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Le casse d`afflusso per la fabbricazione della carta
Le casse d’afflusso per la fabbricazione della carta Palermo Edoardo (Fedrigoni) Scuola Interregionale di tecnologia per tecnici Cartari Via Don G. Minzoni, 50 37138 Verona Relazione finale 6° Corso di Tecnologia per tecnici cartari 1998/99 Le casse d’afflusso Indice 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 Introduzione all’argomento ......................................................... pag. 1 La cassa d’afflusso nella macchina continua Elementi costitutivi e loro caratteristiche generali Diverse tipologie di casse d’afflusso Tecniche multistrato per la produzione di cartone per imballi a confronto 2. La progettazione ........................................................................... pag. 12 3. Casse d’afflusso aperte ................................................................. pag. 14 4. Casse d’afflusso in pressione a cuscino d’aria ........................... pag. 15 5. Le casse d’afflusso idrauliche ...................................................... pag. 16 6. Casse d’afflusso a diluizione ......................................................... pag. 18 7. Il getto ............................................................................................ pag. 19 8. Interventi da parte dell’operatore .............................................. pag. 21 Le casse d’afflusso 1. Introduzione all’argomento 1.1 La cassa d’afflusso nella macchina continua L’industria cartaria negli ultimi decenni si è sviluppata incrementando le sue potenzialità produttive e qualitative. L’evoluzione tecnologica dei macchinari da cartiera è sicuramente l’elemento principale che ha portato a questo notevole sviluppo. Per una serie di questioni economiche, i cartari sono stati costretti a modificare fortemente i loro impianti per poter eguagliare la concorrenza ed essere competitivi sul mercato. Un esempio eclatante è quello della carta da quotidiano che per le sue caratteristiche fisico-chimiche e lo scopo per la quale viene prodotta ed impiegata, deve avere un prezzo particolarmente basso. Per ottenere questo bisogna partire da materie prime povere che sappiano comunque garantire buone caratteristiche tecnologiche; inoltre per poter abbassare il costo unitario sarà necessario produrne in grandi quantità. Si comprende facilmente come in questo caso l’importanza della macchina continua e di tutti gli altri macchinari sia fondamentale per poter assicurare i vincoli sovrapposti. Analizzeremo ora in diverse forme e da molteplici punti di vista, il primo elemento che troviamo sulla macchina continua: la cassa d’afflusso. L’impasto proveniente dall’epurazione viene introdotto all’entrata della cassa; quest’ultima ha il compito di distribuirlo il più uniformemente possibile sulla tela. Le caratteristiche finali della carta non dipendono dai singoli elementi della macchina continua ma dall’unione di più fattori; in particolare la cassa d’afflusso in base a come svolge il suo lavoro, può influenzare la formazione, il profilo trasversale di grammatura, il profilo trasversale di umidità ecc. Con il passare degli anni anche la cassa d’afflusso è andata migliorandosi in molte delle sue parti; dai materiali costruttivi, alle finiture superficiali di questi ultimi, alla geometria degli organi che la compongono. Su di essa hanno trovato posto diversi tipi di strumentazioni elettroniche, le quali hanno reso questo tipo di macchina piuttosto sofisticata dal punto di vista tecnologico ma nello stesso tempo l’hanno resa molto più versatile e più veloce nell’utilizzo, alcuni esempi sono: i regolatori e trasmettitori di livello (per il controllo del livello interno alla cassa), i motoriduttori (per il movimento automatico dello “slice”), le valvole automatiche ecc. 1 Le casse d’afflusso 1.2 Elementi costitutivi e loro caratteristiche generali Per meglio comprendere ed apprezzare il compito che la cassa d’afflusso svolge, analizzeremo ora ciò che avviene a monte della stessa. Al reparto preparazione impasti, viene realizzata la ricetta nel pulper, con l’eventuale aggiunta di coloranti, carbonato, caolino ecc. Terminato lo spappolamento e la rispettiva idratazione, l’impasto comincia il suo iter, tramite pompe, verso la continua fermandosi di volta in volta nelle tine di stoccaggio. Prima di raggiungere la tina di macchina esso viene diluito tramite regolatori di densità, fino ad un valore di secco compreso tra il 3,5 e il 4%, viene inoltre raffinato per un tempo sufficiente a raggiungere i gradi Schopper desiderati. A questo punto si passa alla fase dell’epurazione. La pasta proveniente dal cassetto a livello costante passa attraverso la valvola di grammatura, la quale ha il compito di mantenere costante il quantitativo di solidi che devono passare nell’unità di tempo, immettendosi all’aspirazione della fan-pump. Questa pompa miscela l’impasto con una determinata quantità d’acqua prelevata dalle acque prime, e lo manda ai cleaner i quali eliminano eventuali agenti inquinanti solidi. L’accettato dei cleaner prosegue verso il centriscreen che esegue un ulteriore controllo dell’impasto andando a scartare eventuali accumuli di fibre. Infine la miscela entra nel distributore della cassa d’afflusso. Questo pezzo riveste un ruolo importante per quanto riguarda la pressione interna alla cassa. La sua geometria costruttiva (come si può vedere in fig. 1), deve garantire che pressione e velocità del flusso di pasta siano uguali in tutti i suoi punti; se questo non avvenisse a causa delle perdite d’attrito, lungo la sua larghezza si creerebbero delle correnti preferenziali che renderebbero eterogenea la lama di pasta in uscita dalla bocca della cassa. Figura 1 2 Le casse d’afflusso Al termine del distributore, dove la sezione si restringe, è situata la valvola di ricircolo la quale scarica la quantità di impasto in eccesso. Variando l’apertura o la chiusura di questa valvola si può modificare la diluizione dell’impasto in cassa. Ciò è utile qualora vi sia la necessità di avere più acqua sulla tela per risolvere, ad esempio, problemi di cattiva speratura del foglio. Tra il distributore e l’interno cassa si trova il diffusore. Quest’ultimo è costituito da una piastra forata (vedi fig.2) i cui fori hanno una sezione ad imbuto dove la parte più larga è posta in direzione di macchina. In alcuni tipi di casse di nuova concezione la sezione del diffusore può essere dapprima cilindrica e di seguito quadrata o rettangolare. L’impasto attraversando la zona dove la sezione si allarga, subisce una caduta di pressione tale da far esplodere eventuali fiocchi di fibre formatisi in precedenza. Questo tipo di fenomeno prende il nome di microturbolenza controllata ed è esso che riveste una particolare importanza ai fini di una buona speratura e di una distribuzione omogenea dell’impasto. Figura 2 3 Le casse d’afflusso Se consideriamo casse d’afflusso aperte o in pressione a cuscino d’aria, una volta superato il diffusore si incontrano i cilindri rettificatori. Questi rulli d’acciaio inox sono forati sulla superficie (vedi fig. 3). Girando ad una velocità non molto elevata (tra 50 e 100 giri al minuto), ed in senso contrario l’uno rispetto all’altro, consentono una continua agitazione di tutta la sospensione fibrosa all’interno della cassa andando ad eliminare possibili correnti preferenziali, l’eventuale schiuma superficiale e limitando la formazione di fiocchi. Figura 3 Al di sopra dell’impasto girano gli spruzzi rotanti; essi hanno il compito di mantenere completamente pulite le superfici interne della cassa, onde evitare possibili incrostazioni, e nello stesso tempo, come i rulli forati, tendono ad abbattere la schiuma. A questo punto l’impasto è pronto ad essere lanciato sulla tela passando attraverso la bocca della cassa, la quale viene appositamente aperta in funzione della velocità del getto che si vuole ottenere. La bocca della cassa è costituita dal labbro inferiore, solitamente fisso, e dal labbro superiore, in genere con possibilità di movimento. Quello inferiore deve essere sufficientemente robusto affinché non vibri; deve essere inoltre scrupolosamente disposto in orizzontale. Lo spostamento di quello superiore può essere sia di tipo verticale che di tipo orizzontale (rispetto all’inferiore). Il movimento verticale va a modificare l’apertura del labbro, mentre quello orizzontale causa una variazione della traiettoria del getto di impasto nei confronti della tela. Normalmente questo tipo di variabile non viene modificata, infatti in base all’esperienza e al tipo di carte prodotte, si preferisce impostare un valore che dia buoni risultati in tutti i casi. Sul labbro superiore è montata una lama flessibile che ha il compito di modificare il profilo trasversale di grammatura. Questo avviene grazie ad una serie di aste micrometriche disposte ad una distanza ben precisa l’una dall’altra (circa 10- 4 Le casse d’afflusso 15 cm) comandate da volantini manuali o da motoriduttori, che esercitano una pressione sulla lama, pari ad una corsa massima di 3 mm circa. Le viti devono essere usate con discrezione: con un flusso ideale la regolazione dovrebbe essere minima. La regolazione dovrebbe essere fatta sempre su tre viti per volta: sulla vite centrale disposta nel punto da modificare e, successivamente, sulle due adiacenti. È importante ricordare che non tutte le casse d’afflusso impiegano tale meccanismo; tipico esempio sono le casse idrauliche a diluizione le quali modificano l’eventuale imperfezione del profilo trasversale di grammatura aumentando o diminuendo la diluizione dell’impasto nel settore interessato. È bene ricordare che se la cassa d’afflusso lavora con impasti ad alta temperatura, la regolazione della feritoia è riferita a quella temperatura. Quindi in fase d’avviamento, a cassa fredda, dovranno trascorrere alcuni minuti affinché la cassa assuma la configurazione originale. Nelle casse d’afflusso a pressione a cuscino d’aria, sul pelo libero del battente, e cioè al livello massimo dell’impasto (circa 20-30 cm), si trova uno stramazzo; quest’ultimo non è altro che un troppo pieno che ha il compito di convogliare all’esterno cassa la parte superficiale dell’impasto che, per l’eventuale presenza di schiuma o flocculi, causati dal basso moto, arrecherebbe problemi alla produzione. 1.3 Diverse tipologie di casse d’afflusso Riassumendo, la cassa d’afflusso deve rispondere ai seguenti obiettivi principali: 1. eliminare eventuali correnti anomale ancora presenti nella massa liquida, per impedire che si creino disomogeneità fra le varie zone in senso trasversale rispetto alla direzione di macchina; 2. compensare eventuali piccole fluttuazioni di velocità della sospensione in arrivo; 3. eliminare i fiocchi di fibre mediante una microturbolenza controllata (vedi diffusore); 4. assicurare un flusso assolutamente uniforme per tutta la larghezza della feritoia (o bocca) d’efflusso; 5. imprimere al getto in uscita una velocità costante in armonia con la velocità della tela e dirigerlo sulla zona prefissata della tavola piana. Una volta stabiliti questi punti fondamentali possiamo constatare come sul mercato vi siano una serie di possibili soluzioni legate a prodotti con caratteristiche tecniche differenti ma che comunque rispondono sicuramente ai requisiti citati, offrendo il vantaggio di essere più o meno predisposti alla produzione di una carta, o all’elaborazione di una materia prima rispetto ad un’altra. Le casse d’afflusso possono essere aperte o chiuse (vedi fig. 4, 5 e 6) a seconda della velocità richiesta dal getto. Le casse aperte sono al giorno d’oggi an5 Le casse d’afflusso date in disuso, fondamentalmente per i vincoli di produzione ad esse legate, nonostante tutto vi siano cartiere che per ragioni legate alla produzione di particolari tipi di carta, le impieghino tuttora con risultati soddisfacenti. Le casse chiuse invece negli ultimi decenni si sono particolarmente evolute dando luogo ad un numero considerevole di modelli con altrettante varianti; si possono comunque così suddividere: - casse chiuse in pressione a cuscino d’aria; - casse chiuse in pressione idrauliche; - casse chiuse in pressione idrauliche a diluizione. Figura 4 (Cassa d’afflusso aperta) Figura 5 (Cassa d’afflusso in pressione a cuscino d’aria) 6 Le casse d’afflusso Figura 6 7 Le casse d’afflusso 1.4 Tecniche multistrato per la produzione di cartone per imballi a confronto Con le tecniche multistrato è possibile ottimizzare le richieste di qualità e l’uso di vari impasti. Le tecniche possono essere divise in quattro categorie: 1. multicilindri; 2. cassa d’afflusso multicanale; 3. formazione su di un foglio già formato; 4. multitela. Figura 7 1. Con la sezione di formazione multicilindri è possibile produrre fogli con grammature pesanti a bassi costi operativi. D’altro canto, però, la ritenzione, l’orientamento delle fibre e il profilo CD non sono dei migliori. La formazione, specialmente quella dello strato superiore, soffre del fatto che si utilizza un’unità a cilindri. A causa di ciò, la copertina è spesso prodotta da una tela di formazione. 2. Quando si forma una struttura a strati con una cassa d’afflusso multicanale, gli strati saranno un po’ mischiati tra loro. Questa mescolatura dà origine ad una basa lucentezza della superficie quando si usa una pasta scura nello strato intermedio. Inoltre le acque bianche dello strato intermedio si mischiano con quelle dello strato esterno. L’effetto positivo della mescolatura delle fibre è costituito da un migliore legame tra gli strati. Una cassa d’afflusso multicanale rende difficile controllare la formazione del foglio, l’orientamento delle fibre e il profilo di grammatura. Quindi, costitui8 Le casse d’afflusso sce una buona alternativa solo quando la macchina dispone di una ristretta gamma di velocità e grammature, e la mescolatura degli strati non è critica, come lo è nel caso di retro e strato intermedio su macchine per lainerboard che usano fibre riciclate. Una cassa d’afflusso multicanale dà risultati migliori con un gap former. 3. In questo caso il getto da una cassa d’afflusso secondaria raggiunge un foglio già formato. La cassa d’afflusso secondaria è normalmente seguita da un telino di drenaggio superiore. Se la copertina è formata con una cassa d’afflusso secondaria, il grado di bianco della copertina si deteriora a causa delle acque bianche che scolano dallo strato intermedio più scuro. Una sezione di formazione dove la formazione avviene su foglio già formato può avere una gamma di grammature abbastanza ampia, anche se non così ampia come una sezione multitela. L’eliminazione rapida dell’acqua del former tende a peggiorare la ritenzione. Il controllo dell’orientamento delle fibre è reso più facile che con una cassa d’afflusso multicanale che con una macchina multitele. 4. Una macchina multitela è la scelta migliore nei casi in cui si richiedano varie gamme di grammatura e velocità di macchina. La gamma delle grammature di una macchina multilinea può essere estesa aggiungendo un former per tela superiore sulla tela per lo strato di centro. Con una macchina multitela è possibile ottimizzare la formazione di ogni strato separatamente. Le base consistenze della cassa d’afflusso possono essere usate ogni strato. Se si aggiunge un telino di drenaggio superiore sulla tela dello strato di centro, si ottiene un’eccellente formazione. Un altro vantaggio è costituito dal controllo separato dell’orientamento delle fibre in ogni strato. Il controllo del profilo della grammatura in direzione trasversale di macchina è reso più facile con una machina multitela. Il profilo dovrebbe essere controllato dalla cassa d’afflusso che produce lo strato più pesante, mentre l’apertura slice delle altre casse d’afflusso viene mantenuta costante. La formazione separata fornisce un ottimo bianco alla strato superiore e una buona ritenzione. Sebbene il legame tra gli strati sia inferiore che nei fogli formati con gli altri metodi, è decisamente sufficiente per la maggior parte dei tipi di cartone. Una geometria corretta della pressatura unitamente al controllo esatto del contenuto solido nel punto di pressatura, danno come risultato un buon legame tra gli strati. I costi dell’investimento per una macchina a più tele sono maggiori sono maggiori che per gli altri tipi di sezioni tela. Tuttavia i costi operativi non sono molto alti. Un confronto delle caratteristiche chiave e dei costi di macchina per le varie tecniche multistrato è riportato qui di sotto. 9 Le casse d’afflusso Multicilindri C.a. Multicanale C.a. secondaria + telino Multitela Grado di bianco + -- O ++ Ritenzione - ++ - O Formazione + O + ++ Orientamento fibre -- - O ++ Saldatura strati O ++ + O Profilo t. gramm. -- - O ++ Grammature ++ - O ++ Runnability -- -- + ++ Costi investimenti O ++ - -- Costi operativi + ++ + ++ 10 Le casse d’afflusso 1.5 Esempi di diverse sezioni di formazione per cartone multistrato • Linerboard Una sezione di formazione tipica per linerboard prodotto sia con fibre vergini che riciclate è illustrata nella figura 8. Lo strato base è formato sulla tela inferiore e la copertina sulla tela superiore. Questo tipo di formazione viene usato per white top linerboard, linerboard nuvolato e marrone. Figura 8 Se per lo strato di base si usano fibre riciclate a basso drenaggio e si desidera alta produzione specifica, o se si producono alte grammature, viene solitamente impiegato un telino di drenaggio per aumentare il drenaggio e migliorare la formazione dello strato di base (vedi fig. 9). Figura 9 • Cartone Per cartoni a base di fibre vergini, come il folding boxboard (FBB) e cartone grafico, si usa normalmente una sezione di formazione a tre tele. 11 Le casse d’afflusso 2. La progettazione Qualora una cartiera decida di installare una nuova cassa d’afflusso, trova davanti a se una serie molto numerosa di potenziali fornitori; spetterà alla ditta, in base all’esperienza acquisita, decidere a quale dei tanti rivolgersi per lo studio del nuovo impianto. Solitamente vengono scelte più ditte in modo da avere a disposizione più soluzioni e diversi preventivi economici. In primo luogo il venditore deve stabilire con la cartiera il tipo di cassa, a cuscino d’aria o idraulica; questo tipo di scelta è vincolata dal tipo di carta da produrre, dalla produzione oraria e di conseguenza dalla velocità della macchina. Per esempio si opterà per una cassa idraulica nel caso di: • carta tissue (velocità ca. 1800 m/min); • carta da quotidiano (velocità ca. 1200 m/min); • supporto leggero da patinare LWC (velocità ca. 1200 m/min); per contro si sceglierà una cassa a cuscino d’aria nel caso di: • carte per cartotecnica o cartone ondulato (massimo 700 m/min). Giunti a questo punto l’ufficio progettazione passerà al “taglio” della cassa, cioè al dimensionamento globale in base alla portata di pasta prevista. Il calcolo che il progettista svolge è il seguente: 1. Determinazione dei kg prodotti al minuto (al pope) Tons. (al giorno) / 1440 (minuti in un giorno) * 1000 (coeff. di trasf.) 2. Da ciò si ricava la portata in cassa in l/min Kg/minuto (al pope) / ritenzione tela / concentrazione in cassa Determinato questo valore si passa al dimensionamento del distributore e dei fori della piastra forata. Particolare attenzione deve essere prestata per il calcolo dell’angolo di ingresso dell’impasto nel diffusore e per i seguenti angoli di bombatura dello stesso; se questi ultimi fossero sbagliati, anche di pochi gradi, si verrebbero a formare perdite d’attrito e turbolenze incontrollabili che influirebbero negativamente sulla fabbricazione della carta. Un ulteriore calcolo critico è quello della distanza che deve esistere tra la fine del distributore e la valvola di ricircolo. Anche in questo caso un valore leggermente impreciso causerebbe fenomeni idraulici tali da non consentire l’omogenea pressione in cassa. Di conseguenza viene calcolato il numero dei rulli forati, la loro dimensione, e l’area aperta, cioè l’area vuota che si viene a formare in base al numero e alla grandezza dei fori. La cartiera definisce l’orientamento dei fori, che possono essere posti a spirale rispetto alla superficie del cilindro o paralleli rispetto a quest’ultimo. Effettivamen- 12 Le casse d’afflusso te la differenza tra un tipo di disposizione e l’altro non è ben riscontrabile per quanto tutte le cartiere al momento dell’acquisto di una nuova cassa esigano i fori dei rulli forati con la stessa disposizione di quelli presenti nella cassa dismessa. Operazione molto importante è quella della determinazione del tempo che impiega l’impasto per andare dall’ultimo rullo forato all’uscita della bocca della cassa; in base a questo tempo si ricava la distanza ottimale tra questi due elementi. Qualora essa sia troppo grande si verifica una perdita di microturbolenza, e un eccessivo spreco di materiali; nel caso essa sia troppo piccola si verrebbero a formare sulla carta finita delle bande di umidità perfettamente coincidenti con i fori del cilindro rettificatore. Una volta determinati tutti questi valori, vengono calcolati i restanti di conseguenza. Il progetto viene visionato ed approvato dal committente prima di passare alla produzione. Generalmente il materiale impiegato per la costruzione della cassa d’afflusso è tutto acciaio inox, a meno che sotto specifica richiesta da parte della cartiera, il materiale esterno possa essere un acciaio meno pregato e di conseguenza più economico. Un tipo di acciaio inox molto diffuso per la costruzione delle casse, e di tutti gli elementi che le fanno da contorno, è AISI 316. Le superfici interne vengono lucidate a specchio mediante processo di elettroerosione. È molto interessante sapere che il grado di finitura superficiale dell’acciaio, apportato mediante elettroerosione non è casuale, ma è frutto di continui studi; infatti qualora esso sia fortemente accentuato si verificherebbe nell’interno cassa non più un moto turbolento ma laminare, con conseguenti correnti preferenziali; inoltre si potrebbe incorrere in un fenomeno di adesione spontanea delle fibre sulle pareti della cassa. In generale si può dire che il valore utilizzato è di 0,2 Ra. 13 Le casse d’afflusso 3. Casse d’afflusso aperte Le casse aperte, più vecchie ma più semplici, per macchine lente (massimo 150 m\min), sono costituite da un cassone rettangolare in cui il flusso in arrivo viene smorzato da diaframmi (o paratie) dando luogo ad una sospensione fibrosa in lento movimento attraverso i cilindri rettificatori (vedi fig. 11). Le paratoie hanno il compito di evitare fenomeni di moto trasversale, ed inoltre servono ad annullare un passaggio diretto dall’entrata all’uscita della cassa. Esse devono essere progettate con cura perché devono nello stesso tempo garantire sul fondo della cassa una velocità tale da non dar luogo a fenomeni di sedimentazione. Le casse più vecchie non erano munite di slice superiore orientabile in base al profilo di grammatura, quindi il problema veniva risolto da alcune stecche, con la stessa funzione delle paratie, infulcrate nel centro e quindi con un assetto variabile. Il livello dell’impasto rispetto alla bocca d’uscita deve essere tale da assicurare un battente che impartisca al getto la velocità desiderata. Tale velocità è legata al carico totale sulla bocca d’efflusso dalla seguente relazione (legge di Bernoulli): V = k√ 2gh dove: - V è la velocità di scarico in metri per secondo; - g è ‘accelerazione d gravità (9,81 m/secondo al quadrato); - h è il battente in metri; - k è un coefficiente di correzione che dipende dalle caratteristiche del fluido e della bocca d’efflusso. Il livello deve essere mantenuto assolutamente costante per evitare variazioni di portata e quindi di grammatura del foglio in senso di macchina. Un troppo pieno regolabile, su tutta la larghezza della macchina, permette di compensare le differenze di livello che possono essere causate dalle variazioni provocate dalle pompe d’alimentazione, per esempio a causa di sbalzi di corrente elettrica o presenza di bolle d’aria. 14 Le casse d’afflusso 4. Casse d’afflusso in pressione a cuscino d’aria La necessità di spingere le macchine continue a velocità superiori, fermo restando i limiti meccanici, portò allo sviluppo delle casse d’afflusso in pressione a cuscino d’aria. Era diventato tecnicamente impossibile far raggiungere all’impasto un battente tale da garantire velocità superiori ai 200 metri al minuto senza incorrere in problemi come: - bassa agitazione in cassa, con la conseguente formazione di flocculi; - impossibilità di abbattere le schiume formatesi; - formazione di deposito solido sul fondo cassa. Vennero così prodotte casse chiuse messe in pressione tramite insufflazione d’aria, capace di garantire insieme al battente dell’impasto il battente totale desiderato. Il cuscino d’aria che si viene a formare all’interno della cassa ha fondamentalmente due scopi; il primo è quello di smorzare il più possibile le inevitabili vibrazioni che l’impasto accumula man mano che si avvicina alla cassa; in particolare la fan-pump ed il centriscreen sono gli elementi che accentuano di più questo tipo di inconveniente. Il secondo scopo, come già detto, è quello di assicurare una colonna di pressione sull’impasto tale da conferire una velocità del getto in uscita quasi uguale a quella della tela. A differenza delle casse idrauliche, la cassa a cuscino d’aria risulta più versatile sia per quanto riguarda il tipo di impasto da elaborare che per la portata per la quale è stata progettata. Il costruttore infatti al momento della vendita assicura un ottimo funzionamento della cassa per una certa consistenza d’impasto e per una certa portata. Se una cassa a cuscino d’aria è stata dimensionata per lavorare in condizioni normali a 50000 l/ siamo certi che lavorerà altrettanto bene ad una portata di 90000 l/ ; questo non è assolutamente valido per una cassa idraulica che possiede un range di lavoro molto più basso. Un’altra caratteristica molto interessante delle casse a cuscino d’aria è che può adattarsi facilmente a portate di impasto e di conseguenza a velocità della macchina molto basse. Infatti grazie ad una serie di valvole collegate al compressore si può creare il vuoto all’interno cassa riuscendo a mantenere quindi il livello dell’impasto nella posizione di lavoro standard, ma avendo una velocità getto particolarmente bassa. Queste ed altre caratteristiche di flessibilità rendono la cassa a cuscino d’aria uno strumento indispensabile per tutte quelle cartiere che hanno una produzione particolarmente varia sia come impasti e grammature. 15 Le casse d’afflusso 5. Le casse d’afflusso idrauliche L’esigenza di produrre carta ad alta velocità e di bloccare il getto, in uscita dello slice, in una tavola di formazione a doppia tela, con lunghezza relativamente bassa, ha portato allo sviluppo delle casse d’afflusso idrauliche, che hanno la capacità di garantire una microturbolenza dell’impasto anche se sottoposte ad alti regimi di lavoro. Questa microturbolenza ha lo scopo di generare piccoli agglomerati di fibre (fiocchi) per ottenere una buona speratura del foglio. Questo tipo di cassa, a differenza di quelle a cuscino d’aria, è mantenuta sempre piena e in costantemente in pressione, come si può vedere in figura 10. Questo tipo di cassa è costituita da un collettore rastremato a sezione rettangolare che alimenta, a pressione costante, il banco di tubi conici di prima miscelazione. Il banco di tubi è costituito da file multiple di tubi rastremati, con sezione più stretta all’entrata e più larga all’uscita; essi hanno lo scopo di diminuire la velocità all’uscita in modo che i flussi si combinino più facilmente nella camera di egualizzazione, migliorando la distribuzione dell’impasto in direzione trasversale di macchina . Dai tubi conici, la sospensione fibrosa passa alla camera di egualizzazione e successivamente attraverso una piastra forata, che rappresenta un elemento di resistenza al flusso ed ha anch’essa lo scopo di uniformarlo. Seguono quindi le lamelle flessibili convergenti (Lexan) che laminano e accompagnano la sospensione fibrosa fino alla bocca d’uscita. Queste lamelle, vibrando, creano delle microturbolenze che danno luogo ad una elevata uniformità di spessore, velocità e dispersione fibrosa del flusso che arriva sulla tela. Questo tipo di cassa, mancando del cuscino d’aria, ha la necessità di avere collegato un attenuatore di pulsazioni, provenienti dalle pompe e dagli epuratori, vengono smorzate. L’apperecchio è inserito sulla linea di alimentazione della cassa tra il centriscreen e la mandata del collettore è composto essenzialmente da una sezione superiore cilindrica (camera di attenuazione delle pulsazioni) e da una sezione inferiore a tronco di cono rovesciato. Il flusso in arrivo entra dal basso verso l’alto, attraversando due piastre forate, montate sulla base inferiore e sulla base superiore della sezione conica, ed esce in orizzontale dalla parte cilindrica. Le due piastre forate garantiscono all’impasto una distribuzione omogenea all’interno della camera di attenuazione delle pulsazioni. Il controllo del livello è realizzato da uno scarico continuo aria-acqua da una valvola a sfera, in modo da ottenere il livello e la pressione desiderati. Superato il collettore a sezione rettangolare decrescente, così disegnato per garantire, in tutti i suoi punti, la stessa pressione dell’impasto, si trova il distributore multiplo costituito da una serie di tubi a doppia sezione, ristretta nel primo tratto, per ottenere una perdita di carico, e grande nella seconda parte per ottenere 16 Le casse d’afflusso una forte decelerazione del flusso. A questo punto il flusso in uscita viene suddiviso in una serie di sottili canali, paralleli e convergenti alla bocca della cassa, formati da robusti fogli di materiale sintetico (lexan). All’interno dei canali, le fibre si dispongono uniformemente per tutta la larghezza della cassa ed acquistano una microturbolanza che viene mantenuta fino all’uscita dello slice generando un getto con spessore e velocità uniformi. Figura 10: cassa Beloit Converflo Concept III 17 Le casse d’afflusso 6. Cassa d’afflusso a diluizione La necessità di un profilo di grammatura e di caratteristiche constanti in senso trasversale alla macchina, ha portato allo sviluppo di un tipo innovativo di casse d’afflusso dette a diluizione. Nelle casse tradizionali la regolazione del profilo di grammatura si ottiene tramite un labbro flessibile posto sul becco d’afflusso. Si ha così uno svantaggio: modificando localmente la sezione dello slice, si formano delle piccole differenze di velocità del flusso che possono creare disomogeneità nell’orientamento delle fibre. Le casse d’afflusso a diluizione agiscono invece modificando localmente la diluizione dell’impasto; avremo quindi dei tubi d’acqua regolabili singolarmente che si immettono nel distributore. Ciò al pregio di mantenere costante la velocità del flusso per tutta la larghezza della cassa. 18 Le casse d’afflusso 7. Il getto Come già anticipato il compito principale della cassa d’afflusso è quello di alimentare, sulla tela della macchina continua, un getto d’impasto il più omogeneo e costante possibile. La velocità con la quale quest’ultimo giunge sulla tavola piana deve essere ben definita e può essere, in base alle esigenze che verranno esposte di seguito, più o meno rapida della velocità della tela. Più il rapporto tra la velocità del getto e quello della tela si allontana da 1, più il foglio sarà scarsamente quadrato. Per foglio quadrato si intende la medesima risposta alle sollecitazioni meccaniche (particolarmente significative sono la lacerazione ed il carico di rottura) riscontrate sullo stesso, esaminandolo nei due sensi di macchina, longitudinale e trasversale. In questo caso si può affermare che le fibre che compongono il foglio sono suddivise omogeneamente nei due sensi di macchina. Un tipico caso in cui la quadratura del foglio assume un’importanza maggiore rispetto, ad esempio, ad una buona speratura, è la carta per i sacchi di cemento. Una volta che il sacco viene sollevato da terra viene sottoposto a forze molto simili sia in senso orizzontale che verticale. Al contrario la carta igienica, che viene prodotta, tagliata, bobinata, ed adoperata sempre nel senso longitudinale non richiederà come parametro fondamentale la quadratura del foglio. Quando il rapporto getto-tela è superiore ad 1 le fibre, che hanno una velocità maggiore della tela, “atterrando” su quest’ultima, più lenta, vengono frenate e tendono a orientarsi in direzione trasversale. Nel caso in cui il rapporto getto-tela sia inferiore ad 1, le fibre più lente vengono accelerate sulla tela tendendo a disporsi in direzione di macchina. Si parla di Rush quando il rapporto getto-tela è superiore ad 1, mentre si parla di Drag quando questo rapporto è minore di 1. È difficile stabilire quale delle precedenti condizioni soddisfi meglio la formazione e la speratura della carta; ciò è strettamente legato alle singole caratteristiche della macchina continua, al tipo di carta prodotta, ecc. Un altro tipo di controllo che si può eseguire sul getto è l’avanzamento o l’arretramento orizzontale del labbro che va a modificare variabili come la ritenzione e la formazione. Queste sono fortemente influenzate dalla direzione con cui il getto arriva sulla tela o più precisamente sul forming board. Si possono presentare due diverse situazioni: 1. Labbro superiore avanzato rispetto a quello inferiore: in questo caso l’impasto all’uscita della slice si trova proiettato direttamente sul forming board provo- 19 Le casse d’afflusso cando un drenaggio più spinto ed immediato con una conseguente perdita di fini. Per contro si accentuerà l’aggrovigliamento delle fibre e quindi miglioreranno, seppur di poco, le caratteristiche meccaniche. Nel caso in cui la carta sia da utilizzarsi in stampa, questo tipo di situazione implica un problema di speratura del foglio. Il supporto cartaceo risulterà particolarmente nuvoloso. 2. Labbro superiore arretrato rispetto a quello inferiore: in questo caso l’impasto in uscita dallo slice acquista una direzione tale da atterrare al termine del forming board con maggiore dolcezza. Dal punto di vista della formazione probabilmente questa soluzione è la più indicata. In entrambi i casi non vanno sottovalutate le altre variabili, come il tipo di tela di formazione e il tipo e la disposizione degli elementi drenanti, che possono modificare, a parità di spostamento orizzontale, la speratura del foglio. In generale si può dire che lo spostamento orizzontale del labbro viene impostato dal cartario in modo che formazione, ritenzione e speratura del foglio siano il più costante possibile, variando i tipi di carta e le grammature di questi ultimi. 20 Le casse d’afflusso 8. Interventi da parte dell’operatore Si andranno ora ad analizzare alcuni tipi di interventi che l’operatore può eseguire sulla cassa d’afflusso per modificare eventuali situazioni anomali o semplicemente per migliorare le caratteristiche qualitative del foglio in produzione. Questo tipo di interventi è riferito alla cassa d’afflusso Valmet, modello C, montata sulla terza macchina della cartiera Fedrigoni di Verona. La linea d’acqua non è “perpendicolare” alla tela di formazione In questo caso che l’operatore deve fare è quella di andare a controllare il bilanciamento interno del distributore servendosi del tubo in plexiglas (esplorazione) situato sullo stesso. Se la sospensione fibrosa si sposta verso la valvola manuale del ricircolo, vuol dire che la pressione all’interno del distributore, è superiore nella parte a sezione larga o, minore nella parte a sezione stretta. La linea d’acqua visibile sarà sulla tela come descritto dalla figura 11. Per avere una pressione omogenea all’interno della cassa, l’operatore deve chiudere adeguatamente la valvola del ricircolo del distributore fino al momento in cui l’impasto raggiungerà un equilibrio statico all’interno del tubo in plexiglas. Nel caso in cui la situazione sia contraria a quella mostrata dalla figura 11, la manovra da eseguire, per raggiungere l’equilibrio della cassa, è di aprire la valvola del ricircolo. Figura 11 (Situazione di sbilanciamento di pressione in cassa) 21 Le casse d’afflusso Aumentare la diluizione dell’impasto Spesso per esigenze di tipo qualitativo del foglio è necessario mettere più acqua sulla tela. Questo tipo di manovra implica una serie di correzione da parte del sistema di controllo della cassa. Per aumentare la diluizione dell’impasto la cosa da fare è aprire leggermente lo slice della cassa. Una volta effettuata questa manovra, il sistema di controllo si accorge che, il livello dell’impasto nell’interno cassa, non è più costante ma si sta abbassando, che la velocità del getto è diminuita e automaticamente è diminuito il rapporto getto – tela. A questo punto il sistema di controllo effettuerà una serie di operazioni per riportare la cassa da una situazione transitoria ad una costante. Un segnale raggiungerà al compressore per fargli diminuire la pressione del cuscino d’aria; la valvola automatica che gestisce il ricircolo di mandata dell’impasto in cassa comincerà a chiudere facendo quindi aumentare la diluizione dell’impasto e nello stesso tempo la sua pressione. Una volta raggiunto nuovamente il livello impostato in cassa e ristabilito il rapporto getto – tela, il sistema smetterà di intervenire. La valvola automatica per il controllo del ricircolo della mandata in cassa è collegata, in parallelo, con una valvola manuale; questo tipo di soluzione è stato adottato perché la valvola automatica deve sempre lavorare in un range compreso tra il 30 e il 70%. Se l’apertura della valvola, in condizioni normali di lavoro, è compresa in questo range l’operatore sa di avere un certo margine, sia in apertura che in chiusura, per effettuare eventuali aggiustamenti. Ecco quindi l’utilità di disporre di una valvola manuale (baypass) utilizzabile quando la valvola automatica è costretta al di fuori del campo prefissato. Nel caso in cui il fan – pump sia a giri variabili la manovra per ottenere una maggior diluizione dell’impasto è quella di aumentare i giri della stessa. Essendo l’apertura della valvola di grammatura costante ed essendo aumentata l’aspirazione della pompa varia semplicemente la portata d’acqua delle acque prime. Correzione del profilo di grammatura Il primo indice della qualità di un tipo di carta, è l’uniformità del foglio. Un foglio uniforme è anche la premessa di un buon funzionamento della macchina continua. Cassa d’afflusso e tavola piana determinano il profilo di grammatura. Se la tavola piana è senza difetti, il profilo di grammatura è influenzato solo dalla cassa d’afflusso. La cassa d’afflusso è munita di una bocca ad apertura regolabile per permettere di compensare irregolarità idrauliche della cassa stessa e per altri difetti della macchina, allo scopo di assicurare una buona produzione. 22 Le casse d’afflusso Nel caso in cui tavola piana, presse, seccheria e liscia possono produrre un foglio uniforme, il profilo del labbro della cassa dipende solamente dalla conformazione della stessa. Nella pratica invece quasi tutte le macchine continue hanno delle caratteristiche particolari, per cui il profilo di grammatura deve scostarsi dall’uniformità. Al giorno d’oggi sulle macchine continue è montato, solitamente prima del pope, uno scansore che ha la capacità di analizzare in tempo reale (on line) le caratteristiche più importanti del foglio in produzione. Mediante strumenti elettronici altamente sofisticati montati sulla testa di scansione mobile, vengono determinati ad ogni passaggio una serie di dati come ad esempio grammatura, umidità, spessore, coordinate di colore ecc. Tutti questi dati vengono elaborati da un sistema di controllo centrale ed infine sottoposti, sotto forma di numeri o grafici, all’operatore il quale dopo averli confrontati con quelli di riscontro, può agire sulla macchina allo scopo di modificare eventuali anomalie. Il controllo del profilo di grammatura si basa su questo principio. L’operatore ha a disposizione un monitor sul quale appare il trend del profilo di grammatura, il trend del profilo di spessore ed il trend del profilo d’umidità che sono inviati ed aggiornati costantemente dalla testa di scansione. Nel caso in cui la cassa d’afflusso non sia dotata di controllo del profilo di grammatura automatico, l’operatore dovrà determinare, tramite i trend a sua disposizione, i punti in cui il profilo del labbro della cassa dovrà subire delle modifiche di assetto. Fatto questo, servendosi dei volantini di regolazione, collegati al labbro, andrà a modificare il profilo dello stesso. Come già detto in precedenza, questo tipo di manovra va eseguita concentrandosi su di un solo volantino, ma deve essere estesa anche a suoi due adiacenti onde evitare la formazione di fasce d’acqua e nello stesso tempo di imprimere alla lama flessibile un profilo troppo disomogeneo che potrebbe portarla a snervarsi irreparabilmente. Nel caso in cui la cassa corregga automaticamente il profilo, accade che i dati elaborati dal sistema di controllo vengono memorizzati per una serie di scansioni, circa 10-15, fino a quando il sistema non individua la zona dove la grammatura è maggiore o minore rispetto al set-piont impostato dall’operatore. A questo punto il sistema invia l’impulso agli strumenti elettronici che agiscono sulle aste micrometriche collegate al labbro, andando a determinare lo spostamento della lama flessibile. Terminata l’operazione il sistema attende una serie di altere 10-15 scansioni per controllare che la correzione effettuata abbia avuto effetto; nel caso contrario il sistema interverrà nuovamente. Una cosa molto importante da ricordare è che il sistema ha bisogno di alcuni dati fondamentali affinché possa andare a correggere il settore più opportuno. Infatti il formato, imposto dai fissaggi, sulla tavola piana è molto più largo di quello che si riscontra al pope; ecco quindi l’esigenza da parte del sistema di conoscerli entrambi onde evitare correzioni sbagliate. 23 Le casse d’afflusso Qualora una produzione richieda un profilo particolarmente elaborato raggiungibile solo dopo molti interventi da parte del sistema centrale o addirittura manualmente da parte dell’operatore, vi è la possibilità, una volta raggiunta l’impostazione desiderata, di memorizzarlo. La volta in cui si dovrà produrre lo stesso tipo di carta, l’operatore non farà altro che richiamare il profilo precedentemente memorizzato. Le aste micrometriche andranno immediatamente a configurare il labbro come al momento del salvataggio, cosicché in pochi minuti la carta assumerà la caratteristica particolare ad essa richiesta; in questo modo vi sarà un risparmio di tempo ed inoltre sarà minimizzato lo scarto. Anche se una cassa d’afflusso è munita di correzione automatica del profilo di grammatura è possibile disattivare questo tipo di opzione ed andare a modificare manualmente quest’ultimo mediante l’utilizzo della tastiera del computer. Anche questo tipo di opzione è riservata a casi in cui il profilo desiderato dall’operatore si discosta da uno omogeneo. Nella pagina successiva si può vedere un esempio di trend di grammatura, spessore, umidità (fig. 14). 24 Le casse d’afflusso 25 Le casse d’afflusso Bibliografia • “Il manuale del conducente” • “Le casse d’afflusso” (Over Meccanica) • “La tecnologia Valmet per le macchine per cartone” • “Headboxes” • “Introduzione alla fabbricazione della carta” (Paolo Zaninelli) • Appunti personali raccolti durante il corso di tecnologia per tecnici cartari • Notizie fornite in cartiera • Notizie fornite dall’Ing. Marocchio (Over Meccanica)
