Производство бумаги и картона.

3.1 Схема производства бумаги.

Несмотря на обилие выпускаемых видов бумаги и разнообразие ее свойств технологическая схема изготовления бумаги может быть представлена в самом упрощенном виде.

Лишь ограниченное количество специальных видов бумаги в относительно малом количестве производится сухим способом. При этом формирование бумажного полотна осуществляется не из водной суспензии, а из воздушного потока с последующим склеиванием волокон.

Согласно общей технологической схеме исходные волокнистые материалы в водной среде подвергаются размолу и, если их несколько, смешению в необходимом соотношении. На размолотую бумажную массу в зависимости от назначения бумаги вводят минеральные наполнители, проклеивающие и окрашивающие вещества. Бумажная масса с отрегулированной концентрацией аккумулируется в мешальном бассейне. Далее осуществляют дозированное разбавление бумажной массы оборотной водой, т.е. водой, возвращаемой в технологический процесс и взятой из-под сетки, на которой осуществлялось обезвоживание и формирование бумажного полотна. Такое использование оборотной воды позволяет снизить расход свежей воды, а также уменьшить потери в сток волокон и наполнителей, так как оборотная вода содержит некоторое количество мелких волокон и частиц наполнителя, прошедших с водой через сетку.

Разбавленную бумажную массу подвергают очистке от посторонних включений на очистной аппаратуре, после чего она поступает на бумагоделательную машину. Здесь происходит формирование бумажного полотна, сопровождаемое его обезвоживанием на сетке, прессование, сушка, охлаждение полотна, увлажнение перед машинным каландрированием и намотка в рулон на накате. Если нужно повышенное уплотнение бумаги, увеличение ее прозрачности, повышение гладкости или лоска поверхности, то бумагу после дополнительного увлажнения пропускают через суперкаландр.

Готовую продукцию разрезают на рулоны или листы. Последние считают и упаковывают. Рулоны также упаковывают и отправляют на склад. Некоторые виды бумаги (конденсаторная, мундштучная, для телеграфной и кассовой лент и др.) разрезают на узкие ленты и наматывают в бобины.

Избыток оборотной воды направляют в улавливающую аппаратуру, откуда уловленные волокна используются в производстве, а осветленная вода идет в сток. Бумажный брак с бумагоделательной машины, суперкаландра, станков, разрезающих бумагу, ее перематывающих и упаковывающих, идет на переработку и в виде волокнистой массы используется для изготовления бумаги.

Общая схема изготовления бумаги уточняется в зависимости от ее вида (рис.23). При этом устанавливается композиция бумаги, вид оборудования, количество ступеней размола и очистки массы и другие особенности производства.

Рисунок 23 – Общая технологическая схема производства бумаги.

3.2 Размол волокнистых материалов.

3.2.1 Назначение процесса размола.

При размоле растительных волокон в водной среде происходит как чисто механический процесс изменения размеров и формы волокон, так и коллоидно-химический процесс, называемый гидратацией волокон. Явления механического характера выражаются в укорачивании волокон в их продольном расщеплении на фибриллы. В данном случае под термином гидратация понимаются на образование гидратов, а коллоидно-химические явления, начинающиеся с набухания гидрофильных растительных волокон и придающие волокнам способность связываться между собой с образованием прочной структуры листа.

Назначением процесса размола волокнистых материалов является: 1). придание волокнистому материалу определенной структуры в отношении размеров волокон по длине и толщине, с тем, чтобы обеспечить требуемую структуру полотну бумаги; 2). сообщение волокнистому материалу определенной степени гидратации, от которой в значительной мере зависит создание сил сцепления между волокнами.

О качестве размолотой бумажной массы в основном судят по степени ее помола и по средней длине волокон. Именно эти показатели, а также время размола, необходимое при заданных условиях ведения процесса до достижения требуемой степени помола и средней длины волокон, являются определяющими в контроле процесса.

Различают садкий и жирный помолы массы. Волокна неукороченные или только укороченные, но нефибриллированные называются волокнами массы садкого помола. Такая масса быстро обезвоживается и изготовленная из такой массы бумага отличается неоднородностью структуры и невысокой механической прочностью. Масса жирного помола состоит из длинных или коротких хорошо фибриллированных волокон. Такая масса обезвоживается медленно и образует плотную и прочную бумагу. Волокна массы жирного помола пластичны и на ощупь кажутся жирными и скользкими. Таким образом, как масса садкого помола, так и масса жирного помола может быть длинно- и коротковолокнистой.

3.2.2 Переменные факторы процесса размола волокнистых материалов.

К переменным факторам технологического режима процесса размола при использовании одного и того же вида волокнистых материалов относятся: продолжительность размола, удельное давление на волокна при их размоле, концентрация массы, температура массы, рН среды и добавка химических веществ при размоле.

Продолжительность размола – переменный фактор, характеризующий время воздействия размалывающего аппарата на размалываемые волокна и определяющий степень разработки волокон (изменения их длины, степени фибриллирования и пр.) и, следовательно, качество бумажной массы и готовой продукции.

Удельное давление при размоле – один из основных регулирующих переменных факторов технологического режима процесса размола. Высокое удельное давление при размоле приводит к преимущественной рубке волокон, низкое удельное давление – к их преимущественному фибриллированию.

Концентрация массы при размоле выбирается соответственно типу используемого размалывающего оборудования и желаемому характеру помола массы. Для получения массы садкого помола с укороченными волокнами применяют низкую концентрацию, а для получения массы жирного помола с сильнофибриллированными волокнами – относительно высокую концентрацию.

Температура массы при размоле оказывает существенное влияние на процесс размола. Набухание и гидратация целлюлозных волокон, как известно, проявляет экзотермический характер, т.е. сопровождаются выделением тепла. Таким образом, с понижением температуры способность волокон связывать воду и набухать в ней увеличивается. Если процесс размола осуществляется при повыщенной температуре, то вследствие недостаточного набухания волокон они не приобретают нужной гибкости, слабо фибриллируются и относительно легко рубятся в поперечном направлении.

Величина рН среды массы при размоле оказывает влияние на скорость размола и показатели механической прочности изготовляемой бумаги. Установлено, что в кислой среде размол осуществляется насколько медленнее, чем в нейтральной и с большим уменьшением длины волокон. Существенное ускорение процесса размола с повышением механической прочности вырабатываемой бумаги и с сокращением расхода энергии на размол наблюдается в среде с рН 10-11.

Добавки химических веществ при размоле, в какой-то степени заменяющие действие размола и придающие бумаге необходимые свойства, осуществляют так называемый «химический размол», благодаря которому можно сократить время размола и размалывать массу до меньшей степени размола.

3.2.3 Машины для роспуска волокнистых материалов.

На старых предприятиях небольшой производственной мощности для роспуска волокнистых материалов на пучки волокон или отдельные волокна применялись бегуны, мельницы Вурстера, разрыватели, а также специальные роллы. Особо следует выделить бракомольный ролл системы Стадлера, широко используемый для роспуска бумажного брака.

Наиболее универсальным, высокопроизводительным и простым видом оборудования для роспуска различных волокнистых материалов служит гидроразбиватель. По расположению ротора гидроразбиватели делятся на конструкции с вертикальным и горизонтальным ротором.

На рис.24 представлена схема устройства гидроразбивателя с вертикальным ротором. Он состоит из цилиндрической открытой сверху ванны со сферическим днищем, в центре плоской части которого расположены вращающийся на вертикальном валу стальной диск с ножами. Вращающийся с большой скоростью ротор создает турбулентную циркуляцию массы в ванне и трение ее комков друг о друга и ножи. При этом листовой материал распускается вначале на пучки волокон, а с течением времени – на отдельные волокна.

Рисунок 25 – Гидроразбиватель с вертикальным ротором.

1 – диск с ножами (ротор); 2 – грязевик; 3 – подвод воды; 4 – заслонка; 5 – сито; 6 – неподвижные ножи; 7 – жгутовытаскиватель; 8 – перегородка для регулирования перелива массы; 9 – выпуск массы; 10 – заслонка;

11 – патрубок для разгрузки; 12 – отстойник для песка.

Для окончательного роспуска пучков волокон после гидроразбивателя, а также легкой обработки целлюлозы без укорочения волокон применяется оборудование, в котором осуществляется воздействие гидродинамических ударов на бумажную массу. К такому оборудованию относится энтштиппер (рис.25), имеющий статор 1, вращающийся с частотой 3000-4000 мин-1 и ротор 2. выступы ротора 3 входят в промежутки между выступами статоров 4. зазор между ротором и статором в зависимости от вида подвергаемого обработке волокнистого материала устанавливается постоянным от 0, 5 до 2, 0 м.

Рисунок 25 – Схема устройства энтштиппера.

Масса при концентрации 4 – 7 % под действием вращающихся с большой скоростью колец ротора радиально поступает в энтштиппер, трижды ударяется о кольца статора и проходит через узкие пространства между выступами ротора и статора. Происходящие при этом воздействия на массу и ее завихрения приводят к роспуску пучков волокон и нарушению целостности наружной клеточной стенки волокон, что облегчает последующее установление связей между волокнами.

3.2.4 Машины непрерывного действия для размола волокон.

В 30-х годах прошлого столетия на предприятиях отечественной бумажной промышленности началась постепенная замена роллов коническими мельницами – оборудованием непрерывного действия. Это способствовало упорядочению и стабилизации процесса размола бумажной массы при выработке разных видов бумаги; сокращению расхода энергии на размол ввиду того, что конические мельницы имеют более высокий КПД (60 – 65 %), чем роллы даже наиболее совершенной конструкции; повышению производительности труда и сокращению площади, занимаемой размалывающим оборудованием.

В настоящее время конические мельницы выпускают трех видов: с наборной ножевой гарнитурой (мельницы Жордана), с литой ножевой гарнитурой – гидрофайнеры, с базальтовой гарнитурой.

Мельница Жордана (рис.26) имеет конической формы корпус (статор) и в виде усеченного конуса на валу ротор с укрепленными на нем ножами. Ротор приводится во вращение непосредственно от электродвигателя, через эластичную муфту. На внутренней поверхности статора также имеются ножи. Зазор и удельное давление между ножами ротора и статора регулируются с помощью присадочного механизма, осуществляющее осевое перемещение ротора относительно статора. Ножи на статоре и роторе укрепляются с помощью деревянных прокладок таким образом, как и на размалывающем барабане ролла.

Рисунок 26 – Коническая мельница с наборной ножевой гарнитурой (мельница Жордана)

1 – патрубок для впуска массы; 2 – ротор; 3 – ножи; 4 – статор; 5 – патрубок для выхода массы; 6 – присадочное устройство.

Гидрофайнер, или коническая мельница с литой гарнитурой, по своей конструкции и принципу работы схож с мельницей Жордана. Основное его назначение – гидратация волокон при минимальном их укорачивании.

Коническая мельница с базальтовой гарнитурой применяется для получения массы жирного помола. Масса размалывается в мельнице при концентрации 4 %. Базальт в виде брусков закрепляется на роторе и статоре мельницы с помощью цементного раствора или, лучше, эпоксидного клея. В некоторых случаях ротор изготовляют из монолитного куска базальта с выфрезерованными ножами на рабочей поверхности.

3.3 Проклейка бумаги.

3.3.1 Назначение процесса.

Термин проклейка бумаги характеризует процесс, при котором в бумагу вводятся вещества, придающие ей специфические свойства в зависимости от назначения бумаги: либо чернило- и водонепроницаемость, либо сомкнутость структуры, увеличение механической прочности и сопротивления истиранию поверхностного слоя, либо снижение деформации при увлажнении или же прочность во влажном состоянии и др. В некоторых случаях в бумагу вводятся вещества, препятствующие проникновению в нее молока, масла, различных жидкостей.

Процесс проклейки бумаги может быть осуществлен двумя способами: либо введением проклеивающих веществ в бумажную массу, из которой изготавливается бумага, либо поверхностной обработкой соответствующими веществами готовой бумаги.

До настоящего времени основной проклейкой бумаги при выработке ее широкого ассортимента является проклейка канифольным клеем. Канифольная проклейка бумаги была изобретена в 1807 г. немецким фабрикантом Фрицем Иллигом, который предложил растворять канифоль в едком натре, обрабатывать этим раствором водную суспензию растительных волокон, а затем, после перемешивания раствора с волокнами, вводить в бумажную массу раствор сернокислого алюминия. После подобной обработки получаемая из волокнистой массы бумага приобретала определенную степень проклейки, т.е. ее можно было использовать для письма, чернила не расплывались на ее поверхности и не проходили на противоположную сторону бумаги. Действие сернокислого алюминия, по мнению Иллига, заключалось в нейтрализации щелочи и вытеснении из раствора канифоли, которая при этом равномерно осаждалась на волокнах в качестве проклеивающего вещества, придавая бумаге определенную степень проклейки.

3.3.2 Влияние проклейки на свойства бумаги.

Канифольный клей, вводимый в бумажную массу в небольшом количестве, не оказывает заметного влияния на показатели механической прочности бумаги. Если же он вводится в количество более 1, 5 % в массе волокон, то становится заметным некоторое снижение механической прочности бумаги и повышение ее пористости. Это ослабление бумаги, проклеенной канифольным клеем, по сравнению с прочностью неклееной бумаги, может быть объяснено преобладанием отрицательного влияния на механическую прочность бумаги частиц канифольного клея над положительным влиянием – установлением связи между волокнами целлюлозы через координацию с ионами алюминия. Повышение пористости бумаги способствует снижению ее деформации в результате намокания в воде. Канифольная проклейка обеспечивает ограниченную впитываемость в бумагу воды и чернил, создавая на поверхности и в толще бумаги гидрофобные преграды их движению. Придавая бумаге определенную степень гидрофобности, канифольная проклейка в массе не придает ей олеофобности, а наоборот, делает бумагу несколько более олеофильной.

Канифоль, используемая для получения клея, представляет собой твердое, прозрачное и хрупкое вещество, нерастворимое в воде, но хорошо растворимое в органических растворителях: спирте, эфире, ацетоне и др.

Различают живичную, экстракционную и таловую канифоль. Живичная канифоль выделяется из живицы хвойных пород деревьев, в основном из живицы сосны. Экстракционную канифоль получают экстрагированием бензином щепы старых пней сосны. Эта канифоль по сравнению с живичной более темного цвета и поэтому не используется в производстве высокосортных белых клееных видов бумаги. Таловую канифоль получают из сульфатного мыла в качестве побочного продукта сульфатцеллюлозного производства. Высшие сорта таловой канифоли по своим свойствам приближаются к живичной канифоли, а низшие сорта темного цвета могут быть использованы только для проклейки бумаги и картона темной окраски.

3.3.3 Затруднения при проклейке канифольным клеем.

В производственных условиях при проклейке бумаги канифольным клеем возникают затруднения, которые вызваны рядом причин:

1).Наличием дефектов в качестве используемых волокнистых полуфабрикатов: недостаточной промывкой сульфитной целлюлозы от сульфитного щелока и отбельных растворов;

2).Дефектами в приготовлении клея: нарушением режима варки клея, слишком большим размером клеевых частиц;

3).Неправильной дозировкой растворов клея, сернокислого алюминия и наполнителей по объему;

4).Неправильным порядком введения в бумажную массу клея, сернокислого алюминия и наполнителей и недостаточным временем для надлежащего перемешивания бумажной массы с химикатами;

5).Высокой температурой массы при проклейке;

6).Неподходящей жесткостью производственной воды ввиду использованного канифольного клея;

7).Накоплением сульфата натрия в кислой оборотной воде, применяемой для разбавления массы в размольном отделе;

8).Большим количеством наполнителя в бумаге, увеличивающего его пористость

9).Слишком садким помолом бумажной массы

10).Неправильной дозировкой сернокислого алюминия;

11).Слабым отжимом воды в прессах бумагоделательной машины и низкой сухостью бумажного полотна, поступающего в сушильную часть;

12).Чрезмерно высоким отжимом полотна в прессовой части бумагоделательной машины, при котором из полотна отжимается и часть клея;

13).Форсированной сушкой с применением высокой температуры;

14).Форсированным удалением воды вместе с частью клея;

15).Высокой влажностью бумаги на накатке бумагоделательной машины при каландрировании бумаги.

3.4 Наполнение бумаги.

3.4.1 Назначение процесса.

При выработке многих видов бумаги в их композицию вводят минеральные наполнители. Чаще всего для этой цели используют каолин, однако применяют и другие виды минеральных наполнителей: мел, тальк, гипс, двуокись титана и др.

Введение в бумагу минеральных наполнителей осуществляется для удешевления бумаги, так как обычно цена минеральных наполнителей ниже цены волокнистых полуфабрикатов и замена известного количества растительных волокон минеральным наполнителем представляет определенный экономический интерес; для повышения белизны бумаги, так как белизна применяемых в ЦБП наполнителей большей частью выше белизны используемых волокнистых материалов; для придания бумаги непрозрачности, что обеспечивает возможность использования для письма и печати обоих сторон бумажного листа без опасения просвечивания текста.

Кроме того, минеральные наполнители увеличивают пористость бумаги, ее воздухопроницаемость, впитывающую способность и скорость сушки, снижают деформацию бумаги при ее намокании и уменьшают склонность бумаги скручиваться.

Наполнитель в бумаге повышает ее гладкость после каландрирования, так как частицы наполнителя при каландрировании бумаги заполняют углубления на шероховатой поверхности бумаги, чем способствует увеличению ее гладкости. Одновременно при этом происходит уплотнение листа и снижение его воздухопроницаемости.

Большинство наполнителей снижает шум при перелистывании бумаги. Исключением является гипс.

Но минеральный наполнитель придает бумаге и отрицательные свойства. Частицы минерального наполнителя, находясь в промежутках между растительными волокнами, увеличивают пористость бумаги и препятствуют установлению прочных связей между волокнами. Бумага, содержащая минеральный наполнитель, обычно отличается пониженной механической прочностью. Особенно при этом снижается сопротивление излому. Чем больше содержание наполнителя в бумаге, тем она слабее. К тому же с увеличением содержания минеральных наполнителей в бумаге в большей степени обнаруживается ее пылимость.

3.4.2 Минеральные наполнители.

Каолин, или белая глина – минеральный наполнитель, чаще других используемый для наполнения бумаги. Очищенный от примесей каолин по своему составу может быть выражен формулой Al2O3*2SiO2*2H2O. Он содержит 39, 6 % окиси алюминия, 46, 5 % окиси кремния и 13, 9 % гидратной воды. Это вещество является продуктом выветривания и разрушения водой горных пород – гранита и полевого шпата. На месте добычи на обогатительных фабриках каолин подвергается очистке от примесей, обезвоживанию и сушке. На бумажную фабрику он поступает в плитках или чаще в молотом виде в бумажных мешках.

Тальк по своему составу отвечает формуле 2MgO*SiO2*H2O и согласно этой формуле содержит 63, 5 % SiO2, 31, 7 % MgO и 4.8 % H2O. Благодаря чешуйчатому строению своих частиц он хорошо удерживается в бумажном полотне при изготовлении бумаги на бумагоделательной машине. Тальк придает бумаге гладкость и блеск, мягкость на ощупь, бесшумность при перелистывании и оказывает меньшее, чем каолин, отрицательное влияние на механическую прочность бумаги и степень ее проклейки.

Мел по своему составу представляет собой углекислый кальций СаСО3 и в лучших сортах содержит 56 % СаО и 44 % СО2. Наличие мела в бумаге придает ей непрозрачность, высокую степень лоска и хорошие печатные свойства. Он меньше, чем каолин, снижает механическую прочность бумаги и степень ее проклейки, но удержание его в бумаге ниже. Недостатком мела является вызываемое им сильное пенообразование.

Гипс по своему теоретическому составу представляет собой CaSO4*2H2O с содержанием 32, 58 % СаО, 46, 51 % SO3 и 20, 92 % Н2О. В производстве бумаги гипс используется как в природном состоянии, так и в обожженном виде. Природный гипс придает бумаге звонкость и жесткость на ощупь. Он мало снижает прозрачность бумаги, плохо ее сглаживает, увеличивает ее пыление. Недостатком гипса является его значительная растворимость в воде.

Титановые пигменты представляет собой либо двуокись титана, либо двуокись титана в сочетании с гипсом и сернокислым барием. Титановые пигменты отличаются исключительно высокой белизной и малыми размерами частиц. Благодаря этому, они придают бумаге высокую степень непрозрачности, что делает их весьма пригодными в производстве тонких видов бумаги для печати.

3.5 Крашение бумаги.

Окрашивание бумаги в какой-либо цвет осуществляют или крашением бумажной массы, из которой изготовляется бумага, или окраской бумаги с поверхности при использовании для этой цели употребляемых в полиграфии методов нанесения печати или оборудования, применяемого в бумажной промышленности (клеильного пресса, бумагокрасильной машины и др.).

Сам процесс крашения по своей природе коллоидно-химический. При этом краситель из раствора должен быть равномерно и прочно закреплен на компонентах бумаги: волокнах, частицах минерального наполнителя и др. Существенное значение при крашении имеют агдезионные явления и проявляющиеся при этом силы взаимодействия красителя с поверхностью, подлежащую окраске.

Для окраски бумаги применяют различные красители, которые можно разделить на неорганические (естественные и искусственные), используемые в настоящее время редко, и органические.

Пигментные красители – нерастворимые красящие вещества, которые либо синтезируются на волокнах из исходных материалов либо осаждаются на волокнах различными методами: химически из растворимых производных, разложением их солей или другим способом. К числу пигментных красителей относятся кубовые и сернистые красители, обладающие высокими показателями водостойкости и светопрочности.

Основные красители непосредственно хорошо окрашивают волокна древесной массы и небеленой целлюлозы, но хуже волокна беленой целлюлозы, имеющие низкое содержание лигнина и гемицеллюлоз. Часто эти красители используют также для окраски волокон из смешанной макулатуры. Во всех этих случаях достигается получение практически бесцветной сточной воды.

Прямые красители обеспечивают непосредственно хорошую окраску волокон хлопка и беленой целлюлозы и значительно хуже окрашивают волокна древесной массы. При окрашивании прямыми красителями волокон беленой целлюлозы время контакта этих красителей должно составлять 2-4 минуты. Прямые красители целесообразно применять для окраски неклеенных видов бумаги: промокательной, основы для фибры, основы для пергамента, различной бумаги санитарно-бытового назначения.

Кислотные красители хорошо окрашивают шелк, шерсть и полиамидные волокна и плохо окрашивают целлюлозу, древесную массу и частицы каолина. Эти красители обычно используют для окраски проклеенной бумажной массы при избытке сернокислого алюминия. Кислотные красители не дают такую яркую окраску, как основные, но являются более светостойкими.

Сложность процесса крашения обусловлена не только различием свойств используемых при этом красителей, но и неоднородностью по виду, строению и химическому составу волокон, из которых изготовлена бумага, а также наличием в массе различно окрашиваемых наполнителей и проклеивающих веществ. В силу этого на процесс крашения тем или иным красителем оказывает влияние большое количество переменных факторов, среди которых можно выделить: вид окрашиваемых волокон и степень их помола, количество наполнителей в бумажной массе, проклеивающих веществ и сернокислого алюминия, рН и температуру среды при крашении, а также температуру сушки и коечную влажность высушиваемой бумаги. Несомненное влияние оказывает также степень использования оборотной окрашенной воды и оборотного брака, жесткость производственной воды, наличие или отсутствие процесса каландрирования и др.

С повышением помола бумажной массы удельная поверхность волокон повышается, что способствует увеличению адсорбции ими красителей и получении бумаги с цветом более яркого тона. Ввиду чувствительности многих видов красителей даже к небольшим колебаниям величины указанных переменных факторов необходимо во избежание изменения окраски бумаги придерживаться постоянства технологического режима процесса крашения.

Расход прямых красителей в производстве санитарно-бытовых видов бумаги при окраске в слабые пастельные тона составляет до 0, 2 % к массе волокон и от 0, 2 до 1 % для окраски бумаги в средние и интенсивные тона.

3.6 Подготовка бумажной массы к отливу бумаги.

3.6.1 Очистка бумажной массы.

Для осуществления последующей операции очистки бумажной массы от сора минерального и растительного происхождения необходимо прежде всего сильно разбавить водой бумажную массу, имеющую концентрацию в машинном бассейне 2, 5 – 3, 5 % и при этой же концентрации пропущенную через рафинированную мельницу. Разбавление массы осуществляется оборотной водой от бумагоделательной машины и необходимо потому, что из относительно густой массы трудно удалить загрязнения. Кроме того, разбавление массы необходимо и для последующего отлива бумаги и получения ее с однородной структурой.

Рисунок 27 – Схемы разбавления бумажной массы после машинного бассейна.

а – в дозированном бачке; б – с помощью смесительного насоса; 1 – бачки; 2 – регуляторы уровня;

3 – сборник оборотной воды; 4 – смесительный насос.

На рис. 27 показаны применяемые схемы разбавления массы. В случаях относительно небольших производственных потоков массы ее разбавление оборотной водой производят в дозировочном бачке. На современных предприятиях обычно разбавление массы осуществляют с использованием смесительного насоса. В настоящее время эта схема разбавления массы из-за ее эксплутационных преимуществ получила весьма широкое распространение.

3.6.2 Оборудование для очистки.

Для очистки бумажной массы от включений большей плотности, чем плотность растительных волокон, в настоящее время применяется аппаратура, в которой очистка осуществляется под действием центробежной силы.

Одним из аппаратов, основанных на этом принципе, является центробежный очиститель, применяемый перед бумагоделательными машинами сравнительно небольшой производительности и при выработке ограниченного ассортимента видов бумаги. Бумажную массу, содержащую минеральный наполнитель, через центробежный очиститель не применяют.

Большое распространение для очистки бумажной массы приобрели так называемые вихревые очистители, в которых очистка массы производится также под действием центробежной силы. Эти аппараты, занимающие мало места, устанавливают обычно батареями в одну, две или три ступени. Известны два основных типа вихревых очистителей: фортрапы и центриклинкеры.

Центриклинклер (рис.28) представляют собой трубу конической формы, в верхнюю часть которой поступает очищенная масса. При этом масса приобретает завихрения и движется вниз по спирали. Тяжелые частицы под влиянием центробежной силы отбрасываются к стенкам аппарата. Коническая форма трубы способствует развитию в ее нижней части большей центробежной силы, благодаря чему увеличивается эффект очистки массы. Отходы удаляются по внутренней стенке трубы из нижней части аппарата. В центральной ее части создается зона разряжения, благодаря которой очищенная масса поступает вверх и удаляется из аппарата через патрубок.

Рисунок 28 – Центриклинкер и схема движения массы в нем.   1 – патрубок для выхода очищенной массы; 2 – крышка; 3 – верхний конус; 4 – облицовка; 5 – средний конус; 6 – прокладка; 7 – нижний конус; 8 – ограждение насадки; 9 – насадка.

Рисунок 29 – Радиклон. 1 – кожух; 2 – циклон; 3 – клапан; 4 – резиновые шланги; 5 – цилиндр; 6 – перегородка.

Радиклон (рисунок 29) – закрытый аппарат, предназначенный для очистки полуфабрикатов на целлюлозном и древесномассном заводах и бумажной массы на бумажной фабрике. Внутренняя часть аппарата разделена вертикальными перегородками на камеры, в которые радиально вмонтированы в несколько горизонтальных рядов циклоны небольшого размера. Общее число циклонов – до 300 в радиклоне типа Р100 и до 450 в радиклоне типа С100.

3.6.3 Деаэрация массы.

При отливе бумаги на бумагоделательной машине одним из нежелательных компонентов бумажной массы является воздух. Скоплению воздух способствует непрерывное перемешивание бумажной массы, а также ее перекачивание насосами, сопровождаемое засосами воздуха. Вредное влияние воздуха сказывается в образовании пены и сгустков волокон в потоке массы, что влечет появление в бумаге воздушных пузырей, неровного просвета и других дефектов.

Одним из способов борьбы со скоплением воздуха в бумажной массе является сочетание предварительной очистки массы с ее деаэрацией.

Рисунок 30 – Схема очистки бумажной массы в центриклинкерах, работающих под разрежением.

На рис.30 приведена современная схема трехступенчатой очистки бумажной массы в центриклинкерах 1. Особенностью этой схемы является работа центриклинкеров под разрежением, создаваемых вакуум-насосом 4. Отходы от первой ступени центриклинкеров поступают через закрытый коллектор 2 в сеператор 3, где от них отделяется воздух, отсасываемый вакуум-насосом. Отходы же из сборника 6 насосом подаются на вторую ступень очистки. Отходы от второй ступени из сборника 5 поступают на третью ступень очистки, а очищенная масса со второй ступени поступает для вторичной очистки на первую ступень. Отходы с третьей ступени направляются в сток, а очищенная масса – на вторую ступень центриклинкеров.

Большое распространение приобрела деаэрация бумажной массы в установке, получившей название декулатор. Эта установка (рис.31) состоит из собственно декулатора-емкости цилиндрической формы 2 и системы создания в этой емкости вакуума, включающей паровой

эжектор 3, вакуум-насос 4 и конденсатор 8. Масса после очистной аппаратуры 5 насосом 7 из сборника 6 подается в декулатор, куда она поступает через специальные незабивающиеся насадки, придающие массе вращательное движение и высокую скорость выброса. Масса ударяется о стенки декулатора и о продольно установленную в нем преграду, и пузырьки воздуха отделяются от воды и волокон. Постоянный уровень массы в декулаторе поддерживается автоматически, с пульта управления регулируют также температуру и степень вакуума в декулаторе. Освобожденную от воздуха бумажную массу перекачивают в напорный ящик 1 бумагоделательной машины.

3.7 Принципиальная схема бумагоделательной машины.

3.7.1 Потокораспределители.

Качество бумаги, изготовляемой на бумагоделательной машине, в значительной степени определяются условиями поступления бумажной массы на сетку машины. Для получения бумаги с однородными свойствами необходимо, чтобы была обеспечена однородность смеси волокон и воды в потоке массы, равномерно без струй поступающей на сетку машины. Эта однородность смеси волокон и воды должна сохраняться как по ширине машины, так и во времени, на протяжении всего процесса изготовления заданного вида бумаги.

Для эффективной работы напускных устройств необходимо, чтобы масса поступала в напорный ящик уже достаточно равномерной. Это достигается установкой потокораспределителей между очистной аппаратурой и напорным ящиком. Потокораспределители имеют различную конструкцию, но преследуют одну цель: обеспечить равномерное распределение волокон за счет создания одинаковой скорости течения потока по всему сечению.

Рисунок 32 – Потокораспределители.

а – система разветвленного трубопровода; б – многоходовой распределитель массы;

в – горизонтальный (поперечный) потокораспределитель.

Напускные устройства бумагоделательных машин отличаются между собой в зависимости от скорости машины. Если скорость меньше скорости сетки, волокна нижней части массного потока, касаясь каким-либо своим концом, увлекаются и вытягиваются в направлении хода сетки. Последующие волокна уже касаются не сетки, а волокон нижнего слоя, не успевших еще полностью приобрести скорость сетки.

3.7.2 Сеточный стол.

Отлив бумаги представляет собой процесс соединения волокон в бумажное полотно с образованием на сетке такого слоя растительных волокон вместе с наполняющими, проклеивающими и окрашивающими веществами, который по массе 1 м² абс. сухого вещества и расположению волокон соответствовал бы виду изготовляемой бумаги. Одновременно из этого слоя на сеточном столе должно быть отведено стеканием, отсосом или отжимом основное количество воды, удаляемой на бумагоделательной машине.

с сетки и переходит для последующего обезвоживания и уплотнения в прессовую часть машины. Сетка же через поворотный сетковедущий вал и несколько сетковедущих валиков образует оборотную ветвь и у грудного вала вновь переходит в горизонтальное положение. Движение сетки осуществляется от приводного вала, которым обычно является гауч-вал, а иногда и поворотный сетковедущий вал. Все регистровые и сетковедущие валики приводятся в движение от сетки.

3.7.3 Прессование бумаги.

После сеточного стола, когда сухость бумажного полотна достигает 18-21 %, для дальнейшего обезвоживания бумаги необходимо приложить усилия, более интенсивные, чем на сеточном столе. Это осуществляется в прессовой части бумагоделательной машины, по мере прохождения которой одновременно усиливается и допустимое воздействие на него, способствующее дальнейшему обезвоживанию вплоть до достижения полотном бумаги сухости 25-42 %. Одновременно в процессе прессования изменяются многие свойства бумаги, связанные с ее уплотнением и упрочнением: повышается ее прочность и прозрачность, снижаются пористость, воздухопроницаемость и впитывающая способность.

При выработке большинства видов бумаги прессовая часть бумагоделательной машины состоит из двух-трех последовательно установленных прессов. Иногда число прессов достигает пяти, а при выработке пухлых видов бумаги санитарно-гигиенического назначения, изготовляемых из массы садкого помола, бумагоделательная машина оборудуется всего лишь одним прессом.

По числу валов, составляющих пресс, прессы бывают двухвальные или трехвальные. Двухвальные прессы могут быть прямыми, обратными и сглаживающими, как это показано на рис. 34.

Рисунок 34 – Типичные схемы расположения двухвальных прессов:

а – два прямых 1, 2; б – два прямых 1, 2 и обратный 3; в – два прямых 1, 2, перевернутый

(обратный) 3 и сглаживающий 4.

Чем больше воды удаляется при прессовании бумаги, тем меньше ее удаляется из бумажного полотна в процессе сушки. Это важно не только с экономической точки зрения, так как механический отжим влаги в прессах обходится значительно дешевле, чем испарение ее при сушке, но и имеет определенное значение для достижения тех или иных свойств бумажного полотна.

С увеличением удельного давления при прессовании возрастает сухость бумажного полотна, выходящего из пресса. Однако после достижения определенной величины удельного давления последующее его повышение уже не обеспечивает возможности дальнейшего повышения плотности бумаги.

3.7.4 Сушка бумаги.

Процесс сушки бумаги имеет своим назначением не только дальнейшее обезвоживание бумаги путем испарения из него влаги, но и сближения волокон после прессования под влиянием происходящей при сушке усадки бумаги с установлением между волокнами связей, определяющих основные свойства бумажного полотна: механическую прочность, впитывающую способность, воздухопроницаемость и др. кроме того, соответствующим технологическим режимом сушки бумаге могут быть приданы специальные свойства, связанные с завершением проклейки, окраски, приданием влагопрочности и др.

Хотя широко применяемый в настоящее время способ контактной сушки является дорогостоящим, тем не менее данный способ является наиболее эффективным по сравнению с другими способами сушки материалов.

При сушке бумаги влажное бумажное полотно на каждом бумагосушильном цилиндре приходит в тесный контакт с горячей гладкой поверхностью цилиндра. При этом происходит не только испарение воды из бумажного полотна, но одновременно осуществляется выглаживание соприкасаемой с цилиндром поверхности бумаги.

Существенное влияние на свойства высушиваемой бумаги оказывает температура сушильной поверхности. Установлено, что стремление повысить производительность сушильного процесса за счет использования высокой температуры сушки в ряде случаев ограничено ухудшением качества выпускаемой продукции. С увеличением температуры сушильной поверхности заметно снижается значение показателя растяжимости бумаги.

Из показателей физико-механических свойств бумаги разрывной груз и разрывная длина сравнительно мало изменяются в зависимости от повышения температуры сушильной поверхности. Вместе с тем показатели сопротивлений бумаги продавливанию, излому и раздиранию при этом несколько снижаются, если бумага пересушивается. Выдерживая бумагу в атмосфере влажного воздуха, можно повысить ее сопротивление излому, сниженное пересушкой бумаги.

Для сокращения размеров сушильной части бумагоделательной машины используют метод сушки под вакуумом. С этой целью бумагосушильные цилиндры могут быть помещены в камеру, в которой создается вакуум. Непрерывный вход бумажного полотна в камеру и выход из нее осуществляется через уплотнения. Благодаря вакууму в камере температура испарения влаги резко снижается с одновременным сокращением продолжительности сушки примерно в два раза.

В сочетании с обычным способом сушки бумаги на бумагосушильных цилиндрах иногда применяют сушку лучистым теплом (радиационную сушку). Эту способ используют для сушки тонких покровных слоев на бумаге при выработке мелованной, лакированной видов бумаги, а также бумаги с латексным покрытием. По сравнению с сушкой покровных слоев горячим воздухом (конвективный способ) сушка лучистым теплом обеспечивает большую производительность процесса при лучшем качестве получаемых процессов.

Представляет определенный интерес сушка в поле высокой частоты. Сущность процесса заключается в том, что в переменном электрическом поле высокой частоты молекулы воды движутся с повышенной скоростью. При этом происходит выделение тепла и в большей степени в тех местах бумажного полотна, в которых оно влажнее, что приводит к автоматическому выравниванию влажности по ширине и толщине высушиваемого материала.

Тепломеханический способ сушки бумаги продуванием ее насквозь горячим воздухом, известный под названием перколяционной, или сквозной, сушки уже получил практическое применение при выработке впитывающих видов бумаги, а также пористых нетканых и текстильных материалов.

Считается, что высокой производительности сушильного процесса можно добиться, осуществляя сушку в псевдосжиженном слое, состоящем из горячего воздуха, в котором взвешены мелкие твердые частицы, не вызывающие маркировки на высушиваемом бумажном полотне.

При нанесении на поверхность бумаги различных покрытий (меловании, лакировании, нанесении светочуствительного слоя) часто для их сушки в потоке горячего воздуха или газа пользуются способом сушки на воздушной подушке, которая поддерживает бумажное полотно на некотором участке его движения. Этим предотвращается соприкосновение влажного покровного слоя с поверхностью сушильных цилиндров и бумаговедущих валиков. Сушка на воздушной подушке применяется и при изготовлении мешочной бумаги.

3.7.5 Накат бумагоделательной машины.

Бумагоделательная машина завершается накатом, осуществляющим наматывание бумаги в рулоны. При этом должна быть обеспечена ровная и плотная намотка, что создает условия для хорошей сохранности бумаги при ее транспортировке, обработке и переработке. Вредным является как недостаточное и неравномерное натяжение бумаги в процессе ее наматывания на рулон, так и чрезмерное ее натяжение. Слабо и неравномерно намотанные рулоны бумаги теряют свою цилиндрическую форму и вызывают обрывы бумажного полотна в последующих операциях использования бумаги.

По принципу наматывания бумаги различают два типа накатов: осевой и периферический (барабанный). Осевые накаты применяются на бумагоделательных машинах, работающих со скоростью, не превышающей 200 м/мин. Заправка бумаги на такой накат осуществляется вручную и именно это ограничивает возможности использования осевого наката на более скоростных бумагоделательных машинах. При постоянной скорости работы машины необходимо, чтобы окружная скорость рулона, наматываемого непосредственно на тамбурный валик, оставалась постоянной. Так как при наматывании бумаги диаметр рулона непрерывно увеличивается, число оборотов его должно непрерывно уменьшаться. Именно осевой накат дает возможность одновременно наматывать в рулоны два-три узких полотна бумаги, полученных в результате разрезания после машинного каландра всей ширины бумажного полотна на бумагоделательной машине.

Периферический накат получил распространение на всех современных широких и быстроходных бумагоделательных машинах, так как обеспечивает равномерную и плотную намотку бумаги практически при любой ширине и скорости бумагоделательной машины, а также при меньшем натяжении бумажного полотна, чем требуется в условиях использования осевого наката. Возможность применения меньшего натяжения полотна перед накатом приводит к сокращению числа его обрывов не только при наматывании на накат, но и при всех последующих операциях использования рулонов на бумажной фабрике и у потребителей бумаги.

3.7.6 Вентиляция.

Назначение вентиляции зала бумагоделательных машин заключается в обеспечении как надлежащих гигиенических условий для рабочих, обслуживающих бумагоделательные машины, так и нормального технологического процесса изготовления бумаги путем удаления из зала бумагоделательных машин воздуха, насыщенного водяными парами, образовавшимися в результате сушки бумаги и испарения влаги в мокрой части бумагоделательной машины.

Более совершенными являются приточно-вытяжная вентиляция и приточно-вытяжная вентиляция с использованием тепла водяных паров. Последняя система вентиляции применяется на предприятиях бумажной промышленности при наличии быстроходных бумагоделательных машин высокой производительности. При этом сушильная часть машины находится под полностью закрытым колпаком, который закрывает сушильную часть машины на первом и втором этажах. В случае необходимости, например, при обрыве бумажного полотна, он автоматически поднимается с лицевой стороны машины.

На рис.35 показана одна из современных схем теплорегенерационной устрановки вентиляции бумагоделательной машины. Из схемы видно, что засасываемый вентилятором из-под колпака сушильной части горячий влажный воздух выбрасывается в атмосферу не полностью.

Рисунок 35 – Схема теплорегенерационной вентиляционной установки:

1 – вытяжной вентилятор; 2 – регулировочный клапан для отвода влажного воздуха к теплообменнику; 3 – теплообменник; 4 – смесительный клапан; 5 – приточный вентилятор; 6 – калорифер; 7 – подвод воздуха под сушильную часть; 8 – сушильная часть; 9 – вентилятор системы циркуляции воздуха; 10 – калорифер для подогрева свежего воздуха.

Через клапан 2 воздух поступает в теплообменник, где подогревает засасываемый наружный воздух. Подогретый свежий воздух вентилятором 9 подается для обогрева потолка, чем предотвращается конденсация там паров воды. Часть влажного отходящего воздуха после теплообменника непосредственно смешивается в определенной пропорции со свежим холодным воздухом, повышает его температуру на несколько градусов и после следующего подогрева смеси в паровом калорифере 6 иди теплообменнике температура смеси доводится до 20-24^оС при относительной влажности 25-30 %. Таким образом, воздух становится достаточно сухим, пригодным для вентиляции и подводится под сушильную часть бумагоделательной машины. Предварительно перед вентилятором 5 воздух проходит через фильтр для отделения капель воды.

3.8 Обработка бумаги после бумагоделательной машины.

3.8.1 Каландрирование.

В тех случаях, когда после изготовления бумаги на бумагоделательной машине требуется ее дальнейшее уплотнение, повышение показателей ее гладкости, лоска или прозрачности, бумагу пропускают через суперкаландр. Однако для придания ей пластичности – свойства, обеспечивающего надлежащее уплотнение и выглаживание поверхности бумаги при пропуске ее между валами каландра, бумагу необходимо равномерно увлажнить. Увлажнение осуществляют либо на самой бумагоделательной машине перед накатом, либо на увлажнительном станке. Иногда бумагу увлажняют на перемотно-резательном станке. Практикуют и увлажнение бумаги подпариванием ее с одной или с двух сторон на самом суперкаландре до пропуска ее между валами этого каландра.

Пропуск бумаги через суперкаландр осуществляется следующим образом. Бумажное полотно из рулона, установленного на раскате, по расправляющей дуге заправляется через верхний вал суперкаландра и последовательно проходит между вертикально расположенными друг над другом валами. При этом рулон бумаги с раската постепенно разматывается, а бумажное полотно подвергается трению о поверхности валов и все возрастающему давлению, которое складывается из давления массы валов суперкаландра и дополнительно создаваемого давления прижима валов друг к другу. Трение между валами работающего суперкаландра и бумажного полотна о поверхности валов возникает из-за радиальной деформации набивных валов и некоторого различия в скоростях вращения металлических и набивных валов. При каландрировании бумаги набивные валы служат упругой прокладкой, предохраняющей бумажное полотно от раздавливания. Из суперкаландра бумага выходит в зазоре между двумя нижними валами, после чего она наматывается в рулон на накате.

Пропуск бумаги через суперкаландр уменьшает колебания ее толщины, повышает гладкость и лоск бумаги, что приводит к улучшению печатных свойств бумаги. Однако одновременно уменьшаются толщина, пухлость, непрозрачность и жесткость бумаги при изгибе. Поэтому режим отделки в суперкаландре бумаги для печати должен быть таким, при котором максимальное повышение гладкости и лоска сопровождалось бы минимальным снижением толщины и пухлости бумаги.

3.8.2 Разрезание бумажного полотна.

Бумага, изготовленная на бумагоделательной машине, перед отправкой потребителям должна быть разрезана на необходимые форматы. С этой целью рулоны большого размера, соответствующие обрезной ширине бумаги на накате, должны быть разрезаны в продольном направлении бумажного полотна на кратное число рулонов, каждый из которых должен иметь по ширине потребительский формат.

Разрезание бумажного полотна в продольном его направлении осуществляется на перемотно-резательных станках, на которых одновременно осуществляются операции перемотки и продольного разрезания бумажного полотна, а также удаление дефектной бумаги и склеивание концов бумажного полотна. В технологическом потоке производства бумаги перемотно-резательные станки устанавливают непосредственно после бумагоделательной машины, если вслед за этим бумага упаковывается и направляется потребителям, или после другого оборудования бумажного производства, если бумага проходит это оборудование при полной обрезной ширине бумажного полотна.

Перемотно-резательные станки различаются между собой схемой заправки бумаги, конструкцией ножевого устройства и некоторыми другими конструктивными особенностями. Известны станки с верхней и нижней заправкой бумаги на наматываемый рулон (рис.36):

Рисунок 36 – Схемы перемотно-резательных станков с заправкой бумаги:

а – верхней; б – нижней; 1 – разматываемый рулон; 2 – бумаговедущий валик; 3 – механизм продольной резки; 4 – прижимной валик; 5 – наматываемый рулон; 6 – несущие валы.

3.8.3 Упаковка и хранение бумаги.

Упаковка бумаги – операция, завершающая цикл ее изготовления. В прошлом этот процесс осуществлялся вручную. Затем появились упаковочные станки, существенно облегчившие и механизировавшие труд рабочих-упаковщиков рулонной бумаги. В настоящее время существуют механизированные рулоноупаковочные линии, рассчитанные на высокую, среднюю и малую производительность. Рулоноупаковочная линия высокой производительности упаковывает 60 – 90 рулонов в час. Она обслуживается тремя рабочими, из которых один находится на участке взвешивания бумаги и двое – на участке упаковки бумаги.

Непосредственно перед упаковкой рулон конвейером подается к весам, где он автоматически взвешивается и соответствующие данные вводятся в блок памяти программно-управляющей машины. Далее рулон сталкивается с конвейера на другой и подается к центрирующему устройству упаковочной линии. Здесь рулон автоматически выравнивается по оси, автоматически измеряются его диаметр и длина, на нем проставляется трафаретная надпись с указанием вида бумаги, даты изготовления и массы рулона. Далее рулон подводится к упаковочному станку, где он по заданной программе оборачивается определенным числом слоев упаковочной бумаги.

При поступлении упакованных рулонов в склад готовой продукции программно-управляемый механизм распределяет рулоны на складе в соответствии с видом продукции. Лучше всего хранить рулоны, устанавливая их вертикально на торец рулона. При таком хранении рулоны не повреждаются и лучше используется площадь склада.

Процесс упаковки стоп предварительно отсортированной листовой бумаги автоматизировать сложнее, чем бумагу в рулонах. Подлежащая упаковке стопа бумаги обычно вручную подается на упаковочную линию, глее пройдя направляющий угольник, продвигается по первому роликовому конвейеру. Здесь на нее снизу накладывается обрезанный лист упаковочной бумаги. На втором роликовом конвейере лист упаковочной бумаги накладывается сверху. Упаковочную линию обычно обслуживают два человека: оператор, осуществляющий общее наблюдение и рабочий на подаче бумаги.

Кроме мягкой упаковки листовой бумаги в пачки, которые обжимаются и перевязываются в упаковочном прессе, допускается производимая вручную упаковка листовой оберточной бумаги «рулончиком» или «калачом». Высококачественные виды бумаги упаковываются в щиты или в ящики.

Упаковка бобин в зависимости от их диаметра осуществляется в рулоны или в кипы. Бобины специальных видов бумаги (конденсаторной, сигаретной, телеграфной ленты, перфораторной и др.) упаковывают в ящики.