Kvalitets- och styrkevariationer hos returfibermassa vid produktion av brun kraftliner hos SCA Munksund

(1)

Cecilia Wahl VT 2014

Examensarbete för processoperatörer, 7.5 hp Högskoleprogrammet till processoperatör, 120 hp

(2)

Sammanfattning

Detta arbete har utförts för att se hur returfibermassans egenskaper varierar under en vanlig kraftlinerkampanj. De metoder som använts är standardiserade och omfattar

(3)

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... 1 Inledning ... 3 Teori ... 3 Genomförande/Metod ... 6 Malgradsmätning ... 9 Styrkearkning ... 11 Provning av styrkeark ... 16 Resultat ... 18 Diskussion/Slutsats ... 22 Referenser ... 24

(4)

Inledning

På SCA Munksund tillverkas ca. 260 000 ton brun kraftliner varje år. Denna produktion sker kampanjvis med varierad ytvikt och innehåller delvis returfiberbaserad massa. Den

returfiberbaserade massans renhet och styrkeegenskaper påverkar processens förutsättningar och kvaliteten på slutprodukten.

Målet med projektet är att följa en hel linerkampanj, ta ut prover och utföra de tester som är möjliga på plats i fabriken. Syftet med det är att kartlägga och visa hur returfibermassans egenskaper kan variera och på vilket sätt de påverkar slutprodukten.

Arbetet utförs för att kolla hur returfibermassans olika egenskaper varierar under en vanlig kraftlinerkampanj eftersom det inte gjorts på SCA Munksund förut.

Teori

Returfibermassa

En viktig råvara vid pappersframställning är returfibermassa. Den innehåller oftast många olika fiberslag. I de flesta fall består returfibermassan av en blandning av olika slags fibrer som har olika ålder och som har använts på olika sätt tidigare. En returfibermassas egenskaper kan skilja sig något från nyfibermassa. T.ex. så har returfibern redan utsatts för malning och torkning en eller flera gånger innan den återanvänds igen. Torkning leder till irreversibla förändringar i fiberns struktur och kan påverka dess svällbarhet samt flexibilitet. Malningen påverkar fiberns dimensioner. I praktiken försöker man använda returfibermassan så att den blandas med ny färsk massa inför papperstillverkningen så att önskade pappersegenskaper uppnås, bland annat styrkan hos pappret [1].

Malgrad

Fibrernas förändring vid malning ger en ökad styrka hos arket men avvattningen försvåras därmed på pappersmaskinen. Det medför att arket avvattnas långsammare på grund av att fibrerna packas tätare mot varandra. MSR-talet är ett mått på avvattningsmotståndet för en massa suspenderad i vatten [2].

(5)

återanvändna (de kan återanvändas ca 5-7 gånger innan de inte alls bidrar till papprets styrka [3]). Detta leder till att malgraden ökar dvs. att avvattningsmotståndet ökar, men den ökar även med avseende på hur mycket finmaterial massan innehåller som t.ex. fiberfragment, damm, osv. Returfiberbaserad massa ger en bättre formation av pappret än vid användning av enbart färsk massa.

pH/konduktivitet

Konduktivitet är en lösnings förmåga att transportera laddning – joner som är positivt och negativt laddade. Konduktiviteten är ett mått på salthalten eftersom salter är uppbyggda av joner [4]. Vid pH under sju kommer kalciumkarbonater (CaCO3) att lösas upp till joner (Ca2+

och CO32-) vilket medför att konduktiviteten ökar och retentionen (bindningen av små

partiklar till större partiklar) försämras. Med retention menas hur väl de små partiklarna (finmaterial som t.ex fiberfragment och damm) i mälden binder till polymerer som är tillsatta enkomt för att få med dem ut på pappersbanan istället för att de stannar kvar i massatornet. Polymerer som är i form av långa kedjor påverkas av höga salthalter på så sätt att de krullar ihop sig och tappar sin effekt för att binda små partiklar till sig.

Redoxpotential

Bakterier som inte har syre tillverkar syror som restprodukt istället för koldioxid och vatten. Det vill säga finns inget syre blir massan sur, konduktiviteten ökar och retentionssystemet påverkas negativt. Kort sagt kan man säga att redox mäter om det är en syrefattig eller en syrerik miljö.

Askhalt

Askhalten i papper ger en uppfattning om halten av oorganiska salter, fyllnadsämnen och andra oorganiska ämnen. Den definieras som vikten av återstoden efter fullständig förbränning av ett prov och uttrycks som procent av det torrtänkta papprets vikt.[5]

(6)

Styrkearkning

Styrkearkning görs för att kunna mäta papprets kompressionsstyrka, dragstyrka och sprängstyrka. Mätningarna ger en uppfattning om styrkepotentialen i pappret.

SCT-mätning

Mäter kompressionsstyrkan på kraftlinern som påverkar staplingsbarheten hos färdiga wellpapplådor.

Dragstyrkemätning

Mäter dragstyrka, dragstyvhet, töjning vid brottpunkten och brottarbete.

Sprängstyrkemätning

(7)

Genomförande/Metod

Provtagning av massan sker vid welltornet med en bunke (se bild 1).

Bild 1. Bunke för massaprov.

Direkt efter att provet tagits ut från massatornet görs en pH-mätning, redoxmätning samt konduktivitetsmätning innan man rört om i massaprovet för att inte ändra förutsättningarna i det. Dessa tester utför man genom att frigöra vätskan från massan i massaprovet med hjälp av en potatispress (se bild 2).

(8)

För att bestämma koncentrationen i bunken vägs en viss massa in, ca. 150-200 g. Av massan tillverkas ett så kallat koncentrationsark i Iris (se bild 3) vilken är fylld med vatten och som massan hälls i. Omrörning av massasuspensionen sker med luft som trycks upp genom viraduken i botten. Efter omrörning töms cylindern på vatten med hjälp av ett vred som är kopplat till avloppet, och massan som blir kvar på viraduken kan lätt lyftas med två labläsk. Koncentrationsarket torkas i snabbtork för laboratorieark (se bild 4) och vägs sedan ut för att beräkna koncentrationen enligt ekvation 1

(1)

(9)

Bild 4. Två stycken snabbtorkar för laboratorieark.

(10)

Examensarbete för processoperatörer, 7.5 hp Högskoleprogrammet till processoperatör, 120 hp Malgradsmätning

Allt sker enligt Metodbeskrivning – Bestämning av malgrad, se bilaga 1.

Två gram torrtänkt massa vägs in enligt ekvation 2 för malgradsmätningen

(2)

Massan hälls i ett mätglas och blandas ut med vatten upp till enlitersstrecket så att den totala blandningen får en temperatur på ca 20°C. Mätglaset töms i MSR-apparaten (se bild 5, A) där massasuspensionen avvattnas genom den fibermatta som då bildas på silduken i byttan (se bild 5, B). Vattnet rinner genom en tratt som är försedd med både ett botten- och ett sidoavlopp (se bild 5, C resp. D). Filtratet som rinner ut från sidoavloppet samlas upp och mäts i en specialcylinder graderad i MSR-enheter (se bild 5, E) och temperaturen på filtratet mäts samtidigt för att eventuellt korrigera gradantalet med antalet Celsius grader (se tabell 1).

(11)

Tabell 1. Korrigering av malgraden/MSR-enheter om temperaturen inte är 20 °C.

18 °C -1 ° 19 °C -0,5 ° 20 °C ± 0 ° 21 °C +0,5 °

22 °C +1 °

Den korrigerade malgraden antecknas och av fibermattan tillverkas ett ark i Iris genom att ta lös byttan från MSR-apparaten och vända den upp och ner, samt skölja genom silduken med hjälp av filtratet och bottenavloppsvattnet så att all massa kommer med. Arket tillverkas på samma vis som för koncentrationsarkningen.

Det torkade arket vägs ut och ytterligare en korrigering av malgraden kan tillkomma ifall arkvikten inte överensstämmer med 2,0 gram (se tabell 2).

Tabell 2. Korrigering av malgraden/MSR-enheter om arket inte väger 2,0 g.

(12)

Examensarbete för processoperatörer, 7.5 hp Högskoleprogrammet till processoperatör, 120 hp Styrkearkning

Allt sker enligt Metodbeskrivning – Tillverkning av labark, se bilaga 2.

30 gram torrtänkt massa vägs in i en behållare för våtdefibrering enligt ekvation 3 inför styrkearkningen

(3)

och fylls på med 20 °C vatten så att den totala volymen blir två liter. En defibrering görs i defibrören (se bild 6) med 1000 rpm på räkneverket för att frilägga fibrerna. Behållaren töms i en hink som späds med tjugogradigt vatten till 10 liter och rörs om med hjälp av en blåsring.

Koncentrationen i hinken bestäms genom att hälla upp 940 ml av provet/mälden i en mätcylinder och tillverka ett provark, denna gång i arkformen Arcus (se bild 7).

Tillvägagångssättet skiljer sig från koncentrationsarkningen och utförs på följande sätt:

1. Provet i mätcylindern hälls i arkformen som är fylld ungefär till hälften med vatten och mer vatten fylls på tills man nått den översta nivåmarkeringen.

2. Stänkskyddet tas bort från omröraren och omröraren sänks ner i arkformen med hjälp av en manövreringsdosa.

3. Då omrörningen är klar sätts stänkskyddet tillbaka på plats och efter 10 sekunder kan vattnet släppas ut genom att öppna avloppsventilen.

4. Arket avvattnas under vakuum i 5 sekunder efter att vattnet runnit ut ur arkformen. 5. Två runda labläsk läggs på det avvattnade arket och en guskplatta placeras ovanpå i 10

sekunder. Detta för att få ett jämnt tryck över hela arket. 6. Provet kan lyftas och torkas i snabbtorken.

(13)

Det torkade provarket rundskärs med en arkskärare (se bild 8) och vägs in – målvikten är 2,85 gram. Därefter räknar man ut hur mycket mäld som ska användas till styrkearkningen enligt ekvation 4

(4)

Bild 6. Defibrör nedfälld, redo att startas.

Bild 7. Arcus – arkform med omrörare för tillverkning av provark och styrkeark.

(14)

Bild 8. Arkskärare för provark och styrkeark.

Den mängd mäld som beräknats hälls upp i sex mätcylindrar (se bild 9) och av dessa

tillverkas ett styrkeark av varje i Arcus. Tillvägagångssättet för styrkearkningen är detsamma som för provarkningens punkter 1-4, men fortsätter med följande:

5. Guskning sker med tre labläsk under 10 sekunder med markeringen mot arket.

6. De två översta labläsken byts ut mot två nya och guskning sker ytterligare en gång till under 10 sekunder

7. Det översta labläsket kastas och labarket med de två kvarvarande labläsken placeras i ett arkställ (se bild 10).

8. Staplingen i arkstället görs i ordningen enligt bild 11.

9. Högen med labarken placeras centralt i pressen (se bild 12) och pressas under 0,26 MPa tryck i 5,5 minuter.

10. Efter den första pressningen byts labläsken ut mot nya och en andra pressning görs under samma tryck i 2,25 minuter.

(15)

Bild 9. Mätcylindrar med mäld som ska styrkearkas.

Bild 10. Arkställ. Ett ark på plats.

(16)

Bild 12. Arkpress med inställning av presstryck och tid.

Bild 13. Torkplatta med styrkeark markerad med datum, tid och provnummer.

(17)

Examensarbete för processoperatörer, 7.5 hp Högskoleprogrammet till processoperatör, 120 hp Provning av styrkeark

All provning sker enligt Metodbeskrivning – Provning av labark, se bilaga 3.

Sker i papperslab där klimatet har en temperatur på 23 °C och 50% luftfuktighet enligt ISO 187.

De torkade arken rundskärs genom att centrera rundskäraren på labarket och skära så att arket får en jämn kant. Arken vägs på en våg med en nogrannhet på 0,001 g. Om något ark inte har rätt vikt (3,00 ± 0,15 g) kasseras det. Därefter räknas ytvikten ut enligt ekvation 5

⁄ (5)

Tjockleksmätning görs på alla sex ark om totalt tio mätningar (två mätningar på fyra ark) och den genomsnittliga tjockleken kan beräknas enligt ekvation 6

(6)

Arkens genomsnittliga vikt och tjocklek kan ses i tabell 5 och 6 bifogad som bilaga 2.

(18)

Bild 14. SCT-/kompressionsmätare.

Bild 15. Dragstyrkemätare.

(19)

Resultat

Tabell 3. Mätningar utförda på nyuttaget massaprov. Se diagram nedan (figur 1-5).

Massaprov nr 1-8 pH Redox [mV] Konduktivitet [µS/cm] Malgrad [°] Askhalt [%] 7/5-14 kl. 07.15 7,45 46,1 1,086 56,0 6,73 7/5-14 kl. 13.00 7,51 79,4 1,141 54,5 5,58 9/5-14 kl. 07.00 7,02 -127,2 1,515 48,5 6,55 9/5-14 kl. 11.00 7,15 -83,1 1,539 50,0 6,40 9/5-14 kl. 15.00 7,04 -79,8 1,618 51,0 6,64 10/5-14 kl. 07.30 6,77 -44,2 1,818 52,0 7,57 10/5-14 kl. 11.00 6,90 -126,7 2,076 50,5 6,84 10/5-14 kl. 14.50 7,04 -155,6 1,938 51,0 Ej testat

Figur 1. Diagram över förändring i pH.

Figur 2. Diagram över förändring i redoxpotentialen.

(20)

Figur 3. Diagram över förändring i konduktivitet.

Figur 4. Diagram över förändring i malgrad.

Figur 5. Diagram over förändring i askhalt. (Obs! 7 provpunkter).

(21)

Tabell 4. Medelvärden på index från pappersprovningen. Se diagram nedan (figur 6-10).

Massaprov nr 1-8 SCT index Spräng index Dragstyrke index Brottarbets index Dragstyvhets index 7/5-14 kl. 07.15 20,11 2,20 38,93 713,12 5,08 7/5-14 kl. 13.00 19,60 2,28 39,82 761,43 5,07 9/5-14 kl. 07.00 19,36 2,32 38,26 750,84 4,80 9/5-14 kl. 11.00 20,69 2,12 40,57 780,01 5,19 9/5-14 kl. 15.00 20,47 2,23 38,72 717,00 5,02 10/5-14 kl. 11.00 19,40 2,34 37,87 728,36 4,89 10/5-14 kl. 14.50 20,93 2,31 40,16 733,47 5,25

Figur 6. Diagram över förändring i kompressionsindex.

Figur 7. Diagram över förändring i sprängindex.

(22)

Figur 8. Diagram över förändring i dragstyrkeindex.

Figur 9. Diagram över förändring i brottarbetsindex.

Figur 10. Diagram över förändring i dragstyvhetsindex.

(23)

Diskussion/Slutsats

Observera att provnummer 6 (10/5-14 kl.07.30) är borttaget från pappersprovningen eftersom defibrering av massan skedde utan vatten.

pH-värdet i massan (figur 1) ser ut att börja bra eftersom den ligger högre än pH 7, sen kan man se att det sjunker ganska fort i början. Det tar något dygn att bilda bakterier vilket leder till att pH hamnar under 7.

Hur tidigt kurvan började sjunka var inte möjlig att ta reda på pga. platsbrist. Man kan dock se hur redox- och konduktivitetskurvan (figur 2 och 3) följer efter pH-kurvan. En negativ

redoxpotential, som i stort sett betyder att det är en syrefattig miljö i massan, leder till att bakterier börjar bilda syror som får salter att lösas upp. I och med att salter börjar lösas upp utmärks det på den stigande konduktivitetskurvan. Ökad konduktivitet leder till att retentionen försämras så att det blir svårare för massan att binda till sig finmaterialet som man vill ska följa med ut i pappret på pappersbanan.

Malgraden påverkas av hur mycket finmaterial (fiberfragment, små partiklar, damm osv.). som finns i massan. Hög halt av finmaterial gör att malgraden ökar. Kurvan (figur 4) indikerar att massan kan innehålla mer finmaterial i början jämfört med mot slutet av provtagningarna. I detta fall kan det ha varit bra med en sjunkande malgrad med tanke på att retentionen,

förmågan att binda till finmaterialet, var som bäst i början av kampanjen och sämre mot slutet.

Askhalten (figur 5) ligger på en ganska hög nivå, kring ca. 6,5-7,5% av den totala massan (enligt Tommy Berglund, blockingenjör, SCA Munksund). Det var förväntat men svårt att undvika eftersom oorganiska partiklar t.ex. vitt papper innehållande fyllmedel, följer med wellpappen.

Eftersom det inte finns någon fiberriktning på fibrerna när man tillverkar styrkeark i arkform kan man inte säga så mycket om styrkorna i pappret. Det ger enbart en uppfattning om

(24)

Min slutsats av det hela är att man kanske skulle kunna försöka hålla en högre syrehalt i massatornet och därigenom få ett högre pH-värde och en lägre konduktivitet för att få en bättre retention i massan.

Genom att sortera bort vitt papper från wellpappen innan man löser upp den kanske skulle kunna leda till att askhalten minskar. Men frågan är om denna askhalt egentligen spelar så stor roll jämfört med det arbete som skulle krävas att skilja på vitt och brunt papper. Mycket återvunnet vitt papper skulle då även slösas bort om det inte används till att göra papper igen.

(25)

Referenser

[1] Fellers C., Norman B., (1998).”Pappersteknik”. Avdelningen för Pappers- och Massateknik, KTH. Sid 65-67.

(26)

Tack till företaget

(27)

Bilagor

(28)

(29)

(30)

Bilaga 4.

Tabell 1. Koncentration i massan, densitet i pappret och vilken kvalitet som kördes i PM1.

Massaprov nr 1-8 Koncentration [%] Densitet [kg/m3] Kvalitet [g/m2] 7/5-14 kl. 07.15 3,31 559,59 KL 170 7/5-14 kl. 13.00 3,12 588,12 KL 170 9/5-14 kl. 07.00 3,35 590,52 KL 280 9/5-14 kl. 11.00 3,21 577,31 KL 400 9/5-14 kl. 15.00 3,30 588,02 WS 420 10/5-14 kl. 07.30 3,58 588,24 WS 440 10/5-14 kl. 11.00 3,33 608,47 WS 440 10/5-14 kl. 14.50 2,88 589,17 WS 440

Tabell 2. Medelvärden på arkvikt, tjocklek och ytvikt på arken vid pappersprovning. Massaprov nr 1-8 Arkvikt [g] Tjocklek [μm] Ytvikt [g/m2] 7/5-14 kl. 07.15 2,926 244,0 146,3 7/5-14 kl. 13.00 2,970 252,5 148,5 9/5-14 kl. 07.00 3,040 257,4 152,0 9/5-14 kl. 11.00 2,972 257,4 148,6 9/5-14 kl. 15.00 2,926 248,8 146,3 10/5-14 kl. 11.00 2,990 245,7 149,5 10/5-14 kl. 14.50 2,894 245,6 144,7

(31)

Bilaga 5. Diagram över resultat från pappersprovningen.

Figur 1. Diagram över förändring i kompressionsstyrka.

Figur 2. Diagram över förändring i sprängstyrka.

Figur 3. Diagram över förändring i töjning.

(32)

Bilaga 6. Diagram över resultat från pappersprovningen, forts.

Figur 4. Diagram över förändring i brottarbete.

Figur 5. Diagram över förändring i dragstyvhet.

Figur 6. Diagram över förändring i dragstyrka.