i datamaterialet till största delen förklaras av slumpen, vilket i det här fallet styrks av att resultatet blev i stort sett detsamma när den aktuella responsen byttes ut mot någon annan variabel (Johnson, 1998). I samråd med Roland Agnemo, kunnig i multivariat analys på Domsjö Fabriker AB, valdes därför att inte gå vidare med analys av enskilda komponenter.
4.2 Sambandsgrafer
Parallellt med principalkomponentanalysen gjordes dessutom en analys av hur varje enskild faktor påverkade viskositeten. Koken delades upp i nio grupper, efter börvärdet för viskositeten, då det ansågs vara möjligt att massor med olika viskositet hade olika egenskaper.
Diagram togs fram med absolutbeloppet för avvikelsen från börvärdet för viskositeten på y- axeln och de intressanta faktorerna plottade en och en på x-axeln. Tanken med denna konstruktion var att se om några värden för faktorerna orsakade större avvikelser än andra.
Efteråt plottades även samtliga faktorer mot varandra för att utröna huruvida några faktorer påverkade viskositeten indirekt, till exempel genom att ha inverkan på en faktor, som i sin tur påverkar viskositeten. Eftersom författarna inte ville riskera att förlora några eventuella
Figur 4.1, Scree plot tillhörande principakomponentanalysen
Scree Plot
Komponent
Egenvärde
0 4 8 12 16 20
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
19
samband redan innan försöksplaneringen ansågs alla faktorer som gav minsta lilla antydan till att vara delaktiga i något samspel vara värda att analysera vidare.
Ur sambandsgraferna kunde följande faktorer anses intressanta att undersöka närmare:
Styrka Koksyra, Tid Mellangasning, Hydrolystid, Mängd SO2-vatten, Permeat10, H-faktor, Mängd Avdragslut, Vätske/Ved Steg 2. Ett exempel på hur en sambandsgraf kunde se ut visas i figur 4.2.
I figuren kan ses att avvikelsen från börvärdet för viskositeten möjligen ökar ju lägre H-faktorn är. Därför valdes denna variabel att analyseras vidare.
Faktorn Tid basning togs inte med i försöksplanen trots att sambandsgraferna visade på möjliga samband med viskositeten. Detta på grund av att problem uppstod då denna faktor inte kunde testas vid för låga nivåer då risk fanns för svartkok. Den höga nivån var inte intressant att undersöka på grund av att inget ”målvärde” för tid basning existerar. Detta på grund av att flisen i regel ”basas” så länge det går, det vill säga tills det att kokaren måste satsas och köras igång.
Detta gav att val av den höga nivån var omotiverat. Resultatet blev att tid basning plockades bort ur analysen.
En diskussion fördes även om huruvida faktorn Mängd Flis borde tas med i de fortsatta undersökningarna, då sambandsgraferna visade att den kunde tänkas ha inverkan på faktorer som påverkar viskositeten. Faktorn valdes bort till slut, eftersom det är osannolikt att några förändringar av kvantiteten flis skulle göras utgående från resultaten av undersökningen.
Mängden flis som tillsätts koken styrs nästan uteslutande av krav på produktionsmängd och därför ansågs det mer angeläget att minska antalet faktorer inför den kommande försöksplaneringen än att undersöka effekten av Mängd Flis.
Till sist plottades även kokarnummer mot avvikelsen från viskositetsbörvärdet för att se om några av de 14 kokarna som massan framställs i hade större problem att möta kraven än de andra, men inga tydliga slutsatser kunde dras från dessa diagram.
10 Filtrat som kommer från det sista tvättsteget. Detta filtrat renas med hjälp av ultrafiltrering och används för utspädning av koksyran
H_faktor
Avvikelse
230 280 330 380 430 480 -80
-50 -20 10 40 70 100
Figur 4.2, Sambandsgraf
4.3 Försöksplanering
När det mycket omfattande datamaterialet reducerats till ett hanterbart antal faktorer ansågs det möjligt att gå vidare och inleda en försöksplanering. Samtliga faktorer som inkluderades i denna försöksplanering tillhörde de tre grupperna som beskrevs i avsnitt 3.3, alltså Styrbara faktorer, Påverkande faktorer samt Mätbara faktorer.
Till slut valdes en 28-4-uppställning med motiveringen att endast sexton försök krävdes och det var ändå möjligt att skatta effekterna av samtliga huvudfaktorer och de troligaste tvåfaktorsamspelen utan att några av dessa överlagrades varandra. Dessa samspel valdes ut med hjälp av sambandsgraferna och efter diskussion med kokeripersonal. För fullständigt överlagringsmönster, se bilaga C. Ingen hänsyn togs till möjliga trefaktorsamspel. Försöken var tänkta att genomföras utan replikat eller duplikat på grund av den höga kostnaden per försök.
Ett kok tar cirka tio timmar att genomföra. Därför skulle det ta över en vecka att genomföra den ovan angivna försöksplanen om endast en kokare används när hänsyn tas till alla nödvändiga förberedelser. För att frånkomma detta problem planerades att göra försöken i två kokare med liknande egenskaper och sedan använda blockningsprincipen för att eliminera den varians respektive kokare orsakade. Ingen blockning krävs om försöken görs i laboratorium då endast en kokare används till alla försök. Den slutgiltiga försöksplanen hittas i figur 4.3.
4.3.1 Taguchi
Sedan tidigare var det känt att den i koket använda flisens fuktighet har inverkan på bland annat massans kvalitet. Flisfukten styrs dock inte i produktionen på grund av att den påverkas av så många yttre faktorer, till exempel väderlek. Därför inkluderades den inte i den första försöksplanen, då alla faktorer som inkluderas i en sådan typ av försöksplan måste vara styrbara enligt avsnitt 3.3. Eftersom målet med undersökningen var att finna vilka faktorer som påverkar viskositeten och sedan minska spridningen på denna skulle en robust konstruktion enligt Taguchis modell också kunna vara användbar. Detta förutsatt att
A B C D E F G H Respons
Delförsök 1 - - - - - - - -
2 + - - - - + + +
3 - + - - + - + +
4 + + - - + + - -
5 - - + - + + + -
6 + - + - + - - +
7 - + + - - + - +
8 + + + - - - + -
9 - - - + + + - +
10 + - - + + - + -
11 - + - + - + + -
12 + + - + - - - +
13 - - + + - - + +
14 + - + + - + - -
15 - + + + + - - -
16 + + + + + + + +
Faktor
A: Permeat
B: Mängd Avdragslut C: Vätske/Ved steg 2 D: Mängd SO2-vatten E: Styrka Koksyra F: H-faktor
G: Tid Mellangasning H: Hydrolystid
Figur 4.3Försöksplan
21
experimenten görs i laboratoriemiljö där flisfukten kan kontrolleras. Vid optimalt utfall, det vill säga att samma försöksuppställning ger både lägst varians och bäst precision i förhållande till målvärdet, skulle heller inga tilläggsförsök behöva göras, då det redan efter den ursprungliga försöksplanen kan sägas vilka inställningar som ger lägst standardavvikelse för viskositeten.
Problemet med denna typ av försöksuppställning är, som tidigare nämnts, att ett stort antal försök krävs för genomförandet. Med anledning av detta minskades antalet faktorer från åtta till fyra. Permeat, Mängd Avdragslut, Tid Mellangasning och Mängd SO2-vatten togs bort.
Det skulle ha krävts 29 = 512 försök om samtliga variabler behållits, medan det nu endast krävdes 25 = 32. De faktorer som valdes bort var helt enkelt de som ansågs minst sannolika att påverka viskositeten enligt de tidigare undersökningar som gjordes, samt de som var svårast att styra. Den slutgiltiga försöksplanen hittas i bilaga D.
När försöksplanerna färdigställts uppstod problem som innebar att denna väg att lösa
problemet fick lämnas. Att göra experimenten i kokeriet var inte aktuellt, då det fanns risk att massan som framställdes skulle kunna bli obrukbar på grund av de ovanliga inställningarna.
Det var heller inte möjligt att genomföra försöken i laboratoriet, eftersom kostnaden skulle bli alldeles för hög.
4.3.2 Nivåval
En enkät lämnades ut till kokeripersonalen med avsikt att samla in underlag för nivåval till försöksplaneringen. Under tiden denna låg ute hos respondenterna avbröts arbetet med försöksplanering och inga resultat samlades in.
