Берем под контроль

В данной статье мы публикуем выступления экспертов на вебинаре, организованным Rosupak и посвященном вопросам коробления при производстве гофрокартона.

Первым экспертом, выступавшим на вебинаре, был Дмитрий Барков, ведущий специалист по претензионной работе, экс-главный технолог АО «Илим-Гофра». Он подчеркнул, что все, кто работает в нашей отрасли, сталкивались с такой проблемой, как коробление. Также г-н Барков отметил, что все, кто работают на гофроагрегатах, понимают, что все возникающие при гофропроизводстве вопросы необходимо фиксировать, классифицировать и проводить аналитическую работу.

Процесс производства гофрокартона сопряжен с трудностью получения плоских заготовок. Существующая литература и сведения в интернете дают одинаковое объяснение данному дефекту – это градиент влажности между слоями, составляющими гофрокартон. Но ни один источник не дает величины перепада влажности, при котором возникает коробление в процессе производства гофрокартона. Нигде не упоминается о допустимых нормах влажности для каждого слоя, позволяющих производить гофрокартон без коробления.

Каждое гофропроизводство, имеющее лабораторию по определению механических показателей гофрокартона и гофроизделий, а также входному контролю поступающего сырья, классифицирует возникающие проблемы и создает некий шаблон. И на каждом производстве существует нечто подобное тому, что изображено на рис. 1. На нем четко видно, что основной проблемой при производстве гофрокартона и изделий из него является растрескивание, а следом за ней –  проблема коробления, которая составляет порядка 21% дефектов. Остальные проблемы касаются в основном уже производства непосредственно гофротары.

Есть всем известные основные виды коробления: обычное коробление, обратное коробление, S-образное коробление, коробление с перекосом картонного полотна, коробление кромки, продольное коробление (книзу), продольное коробление (кверху).

Для того, чтобы лучше понять причины возникновения коробления, стоит обратить внимание на тот материал, из которого гофрокартон производится. Это два основных материала: целлюлоза и полуцеллюлоза. Целлюлоза является материалом гидрофильным. Из этого следует, что целлюлоза может как поглощать, так и отдавать воду. При этом целлюлозное волокно может удлиняться/сокращаться на 20% и расширяться/сужаться на 200%. Картон для плоского слоя и бумага для гофрирования производятся из взвеси целлюлозных волокон в воде. От того, как ориентированы волокна целлюлозы или флокулы (сгустки целлюлозных волокон) в бумажном полотне, и будет зависеть направление сокращения и сужения волокон и флокул.

Производители гофроагрегатов рекомендуют использовать сырье с перепадом влажности, не превышающим 1%. Определить этот градиент до начала производства гофрокартона можно двумя способами.

Первый способ – измерение влажности по ширине рулона сырья с помощью индукционных приборов, которые определяют влажность по ширине рулонного материала на глубину не более 20 мм. Таким образом можно избежать установки на раскат гофроагрегата рулонного сырья с заведомо высокой или низкой влажностью относительно уже установленного рулона сырья. Данные приборы обладают одним существенным недостатком: на их показания сильное влияние оказывает плотность намотки сырья в рулоне и равномерность массы 1м² по ширине рулона. Практически опытный машинист, постучав по рулону, по звуку может определить, где намотка плотная, а где – нет. И в тех местах, где намотка не плотная, показания индукционного прибора могут отличаться от показаний с того места рулона, где идет звонкий звук. Мы знаем, что целлюлозный материал обладает анизотропией по ширине и длине полотна.

Второй способ – измерение влажности по ширине рулона с помощью сканера в режиме реального времени. Такой способ позволяет видеть влажность по ширине рулона и дает возможность использовать автоматические системы исправления коробления. Над каждым полотном сырья устанавливается система форсунок, которые разбрызгивают воду, производя выравнивание влажности по ширине рулона до заданной величины. Казалось бы, что данный способ позволяет решить вопрос плоскостности гофрокартона, но, к сожалению, этого не происходит. 

Для таких видов коробления, как «обычное коробление» и «обратное коробление», у машиниста гофроагрегата есть возможность исправления данных видов при помощи изменения количества наносимого клея или изменения степени обхвата полотном одного из подогревательных цилиндров. 

Для остальных видов коробления у машиниста гофроагрегата нет действенных способов исправления коробления. Соответственно, гофроагрегаты, имеющие сканеры и автоматические системы выравнивания влажности по ширине рулона, также сталкиваются с проблемой коробления при производстве гофрокартона.

Технологической службой совместно с дирекцией по качеству АО «Илим-Гофра» были произведены опыты, при помощи которых удалось установить, что влажность по ширине полотна не всегда является причиной коробления, поскольку разница во влажности слоев не превышала 1%.

Мы разделили полотно рулона шириной 2100 мм по ширине на 9 частей и произвели определение влажности (при помощи сушильного шкафа и аналитических весов), а также нарезали из каждой из девяти заготовок по две полоски для проведения имитации теплового воздействия на сырье при помощи лабораторного аппарата для гофрирования (рис. 2.1–2.3). 

Анализируя данные фото, можно прийти к выводу, что бесконечное полотно гофрокартона, выходящее их сушильного стола и являющееся плоским, при разрезании в рилево-резательном станке может давать гофрозаготовки с различными видами коробления. Следовательно, коробление гофрозаготовок возникает не только из-за перепада влажности по ширине полотна, но и из-за направления ориентации волокон, составляющих каждый слой гофрокартона. Каждый слой в процессе прохождения через гофроагрегат может давать свой вид коробления. А когда они соединяются в гофрокартон, то накладываются физические силы натяжения внутри каждого полотна, которые могут привести к короблению либо же наоборот – компенсировать друг друга, в зависимости от ориентации волокон. Ориентация волокон возникает в зависимости от соотношения скорости истечения массы и скорости сетки бумагоделательной машины.

С другой стороны, гофропроизводителям, использующим рулонный материал в большом количестве, не очень удобно заниматься контролем каждого рулона (при условии отсутствия системы контроля при помощи сканеров). Очень сложно уловить рулоны, значительно отличающиеся по влажности, во время процесса производства. Ведь когда скорость гофроагрегата около 300 м/мин., рулон уходит за 15–20 минут. Поэтому оптимальным видится исправление ориентации волокон, исправление анизотропии целлюлозного полотна на бумагоделательных машинах.

На сегодняшний день существуют методы определения ориентации волокон в бумажном полотне. Существуют приборы для определения, и на некоторых предприятиях ЦБП такие приборы активно используются. В основном это предприятия, производящие мешочную бумагу, ведь там очень важно развернуть волокно относительно машинного направления. А для тех, кто использует бумагу для плоских слоев и бумагу для гофрирования, наоборот, необходимо, чтобы ориентация волокон совпадала с машинным направлением. Чем меньше отклонение волокна от машинного направления, тем меньше вероятность возникновения коробления. Эти приборы определяют не разрушающими методами сопротивление разрыву в полученном образце. И чем меньше угол между машинным направлением и максимальным направлением разрыва образца – тем лучше для производителей гофрокартона. Угол TSO, по мнению разработчиков и пользователей метода, является наиболее часто используемым параметром. В основном его связывают с ориентацией волокон, однако она определяет лишь один из факторов анизотропии жесткости картона при растяжении. Другим фактором является внутренняя деформация напряжения, которая возникает в процессе изготовления бумаги или картона при обезвоживании, прессовании, сушке и машинной отделке.

Особое внимание необходимо уделить короблению гофрозаготовок, возникающему в процессе хранения гофрозаготовок перед переработкой их на технологических линиях.

В осенне-зимне-весенний период вентиляция гофрозавода забирает холодный атмосферный воздух, подогревает его и нагнетает в помещения производства. Подогретый атмосферный воздух имеет очень низкую относительную влажность и, смешиваясь с воздухом внутри цеха, значительно снижает относительную влажность воздуха в цехе (относительная влажность может опускаться до 14%, что ниже, чем в пустыне Сахара, где относительная влажность воздуха не бывает ниже 20%). Во избежание этого необходимо поддерживать относительную влажность воздуха в помещении или в зоне, где хранятся заготовки перед технологическими линиями. На сегодняшний день существуют автоматические решения поддержания относительной влажности воздуха в районе 55–60%, что позволяет гофрозаготовкам остывать, не отдавая влагу из гофрокартона. Если же у производителей отсутствуют такие системы, то решением может служить перемещение заготовок под навес на открытую площадку, в атмосферу с естественной влажностью, где, как правило, относительная влажность выше 50%. И заготовки, находясь в этой влажности, в течение суток набирают необходимую влагу, выравнивая абсолютную влажность самого материала, что приводит к выравниванию гофрозаготовок. Также на многих крупных предприятиях существует метод механического выравнивания заготовок. К сожалению, этот метод имеет один недостаток. При механическом выравнивании заготовок происходит незначительный надлом, и из-за него может снизиться сопротивление торцевому сжатию гофрозаготовки.

Далее г-н Барков отвечал на вопросы зрителей.

Какие причины возникновения коробления с перекосом?

■    Как правило, это – ориентация волокон, когда она совпадает в нижнем и верхнем слое.

Что делать с рулоном, если влажность по ширине – от 5 до 12%, как исправить коробление на данном рулоне?

■    Сначала стоит обратиться к нормативно-технической документации, в которой говорится, что влажность рулона не должна быть менее 6% и выше 9%. Соответственно, если влажность больше или меньше этого диапазона, вы совершенно спокойно можете браковать не только этот рулон, но и, проведя тестирование партии поступившего сырья, можете забраковать всю партию.

Как правильно называется прибор для измерения влажности и где можно его приобрести?

■    Вам стоит поискать в интернете прибор определения влажности индукционным методом. Вы легко найдете несколько компаний, занимающихся производством этих приборов. Хочу еще раз подчеркнуть, что эти приборы имеют один серьезный недостаток – они реагируют на плотность намотки рулона.

Какое оптимальное время выстаивания картона по типам: В, С, Е и 5-слойка?

■    Это не имеет значения, потому что вентиляция в любом случае происходит по гофрированному слою.

Какие проблемы могут возникнуть при хранении заготовок при влажности 70–80%?

■    Проблем не возникнет. Если мы рассмотрим целлюлозный материал, будь то тест-лайнер или же целлюлозный лайнер, то при относительной влажности даже 80% гофрокартон не наберет влагу выше 12%. По нормативно-технической документации гофрокартон может иметь влагу 6–12%. Вопрос: а нужно ли вам это? Ведь чем выше влажность гофрокартона, тем ниже его сопротивление торцевому сжатию, тем ниже его сопротивление штабелированию. 

Вторым экспертом выступил Дмитрий Трошин, директор, отдел продаж ЦБП, АО «Валмет». Valmet – это финская корпорация с большим количеством заводов по всей Скандинавии. Свое выступление он посвятил теме борьбы с короблением как с явлением нежелательным, но по сути являющимся данностью при процессе производства.

В идеале улучшать ситуацию следует, начиная с бумажных машин, что неоднократно делалось на скандинавских производствах. И там добились определенных успехов посредством введения жесткого контроля наплыва массы на сетку, которая регулируется разностью струи подачи и скоростью сетки. Кроме того, существуют методы разбавительных напорных ящиков, когда есть возможность гарантированно укладывать волокна под определенным углом, включая и середину, и края полотна.

Тем не менее многие гофропроизводства не имеют в наличии собственных бумажных машин, и им приходится иметь дело с тем сырьем, которое они получают от своих поставщиков. Компания Valmet решила помочь им в преодолении проблем коробления и провела свое исследование. Ниже представлены результаты и предложены варианты решений.

Производители постоянно сталкиваются с изменениями требований к изделиям из гофрокартона. Одной из основных тенденций в производстве товаров из гофрокартона на сегодняшний день является уменьшение веса. Также можно выделить такие запросы, как усложнение конструкции изделий из гофрокартона, повышение требований к декоративной печати, увеличение спроса на готовую к выкладке упаковку, сокращение сроков поставки. Такие изменения требований рынка к изготовителям упаковки из гофрированного картона обуславливают усложнение конструкции упаковки при улучшении ее внешнего вида и использовании более легкого сырья.

Согласно анализу компанией Valmet процессов производства гофрокартона, было установлено, что управление профилем влажности играет ключевую роль в обеспечении качества и в производительности линии. Если свести набор дефектов, который возникает в процессе производства, к разнице во влажности, то получается достаточно ясная картина. Поперечное коробление – один лайнер более сухой, второй – более влажный, то есть разница влажности в машинном направлении. S-коробление – разница во влажности поперек одного рулона. При его размотке эта поперечная влажность меняется, и получается, что, например, в левом верхнем углу бумага более влажная, а в правом нижнем – более сухая (речь о лайнерах), а это приводит к тому, что заготовка меняет свою форму. Волнообразный профиль – когда идет плохая впитываемость клея, когда влажность неправильно подобрана, идет провис лайнера. 

В случае если лайнер был очень сухой на склейке, то после его высыхания получается растрескивание. Расклейка по краям может быть вызвана либо трудностями дозирования, возникающими при неравномерном поперечном профиле влажности, либо общими проблемами с регулированием влажности. Ко всему, кроме того, что разница во влажности влияет на качество заготовок на самом гофроагрегате, гораздо большие потери можно получить на переработке, когда деформированный гофрокартон будет застревать в перерабатывающем оборудовании, что может приводить к остановам и простоям. А это, естественно, скажется на общей эффективности производства. 

На рис. 3 показаны измерения влажности верхнего и нижнего лайнера готовых заготовок после сушильного стола и коробление картона перед укладчиком. Как видно, влажность верхнего лайнера – более-менее ровная, а влажность нижнего лайнера – варьируется. И если посмотреть на показатели деформации заготовки, измеренной лазером, то они очень коррелируют с показателями влажности нижнего лайнера.

Подходя к вопросу регулирования или исправления коробления, стоит отметить, что на сегодняшний день на производствах очень многие гофроагрегаты работают в этом аспекте без какой либо автоматики. Зачастую производители используют ручные измерители. И если говорить о первом шаге в автоматизации гофроагрегата, то стоит начать с измерения температуры. По разнице температур можно своевременно менять угол обхвата подогревающих валов, а значит, и влиять на качество.

Так, например, на рис. 4 показано, что при смене рулона на более влажный температура вырастает за счет увеличения теплопередачи. Соответственно, если уменьшить угол обхвата для снижения температуры, то влажность гофрокартона возрастет еще сильнее. И тогда уже снова необходимо увеличивать угол обхвата. Все это – решения оператора, который должен иметь достаточно опыта и знаний для их принятия и недопущения снижения качества выпускаемой продукции. Компанией Valmet предложены решения по интеллектуальному управлению качеством Valmet IQ, состоящие из двух систем: IQ Wet-End Controls – система управления влажностью и температурой закрытого контура мокрой части гофроагрегата; IQ Wet-Dry Controls – система управления влажностью и температурой закрытого контура сухой части гофроагрегата.

В линейку продукции Valmet IQ входят:

■    IQ Multipoint Moisture – возможность измерения влажности поверхности лайнера в зоне работы гофроагрегата сразу в нескольких точках, без установочных ограничений и с минимальными затратами;
■    IQ Warp Measurement – новый инновационный метод измерения коробления гофрокартона с минимальными пространственными требованиями к точке монтажа;
■    IQ Converting Scanner – специально разработан для гофроагрегата для сбора точных данных по измерениям профиля влажности и температуры в машинном и поперечном направлениях для системы интеллектуального управления IQ Control;
■    IQ Moisturizer – проверенная технология из ЦБП по уменьшению коробления гофрокартона с легким основным весом;
■    IQ Control – революционная система управления закрытого контура по нескольким переменным производственным процессом гофроагрегата: DRY END Control – система управления сухой части машины, WET END Control – система управления мокрой части машины.

Если посмотреть на эти решения, то видно, что на сухой части большее количество элементов, поскольку там идет управление конечным качеством продукции. Так, после тройного подогревателя расположена IQ Moisturizer – система увлажнения: 3 балки с увлажняющими спрысками перед склеивающей машиной. После нагревательных плит перед резательным станком стоят IQ Converting scanners – гофросканеры: два сканера для измерения влажности и температуры верхнего и нижнего лайнера. А в конце гофроагрегата установлена IQ Warp Measurement – система лазерного измерения степени коробления: две камеры перед укладчиком. Для измерения влажности и температуры в мокрой части используются точечные двойные измерители.

Общее представление о решении выглядит следующим образом. На двух конвейерах перед укладчиком стоят две камеры, измеряющие степень коробления. Показатели передаются в специальный мультипредикативный контроллер. Туда же поступают данные о профиле влажности. На основании этих двух профилей контроллер рассчитывает, какое воздействие нужно дать, и выдает воздействие на исполнительный механизм, а именно на увлажняющие балки.

В мокрой части система измеряет влажность в машинном направлении, в одной точке по мере размотки рулона. Датчик измерения один, но у него может быть до семи щупов (измерительных приборов). Щупы устанавливаются: на каждом из раскатов; после того, как прошла проклейка одного слоя; после тройного подогревателя перед склеиванием на каждом из слоев. Все эти многоточечные измерения передаются в шкаф управления, а потом – в систему, на экраны операторов.

Автоматическая регулировка влажности в машинном направлении позволяет значительно улучшить показатели производительности. Так, если при смене рулона пошло коробление, при обычной работе без увлажнителей проходит примерно 7 мин., или 1120 м продукции, до того момента, когда машинист сможет исправить ситуацию, изменив углы обхвата, применив какую-то дополнительную стратегию. В случае если стоят увлажнители, то оператор может исправить ситуацию через 1,5 мин., или 240 м продукции. При автоматическом управлении влажностью коррекция и исправление ситуации занимают 15 сек., или же 40 м продукции. Улучшения по скорости исправления – 96%.