（林业工程专业论文）纸机斜网成形器的研究和设计.pdf

摘要 特种纸是指具有某一特殊性能和用途，附加值比较高的纸种。斜网纸机由于 具备脱水 生能好，抄纸的匀度、透气性好，上网浓度低，可抄造的纤维长等特点， 在某些特种纸生产上，与长网等其它纸机相比有着明显的优势。在国外特种纸生 产中，斜网纸机处于非常重要的地位。而在我国，斜网纸机的使用还处于起步和 摸索阶段。由于斜网纸机的特殊优势，开展斜网纸机的生产必然成为我国特种纸 生产的发展方向之一，我公司已将此定为主要的研发课题。 斜网成形器是斜网纸机最关键的部分，也是斜网纸机与其它纸机的区别之处， 对它的研究在对斜网纸机的研究中占重要地位。 因为国内还没有较系统的理论，所以本文对斜网成形器的机理和设计研究， 是通过大量的造纸原理、造纸机设计理论、机械学原理、流体力学等，并结合作 者多年来对纸机设计的经验，来进行斜网机理的探索和斜网成形器的设计要求分 析的。 首先，通过研究分析各种戍形器的性能和适应范围，明确了斜网成形器的特 点是适合抄造低浓度、易脱水的长纤维特种纸，所抄造的纸页有较好的匀度及透 气度。其次，由前面的定位，研究斜网成形器的设计应在纸机成形器共性的基础 上具体解决低浓度、长纤维纸浆戍形的特殊要求，成形所要求的设备结构要充分 发挥斜网的优越性。以此为理念，进行斜网成形器的机理研究。第三，结合上面 的理论研究，对斜网成形器各部件进行了定量研究和设计，并利用我公司试验纸 机对斜网成形器的实验，验证本文的设计理念和设计定量等基本正确。以上成果 能为今后他人的进一步研究和改进打下比较扎实的基础。 关键词：特种纸；斜网；成形器；透气度 a b s t r a c t t h es p e c i a lp a p e ri sak i n do f p a p e r , w h i c hh a ss p e c i a lf u n c t i o n s ，p u r p o s e sa n dh i g h a d d i t i o n a lv a l u e t h ei n c l i n e dw i r em a c h i n eh a ss o m e c h a r a c t e r i s t i c so f g o o d d e w a t e r i n g a b i l i t y ，f o r m a t i o n ，p o r o s i t y , l o wc o n s i s t e n c y o nw e ta n d l o n g f i b r e p a p e r m a k i n ge t c ，s oi th a s o b v i o u s a d v a n t a g e o v e ro t h e rp a p e rm a c h i n e sa tt h ea s p e c to f p r o d u c i n gs o m es p e c i a lp a p e r t h ei n c l i n e dw i r em a c h i n ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h eo v e r s e a ss p e c i a lp a p e m a a k i n g h o w e v e r , i no u rc o u n t r y , t h eu s a g eo fi n c l i n e dw i r e m a c h i n ei ss t i l li nt h ee a r l ys t a g e b e c a u s eo f t h es p e c i a la d v a n t a g e so f t h ei n c l i n e dw i r e m a c h i n e ，i tw i l lc e r t a i n l yb e c o m eo n eo ft h et r e n d st op r o d u c es p e c i a lp a p e ri nc h i n a f o r e x a m p l e ，o u rc o m p a n y h a sa l r e a d ys e t t l e dt h i sa st h em a i n d e v e l o p m e n tt o p i c t h ei n c l i n e dw i r ef o r m e ri st h ef o r m i n gd e v i c ea n dk e y p a r to f i n c l i n e dw i r em a c h i n e a n di sa l s ot h ed i f f e r e n tp a r tf r o mo t h e rp a p e rm a c h i n e s s t u d yo nt h ei n c l i n e dw i r e f o r m e ri sv e r yi m p o r t a n ti nt h er e s e a r c ho nt h ei n c l i n e dw i r em a c h i n e b a s e do np a p e rm a k i n gp r i n c i p l e s ，m e c h a n i c s ，f l u i dm e c h a n i c sa n de x p e r i e n c ei n p a p e rm a k i n g m a c h i n ed e s i g n ；t h ea u t h o rd i ds o m er e s e a r c h e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： a f t e rt h ep e r f o r m a n c e sa n da p p l i c a t i o n so fv a r i o u sf o r m e r sw e r es t u d i e d ，t h ea u t h o r s u g g e s t e d t h a tt h ei n c l i n e dw i r em a c h i n ew a ss u i t a b l et om a k i n gl o w c o n s i s t e n c y ，e a s y d e w a t e r i n gl o n gf i b r es p e c i a lp a p e r , w h i c h h a da g o o da b i l i t yo f f o r m a t i o na n d p o r o s i t y s e c o n d l y , d u et ot h eo r i e n t a t i o na b o v e ，r e s e a r c ho ni n c l i n e dw i r ef o r m e rs h o u l ds o l v e t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rl o w c o n s i s t e n c y ，l o n gf i b r ep u l p sf o r m a t i o n o nt h eb a s i so f t h ec o m m o n n e s so fp a p e rm a c h i n e sf o r m e r , w h i c hr e q u i r e dt h ee q u i p m e n t s s t r u c t u r e t ot a k ef u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so fi n c l i n e dw i r e a c c o r d i n gt ot h i sc o n c e p t i o n ，t h e a u t h o rm a d eam e c h a n i s mr e s e a r c ho nt h ei n c l i n e dw i r e t h i r d l y ，c o m b i n e dw i t ht h e t h e o r yr e s e a r c ha b o v e ，t h ea u t h o rm a d eaq u a n t i t a t i v er e s e a r c ha n dd e s i g nf o ra l l t h e p a r t so f i n c l i n e dw i r ea n dt e s t e dt h ei n c l i n e dw i r ef o r m e rb yt h eu s i n go f o u rc o m p a n y s t e s t p a p e r m a c h i n e ，w h i c hp r o v e d t h ea u t h o r s d e s i g n c o n c e p t i o n a n d d e s i g n q u a n t i t a t i v e s t a n d a r d sw e r ec o r r e c t t h er e s e a r c h e sr e s u l t sa b o v ew i l lp r o v i d ef i r m f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t o f t h ei n c l i n e dw i r em a c h i n e k e y w o r d s ：s p e c i a lp a p e r ；i n c l i n e dw i r e ；f o r m e r ；p o r o s i t y y 7 5 9 2 2 3 致谢 本论文是在导师陈勇副教授和王国荣高级工程师的精心指导下完成的，论文 凝聚着导师辛勤的汗水和心血。一年多来导师为论文的研究和写作提供了很多宝 贵的意见和建议，给予我很多的启发和帮助，让我终身难忘。在此，谨向导师的 培养教育和关心支持表示衷心地感谢! 同时感谢南京林业大学机械电子工程学院的领导和老师曾给予的帮助! 感谢林尤长教授级高级工程师对我研究_ t - 作的支持和关心! 感谢民丰特种纸股份有限公司各级领导对我研究工作的支持与帮助! 感谢文中被引用的诸多论文的作者，他们的研究成果拓宽了奉论丈的思路! 感谢所有关怀、理解与支持我的亲人和朋友! 张金美 二o o 五年六月 纸机斜网成形器的研究和设计 第一章绪论 1 1 国内外特种纸业的发展概况和前景 特种纸般是指拥有某一特殊性能和用途、附加值比较高的纸种。特种纸大 致可分为传统特种纸和专门特种纸。传统特种纸可用于特殊的包装、标签、装饰 及其他印刷用途等；专门特种纸则需要独特的加工手段和专门的技术来制造，产 品具有独特的性能，通常市场容量较小。在中国台湾和日本，除了特种纸之外， 造纸界还提出了功能纸的概念，也应属特种纸大类。所谓的功能纸一般是指以非 植物纤维抄造而成、具有特殊功能的纸张。与普通的纸张相比，特种纸具有高性 能、高附加价值、高技术含量和生命周期较短的特点。 日本的特种纸生产水平在国际上处于领先地位，目前从事特种纸生产的企业 有近百家。1 9 9 8 年同本特种纸的总产量为9 0 万吨，占纸张总产量的5 左右，其 产品价格是普通纸张价格的1 6 - 6 倍。在美国和日本，小造纸厂靠生产多品种、小 批量的各种工业用纸、特殊生活用纸，单独供应特殊需求的用户也能生机勃勃， 稳定发展( 周小凡、李忠正，2 0 0 3 ) 。 我国在特种纸的开发和生产均滞后于美国、日本和欧洲国家，整体上与国外 的先进水平有很大差距。通过近几年的调整发展、优化创新，涌现出一批品种比 较齐全、又各具特色的企业，在国内的特种纸市场上有较强的竞争力，部分产品 已经开始出口。目前国产特种纸在一些品种方面已经占据国内市场的主导地位， 但在一些具有较高技术含量的、在国内有一定市场的特种纸方面，仍然是国外的 产品占据主导地位。 特种纸业已被列为我们国家造纸行业未来重点发展领域之一，目前国内供需 矛盾较为突出，约3 0 的特种纸需求依靠进口解决，未来发展空间大，行业成长 性好，产品附加值高。在特种纸的生产设备中要特别关注斜网纸机和多功能长网 纸机。我国目前特种纸的生产设备大多为长网纸机和圆网纸机，设备的技术装备 比较单一，较难满足特种纸产品特殊性能的要求。较多的特种纸适合用斜网纸机 生产，因为斜溺纸机上网浓度低，可抄造的纤维长度较长，一般为8 1 0 m m ，最 长可达5 0 r a m ( 1 a n t e l l i o t t ，1 9 8 5 ) ，纸机的脱水性能较好，所抄造的纸张匀度好、 透气度高，网部的倾斜角度可在o 3 0 度的范围内调节，抄纸最大定量可达 3 0 0 9 m 2 ，与长网和圆网纸机相比有着明显的优势。为了适应特种纸和湿法无纺布 的不断发展的需要，斜网造纸机已经成为国际上先进的特种纸生产厂家不可缺少 的工艺设各；但在我国斜网造纸机生产还处于起步阶段，机器数量少、机器的机 理认识不足、机器的操作规程和产品的开发还处于摸索阶段。研发斜网造纸机生 产应是我国特种纸业的重要发展方向之一。 从目前我国特种纸的发展现状来看，我国的特种纸大多处于仿制阶段，所以 企业对新型特种纸的敏感程度在很大程度上成了企业能否赢利的关键。谁能更快 地把握市场的商机，在产品的成长期就开始加大研发的力度，在产品未进入成熟 期之前就介入市场，谁就可能赢得市场空间。 民丰特种纸股份有限公司作为大型造纸企业，在国内特种纸行业具有重要的 地位。为了提高企业的技术创新能力和新产品开发能力，把握市场先机，公司计 划研制新的试验纸机，本课题从2 0 0 2 年开始搜资研发，现在处于实机试验阶段。 其中使用斜网成形器开发特种纸生产是关键课题之一。 1 2 国内外斜网纸机的现状和发展趋势 早在1 8 4 6 年，斜网成型法就已被发明，并获得英国第1 1 3 9 4 号专利。但直到 二次大战前夕，方被用来生产茶叶袋纸，当时仅为独家经营。真正受到造纸界的 重视还是最近的二十几年。如今，在特种纸和湿法无纺布生产中，斜网成型已被 认为是最佳设计( 廖鹏程，1 9 8 7 ) 。 几年前，杭州新华纸业从德国进口了一台斜网纸机。用于生产高透成形纸和 茶叶袋纸，它是我国最早开展斜网纸机的生产厂家之一。滨州富尔特纸业有限公 司，创立于2 0 0 1 年末，是由山东滨州黄河纸业集团发起并参股的现代化企业。它 的特种纸( 汽车滤纸) 生产线关键部分均引进国外先进设备，年产量1 2 0 0 吨，质 量、技术指标达到了国内先进水平，已逐步被国内有权威性的经销商和直接用户 接受，占国内市场销售份额的6 。现在第二期汽车滤纸项目全面开工，生产线设 备斜网成形器等全部从德国引进，具有世界先进水平，用于生产中、高档汽车滤 纸。牡丹江恒丰纸业是国内最大的卷烟配套系列用纸制造商之一，2 0 0 3 年8 月1 l 同通过“年产5 0 0 0 砘特种纸斜网纸机技术改造工程”向银行贷款1 4 0 0 0 万元的启 动工作，准备生产高透成形纸。2 0 0 3 年8 月9 同，总投资2 9 9 3 万美元、年生产能 2 力11 0 0 0 吨的中英合资浙江普瑞克民丰纸业有限公司举行合资合同签约仪式，准 备全套引进斜网纸机。公司希望通过此次合资，在较短的时间内，新建高透成型 纸生产线，生产出能满足卷烟行业降焦降害要求和建筑装潢行业合成材料生产要 求的，并具备国际竞争能力的新产品，替代进口，填补国内空白，使公司取得良 好的经济效益。四川锦丰也在筹划全套引进斜网纸机生产高透成型纸。随着人民 生活质量的提高，及环保意识的增强，对低焦油、高透气卷烟的需求量日益提高， 对成型纸的质量要求也日益提高，市场竞争也将越来越激烈。从目前国内形势看， 斜网纸机正被越来越多的厂家看好，这也是特种纸发展的必然趋势。 但是，国内目前自行设计的斜网成形器只是外形的仿造，没有从机理上进行 研究，关键技术也没有真正地掌握。加大对斜网成形器机理及结构的研究与开发， 对我国造纸业更好地掌握斜网生产技术和造纸机械行业自主开发斜网成形器都有 非常重大的意义。 1 3 本文研究内容、方法和意义 1 3 1 本文研究的主要内容和方法 通过学习造纸原理、造纸机设计理论、机械学原理和流体力学等，并参考了 国外斜网成形器的部分资料，作者主要开展了下列内容的研究： l 、通过分析各种成形器的性能和适应范围，研究了斜网成形器的特点、适用 范围及优势； 2 、由斜网成形器的特点、适用范围，研究了斜网成形器的设计应在纸机成形 器共性的基础上具体解决低浓度、长纤维纸浆成形的特殊要求，成形所要求的设 备结构要充分发挥斜网的优越性。并以此为理念，进行了斜网成形器的机理研究； 3 、结合上面的理论，使用a u t o c a d 软件平台，进行斜网成形器结构设计； 4 、利用所设计的试验纸机对斜网成形器进行出纸实验，获取有关参数，验证 本课题的设计方案和设计理论。 1 3 2 研究的目的和意义 本公司以生产优质特种纸闻名，长期受到用户赞誉，主要产品有卷烟纸、描 图纸、电容器纸等十几个品种，近年来，又开发了印花原纸、水松原纸和彩色喷 墨打印纸等新品种。为了依然保持她在特种纸上的优势地位，2 0 0 1 年开始计划研 制一台试验纸机，用以开发新纸种。公司拟新建的试验纸机要求既能模拟现有的 现代化大型纸机生产条件，又要能开发新产品，需要一定的灵活性。因此，制定 方案时，我们把该纸机的网部设计成长网和斜网相结合两种形式，既可生产单层 纸，又可生产双层纸。这台纸机的开发对于我们来说是一种新的尝试，尤其斜网 是我公司前所未有的，而斜网流浆箱又是斜网纸机最关键的设备，试验成功，可 为本公司引进斜网纸机，开辟新纸种打下良好的基础。 斜网成形器对我们来说是一项新技术，它也是我公司的一块薄弱的空间，对 它进行深入地研究会对我厂引进新设备、开发新项目有非常现实的意义，具体作 用有： l 、早日掌握斜网技术，为实验纸机的操作和试生产进行理论探索。 2 、为我公司今后开展大型斜网纸机的生产做好充分的技术准备。 3 、进一步完善斜网成形器的设计，改进现有斜网纸机的性能。 4 、进一步发掘斜网纸机的优势，对工艺开发新纸种具有指导作用。 4 第二章各种成形器的性能和适应范围比较研究 造纸机般由成形器、压榨部、烘干部和卷取部四个部分组成。纸浆在成形 器处成形为纸页，因此成形器是纸机上影响纸幅质量的最关键的部分。最早被采 用的成形器是长网和圆网两种成形器。通过对纸的成形过程的基本原理和各种成 形脱水元件的作用原理的研究和认识，在传统的长网和圆网成形器的基础上发展 出许多新型的成形器和成形脱水元件。在各种成形器中，纸的具体成形过程虽然 不尽相同，但所依据的基本原理是一样的。成形器由于结构特征不同而产生不同 的具体成形过程，所以应按照成形器中成形过程的主要特点、成形器的结构特征 来进行分类，以便识别它们的共性和特性。实际上，对纸机成形器的分类在理论 上的明确见解或探讨，还未见有多少专门的论述，国内也未见有专著提及过斜网 成形器。本研究秉承传统再以创新，将成形器分为以下四类：长网成形器、圆网 成形器、夹网成形器和斜网成形器。现对四种成形器进行研究比较，从而认识斜 网成形器的特点和适应范围。 2 1 长网成彩器 长网成形器是最早出现的一种成形器，也是新式成形器发展的基础，又是目 前国内生产上最通用的造纸机械设备。 长网成形器基本结构如图2 l 所示( 张运展，苏求风，周庆乐，1 9 9 9 ) ，主要 包括胸辊、成形板、案辊( 或脱水板) 、吸水箱、伏辊、导网辊、较正辊、紧网辊、 成形网、承水盘、喷水 管和摇振装嚣等。它具 有一条无端的成形网， 成形网被展开成为一 段平直的工作网面和 一段与工作网面约略 等长的回程网段；平直 的工作网面用来承担 纸幅成形、脱水以及有 时还有层问结合的任务。 流浆葙 图2 1 长网成形器 1 胸辊2 一成形板3 一案辊4 一真空吸水箱5 一伏辊 6 一导网辊7 一松紧辊8 校网辊争威形网1 0 一承水盘 长网成形器的成形原理是：浆料从流浆箱的堰口以一定的速度和角度喷射到 运行着的成形网上，再经过装于网下的各种脱水元件的抽吸作用及浆料本身的重 力而产生过滤与脱水，纤维和细小物质截留在网上便形成连续的湿纸幅。当湿纸 幅脱水到一定干度( 通常是2 0 左右) ，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。 根据纸页在长网部成形和脱水的特点和要求，按浆料上网的顺序，可将长网部划 分为三段，即“上网段”、“成 形脱水段”和“高压差脱水 段”，如图2 - 2 所示( 张运 展，苏求风，周庆乐，1 9 9 9 ) 。 长网成形器纸页成形过程 的脱水，是靠浆料本身的重 力和脱水元件所产生的抽 吸力而进行的。因此，脱水 元件的结构、脱水方式及脱 水元件的选用与排列方式 对纸页成形过程的脱水效 率、纸页成形的质量、浆料 中细小物质的保留情况、纸 页的两面差及纸张的性质 等都起着决定性的影响。 或黪匿 艇隶酝 纛采饿 最麓干塞 ) - 舳_ e ，二r c 吒c 咯翮国，h ，m r - i 赫叠 n l t 日h 曩一 嘲邵 ， 1 r _ 1 r o _ 7 1 - ，r _ r 1 r 。越y 妒+ o 穸 妙一“ 口 囤2 2长网成形器纸页成形和脱水过程 长网成形器的特点可以归纳为：1 、纸浆在一个平直网面上进行脱水成形，在 成形过程中只有个过滤面脱水；2 、纸浆在成形过程中有一个与大气接触的自由 表面；3 、成形网的工作区段长而且具备采用不同的脱水元件来调节成形过程的可 能性。所以长网成形器它的适应范围比较广，从薄纸类到纸板，从高度游离的纸 浆到粘性打浆的长纤维纸浆，从低于2 0 m m i n 的低速到1 0 0 0 r r d m i n 或以上的高车 速，生产能力比较强，成纸的质量也比较高，但是由于长网成形器所抄造的纸页 纵、横向拉力差别比较大，纸页的两面差也比较大，在抄造超低浓度的浆料时显 得不足，因此在要求长纤维低浓度浆料上网造纸时，不太理想。 2 2 圆网成形器 圆网造纸机问世至今已有近2 0 0 年的历史。从生产灵活性上说，圆网成形器 6 和长网成形器样能适应多种浆种纸种的生产，在抄制多层纸方面这种灵活性和 广泛适应性更为突出。它虽然在生产效率上或某些产品质量上不如长网造纸机， 可是有些特点又是长网造纸机所不及的，所以在当今世界造纸工业中，它仍占有 相当的地位和比重。 圆网造纸机与长网造纸机不同之处在于把浆料抄成湿纸幅的成形部。圆网造 纸机的成形部主要是由流浆箱、弧形板、自水槽、圆网笼和伏辊等部分组成。通 常流浆箱、弧形板和白水槽连成一体，统称为圆网槽。圆网槽的结构形式很多， 但根据浆料流向和网笼回转方向的关系，基本上可分为顺流式网槽、逆流式网槽 和侧流式网槽几大类。 图2 3 是一种最简单的圃网造纸机( 梁实梅，1 9 9 7 ) 。浆料经稀释、净化后， 进入圆网槽与旋转中的圆网接触进行过滤脱水，在网面上形成湿纸层。 图2 4 是圆网部纸页成形过程的示意图( 梁实梅，1 9 9 7 ) 。圆网2 浸入浆液中， 上网的浆料以规定的浓度连续进入网槽，在网槽内与转动的圆网接触，在网内外 水位差的推动下产生过滤脱水作用，滤过的自水进入网内，浆料便在网面上形成 了湿纸页。形成的湿纸页随转动的圆网转到与毛毯包覆的伏辊相遇。并经伏辊挤 压，便转到毛毯上，由毛毯揭起带走。白水则自网槽的侧面开孔处连续排出，以 维持网笼内外的水位差。所以圆网造纸机的网部实质上是一台连续形成湿纸页的 过滤装置。 图2 3 单网单缸单毛毯圆同造纸机 1 书槽2 - m 网3 嗽辊4 寺氆辊5 前水辊6 - 真空蒲7 撒8 玲毯辊 9 嵌正辊i 0 张紧辊l l 毛毯洗涤糟1 2 打毯器1 3 嵌缸1 4 纸卷 1 圈2 - 4 园罔成形器纸页晃；成录意图 l 一一帽2 一嘲一3 一伏螺4 噶葺l5 - 连裘雷5 一白水藏出口 7 - 溢藏掐8 毛簋j 上一匹i 卜过瞎匹十内卅水位簋 由于圆网造纸机的特点和我国小型造纸厂多的具体情况，国内圆网造纸机发 展很快，但几乎全是传统的老式圆网造纸机，主要用来生产各种纸板，还生产文 7 化印刷用纸、皱纹卫生纸、包装纸、及少数工业用纸等。这些传统的老式圆网造 纸机由于结构上存在着严重的缺陷，造成车速低、产量小、质量差、纸病多和纸 种的局限性大等不足。在造纸工业发达的国家，传统的老式圆网造纸机大部分已 被各种新式圆网纸机所取代。其型式很多，如压力式网槽、短网、超成型圆网、 真空圆网、斯蒂芬网槽、喷浆式真空圆网、新月形纸机等。 圆网成形器具有如下特点： l 、结构简单，投资少，占地面积小，动力消耗少。 2 、操作简便，易于管理，容易更换产品。 3 、可以生产各种纸和纸板，特别是一般生活用纸和高定量叠层纸板。 4 、存在车速较低、成纸匀度较差及纵横向物理强度较差等缺点。 2 3 夹网成形器 央网成形器是在长网与圆网成形器的基础上发展起来的，能赋予造纸机以更 高的车速，生产出更多的纸种，而且还有占地面积少、动力消耗低、纸的质量好 等优点。目前，夹网成形器向生产一般文化用纸、薄纸和多层纸板三个方面发展。 当今世界上生产的夹网成形器有几十种，使用比较广泛、成效较佳的有以下这些： 立式夹网成形器、弧形夹网成 形器、帕普里必网成形器、超 成形器等。 图2 5 是贝尔拜型i i 型 ( b e lb a i ei i ) 夹网成形器 示意图。它是目前世界上应用 得最多的一种夹网成形器，这 种夹网成形器的最大特点是 采用集流式飘片流浆箱底部 喷浆和真空曲面脱水。 央网成形器的成形原理 是：流浆箱堰嘴喷出的浆料直 接射进两床网子汇合形成的 楔形区间开始脱水成形，浆料 图2 - 5 贝尔拜h 型 ( b e lb a l e1 i ) 夹网戚形器 l _ 流浆箱2 一成形税3 碱形区 4 一伏辊 的脱水是在两网中间夹着进行。伴随着浆料的不断脱水，两床网上的纤维层也不 断加厚，直到网中怄j 已不复再有浆料悬浮液为止。以后湿纸的脱水，则是由于两 床网子的张力在逐渐缩小的楔形区产生的压力和网外脱水元件的关系。 夹网成形器是纸机成形器的一种新结构形式，它的最基本特点就是浆料悬浮 液一喷射到两网之间的夹区就马上进行两面脱水，很快形成纸页，也即夹网成形 器是强制形成纸页的设备。因此，不论哪种结构形式的夹网成形器，都必须具各 如下基本条件( 马伯龙，1 9 8 3 ) ： 1 、夹网成形器的抄速不小于3 0 0 m r a i n ，如果抄速过低，就不能获得理想的成 形匀度。 2 、必须配有高效率的流浆箱，这是保证提高夹网纸机车速和成形质量的关键 因素。 3 、必须配有在高速运转下大量脱水的高效率脱水元件。 夹网成形器的特点主要是： l 、纸浆在成形过程中由两个过滤面脱水，所以纸页的两面差得到改善； 2 、纸浆夹在两条成形网间成形，完全消除了浆料悬浮液与空气之间的自由表 面； 3 、成形网的工作区段相对较短，纸中的纤维结构形状与浆料离开流浆箱堰嘴 时的网状结构状态非常相近。 2 4 斜网成形器 2 0 世纪3 0 年代开发成功的第一代斜网成形器，只不过是稍微向上倾斜的长网 纸机网案，如图2 - 6 所示( m i c h a e lpd u n n ，李和平译，1 9 9 6 ) 。这代斜网成形器 的车速较低，它们的水压头并不比标准长网纸机流浆箱的水压头大多少，通过使 用多个堰扳来控制纸浆的流速。 随着多种合成纤维的使用和无纺布工业的发展，低浓度上网成型的应用增多 了。美国s a n d yh i l l 公司设计制作了几种不同型号的斜网成型器，称为 d e l t a f o r m e r s ，如图2 7 、2 8 所示。1 9 6 8 年，s a n d yh i l l 公司设计并制造了第 一台专门用于生产玻璃纤维纸的斜网成型器，如图2 9 所示。它是以上成形器的 演变形。从此油毛毡工业开始了从无机基材向玻璃纤维基材的转变，斜网成形器 也得到了发展( m i c h a e l pd u n n ，于建政译，1 9 9 6 ) a 9 上倾斜的长网纸机网案 图2 8 可调角度成形器配开式网箱调 节角度健摹速一速鼹配 置控制 形匾肇追 斜网成型器最初是设计来生产单层纸页的，后来也设计出在一个成型器里生 产双层和三层纸页。多层成形的能力增加了人们开发过滤用特种纸、耐用无纺布 及复合材料等方面的兴趣。比较先进的技术是将合成纤维和热塑性树脂的结合使 用。复合纸的表层或芯层，常常使用麻类织物作为载体材料而增加强度。这类多 层纸页斜网成型器的设计如图2 - 1 0 和图2 - 1 l 所示。 图2 - 1 0 以单套成彤蕞苴生产两层托，r 的井一成谢霉 图2 - 1 1 以单套成彤鼙王生产三蕨纸玎 的计一成影霹 为提高纸机线速并改善纸页的成型，液压流浆箱被应用到了斜网成型器上， 其结构如图2 1 2 所示。能够生产双层纸页的液压流浆箱斜网成型器如图2 一1 3 所 示，生产三层纸页的斜网成型器如图2 - 1 4 所示。图2 一1 5 是另一种改进型的斜网 成型器，用于生产双层纸页，层间引入粗布或其它层状材料，辅助的或称第二级 流浆箱安装在成型器延伸网的水平段或稍微倾斜段。图2 1 4 所示的成型器，实验 o 室试验和对其潜在应用的研究表明，像这样的成型器所生产的复合纸，很有可能 是芯层厚而两面层较薄，面层也许会有特殊的性质。这样的复合纸可以采用图2 1 5 所示的成型器来生产。将成型器与长网纸机的逆向网和辅助流浆箱结合使用，就 可以把第三层纸页复合在纸页的底面，这种成型也可以出图2 - 1 3 所示的成型器完 成，其第一个或第一层纸页的流浆箱具有较低的液压头，第二个或第二层纸页的 流浆箱则具有大得多的液压头，第三层纸页是在延伸网上，同时使用辅助流浆箱 和面网脱水元件来抄造。图2 1 6 是一种多层斜网成形器，是因设想用长纤维低浓 度易脱水浆料生产特种纸而发展起来的。这种成型器可以用两种浆料来生产三层 结构的纸页，该纸页的芯层是由两种浆料混合形成的( m i c h a e lpd u n n ，1 9 8 8 ) 。 霉2 - 1 2毫液展液摹籀锋雒一 弗器 图2 一1 4 三层式液压漉鼙箱丹聘减形器 图2 1 5 生产鼠屉靛嚣的群丹成剩嚣 摹一层由主一籀最弗并一层由次 丹耘在玛予选人水平她成影 蕾2 - 1 3 一属 囊蔗藏摹霸竹一 蓐誊 图2 1 6 ，蔗甘一最彤暮 呵用一种摹料制出3 晨靛辫，中层 由两种菜静混合而威，逼她诩节一 箱坡艰夏麓是定位采驶州中蔗 斜网成形器上网的浓度为o ，0 2 0 0 8 之间( 而长网、圆网的上网浓度一般 为o ，l 1 o 之间) ，这就使长纤维在上网时有足够的空间保持其悬浮状态以防止 絮聚。由于上网浓度低，这样就要求斜网成形器在纸页成形时大量的脱水，且整 个脱水和成形基本同时进行，多次长时间地使纤维在充分舒展的情况下成形，不 象长网、圆网纸机在短时间、短距离内成形，这样就能保证纸页在成形后有较好 的匀度及透气性。 斜网成形器与普通长网成形器的不同之处在于：长网成形器的的网案几乎与 底轨平行，而斜网成形器则与底轨成一定的角度( 斜网的斜度) ，斜网成形器兼容 了长网、圆网成形的特点，特别适合于抄造长纤维特种纸和湿法无纺布，有着广 阔的发展前景。 长网和圆网纸机所抄造的纸页纵、横向拉力差别比较大，一般在2 5 5 ：1 之间。 由于斜网成形器的成形是通过真空的抽吸作用将纤维堆积在网上的，在成形过程 中纤维排列无明显的方向性，这就使斜网成形器抄造的纸页纵、横向拉力差别比 较小，一般在1 t l 之8 ：1 之间。 斜网成形器结合了长网和圆网的优点，既有较高的抄造速度和低的纸页紧度， 占地面积又少。但斜网在抄造高定量、难滤水的浆料时，受到网的阻力和成形长 度的限制，尤其是对于难滤水的浆料，即使抄造低定量的纸其能力也会受到限制。 因为当过滤阻力大大增加时，成形区与真空箱的压力差增加，当真空箱与成形网 的摩擦阻力大于驱动力时，成形系统将不能运行。 斜网成形器的主要特点是： 1 、纸浆上网浓度极低，可比普通的抄纸浓度低至1 0 倍甚至1 0 0 倍； 2 、网案一般比较短； 3 、斜网成形器抄造的纸页纵、横向拉力差别比较小； 4 、斜网成形器抄造的纸页有较好的匀度及透气性； 5 、适合抄造低浓度、易脱水的长纤维特种纸a 目前斜网纸机生产的产品应用于各个领域，如工业、医疗、衣料、家用、无 纺靠及其他特种纸。斜网成形器可抄造的特种纸、无纺布产品如下表2 - 1 所示， 斜网成形抄造可以使用的纤维如下表2 2 所示( 郭忠明，2 0 0 2 ) 。 表2 - f 斜网成形器的适用范围 特种纸r ：业无纺布 无纺布 台成纤维纸沥青浸渍屋顶防水纸 医疗用品、工业用 防尘滤纸沥青浸溃屋顶板外科用、卫生用 液体滤纸蓄电池隔板纸服装内村 垫板纸各种滤纸桌布纸、人造皮革 茶叶袋纸涂布基材洗碗布 空调过滤纸装饰材料毛巾 新透成形纸隔热材料家庭用品、婴儿纸尿布 表2 - 2 斜网成形抄造可使用的纤维 合成纤维天然纤维无机纤维 人造丝纤维、p e s 纤维木浆玻璃纤维 即纤维、p e 纤维棉短绒微玻璃纤维 p a 纤维、p v a 纤维 麻无机酸化物纤维 p v c 纤维、p a c 纤维皮革纤维碳素纤维 复合材纤维 2 5 斜网成形器生产高透气度纸的优越性 由以上四种成形器的性能比较，可以看出斜网成形器主要适用于长纤维低浓 度纸浆造纸，特别适合生产高透气度类纸张，如高透成型纸、仿卫生纸、茶叶袋 纸等等。用斜网成形器生产的高透成型纸不仅可以获得极高的透气度，而且高透 成型纸透气度的变异系数较低，为1 0 。从造纸生产看，在斜网成形器上生产的 高透成型纸，成型稳定，微孔大小均匀；在高速滤棒成型机上成型滤棒，抗膨胀 能力较好，滤棒直径变化小；在卷烟接装过程中接装效果好。由于斜网成形器生 产出的高透成型纸变异系数较低，滤嘴通风稀释率变化较小，所以，卷烟焦油量 变化幅度也就较小，对卷烟吸味的影响也较小。相反采用平网成形器生产出的高 透成型纸则限制了这方面的可能性，而且采用平网成形器生产的高透成型纸变异 系数较大，为1 8 。从表2 3 ( 韩云辉，李东明、李卫国等，2 0 0 0 ) 中可以明显看 出采用斜网成形器生产高透成型纸的优点a 表2 - 3 斜网成形器造纸技术的优点 长纤维+ 高稀释度 在造纸机上成型稳定均匀 微孔大小均匀，无细孔 在滤棒成型过程中效果好入胶均匀 在高速滤棒成型机上稳定均匀 无渗胶，无故障 机器正常运转效率较高 抗膨胀力较好 滤捧直径误差较小 在卷烟接装中质量较好 与烟支接装时效果较好 通风误差较小 长纤维十高稀释度 在造纸机上成型稳定均匀 微孔大小均匀，空气进入均匀 在通风滤嘴卷烟中效果较好 滤棒通风误差最小 滤棒吸阻误差较小 卷烟焦油量变化最小，吸昧变化最小 1 4 第三章斜网成形器的机理研究 由上章分析可知，斜网成形器主要适用于低上网浓度的纸浆生产匀度和透气 性好的纸张，特别是长纤维造纸。所以在斜网成形器的研究和设计中，除考虑纸 机成形器的基本要求外，更重要的是考虑斜网的特殊性和低浓度纸浆、长纤维纸 浆的要求，以充分发挥斜网的优势。据此原则，总结出斜网成形器的成形机理和 设计理论。 3 1 斜网成形器的成形机理研究 3 1 1 斜网成形器的功能和技术要求 斜网成形器是斜网纸机的主要组成部分，是斜网纸机上影响纸幅质量的最重 要的部分。也常常是斜网纸机上最复杂的部分。斜网成形器的作用是纸幅的成形， 它的主要功能是使浆料脱除水分，形成均匀的湿纸页。浆料在成形器上脱水的同 时，纤维逐渐沉积到网上，并要求纤维( 包括填料、胶料等) 均匀分散，纵横交 错，使全幅纸页的定量、厚度、匀度等均匀一致，为形成一张质量良好的纸张打 好基础。湿纸经成形器脱水后应其有一定强度，以便将湿纸引入压榨部。 纸页的成形质量与纸页的质量有极其密切韵关系。漫纸幅一旦在造纸机的成 形器成形以后，纸张中的纤维交织状态便基本上定形下来，纸张的基本物理性能 也就被确定了，在随后的压榨、干燥和压光等过程中，只能有限地改善已经成形 的纸幅的性质。如果由于成形器上成形不良形成了纸病，在纸机的后部是难于纠 正的。 一般斜网浆料上网的浓度为0 0 2 , - 0 0 8 ，出伏辊时纸页的干度为1 5 - 2 5 ，而 成纸的干度为9 2 9 5 ，即浆料中每公斤纤维上网时含水分5 0 0 0 k g - 1 2 5 0 k g ，出伏 辊时水分含量只剩下7k g 4k g ，而成纸后只含水分0 0 5k g , - , 0 0 8 k g 。因此成形 器上的脱水量很大，约占纸机总脱水量的9 0 以上，尤其在脱水初期( 斜尉的前 部) ，其脱水量占成形器脱水量的8 0 - 9 0 ，所以斜网成形器的一个主要功能就是 脱水，而且脱水的特点是脱水量丈而集中。 斜网成形器的脱水和纸页的成形是一对矛盾的统一体。两者同时存在，不可 分割浆料在脱水的过程中形成纸页，纸页在成形的过程中不断的脱水；两者 又相互矛盾脱水太快、太急，纸页成形不好，会影响纸页的质量，而脱水太 慢，又会影响产量，质量也不一定好。因此应根据纸种的不同要求和不同的生产 条件控制好脱水的速度，使脱水和成形相互兼顾、配合地恰到好处。 所以斜网成形器要求从纸页的脱水、成形方面合理设计，以保证纸幅的质量。 3 1 2 浆料悬浮液的流动机理 上网前浆料的流动状态及纤维在流体中的分布情况对纸页成形起着决定性的 作用，而流动状态及纤维在流体中的分布情况又取决于流体本身的性质和装置的 性能。 一般情况下，浆料悬浮液是一种三相共存的复杂的分散体系，其中有固态的 纤维、填料、胶粒等，还有液态的水( 包括溶于水中的化学添加剂) 和气态的空 气。因此，浆料悬浮液的流动特性与水是有区别的，而且随着浆料悬浮液中所含 物质的性质，如纤维的长短和柔软程度、组成、各物质的比例、浓度和流速等因 素的不同，其流动特性也不断变化。在临界浓度( 约为0 0 5 左右，随浆料种类的 不同而不同) 以下时。由于纤维与纤维之间的相互作用很小，而能够自由运动，因 而其流动状态与水大体相同；在临界浓度以上时，纤维与纤维的机械交缠作用使 纤维互相碰撞并形成絮聚物。在较低的流动速度、较高的浓度条件下，絮聚物还 会连结成片，形成纤维网状物，此时浆料流体的性质就与水大不相同了。 浆料在管子中的流动，随着速度的不同大体上分为塞流、混合流和湍流三种基 本的流动状态，如图3 - l 所示。 蠢瓤合蠢膏靠 bcd e，o - 赢t 加 幺羽粉 固3 一l 各神漉鑫示纛圈 在浆料流速较低的情况下，由于流体流动的剪切力尚不足以克服纤维缠结的 内摩擦力，因而浆料以整体流动，形成一栓塞状的流动状态，在其中无速度梯度， 只是在纤维与管壁之间有一个水环，开始时水环很薄，浆塞与管壁处于滚动摩擦 状态( 图3 - l 中b - c 段) ；随着速度的增加，水环变厚，浆塞与管壁之间出现层流 水环( 图3 - 1 中c d 段) ；层流水环随后变成湍流水环( 图3 - 1 中d e 段) ，这种流 动状态称为塞流。当流速加快时，在靠管壁的部分出现了湍流的状态，但靠中间 的部分还保持塞流的状态，这时称为混合流( 或过渡流) ( 图3 - 1 中e - f 段) ；随着 速度的进步提高，湍流部分不断的扩大，直到一定的速度时全部变为湍流( 图3 一l 中f g 段) 。从塞流变成混合流以及变成湍流，浆料流体必须达到一定的速度值， 称为临界速度。浆料流体的临界速度与浆料的浓度、性质、输送管道的直径和管 壁表面情况有关。对给定的浆料，在一定的条件下，其临界速度是一定的( 刘建 安，2 0 0 2 ) 。 长纤维和表面粗糙的纤维，能够增加纤维的机械缠结，进而增加纤维网络和 絮聚的强度，在同样的流动条件下，就较难被互解分散。因此，在利用长纤维造 纸的斜网成形器设计中要求浆料高度稀释，保证低的上网浓度，浆料输送要达到 一定的速度，避免塞流，尽量达到湍流状态。 3 1 3 纸幅成形的机理 造纸浆料是一种纤维在水中的悬浮液，其中还包含一些非纤维性的颗粒( 如 填料等) 。纤维之间有两类不同性质的作用力：一类是胶体性质的作用力，这类作 用力是持续性的，并只是在近距离发生作用；另一类是机械性质的，主要是纤维 相互缠绕的摩擦力。后者和悬浮液中的流体动力现象( 如湍动) 有密切关系，比 较集中地表现在纤维的絮聚现象上。 纸幅的成形过程主要是一个流体力学的过程。虽然在某些特定的情况下胶体 性质的作用力也可能会对纸的成形起显著的作用，但是对成形起决定性影响的还 是流体动力。在纸的成形过程中有三种主要的流体动力过程：即脱水、定向剪切 和湍动。在任何成形器中，上述三种流体动力过程都是同步发生，彼此都不是完 全独立的。 纸幅的成形过程是纤维悬浮液在成形网面上脱水和沉积的过程。脱水过程有 两种形式，即过滤和浓缩。当悬浮液中的纤维是均匀分散的，彼此可以独立地自 由移动时，借过滤机理而开始进行脱水，纤维沉积成松散层；当悬浮液中的纤维 静止不动时，它们就共同絮聚成互相缠结的网状物，然后借浓缩机理而发生脱水， 并形成更呈絮聚状的纸页结构，浓度越靠近积层就越大。 在纸幅的成形过程中，悬浮液中纤维的过滤和浓缩是同时存在的，只是浓缩 过程在其中占较小的比重，纸幅的成形过程主要是一个纤维过滤过程。 为了使纤维能在过滤状态下沉积成为纸幅，要求破坏悬浮体中已形成的纤维 网络结构，即使絮聚的纤维分散。用降低浆料浓度的方法可以有效地分散网络， 但有一定限度。在悬浮液中造成一定的流体定向剪切或湍动，也可以分散纤维网 络结构。 流体的定向剪切流型是指流动具有方向性且存在平均流速的速度梯度。在纸 幅的成形过程中，上网浆速和网速之差所引起的流型属定向剪切流型。定向剪切 可以使大的纤维网络沿剪切应力平面分散成较小的纤维网络或单体纤维。如果剪 切强度足够大时，可以使纤维较完全地分散。但定向剪切也可以使纤维的沉积发 生定