8 Corso di Tecnologia per Tecnici Cartari edizione 2000/2001 Il circuito di testa macchina di Alex Gallon Scuola Interregionale di Tecnologia per Tecnici Cartari Via Don G. Minzoni, 50-37138 Verona
Indice 1 - Introduzione generale ai circuiti 1.1 - Coefficenza di attività 1.2 - Coefficenza di produttività 1.3 - Coefficente di resa 1.4 - Efficenza in funzione dello scarto 1.5 - Il ciclo di alimentazione di testa macchina 2 - Cenni teorici elementari sulla pulizia degli impasti 2.1 - Epuratori a pressione 2.2 - Cleaners 2.3 - Reverse cleaners 2.4 - GARD creen 2.5 - Logica di intervento 3 - Ricostruzione parte costante 3.1 - Sistema di epurazione a pressione 3.1.1 - Dimensionamento di massima 3.2 - Lo screen primario 3.3 - La fan pump 3.3.1 - Potenziamento fan pump esistente 3.3.2 - Nuova fan pump 3.5 - Lo screen secondario 3.5.1 - Pompa alimento screen secondario 3.6 - Lo screen terziario 3.6.1 - Nuovo screen a fessure 3.6.2 - Pompa alimento screen terziario 3.6.3 - Scarto screen terziario/efficenza impianto Il circuito di testa macchina
1. INTRODUZIONE GENERALE AI CIRCUITI La cosiddetta parte costante o circuito di testa macchina gioca un ruolo molto importante nel determinare l efficienza della Macchina Continua, malgrado che frequentemente ad esso si attribuisca assai meno importanza rispetto alla Continua stessa intesa come complesso di organi meccanici, o rispetto alla preparazione impasti. Si può genericamente definire efficienza della Continua il rapporto fra la produzione media utilizzabile ottenuta nell unità di tempo e la massima produzione teoricamente prevedibile, ovviamente alle stesse condizioni qualitative delle materie prime e della carta prodotta. Più dettagliatamente i parametri che influenzano l efficienza complessiva sono i seguenti. 1.1 Coefficiente di attività È dato dal rapporto fra tempo netto durante il quale è in funzione la pompa o è aperta la valvola che alimenta la pasta alla cassa d afflusso e il tempo contrattuale durante il quale il personale è retribuito per produrre. La differenza al 100% di questo coefficiente può essere composta in efficienze parziali per cambi arredi, per riparazioni meccaniche ed elettriche, per mancanza energia; per cambi fabbricazione, ecc. 1.2 Coefficiente di produttività È dato dal rapporto fra produzione oraria media raggiunta nelle ore giornaliere di attività e produzione oraria massima calcolata in base alla velocità ed al formato massimi per ciascun tipo e grammatura fabbricati. Il circuito di testa macchina - 3
1.3 Coefficiente di resa È dato dal rapporto fra carta prodotta e materie prime caricate. Questo numero può essere calcolato in vari modi, ed è un indice del grado di chiusura del ciclo di testa macchina quando tutti gli altri parametri produttivi rimangono costanti. 1.4 Efficienza in funzione dello scarto È dato dal rapporto di qualità di carta vendibile e quantità prodotta al pope; l efficienza in prodotto viene poi suddivisa per ciascun tipo e grammatura ed eventualmente analizzata per le cause (fuori grammatura, fuori umidità, rotture, pieghe, ecc.). La parte costante della Continua può influenzare i diversi tipi di efficienza in vari modi. Innanzitutto il tempo di cambio fabbricazione e quindi di lavaggio, di avviamento e messa a regime diventa tanto più lungo quanto più lungo è il tempo di riciclo dei vari flussi. Il numero delle rotture del nastro di carta è direttamente influenzato dalla presenza di impurità e grumi di fibre non eliminati o addirittura formatesi nel ciclo di alimentazione. Le rotture sono inoltre influenzate dalle variazioni di grammatura e composizione del foglio, dipendenti dalla instabilità dei vari flussi a monte della cassa d afflusso. Questi fattori, unitamente ad altri, possono eventualmente limitare la massima velocità operativa e quindi la produttività specifica. Infine è per ognuno evidente l influenza della stabilità del circuito di testa macchina in relazione dello scarto: infatti, dipendentemente dal tipo e dal numero di successive operazioni di allestimento che la carta subisce, viene scartata o declassata con criteri più o meno rigidi la carta fuori grammatura, la carta con umidità irregolare prodotta conseguentemente a rotture del nastro o a variazioni di composizioni del flusso di fibre in arrivo sulla tela. Le variazioni di composizioni del flusso fibroso provenienti dalla riciclazione delle acque bianche e delle fibre recuperate provocano anche variazioni di colore e di nuance, variazioni di porosità, di assorbenza, di contenuto di ceneri ed altro causando nelle successive operazioni di trasformazione e stampa lo scarto o il declassamento di una percentuale del materiale lavorato. Il circuito di testa macchina - 4
1.5 Il ciclo di alimentazione di testa macchina Non a torto é stato scritto che esistono pressapoco tanti sistemi di realizzare il ciclo di testa macchina quante sono le Macchine Continue: ciò non significa necessariamente che tutti questi sistemi siano razionali come concezione e come realizzazione. La costruzione di un circuito di alimentazione di macchina si compone delle seguenti fasi: definizione dello schema funzionale o schema semplificato; stesura dello schema completo con il calcolo di tutti i flussi e di tutti i componenti (tubazioni, pompe, tine, ecc.); schema delle regolazioni automatiche; scelta dei componenti (recuperatori, depuratori, pompe, valvole, strumentazione, ecc.); disegni planimetrici; compilazione delle distinte dei materiali e del piano di approvvigionamento; definizione della programmazione del calendario dei lavori; assistenza al montaggio per la corretta esecuzione. Il circuito di testa macchina - 5
2. CENNI TEORICI ELEMENTARI SULLA PULIZIA DEGLI IMPASTI 2.1 Epuratori a pressione Destinati principalmente alla eliminazione del contaminanti pesanti, si possono avere cestelli a fori o fessure. Le fessure hanno normalmente dimensioni comprese tra 0,20 e 0,30 mm. Nel caso di produzioni di carte patinate, gli epuratori danno un fattivo contributo anche nell eliminazione del grumi di lattice provenienti dai fogliacci spappolati. II grado di pulizia è legato alla velocità di rotazione, alla caduta di pressione interna ed alla contropressione in uscita. Le pressioni e le veiocità di lavoro non possono però essere aumentate indefinitamente e ciò per evitare per evitare di generare pulsazioni dannose per la regolarità di alimentazione della cassa d afflusso. Tali pulsazioni si traducono infatti in irregolarità di profilo e grammatura. La deareazione continua degli screen viene sfruttata comunemente per rimuovere (in parte) i contaminanti leggeri, quali polistirolo, scaglie di polietilene ancora eventualmente presenti dopo i precedenti trattamenti di pulizia dell impasto. L eliminazione di questi contaminanti non può però essere totale a causa dell entità delle forze centrifughe in gioco nell epuratore (necessariamente limitata per evitare le pulsazioni di cui sopra). La loro eliminazione deve essere dunque realizzata PRIMA dell ingresso negli epuratori a pressione. Il circuito di testa macchina - 6
2.2 Cleaners Destinati a rimuovere i contaminanti che costituiscono la fonte primaria di pinholes, operano sfruttando le forze centrifughe che si generano all interno di un vortice (ciclone). L impasto viene immesso tangenzialmente, motivo per cui si determina un movimento rotatorio all interno del cleaner; le particelle più pesanti (es. sabbia) vengono convogliate sulla periferia del ciclone e tendono a precipitare, mentre l accettato si raccoglie al centro e viene spinto verso l alto dalle forze idrauliche. Il circuito di testa macchina - 7
2.3 Reverse cleaners Identici, in linea di principio, ai precedenti, lavorano in maniera idealmente opposta e sono pertanto destinati ali eliminazione del contaminanti leggeri. 2.4 GARD Screen Operano in media densità con cestelli a fessure da 0,12-0,15 mm. Non lavorando a diretto contatto con gli elementi della parte costante, non soffrono dei vincoli imposti dalla limitazione delle pulsazioni indotte. Di conseguenza la velocità di rotazione può essere incrementata. Questo fatto (unitamente alla dimensione delle fessure) aumenta la capacità di pulizia. Il circuito di testa macchina - 8
3. RICOSTRUZIONE PARTE COSTANTE 2.5 Logica di intervento Visti i campioni presentati dalla Cartiera, VALMET ritiene che le garanzie legate alla pulizia dell impasto possano essere concesse solo subordinatamente all esecuzione della ricostruzione COMPLETA del testa macchina. L intervento sugli epuratori a pressione elimina il collo di bottiglia delle acque attualmente presente nel circuito e migliora il grado di pulizia nel ciclo corto (con particolare riferimento ai contaminanti pesanti). L intervento sul cleaners (diretti ed inversi) permette di ottimizzare la rimozione delle sabbie e dei contaminanti leggeri a monte degli epuratori a pressione. L intervento in media densità garantisce infine un superiore grado di pulizia della pasta in ingresso nel sistema (specialmente nel riguardi dei contaminanti pesanti). Si ribadisce che l eliminazione completa di contaminanti leggeri mediante il solo sistema di epurazione a pressione non è realizzabile. Statisticamente una frazione delle particelle potrebbe passare nell accettato ed andare dunque ugualmente in cassa d afflusso, mentre la restante frazione passerebbe nello scarto. Un reverse cleaners posto a VALLE di un sistema di epuratori a pressione eliminerebbe sicuramente tutti i contaminanti leggeri presenti nello scarto degli screen, ma nulla potrebbe contro quella frazione accettata dagli epuratori stessi. L eliminazione del contaminanti leggeri non sarebbe dunque totale. Per questa ragione VALMET raccomanda l eliminazione dei contaminanti leggeri nel sistema di epurazione centrifugo, quindi A MONTE del sistema di epurazione a pressione. Il circuito di testa macchina - 9
Il progetto di ricostruzione della parte costante di Fedrigoni ARCO PM1 è inteso in 3 fasi: - potenziamento del sistema di epurazione a pressione di testa macchina; - potenziamento del sistema di centrifugo da integrare con i nuovi reverse cleaners per la pulizia dei leggeri; - inserimento dei GARD Screen (epurazione in media densità); Le offerte citate sono già state consegnate nel corso delle discussioni avute in Cartiera nel biennio 1999/2000 in merito alla ricostruzione della macchina continua. Tali offerte sono da considerarsi del tutto valide, salvo l integrazione richiesta dal sistema di epurazione centrifugo per l inserimento di nuovi reverse cleaners, non previsti al momento della formulazione dell offerta il quanto il problema dei contaminanti leggeri non era stato evidenziato e discusso. La modifica del sistema di epurazione a pressione di testa macchina è da intendersi unicamente come primo passo nell ottica della ricostruzione completa della parte costante; percorso obbligato per raggiungere una pulizia davvero soddisfacente dell impasto. 3.1 Descrizione degli interventi previsti in Fase I - sistema di epurazione a pressione 3.1.1 DIMENSIONAMENTO DI MASSIMA In accordo con quanto richiesto dalla Cartiera, il dimensionamento dell impasto è stato condotto facendo riferimento alla futura produzione della macchina. Conformemente a quanto presentato negli anni scorsi nei preventivi di ricostruzione proposti da VALMET, la macchina dovrà essere in grado di lavorare a velocità di 800 l/min al pope su grammature finite comprese fra 90 e 130 g/m 2. Sulla base delle tabelle di produzione discusse nel corso delle varie Il circuito di testa macchina - 10
revisioni di offerta si sono ricostruite alcune possibili condizioni operative. La massima portata allo slice della cassa d afflusso viene determinata nelle seguenti ipotesi: Grammatura finita 115 g/m 2 Produzione 437 t/day Secco al pope 95% Secco dopo le presse 47.5 % Secco a fondo tela 20 % Formato al pope 3300 mm Formato uscita presse 3450 mm Slice cassa d afflusso 3650 mm Grammatura supporto 77 g/m 2 Velocità al pope 800 m/1 Consistenza in cassa 0.7 % Ritenzione tela 70 % Portata allo slice 41696 l/min I valori di consistenza e ritenzione utilizzati rientrano nella norma per il tipo di carta prodotto; occorre anche considerare che è stata prevista in futuro l installazione di un former MB, la cui presenza contribuisce a ridurre la ritenzione totale. Si è dunque fissata una portata massima allo slice pari a 42.000 l/min e sulla base di questo valore sono stati scelti tutti i componenti da utilizzare nel circuito di testa macchina, considerando che tali elementi, installati prima della ricostruzione della macchina, dovranno essere mantenuti INALTERATI dopo l installazione della nuova cassa d afflusso. La cassa d afflusso attuale (Freiria) ha una portata massima al becco di 23.500 l/min ca. 3.2 Lo screen primario Lo screen primario di nuova fornitura (a fessure) deve essere dimensionato per la futura portata massima della cassa. Considerando il ricircolo in cassa d afflusso si determina immediatamente che l epuratore deve essere in grado di fornire un accettato pari a 46.600 l/min o, equivalentemente, deve essere alimentato con una porta- Il circuito di testa macchina - 11
ta prossima ai 52.000 l/min. Qualsiasi macchina idraulica ha un range di funzionamento ottimale in termini di portate e pressioni; l epuratore in questione non sfugge naturalmente a questa regola, motivo per cui occorre tenere presente che l accettato dovrà essere compreso tra 30.000 l/min e 47.000 l/min ca. Si capisce immediatamente che la minima portata concessa dallo screen è abbondantemente a di sopra della massima portata permessa dalla cassa d afflusso attuale; si impone dunque l introduzione di una linea di ricircolo, posta immediatamente a valle dello screen primario, che consenta di asportare la portata in eccesso. Considerando il range di produzione attuale e le corrispondenti portate al becco della cassa d afflusso Freiria (13.000/20.000 l/min ca. secondo i dati in nostro possesso) e ricordando la portata minima di accettato raccomandata per un corretto funzionamento dell epuratore (30.000 l/min ca.), si deduce che una ricircolazione di 15.000 l/min è assolutamente inevitabile fino alla sostituzione della cassa d afflusso. 3.3 La fan pump I dati calcolati per la fan pump nelle future condizioni operative sono i seguenti: portata 52.000 l/min prevalenza 27 m ca. generati da: a) dislivello geometrico 1,5 m b) perdita di carico tubazioni 1,5 m ca. c) caduta di pressione screen 5 m ca. d) pressione del getto a 800 l/m 9.1 m e) perdita di pressione in cassa 10 m La fan pump esistente è una Ahistrom ZRR-40 (Double Entry Type). Con una velocità di rotazione pari a 1.480 giri/min ed una girante da 390 mm questa pompa è in grado di muovere un massimo di 35.500 l/min con prevalenza di 29 m; il rendimento in queste condizioni è del 75% (a pompa NUOVA) e la potenza assorbita è pari a 220 kw ca. Il circuito di testa macchina - 12
Le prestazioni della pompa esistente risultano appena sufficienti per un corretto funzionamento già nelle condizioni attuali (richiesti 35 l/min minimo in ingresso screen primario e 24 m di prevalenza). Considerando la volontà della Cartiera di realizzare la sezione Fanpump + Screen primario in forma DEFINITIVA sin dalla prima fase, abbiamo esplorato due strade alternative: il potenziamento della pompa esistente e la fornitura di una nuova fan-pump. 3.3.1 POTENZIAMENTO FAN PUMP ESISTENTE Facendo riferimento alle curve fornite da Suizer/Ahlstrom pumps le prestazioni della pompa ZRR 40 con girante da 390 mm possono essere incrementate come segue: Velocità di rotazione 1.600 giri/min Portata massima 650 l/s = 39 l/min Prevalenza 33 m rendimento 74% Potenza assorbita 280 kw Ahistrom ZRR4O (esistente) Scanpump (nuova) Girl motore [rpm] 1430 900 Rendimento [%J] 74 86 Potenza assorbita [kw] 190 160 oppure Velocità di rotazione 1.800 giri/min Portata massima 730 1/s = 43.800 l/min Prevalenza 42 m rendimento 74% Potenza assorbita 400 kw 3.3.2 NUOVA FAN PUMP SCANPUMP Z22-500/400 55 F355 Velocità di rotazione Portata 1.090 giri/min 52.000 l/min Il circuito di testa macchina - 13
Prevalenza 27 m rendimento 83% Potenza assorbita 275 kw Scanpump NB200/150-26 (schema COM 1 276622) Giri pompa [rpm] 1.470 Diametro girante [mm] 262 Portata [m 3 /h] 450 Portata [l/min] 7.500 Prevalenza [m] 12 Rendimento [%] 81 Potenza assorbita [kw] 17.5 Motore consigliato [kw] 22 Il circuito di testa macchina - 14
Campo di lavoro (con garanzia di assenza di pulsazioni): minimo: 17.500 l/min - 15 m (645 giri/min) Scanpump NB200/150-26 (schema COM 1 276622) Giri pompa [rpm] 1.470 Diametro girante [mm] 262 Portata [m 3 /h] 450 Portata [l/min] 5.200 Prevalenza [m] 16,8 Rendimento [%] 80 Potenza assorbita [kw] 17.5 Motore consigliato [kw] 22 massimo: 55.000 l/min - 23 m (1090 giri/min) prevalenza massima in garanzia di pulsazioni 42,5 m (29.200 l/min - 1090 giri/min) Dall analisi dei dati fomiti si deduce che non è possibile riutilizzare la fan pump esistente per l alimentazione della nuova cassa d afflusso. In virtù di queste considerazioni si è deciso di proporre sin dalla prima fase la sostituzione della fan pump. La fan pump esistente potrebbe, al limite, essere utilizzata (DOPO POTENZIAMENTO) per l alimentazione dello screen nelle condizioni attuali. A questo proposito si riporta di seguito il confronto di prestazioni tra la fan pump esistente potenziata e la nuova fan pump nelle seguenti ipotesi paritarie (alimentazione cassa FREIRIA attuale con screen primario nuovo - FASE 1): Portata: Prevalenza 35.000 l/min 24 m Si conclude che: - l assorbimento di potenza è decisamente superiore per la fan pump esistente (+18.75%) rispetto alla nuova; - la soluzione è comunque provvisoria, dato che non si potrà pre- Il circuito di testa macchina - 15
scindere dall acquisto della nuova fan pump in futuro (nuovo investimento). 3.5 Screen secondario Lo screen Bird 10 esistente con cestello a fori 1.3 mm verrà riutilizzato come secondario e trasformato con nuovo cestello a fessure e nuovo rotore. La consistenza ottimale all ingresso di uno screen dovrebbe essere normalmente compresa tra 0,6 e 0,7%. Consistenze più basse non danno problemi nel funzionamento, ma incrementano logicamente le portate in gioco. Considerando lo scarto attuale dell epuratore primario e la necessità di mantenere una portata all accettato pari ad almeno 4.500 1/min si può stimare che la portata all entrata dello screen secondano sia pari a 5.200 l/min. Si fa notare che in corrispondenza della massima portata futura della fan pump l epurassero primario produrrà uno scarto di ca. 5.000 l/min Occorre tenere conto di questo fatto per selezionare la pompa di alimentazione dell epuratore secondario al fine di evitare ritorni dello scarto pesante dello screen primario verso il silo delle acque prime. La minima contropressione necessaria sulla linea di accettato per un corretto funzionamento dell epuratore è pari a 6 m. 3.5.1 POMPA ALIMENTO SCREEN SECONDARLO La pompa viene selezionata per lavorare con portate di 5.200 l/min nella prima fase e 7.500 l/min nella seconda per evitare riflussi nel silo. La prevalenza garantita deve essere pari ad almeno 12 m, considerando la caduta di pressione allo screen (4-5 m alla massima portata), la contropressione richiesta (min. 6 m) e le perdite nelle tubazioni. Si riporta un riepilogo delle caratteristiche della pompa proposta nello schema per le portate in esame: Portata max (Fase 2): 7.500 l/min = 450 m 3 /h Portata attuale (Fase 1): 5.200 l/min = 312 m 3 /h Si fa notare che pompe di taglia più piccola si troverebbero a lavora- Il circuito di testa macchina - 16
re completamente fuori curva nelle condizioni preventivate. Ad esempio la Scanpump NB 150/125-32 (ovvero la pompa di taglia immediatamente inferiore a quella proposta) viene raccomandata per una portata massima di 220 m 3 /h. Con girante da 334 mm e velocità di 980 rpm, alla prevalenza richiesta (12 m) garantisce una portata di 190 m 3 /h (31.701/min) con rendimento 75% e potenza assorbita pari a 8 kw. La prestazione è evidentemente insufficiente. La pompa NBI5O/125-40 con girante da 320 mm e velocità di 1485 rpm garantisce una portata di 275 m 3 /h (4.600 l/min ca.) con prevalenza 23 m, rendimento 65% e potenza assorbita pari a 28 kw. La portata è dunque insufficiente, mentre la prevalenza è eccessiva. La pompa consigliata (NB 200/150-26) è dunque quella più adatta alle condizioni di impiego previste. Il circuito di testa macchina - 17
3.6 Lo screen terziario 3.6.1 NUOVO SCREEN A FESSURE La portata accettata ammonta a circa 1.000 litri, mentre la portata in ingresso si calcola in ca. 1.200 l/min La contropressione minima per il funzionamento è pari a 6 m, mentre la perdita di carico interna è di ca. 5 m. Anche in questo caso occorre tenere presente che l aumento delle portate di scarto nella seconda fase porterà ad avere ca. 600 l/min dallo screen secondario, ai quali vanno sommati gli scarti leggeri provenienti dal primario. Per garantire una portata minima in uscita dal silo ed evitare riflussi dallo standpipe occorrerà una portata di alimento allo screen terziario pari appunto a 1.200 l/min. Portate inferiori ai 300 l/min in uscita dal silo delle acque prime verso gli standpipe non offrono in generale sufficienti garanzie di sicurezza contro eventuali riflussi dagli standpipe stessi. Per questa ragione si ritiene corretto il valore di portata indicato. 3.6.2. POMPA ALIMENTO SCREEN TERZIARIO In considerazione della revisione della portata di alimento dello screen terziario si è provveduto a sostituire la pompa prevista originariamente con una Scanpump NB 125/100-20 con girante da 200 mm. Al regime di 1.470 girl/min la pompa garantisce una portata di 1.250 lt/min con prevalenza di 12 m e rendimento del 74 %; l assorbimento di potenza è pari a 3.2 kw Ca. La pompa di taglia più piccola (NB 100/65-20) si trova a lavorare fuori curva nelle condizioni previste; con girante da 211 mm ed alla velocità di 1.450 giri/min la pompa garantisce una portata di 1250 l/min con una prevalenza di soli 9.9 m ed un rendimento del 66% ca.; la potenza assorbita ammonta a 2.9 kw. Le prestazioni assicurate da questa pompa sono dunque insufficienti. Il circuito di testa macchina - 18