KR101241985B1 - 종이에 대한 프레스부 탈수를 제어하기 위한 시스템 및방법과 화학적 탈수 작용제들을 사용하는 펄프 건조 기계들 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종이 생산 공정에서 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제들의 계량된 적용에 의해서 프레스부 탈수의 양을 자동적으로 제어하는 것에 대한 제어 시스템을 사용하는 자동 제어 시스템, 방법 및 종이 생산 기계를 제공한다. 상기 제어 시스템은 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 제어하기 위한 피드백 제어기, 및 상기 프레스부를 나가는 종이 웹의 습기의 측정을 얻기 위한 모니터링 장치를 포함한다.
탈수, 제지, 탈수제, 프레스부, 건조부, 제어, 시스템

Description

종이에 대한 프레스부 탈수를 제어하기 위한 시스템 및 방법과 화학적 탈수 작용제들을 사용하는 펄프 건조 기계들{SYSTEM AND METHOD TO CONTROL PRESS SECTION DEWATERING ON PAPER AND PULP DRYING MACHINES USING CHEMICAL DEWATERING AGENTS}
본 발명은 화학적 탈수 작용제들의 계량된 적용에 의해서 프레스부 탈수를 제어하고 및 이로 인해 프레스부 경화(consolidation) 공정에 의해서 부여되는 다양한 시트 특성들에 대한 긍정적인 효과를 가지기 위한 종이 생산 시스템들 및 펄프 건조 생산 시스템에 관한 것이다.
전형적인 초지기(paper machine)에서 종이 제조 공정 동안에, 섬유(fiber) 및 수분의 공급물(furnish)은 이동하는 성형 직물(traveling forming fabric)로 공급된다. 그후, 대부분의 수분은 상기 직물을 통하여 배수되고, 공급물로부터 종이 섬유질들을 포함하는 섬유질 웹(fivrous web) 또는 섬유질들의 매트(mat)를 직물 상에 형성한다. 대부분의 초지기들에서, 상기 종이 웹은 75% 내지 80%의 습기를 함유하고 카우치(couch)를 빠져나온다.
수분을 가지는 웹은 상기 카우치로부터 상기 함수량이 45-60%로 기계적으로 감소될 수 있는 프레스부로 이동한다. 초지기의 프레스부는 시트가 건조부로 연속되기 전에 상기 웹으로부터 가능한 많은 수분을 제거하기 위해서 상기 웹에 압축력 을 가하는 일련의 프레스 닙(press nip)들을 통해서 유압 압력(hydraulic pressure)을 이용한다. 상기 프레스부는 또한 시트 강도(sheet strength)를 향상시키고, 벌크(bulk)를 감소시키며, 시트 평탄도(smoothness)를 증가시키고, 균일한 가로방향(cross direction;CD) 습기 분포를 보장하기 위해서 상기 시트를 경화한다.
그 후 상기 웹은 건조부로 이동하는데, 상기 건조부 안에서 웹은 증발을 통해서 웹의 함수량을 최종 원하는 수준까지 감소시키는 건조 드럼들을 가로지르고, 절단될 수 있거나, 공정에 진행되거나 포장될 수 있는 종이 제품을 생산한다. 전형적으로 상기 건조부는 5-10% 습기를 함유하는 종이 시트를 생산한다.
상기 건조부들은 많은 양의 에너지를 소모하기 때문에 프레스부가 건조기 전에 웹으로부터 수분을 제거하는 정도는 효율적이고 경제적인 초지기 작동을 달성하는데 매우 중요하다. 건조부는 시트로부터 자유수 및 결합수(free and bound water)를 증발시키기 위해서 증기열을 사용하고, 가격 및 작동 비용들 측면에서 초지기의 가장 비싼 부분이다. 상기 공급물에서 단지 1%의 수분이 상기 건조부에서 제거된다고 할지라도, 제거된 수분의 단위당 비용은 상기 압축부에 의해서 제거될 때보다 20배가 넘는다.
건조부에서 증기 소모는 입수되는 시트의 증가된 함수량에 따라서 극적으로 증가한다. 예를 들어, 상기 건조부로 들어가는 시트 수분에서 7% 증가에 대하여, 증기 사용은 건조된 시트에서의 동일한 수분 수준을 얻기 위해서 34%까지 증가한다. 더욱이, 증기의 잠열은 증기의 압력이 증가함에 따라서 감소하고, 비록 증기 온도가 더 높다고 할지라도 높은 증기 압력에서 건조기들을 작동시키기 위해서 더 비용이 들도록 만든다. 결과적으로, 상기 웹이 상기 건조부로 들어가기 전에 상기 웹으로부터 수분의 제거를 최대화하는 것이 바람직하다.
상기 웹이 프레스부를 가로지를 때 웹은 하나 또는 그 이상의 압축 직물들 또는 벨트들과 접촉하는데, 후자는 또한 본 설명을 위하여 압축 직물의 한가지 종류으로 정의될 수 있다. 웹의 프레싱은 프레스 닙 안의 두 개의 롤 사이에서 이루어진다. 웹이 닙으로 들어갈 때, 웹 및 프레스 직물의 압축은 웹 및 직물 양쪽으로부터 흐르는 연행공기로 시작한다. 유압 압력이 증가할 때, 수분은 웹으로부터 직물 안으로 이동한다. 직물이 포화되었을때, 잉여 수분은 직물 밖으로 흐른다. 이 지점에서, 웹은 롤들 사이에서의 이론적인 분리 지점에 있으며, 유압 압력은 최대이다. 웹이 이 지점으로부터 이동할 때, 압력은 영으로 돌아가고 상기 종이 시트는 최대 건조에 있다. 결국, 상기 종이 및 직물은 상기 프레스 닙에서 빠져나오고 상기 종이 시트의 다시 젖음을 일으킬 수 있는 상기 종이에서의 약간의 진공을 일으키면서 서로 분리된다.
이러한 수분의 재흡수는 바람직하지 않고 프레스부 공급자들 및 초지기 천 생산자들에 의해서 이러한 효과를 최소화하기 위해서 많은 노력이 있어왔다. 초지기 측면에서, 시트 및 직물의 빠른 분리는 다시 젖는 시간을 감소시키도록 만든다. 추가로 다양한 형태의 수분 저장소가 직물로부터 수분을 제거하는 것을 돕기 위해 제공된다. 초지기 천 생산자들은 또한 다시 젖음 효과를 감소시키기 위해서 특정의 프레스 위치들에서 불침투성의 벨트 또는 낮은 침투성 직물을 사용한다.
프레스부에서 웹으로부터 풀려지는 수분의 양을 결정하는 조작의 요인들은 세 개의 카테루프들로 나눌 수 있는데, 상기 카테루프들은 기계 디자인, 원료 및 시트의 성질들, 조작상의 요소들을 포함한다. 기기 디자인 요인들은 장비 생산자들에 의해서 고정되고 상기 프레스 조작자들에 의해서 제어되지 않는다. 상기 요인들은 롤의 단단함 및 직경, 프레스의 배치, 및 프레스 닙 디자인을 포함한다.
상기 프레스부로 들어가는 상기 웹의 성질들에서의 다양성들은 상기 프레스부를 빠져나가는 시트의 함수량에 영향을 미친다. 이러한 성질들은 공급물의 종류, 여수도(freeness), 섬유 미세가루들의 양, 충전제의 양, 선천적인 수분 보유, 압축률, 기본 중량, 웹 온도, 및 수분 수준을 포함한다. 제지 공정 중에, 상기 특성들은 특징이 나타나지 않는 방식으로 다양한 단계들로 변동하고 상기 프레스부를 떠나는 시트의 최종의 함수량에서의 다양성들을 일으킨다. 상기 다양성들을 최소화하기 위한 시도들이 행하여져 왔으나 종이 생산 동안의 성공은 한정적이었다.
상기 프레스부에서, 기기 속도, 프레스 하중, 및 프레스 직물 디자인 및 보존과 같은, 조작적인 요인들은 프레스부 효율을 최적화하기 위해서 조정될 수 있다. 실제로, 각각의 요인들이 어떤 지점에서 적절하게 시트 수분에 영향을 미치는지에 대한 정도는 일반적으로 알려져 있지 않기 때문에 상기 요인들은 제어하기 어렵다. 프레스 직물 청소 및 사용기간은 전체적인 프레스부 조작에 상당한 영향을 미치고, 조작자들에 의해서 제조기에 소요되는 비용 측면에서 큰 주의가 필요하다.
상기 요인들은 최종 제품에 영향을 미치는 공정 변수들로 기술된다. 최근에, 상기 요인들 거의가, 있다고 가정해도 약간이, 종이 제조하는 조작 중에 측정되지 않는다.
종이 생산에 있어서, 균일한 기본 무게 분포를 가지는 높은 질의 종이를 생산하기 위해서 상기 시트가 형성될 때, 상기 시트에 걸쳐서 동일한 습기 분포를 유지하는 것이 바람직하다. 빈약한 습기 분포는 국부적인 상부 또는 하부 건조, 열등한 종이 질, 증가되는 기기 조작 비용, 및 감소된 효율성을 가져온다. 따라서, 작동 중, 상기 프레스부 전의, 특히, 가로방향으로의, 웹 습기는 측정하고 제어되는 잠재적으로 가장 중요한 변수일 것이다. 그러나, 종래에 이것은 실행의 어려움 및 비용의 이유로 행해지지 않았다.
만약 습기가 측정된다면, 다양한 공정 변수들을 제어하기 위한 피드 포워드(feed forward) 제어가 종이의 각각의 등급 및 기본 무게의 생산을 보다 정확하게 제어하기 위하여 발달될 수 있을 것이다. 이를 달성하기 위해서 습기 센서는 상기 프레스부에 웹이 들어가기 바로 전에 웹의 습기를 결정하는데 사용될 수 있다. 제어기는 제어부를 나가는 생산품의 기대되는 습기를 예상하고, 필요하다면, 제어 요소를 조정하는 제어 행동을 결정하기 위해서 습기 값을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 프레스부에서의 프레스 하중, 프레스 진공 또는 샤워 수 온도(shower water temperature)는 더 원하는 값으로 프레스를 빠져나가는 시트의 예상 습기를 이끌어 내도록 조정될 수 있다.
피드 포워드에 대한 접근은 발전하기 어려울 것인데, 이는 프레스부 조작 변수들이 종이 웹들의 탈수에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 포괄적이고 정량적인 지식을 요구할 것이고 웹 특성들 및 만들어지는 종이의 종류와 같은 어떤 다른 측 정되지 않는 방해들에서의 다양성들이 상기 조절들에 어떻게 영향을 미치는지의 정량적인 지식을 요구할 것이기 때문이다. 더욱이, 피드 포워드 제어(feed forward control)는 오직 제어되는 실제 프레스 장치에 적용할 것이기 때문에 상기 정보는 각각의 프레스 조립체에 대해서만 유일하게 특정될 것이다.
공정 제어에 대한 다른 잠재적인 접근은 피드백 루프(feedback loop)를 사용하는 것인데, 상기 피드백 루프는 상기 프레스부를 나가는 시트 습기와 같은 측정된 출력 변수를 모니터링한다. 이후, 피드백 제어기는 만약 필요하다면, 생산품이 보다 바람직한 특성들을 가지도록 증기 공급과 같은 공정 변수를 조종할 수 있다. 상기 피드백 제어 알고리즘은, 상기 공정에 반응하는 특정의 방해들을 비록 모를지라도, 상기 값을 조종하는 기능이 유효하고 상기 공정이 상기 제어 알고리즘이 정의된 것 밖의 영역에서 동작되는 것이 발생하지 않는 한 원하는 값에 대한 상기 출력을 유지할 수 있을 것이다.
이러한 피드백 방법 및 몇 개의 변형들(비례, 비례+적분, 비례+적분+미분)은 액체 수준 제어 및 온도 제어와 같은 산업적인 적용들에 실시되어 왔다.
피드백 제어는 최종 시트 습기가 감마 측정기(gamma guage)들 또는 적외선 검출기(infrared monitoer)들과 같은 습기 검출기를 사용하여 측정되는 몇 개의 제조기(mill)들에 의해서 실행되어 왔다. 이러한 측정 장치들은 상기 시트의 가로 방향 상에 함습량이 측정되는 한 위치에서, 고정되거나, 상기 종이의 폭에 따라서 습기 프로파일이 얻어질 수 있도록 움직인다. 상기 습기 값은 실시간으로 제어기에 공급되고 상기 최종 시트의 바람직한 습기 수준에 비교된다. 상기 차이에 기초하 여, 조정하는 제어 동작은 원하는 최종 시트 특성들을 얻기 위해서, 헤드 박스 흐름의 정제 또는 희석의 단계와 같은 종이 제조 공정의 초기 단계에서 적당한 제어 요소에 적용된다.
그러나, 프레스부 탈수를 제어하기 위한 공정을 실행하기 전에, 프레스부 탈수에 대한 제어 동작들 및 효과 사이의 관계들을 규명하기 위해서 자세한 연구들이 요구된다. 예를 들어, 46 psi/퍼센트습기 까지 제 1 닙의 압력이 증가하면, 수분의 제거는 59.2 내지 62.8% 로 증가하는데, 이때, 상기 웹은 77.1% 내지 79.2%의 초기 습기 수준, 61 내지 82 g/m2 의 기본무게 범위를 가지고, 시트 속도들은 103 내지 112℉(39 내지 45℃)의 온도범위에서의 라이트 보드 공급에 대하여, 805 내지 1023 ft/min(240 내지 310 m/min)이다. 인지될 수 있는 바와 같이, 적합한 제어 알고리즘은 복잡하고 발전하는데 시간이 소모될 것이다.
피드포워드 및 피드백 방법들에 대해서, 제어 동작은 조작 조건들 및 출력 값들의 좁은 설정에 대하여 특정될 수 있다. 그러나, 어떤 특성이 나타나지 않는 방해(disturbance)는 상기 제어 알고리즘의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 알고리즘 수정들이 종이 등급들 또는 최종 시트 설계서에서의 통상적인 변화들에 대하여 요구된다. 종이의 새로운 등급들에 대한 프레스부 조작은 또한 적합한 알고리즘들의 개발 전에 특정되어야 한다. 추가적으로, 피드포워드 제어 및 피드백 제어를 비교하면, 피드백 제어는 공정 지연 시간들에 의존하기 때문에 좀더 느릴 것이다. 그러나, 피드백 제어는 상기 공정이 완전히 특정되지 않은 상황들에 대하여 잠재적으 로 더 관대할 것이다.
새로운 제어 시스템들 및 방법들은 입력들과 출력들 사이에 정량적인 관계들의 자세한 지식없이 오직 상기 종이 생산 공정들의 기본적인 이해를 요구한다는 것이 필요하다. 이상적으로 상기 방법들은 어떤 프레스부에서도 탈수를 최적화할 수 있는데, 종이 웹 방해들 또는 기계 종류에서의 알려지지 않은 변수들에도 불구하고증가된 종이 또는 종이보드 생산, 및 향상된 시트 특징들의 직접적인 발전을 이끌어 낸다. 추가적으로, 상기 프레스를 나오는 향상된 시트 습기 제어의 결과는 섬유 디자인, 프레스 하중 및 롤 커버 특징들과 같은 다른 프레스 조작 상의 선택에 강한 영향을 줄 수 있는데, 상기 선택들은 향상된 최종 시트 특징들이 일관되게 달성되는 것이 가능하도록 한다. 상기 방법들은 또한 더 낮은 증기 압력들에 사용되는데, 상기 건조부에서 롤 온도 냉각기의 사용을 허락한다. 롤 온도 냉각기의 사용에 대한 다른 장점들은 더 적은 복사에너지 손실, 증기 누출의 더 적은 위험을 포함하고, 많은 경우들에 있어서, 더 높은 질의 종이가 더 낮은 접촉 표면 온도들로 부터 얻어질 수 있다는 것이다.
본 발명은 종이 생산 공정에서의 종이 웹 또는 초지기 습단부(wet end)에 적용되는 화학적 탈수 작용제들의 계량된 적용에 의하여 프레스부 탈수의 양을 자동적으로 제어하는 자동 제어 시스템 및 종이 생산 기계들에 대한 사용방법을 제공한다. 상기 제어 시스템은 적용된 화학적 탈수 작용제의 양을 제어하기 위한 피드백 제어기 및 적합한 위치들에서 상기 종이 웹의 함습량의 직접적인 또는 간접적인 측정을 얻기 위한 측정 장치를 포함한다.
상기 제어 시스템은 다수 개의 방법들로 조작될 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템은 상기 종이 웹의 습기의 제 1 측정을 수행함으로써 조작될 수 있다. 이후, 시스템은 종이 웹 또는 초지기 습단부(wet end)에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 조절할 수 있고 제 2 습기 측정을 얻을 수 있다. 상기 습기 측정들은 상기 응답을 결정하기 위해서 비교될 수 있다. 만약 상기 응답이 바람직하다면, 화학적 탈수 작용제의 양의 조절은 같은 방식으로 반복된다. 만약 상기 응답이 바람직하지 않다면 상기 조절은 반대로 된다.
상기 제어 시스템은 또한 상기 제 2 습기 측정이 상기 제 1 측정보다 원하는 현재의 값에 더 가까울 때, 상기 비교가 적합하도록 작동될 수 있다. 대안적으로, 상기 제어 시스템은 상기 웹의 습기가 감소될 때 상기 비교가 적합하도록 작동될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 제어 시스템을 포함하는 프레스부를 가지는 종이 생산 기계 또는 펄프 건조 기계를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 간접적으로 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 건조부의 증기 소모를 측정하는 것에 의해서 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 웨어 박스(weir box)들을 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 습기 결정은 상기 시트가 상기 프레스부에 들어가기 전 및 상기 시트가 상기 프레스부를 나온 후 사이의 습기 차이이다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 상기 프레스 닙들 사이로 부터의 수분 흐름을 측정하는 것에 의해서 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 인-라인(in-line) 유량계를 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 음파 유량 측정 장치를 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 감마 측정기를 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 종이의 습기는 적외선 측정기를 사용하여 결정된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 화학적 탈수 작용제는 통상적인 습단부 첨가제 공급 위치들에서 종이 생산 공급물에 더해진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 화학적 탈수 작용제는 상기 종이 웹 상으로 직접 뿌려진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 화학적 탈수 작용제는 상기 종이를 가로질러(상기 CD방향으로) 다양한 수준으로 상기 종이 웹 상으로 직접 뿌려진다.
본 발명은 또한 상기 프레스부에서의 종이 웹의 탈수를 제어하기 위한 방법들을 포함한다. 어떤 방법들은 상기 종이 웹의 습기의 제 1 측정을 수행하는 단계; 상기 종이 웹에 적용된 화학적 탈수 작용제의 양을 조절하는 단계; 이후 상기 종이 웹의 습기의 제 2 측정을 수행하는 단계 및 상기 제 1 및 제 2 측정들을 비교하는 단계를 포함한다. 이후, 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 조절은 만약 상기 비교가 적당하다면 반복된다. 만약 비교가 적당하지 않다면 다른 조절이 만들어 진다.
본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들은 뒤따라오는 본 발명의 상세한 설명 및 도면들에서 기술되며, 명백해질 것이다.
도 1 은 종이 생산 기계 내의 펠트를 가로질러 상기 CD 방향으로 소정의 수의 스프레이들을 고정하는 스프레이 붐(boom)을 보여준다.
도 2 는 종이 웹에 화학적 작용제의 적용을 제어하기 위한 초지기 및 제어 시스템의 일 실시예의 개략적이 도면이다.
본 발명에서, "프레스부 탈수(press section dewatering)"는 상기 프레스들 및 그 결합된 부품들의 기계적인 부하 하에서 종이 웹으로부터 수분을 제거하는 것으로 정의되고 상기 프레스부에서 발생하는 전체 수분 제거 또는 어떤 개개의 프레싱 조작의 수분 제거로 특정될 수 있다.
"추정 제어(inferential control)"는 실제 출력 값들보다 오히려 모니터링된 변수들의 2차적인 측정들을 사용하는 것으로 정의되는데, 상기 추정 제어는 적합한 측정 기술의 부재, 비용 제한들, 또는 과도한 공정 지연 시간에 기인하여 사용되지 않을지도 모른다. 2차적인 측정들은 공정 출력 질에 대한 공정 방해들의 효과를 추론하기 위해서 본 발명에서 사용될 수 있다.
추정 제어에서, 2차적으로 측정된 출력들은, 상기 종이 생산 공정들과 관련되는 재료 및 에너지 밸러스들과 함께, 상기 측정되지 않는 제어되는 변수들의 값들을 수학적으로 계산하는데 사용된다. 이러한 계산된 값들은 상기 조종되는 변수들의 값들을 조절하기 위해서 제어기에 의해서 이용될 수 있다. 상기 계산을 요구하는 알고리즘들은 수많은 공정 변수들이 활동하는 경우에 많은 산업적인 공정들에 대하여 과도하게 복잡할 수 있다.
프레스부 탈수에 대한 추정 제어 모델의 발전을 단순화하기 위해서, 교란 피드백 제어가 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, 상기 종이 웹에 첨가되는 화학적 탈수 작용제의 설정 투입 속도와 같이, 설정치(set point) 또는 조정되는 변수들은 주어진 범위에 걸쳐서 제어기에 의해서 주기적으로 변하거나 의도적으로 교란될 수 있다. 마이크로 프로세서는 상기 조정되는 변수에 대한 변화가 상기 공정 출력에 대한 면에서 좋은지 또는 나쁜지에 대해서 결정하는데 사용될 수 있다. 실제로, 상기 제어기는 연속적으로 시행착오에 의해서 조정되는 변수의 최적 값을 찾는다. 상기 조정 변수의 범위에 대한 설정 제한과 같은 안전 예방조치들은 원하지 않는 상태를 막기 위해서 설정될 수 있다.
종이 프레스부 탈수에 대한 본 발명의 예로써, 제어되는 출력 변수들은 프레스부를 나가는 시트 습기일 수 있다. 이 시트 습기는 직접적으로 또는 간접적으로 측정될 수 있다. 직접적인 측정들은 감마 측정기들 또는 적외선 측정기들과 같은 습기 측정기들을 사용하여 행해질 수 있다. 이 측정 장치들은 상기 시트의 가로 방향 상의 한 위치에서 측정되는 곳에서 고정되거나, 습기 프로파일을 상기 종이의 폭을 따라서 얻기 위해서 움직이거나 상기 가로 방향으로 연속적이거나 다수 개의 측정들이 다수 개의 측정 장치들에 의해서 행해질 수 있다.
하나의 실시예 및 방법들에서, 습기는, 상기 프레스부로부터의 수분 흐름들, 상기 건조부로부터의 사이즈 프레스 또는 증기 사용 속도와 같은, 다른 인자들을 모니터링함으로써 추론될 수 있다. 수분 흐름들은 제거 또는 추출되는 수분의 양을 정확하게 결정할 수 있는 어떤 적합한 방법에 의해서 측정될 수 있다. 수분 흐름들을 측정하기 위한 방법들은 예를 들어, 알려진 노치 웨어(notched weir)에 대한 흐름 깊이를 사용하는 테이블 방법(tabular method)에 의해서 또는 자석의, 중력의, 초음파 간섭과 같은 다양한 종류의 흐름 튜브(flow tube)들에 의해서 또는 기계적인 변위에 의해서 측정하는 방법일 수 있다. 증기 사용 모니터링 장치들은 또한 잘 알려져 있고, 종이 제조기에서 일반적으로 사용된다.
본 발명의 조정 변수는 또한 상기 종이 웹 또는 상기 초지기의 습단부에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 공급속도일 수 있다. 상기 화학적 탈수 작용제는 상기 기계의 습단부의 소정의 영역에 첨가될 수 있다. 예를 들어 상기 작용제는 스텁 박스(stuff box)의 배출구(drop leg), 팬 펌프(fan pump) 및 머신 체스트(machine chest)의 주입구와 같은 표준 습단부 첨가제들의 적용지점에서 첨가된다. 상기 작용제가 상기 공급물에 첨가될 때 상기 작용제는 연속적 또는 간헐적인 증기에 주입될 수 있다.
더 바람직하게, 상기 화학적 작용제는 상기 프레스부에 들어가기 바로 전에상기 웹에 직접적으로 첨가된다. 상기 화학적 탈수 작용제는 어떤 적합한 방법에 의해서 상기 웹에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 작용제는 Hydrosizer(TM)와 같은 커튼 코팅 장치를 가진 종래의 스프레이 바 기술을 사용하여 상기 종이 웹에 첨가될 수 있으나, 명백하게 상기 종이 웹에 상기 화학적 작용제를 적용할 수 있는 소정의 장치를 수용할 수 있을 것이다. 스프레이 적용의 경우 및 습기가 상기 웹의 폭의 함수로써 모니터링되는데 있어서, 상기 스프레이 부피는 상기 웹을 가로질러서 더 균일한 습기를 유지하기 위해서 상기 웹의 폭을 가로질러서 다양해질 수 있다. 이것은 상기 웹 서포트를 가로질러 확장되는 붐(boom)에 다수 개의 스프레이 헤드들을 붙이고 각각의 스프레이 헤드로부터 상기 웹상으로 분사되는 화학적 작용제의 양을 제어함으로써 달성될 수 있다. 상기 시스템은 도 1에서 개략적으로 도시된다. 도 1 은 소정의 수의 스프레이 노즐들(N1-N10)이 부착된 스프레이 붐(27)을 보여준다. 상기 스프레이 노즐들은 웹을 가로질러 화학적 탈수 작용제들을 적용하는데 사용될 수 있다. 상기 배치에서 상기 스프레이는 중첩되거나 보이는 바대로, 충분히 분리될 수 있다. 각각의 노즐(N1-N10)은 상기 작용제들이 상기 웹을 가로질러 더 균일한 습기를 유지하는데 적용되도록 개별적으로 제어될 수 있다. 소정의 수의 노즐들이 사용될 수 있고, 화학적 탈수 작용제들의 전달에 적합한 노즐이 사용될 수 있다.
화학적 프레스부 탈수 작용제들은 당해 기술 분야에서 알려져 있고 사용될 수 있다. 소정의 적합한 양의 화학적 탈수 작용제가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 적합한 양들은 상기 조작에서 적어도 동일한 양의 비용 절감이 이루어지는 양을 포함하나, 상기 프레스부에서 수분의 제거를 직접적으로 보조할 수 있는 어떤 화학물질도 사용될 수 있다. 전형적으로 본 발명에 따라서 적용되는, 화학적 탈수 작용제는 투여량이 탈수된 종이의 최대 약 5.0 lb(활성제)/ton까지로 증가할 때 프레스부에서 수분 이탈의 속도 및 양을 증가시킨다. 상기 제어 체계에서, 상기 화학적 탈수 작용제로, 상기 제어기는 주어진 범위 내에서 주기적인 단계들에서 화학물질의 공급 속도를 다양하게 할 수 있다. 상기 범위는 어떤 방법들에서 생산된 종이의 약 0.5 lb(활성제)/ton 내지 약 5 lb(활성제)/ton 이거나, 어떤 방법들에서 상기 범위는 생산된 종이의 약 1 내지 2 또는 3 또는 약 4 lb(활성제)/ton이다. 추가되는 탈수 작용제의 양에 대한 증분 조절들은 약 0.1 lb(활성제)/ton 내지 약 0.5 lb(활성제)/ton 일 수 있다. 증분 투여량들은 상기 투여 시스템에 의해서 제어되는 만큼 낮을 수 있다. 이것은 MD(기계 방향) 습기 변수를 제어하기 위해서 투여할 때 생산된 종이의 톤당 0.1 파운드 활성제만큼 낮을 수 있다. 이것은 또한 가로 방향 습기 변수들을 제어하기 위해 투여할 때 보다 심지어 더 낮을 수 있다. 예를 들어, 2 인치 CD 웹 영역에 탈수 작용제 흐름에서의 50 ml/min 의 변화는 42 lb 라이너지(linerboard)를 생산하는 200 인치 폭의 기계에서의 0.05 lb(활성제)/ton 만큼 낮을 수 있으나, 70 lb 오프셋 종이(offset paper)를 생산하는 300 인치 폭의 기계에서의 동일한 흐름 변화는 0.015 lb(활성제들)/ton 일 것이다. 상기 웹으로부터의 수분 제거 속도가 모니터링된다.
도 2 는 본 발명의 종이 생산 장치에 대한 하나의 구성도를 보여준다. 도 2 는 성형부 및 프레스부(30)의 부분을 포함하는 종이 생산 장치를 도시한다. 종이 공급물은 제공되고 상기 초지기 성형직물(40) 상에 놓여진다. 상기 웹은, 수분이 상기 웹 및 상기 웹이 위치한 직물을 통해서 흘러나갈 때 중력 및 진공에 의해서 탈수된다. 상기 성형 직물은 롤을 따라서 이동하고 상기 종이 웹을 상기 프레스부로 가져온다. 상기 웹이 상기 카우치롤(50)에서의 성형부의 끝부분에 접근할 때, 화학적 탈수 작용제는 스프레이 노즐(60)과 같은 적합한 장치로부터 공급된다. 선택적으로 수동으로 데이터를 공급받거나 또는 더 바람직하게는 당해 기술 분야에서 알려진 것처럼, Distributed Control System(DCS)와 같은 제어 시스템에 의해서 데이터를 공급받는 피드백 제어기에 의해서 제어되는 화학적 펌프(70)에 의해서 압력이 상기 장치에 적용된다.
상기 웹이 상기 카우치롤(50)을 통과한 후 상기 웹은 흡입 롤(100)에 의해서 상기 성형 직물로부터 들려지고 상기 프레스부(30)로 들어간다. 상기 프레스부(30)에서 상기 종이 웹은 추가적인 수분을 제거하는 압력으로 상기 종이 웹이 제공되는 하나 이상의 프레스닙의 세트들에 유도된다. 상기 종이 웹은 상기 프레스닙(110)을 빠져나가고 보여지지 않은 건조부로 이동한다. 상기 프레스부를 가로지르고 상기 웹을 지지하는 프레스 직물은 이후 보여지지 않은, 일련의 롤들, 진공 구성요소들, 및 클리닝 공정들로 유도되는데, 이들은 연속적으로 상기 웹을 지지하고 건조하는데 적합한 상태로 상기 프레스 직물을 유지한다.
도 2 는 상기 웹이 상기 프레스닙(110)을 나갈 때 상기 웹으로부터의 수분 흐름이 수분 흐름 측정 장치에 의해서 측정될 수 있다는 것을 보여준다. 수분 흐름은 또한 수분이 상기 진공 박스(140)에 상기 프레스 직물로부터 빠져나갈 때 수분 측정 장치(150)에 의해서 측정될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 상기 수분 흐름 장치들은 서로 접합에서 수분을 측정할 수 있고 스스로 분리되어 사용될 수 있다. 각각의 경우에 상기 측정은 상기 화학적 탈수 작용제의 효과를 계산하고 화학적 펌프에 의해서 그것의 입력 속도를 제어하는 피드백 제어 장치(80)에 전달된다.
상기 프레스부 출력 변수는 상기 프레스부를 떠나는 시트의 함습량일 수 있거나 예를 들어 상기 사이즈 프레스에서의 특별한 위치에서의 상기 웹의 함습량일 수 있다. 상기 변수는 당해 기술 분야에서 당업자들에게 알려진 것 처럼 상기 시스템에서 전체적인 수분 균형의 자취를 유지함으로써 간접적으로 측정될 수 있다. 상기 제어 체계의 하나의 목적은 이러한 측정된 값에 대한 제어를 제공하는 것이다. 상기 프레스로부터의 수분 흐름, W는, 상기 프레스부를 나가는 시트 함습량의 간접적인 측정인데, 상기 프레스부를 나가는 시트 습기에 대한 제어가 원해지는 측정된 출력 변수 일 수 있다. 상기 조정 변수는 상기 화학물질 공급 속도, F이다. 다른 알려지지 않은 방해들은 전에 기술하였듯이, 공정 중에 작용할 수 있다.
본 제어 방법들은 종이 웹의 길이에 따라서 수분 함량을 제어하는데 사용될 수 있다. 여기에서, 상기 웹에서 어떤 지점에서, 바람직한 수분 함량, WC는 정의될 수 있고 상기 제어 과정은 이러한 수준에서 상기 웹의 수분 함량을 유지하는데 사용될 수 있다. 웹 습기를 측정하는데 어떤 적합한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 음파 측정들이 상기 프레스 닙 및 진공 박스 흐름 상에서 행해질 수 있고, 또는 시트 습기는 상기 통과하는 종이 웹의 샘플들로부터 랜덤 샘플링 방법에 의해서 또는 알려진 건조물로부터의 추정되는 습기를 계산하기 위해서 감마 측정기를 사용하는 원자핵 질량 측정에 의해서 결정될 수 있다.
이 때문에 초기에서, 상기 제어기는 상기 화학물질 공급 속도를 정의된 값, F1에 설정한다. 상기 함습량은 측정되고 새로운 응답, W1으로 상기 제어기에 공급된다. 상기 공정에 대하여 적당한 시간 지연 후에, 상기 공급 속도는 예를 들어, 10% 더 높은 값 F2로 조절된다. 상기 함습량은 다시 W2로 측정된다. 주어진 원하는 수분 함량, WC에 대하여, 상기 차이들, WC-W1 및 WC-W2가 계산된다. 만약 │WC-W2│<│WC-W1│이라면 상기 이전의 행위는 적합한 것이었는데, 예를 들어, 상기 수분 함량은 현재 더 바람직하다. 상기 제어기는 상기 수분 함량을 상기 바람직한 수분 함량으로 이동시키는 것을 희망하면서, (W2-W1)/(F2-F1)에 비례하는 양까지 상기 화학물질 공급 속도를 더 증가시키기 시작한다. 그러나, 만약 │WC-W2│>│WC-W1│이라면 이전의 행위는 부적합하였는데, 예를 들어, 상기 수분 함량은 현재 덜 바람직한 것이고, 이후 주입량은 감소된다.
이러한 불규칙하게 움직이는 과정(hunting procedure)은 항상 상기 바람직한 수분 함량에 상기 수분 함량을 제어하기를 원하면서, 보통의 공정 변수들에 대한 응답에 투여량이 위 아래로 움직이는 동안 주어진 주파수에서 반복된다.
어떤 방법들에서 상기 제어는 상기 웹을 가로질러 균일한 함습량을 제공하기 위해서 노력할 수 있다. 예를 들어, CD 방향에, 습기는 상기 웹을 가로질러 다양한 양의 작용제를 전달하는데 적합하게 위치한 일렬의 스프레이들을 사용하여 CD 방향에 상기 웹에 적용되는 탈수 작용제의 양에 대하여 제어를 수행하는 것에 의해서 제어될 수 있다. 이전에 기술하였듯이, 이것은 상기 시트를 가로질러 상기 함습량을 측정하고 더 균일한 함습량을 얻는데 필요한 만큼 상기 시트를 가로질러 더 많은 또는 더 적은 화학적 탈수 작용제를 적용함으로써 달성될 수 있다.
대안적으로, 상기 제어 방법들은 시트에서의 탈수를 최대화 하는데 사용될 수 있다. 이 때문에, 초기에, 상기 제어기는 정의된 값, F1에 상기 화학물질 공급 속도를 설정한다. 상기 수분 흐름이 측정되어 새로운 응답, Wnew으로 상기 제어기에 공급된다. 상기 공정에 대하여 적당한 시간 지연 후에, 상기 공급 속도는 예를 들어, 새로운, 10% 더 높은 값으로 조절된다. 상기 수분 흐름 속도는 다시 측정되고 Wnew가 되고 상기 이전 값은 Wold가 된다. 상기 차이, Wnew-Wold가 계산되고 양수 또는 음수로서 테스트 된다. 양의 값은 바람직한 응답, 예를 들어 증가된 상기 수분 흐름 속도를 나타내고 상기 종이 시트는 그것이 상기 프레스부를 나올때 건조된다. 상기 제어기는 이후 다시 탈수를 향상시킬 목적을 가지고, (Wnew-Wold)/(F2-F1)에 비례하는 양까지 상기 화학물질 공급 속도를 더 증가시키는 것을 계속한다. 만약 상기 차이, Wnew-Wold가 음수라면, 이후 상기 응답은 바람직하지 않으며, 이때 상기 투여량은 감소된다.
이러한 불규칙하게 움직이는 과정은 항상 수분 배출을 최대화 하기를 원하면서, 보통의 공정 변수들에 대한 응답에서 투여량이 위 아래로 움직이는 동안 주어진 주파수로 반복된다. 만약 상기 화학적 효과가 항상 증가된 탈수로 이끈다면, 이때 상기 투입량은 상기 제어 알고리즘에 의해서 부여되는 최대로 허용되는 한계에 접근할 것이다. 만약 단일한 최적의 화학물질 투입량이 있다면, 이때 상기 제어기는 보통의 공정 및 웹 변수들에 대한 응답에서 진동하는 방식으로 상기 공급 펌프를 조정할 것이다. 이러한 제어 방법의 장점은 이러한 제어 방법은 알려지지 않은 기대하지 않은 공정 변수들에 강하고 어떤 종이 등급, 기계 종류, 프레스 배치 또는 프레스부 효율에 상기 제어 방법에서의 적용에 융통성이 있다는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 종래의 단일 닙, 단일 또는 두 개의 펠트 프레스부가 응용될 수 있다. 이러한 배치에서의 프레스부 탈수의 제어는 캘리퍼로 유도되는 종이 등급에 대하여 향상된 시트 벌크 및 더 낮은 기본 중량을 제공할 수 있는 감소된 프레스부하의 사용에 대해서 허용된다. 이것은 특히 어떤 장치 배열들에서 전형적인 프레스부하들이 또는 거의 최대의 한계들에 있는 상황들에 유용하다. 상기 탈수 또는 출력하는 프레스부 습기를 제어함으로써, 상기 프레스부 프레스 하중에 대한 조작 범위는 프레스부하들이 항상 한계에 접근하는 것이 요구되지 않도록 증가될 수 있다. 일반적으로, 탈수 제어의 부재시에, 고 중량 등급들에 대한 감소된 프레스부하들은 입수되는 프레스부 고형물들이 적합하지 않을 때 감소된 생산 스피드를 이끌 것이다. 결과로써, 대부분의 프레스부 조작 인자들은 일반적으로 특별히 프레스부 고형물들을 측정하고 제어에 대한 능력의 부재때문에 조작자 제어없이 "설정 및 삭제" 방식으로 구성된다. 본 방식들의 사용은 프레스부하의 측면에서 더 넓은 조작 범위를 허용하고 동일한 최대 라인 스피드들 및 더 낮은 기본 중량 또는 더 높은 캘리퍼 제품을 허용한다. 본 방법들은 또한 부드러움을 향상시키기 위하여 증가된 캘린더링 기회들을 허용한다
일 실시예에서는 탑 탈수 유닛을 가지는 다중 간극 성형기(gap former) 또는 포드리너(fourdrinier)가 응용될 수 있다. 이 구조는 원한다면, 각각의 겹에서 본 발명의 사용을 허용한다. 본 발명을 이용함으로써 조작자는 주어진 기본 중량 범위에서 일정한 프레스부 고형물들을 유지하기 위해서 겹으로 화학적 탈수 작용제의 양을 다양하게 할 수 있다. 이러한 방법은 겹 중량 변화 및 전형적인 간극 성형기 정렬에서 이른 배수에 기인한 "밀봉"에 대한 가능성에 의해서 유래되는 상기 프레스부 변화성을 감소시키는 장점을 제공할 것이다. 그것은 또한 상기 프레스부를 지나면서 성장되는 겹 결합, 인장력, 및 부드러움의 변화를 최소화하는 장점을 제공할 것이다. 일반적으로, 이러한 변수들은 겹 중량 변화들, 진공 변화들, 헤드박스(head box) 농도 변화들, 및 정제 변화들을 통해서 제어된다. 모든 제어 변수들은 전체적인 시트 특성들에 대한 총 조절들을 형성하는데 사용될 수 있으나 탈수 제어는 특별히 프레스부 고형물들의 제어에 집중된다.
어떤 프레스 배치 또는 등급 계획이 주어질 때, 가로 방향 제어 배치에 이용되는 본 발명은 향상된 프레스부 탈수의 CD 제어를 제공한다. 이것은 크라운 제어 프레스에 대한 동일한 장점을 제공하는데 더 작은 지역들에 걸쳐 훨씬 더 큰 제어를 제공한다. 상기 CD방향으로 조작될 때 본 시스템은 또한 다양한 시트 특징들을 성장시키기 위해서 상기 웹의 CD영역에 걸쳐서 다양한 화학들의 적용을 제공한다. 이것은 기본 중량 및 습기의 더 큰 CD 궤적 제어 및 더 빈틈없는 보통 조건 하에서의 제어 한계들을 허용할 것이다. 상기 방법들의 사용은 동시에 여전히 사용자 설명서와 일치하는 동안에 더 낮은 기본 중량들 또는 향상된 벌크의 사용을 제공할 수 있다.
예 1
이 예는 변화하는 화학적 탈수 작용제의 양의 추가 후에 얻어지는 상기 프레스부 탈수 효과를 보여준다.
제어되는 실험들은 상기 프레스부 안으로 입장 전에 상기 종이 웹에 스프레이 적용에 상기 화학적 작용제를 적용함으로써 초지기에서 행해졌다. 생산품 투여량들은 4시간 동안에 걸쳐서 0-1.5 lb(활성제들)/ton 으로 변화시켰다. 시트 농도의 측정들은 화학물질 투여량 변화와 병행하는 시간 주기 동안에 상기 프레스부로 시트 입장 및 상기 프레스부로부터 시트 퇴장 전에 주기적으로 행해졌다. 시트 농도 측정은 상기 통과하는 종이 웹의 랜덤 샘플링 방법, 또는 알려진 건조 질량으로 부터 추정되는 습기를 계산하는 원자핵 질량 측정(neclear mass measurement)(감마 측정기)에 의해서 행해질 수 있다. 화학적 첨가제들은 글리옥실레이티드(glyoxylated) DADMAC(디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride))/AcAm(암모늄 아세테이트(ammonium acetate)) 타입의 두 개의 다른 변형들이었고, 상기 제조기는 (보통 OCC(Old Corrugated Containers)/MW(Mixed Waste) 80/20 부분들로 구성되는) 100% 재활용 섬유를 사용하여 주름잡히는(corrugated) 중간 등급을 생산하였다.
상기 결과들은 테스트된 두 제품들에 대하여, 시트 고형물들(solids) 증가에 의해서 결정되는 것처럼, 상기 프레스부에서 시트 탈수에서의 증가를 보여준다. 수분 제거는 어떠한 화학 물질이 첨가되지 않았을 때 약 20.9%로 부터 0.5 lbs(활성제들)/ton 일때 약 21.7% 및 22.4% 까지, 1 lb (활성제들)/ton 일때 약 22.1 및 22.5% 까지, 1.5 lbs 화학적 탈수 작용제의 활성제들이 톤당 종이에 더해졌을 때 약 22.4% 및 23.1까지 증가하였다.
여기서 기술된 본 바람직한 실시예들의 다양한 변화들 및 수정들은 당해 기술 분야에서 당업자에게 명백할 것으로 이해될 것이다. 상기 변화들 및 수정들은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 및 본 발명의 의도한 장점들을 감소시키는 것 없이 행해질 수 있다. 따라서 상기 변화들 및 수정들은 부가된 청구항들에 의해서 보완되는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 프레싱부를 가지는 종이 생산 기계 또는 펄프 건조 기계에 대한 제어 시스템에 있어서,
    (a) 종이 웹 또는 초지기의 습단부에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 제어하기 위한 피드백 제어기, 및
    (b) 상기 종이 웹의 습기를 결정하고, 신호에 대한 응답으로 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 조절하는 피드백 제어기에 신호를 보내는 마이크로프로세서에 측정값을 공급하는 모니터링 장치를 포함하는 제어 시스템.
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  18. 종이 웹의 탈수를 제어하는 방법에서:
    (a) 상기 종이 웹의 습기를 제 1 측정을 수행하는 단계;
    (b) 상기 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 조절하는 단계;
    (c) 상기 종이 웹의 습기의 제 2 측정을 수행하는 단계;
    (d) 상기 제 1 및 제 2 측정들을 비교하는 단계; 및
    (e) 상기 비교가 적합하다면 종이 웹에 적용된 화학적 탈수 작용제의 양을 조절하는 것을 반복하는 단계 및 상기 비교가 부적합하다면 다른 조절을 적용하는 단계를 포함하는 종이 웹의 탈수를 제어하는 것에 대한 방법.
  19. 성형부, 프레스부 및 건조부를 포함하는 종이 생산 기계에 있어서 상기 프레스부는 제어 시스템을 더 포함하고 상기 제어 시스템은:
    (a) 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 제어하기 위한 피드백 제어기, 및
    (b) 상기 종이 웹의 습기를 결정하고, 신호에 대한 응답으로 종이 웹에 적용되는 화학적 탈수 작용제의 양을 조절하는 피드백 제어기에 신호를 보내는 마이크로프로세서에 상기 종이 웹의 습기의 측정값을 공급하는 모니터링 장치를 포함하는 종이 생산 기계.
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