O secador Yankee é o coração de qualquer máquina de tissue. Quando a vibração e as variações de superfície Yankee se tornaram um mistério contínuo, depois de verificar todos os itens usuais, os problemas de moagem e operacionalidade podem muito bem ocorrer devido à metalurgia básica da cobertura de ferro fundido do secador.
John Holton
Em máquinas tissue, os danos de vibração em secadores Yankee de ferro fundido tornaram-se muito mais comuns nos últimos anos, com as vibrações sendo uma razão principal para o aumento da frequência de moagem do Yankee. O principal contribuinte para a maior vibração é a tendência à operação em umidades de carretel cada vez mais baixas, um meio comum da crescente maciez do produto. Nos Yankees propensos a vibrações, nos quais a moagem anteriormente ocorria normalmente em intervalos de 18-24 meses, conforme a manta do Yankee se torna mais fina, os problemas se tornam mais evidentes e a moagem pode se tornar tão frequente quanto a cada 6 meses.
Recentemente, realizamos novos estudos relativos aos padrões de desgaste de vibração e variações de superfície, incluindo o exame detalhado das propriedades dos metais da superfície de ferro fundido Yankee. A investigação envolveu a análise da superfície Yankee por métodos padronizados e a realização de fotomicrografias para determinar se havia alguma diferença entre as áreas que apresentavam desgaste e vibrações, em comparação às áreas que não estavam desgastadas. Isso nos deu uma nova compreensão interessante do mecanismo de uma iniciação à vibração e maneiras de evitá-la. Ao mesmo tempo, confirmou a utilidade dos revestimentos metálicos homogêneos na superfície Yankee.
EM PRIMEIRO LUGAR: O SISTEMA DE CONDENSAÇÃO. Quando houver áreas quentes ou frias na manta do Yankee, a primeira coisa que você sempre deve observar, naturalmente, é o sistema de condensação, já que ele é indiscutivelmente a fonte mais comum de início de vibração. Mas se você tiver analisado completamente o sistema de condensação e outras questões, tais como o crowning, e ainda encontrar problemas, estes podem ocorrer devido à própria metalurgia de ferro fundido. O ferro fundido é, por definição, um material não homogêneo. Em velocidades de máquina cada vez maiores e metas de umidade mais baixas, o ferro fundido, por sua própria natureza, pode se tornar uma limitação à produção.
O TIPO E O CONTEÚDO DO GRAFITE É FUNDAMENTAL. O objetivo principal deste estudo foi determinar se existem diferenças significativas nas características do grafite nas áreas de grande desgaste em comparação às áreas de baixo desgaste. Assim, nós realizamos uma análise aprofundada das formas na superfície de ferro fundido e na concentração de grafite. O grafite é necessário para reduzir o atrito e permitir que a lâmina de crepagem deslize sobre a superfície de maneira suave e uniforme. Normalmente, existem variações no tipo e na concentração dos flocos de grafite inerentes ao ferro fundido.
Como pode ser visto na Figura 1, as formas podem ser de flocos (Tipo I e Tipo II) ou mais nodulares, como no Tipo V e Tipo VI. Idealmente, desejam-se concentrações de grafite baixas e uniformes, com menos de 10% da área de superfície exposta, e todas as formações de Tipo I e Tipo II. Esse percentual observável não está relacionado à porcentagem de carbono pelo peso. O tipo e a concentração de grafite variam de acordo com a metalurgia e com a taxa de resfriamento do ferro fundido quando é formado. Se áreas do Yankee resfriarem muito lentamente, isto criará mais grafite de Tipo V e Tipo VI, que apresenta a tendência a ser arrancado da superfície pela lâmina, como pode ser visto na foto da Figura 2. Quando isto ocorre, esta área afetada do Yankee fica mais áspera, a área da superfície aumentada cria um revestimento orgânico mais tenaz, que também é um reconhecido contribuinte para o início da vibração.
O GRAFITE É IMPORTANTE POR DUAS RAZÕES: primeiro, ele tem condutividade muito baixa e assim as concentrações dos Tipos nodulares V e VI farão com que a área refrigere (Figura 3). Estas áreas aparecem como “fantasmas” na análise de infravermelho de alta velocidade, mesmo diretamente depois de uma moagem de Yankee. As áreas resfriadas criam uma área de baixa imediata, a pressão de aperto local também é baixa, o que torna difícil construir um revestimento orgânico Yankee robusto e protetor. Por sua vez, isso faz com que haja desgaste da superfície, aprofundando a área baixa, e o ciclo continua. Isto causará moagem para vibrações ou simplesmente moagem para a área de baixa criada, se a vibração não for iniciada. Em segundo lugar, o grafite também é importante porque fornece uma forma de lubrificação para a superfície.
Quanto maior for a concentração de grafite, menor é o atrito, o que melhora as características de vida útil e liberação da lâmina. A relação de concentração e fricção do grafite é linear, como pode ser visto na Figura 4. E a inclinação da curva de fricção se torna mais acentuada em ambientes úmidos, que é certamente o caso da fabricação de papel.
QUANDO OCORREM VIBRAÇÕES, A LÂMINA SALTA NA SUPERFÍCIE. Isso significa que ocorre alta pressão , seguida de baixa pressão. Como a lâmina salta longe da manta, ela apresenta contato de baixa pressão; conforme ela se encaixa de volta na superfície, ela entra em contato de alta pressão. Então, um único ponto baixo na manta do secador, que pode ser causado por variações de conteúdo de grafite, pode levar a vários pontos baixos (isto é, vibração) devido ao solavanco contínuo.
A vibração é um fenômeno de auto-propagação; conforme a lâmina escava um ponto, ela então se encaixa sobre o próximo ponto, e escava a área seguinte. E assim por diante. É como um efeito de tábua de lavar em uma estrada de terra: Em longo prazo, um único buraco pode causar milhas de efeitos de tábua de lavar.
DOIS ESTUDOS DE CASO. Como exemplo, em um Yankee em que nós trabalhamos recentemente, houve um problema ao ‘cavar’, o que significa uma área de baixa. O problema ocorreu desde o Primeiro Dia. Eles fizeram uma reconstrução de condensado, mas as áreas frias eram visíveis diretamente depois da moagem, mesmo após o sistema de condensação ter sido triplamente verificado por especialistas. Quando isso ocorrer, e todas as causas possíveis tiverem sido analisadas e uma resposta ou solução adequada não tiver sido encontrada, a vibração pode ocorrer devido à metalurgia da própria manta de ferro fundido e pela distribuição ou tipo do grafite.
Três áreas convexas, que foram históricas, foram analisadas juntamente com três áreas adjacentes e seis áreas aleatórias. Todas as três áreas convexas apresentaram concentrações muito altas de grafite (bem mais de 5%) e todos os flocos de grafite de Tipo V e Tipo VI (ver Figuras 5 e 6). Neste caso, a única solução razoável foi aplicar uma superfície metalizada em cima do ferro fundido. Este Yankee agora está funcionando bem a mais de 2000 rpm e sem o problema histórico de vibrações.
EM RELAÇÃO ÀS SUPERFÍCIES METALIZADAS, as aplicações mais comuns são de aços pseudo-inoxidáveis, que são mais duros e mais resistentes à vibração do que o ferro fundido. Estes revestimentos de metais pulverizados também são completamente homogêneos, em comparação ao ferro fundido, que certamente não é homogêneo. Além disso, a condutividade térmica é de cerca de apenas 25% da do ferro fundido, o que é bom, já que tem o efeito de distribuir a transferência de calor mais uniformemente para um melhor perfil. Devido a esta perda de transferência de calor, as máquinas limitadas de secagem com espessura restante de ferro fundido antes da avaliação devem considerar remoção do ferro fundido adicional para melhorar a transferência de calor, enquanto permanecendo ainda acima do ponto de avaliação.
Deve ser mencionado que os secadores Yankee em aço são metalizados com o mesmo tipo de material antes da entrega, porque o aço em si é frágil demais para a crepagem, e as taxas de desgaste seriam inaceitáveis. Esta é a razão fundamental pela qual os Yankees de aço são muito menos propensos a desenvolver vibrações.
OUTRO CASO EM QUE TRABALHAMOS FOI EM UM SECADOR QUE NUNCA SOFREU VIBRAÇÕES, mas estava enfrentando um problema com um padrão de marcação Yankee estranho e aleatório. A primeira conclusão é sempre – ‘temos que mudar o sistema de condensado’. E, na maioria das vezes, é o sistema de condensação”. E, na maioria das vezes, é o sistema de condensação, principalmente porque existem alguns com projetos pobres utilizados no passado e que ainda estão em uso em muitos secadores. Mas, neste caso, o sistema condensado estava bem. Esse estranho padrão de marcação (exemplo: área 5 na Figura 7) tinha aparecido diretamente depois de uma moagem de perfil, mesmo antes de a fábrica colocar qualquer papel na secadora.
Tão logo eles carregaram a lâmina, apareceram esses padrões. Assim, conduzimos nossa análise de grafite com padrão condicionante de Nital 2% e fizemos fotomicrografias dos padrões estranhos, bem como das áreas sem a marcação. Nós examinamos oito áreas marcadas e as comparamos a oito áreas adjacentes. Os resultados foram idênticos.
CONCLUÍMOS QUE A RAIZ DO PROBLEMA ERA UMA VARIAÇÃO SIGNIFICATIVA NO CONTEÚDO DE GRAFITE. Neste caso, era um nível muito baixo de grafite nas áreas marcadas, que cria uma condição de alta fricção, o que causou as marcas conforme a lâmina instantaneamente “furava”, porque não havia lubrificação suficiente para ela deslizar facilmente em toda a superfície. Sem explicar toda a ciência, a conclusão para ambos os casos é que, quando o secador fica mais fino, quando a umidade do carretel está baixa, a taxa de transferência de calor sobe. Então, os problemas se manifestam mais rapidamente a cada moagem consecutiva, já que há menos isolamento e a não-uniformidade se torna mais evidente. Nós estudamos muitos outros casos, mas estes dois exemplos podem lhe proporcionar uma ideia de como a forma, a uniformidade e a concentração de grafite podem causar problemas muito diferentes ao secador Yankee.
DEMANDAS MAIS ELEVADAS NOS ÚLTIMOS ANOS. Esses desvios metalúrgicos na manta de ferro fundido do secador provavelmente estiveram presentes nos Yankees por muito tempo. Mas somente nos últimos anos, como as velocidades e as demandas de secagem sobre o Yankee aumentaram, a natureza do ferro fundido em si tornou-se um fator limitante. Como fator correlacionado, é interessante notar que os secadores Yankee em aço recentemente se tornaram mais populares e estão funcionando bem. Uma vantagem conhecida é que o aço transfere melhor o calor em comparação a um novo Yankee padrão de ferro fundido. Isto não é porque o aço tem uma maior taxa de transferência de calor.
É simplesmente porque o aço é um material mais forte e, portanto, pode fornecer a necessária pressão de funcionamento com um cilindro muito mais fino. Como esses Yankees são metalizados, e Yankees metalizados têm uma superfície homogênea, a janela operacional para estas superfícies é muito mais ampla, os revestimentos orgânicos constroem mais uniformemente e a vida útil da lâmina é prolongada. É também a superfície preferida para a utilização otimizada de lâminas de cerâmica, sendo que muitas fábricas estão trabalhando com essas lâminas por três a seis dias.
CONCLUSÕES. Estas investigações de grafite nos levaram a concluir que, conforme a máquina acelera e as demandas de secagem aumentam, qualquer natureza não homogênea dentro do ferro fundido torna-se mais pronunciada. Isto aumenta o potencial para criar problemas de superfície, tais como as vibrações. O fato é que essas inconsistências são inevitáveis em ferro fundido, porque, em sua maioria, elas ocorrem devido ao processo de fundição, que não pode ser feito de forma absolutamente uniforme. Você nunca consegue perfeitamente o mesmo resfriamento ao redor o molde inteiro do Yankee. E, conforme as máquinas de tissue são aceleradas e impulsionadas sempre mais rápidas, as imperfeições e os problemas se tornam maiores.
OS NOSSOS ESTUDOS TAMBÉM CONFIRMARAM O VALOR DOS REVESTIMENTOS METÁLICOS NA SUPERFÍCIE YANKEE PARA QUE O YANKEE OPERE CONSISTENTEMENTE BEM. A metalização simplesmente fornece uma superfície melhor para fabricar papel. A princípio, a metalização foi utilizada como um meio de preservação de ativos, ou seja, se você colocasse um revestimento de metal, era possível operar sem avaliar o Yankee, manter os níveis de produção e evitar uma substituição cara. Mas como as pessoas aprenderam que estes revestimentos melhoram as operações, isso se tornou um investimento para melhorar o desempenho da máquina, em vez de simplesmente agir na preservação de ativos.
Se você tiver problemas misteriosos com a sua superfície de Yankee, e tiver verificado e eliminado as suspeitas mais comuns, pode ser hora de verificar a metalurgia. Se grandes variações de grafite estiverem presentes na manta de ferro fundido, a melhor solução pode ser metalizar a superfície, aumentando assim a janela operacional de crepagem, que é o grande benefício de uma superfície homogênea de crepagem.
Para obter mais informações, você pode contatar John Holton, por e-mail: john.holton@jaeger-inc.com