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打浆工序及设备的影响因素分析与优化建议

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:(二)打浆的影响因素打浆的质量直接决定了纸产品的性能,影响打浆的因素通常比较多,主要包括打浆时间、打浆温度、打浆比压、浆料浓度、刀间距、设备特性、纸料pH值和添加物、纸料种类及组成等。一般情况下要求打浆温度不超过45℃,温度过高时应及时考虑采取降温措施。

打浆工序及设备的影响因素分析与优化建议

(一)打浆作用意义

经过制浆车间净化和筛选后的纸浆,并不适合直接用来造纸,首先必须经过打浆。打浆是一个物理过程,其主要原理是利用机械处理等物理方法来处理悬浮于水中的纸浆纤维,使其具有适应在造纸机上生产所要求的性能或特性,从而生产出能够达到预期质量的纸张,上述整个操作过程即为打浆。

纸浆未经过打浆其中还含有较多未分离的纤维束,这些纤维束表面光滑挺硬而富有弹性,纤维还有长有粗,缺乏必要的切短和分离,相互之间结合性能差,如果不加任何处理就用来抄纸,则在造纸机网上成形时就难以分布均匀,抄出的纸产品疏松多孔,表面粗糙,纸张硬度很低,不能满足使用要求。而经过打浆处理的纸浆生产出来的纸,则组织紧密均匀,强度较大,能够满足使用性能要求。

“三分造纸,七分打浆”,要获得纸张的预期性能主要依靠打浆,打浆属于一种复杂而细致的物理工艺过程。对于同一种浆料,随着其采用打浆设备、打浆工艺和操作的不同,其能够生产出多种不同性质的纸和纸板,而选用不同的纸浆,通过变化打浆工艺和操作,却能够生产出相同的纸品来。因此,为了获得纸张的不同性质和要求,选取合适的打浆方法,制定和掌握好打浆的主要工艺条件,认真执行操作规程,才能达到保证质量、提高产量、降低电耗和充分发挥设备效率的目的。

通常情况,打浆方式主要有四种,分别为长纤维游离状打浆、长纤维黏状打浆、短纤维游离状打浆、短纤维黏状打浆,而在实际生产中,四种打浆方式不可能截然区分开,其相互之间会不可避免的有一定程度的混合。不同的打浆方式只是表明打浆的方向,并不能表示打浆的程度,一般打浆的程度主要用打浆度来衡量。通常打浆度低于30°SR以下的浆料称为游离浆,而打浆度高于70°SR的浆料称为黏状浆,在30°~70°SR的浆料称为半游离半黏状浆,故而游离打浆方式打出的浆料不一定是游离浆。由此可见,不同的打浆方式应该采用不同的打浆方法,打浆方法主要受到打浆时间、打浆浓度、压力和设备的刀齿数量、刀齿厚薄等影响。

(二)打浆的影响因素

打浆的质量直接决定了纸产品的性能,影响打浆的因素通常比较多,主要包括打浆时间、打浆温度、打浆比压、浆料浓度、刀间距、设备特性、纸料pH值和添加物、纸料种类及组成等。这些因素即是独立的,其相互之间也存在内在联系,其中每个因素的变化不仅能够影响到其他因素,而且还会影响到打浆质量和产量,甚至影响到电耗。以下将对几个主要影响因素做出说明。

1.打浆比压

打浆比压是指单位打浆面积上所受到的压力,其计算方法如下:

式中:P —— 代表打浆比压,MP;

   F —— 代表磨盘磨区间或打浆机飞刀与底刀间的压力,N;

   A —— 代表磨盘磨区间或打浆机飞刀与底刀接触面积,m2

打浆比压决定了打浆效率,因此要保证打浆质量、缩短打浆时间、节约电耗的关键和重点是确定正确的打浆比压。其中,打浆比压的大小与刀间距有密切的关系,一般需要保持刀间距在2~3根纤维的直径距离,其大小能够通过打浆机的电流量来间接显示出来。所以,在实际打浆操作过程中,在其他条件一定的条件下,可以通过控制打浆电流的电流来控制刀间距,电流大,则刀间距小。

2.打浆浓度

打浆浓度可分为低浓度打浆、中浓度打浆、高浓度打浆,通常低浓打浆是指浆料浓度在10%以下,中浓打浆是指浆料浓度在10%~20%,高浓打浆是指浆料浓度在20%~30%甚至更高的浓度。

打浆浓度对打浆质量有极大影响。一般情况,当浆料浓度在10%以下,适当提高打浆浓度,进入转盘与定盘之间(飞刀与底刀之间)的浆料增多,有利于促进纤维间的挤压和揉搓作用,有助于纤维分散、润胀和细纤维化,同时,每根纤维多分担的压力相应减少,从而减少了纤维的切断作用。因此,低浓打浆范畴内,适当提高打浆浓度,适合于打黏状浆,可以提高产浆量,降低每吨浆的动力消耗,从而降低生产成本

高浓打浆与低浓打浆相比,低浓打浆时刀片与纤维直接作用,而高浓打浆时,浆料浓度高,磨盘间隙较大,磨浆作用不是靠磨盘直接和纤维作用,而是主要依靠磨盘间高浓度浆料的相互磨除、挤压、揉搓、扭曲等作用使纤维被打浆,更好地保持了纤维的长度和强度,但是高浓度打浆带来缺点是动力消耗比较大,纸张的紧度大,尺寸稳定性、不透明度和挺度均较差。(www.xing528.com)

中浓打浆能较好保留纤维自身长度,能有助于提高纸张强度,我国已进行了大量研究,并在生产中进行推广运用。中浓打浆与低浓打浆对比,打浆的能耗可以显著降低。根据有关实验结果,中浓打浆能够比低浓打浆取得明显的节能效果,阔叶木硫酸盐浆中浓打浆与低浓打浆的打浆效果对比见表3-5。

表3-5 阔叶木硫酸盐浆中浓打浆、低浓打浆的打浆效果对比

可见,从上表打浆能耗来看,与低浓打浆相比,中浓打浆吨浆打浆能耗降低了30%~35%(低浓打浆能耗为370kW·h,中浓打浆能耗为255kW·h),节能效果明显。

3.打浆通过量

打浆通过量对打浆质量有一定影响。在打浆浓度和打浆负荷不变的条件下,当打浆时浆料通过量增加,料浆通过磨区的速度就相应加快,这样使得每根纤维在磨区停留时间就缩短,受到打浆机会就少,打浆质量必然有所下降,但是,为了保证打浆质量而降低通过量,其电耗则会相应增加。所以,在实际生产过程中,在满足产量的情况下,首先作为控制打浆质量的主要依据是打浆负荷的大小,而其次作为控制打浆质量的辅助因素才是在小范围内适度调节浆料通过量。

4.打浆温度

在打浆过程中,因纤维与纤维之间相互摩擦产生了热量,纤维与磨片摩擦一部分机械能转化为热能,使浆料的温度升高。温度升高会促使纸浆纤维中水分外流,纤维的润胀程度下降,纤维变得挺硬难以分丝,不利于打浆,同时,温度升高也是因为机械能消耗过大,即耗电量过大,不利于节能。一般情况下要求打浆温度不超过45℃,温度过高时应及时考虑采取降温措施。

5.打浆设备特性

打浆设备对打浆质量有重要影响,其中特别是打浆机的磨盘的材质及齿纹对打浆的影响最大,通常打浆设备主要有槽式打浆机、圆柱磨浆机、盘磨机等。在打浆过程中,槽式打浆机的设备特性主要包括飞刀与底刀的厚度,飞刀与底刀安装时的倾斜角度和刀的材质等。目前,因槽式打浆机、圆柱磨浆机、锥形磨浆机等它们的飞刀和底刀均匀分布在曲面上,刀片的形状和布置从加工上很难有大的突破,故而限制了打浆工艺的发展,所以,盘磨机在造纸现代化自动化发展过程中得到比较广泛的应用。

盘磨机是一种连续打浆设备,连续打浆容易做到质量均一性、稳定性、提高劳动生产率,为自动化提供了技术基础,适应大生产发展的需要。盘磨机的设备特性主要包括齿宽、齿沟及深度、磨盘梯度、磨齿交角、挡贝等。在盘磨机打浆过程中,当确定好打浆工艺时,首先要选择好磨盘,通常来说游离状打浆宜采用薄刀,即磨齿宽较窄的磨盘,黏状打浆则宜采用厚刀比较合适,钢刀切断纤维作用大,而石刀最适合黏状打浆。

当前,随着材料科学的技术发展,有不少新型材料已经应用到了造纸设备上,对造纸工艺技术产生了重要的影响。例如,美国Beloit公司采用工程塑料磨盘磨浆取得良好的磨浆效果,要求工程塑料的弹性模量与纤维的弹性模量相近。这种硬质尼龙材料的韧性好,磨浆时对纤维的切断作用小,能有效地改进浆料的物理性能,提高成纸的强度和柔韧性,成纸的撕裂度、裂断长、耐破度和耐折度等与钢制磨盘相比均有明显提高,能节约电耗10%~40%。

(三)打浆设备

通常打浆设备主要分为间歇式和连续式两大类。间歇式主要是槽式打浆机,连续式主要有圆柱磨浆机、锥形磨浆机、圆盘磨浆机以及高浓度磨浆设备等,当前,现代打浆技术的发展方向是连续化、大型化、多用化、高效率、高浓化和集中自动控制。

间歇式主要是槽式打浆机,主要由浆槽、底刀、飞刀辊、刀辊升降加压装置等组成,其特点主要是设备占地面积大、电耗高(能耗大)、打浆效率低(产量低),同时还是间歇作业,操作不够方便,操作劳动强大,但是,槽式打浆机工艺适应性能很强,能处理不同性质的浆料,尤其适合对棉、麻等长纤维浆料的处理,目前基本逐渐被连续式打浆设备所取代,但在特种纸的打浆或者品种多变的中小型造纸厂中仍有少量一直被使用。

连续式打浆设备主要有圆柱打浆机、锥形打浆机、圆盘磨(盘磨机)以及高浓磨浆设备等。相比间歇式打浆机,连续式打浆机具有效率高、能耗低、设备外形小、占地面积小,便于高浓化、专用化和集中自动控制等优点。目前最常见的打浆设备是盘磨机(也称圆盘磨浆机),其重量轻、体积小、占地小,结构简单,操作方便,打浆的质量均匀,稳定性较好,耗能低,单位产量电耗小,相比圆柱打浆机能耗,采用盘磨机打浆能够节约25%~30%的电耗。盘磨机的设备特性主要包括齿宽、齿沟及深度、磨齿交角、磨盘梯度、挡贝等,在设计磨齿时,应根据原料的种类、制浆方法、成浆质量和生产能力等进行综合考虑。

盘磨机的关键部件是磨盘,其工作条件决定了它的材质不仅要耐磨蚀,而且还要有较高的韧性。磨齿的材质可以分为金属和非金属两大类,其中,制造磨片的主要材料是金属材料,主要有镍硬铸铁、高铬白口铁和不锈钢等,用金属材质制成的磨齿比较薄,可以在较大的比刀缘负荷下强烈切断棉、麻及针叶木等长纤维,是游离打浆最合适的磨齿材料,而不适合用于磨黏状浆的打浆。非金属材质主要有硬度较高的天然石、人造石陶瓷及高强橡胶等,非金属材质制作的磨盘齿面粗糙、空隙多且均匀,可以用来生产强度要求高、吸水性和变形要求不高的纸张,以达到高产、优质、低能耗和噪声小的目的,但是非金属材质制成的盘磨通常强度较差,磨损较快,寿命低,在高温高压下容易产生“爆刀”,即磨盘碎裂。

打浆连续化是打浆设备的发展方向,随着盘磨机的改进变化和发展,其使用范围不断扩大,不但能够用于各种浆料和各类纸种的打浆,而且还能够用来处理半化学浆、木片磨木浆和化学机械浆等,现在盘磨机已经成为了一种具有制浆与打浆双功能型的磨浆设备。

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