MC稀释水型水力式流浆箱关键技术的开发

林美婵

(杭州美辰纸业技术有限公司,浙江杭州,310004)

MC稀释水型水力式流浆箱关键技术的开发

林美婵

(杭州美辰纸业技术有限公司,浙江杭州,310004)

介绍了三大类型流浆箱之一的水力式流浆箱的特性,重点介绍了MC稀释水型水力式流浆箱及稀释水横幅定量调节的关键技术。

稀释水型水力式流浆箱;布浆;匀浆;横幅定量

造纸机流浆箱按适应造纸机车速要求可划分为三大类型:①低速纸机用的敞开式流浆箱;②中速纸机用的气垫式流浆箱;③高速纸机用的水力式流浆箱(或称满流式流浆箱)。目前这三大类型流浆箱中,前两个类型是我国已能自主设计、自主制造的产品,唯独水力式流浆箱没有我国自主设计的版本。

水力式流浆箱是随着高速夹网造纸机的诞生而发展起来的。水力式流浆箱的浆流充满箱体,喷浆速度可由上浆泵直接提供,箱体内采用固定水力学匀整元件,利用高速浆流通过变截面的湍流发生器,产生高强度的悬浮分散良好、稳定、全幅均匀分布的小尺寸高强度湍流的浆流,满足高速夹网成形器的要求。

由于水力式流浆箱能适应高车速、结构紧凑、高效、成纸匀度好,横幅分布均匀,表面平整光滑,不像匀浆辊流浆箱那样在超过流量的时候容易产生纵向分布。所以中速的长网纸机也日渐仿水力式流浆箱的匀整机理,研究设计适合其使用的水力式流浆箱。

随着造纸机成形部的技术提升,纸机车速的提高,水力式流浆箱已成为夹网纸机、长网纸机的关键产品。特别是 20世纪 90年代开发成功的配有稀释水横幅定量调节装置的水力式流浆箱成为当今最先进的产品。

随着我国造纸工业的发展,造纸机的车速在不断提高,门幅不断增大,对高速宽幅水力式流浆箱的需求也越来越大,依赖进口不但价格昂贵,而且核心技术也受到牵制。美辰公司从 2002年就开始在成功研制敞开式、气垫式流浆箱的基础上步入了水力式流浆箱的研发阶段。

水力式流浆箱的设计难点在于高速和宽幅。要把流体状的浆料均匀一致地喷射到宽幅、高速运行的网上是流体传输的难题,它涉及水力学原理、自动控制技术和大型精密机械的制造方法,所以研发目标定位在世界先进水平,必须从理论基础上全面掌握。为此,美辰公司建立了模拟实验室,购买了实验检测器材,制造了多个水力式流浆箱模型,对流浆箱的各种结构、参数、流态进行模拟验证。经过 7年的艰苦奋斗,终于在 2008年成功开发了MC稀释水型水力式流浆箱。下面介绍MC稀释水型水力式流浆箱的几个关键技术。

1 等压锥管布浆器的优化设计

等压锥管布浆器是纸幅横幅定量分布均匀的基础,现代高速造纸机绝大多数采用横向截面收敛的方锥管或圆形锥管等压布浆。如何设计横幅布浆压力一致的锥形布浆总管,计算是关键。通常的锥管计算是使用拜纳斯方程进行计算,这对于小尺寸的流浆箱而言没有问题,但是对于高速大幅面的锥管计算就力不从心,为此,美辰公司进行了模型试验,引入了修正参数,使计算出来的修正曲线更符合实际要求。同时,在制造锥管的时候采用多段线拟合曲线的方式,使计算优化的结果能充分地表现出来。

2 湍流发生器的设计制造

湍流发生器是水力式流浆箱的匀浆装置,作用是让从布浆器来的浆流得到高强度的微湍动以保持浆料悬浮分散并均匀一致地送至流浆箱的喷浆唇口以把浆流均匀一致地喷到网上。

湍流发生器由一系列异形截面的不锈钢管组成,湍流发生器的入口侧为圆形孔,出口侧为方形孔。运用水力学原理使高速浆流通过变截管时能量转换而产生高强度的微湍动,使浆流中的纤维悬浮分散良好,湍流发生器的管束几何参数和数量都需要认真地计算。

湍流发生器最大的难点在于制造,因为设计要求工件的几何尺寸非常准确,凡与浆料接触的壁面光亮平滑不挂纤维。这个要求对于不锈钢工件是很苛刻的,因为不锈钢很容易受热变形。为了达到设计要求,美辰公司与科研单位合作,研发了超塑成形技术,解决了异形管的内壁抛光和加工变形的难题,可以生产出一致性良好的异形钢管以满足流浆箱产品的需求。

同时,由于开发时候就是采用现代矩形结构的湍流发生器,因此,可以很容易升级为带有唇口漂片的水力式流浆箱,可以进一步优化成纸的匀度等物理指标。

3 稀释水横幅定量调节系统及智能稀释水阀门

3.1 稀释水横幅定量调节的技术关键

稀释水型水力式流浆箱是现在国际上公认的先进流浆箱。稀释水横幅定量调节的目的是最大限度地减少纸幅的横幅定量差。随着造纸机门幅的加大,车速提高以及各式夹网成形器的诞生,传统的用喷浆唇口几何尺寸变形调节横幅定量的方式已不能满足精度要求,尤其是高速夹网纸机结构紧凑,操作空间窄小,难以安装机械调节机构。另外,喷浆唇口几何尺寸变形也会使喷出浆流方向改变而产生横流,影响纸幅的纤维排列方向,而不同的纤维排列方向会使纸幅产生不同的收缩率,这对于有些特种纸如无碳复写纸等,要求成纸收缩率必须稳定一致,变形量一致,纤维方向稳定,用传统的微调装置是很难实现的。

20世纪 80—90年代,国外引入了对流浆箱横幅方向分区浓度调节的方法调节横幅定量,可以使成品纸张的横幅定量差比传统的方式减少 50%～80%。同时因为稀释水调节阀几何尺寸比较少,可以使横向调节间距减少至 60 mm(传统调节机构调节间距最少110 mm),调节精度进一步提高。

我国在 20世纪 90年代开始引进此类设备,但由于核心技术始终掌握在外国公司手中,我国技术开发一直很缓慢,仅仅处于表面模仿阶段,未能攻克其核心关键技术难关,所以性能指标、使用可靠性等远远落后于国外水平。

稀释水横幅定量调节系统的关键技术:①稀释水供应系统;②稀释水智能调节阀。

横幅定量调节所用的稀释水必须是造纸机网下的白水。如果用清水则会破坏供浆系统的浆水平衡,最终导致成形纸幅纵向定量波动。

稀释水供应系统作用是把经过白水筛的稀释用白水通过混合器与锥形布浆总管的浓浆尽可能均匀地混合后来实现局部浓度调节。如果不用混合器,直接把稀释水加入布浆总管之后的支管则会造成浆水混合不良而使成纸产生条印。

稀释水供应系统由白水筛、稀释水分布总管、稀释水加入支管和稀释水混合器组成。稀释水的加入点要选择在能保证稀释水与浓浆良好混合的时间和足够的混合空间。一般选择在流浆箱布浆器之后的布浆支管上。

稀释水调节阀作用是根据纸幅横向定量测量数值,经过计算后,提供适量的稀释水以调节局部的浆流浓度而调节定量。稀释水调节阀必须满足下列要求:

(1)稀释水采用造纸机网下的白水,虽经白水筛净化,但仍有固形物。因此,稀释水阀必须具有抗阻塞、防结垢、不挂纤维和填料的功能。

(2)要求调节阀精度很高,并且阀芯开度和流量变化值要呈线性关系。

(3)必须能采用电脑自动控制并可以与 QCS相连接进行横幅定量自动调节。

(4)为了提高调节精度、拉近调节距离,要求调节阀的体积小、易维修、易操作。

这种阀国内尚无产品,国内目前采用的稀释水阀是普通流体使用的球阀、闸阀、针阀等,采用手动或成品电动执行机构,由于稀释水横幅定量调节系统调节间距小,调节精度高,又与成纸的很多工艺参数的变化有关,手动调节机构远远不能满足要求,而采用成品的电动阀门执行机构,不但体积大、线路复杂、操作麻烦,而且调节精度低,再加上阀门间隙、机械结构的间隙等,通常连 1%的精度都难达到,而且,很多国内的企业采用的还是简单的通用执行机构,寿命短、调节死区大,效果就更难达到要求。

要实现稀释水横幅定量调节,必须开发智能型线性调节阀。美辰公司通过与高校合作,经过几年的试验研究,通过中试机台使用经验摸索,终于在国内首创了旋转式线性调节阀和智能型精密阀门电动驱动器。该阀采用矩形截面流道,具有良好的线性调节功能和抗阻塞功能,因无密封件,没逆向角度,所以不挂纤维填料。阀芯采用电脑控制下的精密驱动系统,而且阀芯与执行机构采用刚性连接,没有间隙,可以提供 0.1%精度的调节能力和高达 1/4000的分辨率,达到了使用要求。该阀在调节上因采用电脑智能驱动器,调节简单准确,所有阀门与上位机连接只需 1根电缆,而如果采用商品电动球阀,线路上百根,安装调节很繁琐。该阀体积小,可以使横向调节区间在60 mm左右 (机械微调机构调节区间宽在 120 mm左右),因而大大提高了横幅定量的调节精度。

3.2 稀释水横幅定量调节适用范围

稀释水横幅定量调节技术始创用于水力式流浆箱,水力式流浆箱特点之一是箱体内没有转动的匀整元件。具有转动匀整装置的匀浆辊流浆箱能否采用此套技术成为美辰公司的研究课题,实验采用有机玻璃材质分别制作了两个模拟试验模型:一台是水力式流浆箱,配有两排固定式变截面束管匀浆元件;另一台是气垫式流浆箱,配有两根转动式匀浆辊匀整元件。

稀释水用红色墨水,加入点位于进浆锥管之后的支管。观察颜料从加入点至流浆箱唇口的扩散情况,研究结果表明,水力式流浆箱的颜料从加入点到流浆箱唇口扩散宽度在 90 mm左右,色段平行,尺寸稳定。而气垫式匀浆辊流浆箱的红色墨水从加入点到流浆箱唇口,在转动匀浆辊的作用下已扩散至 250～300 mm,色段呈放射状,而且很不稳定,这说明匀浆辊流浆箱采用稀释水调节横幅定量的作用不大。

4 流浆箱喷浆速度自动控制

流浆箱浆料的喷射速度 (浆速)必须和造纸机成形网的速度 (网速)协调一致才能生产合格的成纸。水力式流浆箱喷浆压力来源于上浆泵的动压头,这个压力是造纸机车速和浆网速比的函数。由于车速快、变化快、浆流从流浆箱喷出到网上定形时间只有几分之一秒,在这样短的时间内要求纸幅的定量沿网宽均匀一致分布,必须要求喷出浆流的浆料沿网宽均匀悬浮分散,稳定一致,所以水力式流浆箱必须配备保证沿造纸机的全幅宽有均匀稳定的压力和协调浆网速比能力的装置。喷浆压力自动调节系统由测量传感器及电脑控制系统组成。流浆箱内的压力由位于唇板流道的压力变送器测量,控制系统把压力变送器的信号与设定点的信号进行对比,然后相应地调节上浆泵的速度,当浆网速比设定改变时,控制系统会自动改变流浆箱的压力来适应新的浆网速比,整个调节均为自动控制。

5 结 语

具有近代先进技术水平的MC稀释水型水力式流浆箱已成功地用在上海某厂的高速卫生纸机、东莞某厂生产箱纸板的高速叠网纸机以及河南某厂的薄型纸机上,均取得良好效果。

Research&Development of the Key Technology ofMC D ilution Hydraulic Headbox

L IN Mei-chan
(Hangzhou MCN Paper Technology.Co.,L td.,Hangzhou,Zhejiang Province,310004)

Headbox is the keypart forpaper for ming.Thispaper introduces the feature of hydraulic headbox.The key technologiesof Chinese domestic hydraulic headbox and base weight adjustment by dilution water are mainly discussed.

dilution hydraulic headbox;furnish distribution;furnish rectifying;CD basisweight

TS734+.2

B

0254-508X(2010)03-0056-03

林美婵女士,高级工程师;主要从事造纸机流浆箱的研究、设计、制造工作。

(E-mail:headbox@126.com)

2009-11-09

(责任编辑:赵旸宇)