Papiermaschinen faszinierend & herausfordernd Vortrag Technikforum Göppingen 11. November 2015 Karl Josef Böck SVP Voith Paper Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 1 Curriculum Vitae Karl Josef Böck Senior Vice President Voith Paper; Business Line Projects 1975-1980 Studium an TU Stuttgart, MaschinenwesenSchwerpunkt Konstruktion 1981-1985 Krupp Polysius Zementanlagen, Trainee& Konstruktionsentwicklung 1985-1991 Voith Turbo Hochleistungsantriebe für Turbomaschinen 1991- heute Voith Paper: Konstruktionsentwicklung, Konstruktion Nassbereich, Konstruktion Papiermaschine & MSR, F&E, Technologie, Produktion, Projektmanagement Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 2 Agenda • Beispiele von Produktionsanlagen • Grundlagen Papierherstellung • Einführung in eine Produktionslinie • Verfahrensschritte und dazugehörige Maschinensektionen sowie Maschinenelemente Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 3 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend grafischer Karton, 170 -230g/m², 1800m/min, 1.500.000to/a, Investment ca. 1Mrd € Arbeitsbreite 11,8m, Länge >530m Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 4 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Multi-NIP Kalander, 11m breit, 10 Walzen, 1500m/min Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 5 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Production line for Testliner, 8m-1600m/min Produktionlinie für Testliner, 60 – 140 g/m² 1600m/min, 8,7m breit, 440.000 to/a Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 6 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Production line for Testliner, 8m-1600m/min Produktionline Testliner, 60-140g/m², Rollenschneider 2800m/min, automatischer Tambourtransport und Splice Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 7 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Aufrollung Sirius 4,8m 1600m/min, 130to, 8m breit Testliner Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 8 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Zeitungsdruckpapiere 40-56g/m², 11,4m breit 2000m/min; 450.000to/a, 100% DIP Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 9 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Papiertambour, Zeitungsdruck > Durchmesser4m, 11m breit, 140 to, 20.000 Lagen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 10 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Rollenschneidmaschine 3000m/min Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 11 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend 18 -30 g/m², Standardtissue 2100m/min, 120 tons Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 12 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend 2100m/min, 18-30g/m² Trocknen Trocknen Heißluft-Haube Yankee-Zylinder Stoffzuführung Aufrollung Blattbildung Crescent Former mech. Entwässern Saugpresse oder Schuhpresse 13 Papiermaschinen – herausfordernd & faszinierend Yankee Installation, 120to Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 14 Grundlagen Papierherstellung: Was ist Papier? ... ist ein flächiger Werkstoff der im Wesentlichen aus Fasern pflanzlicher Herkunft besteht ... wird erzeugt durch Entwässern einer Fasersuspension auf einem Sieb, durch Verdichten und anschließendem Trocknen. ...wird durch die Auswahl der Faserstoffe, deren Aufbereitung sowie durch die Zugabe von Hilfsstoffen und durch die Konzeption der Papierherstellungsmaschine an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst. ... ist anisotrop und inhomogen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 15 Grundlagen Papierherstellung: Was ist Papier? Oberfläche Querschnitt Netzwerk aus pflanzlichen Fasern und Füllstoffen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 16 Grundlagen Papierherstellung: Was hält Papier zusammen? ...Wasser! Wassermoleküle bilden durch elektrostatische Anziehungskräfte mit den Zelluloseketten der Papierfasern ein reißverschlussartiges System aus sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen. Die Zelluloseketten binden dabei sowohl Wassermoleküle als auch weitere Zellulosemoleküle. Diese elektrochemischen Wechselwirkungen garantieren einerseits die Festigkeit der Papiere, andererseits sind sie auch Voraussetzung für das Recycling von Papier. Wasserstoffbrückenbindungen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 17 Grundlagen Papierherstellung: Wasserstoffbrückenbindung Sauerstoffatom Wassermolekül Wasserstoffatom Wasserstoffbrückenbindung O- -H atomare Bindung Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 18 Grundlagen der Papierherstellung n x (C6H10O5) + n(H2O) Zellulosemolekülkette H Wassermolekül H O O O H O O O Zel-Molekül 2 H O H Zel-Molekül 1 O H O H H H O O H H O H Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 H Wasserstoffbrücken 19 Grundlagen Papierherstellung: Was hält Papier zusammen? Die Anzahl der angebotenen und aktivierten Wasserstoffbrücken steuert die Festigkeit der Papiere. Durch einen höheren Mahlgrad werden die Holzfasern feiner aufgeschlossen, damit liegen mehr Zelluloseketten frei vor. Gleichzeitig werden an den Zelluloseketten aber auch mehr Wassermoleküle gebunden und die Entwässerung der Fasersuspension wird erschwert. Papierfestigkeit und Entwässerbarkeit sind reziproke Funktionen des Mahlgrades Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 20 Grundlagen Papierherstellung: wichtige Daten übliche Stoffdichten der Fasersuspensionen liegen zwischen 0,2% bis 1,2%, d.h. 2kg bis 12kg Fasern werden mit 1000kg Wasser verdünnt ab 7-8% Stoffdichte lässt sich die einzelne Faser im Blatt-Netzwerk nicht mehr verschieben fertige Papiere haben 92 bis 95% Trockengehalt, d.h. sie enthalten noch 5 bis 8% Wasser Fasern quellen in Wasser und schrumpfen beim Trocknen. Sie zeigen dabei eine ausgeprägte Anisotropie. Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 21 Grundlagen Papierherstellung: Schrumpfverhalten der Fasern Querrichtung = Dicke < 20µm Fasern schrumpfen prozentual in Dickenrichtung mehr als in Längsrichtung! Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 22 Grundlagen Papierherstellung: Schrumpfen der Papierbahn beim Trocknen Bahnbreite Presse = 100% Papierlaufrichtung Bahnbreite Aufrollung = 95-98% Orientierung der Fasern Schrumpf: Zellstoff > Holzstoff Schrumpfkurve Die Papierbahn schrumpft quer zur Maschinenrichtung im Mittel zwischen 2 und 5% in Abhängigkeit von der Faser, deren Ausrichtung und dem Maschinenkonzept. Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 23 Grundlagen Papierherstellung: Blattaufbau einlagiger Blattaufbau Deckstrich Zwischenstrich Grundstrich mehrlagiger Blattaufbau Stärke fiber layering „beam“ structure SF SF+ LF Top Festigkeit&Oberfläche UTop Back Gleichförmigkeit, Ebenheit w h UKP/MF Festigkeit I = f (h³, w) Stärke Grundstrich Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 24 Grundlagen Papierherstellung: wichtige Daten Blattdicken von Zeitungsdruckpapieren 45g/m²: 60µm Blattdicken von Kopierpapieren 80g/m²: 103µm Kartonagen 350g/m², gestrichen: Strichdicke pro Strich: 400µm 10µm menschliches Haar. 40µm Temperaturdehnung Stahl bei 1m und 1K: 12µm geforderte Dickentoleranzen < 1µm Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 25 Einführung in eine Produktionslinie Kernsektionen einer Produktionslinie Power Plant Fresh Water Treatment Stock Preparation Approach Flow Paper Machine & Aux. Finishing Fasern Fiber Recovery Wasser Dampf Elektrizität Effluent Broke System 26 Einführung in eine Produktionslinie Papiermaschine für gestrichene grafische Papiere, einlagig Blattbildung mech. Entwässern Trocknen Stoffzuführung Ausschussrückführung Profilieren Streichen& Trocknen. Glätten Aufrollen Ausschussrückführung Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 27 Papiermaschine Prozessführung am Beispiel der Flächengewichtsregelung Stoffauflauf Restabweichung Distance > 200 m PM Messpfad Längsprofilabweichung Scanner Querprofilabweichung nur stabile Störungen können mittels Regelung beeinflusst werden stochastische Störungen müssen durch die Prozessführung vermieden bzw. reduziert werden Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 28 Einführung in eine Produktionslinie Paper machine Approach flow screening Gas removal VoithVac LC cleaning EcoMizer Mixing HydroMix Mixing ComMix Approach Flow =Konstanter Teil HC-Linie = Stoff Broke From stock prep Saveall 1,2% 4% 0,2% Sweetener LC=Verdünnungswasser Siebwasser Erzeugen einer homogenen Stoffsuspension und einer pulsationsfreien Zuführung dieser zur Papiermaschine 29 Einführung in eine Produktionslinie Approach Flow - Eindüsen von Hilfsstoffen FlowJec Premium Short set-up time during brief scheduled shutdown: The new dosing technology consists of preassembled components. Operational reliability: No build-in components in the approach stock pipe that could cause deposits and breaks. Equipped with Self Cleaning System fully implemented in DCS. Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 30 Einführung in eine Produktionslinie Approach Flow - Eindüsen von Hilfsstoffen • The dosing can be optimally adjusted to the process and the chemicals. • Improved performance. − improved paper quality. − homogenous mixing and distribution of chemicals − optimized floc size. − adjustable dosing conditions. • Improved runability. − reliable operation. − reduction of breaks. Effect on floc size due to injection conditions Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 31 Stoffauflauf PulsationDämpfer PulsationDamper Damping results, pressure amplitudes For Fourdrinier and Hybrid-Former Inlet Outlet Damping factor approx. 12 : 1 5 1 Inlet 4 6 2 Damping plate 7 3 8 3 Overflow system 4 Press. air connection 5 Cleaning spray nozzle 2 0,7 Press. amplitude (kPa) 6 Sightglass with lights 7 7 Inspection cover 0 1 Frequency (Hz) 100 8 Outlet 1 Superior damping effect for existing or foreign approach flow system. (Not required for modern low pulse WEP equipment.) Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 32 Stoffauflauf gleichmäßig verteilte Stoffsuspension auf Langsieb Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 33 Stoffauflauf prinzipieller Aufbau für Langsieb oder Hybridformer Turbulenzerzeuger verstellbare Oberlippe mit Blende Beruhigungskammer Verdünnungswasser für Querprofilierung Düse mit Lamellen Querverteilrohr Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 34 Stoffauflauf Suspensionsführung, hydraulische Strecke Durchsatz 7000 -12000 l/min*m 0.98 -1.02 x Siebgeschwindigkeit Teilung 50mm Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Reihenanzahl in Abhängigkeit des erforderlichen Durchsatzes 35 Stoffauflauf Kernelemente der Stoffführung Verdünnungswasserregelung Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Düse mit Lamelle 36 Stoffauflauf Kernelemente der Stoffführung Turbulenzgenerator intense turbulence level symmetric square outlet 2 circular steps inside full nozzle coverage (no edge dead water area) exchangable inlet inserts Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 37 Stoffauflauf Strahlqualität in Abhängigkeit vom Turbulenzerzeuger 33/4, ohne Lamellen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 25/5, mit Lamellen 38 Stoffauflauf Kompensation Wandreibung und Faserorientierungskontrolle Optional edge feeding system for convenient fiber orientation adjustment. 160 % Flow +4° TSO 40 % Flow approx. 2 m Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 -4° 39 Blattbildung Gap-Former für gleichseitige Blattbildung Saugwalze, 2 zonig 10% Leistenteil, wechselseitig mit Vakuum 20% Saugwalze 1.2% Blattbildung Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Entwässerung Transport 40 Blattbildung Herausforderung Bahnlauf: perfekter Sieblauf disproportionate Illustration Durchbiegung der Walzen führt Wellenbildung im Sieb Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Lösung: CS- Walze 41 Blattbildung perfekter Sieblauf mit Mitten gestützten Walzen herkömmliche Walze centering effect centre supported roll spreading effect spreading effect centering effect Bending by own weight Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Bended by applied load at the edges 42 Blattbildung Sieblauf mit mittengestützten Walzen Stiff steel structure Connection piece made of CFRP CFRP tube CSR in operation Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 43 Blattbildung Hybridformer mit Schüttelung der Brustwalze Brustwalze wird quer zur Produktionsrichtung bewegt Effizient in jeder Hinsicht | Heidenheim | 2013-09-10 Reduzierung der Anistropie Längs/quer 44 Blattbildung Schüttelung der Brustwalze Higher Formation Quality Before and after DuoShake Installation Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 45 Pressenpartie Anforderungen Pressing Sheet densification porosity caliper bulk internal bonding strength Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Surface penetration of water / Surface Impression of felts Surface densification oil/water absorption Roughness Surface Properties 46 Pressenpartie layout für gleichseitige Verdichtung und Entwässerung Double shoe press concept with suction felt rolls 50% for high basis weights 22% Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 47 Pressenpartie geschlossenen Bahnführung Anforderungen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 48 Pressenpartie Layout für beste Oberflächenverdichtung Center roll concept with shoe press in 3rd nip 48% 20% Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 49 Pressenpartie Oberflächentopgrafie für maximale Entwässerung Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 50 Pressenpartie offene Bahnführung bei center roll Konzepten speed depending on furnish, but can be up to 1800 m/min Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 51 Pressenpartie Oberflächenenergie modifizierte Bezüge Thermisch beschichtete Oberfläche Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 gleichmäßige Blattabgabe 52 Pressenpartie Verdichten der Papierbahn smooth roll side felt side das Blatt wird auf der Wasser abführenden Seite stärker verdichtet Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 53 Trockenpartie Bahnstabilisierung Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 einreihig zweireihig 54 Trockenpartie Bahnstabilisierung mittels Vakuum 1 2 ProRelease Funktionsschema Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 55 Trockenpartie Zugmesswalzen einreihig zweireihig Zugmesswalzen Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 56 Trockenpartie Zugmesswalzen: Reduzierung der Vibrationen durch thermische Isolation Steel, one longitudinal welding seam, chromed Steel with one longitudinal welding seam, TopGuide GP CFRP 60-70 m/s 5 m/s Cost too high vibrations Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 2-3 h 2-3 h no visible/disturbing vibrations Cost 2-3 h 2-3 m/s 57 Streichen Filmstrich mit SpeedSizer Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 58 Film-Coating SpeedSizer AT Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 59 Film-Coating Starch Transfer in the Roll Nip Nip width Residual film Pre-metered film Pressure Filmsplitt Liquid film Penetration depth De-watering in the nip Paper Sheet run Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 60 Film-Coating Coat Structure of a Film Coater + uniform coat layer thickness + good coverage - higher roughness Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 61 Film-Coating Application System and Metering Elements Profiled rod (ø14 mm) Smooth rod (ø14 mm, ø18 mm ø24 mm, ø38 mm) Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 62 Carbon fibre beam Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 63 Calendering former press section dryer section EcoSoft EcoCal coater IR dryer dryer section Janus MK 2 reeler depending on grades, calendering can be a multistep process Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 64 Nipcorect™ – Biegeausgleichwalze Bezug Hydr. Achse Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Stützquellen Mantel Lagereinheit Lagerung Hydr. Kopf Rohrbündel 65 Nipcorect™ – Biegeausgleichwalze max. Zonenzahl – min. Streckenlast 10 N/mm Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 66 Work Shop - cd-caliper profiling hydraulic zone pressure hydraulic zone pressure PLC NipcoLogic PhNipco roll calculation manual roll control lineload zone correction valve cabinet zone pressure the new hydraulic pressures are active, creating an optimised load–distribution-profile Profilmatic cd caliper controller cd paper scanner Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 caliper profile 67 Kalander Thermowalzen: Führen des Heizmediums TriPass II Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 68 Kalander Randbeeinflussung mittels Isolierhülsen working width 175 paper + convection convection insulation cores: minimizes thermal connection bores edge extension Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 ingoing temp. 69 Kalander Verbesserung der Walzenstandzeiten durch Nano-Technik Standard: Large particles, inhomogeneous Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 NanoPro: True nanoparticles, homogeneous 70 Single-Nip Kalander Hard-Nip kalander Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 Soft-Nip kalander 71 JANUS™ MK 2 – Kalander 10 Walzen Papiersorten: • SC-A • LWC Offset / Tiefdruck • holzfreie gestrichene Papiere Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 72 Sirius Aufrollung 3 fach gestrichener Karton Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 73 Aufrollung The way to a perfect roll Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 74 Reel spool deflection C = Edge inclination c Paper web width bearing center distance Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 75 SensoRollTM nip sealing by SensoCover P air boundary layer on the top side of the paper removal of the air boundary layer on the bottom side of the paper Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 76 Sirius R125/2 1 6 2 7 3 Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 8 5 1 Reel spool magazine 2 Primary arm 3 Reel drum carriage 4 Secondary carriage 5 Air squeezing unit 6 Primary center wind 7 Secondary center wind 8 EcoChange S 4 77 Sirius – Shop erection Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 78 Kontakt: Karl Josef Böck Voith Paper GmbH & Co. KG Tel. 07321-37 6403 [email protected] Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 79 Karl Josef Böck | Göppingen | 2015-11-11 80
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