Abstract This study focused on web forming at a 5–10% consistency range, termed Ultra High Consistency (UHC). The study continued work done by Gullichsen with his research groups (1981–2007) and combined it with the HC forming research done by Valmet (HC, 1999–2004). The hypothesis was that by utilizing a rotor to fluidize suspension and a wedge to eliminate the free jet and thus prevent reflocculation, web forming at UHC is feasible at commercial speeds. The research method was experimental. The bulk of the research was conducted at pilot scale. A new UHC headbox was designed and mounted on a pilot former. The key elements of the headbox are the rotor and the wedge. As fluidization forms the base for UHC forming, this was evaluated at the pilot former using image analysis. In addition, fluidization was studied using a laboratory-scale device. Besides basic paper analysis, X-ray microtomography and sheet splitting methods were utilized to analyze the sheet structure. The results show that forming is possible within the focus area, 5–10% consistency and machine speeds of 150–600 m/min, although the operation potential of the UHC former is even wider. The results demonstrate that the wedge is needed for successful UHC forming, but the rotor is not required, providing the flow rate is sufficiently high. This indicates that various forces induced by the flow itself can be adequate to fluidize suspension for forming. The critical Reynolds number of full fluidization was found to be 200–250. The Reynolds numbers were estimated utilizing the linear dependencies found between the apparent viscosity and consistency, using the maximum mean flow velocities inside the headbox, and neglecting the possible rotation of the rotor. The corresponding critical flow velocities at 10% consistency are 12 and 19 m/s for a eucalyptus and pine pulp. The velocities are on average 70 and 60% lower than those given in the literature (40–50 m/s). The results reveal that the fiber orientation of UHC sheets is planar, the floc size of the web increases with consistency, the internal bond increases linearly with the floc size, and the tensile strength appears to decrease with increasing floc size. In consequence, it is postulated that the increase in the out-of-plane strength at the expense of in-plane strength with the consistency increase results from a more flocculated structure. / Tiivistelmä Tutkimus keskittyi rainanmuodostukseen 5–10 % sakeudessa. Sakeusalue nimitettiin ultra korkeaksi (lyhenne UHC). Tämä työ jatkoi Gullichsenin ja hänen tutkimusryhmiensä tutkimustyötä (1981–2007) ja samalla yhdisti sen Valmetin tekemään suursakeusrainaustutkimukseen (HC, 1994–2004). Työn hypoteesina oli, että käyttämällä roottoria massan fluidisoimiseen sekä ns. wedgeä eliminoimaan vapaa suihku ja estämään jälleenflokkaantuminen, rainanmuodostus UHC-sakeudessa on mahdollista kaupallisissa nopeuksissa. Tutkimusmetodi oli kokeellinen. Pääosa tutkimuksesta suoritettiin koekonemittakaavassa. Uusi UHC-perälaatikko suunniteltiin ja asennettiin koeformeille. Perälaatikon pääelementit ovat pyörivä roottori ja wedge. Koska fluidisointi muodostaa UHC-rainauksen perustan, fluidisointia evaluoitiin koekoneella käyttäen kuva-analyysiä sekä tutkittiin lisäksi käyttäen röntgenmikrotomografia ja arkin halkaisu -metodeja. Tulokset osoittavat, että rainaaminen on mahdollista määritellyllä fokusalueella, 5–10 %sakeudessa ja konenopeudella150–600 m/min, joskin UHC-formerin toimintapotentiaali on vieläkin laajempi. Tulokset osoittavat, että wedge tarvitaan onnistuneeseen UHC-muodostamiseen, mutta roottoria ei tarvita, mikäli virtausnopeus on riittävän suuri. Tämä tarkoittaa, että virtauksen aikaansaamat voimat voivat itsessään olla riittäviä massan fluidisoimiseksi rainaamista varten. Täyden fluidisaation kriittisen Reynoldsin luvun havaittiin olevan välillä 200–250. Reynoldsin luvut arvioitiin käyttäen löydettyjä viskositeetin ja sakeuden välisiä lineaarisia riippuvuuksia, päävirtauksen maksiminopeuksia perälaatikossa ja jättäen huomioon ottamatta mahdollinen roottorin pyöriminen. Reynoldsin lukuja vastaavat kriittiset virtausnopeudet 10 % sakeudessa ovat eukalyptus- ja mäntymassalla 12 ja 19 m/s. Nopeudet ovat keskimäärin 70 ja 60 % pienempiä kuin kirjallisuudessa annetut (40–50 m/s). Tulokset osoittavat, että UHC-arkeissa kuituorientaatio on tasomainen, rainan flokkikoko kasvaa sakeuden kasvaessa, palstautumislujuus kasvaa lineaarisesti flokkikoon kanssa ja vetolujuus näyttäisi laskevan flokkikoon kasvaessa. Näin ollen esitetään, että sakeuden kasvaessa tapahtuva palstautumislujuuden kasvu tasolujuuksien kustannuksella johtuu flokkaantuneemmasta rakenteesta.

Dans ce travail, nous étudions le comportement rhéologique de suspensions concentrées de fibres non-browniennes. Dans un premier temps, nous avons élaboré de nouvelles méthodes expérimentales en géométrie torsionnelle plan-plan, pour mesurer la viscosité, les deux différences de contraintes normales, ainsi que les contraintes normales d'origine particulaire. Nous avons été en mesure d'apporter des résultats originaux qui ont été interprétés en termes d’évolution de la microstructure des suspensions de fibres. Les mesures de la viscosité en régimes stationnaire et transitoire ont permis de mettre en évidence l'importance de l'orientation et de l'effet du confinement sur la viscosité. Par ailleurs, nous avons obtenu pour la première fois des mesures indépendantes des deux différences de contraintes normales en géométrie torsionnelle plan-plan. Les mesures de la pression dans le fluide interstitiel nous ont donné accès aux contraintes normales particulaires et apporté une première mise en évidence expérimentale du phénomène de migration des fibres dans les suspensions non-browniennes. Dans un deuxième temps, nous avons établi deux modèles théoriques qui tentent d'expliquer la rhéofluidification des suspensions de fibres concentrées par une compétition entre des forces adhésives entre fibres et les forces hydrodynamiques et qui proposent un scénario de formation et de destruction d'agrégats. Les résultats de ces modèles sont alors confrontés aux mesures expérimentales et rendent bien compte du comportement de la viscosité sur une large gamme de taux de cisaillement. / In this manuscript we investigate, both experimentally and theoretically, the rheological behavior of concentrated non-Brownian fiber suspensions. The experiments consist in developing new methods for measuring the viscosity, the two normal stress differences as well as the particle normal stresses, in torsional plate-plate geometry. We were able to bring original results that have been interpreted by the evolution of the microstructure of the fiber suspensions during the flow. The experiments in stationary and transient regime highlight the importance of fiber orientation and the effect of the confinement on the viscosity measurement. For the first time, the first and the second normal stress differences have been measured separately in a torsional flow. Furthermore, thanks to the measurement of the pore pressure in the suspensions, an estimation of the particle normal stresses has been carried out and, for the first time the phenomenon of fiber migration in non-Brownian suspensions has been evidenced. From a theoretical point of view, we developed two complementary models that tend to explain shear-thinning behavior in concentrated fiber suspensions by a balance between adhesive and hydrodynamic forces and propose a scenario for the formation and the destruction of aggregates. These models are then tested against experimental measurements in a wide range of shear rates.