Paperikone

Paperikoneet ovat suuria, paperitehtaiden monimutkaisia yksiköitä, jotka tuottavat paperia. Ensimmäisen paperikoneen keksi vuonna 1799 ranskalainen Nicolas Louis Robert. Sen leveys oli 60 cm ja ajonopeus 9 m/min. Toinen varhainen paperikone oli Fourdrinierin veljesten ja John Gamblen Englannissa vuonna 1807 patentoima jatkuvatoiminen tasoviiraa käyttävä paperikone.
Maailman suurimmat paperikoneet ovat vuonna 2005 käynnistetty Stora Enson Kvarnsvedenin tehtaan PM12 leveys: 11300 mm ja nopeus: 2000 m/min ja vuonna 2007 käynnistetty UPM Plattling PM1, leveys: 11300 mm ja nopeus: 2000 m/min. Paperikoneiden valmistus on keskittynyt hyvin voimakkaasti lähestyttäessä 1900-luvun loppua. 1970-luvulla vielä Suomessakin oli neljä eri paperikoneiden valmistajaa, (Ahlström (Karhula), Valmet, Tampella ja Wärtsilä), kun nykyään maailmassa merkittäviä valmistajia ovat enää Valmet ja Voith. 
Paperinvalmistuksen nopeuden maailmanennätys syntyi maaliskuussa 2009 Rhein Papierin Hürthin paperitehtaalla Voithin koneella. Paperikone tuotti sanomalehtipaperia vuorokauden aikana keskimäärin 2 010 metriä minuutissa (121 km/h).
Paperikonetta ohjataan keskitetysti valvomoista. Rainanmuodostuksen menetelmät sekä koneiden rakenteet vaihtelevat valmistettavan paperilajin mukaan.

Paperikoneen toimintaan vaadittavat osatekijä

Paperinkoneen toimintaan vaaditaan huomattava määrä raakavettä (massan valmistus), sähköä, paineistettua vettä, alipainetta, paineilmaa, paineistettua höyryä ja öljyä. 
Paperikonetta käytetään sähköisesti joko yksittäiskäytöllä tai pääakselikäytöllä. Yksittäiskäytöllä tarkoitetaan, että paperikoneen jokaisen yksikön käyttövoima tuotetaan omalla sähkömoottorilla, kun taas pääakselikäytöllä paperikoneen eri yksiköitä käytetään yhdellä isolla sähkömoottorilla, koneen takana kulkevan pääakselin kautta, josta eri yksiköille johdetaan voima vaihdelaatikoiden välityksellä. Pääakselikäyttö on käytössä vain vanhemmissa paperikoneissa.
Alipainetta käytetään pääasiassa erinäisiin kuivaustoimintoihin koneen viira- ja puristinosalla (koneen märkäpää), painevettä koneen pyörimisvaiheessa mm. huopien ja viirojen pesuihin.
Paineilmaa käytetään koneen pneumaattisena ohjausjärjestelmänä. Se on myös työntekijöiden pääasiallinen työkalu mm. rainan pään viennissä ja siivouksessa.
Paineistettua höyryä käytetään paperirainan kuivatukseen kuivatusosalla.
Öljyä käytetään kiertovoitelujärjestelmissä ja hydrauliikassa.

Paperinvalmistuksen alkuvaiheet

Paperin valmistus alkaa monimutkaisesta prosessista, joka tuottaa paperimassaa. Massaa käsitellään muun muassa valkaisemalla tai lisäämällä lisäaineita haluttujen ominaisuuksien tuottamiseksi, esimerkiksi märkälujuus, kiilto, värisävy, painomusteen imukyky ym. Paperi muodostuu pääasiassa kuitujen välisten vetysidosten avulla, jotka syntyvät paperirainan kuivatuksessa.

Massa paperikoneen perälaatikolla

Paperimassa syötetään perälaatikkoon 0,2–1,2 % kiintoainetta sisältäväksi. Massa syötetään perälaatikon pumpun avulla neliöpainoventtiilin, joka läpäisee oikean määrän paperimassa lopputuotteen vaatimaa neliöpainoa vastaavaksi paperikoneen perälaatikolle. Perälaatikosta massavirta tulee spindeleillä ohjatun huuliaukon kautta viiran päälle tai kahden viiran väliin, riippuen viiraosan tyypistä. Viira tai viirat kulkevat erilaisten vedenpoistoelementtien yli, jolloin massassa olevasta vedestä poistuu noin 20 % ja massa muodostuu märäksi paperirainaksi, jossa kuidut on pyritty saamaan mahdollisimman konesuuntaisiksi perälaatikon ja viiraosan välisen suihkusuhteen avulla. Yleisimmät viiraosatyypit ovat tasoviira, hybridiformeri, kitaformeri ja sylinteriformeri. Viiraa tai viiroja poikittaissuunnassa ohjataan korkeapaineisella ilmalla ohjaavien ohjaustelojen avulla (kuten koneen myöhemmässä vaiheessa olevia huopia ja viiroja)

Paperirata paperikoneen puristinosalla

Seuraavaksi paperirata siirtyy puristinosalle pick-up telalla, missä paperi kulkee puristinhuopien avulla eri puristinosien telojen nipeistä. Puristinosan puristinyksiköitä on tavanomaisesti yhdestä neljään, useimmiten kolme. Puristinosan eri puristinyksikköjen välissä on yleensä vetoero, joka tarkoittaa jälkimmäisen puristinyksikön korkeampaa nopeutta. Teloja voi olla erilaisia, esimerkiksi kivi- (yleensä viimeinen nippi), taipumakompensoituja- (nipin muotoa, telaa taivuttamalla muuttava), ura- (vettä huovasta poistava) tai kenkäteloja (telan paksuutta muuttava). Telojen välissä vesi puristuu paperista huopaan. Puristinosan jälkeen paperiradan kuiva-ainetaso on 35–50 % riippuen valmistettavasta paperilajista. Teloja valmistetaan alihankintana ja Suomessa mm. Tevo Oy tekee ja huoltaa paperikoneen teloja.
Huopia voi olla monta yhdessä puristinyksikössä. Huopa puhdistetaan pesuaineilla ja painevedellä ja kuivatetaan imulaatikoiden avulla huovan kierrossa, jolloin se on taas valmis vastaanottamaan vettä. Puristimella pyritään saamaan riittävän suuri märkälujuus, jotta rainan siirto kuivatusosalle onnistuisi ilman katkoja. Vaikka tavoitteena on mahdollisimman suuri kuiva-ainepitoisuus, pyritään liian suuria puristinpaineita välttämään, jotta paperin riittävä paksuus säilyisi. Puristinosalla kuiva-ainepitoisuuden nousu yhdellä prosentilla vähentää kuivatusosalla höyrynkulutusta jopa neljällä prosentilla.

Sylinteri-, puhallus- ja infrapunakuivaus

Puristinosan jälkeen paperirata johdetaan paperikoneen huuvan sisällä olevalle kuivatusosalle, joita on erilaisia. Yleisin malli on sylinterikuivausmenetelmä, jossa paperi johdetaan suurien lämmitettyjen, kuivatusylintereiden (teräksestä valmistettujen telojen), pinnassa kuivatusviirojen avulla, jolloin vesi haihtuu. Kuivatusosalla on useampia kuivatusryhmiä joiden kuivatussylinterit ovat yleensä pintalämpötiloiltaan ryhmien kesken erilaisia. Näiden ryhmien välissä on myös vetoero.  
Paperikoneen kuivatusosan ensimmäiset sylinterit ovat toisinaan kylmiä eli ne ovat ilman sisään johdettua höyryä. Yleensä kuivatusosia on kahden tyyppisiä, yksi- ja kaksiviiraisia, joista ensimmäinen on nykyaikainen versio. Ensimmäisessä kuivatussylinterit on sijoitettu yläpuolelle ja alapuolelle imutelat, jossa paperiraina kulkee viiran ulkopuolella. Jälkimmäisessä mallissa on pelkästään kuivatussylintereitä, mutta yläpuolisilla ja alapuolisilla sylintereillä on omat viiransa, joten paperi ei ole tuettuna koko kuivatusosan matkalta, ja esimerkiksi paperin päänvienti muodostuu ongelmalliseksi suuremmilla nopeuksilla.  
Päänvienti tapahtuu pääasiassa paineilman avulla, siirtämällä viiraosalla kapealla vesisuihkulla leikattu paperiraina kuivatussylinterien laidassa kulkevien päänvientiköysien avulla. Sylinterit lämmitetään korkeapaineisella höyryllä, joka syötetään sylintereiden sisään. Vedeksi muuttunut höyry, eli lauhde, kerätään pois sylinteristä ja käytetään hyödyksi muissa tarkoituksissa. Sylinterikuivatusosa on selkeästi eniten energiaa vaativa osa paperikoneessa. Energian kulutusta kompensoidaan lämmöntalteenotolla.  
Paperia voidaan kuivata myös muun muassa monilla eri konstruktioilla toteutetuilla puhalluskuivatuksella tai infrapunakuivaimilla. Kaikille tavoille on kuitenkin yhteistä veden haihduttaminen paperiradasta ja höyryn johtaminen pois sen läheisyydestä. Kuivatusosalla sijaitsee monesti myös ns. välikalanteri.

Kiillotus ja päällystys

On-line-konelinjassa kuivatusosan jälkeen sijaitsee yleensä kalanteri, jolla paperi kiillotetaan  puristamalla ja telojen välisillä vetoeroilla kahden tai useamman telan välissä. Kalantereita on erilaisia riippuen ajettavan paperin lajista. Päällystettävissä papereissa kuivatusosan jälkeen sijaitsee yleensä konekalanteri ja päällystämättömien lajien jälkeen kuten SC (superkalanteroitu), multinippikalanteri. Sanomalehtikoneissa kuivatusosan jälkeen sijaitsee niin sanottu pehmeänippinen soft-kalanteri.
Päällystetyissä paperilajeissa konekalanterin jälkeen sijaitsee päällystysyksikkö. 
Päällystyksen jälkeen paperi kiillotetaan multinippikalanterilla.

Pakkaus rulliksi

Kun paperi on käsitelty halutunlaiseksi, se rullataan konerullaksi kiinnirullausyksikössä, jota kutsutaan myös popeksi. Rullan kasvettua riittävän suureksi, paperirata ohjataan toiselle tampuuriraudalle ja valmis konerulla, eli tampuuri, siirretään jälkikäsittelyyn. Konerullat saattavat painaa kymmenestä tuhannesta moniin kymmeniin tuhansiin kiloihin.

Jälkikäsittely

Konerulla siirretään jälkikäsittelyyn, joka voi olla esimerkiksi off-line-konelinjassa päällystysyksikkö, superkalanterointi, soft-kalanterointi tai pituusleikkaus. Kaikki konerullat leikataan pienemmiksi asiakasrulliksi pituusleikkurissa. Samalla poistetaan vialliset rainan osat ja jatketaan katkot niin että raina on yhtenäinen. Yleisimmät pituusleikkurityypit ovat kantotelaleikkuri sekä keskiörullain. Pituusleikkurin jälkeen rullat pakataan tai arkitetaan arkituskoneessa.

Paperikoneiden valmistus Suomessa

Suomen paperikoneiden valmistus alkoi toden teolla vuoden 1944 välirauhan ehtojen määrittäessä Suomen asevoimien miesvahvuuden maksimikoon. Tähän lukuun kuuluivat valtion aseteollisuuden työntekijät. Eduskunta muutti ne yhdessä käsittelyssä Valtion metalliteollisuudeksi, josta kehittyi Valmet. Sen Rautpohjan tykkitehtaan pääsuunnittelija Uolevi Konttinen, lujuuslaskenta-asiantuntija insinööri Miekk-oja ja yksi pikakoulutettu teknikko alkoivat suunnitella paperikoneita siten, että tykkitehtaan olemassa oleva valmistuskapasiteetti otettiin parhaiten käyttöön. Tämä oli Valmetin menestyksellisin haara, josta kehittyi Metso Oyj:n runko valtion myytyä 1997 osuutensa pois. 
Pitkälle 1960-luvulle Suomessa oli neljä konevalmistajaa: A. Ahlström Osakeyhtiö Karhulassa, Tampella Tampereella, Valmet Rautpohjassa Jyväskylässä ja Wärtsilä Sörnäisissä Helsingissä (myöhemmin Järvenpäässä), jotka kaikki kilpailivat keskenään. Vuonna 1969 Valmet, Tampella ja Wärtsilä solmivat toimialarationalisointina yhteistyösopimuksen, jossa Valmet keskittyi puupitoisten kirjoitus- ja painopapereiden, MF- ja SC-sanomalehtipaperin ja voimapaperin valmistamisteknikkaan, Tampella kartonkikoneisiin ja Wärtsilä puuvapaiden hienopaperilaatujen koneisiin ja jälkikäsittelylaitteisiin. Hienopaperikoneita valmistava Ahlström ei liittynyt sopimukseen. Wärtsilän paperikoneet siirtyivät Valmetille vuonna 1986. Ahlström kilpaili vuoteen 1987, kunnes myi paperikoneita valmistaneen Karhulan konepajan Valmetille. Muutenkin tilanne muuttui 1980-luvulla, kunnes vuonna 1992 Valmet Paperikoneet Oy oli Tampellan ostamisen jälkeen ainoa paperikonevalmistaja Suomessa. Myöhemmin Valmet ja Rauma Oy yhdistyivät, jolloin uuden yrityksen nimeksi tuli Metso Oyj ja sen paperiteollisuuden laitteisiin erikoistuneen osan nimeksi Metso Paper Oy. Valmet/Metso on hankkinut omistukseensa myös ruotsalaisen KMW:n, amerikkalaisen Beloitin sekä japanilaisen Mitsubishin paperikoneliiketoiminnat. Vuoden 2014 alussa Metso Paper irtaantui Metsosta ja uuden yhtiön nimeksi tuli jälleen Valmet.