Die Hauptaufgabe eines Stoffauflaufes an einer Papiermaschine ist es, die faser- und füllstoffhaltige Suspension örtlich (in der Breite) und zeitlich (in Laufrichtung der PM) gleichmäßig auf dem umlaufenden Siebband zu verteilen.

Auch ein noch so guter Stoffauflauf an einer Papiermaschine ist im Hinblick auf die endgültige Flächenmassenverteilung im Papier von den übrigen Komponenten der Papiermaschine abhängig.

Druckschwankungen im konstanten Teil einer Papiermaschine verursachen letztendlich Durchsatzschwankungen durch die Düse des Stoffauflaufes. Auch wenn ein Stoffauflauf solche Schwankungen aus dem konstanten Teil weitgehend dämpft, wie im BTF-System deutlich meßbar, so führen diese doch zu Massenbelegungsschwankungen auf dem umlaufenden Sieb. Es sei hier wegen der prinzipiell anderen Bauart des Zentral-Dämpfungs-Systems erwähnt, daß Stoffaufläufe mit Querstromverteilern im Gegensatz zum Zentral-Dämpfungs- System Durchflußschwankungen in Massenbelegungsschwankungen quer und längs zur Laufrichtung des Siebes umsetzen, ein papiertechnologisch äußert unbefriedigender Effekt.

Aber auch das Sieb selbst und die Entwässerungselemente haben Einfluß darauf, wie die initiale (und hoffentlich gleichmäßige) Massenbelegung des Siebes mit Suspension nun durch die sich anschließende und möglichst gleichmäßige Filtration erhalten bleibt oder aber zusätzlich gestört wird.

In Querrichtung wirken sich ungleichmäßiger Verschleiß des Siebes oder ungenügende Spannung und Streckung des Siebes in die Breite oder verschlissene oder falsch eingestellte Entwässerungselemente (Foils, Sauger, usw.) aus.

In Längsrichtung wirken sich Geschwindigkeitsschwankungen des umlaufenden Siebes oder mechanische Schwingungen des Siebes oder solche von Entwässerungselementen aus.

Mit Hilfe von statistischen Verfahren kann man die Auswirkungen von Massenschwankungen im Papier, sofern man über genügend Meßwerte verfügt, feststellen und auch bestimmten Ursachen zuordnen. Das wichtigste Verfahren zur Beurteilung einer Papiermaschine als Gesamtsystem ist die sogenannte Varianzanalyse der flächenbezogenen Massenverteilung im Papier.

Man entnimmt dazu beispielsweise vom Ende eines Tambours ungefähr 20 papiermaschinenbreite Papierproben, sog. Querprofile, und mißt für alle Streifen nacheinander die Flächenmasse in einer gewählten (nicht zu großen) Probenfläche.

 Eine zweidimensionale Varianzanalyse ordnet dann alle festgestellten Schwankungen anteilsmäßig in drei Varianzanteile auf, nämlich in (systematische) Schwankungen quer zur Papierlaufrichtung, solchen längs zur Papierlaufrichtung und in nicht zuordnungsfähige Schwankungen, die sog. Restvarianz.

 Aus den bereits erwähnten, qualitativen Abschätzung zu Ursachen dieser Schwankungen kann man vermuten, daß die Längsschwankungen hauptsächlich aus dem konstanten Teil oder Unzulänglichkeiten der Siebpartie herrühren. Schwankungen der Querverteilung sind hauptsächlich vom Stoffauflauf verursacht und im Falle des BTF-Systems mit einem dämpfenden Zentralverteiler immer deutlich geringer als bei anderen Stoffaufläufen.

Die bereits beschriebenen Längs- und Querschwankungen werden auch als sogenannte systematische Fehler bezeichnet und sie sind bei Behebung der entsprechenden Mängel in der Papiermaschine grundsätzlich auszuschalten oder aber in der Praxis deutlich zu verringern.

Wenn es gelänge, alle systematischen Schwankungen gegen Null zu führen, dann blieben noch die nicht systematischen (zufälligen oder stochastischen) Schwankungen erhalten. Diese sind nach Meinung des Autors ein Maß für die Güte der gesamten Papier erzeugenden Anlage, d.h. also, je niedriger die Restvarianz ist, um so besser ist die Qualität der gesamten Anlage, schließendlich aber nur, wenn man die systematischen Längs- und Querschwankungen auch wirklich eliminiert.

Auch zur Beurteilung und Ursachenforschung für systematische Schwankungen in Längs- und Querrichtung gibt es statistische bzw. mathematische Verfahren (Fourieranalyse, Korrelationsanalyse). Diese Verfahren beruhen darauf, daß man beispielsweise den festgestellten Verlauf der flächenbezogenen Masse in Längsrichtung dahingehend analysiert, ob die festgestellte Schwankung sich durch eine Überlagerung von periodischen Schwankungen unterschiedlicher Frequenz und Stärke (Amplitude) zusammensetzen läßt.

Stellt man beispielsweise bei einer solchen Analyse eine auffällige Flächenmassenschwankung (Amplitude) bei einer bestimmten Frequenz fest, dann ist der Weg zu einer Lösung des Problems meist nicht mehr weit. Die am häufigsten festzustellende, auffälligste Flächenmassenschwankung bei ca. 20 Hertz (Schwingungen pro Sekunde) wird fast immer von den Flügeln der Vertikalsichter (Screen) vor dem Stoffauflauf verursacht. Die sich im Sichter drehenden Flügel decken den Gutstoffauslauf periodisch ab und verursachen so Druck bzw. Durchsatzschwankungen zum Stoffauflauf, die sich auch als periodische, flächenbezogene Massenschwankung im fertigen Papier wiederfinden lassen.

Dies ist z.B ein Grund, warum das Stoffauflauf-System mit zentralem Dämpfer schwingungstechnisch immer sorgfältig ausgelegt werden muss. Der BTF Universalverteiler mit seiner Lochplatte sorgt bei richtiger Dimensionierung für die beste, derzeit bekannte Schwingungsdämpfung aus dem konstanten Teil und baut über die Lochplatte unerwünschte Schwingungen in erwünschte Mikroturbulenzen um, um ein Entflocken der Suspension zu verhindern.

Beim BTF-System ist die Formiereinheit für die gleichmäßige Verteilung der Faserstoffsuspension quer zur Laufrichtung zuständig. Werden hier systematische Fehler festgestellt, so werden diese bei konventionellen Stoffaufläufen mit der Blendenverstellung korrigiert, häufig bekannt als Querprofilregelung, oder bei Verdünnungswasserstoffaufläufen mit Hilfe von zusätzliche zonenweise eingebrachtem Verdünnungswasser.  Besonders ist hierbei im Gegensatz zu anderen Systemen die Zugabe des Verdünnungswassers zur Querprofileinstellung gelöst, denn die Zugabe von Verdünnungswasser in eine Zone erhöht nicht den Durchfluß in dieser Zone bzw. zur  Formiereinheit. Eine Erhöhung des Durchflusses würde sofort zu Querströmungen im Stoffauflauf und an der Düse führen, was bekannter Maßen eine unangenehme Eigenschaft konventioneller Stoffaufläufe mit der Einstellung von Querprofilen mittels Blendenverstellung ist. Das Ergebnis daraus ist nicht exakt flach liegendes Papier, was sich bei höheren Papiermaschinengeschwindigkeiten als die bekannten Beulen im Papier bemerkbar macht. Die hohen Trocknungsgeschwindigkeiten verstärken dieses bekannte Ãœbel durch die zonenweise unterschiedliche Schrumpfung der Papierbahn, was wiederum durch unterschiedliche Trocknungsgeschwindigkeiten aufgrund unterschiedlicher Flächenmassenbelegung und auf Grund gestörter Faserorientierung durch solche Querströmungen verursacht ist. Bei Formatpapieren beobachtet man als Auswirkung Probleme bei der Planlage oder bei grafischen Papieren Falten und Passerprobleme beim Drucken.

Aus diesen Erkenntnissen leiten sich zwei eindeutige Strategien zur Verbesserung der Papierqualität im Hinblick auf eine gleichmäßige Flächenmassenverteilung ab.

Das Stoffauflaufsystem als Hauptverantwortlicher für eventuell vorhandene Querschwankungen muß konstruktiv so beschaffen sein, daß alle systematischen Querschwankungen beseitigt werden können. Das patentierte BTF-System bietet konstruktiv alle Voraussetzungen dafür, um mit einer manuellen oder automatischen Querprofilregelung nach dem Verdünnungswasserprinzip sich diesem Ziel optimal anzunähern. Wir garantieren deshalb bei Neu- oder Umbauten für die Querprofilschwankungen immer deutlich geringere Werte als allgemein üblich.

Die andere Strategie muß sein, alle periodisch auftretenden Schwankungen mit Hilfe der Fourieranalyse zu ermitteln und ihre Ursachen, meist konstruktiv, zu beseitigen. Im konstanten Teil müssen deshalb alle Pumpen, Cleaner, Sichter, Deculator usw. auf kritische Druck- bzw. Durchsatzschwankungen untersucht werden. Unter gleichen Gesichtspunkten sollte auch die Siebpartie einer Papiermaschine gesehen werden.

Der Weg zu einem qualitativ optimierten Papier ist mühsam, und häufig nur in Schritten zu vollziehen, aber mit Hilfe der beschriebenen Methoden und Maschinen zielgerichtet und nicht aussichtslos. Die Restvarianz ist demnach die kleinste Restschwankung im Papier, die dann verbleibt, wenn alle systematischen Störursachen beseitigt sind. Sie beschreibt damit die Qualität oder Eignung der Papiermaschine, eine gleichmäßige Papierbahn zu erzeugen.

In einem der nächsten internen Papiere wird der Autor über Methoden berichten, wie man auch die stochastischen Schwankungen mit technologischen Maßnahmen, z.B. dem gezielten Einsatz von Chemikalien, verringern kann.

Ausführliche Literatur : Göttsching/Gräber: Ãœber den Einfluß der Papiermaschinenarbeit auf die Schwankungen der flächenbezogenen Masse und anderer Papiereigenschaften.Iinsgesamt 5 Teile veröffentlicht im Papier 31, Nr.9 (1977) ; Papier 32, Nr.1 (1978)  ; Papier 32, Nr. 10 (1978) ; Papier 33, Nr.2 (1979) ; Papier 33, Nr. 5 (1979).

Gräber: Ausgewählte Meßmethoden zur meßtechnischen Beurteilung von Blattbildungssystemen. Veröffentlicht im Wbl. F. Papierfabrikation 106, 133-138 (1978), Nr.4

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