Теория, основы эксплуатации и регулировка работы бумагоделательных машин. Часть 4. Формование бумажного полотна

Во третьей части статьи рассматривался процесс обезвоживания на сеточном столе БДМ и принцип его работы. Поскольку же самому процессу формования полотна не было уделено достаточного внимания, остановимся на его основных особенностях более подробно.

Границы между формованием и обезвоживанием

До сих пор работу сеточной части мы рассматривали исключительно с точки зрения процесса обезвоживания, то есть удаления воды из бумажной массы в регистровой части и затем из уже сформованного бумажного полотна на отсасывающих ящиках и гауч-валу.

Суть же процесса формования в сеточной части заключается в получении бумажного полотна с однородной структурой, заданными свойствами и ориентацией волокон, реализуемого благодаря участию достаточно большого числа технологических операций.

Процесс массонапуска и обезвоживания на пакете грудной доски

Двумя главными показателями, от значений которых, практически на 50%, зависит качество реализации этого процесса, являются коэффициент массонапуска и величина первичного обезвоживания.

Как уже упоминалось в первой части статьи, коэффициент массонапуска (отношение скорости потока бумажной массы, вытекающей из напускной щели напорного ящика, к скорости движения формующей сетки) при выработке бумаги и картона на плоскосеточных БДМ и КДМ, как правило, составляет 0,96–0,98. При формовании же полотна между двух формующих сеток он может быть увеличен до 1,1.

Чем ниже значение этого коэффициента, тем в большей степени волокна будут ориентированы в машинном или в так называемом долевом направлении. Соответственно, и прочность бумаги в этом направлении будет выше, чем в поперечном.

Стандартное соотношение значений прочности бумаги в машинном и поперечном направлениях находится в диапазоне от 3 до 4 единиц. Его называют коэффициентом анизотропии. Однако существует и так называемая равнопрочная бумага, коэффициент анизотропии для которой близок к 1.

Важным фактором, определяющим качество формования, является угол падения струи бумажной массы, вытекающей из напускной щели напорного ящика. Обычно его значение составляет 3–5°, хотя в ряде случаев может быть увеличено даже до 20°. Это необходимо, когда требуется получать более пухлую бумагу.

Снижение плотности бумаги из-за увеличения угла падения струи обусловлено тем, что волокна ориентируются поперёк плоскости формующей сетки.

На рисунке 3 показаны основные параметры процесса массонапуска. Символом h обозначена величина открытия верхней губы напорного ящика. От её значения зависит расход массы, вытекающей из напорного ящика. Символом L обозначена величина горизонтального смещения нижней губы напорного ящика. Смещая нижнюю губу назад или вперёд, можно снижать или, соответственно, увеличивать угол падения струи.

Степень первичного обезвоживания настраивается в соответствии с видом выпускаемой продукции, как уже упоминалось во второй части данного материала. В общем случае чем выше масса 1 м², тем больше должна быть величина первичного обезвоживания. Обычно она составляет от 15 до 40%.

Для справки: как правило, для производства гофрокартона применяют бумагу и картон с массой 1 м² от 80 до 160 граммов. Выработка такой бумаги может осуществляться на одной и той же БДМ или КДМ.

Величина первичного обезвоживания зависит от следующих факторов:

1. Температура. Её изменение оказывает существенное влияние на реологические свойства бумажной массы. Так, при её увеличении в напорном ящике обезвоживание проходит быстрее, поскольку волокна хуже удерживают воду. Как правило, температура бумажной массы в напорном ящике составляет 50–60°C.

2. Композиционный состав. Легче всего обезвоживается макулатурная бумажная масса, так как вторичные волокна хуже удерживают воду, а также писче-печатные виды бумаги, в композиции которых предусмотрено большое количество минеральных наполнителей, используемых в том числе для улучшения печатных свойств бумаги. 

3. Расположение точки падения струи. Оно регулируется двумя способами — при помощи изменения горизонтального расположения верхней губы напорного ящика, а также за счёт перестановки пакета грудной доски ближе или дальше относительно нижней губы напорного ящика.

Чем ближе к передней грани пакета грудной доски падает струя бумажной массы, тем меньше будет величина первичного обезвоживания. Если расположить точку падения струи за передней гранью пакета грудной доски, это значение можно сократить приблизительно до 10%. Такая настройка применяется повсеместно при производстве бумаги из макулатурной массы.

Формование на гидропланках

Как уже было сказано, температура бумажной массы в напорном ящике составляет примерно 50–60°C. При её повышении вязкость бумажной массы снижается, а способность к обезвоживанию возрастает.

Ускорение обезвоживания обусловлено тем, что целлюлоза лучше набухает и насыщается влагой (гидратируется) при низких температурах. Благодаря снижению вязкости, флоккулы волокон легче разрушаются в зоне формования из-за воздействия знакопеременных нагрузок, создаваемых гидропланками.

Можно выделить две зоны воздействия гидропланок на бумажную массу. Первая — зона размыва слоя формуемого полотна потоком, отражённым от передней грани гидропланки. Вторая — зона обезвоживания бумажной массы под действием вакуума, создаваемого в клиновом зазоре.

Как ранее было сказано, угол наклона на первом пакете гидропланок должен быть минимальным и постепенно возрастать от пакета к пакету, а расстояние между пакетами должно быть равным или кратным.

Однако это далеко не все особенности компоновки пакетов гидропланок на сеточном столе. Дело в том, что активность бумажной массы в идеале должна иметь определённые значения на различных участках этого стола, достигая максимальной величины в середине зоны формования.

То есть если на сеточном столе установлено 8 пакетов гидропланок, то максимальный угол наклона должен быть приблизительно на четвёртом или пятом пакете. Далее угол должен снижаться, чтобы активность массы постепенно угасала. Придаваемые бумажной массе колебания способствуют разрушению флоккул и образованию равномерной структуры полотна.

Завершение процесса формования

На первых мокрых отсасывающих ящиках также может поддерживаться активность массы. Ранее, во второй части этой статьи , был описан принцип действия пакета низкого вакуума Varioline, предназначенный именно для поддержания этой активности. На последнем мокром отсасывающем ящике активности быть не должно.

После прохождения мокрых отсасывающих ящиков обезвоживание идёт либо на пакетах среднего вакуума, либо на сухих отсасывающих ящиках. На том участке сеточного стола, где появляется сухая линия, процесс формования завершается.

Скорость движения формующей сетки

Итак, качество формования напрямую зависит от скорости движения формующей сетки. При работе на большой скорости, в ходе выработки бумаги с наиболее низким граммажом, бумажной массе в зоне формования будут сообщаться знакопеременные нагрузки высокой частоты.

То есть и качество формования полотна может быть лучше, чем при выработке на более низкой скорости. Хорошо сформованное полотно обладает однородной структурой и равномерным просветом. При переходе на более высокие граммажи скорость движения формующей сетки снижается и активность массы падает. Однако это не означает, что бумага, вырабатываемая на сравнительно тихоходных машинах, будет иметь более низкое качество.

В итоге обезвоживание может происходить в двух режимах — фильтрации и сгущения. В первом случае оно осуществляется при низкой активности массы, когда не происходит разрушения волокнистого подслоя. Тогда волокна просто последовательно оседают, образуя волокнистый подслой, в котором они флоккулируют и через который осуществляется обезвоживание, выполняемое медленнее, чем в режиме сгущения. Качество формования полотна при этом может быть снижено. Степень удержания волокна и других составляющих бумажной массы выше, чем при обезвоживании во втором режиме.

При обезвоживании в режиме сгущения бумажной массе сообщаются колебания более высокой частоты, что позволяет разрушать волокнистый подслой, не допуская образования флоккул. В результате снижается степень удержания волокна и других компонентов бумажной массы, а скорость обезвоживания возрастает. Поэтому в данном режиме зачастую можно получить бумагу более высокого качества. 

Концентрация бумажной массы в напорном ящике

Снижение концентрации бумажной массы в напорном ящике даёт возможность повысить качество процесса формования, поскольку уменьшает вязкость массы и её склонность к флоккуляции.

Последнее обусловлено тем, что при разбавлении массы снижается число контактов между волокнами и качество формования повышается благодаря более успешному механическому разрушению флоккул как в самом напорном ящике при помощи валиков Венцеля, так и в регистровой части сеточного стола при формовании.

Существенным же минусом понижения концентрации массы является повышение расхода воды и, как следствие, увеличение нагрузок на водоочистные сооружения. Так, при снижении концентрации массы в напорном ящике с 1,0% до 0,5% расход воды, направляемой на отлив, повысится в два раза. Одновременно с этим происходит понижение степени удержания в массе волокна и наполнителя.

Степень удержания в сеточной части. Суть процесса обезвоживания заключается в отделении твёрдой фазы бумажной массы от жидкой. Твёрдые частицы, в том числе растительные волокна и минеральные наполнители, оседают на поверхности формующей сетки. Чем меньше содержание твёрдой фазы в подсеточной воде, тем выше показатель удержания.

Соответственно, под степенью удержания в сеточной части понимается соотношение между осаждённым на формующей сетке и ушедшим в подсеточную воду твёрдым веществом.

Данная величина вычисляется по формуле:

R= ((C%_н.я-C%_п.в.)/ C%_н.я)*100%

C%_п.в.— концентрация твёрдых веществ в подсеточных водах.

C%_н.я. — концентрация твёрдых веществ в напорном ящике.

В зависимости от различных условий (таких как вид волокнистого полуфабриката, скорость работы бумагоделательной машины, конструкция формующего устройства, применяемые химические вспомогательные вещества) величина удержания в сеточной части может сильно варьироваться.

Так, при выработке санитарно-бытовой бумаги с низким значением массы 1 м² степень удержания в 40% считается хорошим показателем. При выработке же бумаги или картона с высокими значениями массы 1 м² нормой является степень удержания порядка 90%.

Применение минеральных наполнителей в производстве бумаги

Основными компонентами, удержание которых рассматривают в контексте формования, являются волокна полуфабриката и минеральные наполнители, применяемые преимущественно при производстве писче-печатных видов бумаг.

Главные цели их использования — снижение себестоимости бумаги путём частичной замены дорогого волокна на более дешёвый наполнитель, повышение гладкости, белизны, придание бумаге лоска, повышение непрозрачности и улучшение печатных свойств.

На сегодняшний день применяют следующие минеральные наполнители: осаждённый карбонат кальция (PCC), природный карбонат кальция (GCC), каолин, гипс, тальк и некоторые другие. Количество наполнителя в бумаге может достигать 30%. Например, в офисной бумаге оно составляет около 20%. При этом в процессе обезвоживания на сеточном столе удерживается порядка 50% наполнителя.

Присутствие минеральных наполнителей оказывает влияние на многие свойства бумаги, например на её плотность, впитываемость, прочность и т. д. Поскольку размер частичек наполнителя значительно меньше размера волокон целлюлозы, они заполняют пространство между волокнами.

Бумага, содержащая большое количество наполнителя, легче поддаётся каландрированию, благодаря чему становится более гладкой и качественнее принимает на себя краски при печати.

В итоге повышается плотность и гладкость бумаги. Из-за того что частицы наполнителя пассивны к образованию связей с волокнами, механическая прочность бумаги снижается, так как они выполняют роль «распорок» между волокнами и не способны их связывать.

Серьёзным минусом использования большого количества наполнителя является значительное снижение срока работы формующих сеток, так как его абразивные частицы истирают нити, из которых состоят сетки.

Средний срок службы сеток может существенно разниться в зависимости от вида волокнистого полуфабриката, композиции бумажной массы и скорости работы машины и составляет в среднем от двух месяцев до одного года.

Применяемые волокнистые полуфабрикаты

В соответствии с ГОСТ 23646-79 волокнистый полуфабрикат — это материал растительного происхождения, подготовленный для производства бумаги, картона или последующей химической переработки.

На сегодняшний день целлюлозно-бумажная промышленность производит и потребляет множество различных полуфабрикатов. Основным сырьём для их получения была и остаётся древесина. Применяют сырьё как хвойных, так и лиственных пород. Поскольку полуфабрикаты имеют различную природу и их получают различными способами, они имеют разную способность к обезвоживанию и формованию.

Основным полуфабрикатом при производстве бумаги для гофрирования и бумаги для плоских слоёв гофрокартона является макулатура марки МС-56 (отходы производства и потребления гофрокартона). Такое волокно может быть повторно переработано до восьми раз. В ходе такой переработки оно постепенно роговеет.

Клеточная стенка вторичного волокна более тонкая, и оно хуже удерживает воду. В связи с этим макулатура обезвоживается значительно легче. Также, помимо ороговения, волокно при повторной переработке укорачивается. Из-за этого в макулатурной массе выше содержание коротких волокон, которые хуже удерживаются на формующей сетке.

Применяется также и полуцеллюлоза. Выход полуцеллюлозы при варке составляет 55–65%, в то время как для целлюлозы нормального выхода он составляет 40–50%. Поскольку данные волокна первичные, то и бумага, изготовленная из них, будет иметь более высокие прочностные свойства. Полуцеллюлоза обезвоживается не так интенсивно, как макулатура, а первичные волокна удерживаются на формующей сетке значительно лучше, чем вторичные.

Влияние природы волокна

Волокна, используемые в производстве бумаги, имеют различную природу и свойства. Полуфабрикаты обладают своей спецификой применения и особенностями. Это отражается как на свойствах производимой бумаги, так и на прохождении технологических процессов, связанных с её получением.

Хвойная целлюлоза. Средняя длина хвойных волокон составляет от 2,0 до 2,5 миллиметров. В производстве хвойной целлюлозы применяют следующие породы древесины: ель, сосна, пихта и лиственница. Из-за того что хвойные волокна существенно длиннее и толще лиственных, они образуют менее плотное бумажное полотно. Прочность бумаги, изготовленной из хвойной целлюлозы, несколько выше, чем у бумаги, изготовленной из лиственной целлюлозы. Самые прочные виды бумаги, например мешочную, изготавливают из небелёной хвойной сульфатной целлюлозы.

Лиственная целлюлоза. Средняя длина лиственных волокон составляет около 1,0 миллиметра. В производстве лиственной целлюлозы применяют преимущественно осину, берёзу и тополь. Лиственные волокна существенно короче и тоньше хвойных, поэтому при формовании они образуют более плотное полотно.

При производстве писче-печатных видов бумаги, помимо хвойной целлюлозы и наполнителя, в композицию добавляют по массе порядка 20–30% лиственной целлюлозы. Это позволяет увеличить непрозрачность бумаги, поскольку более короткие и тонкие лиственные волокна равномерно распределятся в структуре бумажного листа.

Макулатура. Главными особенностями данного сырья являются более высокая способность к обезвоживанию по сравнению с первичным волокном, а также несколько меньшая средняя длина и более высокое содержание коротких волокон. Это во многом обуславливает подбор формующих сеток.

Влияние дизайна формующих сеток на формование

В целлюлозно-бумажном производстве каждый конкретный вид формующих сеток, прессовых сукон и сушильных сеток традиционно принято называть дизайном.

Существуют различные виды дизайна формующих сеток: 1-слойный, 2-слойный, 2,5-слойный и SSB (структурно-связанные сетки). При этом сетки могут состоять из нитей различного диаметра. Слой нитей, контактирующий с бумагой, изготавливается из нитей меньшего диаметра во избежание оставления маркировки на бумаге. Слой нитей, контактирующий с валами и поверхностью обезвоживающих элементов, для повышения износостойкости изготавливают из нитей большего диаметра.

Однослойные формующие сетки обладают наибольшей пропускной способностью и удерживают волокна хуже, чем сетки другого дизайна. Такие сетки применятся реже всего.

Важным преимуществом двухслойных, 2,5-слойных и сеток SSB является более высокое качество формования по сравнению с однослойными. Благодаря тому, что они лучше удерживают волокна, концентрация волокон в подсеточной воде существенно меньше.

Хуже всего на формующей сетке удерживаются мелкие волокна. Таким образом, при работе с однослойной сеткой и коротким волокном бумага будет иметь меньшую плотность, чем при выработке с использованием двухслойной, 2,5-слойной или SSB-сетки. Это обусловлено тем, что короткие волокна заполняют пространство между длинными волокнами.

От диаметра нитей сетки зависит размер её ячеек. При большом диаметре размер ячеек крупный, а сетка характеризуется более высокой пропускной способностью. Такой дизайн называют открытым, и применяют такие сетки при производстве бумаги, в композицию которой входит первичная целлюлоза. Выбор обусловлен тем, что волокна целлюлозы лучше удерживаются на сетке и медленнее обезвоживаются.

Если слой сетки, контактирующий с бумагой, изготовлен из нитей малого диаметра, то и размер ячеек будет небольшим. Такой дизайн называют закрытым, и применяют такие сетки при получении бумаги с низкой массой 1 м² или в тех случаях, когда в композицию входит вторичное волокно. Выбор обусловлен тем, что в макулатурной бумажной массе присутствует большое количество мелких волокон, которые необходимо удерживать, а также более высокой скоростью обезвоживания макулатурной массы в сравнении с первичными полуфабрикатами.

Разносторонность бумаги

Разносторонность — это особенность бумаги, заключающаяся в разности её свойств с лицевой стороны и со стороны сетки (машинной стороны). Машинной называется сторона, прилегающая к формующей сетке. Противоположная сторона называется лицевой.

Машинная сторона отличается большей шероховатостью из-за маркировки, придаваемой ей ячейками формующей сетки. На лицевой стороне выше удержание минеральных наполнителей и клея, который добавляют в бумажную массу для придания бумаге гидрофобности, увеличения её влагопрочности и улучшения печатных свойств. Наиболее распространённые проклеивающие агенты на сегодня — димеры алкилкетенов (сокращённо АКД) и алкенилянтарный ангидрид (сокращённо АСА).

Разносторонность бумаги может повлечь за собой проблемы с печатью, вызванные различиями в шероховатости и степени гидрофобности её сторон.

От формования к валам сеточного стола

Хотя темы формования и обезвоживания в сеточной части были освещены достаточно детально, ряд конструктивных элементов сеточного стола БДМ был рассмотрен не в полной мере. Поэтому в следующей части данного материала речь пойдёт о валах формующей части бумагоделательной машины, об их устройстве и назначении.

Использованные материалы

• https://docs.cntd.ru/document/1200014938
• https://www.dissercat.com/content/vliyanie-konstruktsii-formuyushchei-setki-na-kachestvo-bumagi-izgotavlivaemoi-v-usloviyakh-n/read
• https://bcmesh.by/katalog/formuyushhie,-sushilnyie-setki
• http://forming-dryerfabrics.ru/
• https://nizrp.narod.ru/metod/kafmavsyst/1682569554.pdf
• https://nizrp.narod.ru/metod/kaftbik/4.pdf
• https://lesprominform.ru/jarticles.html?id=908
• https://paperbel.by/bumajnaya-produktsiya/tsellyuloza/tsellyuloza-sulfatnaya-nebelenaya

Автор: Владимир Денисович, независимый специалист