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

Transkript

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

2 1 Sammanfattning Detta arbete har utförts för att se hur returfibermassans egenskaper varierar under en vanlig kraftlinerkampanj. De metoder som använts är standardiserade och omfattar malgradsmätning, styrkearkning och pappersprovning. Även ph-, konduktivitets- och redoxpotentialmätningar har utförts, samt askhaltsmätning. Resultaten visar på att ph och redoxpotentialen sjunker och massan blir surare efter ca. ett dygn efter att kampanjen startat. Det medför även att retentionen i massan försämras i och med att konduktiviteten ökar vid lågt ph-värde och låg redoxpotential. I övrigt håller de flesta mätningarna konstanta värden.

3 2 Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Inledning... 3 Teori... 3 Genomförande/Metod... 6 Malgradsmätning... 9 Styrkearkning Provning av styrkeark Resultat Diskussion/Slutsats Referenser Tack till företaget Bilagor

4 3 Inledning På SCA Munksund tillverkas ca 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]. I och med att fibrerna i wellen tidigare malts löses den enbart upp till massa igen. Fibrerna kan dessutom vara kortare än i färsk massa beroende på hur många gånger de blivit

5 4 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 (CaCO 3 ) att lösas upp till joner (Ca 2+ och CO 2-3 ) 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] Fyllnadsmedel som används för att få en tryckbar yta på vitt papper är ett inert material som inte bidrar till bindningen/styrkan i pappret (vid för mycket tillsats av fyllmedel försämras styrkan i pappret). Det leder till att det blir en viss askhalt i returfibermassan eftersom wellpapp som återvinns innehåller till en viss del vitt tryckbart papper med fyllnadsmedel.

6 5 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 Mäter den kraft som behövs för att att trycka sönder pappret. Sprängstyrka är ett traditionellt mått på papprets styrka [6].

7 6 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). Bild 2. Frigöring av vätska från massan för att kunna få representativa värden från ph/konduktivitets- och redoxmätning (OBS! Bilden är tagen på en annan typ av massa, ej returfiber).

8 7 För att bestämma koncentrationen i bunken vägs en viss massa in, ca 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) Bild 3. Iris arkform för tillverkning av koncentrationsark.

9 8 Bild 4. Två stycken snabbtorkar för laboratorieark. Koncentrationsarket lämnas till kemiavdelningen på laboratoriet för mätning av askhalten.

10 9 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). A B C D E Bild 5. MSR-apparat.

11 10 Tabell 1. Korrigering av malgraden/msr-enheter om temperaturen inte är 20 C. 18 C 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. 1,7 g +3 1,8 g +2 2,0 g ±0 2,2 g -2 2,3 g -3

12 11 Styrkearkning Allt sker enligt Metodbeskrivning Tillverkning av labark, se bilaga 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. Under tiden förbereds sex högar med fyrkantiga labläsk med tre stycken i vardera. Labläsken som kommer att ligga mot styrkearken märks med lämplig beskrivning, exempelvis datum och/eller tid, för att hålla i sär alla provomgångar.

13 12 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. Omrörare Bild 7. Arcus arkform med omrörare för tillverkning av provark och styrkeark.

14 13 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 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. 11. All labläsk avlägsnas från stapeln. Torkplattorna med styrkearken på (se bild 13) placeras i den anpassade torkställingen (se bild 14) inne på papperslab för torkning i minst 24 timmar.

15 14 Bild 9. Mätcylindrar med mäld som ska styrkearkas. Bild 10. Arkställ. Ett ark på plats. Bild 11. Stapelordning i arkstället sett nerifrån och upp: Stålplatta, två labläsk, styrkeark, torkplatta osv. Avslutar med två labläsk och en stålplatta.

16 15 Bild 12. Arkpress med inställning av presstryck och tid. Bild 13. Torkplatta med styrkeark markerad med datum, tid och provnummer. Bild 14. Torkställning i papperslab med ark på tork.

17 16 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. Alla styrkeark delas mitt itu med en papperssax och från de tolv halvorna klipps femton stycken remsor ut (två remsor på tre halvor) som är 15 mm breda. På fem stycken remsor görs tio mätningar i SCT-/kompressionsmätaren (se bild 14) enligt ISO De resterande tio remsorna testas i dragstyrkemätaren (se bild 15) enligt ISO Tio halvor testas i sprängmätaren (se bild 16) enligt ISO 2758.

18 17 Bild 14. SCT-/kompressionsmätare. Bild 15. Dragstyrkemätare. Bild 16. Sprängmätare.

19 Redox [mv] ph 18 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 ,45 46,1 1,086 56,0 6,73 7/5-14 kl ,51 79,4 1,141 54,5 5,58 9/5-14 kl ,02-127,2 1,515 48,5 6,55 9/5-14 kl ,15-83,1 1,539 50,0 6,40 9/5-14 kl ,04-79,8 1,618 51,0 6,64 10/5-14 kl ,77-44,2 1,818 52,0 7,57 10/5-14 kl ,90-126,7 2,076 50,5 6,84 10/5-14 kl ,04-155,6 1,938 51,0 Ej testat 7,6 7,4 7,2 6,8 7 6,6 ph ph Tidpunkt Figur 1. Diagram över förändring i ph Redox [mv] Redox Tidpunkt Figur 2. Diagram över förändring i redoxpotentialen.

20 Askhalt [%] Malgrad [ ] Konduktivitet [μs/cm] 19 2,2 1,8 2 1,6 1,4 1,2 1 Konduktivitet [μs/cm] Konduktivitet Tidpunkt Figur 3. Diagram över förändring i konduktivitet. Malgrad [ ] 56,0 54,0 52,0 50,0 48,0 Malgrad Tidpunkt Figur 4. Diagram över förändring i malgrad. 7,5 8 6,5 7 5,5 6 Askhalt [%] Askhalt Tidpunkt Figur 5. Diagram over förändring i askhalt. (Obs! 7 provpunkter).

21 Spräng index SCT index 20 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 ,11 2,20 38,93 713,12 5,08 7/5-14 kl ,60 2,28 39,82 761,43 5,07 9/5-14 kl ,36 2,32 38,26 750,84 4,80 9/5-14 kl ,69 2,12 40,57 780,01 5,19 9/5-14 kl ,47 2,23 38,72 717,00 5,02 10/5-14 kl ,40 2,34 37,87 728,36 4,89 10/5-14 kl ,93 2,31 40,16 733,47 5, , ,5 19 SCT-index SCT index Tidpunkt Figur 6. Diagram över förändring i kompressionsindex. 2,35 2,30 2,25 2,20 2,15 2,10 Sprängindex Spräng index Tidpunkt Figur 7. Diagram över förändring i sprängindex.

22 Dragstyvjhets index Brottarbetsindex Dragstyrke index Dragstyrkeindex Dragstyrke index Tidpunkt Figur 8. Diagram över förändring i dragstyrkeindex. Brottarbetsindex Brottarb. Index Tidpunkt Figur 9. Diagram över förändring i brottarbetsindex. 5,3 5,2 5,1 4,9 5 4,8 4,7 Dragstyvhetsindex Dragstyvh. index Tidpunkt Figur 10. Diagram över förändring i dragstyvhetsindex.

23 22 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 styrkepotentialen. Dessa värden visar på att styrkorna hålls konstanta (se bilaga 4, tabell 3 och bilaga 5-6, figur 1-6). Däremot är de olika indexen medtagna i resultatet (önskemål från Magnus Pettersson, ingenjörsavdelningen för PM1, SCA Munksund) eftersom värdena från mätningarna är dividerade med ytvikten för varje styrkeark.

24 23 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. För vidare undersökning kan det vara intressant att kolla på hur den färdiga produkten stämt eller inte stämt överens med dessa variationer som kartlagts.

25 24 Referenser [1] Fellers C., Norman B., (1998). Pappersteknik. Avdelningen för Pappers- och Massateknik, KTH. Sid [2] Fellers C., Norman B., (1998). Pappersteknik. Avdelningen för Pappers- och Massateknik, KTH. Sid 55. [3] [4] [5] [6] 1_product_info.pdf

26 25 Tack till företaget Jag vill tacka företaget för att ha tagit fram ett bra och roligt examensarbete att jobba med. All labpersonal och handledare har varit till stor hjälp under arbetets gång och jag har lärt mig mycket under denna period tack vare dem. Ingen nämnd, ingen glömd. Tack!

27 26 Bilagor Bilaga 1. Metodbeskrivning Bestämning av malgrad.

28 27 Bilaga 2. Metodbeskrivning Tillverkning av labark.

29 28 Bilaga 3. Metodbeskrivning Provning av labark.

30 29 Bilaga 4. Tabell 1. Koncentration i massan, densitet i pappret och vilken kvalitet som kördes i PM1. Massaprov nr 1-8 Koncentration [%] Densitet [kg/m 3 ] Kvalitet [g/m 2 ] 7/5-14 kl ,31 559,59 KL 170 7/5-14 kl ,12 588,12 KL 170 9/5-14 kl ,35 590,52 KL 280 9/5-14 kl ,21 577,31 KL 400 9/5-14 kl ,30 588,02 WS /5-14 kl ,58 588,24 WS /5-14 kl ,33 608,47 WS /5-14 kl ,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/m 2 ] 7/5-14 kl , ,0 146,3 7/5-14 kl , ,5 148,5 9/5-14 kl , ,4 152,0 9/5-14 kl , ,4 148,6 9/5-14 kl , ,8 146,3 10/5-14 kl , ,7 149,5 10/5-14 kl , ,6 144,7 Tabell 3. Resultat från pappersprovningen. Massaprov nr 1-8 SCT [kn/m] Sprängstyrka [kpa] Töjning [%] Brottarbete [J/m 2 ] Dragstyvhet [kn/m] Dragstyrka [kn/m] 7/5-14 kl , ,7 2,50 104,33 743,23 5,70 7/5-14 kl , ,2 2,61 113,07 752,50 5,91 9/5-14 kl , ,1 2,67 114,13 729,61 5,82 9/5-14 kl , ,7 2,63 115,91 771,92 6,03 9/5-14 kl , ,6 2,53 104,90 734,95 5,67 10/5-14 kl , ,5 2,62 108,89 730,49 5,66 10/5-14 kl , ,1 2,48 106,13 759,52 5,81

31 Töjning [%] Sprängstyrka [kpa] SCT [kn/m] 30 Bilaga 5. Diagram över resultat från pappersprovningen. 3,1 3,05 2,95 3 2,9 2,85 SCT [kn/m] SCT [kn/m] Tidpunkt Figur 1. Diagram över förändring i kompressionsstyrka. Sprängstyrka [kpa] Sprängstyrka [kpa] Tidpunkt Figur 2. Diagram över förändring i sprängstyrka. 2,70 2,65 2,60 2,55 2,50 2,45 Töjning [%] Töjning [%] Tidpunkt Figur 3. Diagram över förändring i töjning.

32 Dragstyrka [kn/m] Dragstyvhet [kn/m] Brottarbete [J/m 2 ] 31 Bilaga 6. Diagram över resultat från pappersprovningen, forts Brottarbete [J/m 2 ] Brottarbete [J/m2] Tidpunkt Figur 4. Diagram över förändring i brottarbete Dragstyvhet [kn/m] Dragstyvhet [kn/m] Tidpunkt Figur 5. Diagram över förändring i dragstyvhet. 6,10 6,00 5,90 5,80 5,70 5,60 Dragstyrka [kn/m] Dragstyrka [kn/m] Tidpunkt Figur 6. Diagram över förändring i dragstyrka.