E X A M E N S A R B E T E
Malningsoptimering
- energioptimering vid LC-malning av barrsulfatmassa vid Smurfit Kappa Kraftliner Piteå
Malin Vikström
Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet
Maskinteknik
Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik
Förord
Detta examensarbete utgör den avslutande delen i min utbildning till civilingenjör i
Maskinteknik med inriktning Produktion vid Luleå Tekniska Universitet. Arbetet har utförts på Smurfit Kappa Kraftliner Piteå under våren 2009 och efter ett uppehåll för sommarjobb färdigställdes rapporten i augusti. Arbetet har gått ut på att hitta möjligheter till optimering av malningen av färskfibermassorna.
Det har varit en mycket rolig och lärorik tid.
Jag vill även passa på att tacka alla som på ett eller annat sätt hjälpt mig i arbetet.
Tack till maskinförarna som har hjälpt mig att ta ut prover och alla som hjälpt mig på våt- och papperslaboratoriet. Tack också till min examinator vid Luleå Tekniska Universitet, Hans Engström.
Ett speciellt tack till min handledare Marianne Tollander som trots fullspäckat schema alltid har tid för råd och vägledning och glada skratt.
Piteå 2009-08-28
Malin Vikström
Sammanfattning
Smurfit Kappa Kraftliner Piteå är Europas största kraftlinerbruk. Man tillverkar kraftliner som är det släta ytskiktet i wellpapp. Massa tillverkas i massabruket och när den kommer till pappersbruket mals den innan den går till pappersmaskinerna. Syftet med malningen är att förbättra egenskaperna hos massan för att kunna tillverka ett starkt papper. Malningen är en mycket viktig och energikrävande process. Syftet med examensarbetet är att undersöka hur malningen kan optimeras, både genom att få högre massastyrka och minska
energiförbrukningen. Potentialen av att installera automatisk mätutrustning så som malgradsmätare och fiberanalys har utvärderats. Kappatalsvariationens betydelse för malningen har också undersökts.
En litteraturstudie har gjorts och sammanfattats i arbetet, den ger läsaren en teoretisk grund.
Ett antal försök har utförts på pappersmaskin 1’s kvarnar. Prover från dessa försök skickades till Lorentzen & Wettre för fiberanalys. Smurfit Kappa Kraftliner Piteå har mycket data dokumenterat i sitt intranät, det har legat till grund för de mer teoretiska analyser som genomförts.
Samtidigt som malning förbättrar styrkeegenskaper hos massan så försvåras avvattningen av massan på pappersmaskinen ju mer mald massan är.
Tillfälle gavs att prova olika malskivor på samma kvarn, men vid provtillfällena var massan så olika i styrka att det var svårt att jämföra resultaten. Innan nytt tillfälle gavs gick skivorna sönder och fick kasseras. Teoretiska jämförelser av malskivorna i de olika kvarnsystemen är svåra att göra då skivorna är av olika typ.
En automatisk malgradsmätare skulle spara energi och ge jämnare massakvalitet till pappersmaskinerna. En automatisk malgradsmätare skulle underlätta hanteringen av
variationer i kappatal. Vid låga kappatal mals massan ofta onödigt långt, vilket kostar onödigt mycket i energiförbrukning och dessutom kan bli till begränsning på pappersmaskinen. På pappersmaskin 1, som tillverkar produkter som inte kräver lika hög massastyrka som
pappersmaskin 2 gör, skulle en automatisk malgradsmätare kunna spara energi motsvarande 1,4 miljoner kr/år. På pappersmaskin 2 skulle en automatisk malgradsmätare vara bra främst ur kvalitetssynpunkt.
Fiberanalys har visat att fiberlängden minskar i pappersmaskin 1’s toppkvarnar, så mycket att
det begränsar styrkeutvecklingen av massan. Nyttan av online mätning av fibrer bör utredas
mer.
Abstract
Smurfit Kappa Kraftliner Piteå is Europe’s biggest kraftliner mill. Kraftliner is a paper that is used for processing high quality corrugated board. The mill consists of a sulphate factory with two softwood pulp lines, a hardwood line with bleaching plant, a recycled fibre plant and two paper machines. As the pulp enters the paper mill, it is beaten refiners. The purpose of this beating is to improve the pulp properties to be able to produce strong paper.
The purpose of this master thesis is to find ways of optimization for the beating process, both in better strength development and better use of energy consumption.
A summary of the literature study gives the reader a background on the complex process of refining. Experiments have been carried out on the refiners a head paper machine 1. Samples from these experiments were sent to Lorentzen & Wettre for fibre analyzes. Smurfit Kappa Kraftliner Piteå has a lot of documented production data, which has been a good base for the theoretical analyzes within this work.
At the same time as strength properties develops by beating, the dewatering of the pulp gets harder on the paper machine.
An attempt to compare refiner fillings (for the same refiner) has been done. It was hard to draw any conclusions from the results, due to big difference in pulp strength between the samples. No further samples could be taken since the fillings came in contact and had to be discarded. The refiner fillings used in the refiners ahead the two paper machines, are of different types and are therefore difficult to compare.
Implementation of online equipment for controlling the result of beating (freeness
measurement) will save a lot of energy and give a more uniform pulp to the paper machines.
With such equipment in use, the variations in kappa number will be easier to handle. Today, pulp with low kappa number is often beaten too much, resulting in deterioration of strength properties and it might also be a limit for the paper machine in terms of dewatering. By limiting the freeness to 35 MSR on paper machine 1, which products doesn’t have same high demands on strength properties as products on paper machine 2, it is possible to save 1,4 million SEK/year. For paper machine 2, online control of freeness, would be useful from a quality point of view.
Fibre analyzes has shown that fibres are shortened in the refiners for top pulp (paper machine 1), to such great extent that it limits the strength development. The benefit of online
measurements of fibre properties has to be investigated further.
Nomenklatur
Kappatal används för att beskriva grad av ligninutlösning vid kokning av kemisk massa. Förenklat sagt; ett mått på hur nedkokt massan är, högt kappatal lite kokt massa, lågt kappatal mer kokt massa.
L&W Lorentzen & Wettre AB, leverantör av laboratorieutrustning för massa och pappersindustrin.
PM1 Pappersmaskin 1 PM2 Pappersmaskin 2
Tambur Rulle med papper med full maskinbredd
Tamburdata Intern databas med produktionsdata för varje tambur.
Innehållsförteckning
1 INLEDNING... 1
1.1 F ÖRETAGSBAKGRUND ... 1
1.2 P ROBLEMBESKRIVNING ... 1
1.3 S YFTE ... 1
1.4 M ÅL ... 2
1.5 A VGRÄNSNINGAR ... 2
2 PRODUKTER OCH TILLVERKNINGSPROCESS ... 3
2.1 P RODUKTER ... 3
2.2 P APPERSTILLVERKNING ... 3
2.3 K VARNSYSTEM ... 4
2.3.1 K VARNAR PM1... 6
2.3.2 K VARNAR PM2... 7
3 LITTERATURSTUDIE... 10
3.1 K VARNEN ... 10
3.1.1 DD- KVARN ... 10
3.1.2 V AD HÄNDER I KVARNEN ?... 11
3.2 M ALNINGENS PÅVERKAN PÅ VEDFIBERN ... 13
3.2.1 V EDFIBERN ... 13
3.2.2 P APPRETS STYRKA ... 14
3.2.3 V AD HÄNDER MED FIBERN UNDER MALNINGEN ? ... 15
3.3 M ALNINGENS EFFEKT PÅ PAPPRETS EGENSKAPER ... 15
3.3.1 M ALNING OCH PAPPRETS EGENSKAPER ... 15
3.3.2 M ALGRAD ... 17
3.3.3 F IBERANALYS ... 18
3.3.4 F YSIKALISK PAPPERSPROVNING ... 19
3.4 M ALNINGSTEORIER ... 20
3.4.1 S PECIFIK KANTBELASTNING ... 20
3.4.2 S PECIFIK YTBELASTNING ... 21
3.4.3 Ö VRIGA TEORIER ... 21
3.5 M ALSKIVOR OCH ENERGIEKONOMISK MALNING ... 22
3.6 I SHIKAWADIAGRAM ... 23
4 METOD... 24
4.1 M ALKURVA ( FABRIKSMALNING )... 24
4.2 F IBERANALYS ... 25
4.3 D ATAINSAMLING ... 25
4.4 K APPATALSMÄTNING ... 25
4.5 S TUDIEBESÖK ... 25
5 RESULTAT ... 26
5.1 M ALKURVOR OCH FIBERANALYS ... 26
5.1.1 K VARN 9020, U TVÄRDERING AV TESTSKIVOR ... 26
5.1.2 T OPPKVARNARNA 9027 OCH 9007... 27
5.2 K APPATALETS INVERKAN PÅ MALNINGEN I PAPPERSBRUKET ... 31
5.3 J ÄMFÖRELSE AV MALSKIVOR , PM1 OCH PM2 ... 34
5.4 S TUDIEBESÖK SCA P ACKAGING , M UNKSUND ... 34
5.5 M ALGRADSMÄTARE ONLINE ... 35
5.5.1 L&W P ULP T ESTER ... 37
6 DISKUSSION ... 38
7 SLUTSATS OCH REKOMMENDATIONER ... 39
8 REFERENSER ... 40
9 BILAGOR ... 41
1 Inledning
1.1 Företagsbakgrund
Smurfit Kappa Kraftliner Piteå är Europas största kraftlinerbruk med kapacitet att årligen tillverka 700 000 ton kraftliner. Kraftliner är ett papper som används för tillverkning av högklassig wellpapp.
Fabriken byggdes mellan 1959 och 1962. Dess kapacitet var från början 100 000 ton/år. Efter 10 år, 1972, fördubblades produktionen när pappersmaskin 2 togs i drift. Kapaciteten har genom ständiga investeringar och förbättringar ökat genom åren och 2001 tillverkades drygt 642 000 ton. Ytterligare investeringar under år 2002 innebar att kapaciteten år 2003 nådde 700 000 ton vilket då också motsvarade miljötillståndet. År 2004 togs en biologisk rening av avloppsvattnet i drift och miljötillståndet höjdes till 750 000 ton. Under 2005-2006
genomfördes den största enskilda investeringen i fabrikens historia, den nya biobränslepannan byggdes och togs i drift våren 2007.
Smurfit Kappa Kraftliner Piteå omsätter ca 3 miljarder kr. Fabriken är placerad i direkt anslutning till Piteå stad och är en av dess största arbetsplatser. Antalet anställda är mer än 600 personer, av dessa arbetar 210 personer skift och ca 100 anställda är kvinnor.
Anläggningen består av en sulfatfabrik med två barrmassalinjer, en lövmassalinje med blekeri, en returfiberanläggning samt två pappersmaskiner.
Smurfit Kappa Kraftliner Piteå ingår i Paper Division Europe i Smurfit Kappa Group. Med en omsättning på över 7 miljarder euro och med mer än 40 000 anställda, är Smurfit Kappa Group marknadsledande inom pappersbaserade förpackningar. Paper Divison är verksam i elva europeiska länder. Ett finmaskigt nät av testlinerbruk ger närhet till interna och externa kunder, samt ett kraftfullt lag av kraftlinerbruk belägna i norra, södra och centrala Europa, som alla är rankade bland de mest effektiva i branschen.
1.2 Problembeskrivning
Malning av de olika färskfibermassorna har alltid varit en av de viktigaste
enhetsoperationerna i massa- och papperstillverkning. Malningen förändrar fibrernas förmåga att skapa bindningar och kan därmed förbättra papprets slutliga styrka. Det är en mycket energikrävande operation, ca 84 GWh/år. Nya produkter kräver högre massastyrka. I
framtiden kommer man att behöva en hög massastyrka hos färskfibermassorna för att kunna blanda in mer returfibermassa utan att tappa i kvalitet. Tidigare har ombyggnad och
processoptimering skett i massabruket för att möta de nya produkternas krav på massan. Nu behövs en optimering i pappersbruket för att kunna producera de nya produkterna och de nuvarande, med lägsta möjliga energiinsats.
1.3 Syfte
Syftet med examensarbetet är att undersöka hur man kan säkerställa att färskfibermassorna
behandlas optimalt i malningssteget för att ge pappersmaskinerna bästa massa till lägsta
energiinsats.
1.4 Mål
• Utvärdera potentialen av att installera någon typ av automatiserad malgradsmätning och /eller fiberanalys.
• Utvärdera skillnader mellan kvarnsystem för oblekt barrmassa på PM1 och PM2.
• Utarbeta rekommendationer till operatörerna vad gäller malning av färskfibermassa.
• Undersöka kappatalets inverkan på resultatet av malningen
• Undersöka hur energin ska fördelas mellan kvarnarna vid seriemalning.
1.5 Avgränsningar
Examensarbetet omfattar internt tillverkad oblekt barrsulfatmassa. Data som använts i arbetet
är från 2009-01-01 och framåt, dvs under examensarbetets gång. Detta för att få med effekten
av impregneringskärlet som togs i bruk i november 2008.
2 Produkter och tillverkningsprocess
I detta kapitel presenteras företagets produkter och en kort beskrivning om papperstillverkning ges.
Slutligen presenteras kvarnsystemen som finns i pappersbruket.
2.1 Produkter
Smurfit Kappa Kraftliner Piteå tillverkar både kraftliner och testliner. Kraftliner tillverkas från färskfibermassa och testliner från returfibermassa. Liner är de plana skikten i wellpapp.
Wellpapp finns i många olika utföranden och tjocklekar. Den används främst till lådor och det är dessa lådors bruksegenskaper som ytterst bestämmer kraven på linerns egenskaper. När kraven på slutproduktens styrka är höga används kraftliner till både inner- och ytterskikt. Men ofta, när styrkekraven är lägre, används kraftliner till ytterskiktet och testliner som är billigare till innerskiktet.
Liner tillverkas i ytviktsområdet 100 – 400 g/m
2. Den är uppbyggd av ett basskikt som ger de önskade styrkeegenskaperna, och ett ytskikt som består av massa som ger högre ytjämnhet och tryckbarhet. Basmassan består av oblekt barrsulfatmassa, inblandning av returfiber kan ske upp till 30 % om kundernas specifikationer tillåter detta. Toppmassan består av oblekt barrmassa (brun yta), eller blekt björkmassa (marmorerad eller vit yta).
I Piteå tillverkas fem kvaliteter:
• Royal Brown är den volymmässigt största produkten. Den tillverkas av oblekt
nyfibermassa och ca 30 % returfibermassa. Den bruna kraftlinerns främsta egenskaper är hög och jämn mekanisk styrka samt goda egenskaper för tryckning på brun yta.
• Royal Mottled har ett marmorerat vitt toppskikt på ett basskikt av oblekt massa med en mindre del returfibermassa. Toppskiktet består av ett tunt lager blekt massa som formerats till ett marmorliknande utseende.
• Royal 2000 är en kraftliner med heltäckande vitt toppskikt bestående av blekt massa på ett basskikt av oblekt massa.
• Royal White är en kraftliner med heltäckande vitt toppskikt bestående av blekt massa på ett basskikt av oblekt massa. Den har högre ljushet och bättre ytjämnhet än Royal 2000. I det vita toppskiktet ingår även vitt pigment, vilket ger en mycket vit och tryckbar yta för alla typer av färger
• White Top Testliner är en ny produkt som har ett vitt toppskikt bestående av blekt färskfibermassa och ett bottenskikt helt av returfiber. Efterfrågan på vitt papper är större än på brunt, och denna produkt är en enklare och billigare variant än de övriga vita produkterna.
2.2 Papperstillverkning
Massabruket tillverkar massa till pappersbruket. Nyfiberråvaran utgörs av barr- och lövmassaved samt barrvedflis från sågverk. Barr- och lövveden barkas och flisas vid två separata linjer i renseriet. Massabruket består av tre tillverkningslinjer med kontinuerliga massakokare, diffusörtvättar, slutna silerier och sluttvättning. Två av linjerna används för oblekt barrmassa, och den tredje för blekt björkmassa. Blekprocesen är sluten, vilket innebär att restprodukterna från blekningen återförs till kemikalieåtervinningssystemet.
Returfibermassa, tillverkad av återsamlade wellpapplådor och rester från tillverkningen av
wellpapplådor, köps in. Returwellen bearbetas genom mekanisk uppslagning i vatten, silning i
flera steg för avskiljning av föroreningar samt värmebehandling för dispersion av vax och eliminering av svampsporer. Rejektet från silningen pressas och nyttiggörs som bränsle.
Den färdiga färskfibermassan pumpas till stora massatorn där den lagras vid 10 % koncentration. I pappersbruket finns två pappersmaskiner, pappersmaskin 1, PM1, som tillverkar brun och marmorerad liner, och pappersmaskin 2, PM2, som tillverkar ytvit liner.
Från massatornen pumpas massan till ett massakar för utspädning till 4 %, innan den mals.
Efter malningen går massan till pappersmaskinen. Pappersmaskinen består av tre delar;
våtparti, pressparti och torkparti. Våtpartiet består av två formningsenheter, den undre för formning av linerns basskikt, och den övre för formning av toppskiktet. De två skikten sammanförs på basviran i slutet av våtpartiet. I presspartiet bärs arket fram av filtar genom olika pressnyp. Vatten pressas ur linern och efter sista pressen går arket över i torkpartiet. I torkpartiet torkas pappret mot ånguppvärmda metallcylindrar. Då linern torkar får den sina slutliga egenskaper. Ytvikt och fukthalt kontrolleras, och linern rullas upp på en stor rulle, tambur. I slutet av varje tambur klipps en remsa av över hela rullens bredd. Denna remsa tas för provtagning i Autoline labbet, där det färdiga papprets egenskaper kontrolleras mot specificerade värden. Tamburen går till rullmaskinen där rullarna skärs till de storlekar kunderna beställt. Efter vägning och märkning går rullarna till utlastning.
2.3 Kvarnsystem
Det finns en begränsning i hur mycket energi som kan överföras, i varje steg, till fibrerna genom malning. För mycket energi leder till att man klipper av fibrerna och därmed får sämre egenskaper hos pappret. Det är bättre att dela upp energin på flera kvarnar, eller att låta massan recirkuleras genom kvarnen. Det har visat sig att malning i serie ger ett mer homogent malresultat och bättre styrkeegenskaper än att bara mala i en kvarn. Mindre malenergi i varje steg och mindre variation av tiden fibrerna befinner sig i malzonen är det som talar för seriemalning. Olika typer av massa kräver olika malning, björkmassa är mycket mer lättmald än barrmassa och kräver en försiktigare malning för att uppnå önskade egenskaper. I kraftliner är det basskiktet som främst ger de önskade styrkeegenskaperna, ytskiktet ska ge högre
ytjämnhet och tryckbarhet och mals därför längre. [4, 8] I figur 1 ses en kvarn i drift och i
figur 2 en öppen kvarn.
Figur 1. Maskinförare vid kvarnarna före PM1.
Figur 2. Kvarn öppnad för rengöring.
2.3.1 Kvarnar PM1
PM1 producerar brun och marmorerad kraftliner, och vit testliner. PM1’s baskvarnar, 9006, 9019 och 9020 används i serie, se figur 3.
Den sista kvarnen används bara vid höga flöden (ytvikter under 200 g/m
3).
Figur 3. PM1 baskvarnar.
Efter 9019 finns en utjämningstank, detta för att ta upp tryckstötar efter den andra kvarnen.
Tidigare har man också tillsatt svavelsyra för att sänka pH värdet här, men det görs nu före kvarnarna. Den sista kvarnen, 9020, används bara vid höga flöden (ytvikter under 200 g/m
3).
Storlek, varvtal och effekt framgår av tabell 1.
Tabell 1. Storlek, varvtal och effekt, PM1 baskvarnar.
Kvarn nr Fabrikat Designstorlek (tum)
Malskivans storlek (tum)
Varvtal (varv/min)
Effekt (kW)
9006 Beloit DD4000 46 42 500 1600
9019 Beloit DD4000 46 42 500 1600
9020 Beloit DD4000 46 42 600 1500
Toppkvarnarna 9027 och 9007 används för brun toppmassa, se figur 4. 9015 används bara för
blekt björkmassa och har speciellt anpassade malskivor för detta.
Figur 4. PM1 toppkvarnar.
9027 är den nyaste kvarnen, den installerades i december 2008. 9015 byggdes om och anpassades speciellt för björkmassa i februari 2009. Rotorn har fått bättre flyt på axeln, varvtalet ändrades och en recirkulationsledning byggdes för att kunna recirkulera vid låga flöden. Storlek, varvtal och effekt framgår av tabell 2.
Tabell 2. Storlek, varvtal och effekt, PM1 toppkvarnar.
Kvarn nr Fabrikat Designstorlek (tum)
Malskivans storlek (tum)
Varvtal (varv/min)
Effekt (kw)
9027 Beloit DD4000 38 38 500 1500
9007 Beloit DD4000 46 42 500 1500
9015 Beloit DD4000 46 46 500 1500
2.3.2 Kvarnar PM2
PM2 producerar kraftliner med vitt ytskikt och brunt basskikt. PM2’s baskvarnar, R1, R2, R3,
är i används i serie, se figur 5. Det finns inget mellankar mellan kvarnarna.
Figur 5. PM2 baskvarnar.
Storlek, varvtal och effekt framgår av tabell 3.
Tabell 3. Storlek, varvtal och effekt, PM2 baskvarnar.
Kvarn nr Fabrikat Designstorlek (tum)
Malskivans storlek (tum)
Varvtal (varv/min)
Effekt (kW)
R1 Sprout Bauer 42 42 500 1500
R2 Sprout Bauer 42 42 500 1500
R3 Beloit 46 46 500 1600
I PM2’s toppkvarnar, R4, R5, R8, R10 körs bara blekt björkmassa, se figur 6. De används vanligtvis två i taget, R4 och R5 eller R8 och R10.
Figur 6. PM2 toppkvarnar.
Tabell 4. Storlek, varvtal och effekt, PM2 toppkvarnar.
Kvarn nr Fabrikat Designstorlek (tum)
Malskivans storlek (tum)
Varvtal (varv/min)
Effekt (kW)
R4 Sprout Bauer 42 42 600 1250
R5 Sprout Bauer 42 42 600 1250
R8 Sprout Bauer 42 42 600 1250
R10 Sprout Bauer 42 42 600 1250
3 Litteraturstudie
I det här kapitlet försöker författaren sammanfatta den litteraturstudie som genomförts inom examensarbetet. Kapitlet börjar med att beskriva kvarnen, fortsätter med fibrer och papprets
egenskaper. Därefter presenteras några teorier inom malning och ett avsnitt om malskivor och energi förbrukning. Den komplexa processen sammanfattas i ett Ishikawadiagram och kapitlet avslutas med ett avsnitt om fiberanalys.
3.1 Kvarnen 3.1.1 DD-kvarn
De vanligaste kvarnarna som används för att bearbeta kemisk massa är DD-kvarnar (double disc refiner). De består av en roterande skiva mellan två stationära skivor. Den ena av de stationära skivorna pressas mot rotorn som ställer in sig mellan de fasta skivorna. På båda sidor om den roterande skivan, och på de stationära skivorna sitter malskivor fastskruvade.
Malskivorna är förbrukningsvara som byts när de är nednötta. På äldre modeller förflyttas hela axeln med rotorn, medan rotorn på nyare, eller ombyggda, ”flyter” på axeln och ger jämnare malning. Massan kommer in genom inloppet, fördelas jämt mellan skivorna, mals och går ut ur kvarnen.
Figur 7. DD-kvarn. [Källa: Beloit Corporation].
De industriella kvarnarnas varvtal är oftast konstanta. När kvarnen är i drift är det endast
belastningen som kan ändras, men ändras belastningen ändras även malspalten så dessa två
faktorer går inte att skilja åt.
Malskivorna är uppdelade i ett antal malsegment. Segmenten, som vanligtvis är gjutna, består av bommar och spår. Bommönstret ser olika ut för olika typer av fibrer. De vanligaste
parametrarna för en malskiva är bredd på bommar och spår, höjd på bommarna, och
bomvinkel från radiellriktning. Om rotorns och statorns bommar är parallella, är det stor risk för fiberklippning och dessutom hög ljudnivå. Materialet är legerat kromstål med hög kolhalt, man vill att bommarnas kanter ska vara vassa även vid slitage. Friktionskoefficienten
påverkar den tid fibrerna stannar i zonen mellan korsande bommar. Kvarnens effektivitet beror till stor del på att lämpligt mönster på malskivan har valts. [1, 4, 8, 9]
Tomgångsförluster
Tomgångsförlusten är den energi som går åt till att driva runt kvarnen, det vill säga
motorförlust, lagerfriktion, pumparbete och turbulensförluster. För att mäta tomgångsförlusten kör man kvarnen med öppen malspalt och med vatten istället för massa. Experiment har visat att man bör lägga på ca 20 % på det värde man får när man kör med vatten. Att
energiförbrukningen ökar med hastigheten, kan förklaras av att tomgångsförlusten ökar med tredjepotensen på rotorhastigheten. Ur energisynpunkt är det bäst att alltid köra med full belastning på kvarnen, om flödet är lågt är det bättre att ställa en kvarn än att köra alla med reducerad belastning. [4]
Specifik malenergi
Ett viktigt begrepp för att karaktärisera ett malförlopp är specifik malenergi, P
s. Specifika malenergin beräknas som kvoten mellan den till massan överförda (netto)effekten, P
n, i kW och massaflödet, q, uttryckt i ton/h. Specifika malenergin får enheten kWh/ton.
q
P
s= P
n(1)
Den till massan överförda effekten, P
n, beräknas som differensen mellan effekten matad till kvarnen (bruttoeffekt), P
boch tomgångseffekten P
0.
P
0P
P
n=
b− (2)
Koncentration, pH och temperatur
Barrmassor mals vanligen vid ungefär 4 % koncentration. En för låg koncentration gör att fiberskiktet i malzonen får dålig bärkraft, malspalten blir liten och risken för fiberklippning ökar.
pH påverkar fiberns vattenupptagningsförmåga. Vid malning bör pH ligga mellan 5 och 10.
För lågt pH gör att fibrerna inte sväller ordentligt, fiberklippning och andelen finfraktion tenderar att öka. För högt pH gör fibrerna halkiga och de tenderar att halka av bommarna.
Vid lågkoncentrations malning (LC-malning, 2-6 %) har temperaturen inte någon nämnvärd inverkan, så länge den ligger inom intervallet 20-80˚C. [8]
3.1.2 Vad händer i kvarnen?
I kvarnen bearbetas massan mellan roterande malskivor. Skivorna är utformade med bommar
och spår. Avståndet mellan två motstående bommar som möts är litet, men dock större än att
en enskild fiber kan klämmas fast mellan dem. Man kan därför konstatera att malningen inte
sker på enskilda fibrer, utan på någon typ av fibernätverk eller fiberknippen. Fiberknippen
bearbetas mellan mötande bommar och transporteras och omfördelas i spåren.
Bearbetningen går till på följande sätt, se figur 8.
a) Fiberknippen fångas upp på den ledande kanten av bommen. Fiberknippet pressas ihop och tar emot en malimpuls. Det mesta av vattnet pressas ut ur knippet. Korta fibrer med sämre förmåga att bilda knippen skalas troligen av och hamnar med vattnet i spåren och får inte vidare bearbetning.
b) Kanterna på bommarna pressar fiberknippet mot toppen av bommen.
c) Medelgapet mellan bommarna är 100µm, det motsvarar tjockleken på 2-5 svällda fibrer eller 10-20 kollapsade fibrer. Det mesta av malningen utförs under detta stadie, bommarna ger mekanisk behandling och friktion mellan fibrerna ger fiber-till-fiber behandling inom knippet.
d) Fiberknippet är fortfarande ihop pressat mellan bommarnas flata ytor.
e) Knippet är på väg ut ur malzonen.
f) Det behandlade knippet åker ner i spåret för att så småningom komma upp och fastna på en bom.
Figur 8. Fiberknippets passage mellan två bommar. [8]
Längden på malimpulsen beror på bommarnas bredd och vinkeln mellan korsande bommar.
När malskivorna rör sig i förhållande till varandra, bildas starka virvelströmmar i spåren. Det är detta som får fibrerna att fästa vid bomkanter i uppfångningsstadiet, se figur 9. Om spåren är för smala så att fibrerna och fiberknippena inte kan rotera, kommer de att gå obearbetade genom kvarnen.
Figur 9. Virvelströmmar gör att fiberknippen fäster på bomkanten. [8]
Malningens resultat kommer till stor del att bero på fibrernas fäste på bomkanterna och på
fibrernas uppförande i knippet under malimpulsen. Massa med långa fibrer (barrved) har lätt
för att fästa på bomkanterna och bildar starka knippen som inte går sönder så lätt. Minskad malspalt skyndar på malningen men riskerar att klippa fibrer. Massa med korta fibrer (lövved) har svårare att fästa på bomkanterna, och knippen bryts lätt upp i malzonen mellan
bommarna. Minskad malspalt gör att malningen går saktare och man riskerar att malskivorna får kontakt. [8]
3.2 Malningens påverkan på vedfibern 3.2.1 Vedfibern
Veden är uppbyggd av olika typer av fibrer med olika uppgifter. Barrved består till 90 % av trakeider som ger veden styrka och transporterar vatten. Trakeiderna är huvudbeståndsdelen i pappersmassa. Barrvedens trakeider är långa (3-5µm) och starka. De starkaste papperen tillverkas av kemisk barrvedsmassa.
Lövträdens fibrer är korta (0,8-1,6µm) och smala. Lövved är, på grund av sin stora vattentransport behov, mer komplicerat byggd, än barrved. Pappersmassa av lövved ger utmärkt formation och lämpar sig bra för tryckpapper.
Barrfibern är uppbyggd av väggar runt ett hålrum, lumen, i mitten. Se figur 10. I fiberväggen finns porer som förenar lumen i angränsande fibrer.
Figur 10. Barrvedstrakeid i sitt vedförband. M, mittlamell, P, primärvägg, S1, ytterlager i
sekundärväggen, S2, mellanlager i sekundärväggen, S3, innerlager i sekundärväggen, L, lumen. [2]
Vedfibern består till stor del av cellulosa, hemicellulosa och lignin. Se tabell 5.
Tabell 5. Kemiska beståndsdelar och ungefärlig andel i ved. [2]
Cellulosa Hemicellulosa Lignin Extraktivämnen
Barrved 42 % 27 % 28 % 3 %
Lövved 44 % 33 % 20 % 3 %
Vedfibern består till största del av cellulosa. Cellulosamolekylen är en lång kedjemolekyl, uppbyggd av 9-10 000 glukosenheter. Cellulosakedjorna är arrangerade i knippen,
mikrofibriller. Vid kemisk framställning av massa vill man frilägga cellulosan. Man vill
undvika att bryta ned molekylerna då en förkortning av molekyllängden försämrar papprets
styrka.
Hemicellulosan utlöses till stor del under kokningen pga sin amorfa struktur.
Hemicellulosornas uppbyggnad liknar cellulosans men kedjorna är kortare och har fler sidogrenar. De anses fungera som bindemedel mellan cellulosan och ligninet, och har stor betydelse för hållfastheten genom att bidra till fiberbindningarna. Hemicellulosa underlättar malningen, men för stor mängd kan vara till nackdel för opaciteten och tryckbarheten.
Lignin finns i mittlamellen och i fiberväggarna. Byggstenarna består av aromatiska kolväten som kopplats ihop till en komplicerad tredimensionell struktur. Uppbyggnaden varierar mellan löv och barrträd och även mellan mittlamellen och fiberväggen. Det mesta av ligninet löses upp och avlägsnas vid kemisk massaframställning, den rest som blir kvar blir missfärgat och måste blekas om man vill ha vit massa. [2, 4,5]
Varje fiber har en inre struktur och kemisk sammansättning som styr dess mekaniska egenskaper. Figur 10 visar en barrvedstrakeid i sitt vedförband, de olika väggarnas
beteckningar framgår också. Dessutom är cellulosafibrillernas orientering i de olika lagren är markerad. I tabell 6 framgår de olika väggarnas tjocklek, en kort beskrivning och vad väggen har för uppgift i fibern.
Tabell 6. Vedfiberns väggar. [2]
Del av vägg Tjocklek Beskrivning Uppgift
Mittlamell, M 0,1-1 µm 40-60 % lignin.
Ligninet utlöses mer eller mindre i
kokprocessen och frilägger fibrerna.
Håller ihop fibrerna.
Primärvägg; P 0,1-0,3 µm Mikrofibriller
inbäddade i lignin och hemicellulosa
Spröd och oelastisk, måste avlägsnas för att fibern ska kunna svälla och bli mjuk.
Sekundärväggens
ytterskikt, S1 0,1-0,2 µm Två motriktade spiraler av
cellulosamikrofibriller
Håller samman fibrillerna i S2 Sekundärväggens
Huvuddel, S2
1-5 µm Fibriller löper
parallellt i Z-spiral runt fibern. 0-30° mot fiberns längsriktning.
Utgör 80% av fibern. Svarar för största delen av fiberstyrkan.
Sekundärväggens innerdel
(tertiärvägg), S3
0,1 µm Fibriller i S-spiral med mer än 50°
vinkel mot fiberns längsriktning.
Begränsar fiberväggen mot lumen.
Lumen, L Hålrum Transporterar
vätska
3.2.2 Papprets styrka
I ett papper är det vätebindningar, eller vätebryggor, som håller ihop fibrerna.
Vätebindningarna kan bildas när hydroxylgrupper (OH-) kommer nära varandra, 2,5-3,5Å.
För att fibrerna ska komma så nära varandra att vätebryggor kan uppstå måste de vara mjuka
så att de kan pressas ihop under arkbildningen. De skiljs då åt av tunna vattenskikt. När sen
vattnet pressas och torkas bort, kommer fiberytorna dras mot varandra av vattnets ytspänning till dess att avståndet är så litet att vätebryggor kan uppstå.
3.2.3 Vad händer med fibern under malningen?
Massan mals för att få ett starkare papper. Ett ark gjort av omalda fibrer är svagt, poröst och har dålig formation. Den omalda fibern är styv och har dåliga bindningsegenskaper.
Malningsoperationen gör fibern flexibel och finmaterial frigörs, båda dessa faktorer förbättrar kontakten mellan fibrerna och ger därmed ökad styrka. Malning av kemisk massa sker vid en koncentration av 3-5%. [2, 5]
I malningsoperationen krossas primärväggen och S1 i sekundärväggen, och avskalas helt eller delvis från fibrerna. S2 friläggs och tar upp vatten och sväller både utåt och inåt mot lumen.
Lumen trycks ihop och fibern ändrar från rörform till bandform (vätebindningar bildas). När fibern sväller bryts vätebindningar inne i fiberväggen, som då blir mjukare. Den mekaniska bearbetningen ger också bindningsbrott i fiberväggen. Delar av fiberväggen spjälkas upp men är fortfarande fästade till fibern (yttre fibrillering, se figur 11). En del av dessa fibriller frigörs och bildar finmaterial, kryll, se figur 11. Bearbetningen har frilagt nya ytor som har förmåga att bilda vätebindningar med andra ytor. Om fibern är tillräckligt mjuk kan ytorna, i papperstillverkningsprocessen, komma så nära varandra att vätebindningar uppstår och ger pappret styrka. Viss fiberförkortning sker men är inte önskvärd. [2, 4]
Figur 11. Schematisk illustration av malningens inverkan på fibern. A fiberklippning, B formförändring, C bildande av finmaterial, D yttre fibrillering, E svällning eller inre fibrillering, F utlösning av substans.
[2]
3.3 Malningens effekt på papprets egenskaper 3.3.1 Malning och papprets egenskaper
Malningen påverkar mäldens egenskaper och därmed papprets egenskaper bl a på följande
sätt:
Avvattning
Ju mer massan mals desto mer svår avvattnad blir den. Det beror på att det bildas finfraktion som fångas upp mellan fibrerna och att fibrerna blir mjukare och packas tätare. Vid malningen sväller fibern och tar upp vatten i fiberväggen, detta vatten måste pressas ut ur fibern. [5]
Dragstyrka
Dragstyrkan beror på fiberns styrka, men främst på graden av bindningar mellan fibrerna. Den kan därför användas som mått på massans förmåga att skapa bindningar mellan fibrerna.
Dragstyrkan varierar i olika riktningar, den kan därför ge en indikation på fiberriktningen. [7]
Malningen gör att dragstyrkan ökar, det beror på flera saker.
-Fler vätebindningar kan bildas då de mjuka fibrerna dras närmare varandra av ytspänningen under torkningen.
-Sekundärväggen, med sin förmåga att bilda vätebindningar, har frilagts.
-Den bindningsbenägna ytan har ökat genom att fibrerna delaminerats (ruggats upp).
-Papprets formation förbättras, vilket medför att dragbelastningen fördelas mellan ett större antal fibrer.
Mal man för mycket sjunker fiberstyrkan. Det blir då lättare att dra av en fiber än att bryta dess bindningar till andra fibrer. [5]
Rivstyrka
Rivstyrka är ett sätt att utvärdera pappers sprickkänslighet. Med rivstyrka menas den kraft som krävs för att fortsätta riva ett, eller ett bestämt antal ark från en spricka. Rivarbetet är ofta så litet att man samtidigt måste riva flera lager papper. Rivstyrkan är starkt beroende av fibrernas orientering i arket. Ett pappers rivstyrka beror bla på; fiberlängd, fiberstyrka, grad av bindningar mellan fibrerna och hur fibrerna är orienterade i arket.
Vid låg malgrad är även bindningsgraden låg mellan fibrerna, rivningen sker då genom att
fibrer dras ut ur strukturen utan att gå av. Rivningsenergin antas då bestämd av fibrernas
längd, styrka och antal bindningspunkter. Vid fortsatt malning ökar bindningarna och
rivenergin ökar. Tillslut kommer man till en situation där fibern går av istället för att dras ut
ur sitt förband. Bindningsgraden är hög, energin som går åt för att dra av fibern är lägre än om
fibern dras ut, se figur 12. [2, 7]
Figur 12. Principbild för barrfiber. [4]
Luftresistens
Luftresistensen ökar vid malning av massan. Finfraktionen gör pappret tätare och luften får svårare att passera. Beroende på användningsområde kan detta vara positivt eller negativt. [5]
Opacitet
Opaciteten, papprets förmåga att hindra ljus att passera genom pappret, minskar vid ökande malgrad. Detta är alltid en nackdel vid tryckning. Det bildas fiber-fiberbindningar inne i pappret och det gör att ljuset lättare går igenom pappret utan att brytas eller spridas.
Finfraktionen är mjuk och torkar fast på fiberytorna, så den bidrar inte till ljusspridningen. [5]
Formationen
Teoretiskt sett kan formationen (sättet fibrerna är fördelade, anordnade och sammanblandade i arkstrukturen) förbättras vid klippande malning (gäller endast barrfiber). Hög andel
finfraktion gör att papprets botten blir jämnare. Klippande malning försämrar dock andra egenskaper hos pappret. [5, 10]
Lägre dimensionsstabilitet
Malningen gör att pappret blir känsligare för fuktändringar. Eftersom malningen ger mer bindningar mellan fibrerna kommer pappret att krympa och utvidga sig mer vid fuktändringar.
Fiberns vattenupptagningsförmåga har ökat och det finns risk att pappret inte ligger plant och krusar sig vid torkningen. [5]
3.3.2 Malgrad
Malningen ger ökad styrka hos arket, men samtidigt försvåras avvattningen på
pappersmaskinen. Den ökade andelen finmaterial och att de mjuka fibrerna packas tätare leder
till att arket avvattnar långsammare. Hur mycket man kan mala massan och därigenom vilken
styrkenivå på pappret kan uppnå begränsas ofta av avvattningskapaciteten på
pappersmaskinen. Den i Europa vanligaste apparaten för att mäta massans avvattningsegenskaper är en Schopper-Riegler-apparat, se figur 13.
Figur 13. Schopper-Riegler apparat. [2]
I startläget vilar konen C mot viraduken B. Apparaten fylls på med 1l mäld av låg koncentration och konen lyfts så hastigt att man får en omrörning i mälden. Vattnet får avvattna genom viraduken. Vattnet som rinner ut ur bräddavloppet A samlas upp i en mätcylinder som är graderat uppifrån och ned i centiliter, här avläses direkt malgraden i enheten °SR, Schopper-Riegler. I Skandinavien används oftast en modifierad variant på Schopper-Riegler apparaten för att ge en nogrannare skala, enheten kallas °MSR, modifierad Schopper-Riegler. Detta gradtal är alltså ett mått på avvattningsmotståndet. En mycket mald massa, med mycket finfraktion, avvattnar långsamt och ger en hög malgrad. Ett annat mått på avvattningsmotståndet är Canadian Standard Freeness, CSF. Det används vanligen vid
mekaniskt framställd massa som används vid tidningspapperstillverkning. Apparaten fungerar i princip på samma sätt som Schopper-Riegler, men mätskalan är omvänd. För SR- mätaren gäller alltså högt SR-tal = högt avvattningsmotstånd, medan för freeness-mätaren gäller högt freeness-värde = lågt avvattningsmotstånd. [2, 4]
3.3.3 Fiberanalys
L&W’s Fiber Tester mäter fibrerna i en utspädd massasuspension med hjälp av modern bildanalys. Mätcellen består av två dynamiska plattor med 5mm mellanrum, som minskar till 0,5mm under mätningen. Det smala gapet begränsar fibrernas rörelser i en riktning men tillåter dem att röra sig fritt i de två andra riktningarna. Detta minskar felprojektionen vid mätningarna och tack vare att plattorna går isär mellan mätningarna fastnar inga fibrer i mätcellen.
Mätningarna bygger på en modell som definierar en fiber som ett avlångt objekt, (längden minst 4 gånger längre än bredden). Area och omkrets mäts från bilder tagna i mätcellen, längd och bredd beräknas från en modell.
Formfaktorn (shapefactor) är en viktig mätning av massakvaliten. Den definieras som
förhållandet mellan längden mellan fiberändarna på den böjda fibern och fiberns utsträckta
längd. Formfaktorn anges oftast i procent. Hög formfaktor betyder raka fibrer och ger i de
flesta fall goda mekaniska egenskaper i arket. Fibrer med formfaktor lägre än 50% räknas ej
med i Fiber Testers statistik eftersom det är väldigt få fibrer som har så låg formfaktor. Om
två fibrer ligger i kors vid mätningen, får dessa låg formfaktor och sorteras därmed bort. [6, 11]
3.3.4 Fysikalisk pappersprovning
Papper ingår i gruppen av polymera material. Karaktäristiskt för polymera material är att materialets reaktion vid mekaniska påkänningar är tidsberoende. Det finns inte heller någon väl definierad flytgräns som föregås av ett rent elastiskt område. Redan vid mycket små deformationer av papper inträffar viskoelastiska effekter, det vill säga egenskaperna beror på hur fort man utför provet. Av denna anledning föreskriver de teknologiska proven ett
tidsschema. Det är väsentligt att välja de provmetoder, vars tidsskala bäst anpassar sig till papprets avsedda praktiska användning. Papper är ett hygroskopiskt material och dess egenskaper är beroende av den relativa fuktigheten (RH) och temperaturen i den omgivande luften. Numera utförs de flesta pappersprov vid en standardiserad fuktighet av 50 % RH och temperaturen 23°C. Vid provning måste man bedöma om denna miljö är representativ för papprets tekniska användning. Ofta normeras styrkegenskaperna med ytvikten hos pappret, detta för att kunna jämföra egenskaperna hos papper med olika ytvikter med varandra. Papper som tillverkats på en pappersmaskin är anisotropt, dvs har olika egenskaper i olika riktningar.
För provning av egenskaper i laboratorium tillverkar man ofta isotropa laboratiorieark på en standardiserad arkform.
Dragegenskaper
Kraft-töjningskurvan från ett dragprov för papper får utseende enligt figur 14.
Figur 14. Kraft-töjningskurva för papper. [2]
För homogena material karaktäriserar elasticitetsmodulen materialets dragstyvhetsegenskaper.
På grund av pappers porösa struktur är det i många fall missledande att för papper använda begreppet elasticitetsmodul. Exempelvis minskas papprets tjocklek vid kalandrering.
Elasticitetsmodulen ökar pga att tjockleken minskar, vilket kan misstolkas som en förbättring av pappret. Papprets dragstyvhet förblir emellertid i det närmaste oförändrad vilket tyder på att fibrerna har oförändrade elastiska egenskaper.
Kompressionsegenskaper
Pappers kompressionsstyrka (i tvärsriktningen) har sin främsta betydelse för wellpapplådors
och kartongförpackningars förmåga att klara stapling i lager. Kompressionstyrka är den
maximala kraft per remsbredd papper kan uppta i kompression. För att undvika att pappret
bucklas kan man använda en metod med kort inspänningslängd, 0,7mm, Short Compression Lenght, SCT. Man kan då utvärdera papprets rena kompressionsegenskaper och styrka.
Rivstyrka
Rivstyrka är ett sätt att utvärdera pappers sprickkänslighet och är av central betydelse för många papper. Ett pappersprov förses med en spricka. I en pendelapparat fullbordas rivning.
Arbetet divideras med rivvägen och man erhåller medelkraften, definierad rivstyrka.
Sprängstyrka
Sprängstyrkan är det tryck, vinkelrätt mot pappret, som pappret kan ta upp utan att brista.
Enheten för sprängstyrka är pascal, Pa. Sprängstyrka är en gammal provmetod men används fortfarande för att karakterisera liners egenskaper. Den kallas ibland Mullenmetoden efter sin uppfinnare Mullen. Ett papper spänns fast i en ring med ett centralt infällt gummimembran, se figur 15. Genom att öka oljetrycket pressas membranet uppåt och spränger till sist pappret.
Det oljetryck som råder i brottögonblicket avläses på en manometer och får definiera sprängstyrkan.
Figur 15. Sprängstyrke test. [2]
Sprängstyrkan kan härledas ur dragegenskaperna, både dragstyrka och töjning i maskinens längs respektive tvärsriktning ingår i formeln. [2, 8]
3.4 Malningsteorier
3.4.1 Specifik kantbelastning
Specifik kantbelastning (SKB) är den mest kända och den mest använda teorin inom malning.
Kantbelastningen är ett mått på intensiteten vid ett visst fibergenomflöde, den beräknas på följande sätt:
n L SKB P
n= *
(3)
där P
n,är förbrukad nettoeffekt i kW, L, är skärlängd i km/varv (specificerad av malskivetillverkaren) och n, varv per sekund.
Kantbelastningen bör ligga i området 1,5 – 2,0 Ws/m för kraftlinermalning.
Teorin har fått stor användbarhet tack vare enkla beräkningar och att alla variabler redan är kända. Den tar dock inte hänsyn till hur energin har överförts till fibrerna. Den tar heller ingen hänsyn till många andra viktiga faktorer som har påverkan på malningens resultat, t.ex.
koncentration, bommarnas bredd, fibrernas fäste på bomkanterna, malskivornas kondition och
malspaltens storlek. [3, 8]
3.4.2 Specifik ytbelastning
Specifik ytbelastning, SYB, är en utveckling av SKB, med antagandet att energin överförs till fiberknippena under den korta edge-to-edge fasen och under edge-to-surface fasen. SYB beräknas som kvoten mellan SKB och en bombredd-faktor, IL:
IL SYB = SKB
(4) Bombreddfaktor IL (impact lenght) är längden av malzonen över bommarna, se figur 16.
( / 2 )
cos
* 1
2 α
s
r
B
IL B +
=
B
rär bombredd i m på rotor, B
sär bombredd i m på stator och α är medelvinkel i ° mellan korsande bommar.
Figur 16. Impact lenght och vinkeln alfa. [8]
Specifik ytbelastning går bra att använda när skivorna är grova och bommarna bredare än längden på fiberknippena. Men om bombredderna är mycket smalare än fiberknippenas längd kommer fiberklippning att ske. SYB teorin har svaga punkter liksom SKB teorin, men de kan vara till hjälp då man ska välja malskivor och bestämma andra malningsparametrar. [8]
3.4.3 Övriga teorier
Danforth har utvecklat en teori som förklaras av två faktorer, frekvens och intensitet.
Beräkningarna för dessa innehåller två konstanter som inte är lätta att ta fram, därför har frekvens och intensitetsteorin inte fått någon större användning i praktiken.
Kerekes har förmodligen utvecklat den mest nogranna och omfattande malningsteorin. C- faktorteorin bygger på SKB och SYB teorierna men tar också hänsyn till många fler faktorer som påverkar malningsresultatet. C-faktorn beräknas olika för olika typer av kvarnar och olika förhållanden, den beror bland annat på malskivornas geometri, rotationshastighet, koncentration, fiberlängd och grovlek. Teorin har inte fått så stor användning i praktiken på grund av att de ingående faktorerna kan vara svåra att bestämma.
Hietanen och Ebeling har presenterat en fiberbunt malnings hypotes. I LC-malning (2-6%) kan inte fibrerna röra sig oberoende av varandra. De bildar knippen, eller buntar, som bryts upp kontinuerligt under skjuvkrafterna som existerar i spåren och i malzonen. Fiberbuntarna är mycket tjockare än malspalten och det är troligt att de inte går in i malzonen utan
transporteras obearbetade genom kvarnen. Detta skulle betyda att en stor del av energin går åt
till att transportera fiberknippen genom kvarnen. Försök har gjorts med en laboratoriekvarn
med en upplösningsenhet i mitten. Resultaten såg lovande ut, men det finns ännu inte
industrikvarnar byggda på denna hypotes. [8]
3.5 Malskivor och energiekonomisk malning
Nya malskivor är inte billiga men trots det är byte av malskivor det mest kostnadseffektiva sättet att ändra malningen på befintliga kvarnar. Djupet på spåren påverkar tomgångseffekten och därmed effektiviteten. Det har visat sig att tomgångseffekten minskar med minskad bomhöjd. (men vissa skivor har längre livslängd tack vare höga bommar [12]). Olika typer av skivor kan ge fibrerna olika behandling, från fibrillering till klippning. Det kan vara möjligt att spara upp till 60% energi genom att ändra malskivornas design kombinerat med ändringar i SKB.
Antal bommar och bredden på dessa bommar har stor betydelse för intensiteten i malningen.
Ju större antal bommar, eller bomkanter (större kantlängd), desto större spridning av kraften och mildare behandling av fibrerna. Stort antal bommar ökar styrkeutvecklingen och när styrka är av stor vikt, minskar energiförbrukningen. Antalet bommar och bredden påverkar också flödet och tiden i malzonen, vilket i sin tur också påverkar energibehovet.
På en kvarn med konstant varvtal är det till fibrerna överförd energi och kantlängden som kan varieras för att ändra SKB.
I figur 17 nedan visas slitlängd, breaking lenght, (multiplicerat med 10 är den ungerfärligt jämförbar med dragstyrka) mot malenergi för tre olika malkurvor med olika intensitet (SKB).
Slitlängd är den längd vid vilken en jämnbred remsa av papper upphängd i sin ena ända brister av sin egentyngd. Slitängd mäts i kilometer. Exemplet nedan visar hur
energiförbrukningen kan minskas med olika malskivor.
Figur 17. Slitlängd mot malenergi för tre malkurvor med olika intensitet.
Antag att normal malning sker vid A. Flödet ökar nu på grund av ökad produktion. Om
energin behålls på samma nivå kommer styrkan att försämras, till punkt B. För att bibehålla
samma styrka måste energin ökas till punkt C. Om man istället byter malskivor till skivor med
finare mönster (högre kantlängd) borde styrkan öka mot punkt C vid normalt flöde. Man kan
nu sänka energin till punkt D och få samma styrka som startpunkten A. [1]
3.6 Ishikawadiagram
Figur 18. Ishikawadiagram, malresultat.
4 Metod
Detta kapitel beskriver de metoder som författaren använt sig av för att komma fram till resultaten i nästa kapitel.
4.1 Malkurva (fabriksmalning)
Ett sätt att få en uppfattning om hur en kvarn arbetar är att ta ut en malkurva. Det innebär att man kör kvarnen vid några olika belastningar och tar massaprov vid varje belastning. Lägsta belastningen är när skivorna är isär så mycket som möjligt, här sker endast en liten malning.
Vid högsta belastningen kör maskinföraren ihop skivorna så mycket som är möjligt utan att de tar i varandra. Belastningarna där emellan bestämmer man utifrån flödet genom kvarnen. Man tar även ut massaprov före kvarnen.
MSR (enligt ISO-3123) och koncentration (enligt ISO-3118) mäts på varje punkt, och sedan tillverkar man isotropa laboratorieark (enligt ISO-3121). Arken provas för de egenskaper man önskar undersöka. Vid så kallad full provning, provas porositet, SCT, ljushet, färgkoordinater, rivstyrka, sprängstyrka, dragstyrka, brottöjning, brottarbete och dragstyvhet. Ofta ritar man upp ett diagram med sprängindex på y-axeln och MSR på x-axeln, se figur 19, men det kan även vara intressant att titta på hur andra egenskaper utvecklas mot MSR eller malenergi.
Malkurva, exempel
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
10 15 20 25 30 35
Malgrad, MSR
Sprängindex (SprX)
Exempelkurva
Figur 19. Malkurva, exempel.
En brant kurva innebär bra utveckling av egenskap i förhållande till tillförd energi. Det är
därför önskvärt med en brant kurva. Erfarenhetsmässigt vet man att kurvan blir flackare ju
högre man kommer i sprängindex. Vid fabriksmalning av barrmassa kan man nå sprängindex
på ca 7,5-8 med de metoder man använder vid Smurfit Kappa Kraftliner Piteå.
4.2 Fiberanalys
En fiberanalysapparat mäter fiberns längd, bredd, form (krokighet) och andel finmaterial.
Företaget saknar sådan utrustning så massaprover skickades till Lorentzen & Wettre för analys. Proverna togs ut i samband med att massaprov togs för att göra malkurvor.
4.3 Datainsamling
Företaget har väl dokumenterade data på sitt intranät. Där har nödvändig data inhämtats.
4.4 Kappatalsmätning
Mätning av kappatal har skett på driftslab enligt standardiserade metoder.
4.5 Studiebesök
För ta reda på mer om hur en automatisk malgradsmätare fungerar, och hur man kan använda
en sådan i pappersbruket gjorde jag ett studiebesök på SCA Packaging i Munksund, Piteå. Det
råder en öppen stämning mellan företagen och det är inte ovanligt att man delar med sig av
erfarenheter. Vid mitt besök träffade jag Jonny Wiklund [13], driftsingenjör, och Bo Niska
[14], Instrument.
5 Resultat
Här presenteras resultaten av de försök och analyser som är gjorda inom examensarbetet. Varje avsnitt avslutas med en kort sammanfattning av resultatet .
5.1 Malkurvor och fiberanalys
5.1.1 Kvarn 9020, Utvärdering av testskivor
Den sista basmassakvarnen på PM1, 9020, har inte gett tillfredställande resultat, mycket dålig styrkeutveckling och ofta väldigt hög malgrad. Malkurvor visade att man till och från
övermalde massan (kurvan pekar neråt igen), det har dock blivit bättre efter inkoppling av impregneringskärl i massabruket, november 2008.
SKB ligger lågt, ca 1,5, vilket ligger i underkant av i litteraturen [3, 8] rekommenderade värden. För att förbättra styrkeutvecklingen testades nya skivor med kortare kantlängd. De gamla var likadana som i 9019. Men då 9020 har högre varvtal (se sid 6) innebär det att SKB blev lägre än i 9019. Testskivornas kortare kantlängd ger högre SKB, risken med högre SKB är att man klipper fibrer vilket oftast är negativt för styrkan.
För att undersöka hur malskivorna påverkar resultatet tog jag ut malkurvor med ordinarie skivor (2009-03-18) och med testskivor (2009-04-07). Sprängindex på massan före kvarn 9020 låg på 6,5 respektive 7,1, se figur 20. För övriga egenskapers utveckling mot effekten, se bilaga 1. Jämför man sprängstyrkeutvecklingen med de olika skivorna, ser man att båda kurvorna är flacka, och med testskivor till och med flackare.
Utvärdering av testskivor på 9020
5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
kW
SprX
Ordinare skivor Testskivor Före 9020
Normal effekt
Figur 20. Sprängindex mot kW, ordinarie skivor (2009-03-18) och testskivor (2009-04-07).
Med testskivorna ger ”skivor isär” en styrkeökning men sedan fortsätter inte styrkan att öka.
Vid max effekt minskar styrkan något. Massa från punkterna 588kW och 1160kW (normal effekt), skickades för analys till L&W, se bilaga 2. Medellängden på fibrerna minskar med 0,08mm mellan punkterna, se tabell 7.
Tabell 7. Sammanställning av intressanta egenskaper vid jämförelse av skivor på 9020.
Kappatal MSR Sprängindex Fiberlängd (µm), L&W Ordinare skivor (2009-03-18)
Före 9020 73 31 6,5 Ej mätt
Normal effekt (1190kW) 73 38 7,1 Ej mätt
Testskivor (2009-04-07)
Före 9020 68 32 7,1
Skivor isär (588kW) 68 36 7,6 2,119
Normal effekt (1160kW) 68 51 7,6 2,049
Efter ett underhållsstopp under vecka 18 gick kvarnen ihop vid uppstart och testskivorna fick kasseras. Därför var inte fler försök med testskivorna möjliga.
Sammanfattning:
Det är svårt att göra jämförelser av skivorna då massan var så olika vid provtillfällena.
Kappatalet varierar mellan proven, men man måste också komma ihåg att 9020 är den sista kvarnen i en serie av tre, och ingående massa till 9020 är beroende av hur den behandlats i de tidigare kvarnarna.
Då malkurvan med testskivorna togs ut, hade man så bra massa att man nästan kunnat låta bli att använda kvarn 9020. Vissa egenskaper förbättras vid malning i 9020, se bilaga 1, men det hade räckt med att köra på 710kW för att nå lika eller bättre värden jämfört med malkurvan med ordinarie skivor. Det hade inneburit en energibesparing på 11MWh per driftsdygn.
Kappatalet varierade mellan provtillfällena. Det har antagligen betydelse för hur massan påverkas av malning. Ett lågt kappatal innebär oftast högt sprängindex innan malning, och kräver därför lägre malenergi för att nå önskad styrka.
Malgradsökningen är mycket större vid provet med testskivorna. Årsmedelvärdet för färdigmald basmassa är 35MSR. Vid provet med testskivorna låg den på 51MSR, vilket är onödigt högt för basmassa.
Fiberförkortningen mellan skivor isär och normal effekt är ca 0,08mm. Det är troligt att det är fiberförkortningen som begränsar styrkeutvecklingen.
5.1.2 Toppkvarnarna 9027 och 9007
Kurvan för PM1s toppkvarnar för oblekt barrmassa, är ofta väldigt flack jämfört med
baskvarnarna på PM1 och PM2 (samma massa används till de tre linjerna). För att undersöka varför kurvan är flackare togs malkurvor ut på de båda kvarnarna.
9027
Figur 21 visar malkurvan för 9027, före provuttaget låg effekten på ca 1350kW, se även
bilaga 2. Man ser att kurvan börjar med en brant fin lutning men blir flackare ju högre effekt
man kör.
3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
10 15 20 25 30 35
MSR
SprX 810kW
500kW
Före 9027 och isär
1020kW
1430kW
Figur 21. Malkurva 9027 (2009-04-17).
De markerade punkterna i figur 19 skickades för fiberanalys till L&W, se bilaga 4.
Medelfiberlängd och andel finmaterial från analysen är sammanställda i tabell 8.
Tabell 8. Resultat fiberanalys L&W, malkurva 9027, 2009-04-17.
Fiberlängd (mm) Finmaterial (%)
Före 9027 2,429 5,7
500 kW 2,415 5,1
1020 kW 2,346 5,5
1430 kW 2,194 5,7
Medelfiberlängden blir kortare vid hårdare malning, vid 1020 kW har fibrerna förkortats ca 0,08mm och vid 1430 kW ca 0,24mm. Andelen finmaterial ökar inte markant, vilket betyder att de flesta fibrerna som klipps inte blir kortare än 0,2mm (vilket också kan ses från
längdfördelningskurvorna fr L&W, bilaga 4).
Fiberlängden har betydelse för papprets styrka, men man vet inte hur mycket medellängden kan minska utan att det påverkar styrkan. Man kan ana att kurvan börjar flacka vid 1020 kW, då fibrerna klipps ca 0,08mm.
9007
Två malkurvor har tagits ut på 9007, den andra och sista toppkvarnen, se bilaga 5. Den första togs 2009-05-04 med skivor speciellt anpassade för barrmassa. Veckan efter havererade 9015 (björkmassakvarnen), för att ersätta denna byttes skivor i 9007 till kompromiss skivor som fungerar för både barr och björkmassa. 2009-05-18 togs en malkurva ut med
kompromisskivorna. Sprängindex mot malenergi för båda kurvorna visas i figur 22.
Malkurva 9007, olika skivor
3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Före 9007 Skivor isär 45 kWh/ton 65 kWh/ton Max
Malenergi
Sprängindex
Barr skivor Kompromiss skivor
Figur 22. Malkurvor 9007, 2009-05-04 med barr skivor och 2009-05-18 med kompromiss skivor.
Kurvorna är flacka och raka. Kurvan från 2009-05-18 (kompromisskivorna) är något flackare,
detta kan bero på att massan före kvarnen har bra styrka och närmar sig styrkemax, men det
kan också bero på att medelfiberlängden, se bilaga 6, minskar mer med kompromiss skivorna
än med barrskivorna, se figur 23.
Fiberlängder, malkurvor 9007
1,9 1,95 2 2,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45
Före 9027 9027 45 kWh/ton 65 kWh/ton Max
Kvarn och malenergi kvarn 9007
Medelfiberlängd (mm)
Barr skivor Kompromiss skivor
Figur 23. Medelfiberlängd, L&W, från malkurvor 9007; 2009-05-04 med barrskivor och 2009-05-18 med kompromisskivor.
Figur 23 visar också att kvarn 9027 klipper fibrer vid båda provtillfällena. Med barrskivorna i 9007 sker inte mycket med fiberlängden förrän vid max effekt. Med kompromisskivorna minskar fiberlängden 0,12mm vid ”normal” körning i kvarn 9007. Man kan också se att andelen finmaterial (l<0,2mm) ökar något med kompromisskivorna, se figur 24.
Med formel (3) beräknas SKB för barrskivor till 1,7, och för kompromisskivorna till 1,4, alltså minskar SKB och ändå klipps fibrer. Ur datablad för de olika skivorna ser man att den stora skillnaden är bombredden, 3,0mm för barrskivorna och 2,2-2,4mm för
kompromisskivorna. Medelfiberlängden är 2,25mm, alltså ungefär lika som bommarna.
Längdfördelningen visar att fibrer i intervallet 1,5-4,5mm som klipps, dvs de flesta är längre än bombredden. Enligt Paulapuro [8] sker den mesta av malningen i edge-to-surfacefasen (se sid). Vid lika malspalt (belastning) blir trycket på fiberknippet mycket högre med smalare bommar, kantlängden på kompromisskivorna är också längre så fiberknippena kommer dels att ta upp större kraft i varje malimpuls och dessutom blir malimpulserna fler pga
kantlängden. Paulapuro skriver också att en liten malspalt skyndar på malningen men riskerar
att klippa fibrer, vilket tycks vara fallet med kompromisskivorna i 9007.
Finmaterial, malkurvor 9007
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Före 9027 9027 45 kWh/ton 65 kWh/ton Max
Kvarn och malenergi kvarn 9007
Finmaterial (%)
Barrskivor Kompromisskivor
Figur 24. Andel finmaterial (l<0,2mm), L&W, från malkurvor 9007; 2009-05-04 med barrskivor och 2009-05-18 med kompromisskivor.
Sammanfattning toppkvarnar:
Malkurvan för 9027 börjar flacka när medelfiberlängden minskar ca 0,08mm. Malkurvan för 9007 med kompromiss skivorna är flackare än med barrskivorna. Med kompromissskivorna minskar medelfiberlängden 0,15mm, med barrskivorna 0,07mm.
En minskning av medelfiberlängden av storleken 0,08mm innebär en försämring av styrkeutvecklingen. De flacka kurvorna beror således på fiberklippning.
Det är förvånande att barrfibrerna klipps i 9007 med kompromisskivorna, de ska fungera för både barr och björkmassa och björkmassa anses behöva mildare malning [4,8]. För att undvika fiberklippningen bör man minska belastningen på kvarnen (öka malspalten).
5.2 Kappatalets inverkan på malningen i pappersbruket
Under perioden 090313-090504 mättes kappatalet på labark gjorda av massa före kvarnarna i pappersbruket. Resultatet uppvisar stora variationer, det varierar från 66,6 till 84,6. För att få en uppfattning om hur kappatalet påverkar malningen jämfördes uppmätta data från dagar med lågt respektive högt kappatal på de 3 bruna linjerna (PM1 bas och topp, PM2 bas). För att få så jämförbart data som möjligt valdes dagar med så lika energiinsats som möjligt. Lågt kappatal ger högt sprängindex redan före kvarn, och ger högre sprängindex efter sista kvarn än vad ett högt kappatal ger.
Figur 25 visar PM1 basmassa för tre dagar med ungefär lika energiinsats, men olika kappatal.
Man ser att man når bättre styrka med ett lägre kappatal (ca 70), men att man också har
övermalt massan (sprängindex sjunker över sista kvarnen) vid ett tillfälle. Malgraden är också
mycket hög för basmassa (årsmedelvärde 35) vid låga kappatal. Man kan anta att en massa
med ett lägre kappatal är mer lättmald än en med ett högt kappatal. Den gula kurvan (kappatal
69,3 27/4) i figur 23, är uttagen med testskivor i kvarn 9020. Styrkeutvecklingen är bättre längs hela den kurvan, än den blå kurvan (kappatal 70,1 4/5).
PM1 Bas kappatalsvariation
3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
0 10 20 30 40 50 60 7
MSR
SprX
0
Kappatal 70,1 (4/5) Kappatal 84,6 (23/3) Kappatal 69,3 (27/4) 83
166
244 kWh/ton
98
196
285 kWh/ton
103
206
273 kWh/ton
