Содержание статьи
- Введение в проблему разрывов бумажного полотна
- Основы контроля натяжения при накате
- Влияние влажности на свойства бумаги
- Дефекты бумаги как причина разрывов
- Системы контроля и инспекции полотна
- Профилактические меры и современные технологии
- Оптимизация качества и эффективности производства
- Технологические решения и автоматизация
- Часто задаваемые вопросы
Введение в проблему разрывов бумажного полотна
Разрывы бумажного полотна при накате представляют собой одну из наиболее критичных проблем в бумажном производстве, существенно влияющую на эффективность и рентабельность предприятий. Эти разрывы являются наиболее критичными дефектами на этапе преобразования, которые вызывают обрыв полотна на намотчике. Современные бумажные машины работают на высоких скоростях, где даже незначительные нарушения в процессе намотки могут привести к значительным потерям времени и материала.
Проблема разрывов полотна многогранна и связана с комплексом факторов, включающих натяжение, влажность, качество сырья и техническое состояние оборудования. Компания Procemex предотвратила тысячи разрывов полотна на бумажных машинах и намотчиках, улучшив общую эффективность производственной линии для своих клиентов. Понимание механизмов возникновения разрывов является ключевым для разработки эффективных стратегий их предотвращения.
Экономическое влияние разрывов полотна
По данным исследований, бумажные комбинаты по всему миру, инвестировавшие в системы Procemex, сэкономили от 5 до 15 миллионов евро ежегодно. Эти экономии достигаются за счет предотвращения разрывов полотна на намотчике и связанных с этим затрат, а также возможности работы намотчика на оптимальной скорости.
Основы контроля натяжения при накате
Контроль натяжения является фундаментальным аспектом успешной намотки бумажного полотна. Натяжение определяется как сила, приложенная к непрерывному полотну материала в машинном направлении и обычно измеряется в PLI (фунтах на линейный дюйм). Правильное натяжение обеспечивает контроль бокового положения полотна, поддерживает его плоскостность и предотвращает появление морщин, царапин и разрывов.
Принципы натяжения полотна
Натяжение полотна создает жесткость и прямолинейность, не обязательно присущие самому полотну. Индуцированная натяжением жесткость уменьшает боковое изгибание и смещение, улучшая способность полотна сопротивляться соблазнам морщинообразования. Слишком большое натяжение легко определить - не тяните так сильно, чтобы порвать или деформировать полотно.
| Зона натяжения | Рекомендуемое натяжение | Возможные проблемы при превышении | Возможные проблемы при недостатке |
|---|---|---|---|
| Размотка | 10-20% от предела прочности | Разрыв полотна, деформация | Телескопирование, провисание |
| Промежуточные зоны | 15-25% от предела прочности | Сужение полотна, морщины | Потеря контроля, неравномерность |
| Намотка | 20-30% от предела прочности | Давление на сердечник, расслоение | Рыхлая намотка, деформация рулона |
Системы контроля натяжения
Существуют два варианта контроля для регулирования натяжения в зоне: система открытого контура или закрытого контура. Системы открытого контура основаны только на заданном значении натяжения без обратной связи от фактических условий, в то время как системы закрытого контура используют датчики натяжения для точного контроля.
Пример расчета натяжения
Для полотна шириной 2,5 метра (98,4 дюйма) при заданном натяжении 3 PLI:
Общее натяжение = 3 PLI × 98,4 дюйма = 295,2 фунта (≈ 134 кг)
Это натяжение должно поддерживаться постоянным во всех зонах обработки для предотвращения разрывов.
Влияние влажности на свойства бумаги
Влажность оказывает критическое влияние на механические свойства бумаги и вероятность возникновения разрывов полотна. Синергетический эффект температуры и влажности на скорость деградации ручной бумаги был количественно определен, показывая сложные взаимодействия между этими факторами.
Механизм воздействия влажности
Если влажность бумаги отличается от влажности окружающей среды, она будет стремиться "скручиваться" в течение нескольких дней. Влага влияет сначала на края бумаги, создавая напряжение в листе, которое проявляется в виде ряби. Разница в 10% относительной влажности может вызвать изменение на 0,1% в направлении высоты книги и на 0,2% в направлении ширины.
| Относительная влажность (%) | Изменение размеров (%) | Влияние на прочность | Рекомендации по натяжению |
|---|---|---|---|
| 30-40 | -0,15 до -0,1 | Повышенная хрупкость | Снизить на 15-20% |
| 45-55 | ±0,05 | Оптимальная прочность | Стандартное натяжение |
| 60-70 | +0,1 до +0,2 | Размягчение волокон | Увеличить на 10-15% |
| 75-85 | +0,25 до +0,35 | Риск расслоения | Снизить на 25-30% |
Контроль влажности в производстве
В отрасли общепринято, что уровень относительной влажности в цехе должен составлять от 35 до 55%. Влажность обеспечивает воду для питания химических реакций, вызывающих ухудшение состояния, и чем больше влаги в воздухе, тем быстрее протекает химическое ухудшение.
Важно: В Северной Америке, и особенно в Канаде, крайне сложно поддерживать относительную влажность 50% зимой без образования конденсата. Это создает дополнительные вызовы для поддержания стабильных условий производства.
Дефекты бумаги как причина разрывов
Дефекты в бумажном полотне являются основными инициаторами разрывов при намотке. Более 60% дефектов конечного продукта вызваны отверстиями или отложениями на поверхности бумаги, в которых была обнаружена бактериальная ДНК. Понимание типов дефектов и их влияния на прочность полотна критически важно для предотвращения разрывов.
Основные типы дефектов
Дефект в бумаге, характеризующийся разрывом в полотне, не распространяющимся на края, вызван слишком высоким натяжением полотна между твердой и мягкой секцией рулона во время намотки. Это создает силу сдвига в машинном направлении, которая превышает прочность бумаги.
| Тип дефекта | Причина возникновения | Влияние на разрывы | Методы предотвращения |
|---|---|---|---|
| Отверстия | Загрязнения, биопленки | Концентраторы напряжений | Очистка системы, биоциды |
| Царапины | Износ валов, посторонние предметы | Ослабление поперечной прочности | Регулярное обслуживание оборудования |
| Морщины | Неравномерное натяжение | Локальные перенапряжения | Контроль профиля натяжения |
| Неравномерность толщины | Проблемы формования | Дифференциальные напряжения | Оптимизация профиля каландра |
Механизм развития разрывов
Проблемы с работоспособностью, которые в конечном итоге проявляются в виде разрывов полотна, часто могут быть связаны с образованием дефектов в бумажном полотне. Дефекты создают точки концентрации напряжений, где локальные нагрузки могут превысить предел прочности материала.
Расчет концентрации напряжений
Для отверстия диаметром 1 мм в полотне толщиной 100 мкм:
Коэффициент концентрации напряжений ≈ 3-5
При номинальном напряжении 20 МПа локальное напряжение может достигать 60-100 МПа, что превышает предел прочности большинства сортов бумаги (30-80 МПа).
Системы контроля и инспекции полотна
Современные системы инспекции полотна играют ключевую роль в предотвращении разрывов путем раннего обнаружения дефектов. Система инспекции полотна (WIS) захватывает высокоразрешающие изображения дефектов по всей ширине полотна даже на самых высоких скоростях полотна с помощью высокоскоростных линейных камер.
Технологии инспекции
Для системы WIS, хотя бумага в основном монохромная, использование цветных камер на бумажной машине дает преимущества, поскольку классификация получает значительное улучшение, так как дефекты с низкой контрастностью не могут быть обнаружены черно-белыми камерами.
| Тип освещения | Обнаруживаемые дефекты | Разрешение (мкм) | Скорость обработки (м/мин) |
|---|---|---|---|
| Отраженный свет | Поверхностные дефекты, загрязнения | 50-100 | До 2000 |
| Проходящий свет | Отверстия, неравномерность толщины | 25-50 | До 1800 |
| УФ-освещение | Флуоресцентные загрязнения | 100-200 | До 1500 |
| Комбинированное | Все типы дефектов | 25-200 | До 2000 |
Система мониторинга разрывов полотна
Система мониторинга разрывов полотна (WBM) использует специальный корпус для высокопроизводительной камеры для анализа разрывов полотна, который всегда гарантирует идеальное качество изображения. Такие системы позволяют сократить разрывы полотна как минимум на 50% с помощью наиболее эффективной унифицированной системы.
Практический пример применения
Система штрих-кодирования края бумаги на бумажной машине и считывание кода на следующем этапе производства обеспечивает точность остановки на дефекте на намотчике и перемотчике. Это позволяет автоматически останавливать процесс именно в месте обнаружения дефекта.
Профилактические меры и современные технологии
Предотвращение разрывов полотна требует комплексного подхода, включающего контроль процесса, обслуживание оборудования и применение современных технологий. Стандартный подход к этой проблеме заключается в попытке понять, что произошло, начиная с исследования трендов, чтобы увидеть, было ли какое-либо аномальное поведение непосредственно перед разрывом.
Контроль технологических параметров
Поддержание стабильных технологических параметров является основой предотвращения разрывов. Стабильная химия бумажной машины требует, среди прочего, хорошо контролируемого и понятного процесса проклейки, хорошего контроля pH и подачи вспомогательных средств удержания.
| Параметр | Оптимальный диапазон | Влияние на разрывы | Частота контроля |
|---|---|---|---|
| pH массы | 7,0-7,5 | Влияет на прочность связей | Непрерывно |
| Консистенция | 0,8-1,2% | Влияет на формование | Каждые 15 минут |
| Температура сушки | 150-180°C | Влияет на внутренние напряжения | Непрерывно |
| Влажность полотна | 7-9% | Критично для прочности | Непрерывно |
Автоматизированные системы контроля
Детектор помогает понять аномалии по отношению к этому диапазону и, следовательно, повышенный риск разрыва. Современные системы используют машинное обучение для анализа больших объемов данных и предсказания вероятности разрывов.
Ключевые технологии: Современные системы контроля включают искусственный интеллект, машинное зрение и предиктивную аналитику для предотвращения разрывов до их возникновения.
Оптимизация качества и эффективности производства
Оптимизация производства требует баланса между скоростью, качеством и надежностью процесса. Работа намотчика на оптимальной скорости и предотвращение разрывов полотна имеют решающее значение для эффективности процесса, экономии затрат, времени и ресурсов.
Показатели эффективности
Ключевые показатели эффективности намотки включают коэффициент использования оборудования, качество готовых рулонов и количество разрывов на единицу продукции. Когда наши клиенты могут более точно обнаружить источник дефектов бумажного полотна, они смогли устранить их коренные причины на более ранних стадиях производства.
| Показатель | Единица измерения | Целевое значение | Влияние разрывов |
|---|---|---|---|
| Коэффициент использования | % | >95% | Снижение на 5-15% при разрывах |
| Качество намотки | Балл (1-10) | >8 | Снижение на 2-3 балла |
| Частота разрывов | Разрывов/1000 т | <3 | Прямая зависимость |
| Скорость производства | м/мин | Максимальная | Снижение на 10-20% |
Интегрированное управление качеством
С помощью решений Valmet IQ для инспекции полотна можно улучшить качество полотна и технологичность процесса, а также оптимизировать эффективность производства. Интеграция систем контроля качества позволяет операторам сосредоточиться на конкретных проблемах качества, которые могут привести к жалобам клиентов и потере прибыли.
Технологические решения и автоматизация
Современные технологические решения революционизируют подходы к предотвращению разрывов полотна. Использование современных методов искусственного интеллекта и глубокого обучения сокращает время оптимизации классификации дефектов.
Искусственный интеллект в контроле качества
Методы искусственного интеллекта автоматически присваивают обнаруженные дефекты отдельным классам, полностью исключая обычное, трудоемкое и подверженное ошибкам обучение классификатора оператором. Это значительно повышает точность и скорость обнаружения потенциально опасных дефектов.
Эффективность систем ИИ
Современные системы ИИ показывают следующие улучшения по сравнению с традиционными методами:
- Точность обнаружения дефектов: увеличение на 25-40%
- Время обучения системы: сокращение на 70-85%
- Ложные срабатывания: снижение на 60-80%
- Скорость обработки: увеличение в 3-5 раз
Интеграция систем мониторинга
Когда WIS комбинируется с WBM, обнаружение дефекта системой инспекции запускает камеры мониторинга разрывов полотна по всей машине обратно к напорному ящику. Это позволяет отследить дефект через весь производственный процесс и выявить место его возникновения.
Практическое применение интегрированных систем
Во время намотки в секции намотчика намотчик может получить доступ к соответствующей сохраненной базе данных дефектов именно этого рулона, используя систему управления разматыванием ISRA (UCS). Синхронизация между сохраненной информацией о дефектах и положением на рулоне приводит к автоматическим корректировкам скорости при возникновении критических дефектов.
Часто задаваемые вопросы
Основными причинами разрывов являются неправильное натяжение полотна, дефекты в бумаге (отверстия, царапины, неравномерность), колебания влажности и проблемы с оборудованием. Чаще всего разрывы происходят из-за превышения оптимального натяжения или наличия концентраторов напряжений в виде дефектов полотна.
Влажность существенно влияет на механические свойства бумаги. При низкой влажности (менее 35%) бумага становится более хрупкой, при высокой (более 70%) - размягчается и может расслаиваться. Оптимальный диапазон составляет 45-55% относительной влажности. Изменение влажности на 10% может вызвать изменение размеров бумаги на 0,1-0,2%.
Оптимальное натяжение составляет 10-30% от предела прочности бумаги в зависимости от зоны: 10-20% для размотки, 15-25% для промежуточных зон и 20-30% для намотки. Превышение этих значений значительно увеличивает риск разрывов, особенно при наличии дефектов в полотне.
Современные системы инспекции используют высокоскоростные камеры и ИИ для обнаружения дефектов в реальном времени. Они могут выявлять дефекты размером до 25 мкм на скоростях до 2000 м/мин, автоматически классифицировать их и прогнозировать вероятность разрывов. Это позволяет предотвратить до 50% разрывов полотна.
Наиболее опасными являются отверстия, глубокие царапины и зоны неравномерной толщины. Эти дефекты создают концентраторы напряжений, где локальные нагрузки могут в 3-5 раз превышать номинальные. Особенно критичны дефекты в краевых зонах полотна, где натяжение обычно выше.
Системы контроля натяжения требуют калибровки каждые 3-6 месяцев в зависимости от интенсивности использования. Современные цифровые системы с магнитоэластичными датчиками требуют менее частой калибровки и не нуждаются в длительной рекалибровке после разрывов полотна, что значительно сокращает время простоя.
Полностью исключить разрывы невозможно, но их можно значительно сократить. Современные интегрированные системы контроля позволяют снизить количество разрывов на 50-80%. Ключевыми факторами являются: поддержание стабильных технологических параметров, использование систем предиктивной аналитики, регулярное обслуживание оборудования и обучение персонала.
ИИ анализирует большие объемы данных о технологических параметрах, качестве полотна и истории разрывов для прогнозирования вероятности аварий. Системы машинного обучения автоматически классифицируют дефекты, оптимизируют параметры натяжения в реальном времени и предлагают корректирующие действия. Это повышает точность обнаружения проблем на 25-40%.
