4.21. Valmetin paperikoneinnovaatiot

2. September 2011

Kirjoittaja: Matti Kankaanpää
Companies:  Ahlström, Beloit, Black Clawson, Enso-Gutzeit, Kemi Oy, KMW, MoDo, POM Technology, Pöyry, Tampella, Tervakoski, Valmet, Veitsiluoto, Voith, Walmsleys, Wärtsilä, Yhtyneet Paperitehtaat
People: Aimo Lepola, Ari Telama, Erkki Ilmoniemi, Esa Ottelin, Gunnar Rask, Jouni Koskimies, Kari Pitkäjärvi, Markku Lyytinen, Matti Kankaanpää, Matti Mäkinen, Niilo Ryti, Pentti Haila, Pentti Lehtonen, Unto Rehnström, Väinö Sailas

4.21. Valmetin paperikoneinnovaatiot

Paperikoneiden valmistus Suomessa alkoi 40-luvun lopussa - 50-luvun alussa seuraavissa yhtiöissä:

  • A.Ahlström, Karhula
  • Valtion Metallitehtaat, myöhemmin Valmet, Jyväskylä
  • Tampella, Tampere
  • Wärtsilä / Kone ja Silta, Helsinki

Tärkeimmät kilpailijat olivat:

  • Beloit Iron Works (myöhemmin Beloit corporation), USA
  • Walmsleys Bury Ltd, Englanti
  • Black Clawson, USA
  • Voith, Heidelheim, Länsi-Saksa
  • KMW, Karlstad, Ruotsi

Kaikki nämä konerakentajat olivat toimittaneet tai toimittamassa lukuisia suuria paperikoneita suomalaisille paperitehtaille.

Suomalaisten koneenrakentajien ensimmäiset toimitukset:

  • Ahlström: Tervakoski Oy Erikoiset hienopaperit, sotakorvaustoimitus (pieni kone)
  • Valmet: YPT Simpele, laajamodernisintitoimitus, jossa mm. ensimmäinen suction pick-up -ratkaisu. Veitsiluoto, säkkipaperi/kartonkikone, jossa viiraosa ja perälaatikko USA:sta (Valley)
  • Kone ja Silta: Steti, Tsekkoslovakia, Säkkipaperikone, kokonaistoimitus (rakenne kehitettiin Walmsleyn vanhan sanomalehtikonepiirustusten perusteella) Sotakorvaustoimitus (pieni kone, samanlainen kuin Ahlströmin toimitus)

50- ja 60-luku

Suomessa toimitettujen koneiden rakenne perustui tunnettuun tekniikkaan ja kilpailijoiden rakenneratkaisujen seurantaan. Ylivoimaisesti johtava konetoimittaja oli Beloit Corporation, jolla merkittäviä toimituksia mm. Enso-Gutzeitille (Kaukopää, Kotka ja Summa). Veitsiluoto, Kemi ja Yhtyneet, Kaipola. Beloitin voimakas tutkimus- ja tuotekehitysohjelma tuotti momia uusia tehokkaita ratkaisuja. Suomalaiset konetoimittajat kilpailivat erityisesti hyvällä laadulla, täsmällisillä toimituksilla ja hinnalla. Valitettavasti yhtiöt (Tampella, Valmet, Wärtsilä) kilpailivat keskenään samoista, huomattavista vientiprojekteista (mm. Nordenfjälske Skong, Timavo Italia), joissa seitsemästä konetarjoajasta kolme oli suomalaisia.

Tämä tilanne johti ko. yhtiöiden väliseen yhteistyösopimukseen nk. TVW-sopimukseen, jossa sovittiin tuotejako: Tampella kartonkikoneet, Valmet sanomalehti/aikakauslehti- ja säkkipaperikoneet, Wärtsilä hienopaperikoneet. Lisäksi muodostettiin yhteinen TVW-markkinointiorganisaatio. Tässä tilanteessa suomalaisten konetoimittajien yhteinen markkinaosuus paperikonemarkkinoilla oli noin 15-20 %. Beloit oli ylivoimainen ykkönen.

70-luku

70-luvun alussa alkoi määrätietoinen panostus tutkimukseen ja tuotekehitykseen sekä uusien ideoiden kehittämiseen ja patentointiin. Erityisesti Valmetin piirissä luotiin uutta sekä prosessipuolella että valmistusprosessissa. Tämän toiminnan tavoitteena oli nousta maailman johtavaksi paperikonetoimittajaksi ja sivuuttaa kansainvälisiä markkinoita pitkän ajan johtanut Beloit Corporation.

Tärkeimmät tutkimus- ja tuotekehitysohjelmat: Tavoitteena oli

  • koneiden nopeuden nosto
  • tuotteiden laadun parantaminen
  • käyttövarmuuden ja hyötysuhteen parantaminen
  • raaka-aineiden tehokkaampi hyväksikäyttö
  • energian kulutuksen alentaminen ja
  • suurien koneyksikäiden leveyden kasvattaminen.

Lähtökohdat paperilajista riippuen: 

  • Koneleveydet 6-8 m
  • maksiminopeudet 600-800 m/min

Valmetin tutkimus- ja tuotekehitysohjelmat:

  • Uusi koneen märkäpään, s.o rainanmuodostusosan ja puristinosan kehittäminen
  • Tuloksena nk. Sym-concept, joka käsittää:
  • Hydraulinen perälaatikko
  • Sym-Former kaksoisviira rainanmuodostusosa (Patentoitu)
  • Sym Press I ja II (Patentoitu)

V. 1972 rakennettiin ensimmäinen täyden nopeuden koekone Rautpohjaan, jossa toteutettiin ym. uudet ideat. Koneen leveys 1,0 m ja maks. nopeus 1300 m/min. Koekoneen toiminnan ja tulosten analysoinnin perusteella myytiin ensimmäinen teollinen sovellutus YPT Simpeleen tehtaalle v. 1971. Kone käynnistyi v. 1972/73. Jatkossa Ahlström Varkaus (sanomalehti) ja MoDo (hienopaperi).

Tämä uusi konstruktio- ja prosessiratkaisu osoittautui ylivoimaiseksi useilla paperilaaduilla. Vedenpoiston symmetrisyys koneen former- ja puristinosassa parantaa ratkaisevasti paperin laatua, symmetrisyyttä ja formatiota. Mm. Japanissa ko- ratkaisusta tuli hienopaperilla hallitseva standardi.

 

Otteita kirjasta Telan Ympäri, Panu Nykänen 2005

Sym-Press
"Enso-Gutzeitin sanomalehtipaperikoneilla 1960-luvun alussa esille tuoma puristinosan rakenteen vaikutus paperin sisäiseen rakenteeseen nousi esille Wärtsilän neuvotellessa vuonna 1970 samanaikaisesti kahden hienopaperikoneen toimituksesta Ruotsiin, Papyruksen Nymöllan ja MoDo Husumin paperitehtaille.

MoDo:n tehdasprojektin suunnittelusta ja laitevalinnoista vastasi Jaakko Pöyry Oy, jonka paperitehdasprojekteista vastaavana varatoimitusjohtajana toimi Matti Kankaanpää. Neuvottelujen aikana MoDo vaati, että paperikoneeseen asennetaan Valmetin valmistama perälaatikko ja viiraosa. Kankaanpää esitteli tilaajalle uuden, tammikuussa 1970 luonnostelemansa symmetriseen vedenpoistoon tähtäävän puristinosaratkaisun, jonka tilaaja loppuneuvotteluissa vaati sisällytettäväksi toimitukseen. Wärtsilä suostui tilaajan pyyntöön ja sai koneen tilauksen. Nymöllan koneesta oli päästy sopimukseen hieman aikaisemmin, ja uudentyyppinen puristinosa sisällytettiin myös tähän toimitukseen. Puristimen nimen Sym-Press antoi Wärtsilän Pentti haila. Tammikuussa 1970 Kankaanpää oli ideoinut vielä toisen, 3-nippisen puristimen suurempia ajonopeuksia ja ohuempia paperilaatuja varten. Tämä puristin sai nimen Sym-Press II.

Sym-Press II suunniteltiin erityisesti suurille nopeuksille ja papereille, joiden vedenpoisto-ominaisuudet ovat huonot. Puristinosan ensimmäisen nipin muodostavat yläpuolinen imutela ja alapuolinen, yleensä taipumakompensoitu uratela. Veden poisto tapahtuu molempiin suuntiin. Kakkosnipin muodostavat imutela ja graniittitela. Kolmosnippinä on käytetty huovalla päällystettyä uratelaa ja graniittitelaa. Sym-Press II:sta muodostui myyntimenestys ja se ssyrjäytti Twinver puristimen."

Sym-Former
"Matti Kankaanpää suunnitteli kesäkuussa 1971 uuden formeriratkaisun, jolla kyettiin yhdistämään tasoviiran varovainen vedenpoisto ja tästä aiheutuva hyvä retentio, sekä kaksoisviiran aikaansaama vedenpoiston symmetrisyys ja tästä aiheutuva hyvä formaatio ja rainan sisäinen struktuuri. Tavoitteena oli eliminoida markkinoille tulleiden kitaformereiden heikkoidet paperirainan rakenteen suhteen. Laitteisto sai ominaisuuksistaan nimen Sym-Former, valmistettava paperi oli symmetristä.

Sym-Formerissa, joka oli ensimmäinen rakennettu hybridiformeri, massa johdetaan ensin tavanomaista fourdrinier-viiraa muistuttavalle tasolle. Tämän jälkeen raina johdetaan kaksoisviiran väliin. Viirojen välissä tapahtuva lateraalinen liike tasoittaa osaltaan rainaa, mutta suurin merkitys formaatiolle aiheutuu viirojen välissä, kaarevan kengän päällä.

Sym-Formerin kannalta ratkaisevaksi tilaukseksi muodostui Yhtyneet Paperitehtaat Oy:n Simpeleen PK 1 uusinta. Tilaajan ja valmetin välille 1960-luvun kuluessa muodostuneet luottamukselliset suhteet mahdollistivat lopulta sen, että Valmet tarjosi projektissa mahdollisuutta kokeilla uusinta olemassaolevaa tekniikkaa, joka käsitti uuden hydraulisen lamelliperän, Sym-Formerin ja Sym-Press II:n.

Yhtyneet Paperitehtaat Oy pyysi professori Niilo Rytiä arvioimaan uuden konstruktion onnistumismahdollisuuksia. Ryti esitti myöhemmin lentäväksi lauseeksi muodostuneen lausuntonsa käyttäen kiertoilmaisua: ”Ei ole mitään syytä odottaa että laitteisto ei toimisi”. Simpeleen tehtaan johtaja Matti Mäkinen ei kuitenkaan aivan suoraa päätä suostunut asettamaan tehdastaan pilottilaitteiston asennuspaikaksi, vaan edellytti konseptin kokeilemista Rautpohjaan rakennettavalla koekoneella. Kesällä 1972 sovittiin perusperiaatteista ja Valmet sitoutui rakentamaan esitetyn ratkaisun mukaisen, täyden nopeuden ja geometrian mukaisen koekoneen.

Simpeleen kone käynnistyi uusinnan jälkeen syyskuussa 1973. Koneella valmistetun paperin kerrostuneisuus saatiin pois kokonaan, kaksoisviirakoneiden ehkä pahin ongelma oli ratkaistu."

1970- ja 80-luvun merkittävimmät tuotekehitys- ja tutkimuskohteet ja saavutetut tulokset

Rainanmuodostus
Speed Former (patentoitu) nk. Kitaformer tela/lista ratkaisuna. (Gap-Former, roll/blade design). Lähinnä sanomalehtikoneet. Nopeuspotentiaali 1800 m/min. Ensimmäinen toimitus Union Bruk, Norja. Lukuisia toimituksia 80-luvun aikana.
Formerin jatkokokehitys erityisesti täyteainepitoisille painopapereille ja hienopapereille. Opti-Former ja Opti Flow perälaatikko, myös monikerros sovellutus, maksimi ajonopeus 2000 m/min +. Osoittautui ylivoimaiseksi ratkaisuksi, jota kilpailijatkin (Beloit ja Voith) alkoivat kopioida. Maksimi ajonopeus 90-luvun alussa jo lähellä 2000 m/min.

Ote kirjasta Telan Ympäri Panu Nykänen 2005

Hydraulinen perälaatikko
"Perälaatikossa syntyvä pienikin virtauksen suunnan vaihtelu johti kuituorientaation poikkeamaan ja edelleen ongelmiin jatkolomakepaperin taipumukseen laskostua epäsäännöllisen muotoiseen pinoon. Jouni Koskimies, Kari Pitkäjärvi, Markku Lyytinen. Esa Ottelin ja Erkki Ilmoniemi analysoivat ja ratkaisivat ongelman. Ongelma ratkaistiin perälaatikon kylkeen sijoitetulla säädettävällä sivuvurtaussyötöllä, joka ratkaisu myös patentoitiin. Kuituorientaation säätö on ensimmäisestä Rauman PK 3:lle 1984 toimitetusta Sym-Flo perälaatikosta lähtien kuulunut Rautpohjan valmistamiin perälaatikoihin. Tässä perälaatikossa oli myös uudentyyppinen turbulenssigeneraattori."

Speed Former kitaformeri
"Matti Kankaanpää esitti lokakuussa 1972 uuden kitaformeriratkaisun, josta tuli aikanaan Speed Former. Tämä oli ensimmäinen tela/listakenkäformeri. Se yhdisti tela- ja listakenkäformereiden tekniikkan ja tuloksena oli samanaikaisesti hyvä formaatio, retentio ja ajettavuus. Speed Formerin kehitys eteni kuitenkin Rautpohjassa hitaasti johtuen lähinnä Sym-Formerin hyvästä menestyksestä. Ensimmäinen Speed Former yksikkö asennettiin Rautpohjan koekoneelle 1970-luvun lopussa ja ensimmäinen toimitus tapahtui Union Brukille Norjaan 1985."

Rainanmuodostusosan lyhyt kierto
POM Technologyn kehittämä ja patentoima Pomp-sovellutus rainanmuodostusosan lyhyessä kierrossa. Pomp-yksikkö toimii 0-veteen sekoittuneen ilman poistajana, sulkee ja paineistaa systeemin. Pomp-konseptille myönnettiin Wallenberg-palkinto. Järjestelmän edelleen kehittäminen suurilla nopeuksilla Kita-formerin yhteydessä antaa mahdollisuuden huomattavaan energian talteenottoon koneen lyhyessä kierrossa. Alustavien laskelmien mukaan mahdollisesti jopa puolet sekoituspumpun moottoritehosta. Idealle on patenttihakemus käsittelyssä. (katso erillinen kronikka)

Puristinosa
Pitkänippipuristin (alkukehitys Kanadassa). Eri sovellutukset Sym-pressin ja erillisen puristimen yhteydessä tehneet mahdolliseksi nostaa rainan kuiva-ainepitoisuutta puristinosan jälkeen 40-44 % tasolle.

Imutelat

  • Haponkestävät imutelat.
  • Gun-drilling -tekniikan kehittäminen haponkestävän telavaipan rei'ityksessä.
  • Ylivoimainen valmistusmenetelmä.

Ote kirjasta Telan Ympäri Panu Nykänen 2005:

"Koneiden nopeuden ja koon kasvaessa perinteiset jouduttiin imutelojen vaipoissa luopumaan pronssimateriaaleista ja siirtymään teräksiin 1960-luvulla. Suomessa ei valettu imutelojen vaippoja. Yhdysvalloissa oli siirrytty martensiittisiin teräksiin, joiden työstö oli ongelmallista työstönopeuden ja työstövirheiden suhteen. Kun martensiittisistä teräksistä oli siirryttävä kaksifaasiteräksiin, tilanne alkoi jo muodostua mahdottomaksi.

Unto Rehnströmin johtama tutkimusryhmä ratkaisi valmistusteknisen ongelman 1970-luvun alussa kehittämällä erikoisporakoneen. Porana käytettiin asetuotannossa tavallista epäkeskoon lastuavaan kärkeen perustuvaa kanuunaporaa. Kone rakennettiin siten, että sillä pystyttiin käsittelemään 12 m pitkiä telavaippa-aihioita. Terien suurin lukumäärä koneessa oli 336 kappaletta. Imutelanaihioiden toimituskysymys ratkaistiin ryhtymällä yhteistyöhön japanilaisen Kubotan kanssa. Kaanunaporakone otettiin käyttöön ensimmäisten kaksifaasiteräksisten aihioiden saapuessa tehtaalle.

Kanuunaporakoneita otettiin käyttöön yhteensä neljä, kaksi Rautpohjassa, yksi Valmet Dominion Inc:lla Kanadassa ja yksi Sumitomolla Japanissa. Valmet nousi kanuunaporakoneen ansiosta imutelojen markkinajohtajaksi 1970-luvulla. Unto Rehnström sai keksintösäätiön tunnustuspalkinnon vuonna 1978."

Puristinosan uratelat 
Puristinosan uratelat (Venta-Nip telat, Beloitin kehittämä ja patentoima telarakenne). Haponkestävän uritetun telapinnan valmistaminen nauharatkaisuna (patentoitu ylivoimainen valmistusratkaisu).

Ote kirjasta Telan Ympäri Panu Nykänen 2005

"Teräksisten uratelojen valmistus jyrsimällä on kallista ja aikaa viepää. Uratelan valmistus kiertämällä teräsnauhaa telan ympärille on ollut pitkään tunnettu ja sitä on käytetty hitaasti pyörivissä teloissa. Nopeuden kasvaessa ongelmana oli mahdollinen nauhan katkeaminen ja tällöin pinnoitteen purkautuminen saattoi johtaa vaarallisiin tilanteisiin.

Asia nauhatelan käytöstä nousi esille 1970-luvulla etsittäessä vaihtoehtoja Beloitin ja Küstersin patentoimille uratelaratkaisuille ja vaikeasti valmistettavalle Karhulan A-telalle. Kaipolan tehtaan korjauspajan ja piirustuskonttorin päällikön Aimo Lepolan aloitteesta kokeiltiin Kaipolan pakkauskartonkikone PK 3:lla nauhatelaa viimeisellä puristimella. Tela ei kuitenkaan kestänyt käyttöä. Koe tuli tunnetuksi laajemminkin Suomessa.

Rautpohjan tehtaan isännöitsijä Gunnar Rask antoi nauhatelan valmistustekniikkaan liityvän ongelman ratkaisutehtävän Väinö Sailakselle. Telateknologian mullistanut idea syntyi perisuomalaiseen tapaan lauantaisaunassa. Sailas huomasi, että uratela voitiin tehdä helposti kiertämällä telan ympäri teräsnauha, joka kiinnitettiin samalla mekanismilla kuin saunan seinän ponttilaudoitus. Pontti lukitsi nauhan paikalleen jopa nauhan katketessa. Kaikkein parasta G-telassa oli se, että tela valmistui nyt yhden työpäivän kuluessa. Telan valmistuksen tekniikkaan liittyi ongelmia, mutta lopulta päästiin haluttuun tulokseen. Lisäksi ongelmana oli Beloitin Ventanip-uran muotoon liittyvän patentin kiertäminen. G-telan uran vino muoto esti Beloitin patentin rikkomisen."

Taipumakompensoidut telat

  • Taipumakompensoidut puristin- ja kalanteritelat vyöhykesäädöllä.
  • Erittäin tehokas ja monipuolinen ratkaisu, joka on välttämätön erityisesti suurilla koneleveyksillä.

Telapinnoitus
Uusi telapinnoitustekniikka erityisesti Sym-Press -ratkaisun yhteydessä korvaamaan aikaisemmin käytetyt graniittitelat. Koneleveyden ja ajonopeuden kasvaessa graniittiteloilla ei enää saavutettu riittävää lujuusvarmuutta (eräitä kriittisiä rikkoutumisia tapahtui 80-luvulla).

Ote kirjasta Telan Ympäri Panu Nykänen 2005

"Puristinosan keskitela on perinteisesti valmistettu graniitista. Keskitela on perinteisesti paperikoneessa ensimmäinen kohta, jossa paperirata siirretään avoimena vientinä. Koneen nopeuden kasvaessa tämä kohta tuli entistä kriittisemmäksi. Tilannetta pahensi vielä kuiva-ainepitoisuutta lisäämään tarkoitettu höyrylaatikko, joka nosti graniittitelan pinnan lämpötilaa. Korkeat lämpötilat ja lämpötilamuutokset tietyissä ajotilanteissa johtivat ikäviin telan särkymisestä johtuviin vakaviin onnettomuuksiin.

Prokekti graniittitelan korvaamiseksi muulla materiaalilla alkoi Rautpohjassa 1984. Aluksi tehtiin kokeita erikoisvaluraudoista tai martensiittisistä teräksistä valmistetuilla teloilla ja polymeeri-matriisista ja täyteaineesta valmistetuilla pinnoitteilla. Vuosikymmenen vaihteessa kokeiltiin karbidipohjaisia Center-Mate materiaaleja.

Vuonna 1991 onnistuttiin pinnoittamaantela-aihio ruiskuttamalla sen pintaan oksidikeraamista materiaalia. Ari Telaman ja Pentti Lehtosen työryhmä sai ruiskutuslaitteiston toimimaan jopa kymmenmetrisen telan päällystämiseksi riittävällä varmuudella. Aluksi markkinoille tullutta alumiinioksidipohjaista ValRok STD:tä seurasivat 1995 kromioksidipohjainen ValRok C ja vuotta myöhemmin ValRok S."

Kuivatusosa

  • Suljettu vienti kuivatusosalla suurilla ajonopeuksilla.
  • Puhalluslaatikkoratkaisu rainan viennin stabilisointi. Tehokas ja käyttövarma systeemi. Menetelmä on patentoitu ja sai Wallenberg-palkinnon.
  • Tähän tekniikkaan liittyen kehitettiin uritettu ja rei'itetty vaakkumi-sylinteri varmistamaan erityisesti ohuempien paperilajien tehokas kuivatus ja ajovarmuus.

Paperin päällystys (coating)

  • Sym-Sizer kuivatusosassa. Pintaliimaus ja erilaiset esipäällystykset kuivatusosassa.
  • Paperin päällystystekniikan kehittäminen on- tai off-machine ratkaisuna suurilla nopeuksilla ja vaativilla paperilajeilla blade-coating tekniikalla.

Kalanterointi

  • Konekalanterit ja Superkalanterit
  • Taipumakompensoidut kalanteritelat profiilisäädöllä
  • On-machine superkalanteriratkaisu

Paperikoneen käyttö- ja säätöjärjestelmä

  • Koneen sähkökäyttö jaksolukuohjauksella varustettu säätöjärjestelmä (ABB/Strömberg)

 

Yleistä

  • Uusimpien paperikoneiden ajonopeus lähestyy 2000 m/min. Suurimmat koneleveydet 10-11 m.
  • Vuoden 1970 lähtötasosta koneiden tuotanto eri paperilajeille on kasvanut 2,5-3,0 kertaiseksi.
  • Oman tutkimus- ja tuotekehitystyön ansiosta sekä yritysjärjestelyjen ja -ostojen avulla suomalainen paperikoneiden valmistaja Metso (Valmet) on noussut maailman johtavaksi yritykseksi alalla. Hyvällä syyllä voi myös todeta, että paperin valmistus modernilla tekniikalla edustaa todellista high-tech teollisuutta.
  • Otteet kirjasta Telan Ympäri valinnut Jaakko A. Palsanen.