抄紙機のワイヤー管理と均一な紙厚維持のための最適技術

抄紙機ワイヤーの役割と品質への影響

抄紙機におけるワイヤーは、スラリー状の原料から水分を急速に脱水し、ウェブを成形する最初の接点として機能します。
この段階でワイヤー上にかかるテンションと均一な水分排出が確保されないと、後工程で補正しきれない厚さムラやピンホールが発生します。
さらにワイヤー表面の損傷や汚れは繊維の配向を乱し、マシン方向とクロス方向双方のプロファイルを悪化させます。
したがってワイヤー管理は、紙質・生産効率・設備保全コストを同時に左右する重要テーマです。

均一な紙厚を実現するための基本原理

紙厚の均一性は、原料配合の安定だけでなく、ワイヤーテーブルでの水切り勾配や振動特性に大きく関連します。
ウェブが均圧に成形されるためには、ワイヤー上の真空箱配置と負圧値が連動し、繊維が均一に沈降する環境づくりが必須です。

パピールウェブの均圧化

原液がワイヤーに乗った瞬間、衝撃流による乱流が発生します。
ここでデッキングプレートとフォーマードレインの角度を最適化することで、繊維が均一に分散し厚さ勾配を抑制できます。
機上での可視化には高速カメラや蛍光トレーサが有効で、流れ場を定量評価してCFD解析と突き合わせると改善ポイントが明確になります。

ワイヤーテンションの最適化

テンションが高すぎるとワイヤーの延伸により目開きが変化し、微細繊維が抜けやすくなります。
低すぎる場合はウェブがたるみ、クロス方向の紙厚ムラが顕著になります。
一般的にマシン速度800m/min級では、25〜35kN/mが推奨レンジですが、原紙坪量やワイヤー構造によって最適値は異なります。

ワイヤー管理の具体的手法

テンションモニタリングシステム

近年はレーザー式テンション計が主流で、非接触でリアルタイム計測が可能です。
測定値をPLCに取り込み、ロール負荷と連動させることで自動補正ループを構築できます。
設備投資は必要ですが、厚さばらつきの8〜12％改善例が報告されています。

ワイヤー洗浄とコンディショニング

樹脂やフィラーが目詰まりすると、水切り性能が急激に低下します。
オンラインシャワーは高圧水タイプとブラシ併用タイプがあり、運転条件により使い分けます。
洗浄圧を高めすぎるとワイヤーのワニスコーティングが剥離するため、0.8〜1.2MPaの範囲で段階洗浄を行うのが一般的です。

交換サイクルと廃番の基準

ワイヤー寿命は走行距離1500万〜2500万mが目安ですが、テンション履歴と洗浄頻度で大きく変動します。
厚さプロファイルのばらつきが±3σで2.0％を超えた時点を交換基準にする工場もあります。
廃番管理にはRFIDタグを取り付け、運転時間とテンション履歴を自動記録して可視化すると、交換タイミングを定量的に判断できます。

センサ技術とデジタルツインの活用

オンライン厚さ計とプロファイル制御

β線やX線を用いたオンライン厚さ計は、マシン方向2ms周期、クロス方向10mmピッチで測定が可能です。
測定データはマルチバリアブル制御に入力され、真空箱バルブやスクープウォーターのアクチュエータを自動補正します。
アルゴリズムとしてはモデル予測制御を採用すると、干渉要因の多い高速ラインでも安定的に紙厚を均一化できます。

データ分析とAI予測保全

IoTプラットフォームに蓄積したテンション・真空・厚さデータを機械学習モデルに投入し、ワイヤー損耗を予測する事例が増えています。
たとえば異常検知アルゴリズムを用いて、テンション分散がしきい値を超える30時間前に交換アラートを発報し、突発停止を回避した実績があります。
さらにデジタルツインを用いて、仮想ライン上で負荷変動をシミュレーションすることで、新グレード立ち上げ時の紙厚ばらつきを最小化できます。

ケーススタディ：生産ライン改善例

テンション均一化で歩留まり5％向上

国内大手製紙工場では、ワイヤー全幅に12点のテンションセンサを設置し、クロス方向テンションプロファイルを常時監視しました。
不均一領域を特定しロールクラウンとローディングを調整した結果、破抄発生率が月間42回から19回に減少し、歩留まりが5％向上しました。

新型ワイヤー導入による省エネ効果

ポリエステルモノフィラメントにナノシリカを含浸させた新型ワイヤーを導入したケースでは、水切り効率の向上によりプレス部スチーム消費が7％削減されました。
さらに目開き劣化が緩慢なため交換サイクルが1.3倍になり、年間コストを12％低減できました。

まとめと今後の展望

抄紙機におけるワイヤー管理は、テンション制御・洗浄・交換タイミングの最適化が三本柱です。
これらにセンサデータとAI解析を組み合わせることで、紙厚の均一化と総合設備効率の向上が実現できます。
今後はカーボンニュートラル達成の観点から、低抵抗ワイヤーやバイオマス複合材料の開発が進む見込みです。
またデジタルツイン技術が成熟すれば、原料ロスゼロのバーチャル試運転が可能となり、紙厚維持の最適化がさらに高度化するでしょう。