Factors Affecting the Axial Force in Low-Consistency Refining

Abstract

This work is based on the empirical research of axial force in low-consistency refining. The purpose was to identify factors affecting the axial force by refining trials. Similar research has been carried out in the past by Metso, where the refiner fillings effect on axial force was compared. Trials have shown that wear of the refiner fillings raises the axial force. This has been attributed to reduced volume between the bars which results in fibres and fibre flocs get harsher treatment. Axial force contributes to the refining result and the serviceable life of refiner parts so an extensive research into the axial force was needed.

Through literature review and from previous experience the influencing factors of axial force were listed. The axial force was estimated using the results from fibre suspension, geometry of fillings and rotor motion. The impacts of these factors were measured by the conical refiner trials where four different kinds of cone-shaped fillings were used. Refiner fillings were rotated in both directions using three refining energy levels. The effects of rotation speed, production level and wear of the fillings on axial force were examined with one filling. Samples of pulp were taken from 17 test points and by analysing them the energy level, refiner fillings and direction of rotation impact on paper strength properties were examined.

Refiner trials indicated that the axial force grows when rotation speed decreases or production level increases. A lower rotation speed and a higher production level needs a smaller gap clearance to achieve the same SRE. A reduction in gap clearance produced higher axial forces. Force caused by pressure difference decreases the axial force, so smaller axial forces were measured when fillings were rotated in the pumping direction. A tilted bar staples more fibres on the bar edge in the attack direction, which increase the gap clearance but the axial force grows. Wear of the bar edges and dense fillings increased the axial force. A straight and a tilted bar treated the fibres quite equally. A rounded bar edge cut the fibres and the paper strength properties were significantly reduced.

More information of the force in the refining zone is needed. In addition, a tilted bar might achieve a longer fillings life time which should be tested on a mill scale. These results could be used in fillings development.

Tämä työ perustuu matalasakeusjauhatuksen aksiaalivoiman kokeelliseen tutkimukseen, jonka tavoitteena oli löytää aksiaalivoimaan vaikuttavat tekijät. Metsolla on aikaisemmin tehty vastaavia kokeita, joissa on vertailtu terien vaikutusta aksiaalivoimaan. Nämä tutkimukset osoittivat terien kulumisen ja aksiaalivoiman riippuvuuden: kun terät ja särmät kuluvat, niin aksiaalivoima kasvaa. Tämän on katsottu johtuvan pienentyneestä terävälin tilavuudesta, jolloin kuidut ja flokit saavat voimakkaamman käsittelyn. Aksiaalivoima vaikuttaa jauhatustuloksen lisäksi jauhimen osien kestävyyteen, joten kattavampi aksiaalivoiman tutkimus oli tarpeellinen.

Aikaisempien kokeiden ja kirjallisuuden avulla määritettiin aksiaalivoimaan vaikuttavat tekijät. Aksiaalivoiman arvioitiin johtuvan kuitususpensiosta, terien geometriasta ja roottorin liikkeestä. Näiden tekijöiden vaikutusta mitattiin koeajolla, jossa käytettiin neljää erilaista kartiojauhimen jauhinterää. Jauhinteriä pyöritettiin molempiin suuntiin kolmella energiatasolla. Yhdellä terällä selvitettiin pyörimisnopeuden, tuotantotason ja terien kulumisen vaikutus aksiaalivoimaan. Massanäytteet otettiin 17 mittapisteestä, joiden avulla tutkittiin pyörimissuunnan, terän ja energiatason vaikutusta valmistettavan paperin lujuusominaisuuksiin.

Koeajot osoittivat aksiaalivoiman kasvavan, kun pyörimisnopeus pienenee tai kun tuotanto kasvaa. Alhaisempi pyörimisnopeus ja korkeampi tuotanto vaatii pienemmän terävälin saavuttaakseen saman EOK:n. Terävälin pienentymisen huomattiin kasvattavan aksiaalivoimaa. Paine-eron tuottama voima pienentää aksiaalivoimaa, joten pumppaavaan pyörimissuuntaan pyöritettäessä mitattiin pienempiä aksiaalivoimia. Kallistettu terä tuottaa suurempia aksiaalivoimia molempiin pyörimissuuntiin. Kallistettu terä pinoaa enemmän kuituja hyökkäävään suuntaan, mikä aiheutaa suuremman terävälin, mutta kuitenkin suuremmat aksiaalivoimat. Teräsärmien pyöristyminen ja tiheät terät nostavat aksiaalivoimaa rajusti. Paperin lujuusominaisuuksissa ei havaittu merkittäviä eroja kallistetun ja normaalin terän välillä. Särmän pyöristyminen katkoi kuituja voimakkaasti, mikä johti lujuusominaisuuksien romahtamiseen.

Seuraavaksi voitaisiin tutkia voiman kehittymistä terävälissä. Lisäksi kallistettu terä saavuttanee pidemmän teräiän, mitä voitaisiin tutkia tehdaskoeajolla. Tuloksia voidaan käyttää jauhinterien kehityksessä.