Неразрушающие методы оценки структуры бумаги

2 Неразрушающие методы оценки структуры бумаги

 

2.1 Ультразвуковой тестер L&W TSO SE 150

 

Ультразвуковой тестер L&W TSO представляет собой прибор для измерения направления максимальной эластичности волокон ((TSO = Tensile Stiffness Orientation = направление максимальной эластичности волокон, далее TSO) и модуля упругости (TSI = Tensile Stiffness Index = Модуль упругости, далее TSI) на листах и на образцах бумаги в поперечном направлении. Ультразвуковое измерение является неразрушающим и простым методом для оценки эластических свойств бумаги и ориентации волокон. Эти измерения можно использовать при оптимизации любого сорта бумаги, а также для оптимизации напорного ящика бумагоделательной машины, прессовой части или сушильной части.

Принцип измерения прост: скорость ультразвуковых импульсов в материале зависит от упругих свойств материала, а величина модуля упругости материала пропорциональна квадрату скорости ультразвуковых импульсов в материале.

Тестер L&W TSO измеряет скорость ультразвуковых импульсов в восьми направлениях в плоскости бумаги. Измерительная головка имеет восемь пар передатчиков и приёмников, угол между каждой парой составляет 22,5^о. Ультразвуковой сигнал генерируется импульсным генератором и отсылается с каждого передатчика через бумагу на находящийся напротив приёмник. Процессор преобразует результаты с помощью преобразования Фурье в эллипс. Этот эллипс характеризует эластичность по всем направлениям, что позволяет обнаружить направление наибольшей жёсткости, TSI_max. Разница между машинным направлением в листе и направлением TSI_max называют углом TSO.

Результаты измерений могут быть представлены в виде рисунка и/или диаграммы (рисунок 2).

Рисунок 2 – Изображение диаграммы ТSO в полярных координатах и вычисляемые характеристики образца картона:

CD – поперечное направление,

MD – машинное направление,

TSO _Angle (далее угол TSO) – угол между максимальным значением модуля упругости и машинным направлением называют углом ориентации жёсткости при разрыве или полярным углом,

TSI _MD – модуль упругости в машинном направлении,

TSI _CD – модуль упругости в поперечном направлении,

TSI _{MD/ CD} - отношение модуль упругости в машинном направлении/модуль упругости в поперечном направлении,

TSI _Min – минимальное значение модуля упругости,

TSI _Max - максимальное значение модуля упругости,

TSI _Area – площадь «арахисоподобного» эллипса, модуль упругости во всех направлениях.

 

TSO _{Angle + MD}: Направление максимального значения модуля упругости, выраженное в виде углового отклонения, + MD означает отклонение в направлении по часовой стрелке от машинного направления.

TSO _{Angle - MD}: Направление максимального значения модуля упругости, выраженное в виде углового отклонения, - MD означает отклонение в направлении против часовой стрелки от машинного направления.

Соотношение между модулем упругости и скоростью ультразвука описывается следующим уравнением:

TSI = c · v²

где TSI - индекс жёсткости при разрыве (Н·м/кг), прибор представляет в отчёте эту величину в кН·м/г,

с – безразмерная константа, величина которой незначительно отличается от единицы и зависит от соотношения Пуассона для материала,

v - скорость ультразвукового импульса в км/сек.

На угол TSO влияет не только ориентация волокон, но и внутренние деформации и напряжения, которые возникают в процессе изготовления бумаги или картона при обезвоживании, прессовании, сушке, машинной отделке (например, при меловании или каландрировании). Практические данные показали, что стабильность размеров, т.е. показатели, связанные с расширением полотна под действием влаги и усадкой, перпендикулярны углу TSO, но не перпендикулярны направле­нию преимущественной ориентации волокон в структуре.

Отдельные БДМ и КДМ имеют различные профили угла TSO, при этом значение угла TSO в середине полотна должно быть как можно ближе к нулю градусов с отклонением не более 0,5°. Для большинства ви­дов бумаги и картона, включая тарный картон, значение угла TSO должно находиться в диапазоне от -5 до +5°. Типичный профиль угла TSO плос­косеточной БДМ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Типичный профиль угла TSO для плоскосеточной БДМ

 

В случае, если величина угла TSO в плоских слоях гофрированного картона превышает ±3-5°, то заготовки для ящиков могут иметь дефект в виде диагонального коробления, что затрудняет либо делает не­возможной их дальнейшую переработку.

Типичный профиль TSI_MD представлен на рисунке 4. При хорошей работоспособности БДМ отклонения между минимальным и максимальным значениями профиля TSI_MD находятся в интервале 5-10%.

Рисунок 4 – Типичный профиль TSI_MD

 

Нестабильность величины TSI_MD указывает на угрозу:

- возникновения проблем, связанных с работоспособностью печатных прессов и с несовпадением печати в процессах многоцветной печати.          

- проблем, связанных с твёрдостью рулона; 

- угрозу появления вздутий и морщин в поперечном направлении можно также прогнозировать с помощью анализа локальных вариаций величины TSI_MD.

TSI_MD можно также использовать для прогнозирования значений различных параметров сопротивления сжатию при контроле качества.

 

Типичный профиль TSI_CD представлен на рисунке 5. Обычно различия между минимальным и максимальным значениями TSI_CD находятся в пределах 10-20 %.

Рисунок 5 – Типичный профиль TSI_CD

 

Типичный профиль TSI_MD/CD представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Типичный профиль TSI_MD/CD

 

Более высокие значения соотношения скорости напуска и скорости сетки приводят к более высоким значениям TSI_MD/CD. Бóльшее натяжение в сушильной секции также приводит к более высоким значениям TSI_MD/CD

Неоптимальная величина TSI_MD/CD может привести к проблемам: снижение безобрывности; расслоение и двусторонность; скручивание бумаги.

При хорошо отрегулированном напорном ящике значение TSI_Area используют для измерения влияния различий соотношения скорость напуска/скорость сетки или изменений давления в напорном ящике.

Результаты определения заносим в таблицу 2.

Таблица 2 - Неразрушающие методы оценки структуры бумаги

угол TSO

TSIMD

TSICD

TSIMD/CD

TSIArea

I ф

Lx

Ly

q

Средняя амплитуда колебаний яркости пикселей с длинами волн (мм)

 

2.2Анализ качества формования картона

 

Для оценки формования структуры бумаги и картона использовался анализатор формования PTA-Line модель Р 63200, представленный на рисунке 7.

Рисунок 7 – Прибор для оценки формования структуры бумаги и картона

Прибор предназначен для оценки структуры формования бумаги и картона, который получает цифровое изображение участка бумаги, размером 12х12 см в поляризованном проходящем свете. Методами частотного Фурье-анализа рассчитываются характеристики: индекс формования I _ф, характеризующий сумму интенсивности колебаний неоднородности яркости пикселей, средний размер флоккул в направлении осей ОХ и ОY:  L_x и L_y, мм; средний угол ориентации флоккул q, средняя амплитуда колебаний яркости пикселей с длинами волн 1, 2, 3, 6, 10 и 16 мм.

Образец кладут на стеклянную пластину. Прибор включается. Стробоскоп загорается и автоматически определяет оптимальный уровень измерения. Изображение образца и показания (индекс формования) отображаются на мониторе. Результаты определения заносим в таблицу 2.