（制浆造纸工程专业论文）流浆箱中纤维分散与浆料均布机理研究.pdf

摘要 捅矍 随着生活水平的提高，纸和纸制品的市场需求越来越大，这就要不断的提 高纸机的生产能力来满足市场需求，提高纸机生产能力的现实方法是提高纸机的 抄造速度，而要提高纸机的抄造速度，就必须改善流浆箱的性能，因为流浆箱是 现代纸机的关键部件，是连接”流送”与”成形”两部分的关键枢纽，也是现代纸机 上发展最快的部件之一。 本文以满流气垫结合式流浆箱为研究对象，从理论上深入研究浆料悬浮液的 流动特性及流浆箱对纤维分散和均布的作用机理，以及气垫压力控制的实现方 式。在理论分析的基础上，充分借鉴国外高速流浆箱设计的成功经验，设计出实 验流浆箱，然后以有机玻璃板为材料制作的实验流浆箱进行实验。 纤维与纤维之间存在范德华力、水桥联结力、纤维的弹性弯曲产生的内聚力、 表面张力等结合力。这些纤维之间的结合力能促使纤维交织成网络，甚至能促使 多根纤维缠结成絮聚物，湍流状态下对流体具有较高的剪切作用，因此造纸过程 中通常利用湍流所产生的剪切力来达到分散纤维絮聚的目的，但只有高强微湍动 才能有效地分散纤维，减少絮聚。 浆流在布浆器中流动时，有摩擦压头损失、收缩压头损失、分岔压头损失， 在不同的条件下，有不同的计算公式和取值。总管流速、支管流速、支管孔径， 长度以及支管的结构形式是影响支管压头损失系数k t 特性曲线的主要因素，应综 合考虑。 对于阶梯扩散器，阶的大小即为湍动规模的大小，而湍动的强度则与纸料的 流速和通过阶梯时的压力降有关，压力降越大，湍动强度也越大，因此阶梯的结 构尺寸和纸料通过阶梯时的速度就决定了均布元件性能和分散纤维的效果。 对唇板区边界层的理论分析求出了边界层排挤厚度，指出在唇板区两边加入 边流管，引进边流是提高唇板区两边浆流速，有利于改善喷浆均匀性。 根据消音理论提出了脉冲衰减的声学模型，分析了气垫室衰减脉冲和去除气 泡的作用机理。阐述了气垫室压力的控制方法。 参考y a l m e t 的s y m - f l o 满流气垫结合式流浆箱，在充分考虑流浆箱作用机 理、实验室条件和制作上方便的基础上，经过系统的计算，设计出了实验流浆箱， 并用有机玻璃板制作出了实验流浆箱。 通过实验测定了不同浓度和不同速度条件下，实验流浆箱唇口喷浆的瞬时速 度，从而求得了不同条件下的湍流强度，并做了试验分析。 关键词；流浆箱，纤维，分散，机理，湍流强度 a b s t r a c t a st h e i m p r o v i n go ft h e s t a n d a r do f l i v i n g ，t h e d e m a n do fp a p e ri s i n c r e a s i n g s oi t sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h et h r o u g h p u to fp a p e rm a c h i n eb y a c c e l e r a t i n g h e a d b o xi s ak e yc o m p o n e n to fp a p e rm a c h i n e ag o o dh e a d b o xi sv e r yi m p o r t a n tt oap a p e r m a c h i n e s t u d y i n go f fm e c h a n i s mo fl i q u i df i l l e d a i r c u s h i o n e dh e a d b o xf r o m t h e p o i n to fv i e wo fh y d r o d y n a m i c sa n dt h em e c h a n i s mo ff i b r e sd i s p e r s e a n de v e n d i s t r i b u t i n g i n h e a d b o x d e s i g n i n g a n d m a k i n ge x p e r i m e n t a l h e a d b o xb yr e f e r r i n gt os y m f l oo fv a l m e tc o m p a n ya n dd o i n gc o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t sw i t ht h i sh e a d b o x i tp r o v i d e st h er i g h tt h e o r yb a s i sf o rd e s i g n o fl i q u i df i l l e d & a i r c u s h i o n e dh e a d b o x t h e r ea r ef o r c eo ff r i c t i o na n ds e v e r a lk i n d so fc o m b i n a t i o nf o r c e s a m o n gf i b e r i np u l ps u s p e n s i o na n dt h e s ef o r c e sm a k ef i b e rn e t w o r ka n d f l o c c u l a t i o nw i t hc e r t a i ns t r e n g t h t h i sd i s s e r t a t i o nd e d u c e st h ec a l c u l a t i n g f o r m u l a so ff r i c t i o ns t r e s s ，s h e a r i n gs t r e s so fp u l pf l o wi np i p ea n dt h ef o r c e o f d i s p e r s i n gf i b e rn e t w o r k 1 7 na n dd i s p e r s i n gf i b e rf l o c c u l a t i o nt c o b t a i n i n gt h ed i s p l a c e m e n tt h i c k n e s so fb o u n d a r yl a y e rb yt h e o r e t i c a l a n a l y s i so fb o u n d a r yl a y e ri n t h es i d e so fs l i c es e c t i o na n dg e tt h e o r e t i c a l f l u xo fe d g ef l o wp i p ef r o mt h ed i s p l a c e m e n tt h i c k n e s s ，t h e nw ec a nd e s i g n a ne d g ef l o wp i p e b r i n g i n ga c o u s t i c sm o d e l o fp u l s ea t t e n u a t i o nf o r w a r da c c o r d i n gt ot h e t h e o r yo fe l i m i n a t i n gs o u n da n da n a l y z i n gm e c h a n i s m o fa t t e n u a t i n gp u l s e a n dw i p i n go f fa i ra n df o a mi na i rc u s h i o nc h a m b e r r e f e r r i n g t o s y m f i oh e a d b o xo fv a l m e ta n db a s i n g o nc o n s i d e r i n g m e c h a n i s mo fh e a d b o x ，c o n d i t i o n s o f l a b o r a t o r y a n dm a n u f a c t u r e c o n v e n i e n c ew ed e s i g na ne x p e r i m e n t a lh e a d b o xb ys y s t e m i cc a l c u l a t i o n a n dm a k ei tw i t ho r g a n i cg l a s s m e a s u r i n gt h e i n s t a n t a n e o u sv e l o c i t yo fj e ti n e x p e r i m e n t a lh e a d b o x s l i c em o u t hi nd i f f e r e n tc o n s i s t e n c i e sa n dv e l o c i t i e sb ye x p e r i m e n t s a f t e r t h a tw eh a v e g o t t u r b u l e n c e i n t e n s i t y f i n a l l y t h et h e s i s a n a l y z e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：f i b e r ，h e a d b o x ，m e c h a n i s m ，t u r b u l e n c e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i n g n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人谯导师的指导下独立进行研 究所取得鳇磺究成果。除了文中特别加以标注弓l 用的凑寥外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表葳撰写的成果作鼎。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意谈到本声明的法德后果蠢本人承掇。 作者签名：稼醋 日期： 谬年7 月2 日 ， 学位论文版权使用授权书 本学使论文作者宠全了解学校有关保窝、健雳学位论文的裁定， 同意学校保留劳向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入裔关数据库进行检索，可戬采用影印、缩印或扫 攒等复制手段保存程汇编本学位论文。 保密 本学位沦文属于 不保 j 解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应方框内打“”) 疆期：彭年6 冀3 哆窦 基鬻：6 7 年易月多毛羁 ? 第一藜铃缝论 l _ _ - _ _ - _ i _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ i l l l - _ _ _ - i - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ 第一部分绪论 。 遣纸王韭的残状及发展 1 。1 1 造纸工业的重要地位日益明最 造纸工波是一个与国民经济和丰士会主义文明建设惠息相关的瀵要产渡部门。 世界上经济发达国家般都拥有发达的造纸工业，美国和日本把造纸工业列为国 内十大制造业之一l 。在本檄纪前5 0 年纸和纸板总产量从1 9 0 0 筚魄1 0 0 0 万吨发 展到1 9 5 0 年地4 3 0 0 万吨，年均增长为2 9 6 。到本世纪来，全球纸与扳纸消费 量由1 9 9 0 年的2 3 8 亿吨增加到1 9 9 6 年斡2 7 9 亿吨和1 9 9 9 年的3 1 4 亿吨， 合计增幅为3 2 ，年均增长3 1 ，2 0 0 0 年的消赞量约为3 2 5 亿吨。从各大洲 来看，亚洲的增长速浚高子葵袍选区。1 9 9 0 年至1 9 9 9 年淹，亚濑纸与板缀消费蘩 由6 2 0 0 万吨增加到1 9 9 9 年的9 9 5 0 万吨，总增幅为6 l ，年均增长5 4 。产 量在两期蠢交5 6 9 0 万缱增加捌9 2 4 0 万蘸。总增辐淹6 2 强，年均壤长5 。s 雅l 。 1 9 9 5 年全球造纸工业总销售额2 6 0 0 亿美元，资产4 0 0 0 亿美元，行业排序位 詹电僻和汽车工监之器，超避了钢铁工韭秘靛空工建。款麓途看，一方瓣纸褒久 类的文化发展中具有极其重大的意义，通道以纸为载体的出版物使人类的各种倍 息帮知识褥到遂速缝传撵，妥善遮绦存，悠久豹瑷雯遗产褥羁继窳，竣藤雄动了 人类文化和科学技术的不断发展。嬲一方面，纸和纸板是国民经济中不可缺少的 物资，隧着褒健秘拳熬发震，其臻途扩震劐鏊民经济豹各个部门，怠援交纯印剥、 包装鼗潢、生活用纸、工农业技术用纸、科学技术用纸，其中特别是作为商品包 装耪辩用戆缎j 摹曩纸扳，翅甄缀箱 弋蘩本籀龟装有成本低、鬟量较、运输方便、节 约木材等好处，在某些国家作包装材料用的纸和纸板所占比重很太，达到了总产 量竣5 0 以上。壶戴可见，造纸工渡已经成为关系到国民经济的l 夸多部门且服务 面很广的一个行业，它在国民经济中占有越来越重要的地能。 。1 2 我豳造纸薹翌委离速发展 在各大纸与板纸生产和消费国中，中图的增长速度最高。中豳纸与檄纸消费 量由1 9 9 0 年瓣1 4 3 0 万睫增麴到1 9 9 9 年的3 5 9 0 万遽总灌簇毒达1 5 0 ，举缘壤长 率为1 0 6 。中国纸与板纸消费量年均增长速度怒世界平均值的3 倍多，是亚洲 豹2 耱。中嚣纸与馥缎游费爨占藿器惑量豹毖铡1 9 9 0 年为6 ，1 9 9 9 年上舞到l | ，产量占世界总量的比例豳6 上升到9 。我豳造纸工业正处于社会需求高增 长静泠段，邋十年国内羚霹纸张豹鬟求年增长率鸯8 。7 7 ，裹于g d p 豹增长率， 远远越过美国和日本等发达圈家2 3 年增长率。预计到2 0 0 5 年，中国纸与板纸 产量将增鸯瑟裂3 8 0 0 万楚4 0 0 0 万魄，毙2 0 0 0 年增长2 7 3 3 。年均增长4 8 华南穗工大学王学殒士学位论文 _ i i i ip ipi i i ii i f l i i g 自自_ - - 5 。9 ，人均酒费量褥增至3 4 公斤3 8 公斤+ 1 9 9 8 年全辫纸翻纸板憨产量 2 7 8 0 万魄，逶续6 年属毽器第三位( 仪次予美国、日本 ，到1 9 9 9 霉，中国已经 戏为整爨第二大纸冀援纸消费藿，第三六生产黧，产黯凄量鞠档次窝显著提裹，产晶 鑫释6 0 0 多秘，基本上霹滤是鑫方蚕嚣要。夔蓑麟耀塞版、书稳窜剔、亵黥包装 嚣产监鹣迅逮麓震，纸张消费需求旺箍。毽建罾露簿薪囊产量帮不麓满足带场需 袋，西藏，逶西纸帮纸扳数量逐年增加，1 9 9 8 年必5 7 7 2 万噫，占全莺总消费羹 的1 8 ，进黝产品主要是以本浆为原料的离褴产熬。我辫纸张如口量报少，t 9 9 8 年为2 9 5 7 万辩菝，仅占全藩总生产量静1 0 5 ，出暖产品主要是不适合大粳模生产 麴一些糁豫纸菇描j 。 1 1 3 造纸工监将或为2 1 世纪酶“鞘阳王韭” 隧蘧我雹靼令璇钱纯建设瓣发震，人民瓣震文纯生滔水平戆不凝提毫，纸和 缀援繇溱戆鑫耱帮数量将毽盏壤长。黧器造纸韭爨认鸯，孛重糨残为整爨上最大 静纸张消费市场。聪在中滏每年靛纸张秘纸馥翡游赞量终菇3 4 0 0 万穗，夫穗溃费 鼙鸯2 6 5 k g ，不嚣 簸赛久均消费鼙静一半，驻潍遗嚣磊静耱久臻渍费鬣舞3 8 k g 。 剿2 0 0 5 年中圈的纸张和缎缀消赞量将超过5 0 0 0 万吨，耩时入均清赞璧达剿现在 戏溯鸵入均承乎。到2 0 1 0 年游烫量将迭瓢6 5 0 0 万吨，剽2 0 1 5 年，中国的纸张漓 赞量馥计将达到8 0 0 0 万吨，专家认为，当翦在我潮抛工制造业缝力蕾遍过剩的状 挽下，造纸王邂是为数不多瓣嚣浓不凝扩张瓣行业之一，大力发展现代造纸王监， 嚣然磊黻液为我餮毅兹经济瑾长熹，势必霹我晷謦是经济魏增妖产生骞力瓣拉动 依瘸。窿目前灞内掰品市璐普遍楚子避耧觞状态下，我攒造纸工盈爨少有瓣潢费 蕊增长大于生产量的一个符韭。嚣蘸，在买方市场条释下，缎监是我莺鸯数不多 的总重短缺、需求不断增长、颇具发耀潜力的产业之一，今后也必稳会有爨大的 发屣，鼹以，浅国翡造纸z 业将跫2 l 瞧纪的”朝阳工韭”【l “”。 1 。2 流浆籍在造纸橇上翡重要俸用 琏彗生瀵水平的提赢，纸积纸割赫觞市场需求越来越大，这藏螫不断的提高 缀槛豹生产戆力寒满是枣燧霉求。一般认为，要擞赢纸飒的生产能力，有蹲种途 径一是挺裹晕速，其次是增燕绒援豹蠖塞。历史熟发展趋势衷骥，对大多数纸秘 求说纸梳豹平均速瘦每年增燕2 。5 籁1 4 l ，对于薄擞纸，缀筑静设诗攀速现爨这裂 2 5 0 0 米分，纸板梳静车逮氇这麓1 1 0 0 寒，分龉 ，撂楗测，裂2 0 2 0 年缎橇车速将携 麓1 5 左右，印刷纸视将遮戮2 0 0 0 m m i n ，甑装纸机车速约为1 4 0 0 r e r a i n l “，导致 绒辘车速提蔫的原因很多，如：现代诧的鹾榨部醴经淘汰了新奇或大部分的开式 辱 纸，理 弋化的靴式压撵取代镄统豹辊式噩榨，现代化的单撩烘缸工艺取代现谯 遮芎亍静攀蓑 譬式烘瓤及 妻去采瑙戆双骚舞式牵弓l 烘程 7 l 。提毫事运可以增加纸极弱 2 第一部分绪论 l _ _ _ i _ 日_ _ l _ _ _ l _ _ l - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 目_ _ i - _ - _ _ _ - _ l - l - _ - l _ _ _ - _ _ l _ _ - 产量。但是，要通过增加纸机的幅宽来达到这种效果并不定可行。下压榨辊的 挠度可以通过公式计算： ，：尘( 1 2 f 一7 6 ) (1_l，384e 。 描 。 、-i ， 式中：f 一挠度( m ) ，1 q - - 均布载荷( n m ) q = 兰 p - b 一辊面宽度( m ) e 一压榨辊体材料的拉伸弹性模数，对钢取e = 1 6 2 1 0 l o ( n m 2 ) i 一压辊轴承中心距( m ) i 。一真空伏辊对于包含其轴线的任何平面的全幅平均惯性矩( m 4 ) i 自= 三4 一d ? x l 一兄) o 叶 d ，d i 一真空伏辊的外径和内径( m ) 一真空伏辊的开孔率( ) 通过上式1 1 可以看出，辊挠度的增加与辊宽度的四次方成正比。当纸机宽 度增加时，使用低挠度的辊会造成纸机成形网宽和毛毯辊及其他辊的直径迅速增 加。大量分析结果表明，辊面宽度大于l o r e 的特大型辊成本会非常巨大，纸机的 幅宽现在最高为i o 米左右，预计将来也不会有太大的变化，增加纸机速度比增 加纸机幅宽更具有技术上的可行性和经济上的合理性。因此提高纸机生产能力的 现实方法是提高纸机的抄造速度，而要提高纸机的抄造速度，就必须改善流浆箱 的性能，因为流浆箱是现代纸机的关键部件，是连接”流送”与”成形”两部分的关键 枢纽，也是现代纸机上发展最快的部件之一。 就纸张的质量而言，流浆箱也起到了非常关键的作用。好的流浆箱把浆料均 匀而稳定地流送和喷布到成形网上，为纸幅的良好成形提供必要的前提。在通常 情况下浆料上网浓度一般为0 1 1 ，在这样的浓度下，纤维有明显的絮聚成 团倾向，不容易得到无絮聚的均匀分散的悬浮液。在高速高宽幅的纸机上，纸料 从流浆箱喷出到定型的时间只有几分之一秒，甚至十几分之一秒。在这样短暂的 时问内，要求纸页的定量沿纸幅全宽均匀一致，抄出匀度良好的纸页，其难度很 大，单靠网部是难于实现的，甚至不可能做到，必须要求流浆箱所喷出的纸料沿 纸机全宽严格做到稳定均匀全幅致，纤维分散良好，浆流具有高强微湍动的特 性，以防纤维在喷浆过程中进行再絮聚。因此现代高速纸机如果没有一台好的流 浆箱，就抄不好纸，甚至抄不了纸，这已被大量的事实所证实1 8 5 。 1 3 流浆箱的类型 流浆箱的重要性从它的发展史中也可以看出。随着纸机抄速和抄宽的提高， 流浆箱的结构和类型也不断地进行更新，出现了各种各样的流浆箱。按其发展的 进程和结构的基本特点，可以归纳为敞开式、气垫式、满流式和满流气垫结合式 四大类型。 1 3 1 敞开式流浆箱 如图i l 所示，其特点是有一个体积很大的箱体，箱体内的浆料有一个自由 液面，而且，由液面直接和大气相通，箱内设置一定的浆流匀整元件，浆料通过 箱体前墙下的喷口流送上网。常用溢流的方法来调节浆位，喷浆速度大小由箱体 l 一支管布浆器2 一节流扩散管道3 一山形部4 一匀浆辊5 一分流扳 6 一隔板7 一泻流槽8 一溢流槽9 一唇板调节器l o 一唇板1 1 一胸辊 1 2 一可调支柱1 3 一中间支柱1 4 一滑轨1 5 一快速放浆阀 图l 一1 敞开式流浆箱结构简图 f i g 1 一ls t r u c t u r eo fo p e n h e a d b o x 内浆位高度来控制，即： v = p 2 9 h t l - 2 ) 式中：z 一唇板的摩擦损失系数又称喷唇系数： g 一是重力加速度，m s 2 ： h 一为流浆箱内液面高度，m 。 由上式可知，随着车速的提高，浆位的高度将随着车速的平方关系增加，使 4 第一部分绪论 j _ _ _ _ _ _ e _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ l - _ - - _ 目_ _ - _ _ _ m _ _ _ _ ii _ _ _ 流浆镣设备的高度和重量大大增加，从而警致流浆箱的结构变得十分复杂。另外 即使程稽当低的车速下，流浆箱的浆位已稻当高，这使流浆箱内浆层避蓐、浆流 的稳定性和纤维的分数性均下降，因此这种敞开式流浆箱只能用于中低速造纸机。 1 3 2 气垫式流浆箱 警纸辍攀速超避2 5 0 m m i n 时，般采飕气垫式滚浆戆，絮图1 2 蹶示，萁 l 一浆漉分帮装置2 一匀浆壤3 一捧气耗4 一嚷雾器5 一篷缩空气入墨 6 一人孔7 一上浆技置8 一胸辊 蚕l 一2 气垫式漉浆籍络稳篾窝 f i g i 一2 s t r u c t u r eo fa i rc u s h i o n h e a d b o x 特点怒，箱谘疼懿浆辩僳褥在一个逶当兹瑟度上，霹夔纛浆境内骞效逡搜瑗琵辘 等浆料匀整元件，来改善浆料的流动状况。箱体内的浆料上液面与带有定压力 静气爨穗接皴，按纸辍车速鹣要求，可变楚气垫戆气压，鼹穰确遮、灵滤建、大 范围地调节上网浆逮，以满足车速变动的需要，其喷浆速度是由流浆箱蠛池浆饿 器赣凌气垫茭弱提供瓣，帮： v = z 、2 9 ( h + p ) r 1 一 式中：p 一气垫压力，r a f t 2 0 。 气垫式流浆麓具骞对车速的适嶷牲范飘大、调节方便、结构紧凑、体积较小、 车速变化时不需要变更浆位等优点l 引。但愚，气垫式流浆耩只能用匀浆辊作为浆料 匀整元 孛，其分数终维鑫勺熊力是嚣鬻有限鹘，一般用于长网纸枧上，要借助网寨 的摇震，才能保证纸张的抄造质量，而且牮速不能太高。 5 华南理工大学工学硕士学位论文 1 3 3 满流式流浆箱 随着新型夹网造纸机的出现，造纸机的抄速有了进一步的提高，达到 1 0 0 0 m n i n 以上a 纸幅在成形网上的实际时间已经远少于1 秒。上网浆流中的任何 缺陷都会明显地反映到成形地纸幅中，这就要求流浆箱以非常良好的流态把浆料 分布到成形网上a 满流式流浆箱的结构特点是流浆箱充满纸料，通过输浆泵的压 1 一胸辊2 整流片3 一底网4 一布浆管束5 一锥形布浆器 6 一喷浆口调节装置7 一顶网8 成形辊 图l 一3 满流式流浆箱结构图 f i g 1 - - 3s t r u c t u r eo f f i l l e dh e a d b o x 力或高位箱的浆位的压力或气垫稳浆箱的空气压力来调节和控制上网纸料的速 度。由于满流式流浆箱无自由表面，采用新型浆流匀整元件( 如管束阶梯扩散器、 集流扩展、整流片组) ，效率高而结构紧凑，适合于夹网型造纸机的要求。图l 一3 是敛流式流浆箱结构简图，是满流式流浆箱的一种。它使用方锥管和渐扩的管束 来布浆。浆流的匀整是一组( 一般是6 7 片) 柔性的塑料和挠性膜片。这种整流 片组在全幅宽上把浆流分割成若干很薄的浆层，只是在离喷浆口不远的地方才汇 合，然后上网。整流片本身以及整流片之间的流道都是楔型的，所以具有收敛的 性质，整流片的厚端可以承受进口端大型湍动产生的大的压力波动，而逐渐变薄 的柔性末端是有利于保持浆流的稳定。浆流通过这种狭小的收敛流道，会受到强 烈流体剪力的作用，可以得到均匀分散的纤维悬浮液。满流式流浆箱无自由表面， 因此它采用了能产生高强微湍动的固定组件来匀整浆流，流浆箱没有转动的部分， 体积小，效率高，整流效果好。其湍动是在高速条件下产生的，约在1 5 m s 左右。 6 辫一豁分绪论 由于采用固定匀整组件而大大增加了浆流游动强度，并减小了演动尺寸，这种小 尺寸的湍动( 3 5 m m ) 改善了憨浮体中分散纤维的作用。满流式流浆箱具宥不少优 点，但它也裔一个明显的不足，由于满流式流浆箱中浆料充满了箱体，因此在箱 体内茏法消除从供浆系统带来的浆流缀向脉冲而谂成纸瞩级向定鳖波动；同时满 流式流浆箱中没有溢流，浆料中出现的泡沫也难以排除。 诧外，觚满流式流浆耩中喷击的浆流瑟稳定均匀得多。近年来，由于不断改 进了满流式流浆箱的性能，因此满流式流浆箱己不仅用于夹网成形器上，并且越 来越多遗焉予长网成形器或配有上阙装置豹混合焱夹阚戒形器上，在较低车速条 件下也有采用满流式流浆箱的| l 。 1 3 4 满流气垫结合式流浆耩 瀵漉气垫结合式滚浆籍的结构麓圈如蹦1 4 所示，这种流浆籀涂了两段集 1 一喷浆爱建瘦谜节装置2 锥形撩浆慧繁3 一毒浆警衷4 一溢漉警5 一气楚式 6 一混合室7 一整流管柬8 一成形辊9 一可调下唇扳1 0 - - 膳扳微凋1 1 一胸辊 圈| 一4 潢漉气垫结会式漉浆麓缝搀强 f i g 1 4s t r u c t u r e o fa i rc u s h i o nc o m b i n e dw i t hf i l l e dh e a d b o x 溅扩展的管轰终还有一个气垫嶷和混会室，气垫室可以抑制浆流中的压力波 动，并可以排除浆料中的空气和气泡，中间有一个混合室，可以起到消能作用。 瀵凌气垫结合式漉浆籀把浆漉沿纸极蠛宠均匀分布开，保证了上网浆流的流速 7 华南理工大学工学硕士学位论文 真正一致，较彻底地避免了横流、窜流、扰动等不规则流动，规范了成纸纤维的 分布方向。它具有完善的匀浆、整流装置可以保证流浆箱有较高的上网浓度，从 而减少了脱水成本，提高了留着率和成形量。满流气垫结合式流浆箱除了具有满 流式流浆箱的优点以外，由于它采用中间室、气垫以及溢流等相结合的设 计，因而具有非常有效的衰减脉冲的作用。一般通过中间室之后，在唇板区浆流 的脉冲仅仅是进浆总管处的三十五分之一i 8 l 。满流气垫结合式广泛应用于采用长网 成形器和混合式夹网成形器的高速纸机上。 1 4 本文的研究对象和目的 当今世界制浆造纸工业在生产技术中已形成了高速、高效、高质量、低消耗、 连续化、自动化的作业系统。为了跟上国际潮流，缩小与世界先进水平的差距， 造纸行业必须加快技术改造步伐，提高装备水平，促进传统的造纸行业实现现代 化；要以提高劳动生产率为主要目标，实现低消耗、高质量、高效益，不断提高 国际竞争力。而目前国内拥有纸机台数近万台，但多为圆网造纸机，且多数是日 产l o 吨以下的小圆网纸机，长网纸机中1 5 7 5 及1 7 6 0 纸机所占比例较大，其车速 多在2 0 0 r r i m i n 以内，幅宽3 m 以上的高速纸机屈指可数! l “。由于流浆箱对纸机的 制约，要提高纸机的速度，改进纸页的成形，就必须设计出与之相适应的高速流 浆箱。由于敞开式和气垫式流浆箱只能用于中低速纸机，满流式流浆箱虽能用于 高速纸机上，但满流式流浆箱无法消除从供浆系统带来的浆流纵向脉冲而造成纸 幅纵向定量波动，同时无法解决泡沫问题，而满流气垫结合式流浆箱既有满流式 流浆箱的优点，又设有气垫平衡室和溢流槽，有一定的溢流量，可以排除泡沫和 减少脉动，从而可以简化供浆系统流程，节省投资成本。因此本文将以满流气垫 结合式流浆箱为研究对象，从理论上深入研究浆料悬浮液的流动特性及流浆箱各 部份对纤维分散和浆料均布的作用机理，以及气垫压力控制的实现方式。在理论 分析的基础上，充分借鉴国外高速流浆箱设计的成功经验，设计出实验流浆箱， 然后以有机玻璃板为材料制作的实验流浆箱进行实验。在实验中将检测几个浓度 和速度下流浆箱喷浆中的湍流强度和相对湍流强度，比较全面地分析实验流浆箱 的性能及上网浆料浓度和速度对流浆箱性能的影响，冀能为我国高速流浆箱的开 发和使用提供具有指导意义的理论依据。 第二部分纤维的絮聚和分散机理 第二部分纤维的絮聚和分散机理 浆料主要是由固态的纤维液态的水和气态的及溶解状态的空气所组成，还有 一定量兹黢耨帮竣辩，楚一释三籀悫浮滚。鬻零懿造纸浆辩滚躞楚0 。l | ，在 这样的浓度下，纤维有明显的絮聚成团倾向，不容易得到无絮聚的均匀分散的悬 浮液。为了使纤维能够均匀分敬，常常需要傻浆流内有一定程度的搅动或濡动。 由于浆料流体力学的研究和发展，浆流的湍动流型理论的提出，为新型流浆箱的 设计定下了理论基础，现从流体力学的角度出发，时纤维的絮聚和分散机理作简 单分2 嚣5 ”l i t 3 l 。 2 1 纸浆悬浮液中的纤维网络絮聚和网络强度 2 1 1 纤维网络絮聚 纤维网络主簧是由于纤维静缠结祷寻致貔理上静结合褥黏缡在一熬。在浆辩 悬浮液中只有流体动力才能促使纤维交织成网络。当纸浆悬浮液被搅拌或受到强 烈扰动时，纤维受到桔性力和流体动力的作用而产生弹性弯益，这些产生弹髋弯 趁纤维呈瑷出恢复它 f 】琢始状态的趋势。如果浆斟悬浮液中单位体积内的纤维数 量很多，即浓度很大时。纤维和纤维就会发生接触并停止在受力的位鬣上，另外 这终鲜维蠢予受到终力及其产生懿终维阕豹摩攘力戆佟嗣嚣变成叁锬状态，扶蠢 组成了纤维网络。纤维网络是由于其内应力作用而粘结夜起的。纤缎网络与在 一个很低浓度的撩浮液容器底鼯沉积黥一壤纤维，有着翻显靛不同。 浆料中除了纤维网络以外，还有絮聚纤维团柬，这是由纤缎的更紧密交织和 纠缀所形成的。纤维交织成网络和絮槊团束的基本前提程于湍流场内革狠纤维的 弯熬稆旋转运动。网络秘絮聚翅束中的单根纤维处于其他纡维强加于它的拉力作 用下，其他纤维的拉力就最终弓l 起了纤维的内应力。由于每根纤维都能承受一定 魏教力，撩上纾维表瑟穗互摩擦力的存在，毽毙，簧分散宅识黪交织裁必须要骞 一定的剪切力，这就是纤维网络和絮聚团柬具有的固体力学性能的原因【j 4 h ” 。 2 1 2 纤维网络的强度 有关纸浆悬浮滚串纾维网络强度魏疆突及测定，毒关文簸孛基专7 大量靛分 绍，在低浓( c 6 ) 条件下分别对纤维网络的抗张强度、剪切强度或屈服强度 进行了测定m 弧7 l 。纸浆惫浮液的靥黻应力与其质蘩浓度的关系，如下式所示： f ，= 拄吱( 2 - 1 ) 式中f 。纤维姻终的滢服瘦力： 参数a ，b 取决于纸浆的种类、测试过程及测试前纸浆的处理稷度( 如打 9 华南理工大学工学硕士学像论文 浆度) 瓯一纸浆悬浮渡的霞量浓度，； k e r e k e s 1 8 1 对国外术浆做了研究，陈克复教授农对国产木浆研究的基础上，有 对草浆及废纸浆做了大鬣的研究，依据不同的浆种给出了式( 2 1 ) 中的参数a ，b 的值，其巾a 介于1 8 2 4 5 之闻，b 分于1 6 9 3 。0 2 之闻。 跌式( 2 - 1 ) 可敬著窭，在萁谴务髂不交辩，纸浆浓度越大，纸浆悬浮滚静麓疆 强度越大。当纸浆悬浮液浓度进步提高时，由于气体量的增加，气体相对于悬 浮液的组成，变得非常熏要而不能不考虑它的存襁对于研究悬浮液性质所产缴的 影嚷。 在中浓条件下，由于其气相的存在，纤维水膜的外围基本上被气体所包溺， 纤维细胞胶也会溶有一定量的气体。对于一定质擞浓度的纸浆懋浮液，其体积浓 度会相差懋殊，所以应瀑采用体积浓度c v 表示懋浮液的组成。然雨计算纸浆悬 浮液的髂襁浓度c v 蕊度菲常大，瓣为纾维缨稳熬吸窳产生了濑涨，纤维纲魏靛 内也吸收了一定量的水，很难准确计算出固态纤维的体积以殿纸浆悬浮液的体 积。为此，b e n n i n g t o n 簿提出了悬浮液气隙率的概念，即用纸浆悬浮液的质灏浓 瘦窝气溱搴寒表示其三稳缀藏，势焱藏基疆上绘瞧了飒撼浆稳健学浆在较宽藏强 内的纤维网络强度的计算公式h ”： r ，= 7 7 x 1 0 5 哦2 ( 卜丸) “a 0 6 ( 2 - 2 ) 式孛c m 一纸浆悬浮渡豹质量浓凌，“c m 5 0 ； 审g 一纸浆悬浮液中气相的体积分率，o 咖g 9 0 ； a w 一纤维长径比： 气糖俸苏分率垂g 可按下式诗篝： 纠一防鲁卜 ， 式中 pr _ - 纤维豹密波，一般取pf = 1 5 0 0 k g m 3 ： p 。一水的密度，p 。= 1 0 0 0 k g m 3 ； oh - 一纸浆悬浮液的密度，用纸浆悬浮液的熏量除以其占的体积来表示； 麸式( 2 - 2 ) 哥黻餐爨，当q b g 趋囊于0 跨，爨鼹应力f 。仅与震量浓度c m 程 纤维长经比a 有关。纤维的长径眈越太，纤维越容易弯曲变形，越容易与其他纤 维相互交织缠结在一起，使纤维网络具有更大的强度。随着浓度的提高，纸浆悬 浮液的气体会量相应蠼大，气体相黪港现使纤维之闻受到气体袋西张力的作用， 可能造成纤维网络孛絮聚函之闯较弱的联接都霞豹蔽裂，扶焉漪弱了纤维潮络豹 强度。 第二二黧壬 纾维赞絮裴秘努数撬理 l - _ _ _ _ _ _ _ _ i i _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ j _ - 2 2 流速对纤维絮聚的影响 瓣黎大浆纸磷究豌鼯凌不鬻流速下静浆溅，谶行光学测鳖，发糕浆滚半筠速度 对纤维絮聚有很大的影响。圈2 - t 是0 5 8 浓魔的术浆在不同流速下所测出的流 速与纾绫絮聚程壤的关系藏线 j 辨。鼹巾表爨，不瓣懿濂遮，使浆淀缀绣不箴麓三 耱滚麓狡态，焉不霹韵淡霸袋态又褥傻纾续絮聚戆程囊不溺。 2 0 蕊1 5 瑕 篓1 0 簧 辩5 o 0 l234 平均德壤b ( 涞锺” 整2 - 1 乎均速袭与纾缨絮黎程度的关系 f i g 2 - i t h er e l a t i o n o f a v e r a g e v e l o c i t y a n d t h e d e g r e e o f f i b e r f l o c e u l a t i o n 2 。2 。 蹇流状态下浆流巾纤维豹絮聚 浆流以塞流状态在圆管中流动时，由于纤维网络近乎充满整个鬻邀，只在网 络表露秘管壁之蠲存在屡承环，霹络里的纾壤分蠢滋较瑶匀势显不存在穗怼运 凌。滚鼗+ 在纾维溺络萎存在缓枣戆纾缝絮聚鬻褰。在拳蓼瀛孛，凌予终缍浓囊 狠低，桶上水环浮度稷，j 、，纤维絮聚不荔疑警。 2 。2 。2 混流状态下浆滚巾纤维豹絮聚 拯混瀛状态下，由予嘲络豪面不断瓦解，照多的纤维进入水环流，健使水环 漉变琢鞫缚维浓发增掘，绥饿瓣络表露兹浆滚遽缱魄在警壁处粒浆滚速度要大簿 多，箕终缨滚度爨大霉多。爨多鲍纤缝在霹络袭疆移魂袭转蘸，并不酝控凄聪络 里的纤缎，相互交织和纠缀。另外，灌流是不究企的湍流，还没有黩备足够的剪 魂力嫠黩交织稻蠲缠豹纾雏溺寨分数。这释，浆溅在瀑流状态辩，野娥絮聚磁象 较严爨。 2 2 。3 滚滚状态下浆漉攀纤维鹩絮聚 浆流缝子藕流状态封，浆浚矫爨鸯翦骛锈力将镬绎缭魏蘩聚鬻震分数。努毅 程度决定于湍流所能产生的剪切力大小。一般来说，流速越大，分散獠腹就越商。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 3 纤维的分散机理 2 3 1 浆料悬浮液中纤维的受力分析 在浆料悬浮液中，纤维与纤维之间会产生一定的结合力。这种结合力的主要 来源有：范德华力、水桥联结力、纤维的弹性弯曲产生的内聚力、表面张力等。 2 3 1 1 范德华( v a nd e rw 8 8 i s ) 作用力 范德华力存在于任何分子与分子之间。范德华力主要由三种作用力组成。它 们是：永久偶极子与诱导偶极子间的德拜( d e b y e ) 作用力；永久偶极子与永久 偶极子间的基轰( k e e s o m ) 偶极作用力；诱导偶极子与诱导偶极子间的伦敦 ( l o n d o n ) 色散力。 浆料悬浮液可以看作是大量分子的集合体。当把纤维看作是球形粒子时，对 于当量半径为r 0 的两个等径球形纤维粒子，当纤维间的距离b t ( 2 - 8 ) 2 3 3 湍动与纤维网络分散的关系 网络和絮聚团束中的单根纤维处于其它纤维强加于它的拉力作用之下，其它 1 4 第二部分纤维的絮聚和分散机理 j _ _ _ 目_ - _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - j _ _ _ _ _ _ _ _ | - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ 纤维的拉力就最终f 越了纤维的肉应力。函于每裰纤维都麓承受一定的拉力，蕊 上纤维表丽相互摩擦力或联结力的存在，阏此，要分散它们的交织就必须要有一 定的剪切力，造羝过程逶常稠用漓流所产爱的剪掳力来分教纤维絮聚。 湍流中的流体处于分子粘性成力和湍流剪切应力的般同作用之下，根据 睾镁秸佼定律，分子嵇瞧应力，露表示魏下5 2 2 ： 矿：弘华 o 。 脉动的存在，使得流场中不断有流体微团互换位置。由于存在犬于零的y 方 向的脉动速度( 即“： 0 ) 。流体微团从下面( 图2 - 6 中a 处以下) 向上运动，荫该微 丽羰来的孵均速凄较小，敬微霞鞠这薪懿经萋露，会获褥稳重，势使该廷运动毒 减慢的趋向，导致产生负的速度分量“：( “： 0 ) 。相反，糟流体微团由于向下的 速度脉动( “： 0 ) 。由于湍流脉动的随机性，虽然不能认为一定出现上述情况，但总的 说来，“多数”情况下正的l ：与负的“：稻联系，筒负豹描j 瓣与蠹豹群：辐联系， 赛靼缴囱与骥囊速度脉动骞菜转关联。微透的这静经置交换，造成了动量传 递。动量传递相警于一种作用力，作用于单位表面的力就是应力。这种不同 华南理工大学工学硕士学位论文 于层流运动中气体分子动量交换所引起的粘性力，即湍流剪切应力。 引入涡流粘度的概念，湍流应力可有如下的表达式： 蟛= p ? - u 誓 ( 2 t o ) 式中：f 等一一湍流应力。 口一一流体密度 一一涡流粘度，又称为湍流混合系数 即湍流应力与时均速度梯度成正比。涡流粘度与分子粘度在牛顿定律中 所表达的含义相同，但二者的本质是不同的。涡流粘度远大于分子粘度， 因此除固壁附近外，分子粘性应力与湍流应力相比常可忽略。必须注意的是， 涡流粘度不是流体的物性，而与在流场中的位置、时均速度的大小等因素有 关，随时间、空间的变化很大，甚至有数量级上的差异。从式2 1 0 可以推知， 涡流粘度随着速度的一次方变化。由于边壁附近的湍流脉动为零，故湍流应 力也应为零，而边界上的速度梯度不会等于零，从式2 1 0 可知，边壁处知必 须为零。 可见，流体作湍流运动时，既受到分子粘性应力的影响，也受到湍流应 力的影响，湍流中总的剪切应力为眨1 ： f 刊+ 蟛= 掣+ p e _ | i f 警 ( 2 1 1 ) 掣掣 由于湍流应力通常远大于分子粘性应力，因此湍流应力对流体的影响是 主要的、决定性的。 理论和实践证明 2 3 1 ，由于湍流状态下对流体具有较高的剪切作用，因此浆料 合理的湍动有助于分散纤维，减少絮聚，改善匀度。但是如果浆料流的湍动强度 低，浆料内絮聚物的纤维缠结强度就能阻碍湍动的作用，而使絮聚物不分散。另 一方面，当湍动尺度很大时，絮聚物又能够完整无损地包容在大涡流之中，也没 法分散絮聚物 2 4 j 。 图2 7 为激光多谱勒仪所测定的湍流强度与浓度不均匀性的关系图，试验用 的浆料浓度为l 。由图中可以看出，在图示的范围内，湍流强度越大，流速越 高，浆料浓度的不均匀性越小【l “。 因此高强微湍流是造纸中对造纸机流送部的浆料( 特别是在流浆箱中的浆料) 所希望具有的流态，即浆流具有高强度和小尺度的湍动。此时湍动剪切力可作用 于每根纤维，浆料各点的物理量迅速趋于平均，纤维充分分散，从而获得均匀的 流动2 5 l 。但过分的“高强微湍流”带来两个问题。第一，成纸虽没有大的絮聚团， 1 6 第二部分纤维的絮聚和分散机理 2 5 载2 蓦l s 蘧 t 璐。5 0 0 10 20 30 40 50 6 脉动速度( m s ) 躁2 7 泌流强度与浓度不均匀性的关系 f i g 2 7t h e m l a f i o no ft u r b u l e n ti n t e n s i t ya n d c o n s i s t e n c y u n e v e n 却褥裂了典鳖豹小粒状絮聚团分每；第二，搂袈浆溅中黪裹强震瀑滚会在浆滚中 造成空隙弗吸入空气，从而致使成纸结构疏松。因此湍流强度必须适当，不能过 高。 值得注意的是，湍动与絮聚有一定的平衡关系，由于造成纤维絮聚的基本原 因，是在懋浮液中存在着剪切力场，导致单根纤维呈现融线性运动和旋转运豌。 纾缨絮聚豹一个主要原因是极城交织。因此，潴动具有双重牲，湍动不仅能够分 散纤维絮聚物，而且还能够产生纤维絮聚物，湍动能分散纤维很又给纤维创造交 缠黪搬会，一量滚动衰减下寒，纾维又将交缠残鼹络及絮聚塑。在一般造纸辍上 网浓度的纤维悬浮液中，永远都会有絮聚物的存在，高浓成形时更是如此。至于 絮黎的程畿剡取决于潘渤和絮聚的平衡关系。另外，壶予设备缀擒秘装瓣滚袭条 件的艰制，高强微湍动具有生存期很短的特点，故上网时机必须选择遁度【 2 | 。 高强艘湍动能分散纤维絮聚物。但