Введение
Бумажная машина (или машина для производства бумаги) – это промышленная машина, используемая в целлюлозно-бумажной промышленности для производства больших объемов бумаги с высокой скоростью. Современные бумагоделательные машины основаны на принципах машины Фордринье, которая использует движущуюся тканую сетку для формирования непрерывной бумажной полотна путем фильтрации волокон из бумажной массы и получения непрерывно движущегося влажного слоя волокон. Этот слой сушится непосредственно в машине для получения прочного бумажного полотна. Базовый процесс представляет собой индустриализованную версию исторического процесса ручного изготовления бумаги, который не мог удовлетворить растущие потребности современного общества в больших объемах материала для печати и письма. Первая современная бумажная машина была изобретена Луи Николасом Робертом во Франции в 1799 году, а усовершенствованная версия была запатентована в Великобритании Генри и Сили Фордринье в 1806 году. Тот же процесс используется для производства картона на картонной машине.
A paper machine (or paper making machine) is an industrial machine which is used in the pulp and paper industry
to create paper in large quantities at high speed. Modern paper making machines are based on the principles of the Fourdrinier Machine, which uses a moving woven mesh to create a continuous paper web by filtering out the fibres held in a paper stock and producing a continuously moving wet mat of fibre. This is dried in the machine to produce a strong paper web. The basic process is an industrialised version of the historical process of hand paper making, which could not satisfy the demands of developing modern society for large quantities of a printing and writing substrate. The first modern paper machine was invented by Louis Nicolas Robert in France in 1799, and an improved version patented in Britain by Henry and Sealy Fourdrinier in 1806. The same process is used to produce paperboard on a paperboard machine.
История
До изобретения машины для непрерывного производства бумаги, бумагу делали поштучно, перемешивая суспензию бумажной массы в ёмкости и либо выливая её в тканевое сито, называемое бумагоформующей рамкой, либо опуская и поднимая бумагоформующую рамку из чана. Пока влажная бумага находилась на ткани в рамке, её прессовали для удаления излишней воды. Затем лист снимали и вешали на верёвку или деревянный стержень для просушки на воздухе.
Машина Фурдринье
В 1799 году Луи Николас Роберт из Эссонна (Франция) получил патент на машину для непрерывного производства бумаги. В то время Роберт работал у Сен-Леже Дидо, с которым у него возник спор о правах на изобретение. Дидо считал, что Англия – лучшее место для разработки машины, но из-за неспокойной обстановки во время Французской революции он не мог поехать туда сам, поэтому отправил своего зятя, Джона Гэмбла, англичанина, проживавшего в Париже. Через знакомых Гэмбл познакомился с братьями Сили и Генри Фурдринье, лондонскими бумажными торговцами, которые согласились финансировать проект. Гэмблу был выдан британский патент № 2487 20 октября 1801 года. Машина Фурдринье в процессе формования использовала специально сплетённую тканевую сетку конвейера (известную как «проволока», поскольку ранее она плелась из бронзы), где суспензия волокна (обычно древесины или других растительных волокон) обезвоживалась для создания непрерывного бумажного полотна. В оригинальной формовочной секции машины Фурдринье использовалась горизонтальная дренажная поверхность, называемая дренажным столом. С помощью Брайана Донкина, опытного и изобретательного механика, усовершенствованная версия оригинальной машины Роберта была установлена в 1803 году на бумажной фабрике «Фрогмор» в Апсли (Гертфордшир), а затем еще одна – в 1804 году. Третья машина была установлена на собственной мельнице Фурдринье в Ту-Уотерс. Фурдринье также приобрели мельницу в Сент-Ньотс с намерением установить там две машины, и процесс и сами машины продолжали совершенствоваться. Рядом с мельницей «Фрогмор» в Апсли Джон Дикинсон спроектировал и построил машину другого типа – цилиндрическую формующую машину в 1809 году. Томасу Гилпину чаще всего приписывают создание первой американской машины цилиндрического типа для производства бумаги на Брэндивайн-Крик (Делавэр) в 1817 году. Эта машина была цилиндрической формующей машиной. Машина Фурдринье была внедрена в США только в 1827 году.
Похожие конструкции
Из записей следует, что Чарльз Кинси из Патерсона, штат Нью-Джерси, уже запатентовал машину для непрерывного производства бумаги в 1807 году. Машина Кинси была построена местным мастером Дэниелом Соуном, и к 1809 году машина Кинси успешно производила бумагу на фабрике Эссекс в Патерсоне. Финансовые трудности и потенциальные возможности, возникшие из-за эмбарго 1807 года, в конечном итоге убедили Кинси и его спонсоров переориентировать фабрику с производства бумаги на хлопок, и ранние успехи Кинси в бумажном деле вскоре были упущены из виду и забыты. Патент Гилпина 1817 года был аналогичен патенту Кинси, как и патент Джона Эймса 1822 года. Патент Эймса был оспорен его конкурентами, которые утверждали, что Кинси был первоначальным изобретателем, а Эймс присваивал чужие идеи, подтверждая это тем фактом, что Дэниел Соун работал над его машиной.
Виды целлюлозы и их препараты
Растительные волокна, используемые для производства целлюлозы, состоят в основном из целлюлозы и гемицеллюлозы, которые имеют тенденцию к образованию молекулярных связей между волокнами в присутствии воды. После испарения воды волокна остаются соединенными. Для большинства марок бумаги не требуется добавление дополнительных связующих веществ, хотя могут быть добавлены добавки для повышения прочности во влажном и сухом состоянии. Тряпки из хлопка и льна были основным источником целлюлозы для бумаги до появления древесной целлюлозы. Сегодня почти вся целлюлоза производится из древесных волокон. Хлопковое волокно используется в специальных сортах, обычно в печатной бумаге для таких целей, как резюме и валюта. Источниками тряпок часто являются отходы других производств, такие как обрезки джинсовой ткани или вырезки из перчаток. Волокна для одежды получают из коробочек хлопка. В хлопковом поле длина волокон может варьироваться от 3 до 7 см. Отбеливатель и другие химические вещества удаляют цвет из ткани в процессе варки, обычно с использованием пара. Фрагменты ткани механически измельчаются в волокна, а затем, в процессе резки, волокна укорачиваются до длины, подходящей для производства бумаги. Тряпки и вода поступают в желоб, образуя замкнутый контур. Частью контура является цилиндр с режущими кромками (ножами) и ножевым столом. Вращающийся цилиндр многократно перемещает содержимое желоба. Постепенно, в течение нескольких часов, он разрывает тряпки на волокна и обрезает их до необходимой длины. Процесс резки завершается, когда смесь достаточное количество раз проходит через цилиндр при запрограммированном конечном зазоре между ножами и столом. Другим источником хлопкового волокна является процесс очистки хлопка. Семена остаются, окруженные короткими волокнами, известными как линтер из-за их короткой длины и сходства с ворсом. Линтер слишком короток для успешного использования в текстильной промышленности. Линтер, извлеченный из семян хлопка, доступен в качестве первого и второго отходов. Первый отход длиннее. Существует две основные классификации целлюлозы: химическая и механическая. Ранее для химической целлюлозы использовался сульфитный процесс, но в настоящее время преобладает крафт-процесс. Крафт-целлюлоза обладает более высокой прочностью по сравнению с сульфитной и механической целлюлозой, а отработанные химические вещества крафт-процесса легче восстанавливать и регенерировать. Как химическая, так и механическая целлюлоза могут быть отбелены до высокой степени белизны. Химическая целлюлоза растворяет лигнин, который связывает волокна друг с другом, и разрушает внешние фибриллы, составляющие отдельные волокна, отделяя их от сердцевины волокна. Лигнин, как и большинство других веществ, способных разделять волокна, действует как дебондирующий агент, снижая прочность. Прочность также зависит от сохранения длинных цепей молекул целлюлозы. Крафт-процесс, благодаря используемым щелочным и серным соединениям, стремится минимизировать воздействие на целлюлозу и некристаллическую гемицеллюлозу, что способствует связыванию, одновременно растворяя лигнин. Кислотные процессы производства целлюлозы укорачивают цепи целлюлозы. Из крафт-целлюлозы производят высококачественный картон и отличную печатную и писчую бумагу. Древесная масса, основной ингредиент газетной бумаги и компонент мелованной бумаги для журналов, представляет собой измельченную древесину, полученную на дефибрере. Следовательно, она содержит много лигнина, что снижает ее прочность. Измельчение дает очень короткие волокна, которые медленно стекают. Термомеханическая целлюлоза (ТМП) является разновидностью древесной массы, в которой волокна разделяются механически при достаточно высокой температуре для размягчения лигнина. Между химической и механической целлюлозой существует полухимическая целлюлоза, которая использует мягкую химическую обработку с последующей очисткой. Полухимическая целлюлоза часто используется для производства гофрированного картона. Прессованные тюки переработанной бумаги (обычно старый гофрированный картон) для небеленой (коричневой) упаковочной бумаги могут быть просто размолоты, просеяны и очищены. Переработка для производства белой бумаги обычно осуществляется на заводе по удалению краски, который использует просеивание, очистку, промывку, отбеливание и флотацию. Целлюлоза, очищенная от краски, используется в печатной и писчей бумаге, а также в салфетках, полотенцах и бумажных полотенцах. Ее часто смешивают с первичной целлюлозой. На интегрированных целлюлозно-бумажных комбинатах целлюлоза обычно хранится в высотных башках перед подачей в цех подготовки массы. Неинтегрированные предприятия используют либо сухую целлюлозу, либо влажную прессованную целлюлозу, обычно поставляемую в тюках. Тюки целлюлозы размачиваются в размолочной машине.
Операция
На этой бумагоделательной машине четыре основных секции. Формирующая секция превращает бумажную массу в основу для листов на сетке. Пресс-секция удаляет большую часть оставшейся воды посредством системы нипов, образованных валами, прижимающимися друг к другу, с помощью прессовых сукон, которые поддерживают бумагу и поглощают воду, выжатую при прессовании. Сушильная секция бумагоделательной машины, как следует из названия, сушит бумагу с помощью серии цилиндров, нагреваемых внутренним паром, которые испаряют влагу. Каландры используются для придания поверхности бумаги дополнительной гладкости и глянца. На практике каландровые валы обычно располагаются вертикально в стопке.
Формирующий участок или мокрый конец
Из загрузочного отсека машины запасы подаются в головной резервуар, обычно называемый "головным резервуаром" или бункер запаса, который предназначен для поддержания постоянного напора (давления) на волокнистую суспензию или запасы, поступающие к клапану веса основы. Бункер запаса также обеспечивает возможность выхода пузырьков воздуха. Консистенция целлюлозной суспензии в бункере запаса составляет около 3%. Поток из бункера запаса осуществляется самотеком и регулируется клапаном веса основы на пути к всасыванию вентиляторного насоса, где он вводится в основной поток воды, подаваемый к вентиляторному насосу. Основной поток воды, перекачиваемый вентиляторным насосом, поступает из отбельноводного резервуара или бака, который собирает всю воду, сливаемую из формовочной секции бумагоделательной машины. До поступления волокнистого потока из бункера запаса содержание волокна в отбельноводе очень низкое. Отбельновода постоянно циркулирует вентиляторным насосом через головную коробку и возвращается из проволочной ямы, а также из различных других резервуаров и бункеров, принимающих дренаж с формирующей сетки и вакуумный дренаж от всасывающих ящиков и валов для обработки влажной волокнистой массы. На пути к головной коробке целлюлозная суспензия может проходить через центробежные очистители, которые удаляют тяжелые загрязнения, такие как песок, и сита, которые разделяют комки волокон и удаляют крупный мусор. Вентиляторный насос в конечном итоге подает суспензию в головную коробку, независимо от наличия центробежных очистителей или сит. Назначение головной коробки заключается в создании турбулентности для предотвращения слипания волокон и равномерного распределения суспензии по ширине сетки. Древесные волокна имеют тенденцию притягиваться друг к другу, образуя комки, этот эффект называется флокуляцией. Флокуляция уменьшается путем снижения консистенции и/или перемешивания суспензии; однако, дефлокуляция становится очень затруднительной при консистенции выше 0,5%. Минимизация степени флокуляции при формовании важна для физических свойств бумаги. Существуют также машины с целыми секциями Fourdrinier, установленными над традиционной Fourdrinier. Это позволяет производить многослойную бумагу со специальными характеристиками. Они называются верхними Fourdrinier и производят многослойную бумагу или картон. Обычно это используется для изготовления верхнего слоя отбеленных волокон для нанесения на неотбеленный слой. Другой тип формовочной секции – цилиндрическая машина, изобретенная Джоном Дикинсоном в 1809 году, первоначально как конкурент машине Fourdrinier. Эта машина использует вращающийся цилиндр, покрытый сеткой, частично погруженный в резервуар с волокнистой суспензией на мокром конце для формирования бумажного полотна, обеспечивая более случайное распределение целлюлозных волокон. Цилиндрические машины могут формировать полотно при более высокой консистенции, что обеспечивает более трехмерную ориентацию волокон, чем при более низкой консистенции, что приводит к большей толщине (калибру) и большей жесткости в продольном направлении (MD). Высокая жесткость в продольном направлении полезна в упаковке пищевых продуктов, такой как коробки для хлопьев, и других коробках, таких как сухой стиральный порошок. Машины для производства бумаги для гигиенических целей обычно формируют бумажное полотно между сеткой и специальной тканью (фильтром), когда они оборачиваются вокруг формовочного цилиндра. Полотно отжимается с ткани непосредственно на сушильный цилиндр большого диаметра, называемый янки. Бумага прилипает к сушильному цилиндру и отслаивается с помощью скребка, называемого доктором. Машины для производства бумаги для гигиенических целей работают со скоростью до 2000 м/мин.
Секция прессы
Вторая секция бумагоделательной машины – это пресс-секция, которая удаляет большую часть оставшейся воды посредством системы нипов, формируемых валами, прижимающимися друг к другу с помощью пресс-сукон, поддерживающих бумажное полотно и поглощающих отжатую воду. Консистенция бумажного полотна на выходе из пресс-секции может превышать 40%. Прессование является вторым по эффективности методом удаления воды из полотна (после свободного водоотлива в формовочной секции), поскольку требуется только механическое воздействие. Количество пресс-валов, их расположение, а также тип и расположение используемых сукон зависят от сортов производимой бумаги и требуемых эксплуатационных характеристик машины. Исторически пресс-сукна изготавливались из шерсти. Однако сегодня они почти на 100% синтетические. Они состоят из полиамидной тканой основы с толстым слоем, нанесенным по специальной схеме для максимального поглощения воды. Прессы могут быть одно- или двухсуконными. Односуконный пресс имеет сукно с одной стороны и гладкий вал с другой. Двухсуконный пресс имеет обе стороны полотна в контакте с пресс-сукном. Нипы с одним сукном полезны при работе с гладким валом (обычно в верхнем положении), что придает полотну двухсторонность – верхняя сторона становится более гладкой, чем нижняя. Нипы с двумя сукнами придают шероховатость обеим сторонам полотна. Двухсуконные прессы предпочтительны для первой пресс-секции при производстве тяжелого картона. Простые пресс-валы могут быть валами с канавками или глухими отверстиями в поверхности. Более продвинутые пресс-валы – это валы с вакуумом. Это валы с перфорированной оболочкой и покрытием. Оболочка, изготовленная из металлического материала, такого как бронза или нержавеющая сталь, покрыта резиной или синтетическим материалом. Как оболочка, так и покрытие имеют сквозные отверстия по всей поверхности. Внутри вала с вакуумом установлен стационарный вакуумный короб для поддержки оболочки при прессовании. Механические уплотнения на торцевых поверхностях используются для соединения между внутренней поверхностью оболочки и вакуумным коробом. Гладкие валы обычно изготавливаются из гранитных валов. Длина гранитных валов может достигать 9 метров, а диаметр – 2 метра. Традиционные роликовые прессы сконфигурированы таким образом, что один из пресс-валов находится в фиксированном положении, а к нему прижимается второй вал. Сукна проходят через нипы пресс-валов и продолжают движение по петле сукна, обычно состоящей из нескольких суконных валов. Во время пребывания в нипе влага из полотна переносится на пресс-сукно. Когда пресс-сукно выходит из нипа и продолжает движение по петле, вакуумный короб, известный как Uhle Box, создает вакуум (обычно 60 кПа) в пресс-сукне для удаления влаги, чтобы при возвращении сукна в нип на следующем цикле оно не добавляло влагу в полотно. Для некоторых сортов бумаги используются валы с вакуумным захватом, которые используют вакуум для переноса полотна с сеточного стола на ведущее сукно в первом прессе или между пресс-секциями. Прессы с вакуумным захватом обычно имеют вакуумный короб с двумя зонами вакуума (низкий и высокий вакуум). Эти валы имеют большое количество отверстий в покрытии для прохождения вакуума из стационарного вакуумного короба через вращающееся покрытие вала. Зона низкого вакуума захватывает и переносит полотно, а зона высокого вакуума пытается удалить влагу. К сожалению, при достаточно высокой скорости центробежная сила выбрасывает воду, откачанную вакуумом, что снижает эффективность удаления воды. Прессы с вакуумным захватом также имеют стандартные петли сукна с Uhle Box. Однако конструкция пресса с вакуумным захватом существенно отличается, поскольку движение воздуха важно для функций захвата и удаления воды. Валы с регулируемым профилем (также известные как CC-валы) обычно являются прижимным валом в пресс-конфигурации. В пресс-валах имеются гидравлические цилиндры, которые обеспечивают отсутствие прогиба вала. Цилиндры соединяются с обувом или несколькими обувами для поддержания плоской формы профиля вала и компенсации естественного изгиба формы вала из-за нагрузки на края. Прессы с расширенным нипом (ENP) являются относительно новой альтернативой традиционным роликовым прессам. Верхний вал обычно является стандартным, а нижний – большим CC-валом с расширенным обувом, изогнутым по форме верхнего вала и окруженным вращающимся резиновым поясом вместо стандартного покрытия вала. Цель ENP – увеличить время пребывания полотна между двумя валами, тем самым максимизируя удаление воды. По сравнению со стандартным роликовым прессом, который обеспечивает содержание твердой фракции до 35% после прессования, ENP повышает этот показатель до 45% и выше, что позволяет значительно экономить пар или увеличивать скорость. ENP уплотняют полотно, тем самым повышая прочность на разрыв и некоторые другие физические свойства.
Секция сушилок
Сушильная часть бумагоделательной машины, как следует из названия, сушит бумагу посредством серии внутренних цилиндров, нагреваемых паром, которые испаряют влагу. Давление пара может достигать 160 псиг. Пар поступает в конец сушильной головки (крышка цилиндра) через паровое соединение, а конденсат удаляется через сифон, идущий от внутренней оболочки к центральной трубе. Из центральной трубы конденсат выходит через соединение на сушильной головке. Широкие машины требуют использования нескольких сифонов. В высокоскоростных машинах центробежная сила удерживает слой конденсата плотно прижатым к оболочке, и для перемешивания этого слоя и улучшения теплопередачи обычно используются турбулизаторы. Это делается по двум основным причинам: чтобы избежать загрязнения продукта железом и обеспечить коррозионную стойкость к различным химическим веществам, используемым в процессе производства бумаги. Нержавеющая сталь марки 316 является распространенным материалом, используемым в бумагоделательных машинах.