Непрерывное увеличение рабочих скоростей бумагоделательных и картоноделательных машин потребовало внесения существенных изменений во все части машины. Особенно сильно за последние тды изменилась конструкция прессовой части. Несмотря на резкое увеличение скоростей машин, общее число прессов на новых машинах для выработки массовых видов бумаги не возросло. Это достигнуто значительной интенсификацией процесса обезвоживания бумаги в прессовой части.
Пресс с желобчатым валом. На обычных прессах в качестве нижнего вала используется вал с желобками (фирмы Белойт). Такой пресс получил название Вента-Нип или пресс с «вентилируемой» зоной прессования. Наиболее часто применяют валы с желобками глубиной 2,5 мм, шириной 0,37—0,68 мм, расположенные с шагом вдоль оси вала 3,2—4,7 мм.
В последние годы были проведены значительные работы в области прессования бумаги. Основные исследования были направлены на изучение процесса удаления воды из бумажного полотна на отсасывающих прессах и на установление роли прессового сукна.
Физическая сущность явления маркировки бумаги на отсасывающих прессах рассматривалась Б. Уолстремом [10], Б. Хоу и К. Костровым [25] и Г. Гавелиным [2].Установлено, что маркировка появляется из-за неравномерной сухости бумаги (бумага влажнее над отверстиями) и некоторого вдавливания участков полотна в отверстия.
Экономическая оценка прессовых сукон до недавнего времени определялась лишь сроком их службы. Однако в настоящее время при оценке сукна учитывают стоимость его на 1 т продукции. По мере изучения роли сукон в удалении воды на прессах стали придавать большее значение эффективности обезвоживания бумаги. В последние годы достигнут значительный прогресс в производстве прессовых сукон. Большое разнообразие изготовляемых сукон позволяет осуществлять рациональный выбор марки сукна для каждого пресса машины, в результате чего удалось интенсифицировать процесс обезвоживания бумаги и повысить срок службы сукон.
В последние годы широко применяются нетканые иглопробивные сукна [95]. Структура нетканых сукон такова. В качестве основы сукна берется тканый материал в виде бесконечной ленты. Для изготовления основы сукна применяют шерсть с примесью синтетических волокон или синтетические волокна. Затем на основу сукна накладывают слой расчесанных шерстяных или синтетических волокон («ватку»). После этого основа вместе с лежащим на ней слоем волокон поступает на иглопробивную машину, снабженную большим числом иголок в форме вязальных крючков. Иголки совершают вертикальное возвратно-поступательное движение, а сукно движется с небольшой скоростью. Верхний слой (нетканый) соединяется с основой сукна. Иглопробивные сукна представляют собой таким образом комбинацию тканого и нетканого материала (рис. 8). Иголки прокалывают каждый 1 см2 сукна 80—320 раз [96]. Вес сукна зависит от веса тканой и нетканой частей, соотношение между которыми меняют в зависимости от вида вырабатываемой продукции и места установки пресса. Нетканые сукна должны иметь отношение веса основы к весу сукна 65—67% вместо 40% У тканых обычных сукон.
Недостатком прессов с подкладной сеткой является сложность эксплуатации при совместной работе сукна и сетки. Отмечают, что при высокой скорости машины сеткой иногда трудно управлять; во время работы на сетке могут образоваться перекосы и складки. При установке сукна и сетки почти удваивается коли-личество валиков. Это несколько осложняет процесс смены сетки и сукна. Давно делались попытки изготовления ткани, объединяющей в себе функции сукна и подкладной сетки. С наружной стороны такая ткань должна иметь ровный и сжимаемый слой для предотвращения маркировки бумаги и более равномерного распределения давления в зоне контакта валов. С внутренней стороны ткань должна иметь несжимаемый слой — сетку, в которую в зоне контакта валов из бумаги и сукна удаляется вода. Такой материал, называемый сукно-сеточной тканью комбитекс, изготовляется в настоящее время фирмой Нордискафильт (Швеция). Аналогичные ткани под названием атровит изготовляются в ФРГ [120—123].
В производстве бумаги и картона широко используются процессы фильтрации воды или газа в пористых средах. Сукно является проницаемой средой. Его непрерывные поры имеют беспорядочный характер. Размеры, формы сечения и ориентация пор от точки к точке зоны контакта валов сильно меняются. Аналогичное явление наблюдается и в бумаге. Физическая характеристика беспорядочной системы пор в сукне и бумаге представляет собой сложную и еще не решенную проблему.
Рассмотрим движение жидкости в пространстве. В общем случае мы не предполагаем движение стационарным, поэтому скорость движения и жидкости зависит не только от положения точки М, к которой она относится, но и от времени t. Поставим задачу вычислить количество жидкости, протекающее через поверхность 5 в определенную сторону за бесконечно малый промежуток времени (П. Через элемент ¿я поверхности протечет количество жидкости, которое заполнит собой цилиндр с основанием ds и высотой ипШ (рис. 14), где нормаль п предполагается направленной именно в выбранную сторону.
Уравнение (2-77) представляет собой уравнение поверхности верхнего вала пресса, след которой на координатной плоскости хОг совпадает с дугой окружности ВА (рис. 16).Сн — сухость бумаги перед прессом, ув — удельный вес воды, г/см3.
В прессах с поперечным потоком (пресс с желобчатым валом, пресс с промежуточным валиком, пресс с подкладной сеткой) вода движется из бумаги в сукно, а из сукна — в желобки или ячейки сетки в поперечном направлении. К этой же группе прессов может быть в первом приближении отнесен и отсасывающий пресс, в котором наряду с поперечной имеет место некоторая продольная фильтрация воды по сукну к отверстиям в рубашке отсасывающего вала.
Поместим начало- координат в точке входа бумаги и сукна в пресс (на нижней поверхности сукна). Направим ось г вверх, ось х — по ходу полотна бумаги и сукна.
Будем считать за начальное состояние бумажного полотна и сукна их положение перед входом в зону контакта прессовых валов. В каждой точке зоны контакта валов при определенных условиях прессования параметры, характеризующие бумагу и сукно, не зависят от времени. Поэтому будем считать начальное распределение давления равным нулю и граничное условие Ц1(£)=0.
В — ширина полотна бумаги.Модуль упругости резины зависит от величины приложенных нагрузок и длительности их действия, поэтому известная формула Герца — Беляева не может быть использована для определения численных значений площадки контакта прессовых валов. Модули упругости резины в статических и динамических условиях резко отличаются друг от друга. Влияет и толщина облицовки [136].
Экспериментально величину площадки контакта валов в статических условиях можно измерить электрическим [141], фрикционным и механическим способами [142], по величине отпечатка на фольге [143]. В динамических условиях площадку контакта можно определить фотографированием [144] или измерением изменения межцентрового расстояния прессовых валов [145] в тех случаях, когда прогибы валов ничтожно малы. Для статических и динамических условий площадку контакта валов можно измерять по следу, оставляемому на пластилине стрелками, закрепленными на торцах валов или поверхности обрезиненного вала.
Известно, что давление по ширине зоны контакта валов распределяется неравномерно оно равно нулю на входе и выходе бумаги и имеет максимальную величину вблизи линии, соединяющей центры валов. Основная трудность при измерении удельного давления связана с динамическим характером процесса уплотнения.
От сжимаемости сукна, его компрессионных свойств в значительной степени зависят ширина площадки контакта валов, удельное давление и способность отдавать воду при прессовании. Компрессионные свойства сукна имеют особое значение при применении твердых валов [140].
На рис. 35 приведена зависимость коэффициента пористости от удельного давления. Коэффициенты пористости сукон незначительно отличаются друг от друга. Такая зависимость называется компрессионной кривой и получается только при статических испытаниях. Она справедлива, когда деформация идет только в одном направлении без смещения отдельных волокон в плоскости, перпендикулярной действующим силам.
Вода в сукне на прессах движется вдоль нитей основы (обычный пресс), частично вдоль нитей основы, утка и поперек сукна (отсасывающий пресс) или только поперек сукна (прессы с поперечным потоком). По этой причине фильтрационные свойства прессовых сукон должны исследоваться в поперечном и продольном цаправлениях.
Коэффициент фильтрации бумаги определяют экспериментально на той же опытной установке, на которой проводят исследования с сукнами. При весе бумаги до 100 г/м2 образцы, изготовленные на листоотливном аппарате, накладывают на сукно и проводят испытание. Фиксируют толщину сукна и бумаги.
На современных широких бумагоделательных машинах используются валы диаметром до 1300 мм. Нами еще в 1956 г. было исследовано влияние размеров валов пресса на количество удаляемой воды из бумаги. Однако валы имели диаметр до 500 мм [199].
Твердость резиновой облицовки прессовых валов действующих машин непрерывно повышается и составляет в настоящее время 15—30 ед. по ТШМ-2. Нижний предел твердости ограничивается раздавливанием бумажного полотна при прессовании.
Ширина отсасывающей камеры. Некоторые исследователи связывают ширину камеры с весом бумаги. Так, фирма Белойт считает, что ширина камеры должна быть прямо пропорциональна весу бумаги. Камера должна быть такой, чтобы за время прохождения отверстий над ней воздух успевал проходить через отверстие 15—20 раз. Средняя скорость воздуха в отверстиях вала при вакууме 450—550 мм рт. ст. составляет 50—60 м/сек.
Пресс с желобчатым валом относится к числу прессов с поперечным потоком воды в сукне. За рубежом он известен как пресс Вента-Нип пресс с вентилируемой зоной прессования К желобчатым прессам относится также пресс типа Камюр с треугольным профилем желобков, давно применяемый как пресс высокого давления в сушильных машинах при выработке целлюлозы. Такие прессы работают без сукон.
Встречаются противоречивые данные в отношении места наибольшего удаления воды в прессах с промежуточным валиком.В одних сообщениях указывается, что вода отекает по желобкам промежуточного валика против его движения, в других — по ходу движения. Имеются сведения о том, что потоков воды по промежуточному валику не видно, а вся вода снимается нижним валом и удаляется с него. Очевидно, такое противоречие вызвано разной скоростью машин.
На этом же рисунке показано изменение гидравлического давления в зоне контакта валов обычного пресса и пресса с подкладной сеткой. Как видно из рис. 78, в зоне контакта обычного пресса градиент напора значительно меньше.
Периметр сетки-чулка изготовляется больше длины окружности вала на 2—2,5%. Чулок на вал легко надевается непосредственно на предприятиях. Перед установкой чулок замачивают в воде при температуре не свыше 30°С на 12 ч для размягчения сетки.
Нижний вал пресса облицовывается резиной толщиной 25 мм, в которой рассверливаются глухие отверстия разной глубины для предотвращения отслаивания резиновой облицовки.Исследования, проведенные в ЛТИ ЦБП на полупромышленном прессе при скорости 50—400 м/мин, среднем удельном давлении 3—16 кгс/см2, показали, что оптимальной твердостью резиновой облицовки является 15—20 ед. по ТШМ-2.
В последние годы в Советском Союзе и за рубежом ведутся изыскания новых облицовочных материалов для прессовых валов. Перспективным является облицовка нижнего вала пресса пористым найлоном, обладающим высокими упругими свойствами и малыми размерами пор. Объем пор рубашки составляет 40%, а размеры капилляров около 3 мк [313]. Облицовка наносится на перфорированный пустотелый стальной вал. Так как размер пор в облицовке меньше размера пор в массовых видах бумаги, вода из бумаги в облицовку удаляется не только в фазе сжатия, но и в фазе расширения. Этим достигается сухость полотна после прессования 45—56%, в зависимости от вида бумаги. Вода из полого вала удаляется вакуумной системой. Хорошие результаты получены при использовании пористых валов в качестве нижнего вала сукномойки. Замена обычного вала пористым позволила увеличить сухость сукна на 13%.
В прессе с продольным потоком воды в сукне имеются два градиента давления: поперечный и продольный.Изучению скорости движения воды в зоне контакта валов обычного пресса посвящено много работ.К- Хэнсон [195], а позднее И. Уэлч [315], Д. Виккер [316], Дж. Хинтермайер [317] и Г. Велдер [164] охарактеризовали эффект расклинивания прессовых валов обычного пресса. Механизм этого процесса заключается в следующем. Когда сукно и бумага входят в зону контакта валов, давление вызывает поток воды навстречу движению сукна. Этот поток преодолевает сопротивление вязкого трения волокон. С увеличением скорости гидравлическое давление растет. Если давление между валами постоянное, нагрузка на твердую фазу снижается и повышение скорости приводит к расклиниванию валов. В результате содержание воды в сукне после пресса увеличивается.
В качестве примера рассмотрим распределение скорости фильтрации в бумаге и сукне для следующих условий прессования: скорость машины 200 м/мин; давление 30 кгс/см; бумага — из сульфитной беленой целлюлозы весом 100 г/ж2; сухость бумаги перед прессом 30%, сукна П-220 — 50%; нижний вал пресса — желобчатый диаметром 840 мм с твердостью резиновой облицовки 15 ед. по ТШМ-2.
На сухость бумаги при прессовании на прессах различных конструкций в значительной мере влияют технологические параметры, к которым могут быть отнесены давление между валами, скорость машины, содержание воды в бумаге и сукне перед прессом, вес бумаги (картона), размол и вид волокнистых материалов, вид бумаги, марка сукна и его натяжение, вакуум в отсасывающей камере, срок службы сукна и его состояние и т. д.
Б. Уолстрем [40]. изучая влияние скорости машин в пределах 250—350 м/мин на отсасывающем прессе, наблюдал незначительное понижение сухости бумаги с увеличением скорости.Некоторые исследователи [267] считают, что эффект обезвоживания тонкой бумаги (до 60 г/ж2) на прессе с подкладной сеткой не зависит от скорости в пределах 150—700 м/мин. Другие [324], наоборот, полагают, что с повышением скорости резко снижается сухость бумаги после прессования.
Пресс с желобчатым валом при низкой начальной сухости бумаги (20—25%) эффективен только при условии поддержания сухости сукна перед прессом не менее 50—55%. При использовании более мокрого сукна на полотне бумаги при давлении 30 кгс/см появляются полосы от желобков нижнего вала, так как сукно неравномерно увлажняется, впитывая воду из желобков на выходной стороне зоны контакта валов.
Эксперименты показали, что критический вес бумаги из сульфитной целлюлозы (помол 18°ШР) при скорости машины 200 м/мин находится в пределах от 100 г/м2 (пресс с гладкими валами, отсасывающий, с желобчатым валом) до 200 г/м2 (пресс с промежуточным валиком и с подкладной сеткой).
Исследования подтвердили 8-образный характер кривой влияния степени помола на количество удаляемой воды. Аналогичная зависимость была получена Дж. Кейси [336] и в более ранних опытах автора [199].Опыты проводились на обычном прессе с валами диаметром 1130 мм при контрольных параметрах. Сульфитная целлюлоза вначале распускалась в гидроразбивателе, а затем размалывалась в опытной конической мельнице, работающей в замкнутом цикле. Аналогичные зависимости получены для сульфатной целлюлозы.
Способность к обезвоживанию различных волокнистых материалов на прессах изучена недостаточно. Имеющиеся отрывочные данные, полученные при различных условиях прессования в разное время, не позволяют дать оценку способности к обезвоживанию различных материалов. Нами исследована обезвоживающая способность 18 различных материалов: сульфитной целлюлозы (небеленой марки С, беленой марки Б-1, вискозной); сульфатной целлюлозы (полубеленой, белимой марки П-11, небеленой марки А, беленой марки АС-П, из осины, березы жесткостью 48 и 54° Бьерк-мана); конденсаторной целлюлозы марки КН-4; полуцеллюло-зы (древесной несортированной, сортированной сульфатной,тростниковой и тростниковой моносуль- фитной); древесной массы (химической, белой и бурой) [338]. Опыты проведены при одинаковых условиях прессования: диаметр валов 320 мм твердость облицовки нижнего вала 65 ед.; сукно П-220; сухость сукна перед прессом 40%, бумаги — 25%; скорость 50 м/мин. После роспуска из волокнистого материала изготовляли отливки весом 100 г/м2. В каждой серии опытов одновременно исследовали три вида материала, включая контрольные образцы из небеленой сульфитной целлюлозы марки С. Давление прессования изменяли в пределах от 10 до 80 кгс/см. Диапазон изменения сухости всех образцов приведен на рис. 109.
Проводилось исследование обезвоживания типографской, литографской и этикеточной бумаги (рис. 110). Сухость бумаги, как показало исследование, зависит от линейного давления между валами. Она аналогична обезвоживанию бумаги весом 100 г/м2 из сульфитной целлюлозы помолом 18° ШР.
Результаты опытов с разными сукнами при обезвоживании бумаги из сульфитной целлюлозы на обычном прессе приведены на рис. 111. Наибольшую обезвоживающую способность имеют сукна П-110, П-30 и П-220. При давлении до 40 кгс/см для всех сукон наблюдается определенная закономерность повышения сухости бумаги после пресса. При большем давлении зависимость меняется. Так, если при давлении до 40 кгс/см сукно П-180 по обезвоживающей способности занимало 4-е место из всех сукон, то при давлении 60 кгс1см и выше оно занимает 8-е место. Бумага после прессования-имеет самую низкую сухость. Лишь сукна П-220 и П-110 не теряют водопропускную способность при давлении до 80 кгс/см.
Обычно натяжение тканых прессовых сукон не превышает 1— 1,2 кгс/см, нетканых—1,7—1,8 кгс/см. В литературе отмечается натяжение сукон до 2 кгс/см [341]. Изменение количества удаляемой воды из бумаги при повышении натяжения сукна П-220 от 0,5 до 1,1 кгс/см видно из данных табл. 25.
С увеличением температуры полотна бумаги вязкость воды в ней снижается, уменьшается поверхностное натяжение, процесс обезвоживания интенсифицируется.Полотно подогревают разными методами. Для этой цели в известном прессе системы Липке используют джоулево тепло; инфракрасные лучи (температура нагрева полотна 65—80° С, расход энергии 0,004—0,008 квт-ч/кг воды при нагреве на 1°С), сукно и бумагу подогревают также горячим воздухом.
Проведенные исследования показали, что вакуум в отсасывающих валах необходим лишь для лучшего удаления уже отжатой воды из бумаги и сукна, а не для отсоса ее. Поэтому во многих случаях можно отказаться от отсасывающих валов, заменив их валами с глухими отверстиями.
Идеальным приложением нагрузки для бумаги любого вида и сукна является Постепенное повышение давления в первой половине зоны контакта валов и резкое уменьшение давления в конце зоны. Практически можно изменить лишь диаметры валов, пластичность резины и сжимаемость сукна. Можно получить большее давление при более узкой зоне контакта валов и наоборот.
Пресс с желобчатым валом является наиболее эффективной и простой конструкцией из прессов с поперечной фильтрацией. Может использоваться как второй и последующий прессы машин, вырабатывающих почти все виды продукции (кроме тонких конденсаторных видов бумаги). Наибольший эффект обезвоживания достигается при скорости машины более 100 м/мин. Этот пресс можно применять в форпрессовых частях картоноделательных машин, работающих с меньшей скоростью и вырабатывающих картон весом от 200 г/м2. В его конструкции в этом случае должна быть предусмотрена эффективная очистка вала.
Основным недостатком обычных пересасывающих устройств является то, что на участке между пересасывающим валом и первым прессом полотно бумаги движется под сукном пересасывающего устройства. Сукно для удержания полотна бумаги капиллярными силами должно иметь повышенную влажность, что снижает обезвоживающую способность первого пресса, расположенного в сукне пересасывающего устройства. Возможные свободные провисания бумажного полотна и растягивающие усилия за счет разности скоростей отдельных секций машины влияют на растяжимость бумаги. Вес полотна бумаги, удерживаемого сукном, ограничен.
Выше отмечалось, что применение желобчатых прессов не ограничено скоростью машин, весом и видом бумаги, поэтому они наиболее широко используются в прессовых частях машин. На рис. 123 приведены некоторые случаи использования желобчатых валов. Желобчатые обратные отсасывающие прессы применяют в настоящее время как передаточные на машинах для выработки мелованной бумаги. Они работают только с верхним сукном. Трех-вальные наклонные прессы типа «Твинвер» устанавливают на машинах для выработки газетной, иногда мешочной бумаги. При выработке мешочной бумаги, помимо юни-прессов, в качестве первого пресса иногда применяют раздельные прессы (трехваль-ные) с двумя желобчатыми валами и двумя зонами контакта: верхняя — для сукна, нижняя — для бумаги (рис. 124). Этот пресс применяют и на машинах для выработки тонкой бумаги и бумаги-основы для мелования. При установке такого пресса уменьшается разносторонность бумаги, легко удаляется брак, возможно применение высокого давления и получение высокой сухости полотна до 40%).
Вода на обычном прессе удаляется из бумаги не на половине зоны контакта валов со стороны входа бумаги в пресс, а лишь на эффективной зоне. Проведенный расчет полей гидравлического давления в зоне контакта валов обычного пресса на электронноцифровой вычислительной машине БЭСМ-2М показал, что при определении количества удаляемой воды на обычных прессах, несмотря на изменение коэффициента фильтрации по зоне контакта, можно пользоваться значениями коэффициентов фильтрации бумаги в конце эффективной зоны обезвоживания, величина которой зависит от скорости машины и давления прессования.