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L'INDUSTRIA DELLA CARTA COMPETE CON MAGGIOR EFFICIENZA E SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE

Le cartiere si evolvono: monitorando i processi migliorano efficienza e qualità, come dimostrano le ricerche su scambiatori di calore e casse d’afflusso.

L'INDUSTRIA DELLA CARTA COMPETE CON MAGGIOR EFFICIENZA E SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE

Contenere i costi e limitare l'impatto ambientale: sono queste le chiavi della competitività per le cartiere, che stanno dimostrando di sapersi rinnovare per far fronte alle difficoltà di questo periodo. Il settore si è infatti distinto per capacità di adattamento e reazione, compensando le limitate opportunità di crescita nei panorami più maturi con innovative soluzioni di automazione e digitalizzazione per ridurre i costi di gestione e aumentare la produttività. L'automazione degli impianti e delle operazioni incide positivamente sui costi di assistenza e manutenzione, che hanno ancora un peso rilevante in questo settore, e conseguentemente sui fermi macchina, che si riducono, evitando ingenti perdite delle produzioni. Innovazioni come i turni non presidiati e la manutenzione da remoto contribuiscono alle elevate prestazioni del comparto, ma l'industria della carta e della cellulosa è in prima linea in un'altra importante trincea dell'innovazione tecnologica: quella del riciclo.

Con oltre la metà della produzione delle cartiere europee che deriva da fibre riciclate e un tasso di riciclo dei materiali superiore al 70%, il segmento è all'avanguardia in queste pratiche virtuose dal punto di vista ambientale.

Dalla carta al cartone

Resilienza e adattabilità del segmento sono evidenti anche nell'efficienza con la quale molte cartiere sono passate dalla produzione bianca a quella marrone, ovvero dalla carta al cartone: l'acquisto di beni online è infatti prevalente rispetto all'utilizzo della carta per le comunicazioni e i materiali più resistenti adatti al packaging hanno conosciuto un forte incremento nella domanda. Utilizzando il loro storico know-how sulle fibre, le cartiere hanno sviluppato prodotti innovativi che rispondono alle diverse richieste del cliente, come il miglioramento di resistenza e praticità, e salvaguardano l'ambiente, per il quale si cercano da anni soluzioni alternative alla plastica.

In particolare lo sviluppo di materiali più leggeri, ancorché resistenti e compatibili con i sistemi di imballaggio automatizzati, contribuisce ad abbassare i costi di spedizione e le emissioni di C02 durante il trasporto. Anche i macchinari per la lavorazione della cellulosa si evolvono nel senso di facilitare queste produzioni.

Per mantenere la leadership non è però sufficiente ideare prodotti nuovi, bisogna anche garantire una qualità elevatissima ed essere competitivi dal punto di vista economico, motivo per cui l'analisi della produzione e il monitoraggio dell'attività rivestono un ruolo centrale nel settore.

Come si fabbrica un foglio di carta? Semplificando molto, il ciclo produttivo delle cartiere può essere riassunto nei seguenti sette passaggi:
  • Creazione della polpa cellulosica: le balle di cellulosa, ricavabili dalla carta da riciclare o dal trattamento del legname, vengono inserite in una macchina chiamata spappolatore (pulper) in cui il materiale viene disciolto in acqua, in modo che rilasci le fibre di cellulosa, e raffinato tramite aggiunta di candeggianti e battericidi. Infine vengono addizionate sostanze per migliorare le proprietà della carta come l'amido cationico per fissare le fibre, sostanze di carica per lisciare e opacizzare, la colla per permette all'inchiostro di fissarsi sulla carta e di resistere maggiormente all'acqua.
  • Grammatura della carta: la polpa viene inviata alla pompa di alimentazione (fan pump) attraverso una valvola di dosaggio che regola la grammatura della carta.
  • Distribuzione della sostanza: la sospensione dalla pompa di alimentazione manda la sospensione fibrosa, che per il momento è costituita al 99% di acqua, alla cassa d'afflusso (headbox), un contenitore metallico che ha la funzione di distribuire con la massima uniformità e regolarità la polpa sulla tela formatrice. La difficoltà di questo passaggio risiede tutto sulla stesura continua e perfetta della sostanza senza formare vortici, schiume, disuniformità di spessore e di distribuzione delle fibre.
  • Prima asciugatura: la sostanza stesa sulla tela formatrice, ovvero un nastro senza fine che ruota in continuo, viene asciugata tramite l'azione di cilindri, casse aspiranti e presse ad umido.
  • Taglio laterale e seconda asciugatura: il foglio è rifilato lateralmente così da ottenere dei bordi dritti ed uniformi; dopodiché viene fatto avanzare su di un nastro continuo fatto di feltro così da assorbire ulteriore acqua.
  • Essicazione: la carta viene fatta passare all'interno di cilindri essiccatori riscaldati tramite vapore ad alta pressione. Per evitare sprechi di calore questa parte della macchina è racchiusa in una cappa che regola la temperatura e garantisce il ricambio d'aria dalla stessa. L'aria in uscita dalla macchina solitamente è preriscaldata tramite una batteria a vapore e poi utilizzata per la ventilazione del reparto produttivo. Dopo questa fase il foglio ha un'umidità del 2-3%.
  • Calandratura e patinatura: il foglio prodotto è sottoposto a calandratura, ovvero un trattamento meccanico finalizzato ad aumentarne la lisciatura e la lucentezza, e a patinatura, un processo attuato applicando sulla superficie uno strato di rivestimento composto da pigmenti minerali e collanti che migliorano la stampabilità della carta.

Un potenziale da utilizzare: dati e manutenzione

Alcune aziende sono riuscite a crescere molto più di altre negli ultimi anni, questo in larga parte è senz'altro imputabile all'utilizzo più funzionale della totalità dei dati produttivi aziendali.

La filosofia dell'industria 4.0 e dell'Internet ofThings si basa proprio su questo, non solo raccogliere i dati e confrontarli con valori di guardia ma soprattutto monitorare gli andamenti di questi valori nel tempo, mettendoli in relazione con altre variabili così da scoprire possibili correlazioni e identificare problemi quando ancora sono in fase embrionale, facendo evolvere la manutenzione preventiva in manutenzione predittiva e avendo maggior controllo sul monitoraggio della qualità, tramite l'identificazione delle cause di un possibile errore.

È l'adozione di questo approccio unito ad una catalogazione consapevole guidata dall'esperienza nel settore che ha permesso ad alcune industrie della cellulosa di crescere come mai prima. Nel caso in cui si voglia migliorare o studiare un determinato aspetto del ciclo produttivo la prima cosa da fare è quindi procedere all'analisi dei dati già in possesso e, nel caso in cui non ve ne fossero, all'installazione di sensori atti al reperimento.

Molte aziende, per esempio, si sono dotate di sistemi di monitoraggio composti da sensori a telecamera capaci di misurare l'uniformità, l'orientamento delle fibre e la morbidezza della carta durante il processo produttivo. I dati raccolti da questi strumenti vengono utilizzati da sistemi di controllo qualità in grado non solo di identificare eventuali problemi ma soprattutto di risalire alle loro cause, attuando azioni risolutive.

La manutenzione predittiva negli scambiatori di calore

Uno studio condotto dai ricercatori Soualhi M., El Koujok M., et al. del Polytechnique Montréal nel 2020 applica i concetti della manutenzione predittiva e dell'analisi dei dati agli scambiatori di calore presenti nelle cartiere per la formazione di vapore. Queste attrezzature sono soggette a fenomeni indesiderati complessi, primo fra tutti l'aumento delle incrostazioni nel tempo, che portano ad una perdita di efficienza e un conseguente significativo innalzamento dei costi e delle emissioni.

Il dilemma da risolvere in questo caso non era soltanto dovuto al valore di efficienza al di sotto del quale fosse conveniente compiere la manutenzione ma soprattutto la stima del livello di incrostazione presente, così da calcolare il tempo dell'intervento manutentivo. L'approccio proposto dai ricercatori si basa sulla fusione di informazioni di diversi orizzonti di previsione per stimare il time-to-clean. L'impiego sinergico di una memoria a breve e lungo termine ha permesso l'adattamento di previsioni a lungo termine mediante accurate previsioni a breve termine utilizzando più modelli esogeni auto-regressivi non lineari. Questa fusione di modelli diversi non solo recepisce la variazione nel tempo della velocità di degrado dello scambiatore ma assicura anche una buona accuratezza dei risultati prognostici in entrambi gli orizzonti a breve e lungo termine per la pianificazione delle azioni di manutenzione. L'efficacia dell'approccio proposto è stata dimostrata con successo sui dati industriali reali raccolti da uno scambiatore di calore di una cartiera situata in Canada.

Modelli matematici per migliorare la qualità

In un altro articolo i ricercatori Pradeep K., Ray A.K. e Mitra R. dell'università di Roorkee in India hanno sviluppato un modello per il miglioramento della cassa d'afflusso. Nello studio si spiega che tramite un modello spaziale linearizzato a più variabili realizzato sui dati raccolti da sensori in linea è possibile regolare l'uniformità del materiale steso aumentando quindi la qualità della produzione sia in termini di spessore del foglio che come distribuzione delle fibre.

Il ruolo del fornitore di componenti

I fornitori sono chiamati a servire le esigenze dell'industria della carta con strumenti affidabili e performanti.

Vale tanto per i sistemi di controllo e automazione quanto per l'hardware, dove senz'altro R+W può dire la sua, anche perché vanta un notevole background, avendo tra la sua clientela alcuni degli operatori più importanti del comparto. Una presenza consolidata che ha permesso alla multinazionale tedesca di studiare nel tempo componenti sempre più sofisticati che ben si adattano ai macchinari per la lavorazione della carta, da quelli dedicati al tissue fino a quelli destinati alla lavorazione di fogli pregiati. Si tratta di macchinari che richiedono componenti intelligenti come i giunti R+W dotati di tecnologia AIC. Questa tecnologia è applicabile a numerosi prodotti R+W, come i giunti con allunga della serie ZA- ZAE, i lamellari della serie LP e i limitatori di coppia della serie ST. La tecnlogia AIC si avvale di sensori che vengono inseriti all'interno del giunto e che permettono di monitorare i parametri di funzionamento del componente. In questo modo il giunto è in grado di comunicare via Bluetooth con dispostivi mobili o con il computer che gestisce la macchina su cui lo si va a montare, permettendo così di avere un monitoraggio continuo dei dati relativi al suo funzionamento. Questi dati servono a monitorare la zona in cui è montato il giunto o che possono essere raccolti e incrociati con quelli di altri dispositivi presenti sull'impianto e utilizzati in ottica 4.0, apportando un contributo importante alla programmazione preventiva dei cicli manutentivi.

Le tipologie di macchinari usati nell'industria della carta lavorano a ciclo continuo, 24 ore su 24, in velocità e con carichi di lavoro importanti. Poterne gestire da remoto, prestazioni e monitoraggio è strategico per mantenere alta la produttività e la competitività dell'azienda.

R+W Italia è sempre a disposizione per fornire maggiori informazioni su tutta la gamma dei propri giunti, compresi naturalmente i giunti intelligenti AIC: gli esperti dell'azienda sanno ascoltare e comprendere le esigenze dei clienti, offrendo consulenze senza impegno e in tempo reale per identificare il giunto ideale di ogni progetto e rispondendo molto rapidamente anche alle richieste di preventivi.

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