Tidseffektivisering av Stora Ensos emballeringsprocess : Simulering av värmeledning och luftflödesberäkningar

Sammanfattning: Stora Enso Skoghalls Bruk är en av de största kartongtillverkarna på vår planet. Var sjätte kartongförpackning i världen som innehåller något flytande kommer från Skoghalls Bruk. Kartong har liten påverkan på miljön då huvudråvaran, trä, är en naturlig råvara. Kartong har många olika egenskaper och kan variera i utseende och styrka beroende på mängden fiber som använts vid tillverkningen. Kartong är dock inte i sig självt förseglingsbart men kan med hjälp av olika adhesiva material förseglas. Stora Enso tillverkar kartong på rullar som sedan skickas iväg till kund. Innan kartongrullarna skickas iväg packas de i skyddande kartong inför transporten. Denna packning kallas emballering.Syftet med denna studie var att tidseffektivisera emballeringsprocessen. Stora Enso har i dagsläget en överkapacitet i emballeringsprocessen och processen är en trång sektion för produktionen. Delprocessen gavelpressen har studerats då den är mer tidskrävande än omkringliggande delprocesser. När kartongrullarna kommer till gavelpressen tillsätts det sista emballaget. Kartongrullarna har innan emballerats med innerrondeller på gavlarna och mantelomslag runt om. Gavelpressen består av två värmeplattor med tillsatta ytterrondeller. Värmeplattornas uppgift är att försegla kartongrullarna genom att det yttersta lagret, LDPE-skiktet, på ytterrondellerna smälts fast på kartongrullarna. Värmeplattorna har temperaturen 180 °C och rör sig mot kartongrullens gavlar i tre olika hastigheter som gradvis sänks ju närmare kartongrullen de kommer. För att sedan under en tid av sju sekunder pressa ytterrondellerna mot kartongrullens gavlar.Målet med denna studie var att tidseffektivisera gavelpressen samt ta fram en rekommendation för i vilken ordning åtgärderna bör hanteras. Simuleringsprogrammet COMSOL Multiphysics har använts för att bygga upp systemet, simulera verkliga fall och sedan effektivisera dem genom att minska delprocessens cykeltid. Tiden som ytterrondellerna pressas mot kartongrullens gavlar studerades i en 3D-modell. För att ta reda på om presstiden var den mest optimala simulerades temperaturen på kartongrullens gavels yttersta skikt vid pressning. Värmeöverföringen mellan ytterrondellens LDPE-skikt och kartongrullen antogs öka ända tills kartongrullens gavels yttersta skikt uppnått värmeplattans temperatur 180 °C. Vidare studerades om LDPE-skiktet kunde bytas ut mot ett material som gör att värmeöverföringen sker snabbare. Densitet, specifik värmekapacitet och termisk konduktivitet var de faktorer som ändrades. Värmeplattornas maximala hastighet studerades genom beräkningar. Luften mellan värmeplattan och kartongrullen antogs ha en cylindrisk form och luftens hastighet ut ur cylindern beräknades med hjälp av Reynolds tal. Värmeplattans hastighet antogs kunna öka så länge luftflödet var laminärt. Det undersöktes även om värmeplattornas rörelse kunde starta tidigare, då de studerade kartongrullarna står stilla med tillsatta ytterrondeller under olika lång tid innan värmeplattorna börjar röra sig.För att tidseffektivisera gavelpressen rekommenderas fyra åtgärder i följande ordning: minska presstiden, starta värmeplattornas rörelse tidigare, byta ut LDPE-skiktet samt öka värmeplattornas hastighet. Åtgärderna har rekommenderats i ordning efter vad som antagits vara enklast och minst tidskrävande för företaget.Simuleringarna visade att presstiden kan minskas till 3-3,5 sekunder då ingen ökad värmeöverföring sker mellan värmeplattan och kartongrullen efter denna tid. Denna åtgärd ger en tidsbesparing på 3,5-4 sekunder. Att starta värmeplattornas rörelse tidigare är möjligt, då värmeplattorna med tillsatta ytterrondeller står redo 3,35–9,33 sekunder innan de sätts i rörelse. Företaget rekommenderas att starta värmeplattornas rörelse efter 3,35 sekunder oavsett kartongrullens bredd. Detta kan ge en tidsbesparing på upp till 5,98 sekunder.Det rekommenderas att byta ut LDPE-skiktet mot ett material med högre termisk konduktivitet och densitet, men med liknande adhesiva egenskaper. En sekunds tidsbesparing kan fås om den termiska konduktiviteten ändras från 0,33 till 0,5 W/mK samtidigt som densiteten ändras från 605 till 800 kg/m3.Beräkningar av luftens hastighet visade att den maximala hastighet som värmeplattan kan ha var 16,37 m/s på ett avstånd 1700 mm från kartongrullen. Att utföra denna åtgärd kräver en omprogrammering av värmeplattornas rörelse från tre hastighetssteg till en hastighet som hela tiden minskar allt eftersom avståndet mellan värmeplattorna och kartongrullen minskar. Detta är den sista åtgärd som rekommenderas eftersom den antas vara mest krävande för företaget och en ombyggnation kan eventuellt behövas. Värmeplattornas beräknade maximala hastighet är ca 40 gånger större än den snabba hastigheten som värmeplattorna har i dagsläget och därför bör företaget kunna öka den snabba hastigheten och medel hastigheten. Fyra sekunder är den optimala tidsbesparingen för att undvika väntetid mellan delstationerna innan och efter gavelpressen. Med de hastigheter som beräknats vara möjliga för värmeplattorna kan med enkelhet en tidsbesparing på fyra sekunder uppnås.Om samtliga åtgärder görs fås en tidsbesparing på ca 15 sekunder. Då fyra sekunder är den optimala tidsbesparingen kan företaget välja vilka åtgärder som ska göras och i hur stor utsträckning. En tidsbesparing på fyra sekunder innebär att gavelpressens cykeltid minskar med 12-13 % samtidigt som produktionskapaciteten ökar i samma takt.