Дипломная работа: Размольно-подготовительный отдел фабрики по производству бумаги

1.6. Влияние размола на свойства бумаги

 При размоле массы с большим удельным давлением сопротив­ление готовой бумаги разрыву, излому и раздиранию было го­раздо ниже, чем при размоле исходного волокна при меньшем удельном давлении. Причина этого заключается в том, что в пер­вом случае процесс размола направлен больше в сторону укоро­чения волокна, а во втором — в сторону гидратации. Об этом можно судить по кривой изменения средней длины волокна при размоле и по коэффициенту ужирнения.

При размоле сульфатной целлюлозы наблюдаются те же за­кономерности, однако бумага получается при этом с большим сопротивлением разрыву, раздиранию и излому; само волокно ос­тается более длинным, хотя приходится применять при размоле более высокое удельное давление.

Рассмотрим типичное развитие основных свойств готовой бу­маги, происходящее в процессе размола исходной целлюлозы, и выясним закономерности, обусловливающие развитие этих свойств.

Примерно также изменяется и кривая сопротивления бумаги излому, но обычно эта кривая достигает максимума несколько раньше, т. е. при несколько меньшей степени помола целлюлозы, чем кривая разрывной длины. Кривая сопротивления раздиранию также имеет переломную точку, но она достигается раньше в первой стадии размола целлюлозы, а далее кривая снижается, следуя за из­менением длины волокна при размоле.

Следова­тельно, на показатель разрывной длины бумаги наибольшее влия­ние оказывают силы связи между волокнами, на показатель сопро­тивления  излому они влияют меньше, а на  показатель сопро­тивления  раздиранию  еще мень­ше,   преобладающее  же влияние на него оказывает длина волокна. Положение точки перегиба кривых прочности  может   изме­няться в зависимости от применяемого удельного давления  при размоле и исходной  прочности  самого  волокна.  

Наиболее важными факторами, определяющими прочность бумаги являются: межволоконные силы связи, зависящие от вели­чины связанной поверхности и от концентрации связей на еди­нице площади контакта, длина волокон и отношение длины воло­кон к его ширине, прочность волокон, их гибкость и эластичность, ориентация волокон и распределение связей в листе бумаги, т. е. ее однородность.

Относительное значение перечисленных выше факторов раз­лично для разных показателей прочности бумаги. Так, для сопро­тивления бумаги разрыву (разрывная длина) первостепенное зна­чение  имеют силы  связи и  прочность волокон, тогда  как длина волокна, как и гибкость и эластичность волокон, имеет меньшее значение. Наоборот, для сопротивления бумаги излому первосте­пенное значение имеет наряду с длиной волокна и его прочностью эластичность волокон, а силы связи между волокнами здесь не играют такой большой роли, так как при испытании на излом бумага не испытывает большого напряжения на растяжение] Для сопротивления раздиранию наибольшее значение имеет длин*"а во­локон и их прочность, значительного же развития сил связи для этого показателя не требуется, и максимальное значение сопротив­ления раздиранию бумаги достигается уже при относительно не­большой величине межволоконных сил связи. Наоборот, усиление связей за счет размола или введения связующего снижает сопро­тивление бумаги раздиранию, так как облегчает разрыв волокон в плотной структуре листа.

При всех видах разрушения бумаги рвутся не только связи между волокнами, но и сами волокна. Количественные соотноше­ния разрыва связей и разрыва волокон могут быть весьма различ­ными и зависят главным образом от развития сил связи: чем сла­бее силы связи, тем легче они разрушаются и меньше рвутся сами волокна и, наоборот, чем сильнее развиты межволоконные силы связи и длиннее волокна, тем больше рвутся волокна и меньше разрушаются связи между ними.

Показатели объемного веса бумаги, впитывающей способности и воздухопроницаемости зависят главным образом от сил связи между волокнами. Кривая изменения впитывающей способности бумаги в зависимости от степени помола целлюлозы является как бы обратным изображением кривой соответствующего развития межволоконных связей в бумаге. По мере того, как эти силы связи растут, волокна сближаются между собой, поры в бумаге умень­шаются, что и приводит к понижению впитывающей способности.

Зависимость деформации бумаги после увлажнения от степени помола исходной целлюлозы носит линейный характер: деформа­ция бумаги увеличивается с повышением степени помола целлю­лозы. На этот показатель, кроме сил связи, влияют и другие факторы: ориентация волокон, условия отлива и сушки бумаж­ного полотна и др.

Из приведенных данных видно, что процесс размола целлю­лозы оказывает большое влияние на все основные свойства гото­вой бумаги. Главными определяющими факторами при этом яв­ляются изменения размеров волокон и величины межволоконных связей в бумаге.

1.7. Технологические факторы, влияющие на процесс размола

К факторам, определяющим процесс размола волокнистых ма­териалов, его скорость, экономичность и направление или харак­тер размола, относятся : продолжительность размола; удельное давление при размоле; концентрация массы; вид размалывающей гарнитуры; окружная скорость размалывающих органов; кислот­ность и температура массы при размоле; свойства волокнистых материалов; влияние гидрофильных добавок.

Из этих факторов главными управляемыми факторами про­цесса являются первые два, т. е. время размола и удельное дав­ление при размоле. Концентрация массы является вспомогатель­ным управляемым фактором. Остальные факторы практически ос­таются постоянными, неуправляемыми.

1.8. Продолжительность размола

От этого фактора зависят степень помола массы, укорочение и расщепление волокон, а также развитие межволоконных сил связи. В роллах периодического действия размол массы чере­дуется с длительными перерывами, когда волокна проходят через обратный канал ванны ролла. Поэтому процесс размола растяги­вается на несколько часов, тогда как при размоле в аппаратах непрерывного действия он протекает значительно быстрее, за не­сколько секунд. Однако и при размоле массы в аппаратах непре­рывного действия время размола (или время пребывания массы непосредственно в аппарате) является не менее важным факто­ром, позволяющим регулировать процесс. Увеличение времени обработки материалов в аппаратах непрерывного действия обычно достигается путем дросселирования массы на выходе из размалы­вающего аппарата при помощи задвижки, увеличения коэффици­ента рециркуляции массы или путем установки нескольких аппа­ратов последовательно в одном потоке. Это будет изложено под­робнее в разделе о непрерывном размоле массы.

Продолжительность размола массы в роллах периодического действия зависит от требуемых параметров массы, от конструкции ролла и типа применяемой гарнитуры, от удельного давления при размоле, свойств самого волокнистого материала и некоторых Других технологических факторов. Она может колебаться в преде­лах от 0,5—1 ч при размоле целлюлозы для бумаги с садким по­молом до 18—24 ч при производстве тончайшей конденсаторной бумаги.

При увеличении продолжительности размола пропускная спо­собность любого размалывающего аппарата понижается, при этом между пропускной способностью и временем обработки наблю­дается обратно пропорциональная зависимость. Соответственно повышается эффект обработки: увеличивается степень помола массы, изменяется средняя длина волокна и повышается проч­ность бумаги.

1.9. Удельное давление при размоле

Удельное давление при размоле влияет на характер размола (направление процесса), его скорость и эффективность. Так, если при размоле какого-либо волокнистого материала постепенно по­вышать удельное давление от нуля до высокого значения, то вна­чале волокна будут только расчесываться, затем начнут расщеп­ляться, раздавливаться и, наконец, укорачиваться. При этом ре­жущее действие размалывающей гарнитуры будет возрастать, а гидратирующее и фибриллирующее—снижаться, в результате чего прочность бумаги на разрыв, раздирание и излом будет сни­жаться, а пухлость и пористость бумаги при одинаковой степени помола массы будут повышаться.

Удельное давление при размоле связано с величиной зазора между размалывающими поверхностями рабочей части аппарата. В роллах, имеющих весовое или поршневое присадочное устройство ролльного барабана, величина зазора является функцией удель­ного давления, концентрации массы и свойств волокна. Между ножами размалывающих органов образуется волокнистая про­слойка, толщина которой тем меньше, чем выше удельное давле­ние, ниже концентрация, выше степень помола массы.

При работе с постоянным давлением зазор между ножами ус­танавливается автоматически и определяется степенью сжатия волокнистой прослойки. При размоле, по мере того как волокна измельчаются, гидратируются и становятся более пластичными, величина зазора между размалывающими поверхностями аппа­рата постепенно уменьшается. При размоле в роллах старой кон­струкции, не имеющих весового устройства, когда ролльный ба­рабан жестко закреплен в определенном положении с помощью винтового присадочного устройства и сохраняет постоянный зазор между ножами, по мере измельчения волокна и изменения свойств волокнистой прослойки размалывающий эффект постепенно ос­лабевает. Поэтому в процессе размола массы применяют ступен­чатую присадку ролльного барабана.

Расстояние между ножами ролльного барабана при работе ролла обычно находится в пределах от 0 до 1 мм. Величина зазора при расчесе волокна составляет обычно 0,5—0,8 мм, при легком размоле, при котором волокна будут не только расчесываться, но и расщепляться по длине волокна,— в пределах   0,2—0,4 мм, при средней интенсивности процесса размола — 0,1—0,2 мм и при сильном размоле с высоким удельным давлением — меньше 0,1 мм. Иногда роллы снабжаются указателями величины зазора между ножами, однако, как показала практика, подобные уст­ройства обычно плохо работают, так как величина зазора очень мала и на показания прибора влияют: степень износа ножей, ве­личина люфта в подшипниках ролльного барабана и др.

Удельное давление при размоле в аппаратах, имеющих весо­вое или поршневое присадочное устройство, является более на­дежным показателем этого процесса.

Аппараты непрерывного действия обычно работают с постоян­ным зазором между размалывающими органами, поскольку ха­рактер волокнистой массы при размоле остается неизменным. Ко­нические мельницы Жордана работают с меньшей, а гидрофайнеры и дисковые рафинеры с большей величиной зазора (около 0,2—0,3 мм) между ножами.

Величину удельного давления при размоле массы выбирают с учетом требуемых параметров массы и свойств вырабатываемой бумаги, типа размалывающего аппарата и гарнитуры, а также прочности исходного волокна. Для интенсивного укорочения воло­кон при минимальной их гидратации применяют высокое удель­ное давление, для интенсивной фибрилляции и продольного рас­щепления волокон при высокой гидратации — относительно низкое удельное давление. Прочные волокнистые материалы (сульфатную небеленую целлюлозу и тряпичную полумассу) размалывают при более высоком давлении, чем менее прочные материалы (сульфитную целлюлозу). Коротковолокнистую целлюлозу из лиственной древесины и однолетних растений (соломы, тростника и др.), а также макулатуру размалывают при низком удельном давле­нии, чтобы не укорачивать волокон, а подвергать лишь легкому рафинирующему воздействию.

1.10.Размалывающая гарнитура

Размалывающая гарнитура аппаратов может быть металличе­ская, базальтовая и комбинированная (из первых двух).

Металлическая гарнитура может быть литой (цельноме­таллической) и наборной (из отдельных ножей). Первая харак­терна для гидрофайнеров и дисковых рафинеров, вторая — для роллов и конических мельниц Жордана.

Базальтовая гарнитура применяется в роллах, в кониче­ских и дисковых мельницах в тех случаях, когда требуется жир­ный помол массы.

Комбинированная гарнитура применяется в роллах и иногда в конических мельницах.

Тип размалывающей гарнитуры следует выбирать с учетом ха­рактера требуемого размола и свойств вырабатываемой бумаги. Металлическая гарнитура в отличие от базальтовой позволяет, изменяя удельное давление при размоле, получить массу с любыми свойствами. Однако процесс размола с использованием этой гар­нитуры не всегда экономичен. Металлическая гарнитура эффек­тивна в тех случаях, когда требуется укорочение волокна. Когда нужно расщепление или раздавливание волокон и получение хо­рошо гидратированной массы жирного помола, целесообразнее применять базальтовую гарнитуру. Базальтовая гарнитура непри­годна для укорачивания волокна при малом его ужирнении.

Применение комбинированной гарнитуры из базальта и метал­лических ножей расширяет возможности процесса размола.

 Эффективность работы роллов и конических мельниц с метал­лической гарнитурой и характер помола массы зависят от пра­вильного выбора толщины ножей. Тонкие ножи, толщиной 2—5 мм, применяют для садкого помола массы; средние по толщине ножи (6—8 мм) используют при выработке большинства массовых ви­дов бумаги; ножи толщиной 9—12 мм служат для получения массы жирного помола и в тех случаях, когда желательна гидра­тация волокон без существенного их укорочения.

 В роллах на планке обычно ставят ножи на 2—-3 мм тоньше, чем на барабане: ножи на барабане труднее менять, чем на план­ках. У конических мельниц толщина ножей на статоре и роторе обычно одинакова.

Литая гарнитура используется для гидрофайнеров и диско­вых рафинеров при рафинирующем размоле целлюлозы в первой ступени, перед размолом в конических мельницах Жордана. У гид­рофайнеров на роторе и статоре устанавливают ножи толщиной 10—16 мм, а у рафинеров более тонкие.

Ножи роллов, конических и дисковых мельниц с наборной гар­нитурой изготовляются из нержавеющей стали разных марок и твердости, углеродистой высококачественной стали и бронзы. Мюллер-Рид с соавторами  считают, что при размоле прочной сульфатной целлюлозы для лучшего укорочения волокон лучше всего применять ножи из твердой хромоникелевой стали (твердо­стью по Бринеллю 350—370 кгс/мм2). Такие ножи пригодны и для размола сульфитной небеленой целлюлозы. При размоле менее прочных волокнистых материалов и при желании получить менее укороченные волокна с большей степенью гидратации рекомен­дуется применять ножи из стали твердостью по Бринеллю 225— 275 кгс/мм2. Ножи из марганцовистой стали и фосфористой бронзы твердостью 180—220 кгс/мм2 применяются для рафинирующего и фибриллирующего размола при малом укорочении волокон.

Эти авторы придают очень большое значение микроструктуре материала ножей и считают, что размол массы можно значительно улучшить, создав надлежащую микроструктуру материала ножей. Чиаверина пришел к заключению, что для ускорения размола и повышения его эффективности следует применять пористые ножи. Ножи, изготовленные из пористого металла «Порал», по­зволяют получать при небольшом расходе энергии на размол массу низкой степени помола, но дающую очень прочную бумагу. Бухайер и Пижоль показали, что в дисковых рафинерах для рафинирующего размола волокна наиболее пригодна чугунная литая и базальтовая гарнитура, а для размола с укорочением во­локон— стальная. В обоих случаях достигается максимальная эффективность и экономичность процесса.

Из-за большой размалывающей поверхности, пористой струк­туры и наличия большого количества режущих кромок базаль­товая гарнитура создает значительное истирающее действие, и потому она весьма эффективна при жирном помоле массы. Приме­нение в роллах и конических мельницах Жордана ножей значи­тельной толщины для получения массы жирного помола нельзя признать целесообразным. Применять такие ножи рекомендуется в скоростных конических мельницах — гидрофайнерах, в которых действие гидратации усиливается эффектом гидроразмола вслед­ствие ударного действия гарнитуры при высоких скоростях вра­щения ротора. Наиболее рационален двухступенчатый размол, при котором гидратирующее действие достигается в одних аппа­ратах, а укорочение волокон до требуемых размеров — в других аппаратах, с тонкими ножами.

Для работы конических мельниц имеет значение не только материал гарнитуры и толщина ножей, но и конусность ротора, а также расположение ножей. При одиночном расположении но­жей с равными промежутками между ними достигается большее режущее действие ножей, а при групповом расположении повы­шается гидратация волокон. С увеличением конусности ротора конической мельницы уменьшается режущее действие аппарата.

Как показал В. Брехт, режущее действие ножей умень­шается при увеличении угла (в диапазоне от 0 до 40°) между но­жами ротора и статора размалывающих аппаратов, но при этом возрастает расход энергии на размол. Наиболее благоприятным углом между ножами барабана и планки у ролла он считает угол 6е. При таком расположении ножей ролл работает более ста­бильно, с меньшим шумом, исключается возможность западания и ударов ножей и вместе с тем достигается наиболее эффективная и экономичная работа аппарата.

1.11. Окружная скорость размалывающего органа

Окружная скорость размалывающего барабана роллов пери­одического действия составляет обычно 10—12 м/сек, скорость ротора конических мельниц Жордана (по среднему диаметру ро­тора) — в пределах 10—23 м/сек (у мельниц с интенсивным режу­щим действием 10—16 м/сек, а у мельниц с большим гидратирующим   действием    17—23   м/сек),  у   гидрофайнеров — в   пределах 25—33 м/сек, у дисковых рафинеров —в пределах 20—45 м/сек (по большому диаметру).

  Окружная скорость размалывающего аппарата обычно не ре­гулируется в процессе работы, однако часто возможна работа ко­нических и дисковых мельниц при разных скоростях; в зависимо­сти от назначения мельницы устанавливают электродвигатель с соответствующим числом оборотов.

С увеличением числа оборотов размалывающего органа при всех прочих равных условиях снижается режущее и повышается гидратирующее действие аппарата при размоле волокна. Это про­исходит, по-видимому, вследствие возрастания эффекта гидрораз­мола за счет ударного действия ножей о массу, а также ударов самой массы о стенки размалывающего аппарата, так как живая сила этих ударов возрастает пропорционально квадрату скорости. Наряду с этим возрастает и напряжение сдвига в зазоре между размалывающими органами аппарата, которое приводит к усилен­ной фибрилляции и гидратации волокна. По этой причине ско­ростные размалывающие аппараты,— гидрофайнеры и дисковые рафинеры,— снабженные к тому же и более толстыми ножами и работающие при более высокой концентрации массы, больше гидратируют и расчесывают волокна, а мельницы Жордана, ра­ботающие на меньших скоростях при меньшей концентрации массы и с более тонкими ножами, больше укорачивают волокно.

1.12.Кислотность массы

Изменение кислотности среды в пределах рН 5—8,5, при кото­ром обычно производится размол, не оказывает существенного влияния на скорость процесса размола и его эффективность. Уве­личение рН среды до 10—11 ускоряет процесс размола и позво­ляет снизить расход энергии на 15—20%, так как набухание во­локна повышается, однако целлюлоза при этом желтеет. Пожел­тение целлюлозы, как показал В. Гартнер, можно устранить введением в бумажную массу наряду со щелочью окислителей, например перекиси водорода, в количестве менее 1% от веса во­локна. По данным этого автора, расход едкого натра (для созда­ния рН массы 10—10,5) и окислителя экономически оправды­вается, так как стоимость сэкономленной энергии выше стоимости затрат на химикаты, а получаемая бумага обладает более высо­кой разрывной длиной (на 10%) и сопротивлением излому (на 25%).

1.13. Температура массы

Повышение температуры массы при размоле неблагоприятно отражается на этом процессе и на свойствах получаемой бумаги. Длительность размола увеличивается, волокна больше укорачи­ваются при размоле, а гидратация их снижается, что приводит к тому, что прочность бумаги из такой массы снижается, а пухлость, пористость и впитывающая способность бумаги повышаются. Эти свойства бумаги изменяются потому, что явления гидратации и набухания целлюлозного волокна носят экзотермический харак­тер. Чем ниже температура массы при размоле, тем сильнее набу­хают, гидратируются и фибриллируются волокна и тем больше увеличивается их пластичность. Понижение температуры массы способствует сокращению продол­жительности процесса размола и снижению расхода энергии при одновременном повышении механи­ческой   прочности   бумаги.

2. АППАРАТЫ РОУ. КОНИЧЕСКИЕ И ДИСКОВЫЕ

МЕЛЬНИЦЫ

2.1.Конические мельницы

Непрерывный размол бумажной массы находит в настоящее время все большее применение и вытесняет ролльный размол. Из большого количества различных размалывающих аппаратов непре­рывного действия наибольшее значение имеют конические мель­ницы и дисковые рафинеры. Кроме того, применяются роллы не­прерывного действия, мельницы Мордена, полуконические мель­ницы, супротонаторы и др.

Коническая мельница, изобретенная Иосифом Жорданом в 1848 г., длительное время использовалась лишь как подсобный размалывающий аппарат в дополнение к роллам и самостоятель­ного значения не имела. Она применялась для домалывания массы после роллов и для лучшего рафинирования волокна перед поступ­лением его на бумагоделательную машину.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5