Расчет и конструирование бумаго- и картоноделательных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

К концу сеточной части в бумаге удерживается значительное количество воды. Кроме воды, удерживаемой капиллярными силами, в бумажном полотне имеется и некоторое количество свободной воды, которая не могла быть удалена в сеточной части из-за недостаточного разрежения и из-за малого времени действия вакуума. На сетке машины происходит взаимное переплетение волокон, которое способствует приданию бумажному полотну достаточной прочности для переноса его с сетки в прессовую часть. Однако более значительную роль в обеспечении прочности полотна играют силы поверхностного натяжения воды, находящейся между волокнами. Для большинства видов бумаги и картона сухость после сеточной части составляет около 20 %. Дальнейшее обезвоживание бумажного полотна, называемое прессованием, происходит в прессовой части машины. В процессе прессования вода удаляется из полотна в результате его уплотнения под действием внешней нагрузки. При этом удаляется в основном свободная вода, что ведет в результате возрастания действия капиллярных сил к значительному увеличению числа контактов между волокнами. В результате повышается прочность бумажного полотна, так как поверхностное натяжение препятствует увеличению поверхности раздела вода - воздух, и обеспечивает достаточно прочную связь волокон друг с другом. Таким образом, основное назначение прессовой части состоит в обезвоживании бумажного полотна, обеспечении определенных качественных показателей вырабатываемой продукции и надежности работы машины. В результате прессования возрастают сухость, прочность и плотность бумаги. Прессование играет важную роль при выработке многослойных видов бумаги и картона. От эффективности работы прессовой части зависят затраты на сушку бумаги и производительность машины. С целью сокращения расхода пара на сушку стремятся получить после прессовой части максимально возможную сухость. Однако повышение сухости за счет увеличения давления между прессовыми валами ведет к увеличению затрат энергии на привод валов, что может не компенсироваться снижением затрат на сушку. Кроме того, чрезмерное прессование может привести к ухудшению потребительских свойств вырабатываемой на машине продукции.

Современные требования к прессовой части:

· Безобрывная передача полотна с сетки в прессовую часть.

· Закрытая проводка полотна в прессовой части.

· Максимально возможное удаление воды из бумажного полотна без нарушения его структуры и с минимальными затратами.

· Упрочнение структуры полотна, повышение его механической прочности и получение необходимых поверхностных свойств.

1. Классификация прессов бумагоделательных и картоноделательных машин

Прессовая часть машины состоит обычно из нескольких различных прессов, через которые последовательно проходит бумажное полотно. Прессы можно классифицировать по различным признакам. Так, по конструкции можно все прессы разделить на два типа: валковые прессы, в которых обезвоживание бумажного полотна происходит в зоне контакта прижимаемых друг к другу вращающихся валов, и башмачные прессы, в которых зона прессования образуется в результате прижима к вращающемуся прессовому валу стационарного элемента - башмака.

Валковые прессы в зависимости от количества прессовых валов бывают двухвальными и многовальными (комбинированными). Двухвальные прессы в зависимости от преимущественного направления потока воды в сукне можно разделить на прессы с продольной фильтрацией воды и прессы с поперечной фильтрацией воды. В прессах с продольной фильтрацией воды вода, выжимаемая из бумажного полотна в сукно, течет в сукне преимущественно в машинном направлении по ходу или против хода сукна. Такие прессы обычно имеют два гладких вала и называются обычными простыми прессами. В прессах второго типа один из прессовых валов имеет отверстия или канавки, в которые из сукна в зоне прессования может поступать вода. Поэтому в таких прессах вода в сукне движется преимущественно в направлении от поверхности бумажного полотна к отверстиям или канавкам на поверхности вала, охватываемого сукном или, как говорят, в z - направлении. Благодаря более короткому пути фильтрации воды в сукне в прессах этого типа гидравлическое сопротивление потоку воды, вытесняемому из бумажного полотна, оказывается значительно более низким, чем в прессах первого типа. Это позволяет при прочих равных условиях удалить из бумажного полотна большее количество воды. К прессам этого типа относятся отсасывающие, желобчатые, глухосверленные валы, прессы с удлиненной зоной прессования. Обычные простые прессы применяют в основном на тихоходных машинах.

2. Современные представления о прессовании бумажного полотна

Теоретическое описание процесса прессования бумажного полотна представляет одну из сложнейших задач современной механики. Проблема заключается в необходимости совместного решения задачи фильтрации воды и воздуха в деформируемой неоднородной пористой среде и задачи контакта двух вращающихся валов. При этом один или оба вала имеют покрытие из материала, имеющего вязкоупругие свойства. Положение усугубляется также большой величиной деформации бумажного полотна и нелинейностью уравнений, описывающих процесс

Для оценки эффективности обезвоживания бумажного полотна в прессовой части пользуются влажностью (сухостью) или водосодержанием. Влажность - это отношение массы воды, содержащейся во влажном бумажном полотне к массе самого влажного полотна. Влажность обычно выражают в процентах. Аналогично сухость - это отношение массы сухого вещества, содержащегося в данном объеме влажного материала, к массе данного объема. Под водосодержанием понимается отношение массы воды в определенном объеме бумажного полотна к массе абсолютно сухого вещества в этом же объеме.

В качестве основных параметров процесса прессования используют такие величины как линейное давление, среднее давление, продолжительность прессования, ширина зоны прессования, прессовый импульс. Линейное давление определяется как отношение усилия прижима прессовых валов друг к другу к длине рабочей поверхности валов. Линейное давление обычно измеряется в кН/м. Ширина зоны прессования - это ширина площадки, в пределах которой на бумажное полотно действует сжимающая нагрузка. Среднее давление в зоне прессования равно отношению линейного давления к ширине зоны прессования. Продолжительность прессования равна отношению ширины зоны прессования к скорости машины. Поскольку продолжительность прессования невелика, ее обычно измеряют в миллисекундах. Из-за трудности непосредственного определения ширины зоны прессования на практике обычно пользуются линейным, а не средним давлением.

Характер процессов, происходящих при прессовании, зависит от положения бумажного полотна в зоне прессования. Для случая прессования с поперечной фильтрацией воды в настоящее время принято деление зоны прессования на шесть участков (фаз) (рис.1).

Рис.1. Шестифазная модель зоны прессования: u - ненасыщенный водой материал; s - насыщенный материал

Фаза 1. Начинается с момента приложения внешней нагрузки. Бумажное полотно и прессовое сукно в этой фазе неводонасыщены. Заканчивается эта фаза, когда или бумажное полотно, или сукно становятся водонасыщенными. В первой зоне перенос воды из бумаги в сукно или наоборот обусловлен впитыванием поверхностной пленочной воды, находящейся на соприкасающихся поверхностях бумаги и сукна. Некоторую роль в этом играют и капиллярные эффекты. При этом направление потока зависит от множества различных факторов. Например, от размеров пор соприкасающихся слоев бумаги и сукна, поверхностного натяжения и т.д. Какой поверхностный слой - бумаги или сукна - первым станет водонасыщенным, зависит от их начальной влажности, сжимаемости, капиллярного строения соприкасающихся слоев бумаги и сукна.

Фаза 2. Начинается с момента насыщения бумажного полотна или сукна водой и заканчивается, когда оба материала становятся водонасыщенными. Если в первой фазе поверхностный слой сукна, соприкасающийся с бумажным полотном, становится водонасыщенным раньше бумаги, то имеет место поток воды из сукна в бумагу, если поверхностный слой бумаги, то наоборот. И здесь, по мнению многих исследователей, факторами, определяющими течение воды, являются поверхностная адсорбция и капиллярные явления.

Фаза 3. Начинается с момента насыщения обоих материалов водой и заканчивается, когда внешняя нагрузка достигает максимума.

Фаза 4. Начинается с момента достижения внешней нагрузкой максимума и заканчивается, когда давление в порах на нижней поверхности бумажного полотна, соприкасающейся с прессовым сукном, становится отрицательным.

Фаза 5. Начинается с момента восстановления бумажного полотна и заканчивается в момент снятия внешней нагрузки, т.е. в момент выхода бумажного полотна и прессового сукна из зоны прессования.

Фаза 6. Начинается с момента выхода бумажного полотна и прессового сукна из зоны прессования и заканчивается в момент отделения бумажного полотна от прессового сукна.

3. Основные факторы, определяющие эффективность прессования

При проектировании прессовой части целесообразно факторы, определяющие эффективность прессования, разделить на две группы: конструктивные и технологические. Конструктивные факторы зависят от параметров, определяющих конструкцию пресса, а технологические - от особенностей технологического процесса, свойств полуфабриката и требований, предъявляемых к готовой продукции.

К конструктивным факторам можно отнести:

· тип пресса (валковый или башмачный);

· диаметр прессовых валов;

· механические свойства покрытий прессовых валов;

· конструкция прессовых валов (отсасывающие, желобчатые, валы с глухими отверстиями, гладкие);

· конструкция прессового сукна и его сухость перед прессом;

· количество прессовых сукон (одно или два).

К технологическим факторам относятся:

· композиция бумажного полотна и технология подготовки бумажной массы, которые определяют так называемые фильтрационно-компрессионные свойства;

· скорость машины;

· линейное давление;

· начальная сухость бумажного полотна;

· масса 1м² бумажного полотна;

· температура бумажного полотна.

Влияние конструктивных факторов на обезвоживающую способность пресса сводится в основном к изменению продолжительности прессования и распределения давления по ширине зоны прессования при прочих равных условиях. Так, например, высокая сухость бумажного полотна после прессов башмачного типа с удлиненной зоной прессования обусловлена не только значительным увеличением продолжительности прессования, но и возможностью регулирования распределения давления по ширине зоны прессования. Увеличение диаметра валов и снижение скорости машины также ведет к увеличению продолжительности прессования. Однако в данном случае необходимо считаться с отрицательным влиянием на сухость после пресса обратного впитывания.

Конструкция вала при работе с современными сукнами оказывает меньшее влияние на достигаемую сухость при прочих равных параметрах (диаметре валов, твердости покрытия и т.д.), чем при работе с шерстяными сукнами. Выбор конструкции вала определяется в основном местом пресса в прессовой части и видом вырабатываемой продукции. Так, например, для валов с глухими отверстиями можно применять более мягкие покрытия, чем для желобчатых валов, что увеличивает ширину зоны прессования. Поэтому эти валы целесообразно использовать при прессовании с контролируемым потоком. С другой стороны при одинаковой твердости покрытия для пресса с глухосверленным валом можно увеличить усилие прижима без опасности захлопывания отверстий. Однако стоимость глухосверленного вала значительно выше стоимости желобчатого.

Установка второго сукна аналогична эффекту уменьшения массы 1м² бумажного полотна и, следовательно, при одинаковых прочих условиях позволяет повысить сухость после прессования. В то же время при выработке видов бумаги с малой массой 1м² и при работе на низких скоростях установка второго сукна может привести к падению сухости после пресса из-за обратного впитывания.

Наиболее важным технологическим фактором является композиция бумажного полотна и история его подготовки. Известно, что способность к обезвоживанию зависит от степени помола бумажной массы. Однако также установлено, что виды бумаги, изготавливаемые из разной массы одной и той же степени помола, обезвоживаются по-разному. Поэтому более важной характеристикой, определяющей способность бумаги отдавать воду при прессовании, является коэффициент водоудержания.

Для определения этого коэффициента используют различные методы. Одним из наиболее известных является метод центробежного обезвоживания. Коэффициент водоудержания WRV определяется как отношение массы воды, оставшейся в материале после его обезвоживания, к массе сухого волокна. Используя этот коэффициент можно определить значение предельной сухости С_L , которую можно достичь при прессовании данного материала:

На величину предельной сухости наибольшее влияние оказывает вид целлюлозы, степень ее помола и выход (рис. 2).

Ранее при рассмотрении процесса прессования считали, что из бумажного полотна выжимается только вода, находящаяся в межволоконном пространстве, а вода, находящаяся во внутренних порах волокон удаляется только при сушке. Однако последние исследования в этом направлении показали, что во многих случаях надо считаться и с водой выжимаемой из стенок волокон.

Из приведенных графиков видно, что при давлении свыше 2 МПа вода, удерживаемая в прессуемом полотне, находится в основном внутри стенок волокон.

Таким образом, ранее принятая точка зрения о том, что при прессовании удаляется только вода, находящаяся в поровом пространстве между волокнами, справедлива для первых прессов, в которых среднее давление, как правило, не превышает 2 МПа.

Можно видеть, что кривые обезвоживания имеют одинаковый характер во всем диапазоне давления. Этот характер определяется начальным уровнем водонасыщености набухших волокон, т.е. начальным значением точки насыщения волокон. Следовательно, точка насыщения волокон является параметром, который можно использовать для оценки легкости удаления воды из данного вида массы. На способность к удержанию воды внутри стенок волокон большое влияние оказывает выход целлюлозы при варке. Из приведенных графиков следует, что как для сульфатной, так и для сульфитной целлюлозы при выходе 60 - 70 % количество воды, находящейся между волокнами и в стенках волокон, достигает максимума. При этом, если для сульфатной целлюлозы при давлении 54 МПа общее количество воды в полотне составляет около 1,2 г воды/г сухого волокна, то для сульфитной целлюлозы - только 0,7. Следовательно, можно ожидать, что при прессовании бумаги из сульфатной целлюлозы предельная концентрация должна быть ниже. Этот вывод подтверждается практикой.

Сухость бумажного полотна перед прессом определяет его поведение в прессе. Чем она выше, тем при более высоком давлении в зоне прессования можно работать без опасности раздавливания бумаги. Это объясняется меньшим содержанием воды в порах бумаги и большей способностью волокнистого скелета сопротивляться сжатию. Однако наличие в порах бумаги большого количества воздуха и большее сопротивление сжатию сокращают эффективное время прессования. Наиболее важной является сухость полотна перед первым прессом. Чем выше сухость, тем легче передача полотна из сеточной части в прессовую, что повышает работоспособность машины в целом. По оценкам некоторых исследователей, для многих видов бумаги повышение сухости перед прессом на 1 % ведет к повышению сухости после пресса на 0,4 %.

Одним из главных, но не контролируемых факторов, влияющих на эффективность обезвоживания, является масса 1м² бумажного полотна. При прочих равных условиях увеличение массы 1м² и, как следствие, сопротивления вытеснению воды при прессовании заставляет снижать нагрузки или увеличивать продолжительность прессования с целью предотвращения раздавливания бумажного полотна. В то же время известно, что при малых скоростях машины увеличение массы 1м² до некоторого предела (обычно 100 г / м ²) сопровождается увеличением сухости после пресса. Это явление связано с обратным впитыванием, более значимым при выработке легковесных видов бумаги.

Под обратным впитыванием понимается процесс увлажнения бумаги на выходной стороне зоны прессования. Обратное впитывание определяется конструкцией пресса и фильтрационно-компрессионными свойствами сукна и бумажного полотна. И в валковых, и в башмачных прессах зона прессования может быть разделена на две части: первая часть, в которой происходит уплотнение бумажного полотна, и вторая часть, в которой бумажное полотно частично восстанавливает свои размеры в результате уменьшения внешней нагрузки, действующей на него. Именно при восстановлении бумажного полотна часть воды из прессового сукна переходит обратно в бумагу. В результате сухость бумаги после пресса становится несколько меньше, чем максимальная сухость, достигаемая в прессовом захвате. Различают внутреннее и внешнее обратное впитывание. Под внутренним обратным впитыванием понимают увлажнение бумажного полотна, происходящее в выходной части зоны прессования. Под внешним обратным впитыванием - увлажнение полотна вне зоны прессования, происходящее до отделения бумажного полотна от сукна. В настоящее время считается, что обратное впитывание является результатом трех процессов: капиллярного впитывания, механической абсорбции и пленочного разделения. Капиллярное впитывание обусловлено меньшим размером пор бумаги по сравнению с размером пор прессового сукна. Средний размер пор большинства видов бумаги в зоне прессования составляет 4 - 10 мкм, а размер пор сукна 40 - 100 мкм. В выходной части зоны прессования при восстановлении бумажного полотна оно перестает быть водонасыщенным. Образование границы раздела воздух-вода приводит к тому, что под действием капиллярных сил вода из пор сукна перемещается в поры бумаги.Под механической абсорбцией понимается перемещение воды из пор сукна в поры бумаги под действием разрежения, образующегося в порах бумаги при ее восстановлении. Здесь, однако, надо иметь в виду, что прессовое сукно обладает большей упругостью, чем бумага. В результате разрежение в порах сукна возникает раньше, чем в порах бумаги. Но это разрежение не в состоянии преодолеть капиллярные силы, действующие на воду в порах бумаги. Под пленочным разделением понимают разделение пленки воды, находящейся между поверхностью сукна и бумаги, которое происходит при отделении бумажного полотна от сукна. Чем грубее поверхность сукна, тем больше находится воды между сукном и бумагой и тем больше ее перейдет в бумагу при отделении бумаги от сукна. Использование сукон с более тонкими волокнами в поверхностном слое, контактирующем с бумагой, позволяет при прочих равных условиях получить большую сухость бумаги после пресса. Количество воды, переходящей в бумагу при ее отделении от сукна также зависит от смачиваемости граничащих поверхностей сукна и бумаги, т.е. от сил поверхностного натяжения, возникающих на этих поверхностях. Так как количество воды, переходящей из сукна в бумажное полотно при обратном впитывании не зависит от массы последнего, то, естественно, что уменьшение сухости в результате обратного впитывания более существенно для легковесных видов бумаги. Считается, что для бумажного полотна с массой более 100 г/м², а также при работе на высоких скоростях (более 600 м/мин), конечная сухость бумажного полотна мало отличается от его максимальной сухости в зоне прессования. Увеличение скорости машины и, как следствие, сокращение продолжительности прессования при прочих равных условиях ведет к уменьшению продолжительности прессования и снижению сухости бумажного полотна после пресса.

Однако при выработке тонких видов бумаги при низких скоростях увеличение скорости может дать и противоположный эффект, что объясняется уменьшением времени контакта бумажного полотна с сукном в выходной части зоны прессования и снижением эффекта обратного впитывания.

По-разному сказывается увеличение продолжительности прессования на сухость после пресса для бумаги, изготовленной из массы разной степени помола. Из графика на рис.7 видно, что для бумаги из садкой массы с увеличением продолжительности прессования сухость после пресса уменьшается, а для бумаги из массы жирного помола - растет. Это также связано с обратным впитыванием. Размол уменьшает проницаемость полотна и увеличивает сопротивление потоку воды из сукна в бумагу. Бумага же из неразмолотой целлюлозы имеет высокую проницаемость, что облегчает вытеснение из нее воды в зоне прессования, но в то же время облегчает и обратный переход воды из сукна в бумагу в выходной части зоны прессования.

Это также связано с обратным впитыванием. Размол уменьшает проницаемость полотна и увеличивает сопротивление потоку воды из сукна в бумагу. Бумага же из неразмолотой целлюлозы имеет высокую проницаемость, что облегчает вытеснение из нее воды в зоне прессования, но в то же время облегчает и обратный переход воды из сукна в бумагу в выходной части зоны прессования.

Весьма эффективным средством повышения эффективности работы пресса является подогрев бумажного полотна. Повышение температуры полотна, с одной стороны, приводит к снижению вязкости и поверхностного натяжения воды, а, значит, к снижению сопротивления потоку воды в полотне.

С другой стороны, при повышенной температуре бумажное полотно легче уплотняется, и в результате большая часть внешней нагрузки передается на поровую воду, интенсифицируя вытеснение воды из бумаги. Во многих случаях повышение температуры бумажного полотна на 10С ведет к приросту сухости на 1 - 1,3 % в зависимости от вида вырабатываемой продукции. Повышение температуры является одним из решений проблемы повышенного содержания в композиции бумаги и картона макулатуры и полуфабрикатов высокого выхода.

4. Валковые прессы

До последнего времени преобладающими были прессы валкового типа. Они бывают двухвальными и многовальными. Двухвальные прессы принято делить на: обычные прессы с гладкими валами, прессы с отсасывающими, желобчатыми и глухосверленными валами. Многовальные прессы являются комбинированными прессами, в которых один и тот же вал может образовывать с парными валами две, а иногда и три зоны прессования. При этом в разных зонах процесс прессования может соответствовать процессу в прессе с отсасывающим, желобчатым или глухосверленным валом. Появление многовальных прессов было обусловлено, с одной стороны, стремлением получить более компактную прессовую часть, а, с другой стороны, - обеспечить закрытую проводку бумажного полотна, что снижает число обрывов и повышает работоспособность машины в целом. Эффективность обезвоживания одного многовального пресса во многих случаях оказывается настолько высокой, что установка дополнительного, отдельно стоящего пресса не требуется.

Обычный пресс. Обычным называют пресс, состоящий их двух гладких валов, между которыми проходит бумажное полотно и прессовое сукно (рис.8). Это наиболее старая конструкция пресса. Нижний вал пресса обычно имеет резиновое покрытие, верхний вал - чаще всего гранитный.

Применение резинового покрытия позволяет:

· увеличить ширину зоны прессования, а, следовательно, и его продолжительность;

· уменьшить износ прессового сукна (по сравнению с металлическим валом).

Применение гранита в качестве материала прессовых валов объясняется низкой адгезией бумажного полотна различной композиции к граниту. Этой адгезии, с одной стороны, достаточно для предотвращения «скрадывания» влажного бумажного полотна прессовым сукном, а, с другой стороны, она исключает чрезмерное натяжение полотна при его отделении от вала.

Другим полезным свойством гранита является его высокая твердость и, как следствие, износостойкость. Гранит отлично противостоит износу от трения шабера и редко нуждается в перешлифовке.

Гранитный вал. Основным элементом гранитного вала является гранитная рубашка, изготавливаемая из цельного куска гранита, в котором высверливается отверстие для установки металлического сердечника. Рубашка фиксируется на сердечнике при помощи навинчиваемых на сердечник фланцев, которые сжимают при этом рубашку. Необходимость предварительного сжатия рубашки обусловлена тем, что предел прочности гранита при сжатии составляет примерно в 170 - 180 МПа, а при растяжении всего около 12 МПа. Поэтому при работе вала стараются не допустить возникновения в гранитной рубашке растягивающих напряжений, что и достигается с помощью специально сжимаемого центрального металлического сердечника. Для этого перед установкой фланцев сердечник подогревается, что приводит к еще большему сжатию рубашки при его охлаждении. Пустое пространство между сердечником и рубашкой заполняется бетоном или полиуретановой пеной (рис.9). Гранит, по сравнению с другими подобными материалами, имеет ряд преимуществ. Так, адгезии бумажного полотна к граниту достаточно для того, чтобы не происходило «скрадывание» влажного бумажного полотна прессовым сукном и в то же время бумажное полотно прекрасно отлипает от гранита. Если адгезия бумажного полотна слишком велика и оно плохо отстает от гранитного вала, следует повысить разницу скоростей данного пресса и следующего за ним. Другим преимуществом гранита является его высокая твердость. Поверхность гранитного вала хорошо противостоит износу от трения шабера и редко нуждается в перешлифовке. Недостатком гранитных валов является высокая трудоемкость его изготовления. Цельная гранитная рубашка вала делается из одного крупного блока гранита, который специально добывается для каждого вала. И хотя гранитные блоки для изготовления валов получают из специально отобранных и тщательно обследованных монолитных блоков, всегда существует возможность того, что внезапно может возникнуть трещина, полость или просто ослабленная область внутри вала. Кроме того, гранитные блоки, получаемые из различных месторождений, различаются по своим параметрам. Коэффициент теплового расширения гранита гораздо меньше, чем у стали. Поэтому температурное расширение стального сердечника, передаваемое через бетонную заливку гранитной рубашке, может вызвать значительные напряжения в граните. Избежать этого можно заполнением пространства между сердечником и гранитной рубашкой сжимаемым полимерным материалом. Гранит плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности гранита почти в 20 раз ниже, чем у стали. Поэтому резкое повышение температуры на поверхности гранитного вала и, как следствие этого, расширение нагретого поверхностного слоя ведет к появлению напряжений в холодном внутреннем слоя гранитной рубашки. Если эти напряжения превысят предел прочности гранита при растяжении, на внутренней поверхности вала появится продольная трещина.

В последние годы вместо гранитных валов стали интенсивно использовать валы с различными синтетическими покрытиями. Такие валы состоят из чугунной или стальной рубашки, покрытой слоем из натуральной резины или другого связующего с включением частиц гранита. Эти валы обладают высокой износостойкостью и их очистка возможна при помощи стальных шаберов. Их можно применять в прессах с подогревов бумажного полотна. Однако они должны обладать повышенной жесткостью, так как уже при незначительном прогибе возможно повреждение покрытия.

Обрезиненный вал. Увеличить продолжительность прессования можно применением обрезиненных валов. Однако все валы, покрытые резиной, нагреваются. На скоростных машинах при высоких нагрузках температура покрытия достигает 100 - 120С. Для создания постоянных условий прессования и ограничения нагрева желательно использовать облицовки большей твердости (обычно 5 - 10 ПДж) и меньшей толщины, валы большого диаметра, тщательно подбирать бомбировку валов или использовать валы с регулируемым прогибом, применять охлаждение валов. Охлаждение вала может быть как внутренним, так и наружным. Внутреннее охлаждение более эффективно, так как резина обладает низким коэффициентом теплопроводности и препятствует охлаждению рубашки вала. Кроме того, при наружном охлаждении резина «закаливается», т.е. теряет свою эластичность (упругость). В результате в резиновом покрытии могут образоваться трещины, для ликвидации которых потребуется перешлифовка вала. Устройства охлаждения должны обеспечивать температуру облицовки в пределах 60 - 70 С. Система охлаждения прессового обрезиненного вала показана на рис.10.

Поток водовоздушной смеси подается внутрь рубашки вала. Для нормальной теплоотдачи необходимо обеспечить равномерное течение тонкого слоя воды по внутренней поверхности рубашки, не допуская заполнения внутреннего пространства водой и каскадного характера течения. Также важно обеспечить равномерность распределения температуры покрытия по длине вала. С этой целью необходимо контролировать разницу температур подаваемой внутрь вала и отводимой из него воды. Эта разница не должна превышать 6-8С .

Обычно верхний гранитный вал обычного пресса смещен на 50-250 мм относительно нижнего вала навстречу движению полотна (рис.11). В результате смещения давление на бумажное полотно возрастает постепенно и облегчается отвод воды. Величина смещения зависит от диаметра валов, скорости машины, положения пресса в прессовой части, массы 1 м² бумажного полотна. С увеличением скорости и диаметра валов смещение увеличивают. Для предотвращения увлажнения сукна и бумажного полотна перед зоной контакта валов и устранения пузырей воздуха между сукном и бумагой последние должны входить в зону прессования несколько выше линии касания валов.

В процессе работы на поверхности прессовых валов откладываются частицы волокон, наполнителя и т.д. Если их своевременно не удалять, то качество вырабатываемой бумаги будет ухудшаться, а число обрывов бумажного полотна увеличиваться. Для очистки поверхности вала, а также для предотвращения наматывания бумажного полотна на вал при обрывах и заправке устанавливают шабера. Шабер (рис.12) состоит из лезвия 1, держателя лезвия 2 и балки 3, на которой устанавливается держатель. Современные шабера кроме этого оснащаются механизмом прижима лезвия к поверхности вала и устройством для продольного возвратно-поступательного перемещения (осцилляции) шабера. Механизмы осцилляции имеют пневматический, гидравлический или механический привод.

Лезвия шаберов представляют собой ленты шириной от 30 до 300 мм и толщиной от 0,5 мм до 15 мм в зависимости от материала, из которого они изготавливаются. Для изготовления лезвий используются сталь, бронза, различные полимерные материалы. Материал лезвий должен быть прочным, износостойким, обладать высокой упругостью, необходимой для плотного прилегания лезвия шабера к поверхности вала. При этом лезвия не должны повреждать очищаемую поверхность вала.

Эффективность работы шабера во многом зависит от правильного выбора угла между лезвием шабера и касательной к поверхности вала в месте установки, а также усилия прижима лезвия к поверхности вала.

Обычный пресс может использоваться и как обратный, т.е. для снятия сеточной маркировки. В обратном прессе валы меняются местами, но сукно по-прежнему охватывает обрезиненный вал. В результате с гранитным валом соприкасается та сторона бумажного полотна, которая ранее соприкасалась с сеткой. Обратные прессы применяют в основном на тихоходных машинах (до 250 м/мин), вырабатывающих высококачественные виды бумаги, к которым предъявляются высокие требования двухсторонней гладкости.

Обычный пресс относится к прессам с продольной фильтрацией воды. Сукно в этом прессе становится обычно водонасыщеным задолго до середины прессового захвата. Часть воды переносится вместе с сукном через прессовый захват, а часть течет внутри сукна в направлении, обратном ходу бумажного полотна. На входе в прессовый захват избыточная часть воды вытесняется из сукна и движется вниз по поверхности нижнего вала навстречу вращению вала и затем собирается в корыте, расположенном под этим валом. Обхват бумажным полотном и сукном верхнего вала способствует вытеснению воздуха, находящегося между полотном и сукном, предотвращая пузырение и образование складок. При высоких скорости, усилиях прижима валов и низкой проницаемости бумажного полотна в z - направлении условия отвода воды из полотна в сукно ухудшаются. В результате не только в сукне, но и в бумажном полотне образуется поток воды, текущий в направлении, обратном движению бумажного полотна. При высокой скорости этого потока фильтрационные силы могут превысить силы связи между волокнами бумажного полотна, что приводит к явлению, называемому дроблением бумажного полотна. При выходе из прессового захвата бумажное полотно и сукно отделяют друг от друга, чтобы предотвратить увлажнение полотна, обусловленное обратным впитыванием воды из сукна.

Для создания более благоприятных условий удаления воды из прессового сукна ранее широко применялась установка подкладной сетки. В этом случае вода в зоне прессования выжимается из сукна в ячейки сетки и выносится сеткой из пресса. В результате снижается гидравлическое сопротивление удалению воды из бумажного полотна, что ведет к повышению эффективности пресса. На современных бумагоделательных машинах обычные прессы с твердыми покрытиями валов используют часто как последние прессы, в которых требуется высокое давление и из бумажного полотна выжимается относительно небольшое количество воды.

Отсасывающий пресс. В качестве первых прессов на большинстве бумаго- и картоноделательных машин применяются отсасывающие прессы. Отсасывающий пресс состоит из отсасывающего вала (обычно занимающего нижнюю позицию) и парного с ним гранитного или чугунного вала. Отсасывающие валы бывают одно-, двух-, и трехкамерные. На рис.13 показан отсасывающий вал используемый в прессовой части картоноделательной машины для выработки двухслойного картона. Вал состоит из перфорированной металлической обрезиненной рубашки (цилиндра) 4, внутри которой установлена неподвижная отсасывающая камера 10, разделенная на две - широкую и узкую камеры. Для предотвращения засасывания воздуха камеры имеют поперечные 5 и продольные 11 уплотнения. Уплотнения прижимаются к внутренней стенке рубашки при помощи тонкостенных резиновых трубок, в которые подается сжатый воздух. Для лучшего уплотнения камеры и уменьшения износа рубашки внутри вала устанавливается водяной спрыск 13. Отсасывающая камера внутри вала может поворачиваться на некоторый угол при помощи червячной передачи 7. Для возможности выкатывания камеры она снабжена роликом 12.

В отсасывающих камерах при помощи вакуум-насоса при работе пресса создается разрежение. У однокамерных валов камера устанавливается под зоной прессования и смещается навстречу движения бумажного полотна (рис.14). Для снижения затрат энергии насосом камера должна быть полностью закрыта сукном и бумагой.

Вакуум в камере поддерживается на уровне 50 - 65 кПа. Ширина камеры составляет 100 - 150 мм. Диаметр отверстий в резиновом покрытии составляет 3,7 - 4,5 мм, в металлической рубашке от 4 до 5 мм. Живое сечение поверхности вала составляет 16 - 20 %. Для снижения шума и уменьшения износа внутренней поверхности рубашки и уплотнений камеры отверстия на рубашке располагают по спирали. Применяются две основные схемы расположения отверстий. В первой схеме отверстия располагаются по спирали только в диаметральном сечении, а вдоль оси - параллельно образующей (рис.15 а). Такое расположение упрощает сверление отверстий, однако износ уплотнений и шум при работе отсасывающего вала больше, чем при расположении отверстий на поверхности по двум спиралям - в диаметральном сечении и по образующей рубашки (рис.15 б).

Живое сечение отверстий определяется как отношение площади отверстия к площади параллелограмма АБВГ. В первом случае величина живого сечения будет равна:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рубашки отсасывающих валов изготовляют из высокопрочной нержавеющей стали. Вал облицовывается слоем резины толщиной 25 мм и твердостью 25 единиц по ПДж. Различают открытые и закрытые отсасывающие прессы. В открытом прессе часть отсасывающей камеры после зоны прессования открыта. Это облегчает отделение бумажного полотна от поверхности верхнего вала, что позволяет использовать более мягкие покрытия. Отпадает необходимость в установке на верхнем валу шабера. Такие прессы применяют при выработке легко обезвоживаемого бумажного полотна.

Пресс с желобчатым валом. Наиболее часто встречающийся на современных машинах тип пресса. Пресс состоит из верхнего гранитного или ему подобного вала и нижнего обрезиненного или металлического вала, на поверхности которого нарезаны желобки. При насыщении в зоне прессования сукна водой, вода из него вытесняется в желобки, предотвращая появление в сукне продольного потока воды и обеспечивая тем самым режим прессования с поперечной фильтрацией воды. Так как вода, вытесняемая из участков сукна, располагающихся между желобками, течет в поперечном направлении, то желательно располагать желобки как можно ближе друг к другу. При этом ширина желобков должна исключать вдавливание сукна в желобки и предотвращать появление теневой маркировки. С точки зрения производства и очистки желобчатых валов оптимальная ширина канавок составляет 0, 5 мм. Нарезание более узких желобков с меньшим шагом в резиновой облицовке затруднительно. Кроме того, узкие желобки легче забиваются и могут «захлопываться» в зоне контакта. На сушильных машинах ширина и шаг желобков могут быть увеличены в связи с необходимостью удаления большего количества воды из целлюлозной папки и меньшей опасностью маркировки. В этом случае ширина канавок составляет 1 мм, а шаг 5 мм. На рис.16 показаны некоторые способы образования на поверхности вала желобков: путем нарезки (а) и путем намотки на толстостенную трубу фасонной ленты (б, в).

Желобчатыми валами часто заменяют отсасывающие валы. Иногда желобки наносят на покрытие отсасывающего вала, что способствует более легкому удалению воды из сукна, снижает опасность раздавливания бумажного полотна и уменьшает теневую маркировку даже при увеличении давления прессования. Сухость бумажного полотна при этом увеличивается на 1%.

На работу желобчатого пресса большое влияние оказывает твердость облицовки желобчатого вала. Нагрев резиновых покрытий на скоростных машинах и невозможность перешлифовки валов более 2 раз, после чего требуется повторное нарезание желобков, привели к использованию желобчатых валов без резиновой облицовки. На таких валах желобки нарезают или непосредственно на стальной рубашке вала, или получают в результате наматывания на вал профилированной стальной ленты. В последнем случае в процессе намотки под сильным натяжением витки ленты, сцепляясь, плотно прилегают друг к другу, образуя желобки. Отсутствие опасности «схлопывания» желобков в зоне деформации позволяет нарезать более узкие (до 0,5 мм) и глубокие желобки. Наличие фасок на краях желобков позволяет уменьшить износ сукна. Однако при использовании таких валов при прочих равных условиях уменьшается ширина зоны прессования, возрастают среднее и максимальное давления, предъявляются более жесткие требования к бомбировке, снижается срок службы прессовых сукон. Обычно стальные желобчатые валы используют в последних позициях прессовой части, где бумажное полотно имеет достаточно высокую сухость, что предотвращает его раздавливание при высоких давлениях.

Обрезиненные желобчатые валы часто используют при модернизации обычных прямых прессов на тихоходных бумагоделательных машинах (до 250 м/мин). Замена гладкого вала обычного первого пресса желобчатым часто позволяет повысить сухость бумажного полотна после пресса на 2 - 4 %. На картоноделательных машинах желобчатые прессы применяются как в качестве предварительных, так и в качестве основных прессов. На некоторых машинах в предварительных прессах используют желобчатые валы, снабженные кольцевыми и продольными (вдоль образующей вала) желобками.

Для правильной работы желобчатого вала важно обеспечить правильную заправку прессового сукна и бумажного полотна в зону прессования. На рис.17 показаны два варианта желобчатого пресса. В обоих случаях сукно и полотно соединяются на верхнем валу пресса для исключения образования воздушных пузырей между сукном и бумагой.

Вариант (а) является более благоприятным, чем вариант (б), который применяется при выработке тяжелых видов бумаги и картона, когда существует опасность обрыва полотна при его подъеме с сукна. На выходе из пресса для уменьшения обратного впитывания желательно направлять сукно перпендикулярно линии центров прессовых валов или ниже перпендикуляра.

Основными преимуществами желобчатых прессов по сравнению с отсасывающими являются:

· низкая стоимость изготовления и эксплуатации по сравнению с отсасывающими валами;

· более высокая сухость бумажного полотна после пресса;

· возможность работы при более высоких давлениях без опасности раздавливания и теневой маркировки бумажного полотна;

· возможность использования желобков на валах с регулируемым прогибом, что обеспечивает более равномерный профиль влажности по ширине машины;

· меньшая энергоемкость из-за отсутствия вакуум-насосов.

Пресс с глухосверленным валом. Известно, что величина вакуума в камере отсасывающего вала только при низких скоростях машины оказывает некоторое влияние на сухость бумажного полотна после пресса. При более высоких скоростях вода практически не попадает в камеру. Поэтому логичным развитием отсасывающих валов явились глухосверленные валы, или как их еще называют валы с глухими отверстиями. Такие валы первоначально использовались как прижимные валы к лощильным цилиндрам самосъемных бумагоделательных машин.

Вал с глухими отверстиями представляет собой стальную рубашку, покрытую резиновой или полиуретановой облицовкой с рассверленными в ней глухими отверстиями. Диаметр отверстий варьируется от 2,3 до 4, 0 мм. Глубина отверстий 10 - 13 мм. Общая площадь сечений отверстий может достигать 30 % против 17 % площади живого сечения желобчатого вала. Это объясняется тем, что при одинаковых условиях работы опасность «схлопывания» глухих отверстий значительно меньше опасности перекрытия желобков. При этом объем глухих отверстий, доступный для выжимаемой из сукна воды, значительно больше объема канавок желобчатого вала. Твердость покрытий валов с глухими отверстиями колеблется в широких пределах в зависимости от назначения вала. Для валов, работающих в последних прессах, при выработке легко обезвоживаемых видов бумаги она может быть 7 - 10 ед. ПДж. При выработке трудно обезвоживаемых видов бумаги, когда определяющим фактором является продолжительность прессования, твердость покрытий может быть повышена до 40 - 42 ед. ПДж без опасности «захлопывания» отверстий. Бульшая глубина отверстий по сравнению с глубиной канавок желобчатого вала позволяет перешлифовывать эти валы большее число раз нежели желобчатые валы. Применение более мягких покрытий уменьшает среднее давление в зоне прессования. Это также обеспечивает меньшее истирающее действие кромок отверстий по сравнению с кромками канавок желобчатого вала, что позволяет значительно увеличить срок службы прессовых сукон в прессах с глухосверленными валами (по сравнению с желобчатыми прессами в среднем на 30 %, а иногда и в 2 раза). Большая ширина зоны прессования позволяет значительно увеличить линейное давление в прессах такого типа (до 300 - 350 кН/м и более). В большинстве случаев отверстия способны самоочищаться. Это объясняется: бульшим диаметром отверстий по сравнению с шириной желобков; деформацией отверстий вследствие более мягкой облицовки; действием центробежной силы и давления сжатого в зоне прессования воздуха в отверстиях вала. Благодаря самоочищению отверстий улучшается профиль влажности полотна по ширине машины по сравнению с отсасывающими и желобчатыми прессами. Вал с более мягкой облицовкой менее чувствителен к неточностям бомбировки, что также положительно влияет на равномерность профиля влажности в поперечном направлении. При выходе из зоны прессования сукно может впитывать воду из отверстий вала. Поэтому желательно, чтобы выходящее из зоны сукно охватывало не нижний, а верхний вал пресса. При этом чаще всего возникает необходимость в отдельном приводе верхнего вала.

5. Прессы с удлиненной зоной прессования

В последнее время все большее внимание уделяется повышению эффективности работы прессовой части. Это объясняется как постоянным ростом стоимости энергии, так и все большим использованием в производстве бумаги и картона полуфабрикатов высокого выхода и макулатуры. При выработке большинства видов бумажной продукции единственным путем повышения сухости после пресса является увеличение продолжительности прессования. Первоначально для этой цели стали применять прессы с валами большого диаметра. В таких прессах благодаря применению валов с диаметром 1500 - 1800 мм, мягкому покрытию и наличию двух сукон ширина зоны прессования может достигать 100 мм (в прессах с валами обычных диаметров только 40 - 60 мм). Линейное давление составляет 250 - 350 кН/м. Как правило, в таких прессах оба вала приводные, оба имеют резиновое или полиуретановое покрытие, с глухосверленными отверстиями и оснащены системами водяного охлаждения и отвода тепла. Компактная станина делает возможной быструю замену сукон и валов, обеспечивает короткий свободный ход бумажного полотна и сукна. Регулируемые сукноведущие и бумаговедущие валики обеспечивают быстрое отделение бумажного полотна от сукна на выходе их пресса. Недостатками таких прессов являются значительная масса валов, что требует дополнительных затрат на создание мощных устойчивых фундаментов, затрудняет транспортировку и смену валов. В то же время большой диаметр благоприятно сказывается на долговечности резиновых покрытий, так как число нагружений покрытия в единицу времени оказывается значительно меньше, чем для валов малого диаметра.

Поскольку ширина зоны прессования зависит и от сукна, то в таких прессах необходимо применять тяжелые многослойные сукна с малосжимаемой сетчатой основой. Для обеспечения равномерного профиля влажности по ширине машины один из валов должен быть с регулируемым прогибом.

Пресс состоит из верхнего приводного вала 1 с регулируемым прогибом и нижнего прижимаемого к верхнему валу опорного башмака 6 шириной 250 мм. Между валом и башмаком, поверхность которого обработана с соответствующей кривизной, движется бесконечная лента 5, представляющая собой синтетическую сетку, поры которой заполнены по методу напыления полиуретаном. Прессование осуществляется между двух сукон 2 и 4. Прижим башмака к верхнему валу осуществляется при помощи гидроцилиндров Для снижения трения между башмаком и лентой подается смазочная жидкость. Специальная система смазки обеспечивает создание на поверхности ленты пленки масла толщиной 0,1 мм. При ширине башмака 250 мм среднее давление в зоне прессования достигает 4 МПа, а линейное 1000 кН / м. В дальнейшем неподвижный сердечник с башмаком и опорными элементами стали помещать в гибкую синтетическую оболочку, в результате вся конструкция внешне стала напоминать обычный прессовый вал (рис.19). Благодаря герметичному соединению эластичной рубашки с боковыми фланцами предотвращаются потери масла и загрязнение бумаги, сукон, валов и станины. Такие валы, как правило, работают в паре с валами с регулируемым прогибом.

Различают следующие способы смазки поверхности башмака: гидродинамический, гидростатический и комбинированный

Гидростатический прижимной башмак способствует образованию масляной пленки большой толщины, что ведет к уменьшению трения и способствует выравниванию толщины бумажного полотна в поперечном направлении. Профиль давления по ширине зоны прессования получается состоящим из двух плоских участков, при этом давление после середины зоны прессования несколько выше, чем до середины. Это способствует предотвращению раздавливания бумажного полотна. Быстрый спад давления на выходе из зоны прессования уменьшает обратное впитывание. Такой способ смазки обеспечивает стабильность работы и при низких скоростях и исключает аварийный пуск. На прессе возможна установка башмаков различной длины.

Длинные башмаки в сочетании с прессованием между двух сукон применяются при выработке трудно обезвоживаемых видов бумаги и картона, например, с высоким содержанием сульфатной целлюлозы или полуфабрикатов высокого выхода. Более короткие башмаки применяют при выработке легко обезвоживаемых видов бумаги, а также бумаги с малой массой 1 м² и с высокой начальной сухостью.

При гидродинамическом способе смазки масло, удерживаемое на внутренней поверхности рубашки центробежными силами, затягивается в этот клиновой зазор. При этом в масляном слое создается высокое давление, уравновешивающее внешнюю нагрузку. Этот способ смазки обеспечивает относительно быстрое возрастание внешнего давления в начале зоны прессования, плавный ее рост в основной части зоны прессования и резкий спад на выходе из нее. Такое распределение внешнего давления является оптимальным для большинства видов бумаги и картона. Следует отметить, что этот способ смазки обеспечивает устойчивую работу пресса при относительно высоких скоростях, когда гарантированно возникает режим жидкостного трения.

При комбинированном способе смазки башмак имеет в центральной части карман, в который под давлением подается масло, т.е. используется гидростатический способ смазки. В то же время форма поверхности башмака делает возможным создание клиновидного зазора между башмаком и вращающейся рубашкой, т.е. использование гидродинамического способа смазки. Башмак прижимается к противоположному валу при помощи опорных элементов поршневого типа, расположенных в два ряда параллельно друг другу вдоль линии контакта. При этом каждый ряд опорных элементов нагружается независимо друг от друга. Изменяя отношение нагрузки между рядами, можно менять профиль давления по ширине зоны прессования. Наличие двух позиций для ввода масла (на входе в зону прессования и в ее центре) уменьшает износ рубашки и прессового сукна при попадании комочков массы в зону прессования. Большая глубина кармана (около 15 мм) существенно уменьшает сдвигающие силы в масляной пленке по сравнению с гидродинамическим способом (толщина пленки масла 0,1 - 0,15 мм) и снижает как потери на трение, так и тепловыделение. В результате снижения потерь на трение данный вал приводится в движение от вращающегося парного вала и не требует отдельного привода. Возможность изменения распределения давления по ширине зоны прессования делает возможным оптимизировать процесс прессования при выработке разных видов продукции