全自動動態紙張抄片器的設計

張 鋒 韓鵬高,* 高致富 吳養育 李 軍

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙開發重點實驗室,陜西西安，710021；2.咸陽通達輕工設備有限公司,陜西咸陽，712000)

?

·抄片器·

全自動動態紙張抄片器的設計

張 鋒1韓鵬高1,*高致富1吳養育1李 軍2

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術及特種紙開發重點實驗室,陜西西安，710021；2.咸陽通達輕工設備有限公司,陜西咸陽，712000)

以紙漿懸浮液流過靜止成形網模型以及通道流模型為理論基礎,設計了一種全自動動態紙張抄片器。本文重點介紹了該設備的工藝流程以及關鍵部件的結構設計,該設備保證了模擬長網造紙機成形過程的真實性,實現了紙張成形過程引起的纖維取向。

抄片器；紙張成形；造紙機；工藝；纖維取向

(*E-mail: 1833691558@qq.com)

傳統紙頁成型器已被廣泛應用于各大型造紙廠、高校以及造紙相關的科研單位,幾乎是造紙科研人員必備的實驗設備。但傳統紙頁成型器不能模擬長網造紙機的成形工藝,為了解決上述問題,本課題通過對動態紙頁成型器的理論分析,以紙漿懸浮液流過靜止成形網模型以及通道流模型為理論基礎[1-2],設計了一種全自動動態紙張抄片器,以模擬長網造紙機紙張成形過程引起的纖維取向。本文重點介紹該設備的工藝流程及關鍵部件的結構設計。

1 工藝流程

本課題設計的全自動動態紙張抄片器模擬長網造紙機的配料、流送、成形、傳送、壓榨、干燥等工藝過程,機械部件主要由配料系統、成形系統、揭紙壓榨系統、鼓式干燥系統以及其他輔助系統組成,具體的結構組成如圖1所示[1]。

1.1 配料系統

全自動動態紙張抄片器的配料系統主要由供藥裝置、供漿裝置和混合裝置組成。

(1)供藥裝置

全自動動態紙張抄片器設立8組供藥裝置，每組供藥裝置主要由成組的藥品槽和攪拌器以及微量注射泵等組成,單獨為抄造過程提供化學品,每組的攪拌器由單獨的直流電機控制器控制。微量注射泵要求化學品的黏度低于200 mPa·s。

(2)供漿裝置

為滿足漿料混合抄造技術研究的需要,設立了3～6組漿料槽提供不同的纖維漿料。每組供漿裝置主要由漿料槽、攪拌器和漿泵組成,而漿泵允許的最大漿料濃度為4%。

(3)混合裝置

長網造紙機漿料的混合是在上漿前進行。但化學品添加過程需要保證混合時的濃度。研究表明,混合濃度為1%～4%時化學品的性能最佳[3- 4]。由于陰陽離子的相互作用影響化學品的作用效果,需要考慮化學品添加的先后順序。為了滿足上述特殊情況的應用場合,要求提前加入的化學品與纖維懸浮液在混合槽內混合,而要求后續加入的可以直接在成形槽中加入。

圖1 全自動動態紙張抄片器結構組成示意圖

圖2 全自動成形裝置示意圖

1.2 成形系統

全自動成形裝置是由成形槽、緩沖槽、橫向攪拌器、上下豎直方向可移動的成形網以及前、后閘板等組成,見圖2。成形槽回流端連接回流槽,回流槽中漿料通過回流漿泵返回混合槽,構成了回流系統。

(1)清洗系統

在紙張成形前需要清洗成形網、成形槽和混合槽等,清洗液為新鮮水。將成形網移動到最底端,打開閥門S2,關閉其余閥門,向緩沖槽中不斷注入清水,反向沖洗成形網。從成形網溢流出的水進入溢流槽后排走。同時,關閉前閘板,向混合槽中注入新鮮水,向混合槽鼓入空氣,進行充分攪拌清洗。隨后,打開閥門ES2,從混合槽向成形槽中注水,加大攪拌器攪拌速度,清洗成形槽。隨后移動成形網到最頂端,同時打開前、后閘板以及閥門S1,從緩沖槽底部和混合槽兩個方向同時注入新鮮水,清洗成形槽及成形流道。清洗完畢之后,將最后在緩沖槽中的清洗水直接從閥門S10排出,防止污染白水。

(2)成形系統

紙張成形過程的流程為：關閉脫水閥S3和前閘板,打開成形槽后閘板和閥門S9,關閉閥門S1,通過白水循環泵給緩沖槽供給白水至回流端有溢流,溢流出的白水經過閥門S9回到白水槽,關閉閥門S4。此過程為緩沖槽提供白水,保證了抄造過程中的白水濃度。同時,打開閥門S5給混合槽供給一定量的白水,稀釋纖維懸浮液,添加化學品，在混合槽混合后進入成形槽,先后經過恒壓槽和穩壓槽。穩壓槽內有垂直于紙張方向的橫向攪拌器,勻速旋轉攪拌,保證纖維始終處于湍動狀態,防止纖維絮聚,提高成紙勻度。關閉電磁閥ES2,打開電磁閥ES1,給恒壓槽提供恒定的壓力,待成形槽液面穩定之后,打開前閘板,紙漿懸浮液在一定時間內流過成形網進入回流槽中,使得成形槽流道內懸浮液流速均勻,保證了漿網速差的穩定性,為模擬長網造紙機成形紙張的均勻性和纖維取向奠定了基礎。隨后快速關閉前、后閘板,同時快速打開脫水閥S3,使得紙漿懸浮液通道流瞬間脫水形成濕紙幅,該過程保證了紙張定量是由紙漿濃度與噴漿厚度所決定。在脫水期間,根據設置好的脫水真空度調節脫水閥門S3開度,保證紙張抄片器的成形脫水過程類似于長網造紙機。待漿料成形完畢后,關閉電磁閥ES1。待脫水完成后,關閉脫水閥門S3,在成形網上形成的濕紙幅干度為20%左右,等待下步操作,可以保證所抄紙張的細小組分含量與長網造紙機相似。

(3)白水循環系統

成形過程中白水通過白水循環系統添加到混合槽,與漿料進行混合；為了保證白水濃度不變,在成形前向緩沖槽注滿白水,溢流出白水也返回白水槽,更加符合工業實際操作過程。因此,可在白水槽底部取樣,對漿料的濾水性能和留著率進行測試。

1.3 揭紙壓榨系統

揭紙壓榨系統為真空吸附轉移過程,被稱為吸移。其主要零部件有上伏壓板、下伏壓板和無桿氣缸傳動等,其結構如圖3所示。濕紙幅在成形網上成形之后,成形網向下移動一定距離,打開電磁閥EV6和EV5,由無桿氣缸帶動上伏壓板進入成形槽底部,成形網向上頂起,成形網與成形槽流道之間形成機械擠壓面,對濕紙幅進行第一次機械擠壓脫水,濕紙幅干度35%左右。隨后,打開電磁閥EV2,對上伏壓板抽真空,克服濕紙幅的重力和成形網對濕紙幅的張力,將濕紙幅黏附在上伏壓板下表面。隨后成形網下沉,關閉電磁閥EV5,打開電磁閥EV1,無桿氣缸帶動上伏壓板移出成形槽,到達傳動毛毯上方。將由下伏壓板頂起,在下伏壓板與上伏壓板之間再次形成機械擠壓面,對濕紙幅進行第二次壓榨干燥脫水,濕紙幅干度達45%左右。與此同時,關閉電磁閥EV2,打開電磁閥EV3,將上伏壓板下表面的濕紙幅揭到毛毯上,隨著傳動毛毯一起移動。

圖3 揭紙壓榨系統示意圖

1.4 鼓式干燥系統

全自動動態紙張抄片器的鼓式干燥系統主要是由烘缸、自動恒溫器、干毯裝置、揭紙板、傳動裝置等零部件組成,見圖4。濕紙幅隨著濕毛毯經過真空輥和壓榨輥,進入鼓式干燥系統。通過托輥與烘缸擠壓,將濕紙幅黏附在鼓式烘缸的表面。烘缸是采用電加熱水或乙二醇熱介質,其默認烘缸缸內溫度為125℃,也可以通過自動恒溫器進行調節鼓式表面溫度,最高溫度可達190℃。干毯裝置托附紙張達到一定干度后,將紙張從烘缸表面揭取到揭紙板上,得到一定干度的手抄紙張。

圖4 鼓式干燥系統組成示意圖

干毯裝置是鼓式干燥系統提高傳熱效率的一種方法,主要由干毯、導毯輥、張緊輥和校正輥等組成。該系統和毛毯傳送系統一樣,毛毯跑偏現象時常發生。為了保證全自動動態紙張抄片器的正常運行,如何簡單而又快速地實現自動矯正毛毯的跑偏現象也是鼓式干燥系統的必要條件。本課題采用交叉張緊矯正法來防止毛毯跑偏,其工作原理如圖5所示。

圖5 交叉張緊矯正法工作原理示意圖

毛毯張緊工作原理,在紙張抄片器工作時,通過電磁閥EV1給張緊氣缸供氣,抬高張緊輥、張緊毛毯；不工作時,則張緊氣缸并不頂起,保護毛毯使用壽命。干毛毯跑偏校正原理,當干毛毯跑偏時,干毛毯觸發位置氣動開關打開,給張緊輥的另一端供氣,降低該端張緊輥,校正跑偏毛毯。

1.5 輔助系統

全自動動態紙張抄片器的輔助系統包括真空系統、壓縮空氣系統、新鮮水系統、排水系統等。真空系統主要有紙張成形過程的真空脫水、上伏壓板轉移濕紙幅、下伏壓板轉移濕紙幅和濕紙幅傳送過程的真空干燥。壓縮空氣主要用于氣動攪拌、紙張轉移、氣缸和一些氣動調節閥。新鮮水供給系統主要用于稀釋漿料、干燥熱介質和清洗功能。

2 結構設計

根據紙張抄片器工作原理,對相關零部件進行設計,得出了全自動動態紙張抄片器的外觀模型,見圖6。全自動動態紙張抄片器的關鍵零部件有成形槽、伏壓板(包括上伏壓板和下伏壓板)和鼓式烘缸,下面針對這幾個關鍵部件進行結構設計。

圖6 全自動動態紙張抄片器的外觀圖

2.1 成形槽

成形槽結構設計如圖7所示。成形槽是由穩壓槽、恒壓槽、廣口流道以及攪拌裝置組成,穩壓槽和穩壓槽底部相連,恒壓槽底部與廣口流道相連。

圖7 成形槽結構設計示意圖

從紙張成形工藝流程來看,纖維懸浮液從混合槽中稀釋混合均勻后才進入成形槽中,如果能防止纖維絮聚,則纖維懸浮液的濃度就是均勻的。因此,為了防止纖維絮聚,特在成形槽中添加了橫向攪拌器,也可將其設計成小型勻漿輥。

由于纖維懸浮液在成形網上成形時,在紙機方向上相同位置處纖維受到的剪切力和脫水壓力相同。因此,把成形槽下端的成形流道設計成矩形流道,其流道上端無蓋。根據紙張抄片器成形機理可知,該結構設計既可保證纖維懸浮液水平方向的剪切力相同,又可實現紙張成形初期成形網平面內脫水壓力恒定。

該成形槽采用一個上下可移動的調節板(即前閘板)改變纖維懸浮液出口的大小,模擬了長網造紙機成形過程中的噴漿厚度,擴大動態紙張抄片器的適應性。

2.2 揭紙機構

揭紙過程指從成形網上將濕紙幅轉移到傳送毛毯上的過程,是動態紙張抄片器實現全自動抄造的關鍵技術之一。本課題采用吸移法[5],即用真空抽吸把濕紙幅抽吸至平面板上,移動平面板實現紙張的轉移。

上伏壓板裝置主要包括上伏壓板及其傳動裝置,其結構如圖8。上伏壓板是空腔容器,下表面均勻分布著2 mm×5 mm的小矩形。

圖8 上伏壓板示意圖

根據靜力學可知,上伏壓板的真空抽吸力由式(1)計算。

Fv=Pvsτk

(1)

式中,Pv為上伏壓板的真空度(Pa)；τk為上伏壓板下表面開孔率(%)。

上伏壓板給毛毯取紙時,根據靜力學知識可知：

FA=FM-G1-Ftv

(2)

式中,FA為空氣對紙張的作用力(N)；G1為第二次壓榨后紙張的重力(N)；FM為毛毯對紙張的吸附力(N)。

相對而言,濕紙幅的重力大于上伏壓板對濕紙幅的吸附力。然而,防止濕紙幅黏附在上伏壓板,可添加少量空氣,進行濕紙幅的轉移。

2.3 鼓式干燥

實驗室動態紙張抄片器的干燥過程需模擬烘缸干燥。

(1)工藝計算

烘缸干燥的原理是通過傳遞熱量實現蒸發水分。根據傳熱學可知,烘缸的傳熱方程見式(3)。

Qh=σhAΔnt

(3)

式中,Qh為濕紙幅得到的傳遞熱量(kJ)；σh為加熱蒸汽到紙張的總傳熱系數(kJ/(m2·h·℃))；A為紙張面積(m2)；Δn為加熱蒸汽溫度與濕紙幅溫度差(℃)；t為傳熱時間(h)。

烘缸干燥部傳遞到紙張中的熱量主要用于蒸發水分。因此,傳遞熱量與蒸發水量間的關系見式(4)。

q=CwΔnh

(4)

式中,q為干燥紙被水吸收的熱量(kJ)；C為水的比熱容(kJ/(m2·h·℃))；Δnh為濕紙幅溫度與100之間差值(℃)；w為動態紙張抄片器的進入烘缸干燥需要蒸發水的質量(kg)。

(5)

式中,c1為濕紙幅進入烘缸干度(%)；c2為成紙干度(%)。

將式(5)帶入(4)中,可得蒸發濕紙幅中水所需的熱量，見式(6)。

(6)

傳遞給紙張的熱量并不能全部被用于蒸發水蒸氣所吸收,還有一部分被紙張所吸收。因此,傳遞紙張熱量與蒸發水所需的熱量之間存在關系見式(7)。

Qr=τq

(7)

式中,τ為熱量傳遞系數。

把式(6)、式(7)帶入式(3)中,可得加熱所需時間為：

(8)

烘缸半徑、旋轉速度與加熱時間的關系見式(9)。

(9)

式中,n為烘缸旋轉速度(r/min)；β為干毛毯包裹烘缸的角度(rad)。

根據式(8)和式(9)可知,可以控制烘缸的旋轉速度來達到相同的紙張干度。

(2)鼓式干燥的結構設計

鼓式干燥器主要包括烘缸、電加熱裝置、旋轉接頭和傳動裝置,如圖9所示。為了在烘缸軸頭上安裝有加熱器和進出熱口,需要在烘缸軸頭安裝兩個旋轉接頭。

本課題設計的烘缸為不銹鋼鋼制烘缸,材料選擇為SUS316L不銹鋼,烘缸內直徑為500 mm,加熱方式采用電加熱。由于烘缸屬于壓力容器,其設計壓力為1 MPa,設計溫度為200℃。經過壓力容器壁厚計算[5],將烘缸壁厚取為10 mm。經圓筒體的應力校核計算可得,烘缸的最大允許工作壓力為1.3 MPa。

圖9 鼓式干燥器示意圖

3 結 語

本課題設計的全自動動態紙張抄片器采用漿料流過靜止成形網模型以及通道流模型,合理的結構設計很好地實現了模擬長網造紙機成形工藝,實現了實驗室手抄紙也具有纖維取向性,提高了模擬實驗的可靠性與準確性；設計出合理的工藝流程,使添加化學品以及白水循環過程更加接近于工業,提高了白水檢測的準確性；采用上伏壓板吸移以及無桿傳動技術,合理地實現了濕紙幅的轉移,成為實現紙張抄片器全自動控制的關鍵技術,從而提高了工作效率和再現率,避免了人為因素的干擾。除了上述優點外,還具有操作簡單、對實驗人員要求低的特點。

[1] ZHANG Feng, LIU Xiao-dan, GAO Zhi-fu, et al. Study on the Mechanism of Automatic Dynamic Sheet Former[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(1): 52.

張 鋒, 劉曉丹, 高致富, 等. 全自動動態紙張抄片器的理論探究[J]. 中國造紙, 2016, 35(1)： 52.

[2] Helmer R J N, Irvine M G, Raverty W D, et al. Development of an automated laboratory former for oriented sheets: Clayton 1[C]//Australia: 57th Appita Annual Conference and Exhibition. 2003: 1.

[3] GAO Zhifu. Study of key techniques for the automated dynamic paper sheet former[D]. Xi’an: Shaanxi University of Science and Technology, 2015.

高致富. 全自動動態紙張抄片器關鍵技術研究[D]. 西安： 陜西科技大學, 2015.

[4] M/K Systems Inc. “Accessories for the M/K sheet former, as well as other handsheet machines”[Z]. product information, (care of Hans Nilsson), 1997.

[5] GAO Zhi-fu, HOU Shun-li, ZHANG Feng. Design of Experiment Device for Displacement Digester Systems[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(6)： 57.

(責任編輯：馬 忻)

Design of Automatic Dynamic Sheet Former

ZHANG Feng1HAN Peng-gao1,*GAO Zhi-fu WU Yang-yu1LI Jun2

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,ShaanxiProvinceKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；2.XianyangTongdaLightIndustrialEquipmentCo.,Ltd.,Xianyang,ShaanxiProvince, 712000)

Based on the model of pulp slurry flows on the forming wire and the static channel flow model, a new type of automatic dynamic sheet former was designed. This paper mainly introduced the technical process and structure design of some key components.The equipment ensured the authenticity of simulating the forming process of fourdrinier machine, and implemented fiber orientation caused by the sheet forming process.

sheet former; formation of sheet; paper machine; process; fiber orientation

張 鋒先生，副教授；主要研究方向：制漿造紙設備與控制。

2015-10-25(修改稿)

韓鵬高先生,E-mail：1833691558@qq.com。

TS73

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.009

本課題由“咸陽通達輕工設備有限公司設備研發基金”資助。