造纸机特征及其改造

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本文作者：杨树忠作者单位：天津造纸厂有限公司研发中心

圆网造纸机从发明到现在经过了不断的改进和发展，1808年英国人迪克音逊（Dickinson)发明了圆网造纸机，最初用于生产单层纸，到1817年经过不断改造，增加了蒸汽加热回转型烘缸。美国在1817年从英国购入圆网纸机并安装在惠灵顿的造纸厂。圆网造纸机是当今世界上长网、圆网、夹网三大造纸机类型之一。我国在1918年从日本购进第一台带有4个圆网成形器和20个烘缸的圆网造纸机用于生产板纸并安装在苏州的华盛纸厂。据80年代统计，日本的圆网造纸机占总机台的38.8%，美国是31%；国际上虽然由于更先进的成形器的出现，圆网成形器似乎已经过时，但一家荷兰的纸厂在1989年还是建成了所有9个成形位置都采用圆网成形器的纸机，大约在同时英国一家纸厂也安装了类似的纸机。到1994年，我国的圆网造纸机约占总台数的80%，其总体水平主要是纸机门幅窄，车速低，纸页成形质量不高。现在我国生产卫生纸的企业除几家引进新月形成形器外，绝大多数厂家仍然以圆网造纸机为主；国内大部分的箱板纸厂也在使用圆网造纸机生产，但和国外先进的纸机相比还存在着很大的差别。为此，国内有条件的纸厂正在以长网造纸机取代圆网造纸机，但是圆网造纸机也有结构紧凑、占地面积小、造价和动力消耗低等优点，因此，在今后较长的历史时期内，圆网造纸机与长网造纸机将长期共存，关键在于我们应积极行动，改造现有的圆网造纸机，研究出适合我国国情和原料特点的圆网造纸机改造方案。圆网造纸机的湿部成形器是圆网造纸机的关键部件，现就有关圆网造纸机湿部成形器的结构特点及其改造方法论述如下。

1老式圆网造纸机湿部成形的特点和适用性

我国现存还没有改造的圆网造纸机，大部分是老式的圆网造纸机，圆网笼的大部分置于牛角道型浆槽内，湿部成形的特点是利用圆网笼内外的水位不同而产生压力差，浆料被吸附在网笼表面，当水排出后，随着网笼的转动，网面上的浆料开始形成纸层。浆料与网笼内的白水液位差越大，浆料与网面的吸附作用也越大，纸层也相应地加厚。如果液位差减小则吸附力就差，这时纸层也就减薄。圆网造纸机网笼的纸层成形过程基本上是一个过滤过程，网笼表面浆料中的白水排出流速与浆料的性质有关，也与液位的大小有关，运行中大量的白水从网笼两边排出，并不断地通过白水泵返回混合槽进行循环使用。网面的纸层，随着网笼的无端转动，利用软胶面伏辊被转移到不断运行着的毛毯上。老式圆网成形器，最典型的是逆流型和顺流型。逆流型的上浆与网笼运行方向是相反的，故纸页在最高浓度处开始成形，虽然可形成较厚的浆层，但这种成形存在着严重的缺陷和不足。因为网笼逆着浆流方向旋转，部分沉淀纤维连续地从网笼上被冲刷掉，形成“斑点状”的凝集纤维束造成纸页匀度差。这种纸机还因纤维成形具有独特的沉淀方式而带有方向性。在结构上，存在着网槽间的浆道深度大，浆流速度低，湍动强度低尺度大的特征，而且是不可控制的；因此在纤维高度絮凝的情况下形成纤维不良的纸层，加之成形弧太长，对已部分成形的纸层的强烈洗刷作用，使横幅定量分布不匀。这种成形器也有它的优点，由于逆流上浆，湿纸层疏松、表面常有竖立的细小纤维，有利于层间结合，更适合于生产板纸的中间层纸福，同时也有广泛的原料适应性，一次挂浆可以达到100g/m2以上。顺流型的上浆与网笼运行方向是一致的。上浆是在网笼下部的回转侧直接与网面接触。这一上浆方式在开始时，网面的吸附量很大。以后，随着吸附量的减少，浆料就开始处于易掉状态。当网笼再次进入浆料白水槽时，浆料又一次贯通网笼达到再次上浆。在结构上，网槽的弧形底部和网笼表面构成一个牛角道形的浆槽。牛角道的大小和形状对纸的质量影响很大。顺流型成形比逆流型成形有更好的匀度。但是，改进匀度与减少方向性是以降低纸层定量为代价而得到的，顺流式成形器最适合用于生产在定量约50g/m2以下的纸页。在多圆网造纸机上生产箱板纸时，最典型的用法是面层和衬层使用顺流型成形器以提供外观，芯层和底层则使用逆流型成形器以提供所需的厚度。

典型圆网造纸机的圆网湿部成形，在结构上存在着提高产量与质量的矛盾，这种矛盾主要表现在以下几点：（1）网笼的脱水区短，浆料打浆度略有提高就会使湿纸层滤水困难，导致网笼表面纸层水分过大，在伏辊处极易发生压花现象。（2）浆料上网，纤维呈定向排列，成纸的纵横强度比大。尤其在浆料流速慢于网速时，这种纤维定向性更加明显，同时严重影响纸张的匀度。（3）圆网造纸机在成形时，有洗刷和选分的特性。洗刷和选分的结果：无论顺流式还是逆流式网槽，入口端的平均纤维长度较短打浆度较高、而出口端纤维平均长度较长打浆度低。因此，顺流式成形器抄出的纸幅，网面细小纤维较多，毛毯面粗大纤维较多。逆流式成形器抄出的纸幅与顺流式正好相反，网面粗大的纤维较多而毛毯面细小的纤维较多。洗刷和选分现象是造成圆网机抄造的纸张有明显两面差的原因之一。（4）因离心力的作用，车速稍有提高网笼及伏辊处就会出现甩浆现象，因此，限制了车速的提高。老式圆网成形器其速度和成纸质量都受到限制，国内一般车速只有50~80m/min，质量定格在中低档。国内老式圆网造纸机大部分以生产瓦楞原纸、箱板纸、水果包装纸和卫生纸为主。与长网造纸机相比圆网造纸机仍存在着匀度不均、横幅定量不均、纵横强度比过大等多种纸病，所以高档文化用纸类多由长网造纸机来生产。

2圆网造纸机的改造

为提高圆网造纸机的成纸质量，我国早在五十年代针对老式的圆网造纸机成形器就进行了改造。天津造纸厂经过15次改造的圆网湿部成形器被称为“一五式圆网成形器”，它的最大特点是上网开始点在圆网的最下点，即在圆网内外压力差最小处开始上网，因而能减少纸页成形过程的选分作用，其缺点主要是由于一五式为水平方向上网，水平唇布下方常有泡沫积聚现象出现，影响正常上浆。营口造纸厂经改造后的成形器就是著名的“（小）活动弧形板成形器”。它是一种变形的顺流式圆网成形器，其特点是将固定弧形底部改为活动的可调节的弧形板，由定向弧和定速弧两部分组成，而流浆箱部分则与顺流式圆网槽基本相似。根据定速弧成形弧面的长短分为长弧面和短弧面两种。长弧面角度为50~60度，运行时，洗刷作用大，纸面较粗糙。短弧面角度一般为35~45度，上浆压力大，选分作用强烈，纸页两面差较大。一五式和活动弧形板式圆网成形器运行速度与顺流式和逆流式圆网成形器相当，也是50~80m/min。随着造纸技术的不断进步和发展，最近10年我国在圆网造纸机的改造上主要是采用压力喷浆成形器、压力成形器和改良活动弧形板式成形器改造老式的低速圆网成形器。国内老式圆网成形器的改造目标主要是改善纸张的匀度和质量、缩小纵横强度差、提高车速。

2.1改善匀度的措施

纸张生产的质量及其市场的适应性，往往跟匀度有关。匀度不仅影响产品的外观质量，而且还可影响其物理和光学性能。生产实践表明抄出匀度好的纸张注意以下两点是很重要的。（1）上网前纤维分散要好，减少絮凝，无横流和大的涡流。（2）上网的纤维要均匀的成形，这一点在现代的长网造纸机上是很好的，但是对于圆网机而言，旋转网笼的表面纤维层存在有洗刷和选分的特性，纤维在圆网笼上均匀的成形还无法和长网成形相比。因此，目前主要是借鉴长网造纸机上浆的成熟技术来改善圆网造纸机湿部纸页成形的匀度和质量。老式圆网成形器，大都使用单管布浆和最简单的隔板做整流元件，其特点是结构简单、制造容易、操作维修方便，但浆料产生的湍流尺度较大，整流效果差，容易产生纤维絮聚物。从理论上讲，为了更好地分散浆料悬浮液中的纤维絮聚物，湍动必须作用于每根单纤维，其湍动规模必须小于纤维的长度，也就是2毫米以下。这种规格的湍动，能够由浆料悬浮液穿过一个与它所要求的湍动规模相同的通道产生，也就是浆料穿过一个2毫米的缝隙就能够产生一个规模为2毫米的细微规模的湍动，但是现实生产中这种缝隙易被纤维堵塞，所以实现起来很困难。为了达到“纤维规格”的湍动，科研人员做了很多研究和测试工作，从发展上看，第一个代替隔板的是匀浆辊，而后是各种高效的布浆器和整流元件。通过设计良好的“湍动发生”元件可以做到增加浆料的湍动水平和湍动范围，高效的布浆器和整流元件能够产生高强度的微湍流，从而有利于分散浆料中的纤维絮聚物。这些高效的“湍流发生”元件在国内外的长网造纸机上得到了广泛的应用，而今圆网造纸机也在逐步地应用，近10年来长网造纸机上的一些提高匀度和质量的成熟技术在圆网机上的应用情况有如下几项。

（1）目前在改造后100m/min以上车速的圆网造纸机上，绝大多数都在使用锥管布浆器。早在60年代，在美国弗尼吉亚州的弗尼吉亚制浆造纸厂的实验室中进行了一项重要的研究工作。研究结果是制造出了一个锥形多管布浆器，该锥形管从纸机的一侧倾向另一侧，并以许多细长的小径支管把浆料送进流浆箱。这个带浆料回流的锥形多管布浆器，解决了以前管道进浆不能均布于纸页全幅的难题。尤其是在高车速的条件下多管布浆器的使用已是目前所有新兴流浆箱的共同特征。多管布浆器的设计要点是：①过度管长度推荐6～8倍的管径，流速在1.8～2.6m/s的范围之内。②锥管部分的设计参数国内外普遍采用拜钠斯方程及其修正直线法选定。③总管进口设计速度为2.6～3.1m/s。④支管和总管的加速比应大于1.5～3。⑤回流量通常按5%～10%考虑。

（2）我国在圆网造纸机湿部成形器的改造中，匀浆辊是第一个引进圆网造纸机上的整流元件，配合应用多管布浆器比隔板有较好的整流效果。最近几年，国内对老式圆网机的改造中约60%以上使用了匀浆辊整流元件，比改造前的纸张匀度提高很多。匀浆辊的整流依靠浆流进出孔辊的孔眼，受到收缩和扩散，使浆流产生湍动，浆料得以分散。但是匀浆辊在实际运行中也存在湍动尺度较大的问题，对整流效果有一定的影响，会使纸面产生浆道子，而且匀浆辊两端浆料流动不稳定，造成流浆箱边缘流动波动。浆料通过旋转的匀浆辊会产生一定的波动，经过一段距离才会消失，影响匀浆辊波动的原因很多，马尔当（Mardon）等人进行了这方面的研究工作。他们提出了一个在匀浆辊流浆箱上确定波动长度的公式，这个公式在国内外得到了广泛的应用。匀浆辊的波动长度是匀浆辊结构设计的关键，该公式表示如下。设计时，从匀浆辊到圆网网面的距离L要恰到好处。距离过长浆流湍动消失，浆料在上网后会形成大的浆团，使网上湿纸成形匀度恶化；L距离过短，浆流湍动波动仍较大时就上网，会把较大的波动带到网面上而使湿纸页产生浆道子，造成质量不良的纸张。实际的L距离要考虑到圆网纸机的车速、流量、浆种和纸种对L长度的影响，设计时一定要经过必要的修正后才能最后确定下来。

（3）理论上孔板具有与匀浆辊类似的整流效果，它使浆流加速，能产生相当大的压力降并使浆流产生强湍动，但在生产中发现孔板作为浆料的均布元件效果很好，而作为整流元件时则发现在两块孔板间产生横向流动的现象，有时还出现挂浆问题。因而一般流浆箱比较广泛使用旋转的匀浆辊而不使用孔板作为整流元件。

（4）阶梯扩散器在改造后的较高速度圆网造纸机上正在逐步使用。这些整流元件能够产生强度高且尺度小的微湍流，能够非常好地分散浆料中的纤维絮聚物，整流效果是显著的。而且这些整流元件都是非旋转机构，使得流浆箱没有转动部分，可以缩小流浆箱的体积且维修制造也方便。事实上阶梯扩散器还可以当做均布元件，而且效率也较高。为达到高强度和微尺寸的湍流，阶梯扩散器设计的关键参数是各阶梯段的内部浆流流速和结构尺寸，阶梯扩散器阶的大小决定了湍动规模的大小，而湍动的强度则与纸料的流速和通过阶梯时的压力降有关，压力降越大，湍动越大、湍动强度也越大；因此阶梯的结构尺寸和纸料通过阶梯的流速就决定了均布元件性能和分散纤维的效果。现在最新式的阶梯扩散器的内部浆料流速为：锥管内流速3.5m/s；第一段阶梯浆流速度是13.5m/s；第二段阶梯浆流速度是6.5m/s；第三段阶梯浆流速度是3.5m/s。

2.2提高车速的改造

圆网造纸机整台设备的速度受限于湿部成形器，这与长网造纸机不同，长网造纸机整台机的车速是由压榨和烘干部的能力决定的。运行时普通圆网造纸机抄纸车速受圆网网笼离心力的限制，当圆网网笼上产生的离心力与湿纸页在网上的重力相等时，称为圆网造纸机的临界速度，即圆网造纸机的最大车速。可用下列公式表示。为了直观地看到网笼直径和液面高度对临界速度的影响，我们把上述公式做成表1。分析表1我们看到：ф1000直径的网笼速度随液面的变化幅度是85～118m/min；ф1250直径的网笼速度随液面的变化幅度是99～142m/min；ф1500直径的网笼速度随液面的变化幅度是119～157m/min；ф1800直径的网笼速度随液面的变化幅度是140～173m/min；ф2000直径的网笼速度随液面的变化幅度是151～183m/min。网笼直径从ф1000增到ф2000，极限车速从118m/min增加到183m/min。但是，这只是理论上的可能性，而实际上老式的圆网造纸机的运行车速要比这个理论车速低很多。

顺流式和活动弧形板式圆网造纸机，在提高网笼的转速时，纸的匀度会变得很差，主要原因是网速提上去了而浆速上不去，造成严重的浆料冲刷，致使形成的湿纸页匀度不良和纵横强度差。老的翻浆板圆网槽是用浆位来控制浆速，对于顺流式和活动弧形板式圆网槽其浆速和液位的关系见表2。从表2可以看出以调节浆位的方式来提高浆速是有限的。目前国内改造的圆网造纸机，为了提高上网浆速，已经应用了压力喷浆式成形器和浆泵进浆的改良活动弧形板式成形器（改良活动弧形板式成形器只是在压力喷浆式成形器的前端唇板处增加了溢流并加宽了弧形板和网笼间的宽度）。目的是提高浆速和增加成形区的湿纸干度，与普通的圆网造纸机相比，车速可明显提高，一般可以达到100~120m/min，抄纸车速可以更接近于圆网造纸机的临界车速。有文献报道，压力喷浆圆网成形器的浆料是直冲网面的，浆易堵塞在网笼的内外网之间，难清洗，也影响浆料上网的匀度，纸幅上不时出现一条条的“水痕”、“透明点”等纸病，影响纸的外观质量；且压力喷浆出口离网面只有0.5~1mm，外网易磨损，网的使用寿命只有10~20天，频繁换外网，影响生产和产量。

从目前国内的圆网机改造实践上看，这种圆网机的改造，要想使抄速超过200m/min还是有困难的。因此必须依靠外加压力Λp来增加湿纸页的向心力，以抵消转动所产生的离心力。有外加压力的临界车速用下列公式表示。外加压力ΛP和临界车速的关系如表3至表7所示。分析表3至表7可以看出：外加压力的圆网液位对车速的影响很小，几乎可以忽略不计。提高网笼的直径对提高车速也是有限的，而外加压力ΛP的大小对提高圆网造纸机的临界成形车速影响最显著，增加ΛP值是提高圆网造纸机临界车速的最有力的措施。因此我国近几年来制造的卫生纸机大部分都使用了真空网笼来提高车速，整台造纸机实际运行车速可达到500m/min。改造后的生产箱板纸的圆网造纸机大部分也用上了压气圆网成形器（压力成形），这种成形器是一种用外部加压式代替真空的圆网湿部成形方式，它在圆网的上旋边，由贴在网上的湿纸页、网槽内的纸料液面、网槽两边的侧板和后板以及毛毯形成一封闭小室；由鼓风机送入空气使小室的压力保持40～50mm水柱，最高可达100mm水柱，除此之外和普通圆网造纸机成形器的区别就是使用了多管布浆器和匀浆辊以提高浆料速度。压力圆网比真空圆网简单而且易操作，车速运行在200～300m/min之间的圆网造纸机可生产出质量良好的纸张。

以上引用的计算临界车速的公式是在忽略了湿纸页对网笼的黏附力的条件下计算的网笼速度，如果在考虑到湿纸页黏附力的条件下，理论上网笼速度应该会超过我们上面的临界速度，但是要想在现实当中真正超过这个临界车速是有附加条件的。首先一点是网笼在以上计算临界车速的条件下运行，湿纸在网笼的脱水段将无法脱水，水跟着网笼转，部分水在经过伏辊时被甩到网笼与伏辊的外三角处；其二是不经过脱水的湿纸层经过伏辊时湿纸页会被严重压花。因此，在权衡了湿纸层黏附力和湿纸层脱水的状况下，笔者认为引用这个公式计算临界车速是合理的。但是临界车速计算的数据只表明网笼的速度，而湿纸页能否被正常地引到毛毯上，其毛毯的选型及伏辊的结构设计是很关键的。因此不要把网笼能达到的速度和正常湿纸页能否被成功地引上毛毯的速度相混淆，这一点在圆网机改造时应该特别引起重视。

3结语

我国目前改造的以生产书写纸和高档卫生纸为主的圆网造纸机，其进浆装置基本上由多管布浆器、阶梯扩散器、唇板装置组成。多管布浆器由不锈钢板焊接而成，内壁须经过抛光处理。唇板的构造被设计成：上唇板可作整体开度调节，也可分别进行微调，保证了横幅定量差的调节精度。微调装置采用差动螺杆结构，调节灵活方便。即使正在运行中的圆网造纸机，也能够容易地改变间隔，调节流速。刚性突唇由不锈钢整体模压为弧形，内表面作抛光处理，作为弧形罩盖与网笼共同成形上浆。网笼结构在生产高档卫生纸的圆网机上以真空网笼为主同时使用阶梯扩散器作为整流元件。生产书写纸的圆网成形器多采用直径ф1800mm片状网笼，其整流元件多用阶梯扩散器或匀浆辊。喷浆式、改良活动弧形板式和压气成形圆网成形器则多用于箱纸板的生产中，布浆整流元件主要以多管布浆器加用匀浆辊为主。