12. November 2012
Kirjoittajat: Rauno Rantanen, Jouni Huuskonen
Companies: Beloit, Enso-Gutzeit, Kaukas, Metsäliitto, Nordland Papier, Raisio, Valmet, Voith, Wärtsilä, Yhtyneet Paperitehtaat
People: Jürgen Hoppe, Pirkko-Leena Aarnikoivu, Rauno Rantanen
5.2. Sym-Sizer
Valmetin SymSizer- filmipäällystimestä markkinajohtaja 1990- luvulla
Liimapuristinteknologia mullistui 80- luvulla poistaen hienopaperikoneiden nopeuden noston suurimman pullonkaulan ja luomalla samalla monia uusia, kustannustehokkaita mahdollisuuksia pigmentoitujen ja päällystettyjen paperien valmistuskonseptien kehittämiseen.
Liimapuristimen ongelman suuruutta kuvaa viimeisimmän ilman filmipuristinta Nordland Papierille myydyn suuren Valmetin hienopaperikoneen tilanne. Paperikoneen nopeus oli jumittunut nopeuteen 850 m/min ja katkoja oli keskimäärin yli 10 vuorokaudessa. Rauno Rantasen käydessä tehtaalla oli kone ollut tekemättä kolme vuorokautta tonniakaan paperia, kun rainaa ei saatu liimapuristimen telasta irti vaan tuloksena oli joka yrityksellä katko. Tilanteen jatkuttua jonkin aikaa, liimapuristin muutettiin filmipuristimeksi tehdyn etukäteisvarauksen mukaisesti, vaikka Jurgen Hoppe ei uskonut SymSizerin pystyvän tekemään hyvää hienopaperia. Hän sanoi että, jos prototyyppi kuitenkin jostain syystä toimii, niin hän ostaa heti samanlaiset muille kolmelle koneelle. Parissa viikossa startista asiakas hyväksyi kaikki koneen paperilajit. Koneen nopeus voitiin pian nostaa nopeuteen 1100 m/min ja siitä edelleen rakennenopeuteen 1400 m/min. Lisäetuna oli tuntuva energiansäästö.
Historia tuntee lukemattomia laitteita korvata liimapuristin hienopaperin pintaliimauksessa. Viimeisin epäonnistunut yritys oli pintaliimaus teräpäällystimillä. Menetelmällä ei kyetty valmistamaan laadukkaasti kannattavimpia hienopaperilajeja, kopiopaperia ja offsetpainopaperia. Kopiokoneilla paperin käyristyminen oli mahdoton hallita luotettavasti ja sen lisäksi offset arkki- painopapereissa (kuten monissa muissakin käyttökohteissa) paperin sisäinen lujuus oli riittämätön.
Rauno Rantanen oli julkistanut lyhytviipymäterän käytön filmipuristimen aplikaattorina patentissa FI 800029. Liima- tai päällystefilmi applikoitiin liimapuristimen teloille lyhytviipymälaitteella ja filmi siirrettiin nipissä paperiin. Patentti koski pursotintyyppistä teräpäällystyslaitetta, minkä koeajot laajoine, lähinnä puupitoisen jatkolomakepaperin koetuotantoineen oli tehty Enso Gutzeitin tutkimuskeskuksessa 1970-luvun puolivälissä. Oli parempi julkaista menetelmä kuin odottaa, että jokin muu taho sen keksisi ja saisi ”monopolin” menetelmään. Enso ei ollut halunnut patentoida keksintöä, joka koski minkä tahansa lyhytviipymäpäällystimen käyttöä filmipuristimessa.
Patentin tultua julkiseksi 1981 teki Beloit kahden kuukauden kuluttua patenttihakemuksen GB 2103115A tavanomaisen nostotelalla varustetun teräpäällystyslaitteen käytöstä filmipuristimessa. Ensimmäisen filmipuristimensa tuotantokoneelle Beloit toimitti vuonna 1984 varustettuna lyhytviipymäaplikaattorilla ja teräkaapimella.
Voith haki vuonna 1984 patenttia yhdistelmälle, missä perinteisessä lyhytviipymäapplikaattorissa kaapimena käytettiin urasauvaa. Ratkaisu tuli tuotantokonekäyttöön vuonna 1986. Urasauva oli aivan ylivoimainen terään verrattuna, sillä liimamäärä oli volymetrisellä annostelulla helppo hallita. Sauvojen kuluminen oli joissakin erikoistapauksissa ongelma, kun pohjapaperista irtosi kovia pigmenttejä tai kierrätyspohjaisilla papereilla hiekkaa, mitkä tarttuivat telapintaan ja kuluttivat nopeasti urien harjat. Päällystyksessä ja pigmentoinnissa ei myöskään voinut käyttää kovia pigmenttejä. Pehmeä kalsiumkarbonaatti syrjäytti muut hienopaperin täyteaineet ja ongelma tältä osin poistui.
Valmetin nousu johtavaksi filmipuristimien toimittajaksi alkoi, kun Rautpohjassa suoritettujen urasauvakokeiden perusteella oli ilmiselvää, että hydrodynaamisella filmin määrän hallintaan perustuvalla teräkaapimella ei ollut mitään mahdollisuuksia hienopaperikoneiden filmipuristimien kaapimena, vaan että urasauva oli ainoa järkevä vaihtoehto helppokäyttöisyytensä ansiosta. Valmetin filmipuristimen aplikaattoriksi kaavailtua Wärtsilän lyhytviipymäaplikaattoria ei Voithin patenttihakemusta loukkaamatta voitu käyttää. Näin Valmet oli umpikujassa filmipuristimen aplikaattorin suhteen. Ainoa mahdollisuus oli käyttää edellä mainittua Rauno Rantasen patentoimaa pursotintyyppistä aplikaattoria pohjana filmiaplikaattorin kehitystyölle. Voithin urasauvapatentti ei kattanut sellaisen aplikaattorin käyttöä urasauvan yhteydessä. Ensolla käytössä ollut aplikaattori oli hyvin yksinkertainen. Liiman syöttö tapahtui reikien kautta suorakaiteen muotoisesta, noin 30x60 millimetrin putkesta, missä normaalisti oli läpivirtausta. Painekammio, joka rajoittui telapintaan, muodostui putken vastakkaisille puolille kiinniruuvatuista päällystysteristä, mitkä olivat eri levyiset siten, että telapintaan asetettuna kulmaksi muodostui 20 astetta. Päädyissä oli tavanomaiset tiivisteet. Kuormitus tapahtui syöttöputken päähän kiinnitetyllä vipuvarrella ja kuormitettuna terän kärkikulma telaan nähden oli lähellä nollaa. Kokeet tehtiin pääosin 1000 m/min nopeudella. Laite toimi erinomaisesti. Tuotantokäyttöön laitetta sellaisenaan ei uskaltanut ottaa, sillä riskinä oli etuterän likaantuminen jatkuvassa ajossa, Rullanvaihtojen tähden koekoneella voitiin ajaa vain puoli tuntia kerrallaan, minä aikana likaantumista ei esiintynyt. Myöhemmin rakenne otettiin myös tuotantokonekäyttöön kuitenkin niin, että etuterän tilalla oli sauva mutta myös yhdessä koneessa terä. Likaantumista ei tapahtunut. Terän huuhtelu oli yksinkertaista toteuttaa ottamalla liimaa painekammiosta reikien kautta suoraan etuterän eteen tai erillisenä virtauksena, joista molemmista suoritusmuodoista on kuvat patentissa FI 875333, (Rantanen, Lummila 1987). Yhteensä muutaman tunnin koeajon perusteella, oli helppo tehdä riskitön päätös menetelmän ottamisesta myyntikonseptiksi. Ajokierron määräksi valikoitui noin 90 l/min/leveysmetri, kun se kilpailijoilla oli 3-5 kertainen. Suuri etu aplikaattorin rakenteen kannalta oli myös, että syötön määrä ei juuri ollut nopeusriippuvainen. Keskeisiltä osiltaan palkin rakenne oli alkuperäisen pursotintyypin mukainen: syöttökammio oli erittäin pieni ja ilman pääsy painekammioon oli tehokkaasti estetty, mitkä tekijät yhdessä antoivat vanattoman filmin laadun suurissakin nopeuksissa, palkissa ei tarvittu kulmansäätöä, painekammiossa ei ollut aukaistavaa kantta, syöttö suoraan syöttöputken rei’istä painekammioon, sivuvirtausten estämiseksi painekammiossa em. rei’issä tarvittiin kuitenkin holkit, mitkä oli helppo mitoittaa varsin vakiona olevan virtausmäärän ansiosta. Koska holkeista virtaus jatkuin puskuna kammion etuseinämään, syötön poikkisuunnan profiili oli virheetön. Kallista erillistä kuristus osaa syötölle ei tarvittu. Pisimmälle kehitetyssä mallissa päällystyspalkki oli myös pyörähdysliikkeellä ajosasentoon siirtyvä.
Seuraava suuri kehityskohde oli kaapimien edelleen kehittäminen. Tuloksena olivat patentoidut ratkaisu: suuren halkaisijan omaava sauva pigmenttipäällystämiseen, sanomalehtipaperin pintaliimaukseen ja ohkopainopaperin pintaliimaukseen, suuren halkaisijan uritettu sauva, millä oli moninkertainen kulutuskestävyys tavanomaiseen urasauvaan verrattuna sekä kaksoiskuormitettu terä, millä estettiin liimafilmin kavitointi sen irtautuessa teräkaapimesta. Terävaihtoehtoa pidettiin kuitenkin yllä, jos urasauvoille kuitenkin jossakin tilanteessa tulisi ongelmia kulumisen suhteen. Onneksi ei tullut.
Pigmenttipäällystyksessä Valmetin kilpailukykyä paransi merkittävästi jo 1970-luvun puolessavälissä yhteistyössä Valmetin ja Enso-Gutzeitin kanssa kehitetty erittäin tehokas ylipainesuuttimin varustettu leijakuivain. Saman teki myös integroitu rainan kääntö- ja kuivauslaite TurnDry. Se taas kehitettiin pakottavasta tarpeesta saada Rautpohjan koekoneelle lisää kuivatuskapasiteettia kun muualla koneessa ei ollut kuivaimelle tilaa.
Filmipuristinaseman rakennetta ja käytettävyyttä kehitettiin yhä leveämmille ja nopeammille koneille sopivaksi. Valmetista tuli jo 1994 markkinajohtaja ja 90- luvun loppuun mennessä oli myyty yli 100 SymSizer- asemaa. Markkinoista oli saatu yli puolet.
Filmipäällystyksen sovellutuskokeita tehtiin useiden paperitehtaiden kanssa Rautpohjan koetehtaalla ja myöhemmin myös Raision päällystystutkimuskeskuksessa. Rauno Rantanen ja Pirkko-Leena Aarnikoivu olivat Valmetin avainhenkilöitä kehitystyössä. Suomalaisista paperitehtaista kehitystyöhön osallistuivat Yhtyneet Paperitehtaat, Kirkniemi, Kaukas ja Enso-Gutzeit. TEKES oli tukemassa useaa yhteisarvoltaan 10 Mmk projektia. Eräs tärkeimmistä oli Yhtyneet Paperitehtaat Oy:n kanssa tehty SymSizerin ja gate- rollin vertailu pigmenttipäällystyksessä. Nopeudesta 1100 m/min alkaen gate-roll- päällystimellä nousi ongelmaksi sumuaminen siirtotelan ja nippitelan välisestä nipistä. SymSizer sen sijaan toimi moitteettomasti aina silloiseen koekoneen maksiminopeuteen 1500 m/min asti. Kun osoittautui, että SymSizer oli parempi myös sanomalehtipaperin pintaliimauksessa, päätös luopua gate-rollin markkinoinnista oli Valmetille helppo.
Yhteisissä koeajoissa opittiin ymmärtämään prosessia ja sen antamia tuotekehitysmahdollisuuksia. Havaittiin mahdolliseksi tehdä minimissään 4 g/m² liimafilmi. Suuri sanomalehtikone ajoi ongelmitta tällä filminpaksuudella pintaliimaa 0, 2g/m2/puoli sanomalehtipaperille. Ylärajaa liiman filminpaksuudelle ei käytännössä ollut enempää kuin nopeudellekaan. Pigmenttipäällystyksessä tavanomainen 2-8 g/m2/puoli ei tuottanut ongelmia. Koekoneella ajettiin jopa nopeudella 3000 m/min. Tuotantokoneilla päällystemääräalue oli 1,5–15 g/m2/puoli. Enson Tervakosken tehtaalla SymSizerilla saavutettiin ohkopainopaperin pintaliimauksessa ja päällystyksessä lähes 2-kertainen tuotantonopeus tavanomaisen liimapuristimeen nähden. Yhtä suuri ellei suurempikin oli UPM:n Tervasaaren saavuttama tulos tarrapaperin pohjapaperin pintaliimauksessasamalla kun erittäin kalliin liiman määrää voitiin laadun kärsimättä huomattavasti alentaa. Sileä, suuren läpimitan sauva, sopiva vastatelan kovuus ja pastareseptin hienosäätö olivat avainasemassa onnistumiselle.
Puupitoisissa painopapereissa pohjapaperia vähän rasittava päällystysmenetelmä mahdollisti tuntuvan sellun säästön ja myös siistausmassan runsaan käytön pohjapaperissa. Runsas täyteainemäärä pohjapaperissa osoittautui mahdolliseksi ja antoi mahdollisuuden parantaa päällystetyn paperin sileyttä (jopa syväpainatukseen kelpaavaksi). Pohjapaperin hyvä formaatio ja märkäosalla luotu tiiveys ja sen tasaisuus osoittautuivat avainasioiksi lopputuotteen laadun kannalta. Kirkniemi lanseerasi SymSizeriin keskeisesti perustuvan fco (film coated offset)- paperin valmistuksen. Laatu oli hyvin lähellä teräpäällystetyn lwc- offsetpaperin laatua. Yhtyneiden tekemien koeajojen perusteella 57 g/m2 lwc- offsetpaperin muuttuvissa valmistuskustannuksissa olisi 90- luvun loppupuolen kustannustasolla saatu filmipäällystimen avulla viidenneksen säästö. Suomen viimeiseen lwc- koneeseen, Rauman PK 4:lle ei konseptia kuitenkaan uskallettu valita, kun tähdättiin painavampiin lajeihin ja huippulaatualueelle. Yhtyneet patentoi filmipäällystykseen osittain perustuvan konseptin valmistaa lwc- ja mfc- paperia ilman sellua. Stracelissa tehtiin sellaista aikansa. Koetehdasmitassa havaittiin filmipäällystyksen antavan mahdollisuuksia myös muihin innovatiivisiin päällystettyihin tuotteisiin. Yhtyneet ja Valmet kehittivät yhdessä wet-on-wet- konseptin, jossa filmipäällystimellä ja lyhytviipymäpäällystimellä kyettiin koetehdasmitassa tekemään kevyimpiä mwc- lajeja laadultaan lähellä oleva tuote on-machine nopeusalueella 750–1400 metriä minuutissa. Siihen aikaan tarkoitukseen käytettiin 4-asemaista erilliskoutteria.
Huolimatta monesta käyttämättömästä mahdollisuudesta Valmet on myynyt yli vuoteen 2008 mennessä 200 SymSizeria, joista 63 paperin päällystykseen mukaan lukien 5 koekonetta. Suomeen on myyty tuotantokoneille 26 kappaletta ja lisäksi koekoneille 3kpl.
Lähteet:
- Rauno Rantasen ja Jouni Huuskosen puhelinmuistelut
- Rauno Rantasen tekemä luku ”On-machine surface treatment of paper and board with the film press” James Branderin ja Ian Thornin toimittamaan kirjaan ”Surface Application of Paper Chemicals”, 1997 Chapham & Hall, London
- Kronikka Yhtyneet Paperitehtaat Oy:n tutkimuskeskuksen tekemisistä 80- ja 90- luvuilla.