張 鋒 劉曉丹 高致富,* 吳養(yǎng)育 李 軍

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安，710021；2.陜西省造紙技術及特種紙開發(fā)重點實驗室,陜西西安，710021；3.咸陽通達輕工設備有限公司,陜西咸陽，712000)

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·抄片器·

全自動動態(tài)紙張抄片器的理論探究

張 鋒1,2劉曉丹1,2高致富1,2,*吳養(yǎng)育1,2李 軍3

通過類比分析紙張成形工藝,建立全自動動態(tài)紙張抄片器紙張成形部分的數(shù)學模型。同時,提出了全自動動態(tài)紙張抄片器的實現(xiàn)理論，為全自動動態(tài)紙張抄片器的設計與實現(xiàn)提供了理論基礎。

抄片器；紙張成形；紙機；實驗設備；纖維取向

(*E-mail: 710140884@qq.com)

隨著科學技術研究的不斷細化,現(xiàn)有紙張抄片器制約著造紙化學品及紙張性能的研究。調(diào)查分析造紙相關研究者對紙張抄片器的需求,表明傳統(tǒng)紙張抄片器有很多不足。主要表現(xiàn)為：所抄紙張與工業(yè)機制紙張性能差異較大,其中纖維取向與填料分布尤為顯著[1]。然而,國外相關研究人員已對紙張抄片器進行了大量研究工作,現(xiàn)已開發(fā)出了動態(tài)紙張抄片器、全自動紙張抄片器、全自動動態(tài)紙張抄片器等相關產(chǎn)品[2-7]。由于上述產(chǎn)品的工作原理各不相同,有關動態(tài)紙張抄片器的相關理論一直尚未報道。本研究受到UoM動態(tài)紙張抄片器和M/K9000全自動動態(tài)紙張抄片器工作原理的啟發(fā),提出了一種新型全自動動態(tài)紙張抄片器。本文針對實驗室模擬長網(wǎng)紙機成形過程實現(xiàn)紙張纖維取向的相關理論展開分析,得到了新型全自動動態(tài)紙張抄片器的模擬理論和實現(xiàn)機理的設計理論。

1 建立系統(tǒng)

UoM動態(tài)紙張抄片器采用靜止成形網(wǎng)與紙漿懸浮液流動速度之間的漿網(wǎng)速差進行模擬工業(yè)紙機纖維取向的成形原理,如圖1所示。同時,在紙漿濃度、紙漿成形深度和真空度等方面都可精確模擬工業(yè)紙機。該紙張抄片器實現(xiàn)了抄片具有類似于工業(yè)紙機生產(chǎn)的紙張結(jié)構性能,但是該實驗設備體積龐大、操作過程較復雜,因而尚未被廣泛推廣。

圖1 UoM動態(tài)紙張抄片器原理圖

M/K9000全自動紙張抄片器采用微量計量泵實現(xiàn)自動混合配比紙樣原料(化學藥品和漿料),并通過真空抽吸轉(zhuǎn)移成形所得的濕紙幅,成功地實現(xiàn)了從分散漿料到干燥手抄片整個過程的全自動化,如圖2所示。M/K9000全自動紙張抄片器將多個設備集于一體,減少了人為操作,提高了紙張勻度、抄紙重復性和工作效率,但是該設備并未能很好模擬工業(yè)紙張的結(jié)構。

圖2 美國M/K9000全自動紙張抄片器

新型全自動動態(tài)紙張抄片器采用了UoM動態(tài)紙張抄片器的靜止成形網(wǎng)模型、均勻通道流模型和M/K9000全自動紙張抄片器的原料配制、濕紙幅轉(zhuǎn)移、傳送以及干燥過程,建立如圖3所示的工藝系統(tǒng)。

圖3 全自動動態(tài)紙張抄片器工藝流程圖

2 模擬理論

2.1 靜止成形網(wǎng)模型

由于漿網(wǎng)速比對纖維取向的影響已經(jīng)被重新解釋,更準確地表述為由流漿箱噴漿速度和網(wǎng)速之間的差值(以下簡稱漿網(wǎng)速差)[8]。該理論奠定了當前全自動動態(tài)紙張抄片器設計理念的基礎，該理論的研究與流體動力學的“流體運動”類似。在這種情況下,可以選擇成形網(wǎng)的平均速度為參考坐標系,即可把空間域轉(zhuǎn)變成時間域。因此,使整臺機器的運行速度極大地降低。用于全自動動態(tài)紙張抄片器的類比模型,如圖4所示。

對于所有的長網(wǎng)紙機都有一個脫水剖面圖,漿料變成濕紙幅的脫水過程主要發(fā)生在案板之后的一段距離，可以認為紙張成形脫水過程位于通道流流道的區(qū)域,因此可開發(fā)出一個整體的通道流。用靜止成形網(wǎng)模型可以直接模擬工業(yè)長網(wǎng)紙機成形部的流體結(jié)構,而對脫水過程采用間接模擬。在靜止成形網(wǎng)模型和工業(yè)紙機成形過程之間的相似點如圖5所示。從圖5中可知,全自動動態(tài)紙張抄片器模擬過程中,在漿料噴射到成形網(wǎng)之前為間接模擬,而在接觸成形之后為直接模擬過程。

圖4 全自動動態(tài)紙張抄片器的類比模型

圖5 靜止成形網(wǎng)模型與長網(wǎng)紙機成形過程的類比

全自動動態(tài)紙張抄片器成形過程的主要濕部特征包括：成形網(wǎng)之上的速度分布、類似的漿料特征(類似的濃度范圍和深度)和類似的壓力分布。實驗室靜止成形網(wǎng)模型的動態(tài)紙張抄片器與長網(wǎng)紙機的成形工藝參數(shù)之間有一定的關系。為了達到動態(tài)紙張抄片器的真實模擬長網(wǎng)紙機的成形過程,他們之間的漿料濃度、噴漿厚度、漿網(wǎng)速差、脫水真空度、成形時間關系應為1∶1,則有成形工藝參數(shù)關系為式(1)~式(5)。

cLF=cCM

(1)

hLF=hCM

(2)

(3)

PLF(t)=PCM(x)·WCM

(4)

(5)

下標LF和CM分別表示為實驗室抄片器和商業(yè)紙機。

2.2 均勻通道流模型

在脫水之前,模型中的流體被認為由堰板產(chǎn)生一個同等高度的粗糙矩形通道流。由于在脫水過程中存在一個自由表面,使得流體力學更加復雜。重力引起自由表面的流動,但黏性剪切力沿著濕周界阻滯流體流動。在類似的漿料下,全自動動態(tài)紙張抄片器采用通道流的深度與流漿箱唇板開口高度相同進行設計,通過通道流的深度與流漿箱唇板開口高度相同來模擬。全自動動態(tài)紙張抄片器流道系統(tǒng)的特征如圖6所示。同時,為了保證漿料脫水的均勻性,將均勻通道流頂部直接與大氣相接觸,從而保證漿料在成形網(wǎng)上濾水的均勻性。

圖6 建立均勻通道流模型

3 實現(xiàn)機理

在實驗室中模擬工業(yè)紙機抄造的紙張,首先要保證實驗室抄造紙張的定量、均勻性和纖維取向。同時由于工業(yè)紙機成形過程脫水對紙張性能的影響非常大,所以紙張抄片器還必須保證模擬工業(yè)紙機的脫水過程。除此之外,實驗設備需要保證紙張定量和纖維取向的可調(diào)性,以提高實驗設備的使用范圍[9]。

3.1 纖維取向的模擬

根據(jù)纖維取向本質(zhì)的解釋表明,纖維取向主要取決于紙張成形過程中噴漿速度與網(wǎng)速之間的速度差(以下簡稱漿網(wǎng)速差)所致。研究表明,纖維取向與漿網(wǎng)速差之間的關系如圖7所示[10]。圖7中表明,纖維取向是以0 m/min漿網(wǎng)速差為對稱軸的對稱圖形。因此,本課題采用漿料流過靜止成形網(wǎng)之間形成速度差,模擬所有的紙張成形過程中纖維取向。為了實現(xiàn)紙張抄片器的動態(tài)成形過程,不僅需要用類比法模擬工業(yè)紙機成形過程,而且需要設計出可模擬不同長網(wǎng)紙機漿網(wǎng)速差,同時在同次實驗過程中需要保持恒定的漿網(wǎng)速差。這些要求使得紙張抄片器模擬工業(yè)紙機成形難上加難。

圖7 長網(wǎng)紙機漿網(wǎng)速差與纖維取向之間的關系

(1)恒定的漿網(wǎng)速差

對于許多紙漿和紙張分支的研究,重復性模擬要比準確模擬更為重要。例如,在相同的實驗中,兩種紙漿類型的相對性能比其中任何之一的紙漿絕對性能更重要。另一方面,紙幅成形研究需要對紙張成形過程非常準確地模擬。為此,紙張抄片器的成形槽需要保證從漿料槽出口噴出恒定的漿料速度。

通過流體力學[11]原理，對該課題特設計恒壓成形槽,其結(jié)構原理圖如圖8所示。穩(wěn)壓槽漿料出口D流動速度恒定,也就是說漿料在出口D處產(chǎn)生的壓力始終相等。由于液體由穩(wěn)壓槽的D口排出,而使穩(wěn)壓槽內(nèi)空間形成真空,恒壓槽在壓力PA作用下,恒壓槽液面逐漸下降,直至B處時,空氣進入穩(wěn)壓槽內(nèi)補充壓力降。此時,根據(jù)靜力學方程,對于B、C兩點之間的壓力關系式可得式(6)。

PC=PA-ρgh

(6)

圖8 成形槽工作原理圖

對于C和D兩點之間的壓力關系式可得式(7)。

PD=PC-ρgHCD

(7)

將式(6)帶入式(7)可得式(8)。

PD=PA-ρg(HCD-h)

(8)

式中,HCD為穩(wěn)壓槽液面高度,m；h為穩(wěn)壓槽液面到恒壓槽底面高度,m；ρ為漿料的密度,kg/m3；P為壓強,Pa,其中下腳標A、B、C、D分別表示相應各點處。

式(8)表明,只要穩(wěn)壓槽液面不低于B點處的高度,由于(HCD-h)為定值,則穩(wěn)壓槽出口D點壓力PD保持不變。

(2)可調(diào)的漿網(wǎng)速差

實驗室的全自動動態(tài)紙張抄片器所實現(xiàn)的功能其實就是在實驗室階段采用中試實驗過程,從而縮減中試試驗過程。不同紙種所需要的纖維取向角有所不同,如高級辦公用紙所需的纖維取向角不同于包裝用紙。而全自動動態(tài)紙張抄片器作為實驗設備,其必須模擬所有長網(wǎng)紙機的不同漿料濃度和漿網(wǎng)速差的成形條件。

由于在穩(wěn)壓槽出口D點的漿料速度是漿料與成形網(wǎng)之間形成的漿網(wǎng)速差。由上述可知,穩(wěn)壓槽出口D點處的壓強只取決于恒壓槽的液面壓強。因此,根據(jù)動力學知識可知,漿料在穩(wěn)壓槽出口D點的速度與恒壓槽液面的壓強之間的關系見式(9)。

(9)

式中,vD為穩(wěn)壓槽D出口處的速度(m/s)。

根據(jù)式(9),穩(wěn)壓槽D出口處的速度僅與恒壓槽液面壓強和漿料密度有關。然而,由于長網(wǎng)紙機中成形所需的漿料濃度為0.5%~1%之間,則此時漿料的密度幾乎不變。因此,可以認為穩(wěn)壓槽出口處D點的速度只與恒壓槽液面所受壓強有關,即漿網(wǎng)速差僅與恒壓槽液面所受壓強有關。

然而在實際工程問題中,流體流動過程中會受到沿程水頭損失和局部水頭損失。針對成形槽模型,根據(jù)達西公式可知,該流體域的沿程水頭損失見式(10)。

(10)

式中,hf為沿程水頭損失,m；λ為管道的沿程摩阻因數(shù)；l為管道長度,m(此時l=h)；d為管道當量直徑,m；v為管道過水截面平均速度,m/s。

管道過水截面平均速度的計算見式(11)。

(11)

式中,D為穩(wěn)壓槽液面寬度,m。

由于漿料在成形槽里流動過程處于湍流狀態(tài),其雷諾數(shù)范圍為3000~100000。則其管道的沿程摩阻因數(shù)見式(12)。

(12)

同時,其流域的局部水頭損失見式(13)。

(13)

式中,hm為流域的局部水頭損失,m；ζ為局部水頭損失因數(shù)(局部阻力因數(shù)),突縮管其值為0.5；V為ζ對應斷面的平均流速,m/s(此時為V=vD)。

選擇恒壓槽液面降低到B點時,成形槽中流體域為控制體,進口面為恒壓槽B點液位的橫截面,出口面為穩(wěn)壓槽出口D點橫截面,選擇基準面為成形槽底面。根據(jù)流體動力學知識可得式(14)。

(14)

成形槽D點出口處速度與恒壓槽所受壓強之間的關系見式(15)。

(15)

通過上述理論指導,本課題將通過改變恒壓槽液面所受壓強,從而改變漿網(wǎng)速差,滿足實驗需求。當然,為了實驗數(shù)據(jù)更加精確,可以對漿料濃度與密度進行數(shù)據(jù)分析研究,得出漿料密度與濃度的關系,從而精確地控制漿網(wǎng)速差,為實驗的精確數(shù)據(jù)做基礎。

3.2 脫水機理

眾所周知,在造紙過程中漿料脫除水分是影響紙張性質(zhì)的重要因素之一。究其原因,主要是紙張成形過程中，漿料脫除水分時所帶走的細小組分不一致,致使成品紙張厚度方向細小組分含量不同,從而造成紙張兩面性質(zhì)差異。這將體現(xiàn)出成形脫水是影響紙張成形過程的關鍵因素。因此,全自動動態(tài)紙張抄片器必須要模擬紙張脫水過程。

在長網(wǎng)紙機中,常見脫水元件主要有刮水板、案輥、濕真空箱、干真空箱和伏輥等。然而,不同長網(wǎng)紙機的成形裝置不同,主要是由上述任意幾種脫水元件組合而成,造成紙機脫水曲線的不同。因此,全自動動態(tài)紙張抄片器模擬長網(wǎng)紙機成形過程的脫水過程就需要近似模擬紙張成形過程的脫水曲線[12],而且需要根據(jù)不同紙機的脫水曲線而改變,以達到全方位中試紙機的作用。急需一種方法能夠模擬紙張成形脫水過程,這種方法對于實現(xiàn)動態(tài)紙張抄片器顯得尤為重要。

漿料從流漿箱噴漿后,隨著成形網(wǎng)一起向前運動,依次經(jīng)過脫水元件較為緩和地脫除水分。根據(jù)脫水元件的脫水機理可知,其脫水過程在重力和負壓力的雙重作用下脈沖式脫水,由于纖維沉積物重力作用較小,本課題將不予考慮。然而,由于現(xiàn)代紙機車速非?？?漿料穿過成形部所需要的時間不到1 s,所以漿料穿過每個脫水元件的時間極其短暫。因此,本課題將紙張的脫水過程等效地看作一個脈沖作用力下進行脫水。該脈沖的負壓力和作用時間段都需要根據(jù)實際模擬紙機的結(jié)構組成而精確確定。

(1)作用時間

在長網(wǎng)成形器抄造過程中,結(jié)構及工藝條件近似相同的脫水元件看作一個階段,認為該階段內(nèi)脫水速率相同。那么,每個階段脫水過程的平均作用時間可以根據(jù)長網(wǎng)紙機的車速和每個階段紙機方向的距離所決定,其關系見式(16)。

(16)

式中,t為每個階段的作用時間,s；n為該階段內(nèi)的脫水元件的數(shù)量；L為該階段內(nèi)相鄰脫水元件之間的平均距離,m；W為成形網(wǎng)速度,m/s。

(2)負壓力

常見脫水元件的脫水機理幾乎全部都是由壓力差所引起的,因此本課題采用改變真空度即成形過程的負壓力大小模擬長網(wǎng)紙機成形過程的動態(tài)脫水動力。

真空脫水的驅(qū)動力為周圍空氣與真空箱中的真空度之間的壓力差,其過程類似于真空箱脫水機理。真空箱脫水的結(jié)果是由3個機理所決定,分別為壓縮脫水、空氣取代脫除水分和回濕。吸水箱脫水期間發(fā)生的不同脫水階段如圖9所示[13]。從圖9可知，真空箱的作用壓力壓縮了濕紙幅并壓出了紙幅中的水。

圖9 真空箱脫水機理

壓力差引起氣流穿過濕紙幅,取代了紙幅間隙中的水。常用方程描述多孔介質(zhì)流是達西公式，見式(17)。

(17)

對式(17)變形可得式(18)。

(18)

式中,v為脫水流體速度，g/s；K為孔隙率；ΔP為壓力降，Pa；μ為流體黏度；E為多孔介質(zhì)厚度，mm。

穿過紙幅的空氣流需要很多能量,空氣被泵從真空箱中送出。在真空脈沖之后,紙幅回彈,由于在纖維的毛細作用力,存在成形網(wǎng)中的一些水可能返回到濕紙幅中，該現(xiàn)象被稱為回濕。由于回濕過程,帶來的水分相對較少,所以本課題將忽略不計。紙幅最終的干度是這3個機理的總和。

然而,動態(tài)紙張抄片器脫水的真空度是由脫水機理的壓力差所決定。根據(jù)式(18),壓力差主要取決于脫水流動速度,而脫水流動速度是由該階段的脫水量和作用時間所決定,其關系式見式(19)。

(19)

式中,Q為該階段總的脫水量，kg；由成形過程不同階段的紙張干度所決定,其關系式見式(20)。

(20)

式中,Bw為紙張定量，g/m2；S為紙張抄片器的紙張大小，m2；?1、?2為出、入壓榨時濕紙幅的紙張干度，%。

將式(19)和(20)帶入式(18)中,可得式(21)。

(21)

通過式(21)可以計算得到該階段脫水所需的真空度。

3.3 紙張定量的控制

紙張定量為紙張的基本性質(zhì),紙張定量的大小也是決定紙張性質(zhì)的基本因素。在進行相關紙張性質(zhì)的對比分析時,必須要求其紙張定量保持相同。因此,控制紙張定量的大小是對紙張抄片器最基本的要求。

紙張抄片器所抄紙張定量主要取決于成形槽工作原理及漿料成形濃度。成形槽結(jié)構工作原理如圖10所示。成形槽采用在恒壓槽提供恒定的壓力來保證漿網(wǎng)速差恒定。在同一時刻,前、后閘板關閉,脫水閥S3打開。由于脫水閥S3排水量較大,形成真空抽吸力大,使?jié){料迅速沉積,形成濕紙幅。根據(jù)上述成形槽工作原理可知,該成形槽屬于無回流法紙張成形過程,抄造定量紙張需要的進漿料的體積見式(22)。

圖10 成形槽工作原理圖

(22)

式中,Vl為無回流抄造手抄片所需的漿料體積，L；ρ為漿料密度，g/L。

但是,在成形之前,為了保證漿流速度的恒定,有部分漿料被回流,因此,回流漿料的體積見式(23)。

V2=S1vDT

(23)

式中,V2為漿料的回流體積，L；Sl為穩(wěn)壓槽出口D點的橫截面積，m2；T為漿料回流時間，s。

然而,為了使所抄紙張定量更加準確,成形槽中需要剩余部分漿料,剩余體積至少要高于成形槽出口D點或者是恒壓槽與穩(wěn)壓槽過渡段,其體積為V3。則抄造紙張定量為Bw的紙張所需漿料的總體積V見式(24)。

V=V1+V2+V3

(24)

當成形濃度一定時,則成形槽中漿料體積與所抄紙張定量之間的關系見式(25)。

(25)

根據(jù)上式可知,漿料濃度以及唇口開度一定時,所抄紙張定量與實際所需漿料體積成正比。因此,全自動動態(tài)紙張抄片器所抄紙張定量可以模擬工業(yè)紙機調(diào)整唇口開度來控制。

4 結(jié) 語

全自動動態(tài)紙張抄片器是紙張抄片器的發(fā)展方向。本文通過類比分析實驗室紙張抄片器模擬長網(wǎng)紙機的成形條件,建立了全自動動態(tài)紙張抄片器的數(shù)學模型。并通過理論推導分析了纖維取向的模擬、脫水機理以及紙張定量的控制3個至關重要的問題。本文提出的理論,提供了解決實驗室真實模擬長網(wǎng)紙機成形工藝的一種典型方法,并為全自動動態(tài)紙張抄片器的實現(xiàn)奠定了基礎。

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Study on the Mechanism of Automatic Dynamic Sheet Former

ZHANG Feng1,2LIU Xiao-dan1,2GAO Zhi-fu1,2,*WU Yang-yu1,2LI Jun3

(1.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.ShaanxiProvinceKeyLabofPaperTechnologyandSpecialtyPaper,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;3.XianyangTongdaLightIndustrialEquipmentCo.,Ltd,Xianyang,ShaanxiProvince, 712000)

In this paper, through the method of comparative analysis, the mathematical model of the sheet forming was established for the automatic dynamic sheet former. At the same time, the realizing theory was put forward, which laid a solid theoretical basis to design for the implementation of automatic dynamic sheet former.

sheet former; formation of sheet; paper machine; experimental equipment; fiber orientation

張 鋒先生，副教授；主要研究方向：制漿造紙設備與控制。

(1.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安，710021；2.陜西省造紙技術及特種紙開發(fā)重點實驗室,陜西西安，710021；3.咸陽通達輕工設備有限公司,陜西咸陽，712000)

TS73

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.01.010

2015- 09-11(修改稿)

*通信作者：高致富先生，E-mail:710140884@qq.com。