книги / Подготовка полуфабрикатов для получения бумаги

разрыва внутренних связей увеличивается количество воды, впитываемой волокном. Прочность единичного волокна снижается в процессе размола на 10–25 %.

аб

Рис. 2. Схема мостиковых связей между параллельными целлюлозными цепями: а – параллельные целлюлозные цепи, соединенные боковой связью через водородные мостики в сухих волокнах; б – параллельные целлюлозные цепи, соединенные молекулами воды через водяные мостики во влажной бумаге

В процессе производства бумаги при обезвоживании вода, удаляясь, притягивает волокна друг к другу вследствие действия сил поверхностного натяжения. При этом устанавливается между волокнами водородная связь (рис. 2).

5.3. Механизм размола

Волокна при размоле проходят в зазоре между неподвижными и вращающимися ножами. При этом на ведущей кромке ножа повисает пучок волокон (рис. 3).

В первый момент происходит отжим волокнистого материала до концентрации 30–60 % (исходная концентрация 2,5–3,5 %). При

21

дальнейшем движении ножа волокна испытывают механическое воздействие. В зависимости от прочности волокон и приложенной нагрузки могут быть получены различные результаты. Если нагрузка больше прочности волокна, то происходит его рубка, если меньше – то раздавливание и фибриллирование.

Рис. 3. Схема действия ножей ролла: а – укорочение волокон; б – расчес и расщепление волокон; в – образование волокнистой наслойки на кромках ножей

При дальнейшем продвижении ножа в волокнистой прослойке между ножами за счет трения возникают напряжения сдвига, она растягивается, уменьшается ее толщина. Усилие, прилагаемое к волокну, уменьшается. Нож ротора сходит с ножа статора, нагрузка снимается и волокно, частично восстанавливая свои размеры, всасывает воду. В пространствах между ножами происходит завихрение волокон, и они подвергаются гидродинамическому воздействию. Работа размола на 90 % приходится на кромку ножа (ширина ножа 2–3 мм). Удельное давление на кромках составляет 70–350 кг/см2. Продолжительность приложения нагрузки очень не-

велика и составляет 10–4–10–5 с, а промежуток между импульсами –

10–3 с.

22

5.4. Показатели процесса размола

Секундной режущей длиной называется режущая длина с учетом частоты вращения ротора размалывающего аппарата. Она показывает общую длину пересечения ножей ротора и статора за 1 с и косвенно характеризует количество одновременно обрабатываемых волокон.

Для наиболее распространенного вида гарнитуры (ширина ножей 3 мм, а канавки 4 мм) общую длину ножей можно приблизительно рассчитать по формуле

Lр = 0,346 D3,

где D диаметр размалывающей гарнитуры, м.

Секундная режущая длина Ls, м, определяется по формуле

Ls = n · Lp,

где n частота вращения ротора, с–1.

Удельная нагрузка на кромку ножей Вs (Дж м) характеризует работу, осуществляемую ножами ротора длиной в 1 м:

Βs Νобщ Νх.х 103 ,

nΖрΖсl

где Nобщ общая мощность, кВт; Nx.x мощность холостого хода (т.е. без волокна), кВт; Zp, Zс число ножей ротора и статора; l общая длина ножей, м.

Берется длина ножей, а не площадь, так как при размоле площадь практически не имеет значения.

Соотношение степени помола и длины волокна дает возмож-

ность судить о направлении процесса размола:

K gl ,

где K коэффициент ужирнения; g прирост степени помола; l уменьшение длины волокна.

23

При K 1,1 получается садкая масса; ее используют для получения впитывающих видов бумаги.

При K = 1,1…1,3 получается масса средней жирности; ее используют для получения массовых видов бумаги.

При K 1,3 получается жирная масса; ее используют для получения прочных, плотных видов бумаги.

5.5. Влияние размола на физико-механические свойства бумаги

Свойства изготовляемой бумаги зависят как от вида исходных волокон, так и от способов их обработки на всех стадиях производства бумаги. Процесс размола среди других процессов производства бумаги по праву считается едва ли не самым важным по своему влиянию на свойства бумаги.

Действительно, свойства бумажной массы, а следовательно,

исвойства готовой бумаги, оказываются резко различными при изменении условий размола одного и того же вида исходного волокнистого материала. Условия размола изменяются при использовании различного размалывающего оборудования, применении большего или меньшего удельного давления на размалываемый волокнистый материал, проведении размола при различной концентрации суспензии волокон, различных значениях рН среды, температуры массы

идругих переменных факторов процесса размола.

Тем не менее для размола целлюлозы из древесины хвойных пород могут быть представлены типичные графики развития основных свойств волокнистого материала в процессе размола исходных волокон. По данным С.Н. Иванова, типичное изменение основных свойств бумаги, изготовленной из хвойной целлюлозы, которая подвергалась размолу до различной степени помола, имеет вид зависимостей, представленных на рис. 4.

В бумажной промышленности принято сопротивление бумаги разрыву характеризовать не только показателем разрывного груза, но и разрывной длиной бумаги. Этот показатель является общепринятым в практике мировой бумажной промышленности.

24

В процессе размола показатели механической прочности бумаги сначала резко возрастают. Причем увеличение механической прочности происходит значительно быстрее, чем возрастание степени помола. Это, вероятно, объясняется тем, что около 50 % гемицеллюлоз расположены в наружном слое клеточной стенки и легко образуют прочные связи между волокнами.

Рис. 4. Зависимость основных свойств бумаги от степени помола массы: 1 – силы связи между волокнами; 2 – разрывная длина; 3 – сопротивление излому; 4 – сопротивление раздиранию; 5 – средняя длина волокон; 6 – впитывающая способность; 7 – воздухопроницаемость; 8 – деформация при увлажнении

На рис. 4 видно, что с увеличением степени помола силы межволоконной связи увеличиваются, что объясняется повышением удельной поверхности волокон, однако при этом происходит уменьшение средней длины волокон. Поэтому на физикомеханические показатели бумаги влияют факторы, которые противоположно направлены: одни увеличивают прочность бумаги, другие уменьшают.

25

На первой стадии размола связи между волокнами растут быстрее, чем уменьшается их длина, поэтому все механические показатели увеличиваются. Перегиб кривых наступает тогда, когда силы межволоконных связей не могут компенсировать уменьшение прочности за счет снижения средней длины волокон.

Разрывная длина достигает максимума при 70–80 °ШР, сопротивление излому – при 50–60 °ШР, сопротивление раздиранию – при 20–30 °ШР. Следовательно, первый показатель зависит в основном от межволоконных сил связи, второй менее зависим от них, а третий зависит от длины волокна и его прочности. Положение точек перегиба на кривых прочности бумаги зависит от условий размола; чем выше степень фибриллирования волокна и меньше его укорочение, тем точки перегиба смещаются правее и снижение кривых идет медленнее.

При размоле лиственной целлюлозы характер указанных закономерностей в целом сохраняется, но изменяются абсолютные значения величин. Например, максимальное значение для разрывной длины бумаги из лиственной целлюлозы соответствует примерно 50 °ШР, а для бумаги из хвойной целлюлозы – свыше 60 °ШР.

Впитывающая способность и воздухопроницаемость в процессе размола снижаются, так как улучшается структура бумаги и уменьшается ее пористость. Деформация бумаги при увлажнении с ростом степени помола увеличивается.

Из приведенных данных следует, что степень помола массы должна быть такой, чтобы показатели качества бумаги, определяющие ее основные свойства, были максимальными, т.е. одни виды бумаги должны изготавливаться из массы высокой степени помола, другие – из низкой.

5.6. Факторы, влияющие на процесс размола целлюлозы

Размол полуфабрикатов производят в специальных аппаратах – роллах, конических и дисковых мельницах.

В зависимости от назначения изготовляемого вида бумаги размалываемая бумажная масса должна иметь определенный состав по

26

длине волокон, хорошо или слабо фибриллированных, и определенную степень помола, выражаемую в градусах Шоппера–Риглера.

Для получения массы нужного качества и к тому же наиболее эффективным способом, т.е. с наименьшей затратой электроэнергии, технолог-бумажник должен умело пользоваться переменными факторами процесса размола. Эти факторы связаны либо с технологическим режимом процесса размола, либо с используемым размольным оборудованием.

Как правило, в руках технолога-бумажника эффективным методом воздействия на процесс размола являются переменные факторы, оказывающие влияние на технологический режим процесса. Факторы же, связанные с размольным оборудованием, технологом фактически либо совсем не управляемы, либо управляемы в малой степени, поскольку технолог стоит перед необходимостью использования уже установленного на фабрике оборудования.

Для правильной организации размола необходимо знать влияние на его конечный результат технологических факторов. К ним относятся: продолжительность размола, удельное давление, концентрация массы, тип размалывающей гарнитуры, окружная скорость ротора, кислотность массы, температура массы, вид волокнистого полуфабриката, наличие химических добавок, ускоряющих размол.

1. Продолжительность размола – переменный фактор, харак-

теризующий время воздействия размалывающего аппарата на размалываемые волокна и определяющий степень разработки волокон (изменения их длины, степени фибриллирования и пр.) и, следовательно, качество бумажной массы и готовой продукции. Очевидно, что время активного воздействия размалывающего аппарата на размалываемые волокна должно зависеть от конструкции и условий работы аппарата. В аппаратах периодического действия (роллах) продолжительность размола составляет от 0,5 до 24 ч в зависимости от требуемого качества бумажной массы. При этом меньшее время требуется для получения массы садкого помола и большее время – для массы жирного помола.

Продолжительность размола волокон в современных размалывающих аппаратах непрерывного действия в зависимости от кон-

27

струкции аппарата и его производительности составляет от десятых долей секунды до нескольких секунд.

Продолжительность размола в аппаратах непрерывного действия регулируется дросселированием массы на выходе, рециркуляцией массы на бассейн, рециркуляцией массы на насос, включением мельниц параллельно или последовательно (рис. 5).

Рис. 5. Схемы включения мельниц: 1 – последовательное включение мельниц с дросселированием; 2 – параллельное включение мельниц с дросселированием; 3 – последовательное включение с рециркуляцией; 4 – приемный бассейн; 5 – дисковые мельницы; 6 – бассейн размолотой целлюлозы; 7 – задвижки; 8 – насосы

С увеличением времени размола волокон в аппарате увеличивается степень помола массы, но снижается производительность размалывающего аппарата.

Практика показала, что в строго одинаковых условиях размола сульфитная целлюлоза размалывается быстрее, чем сульфатная из того же вида древесины, а лиственная целлюлоза – быстрее, чем хвойная. По скорости размола различные виды целлюлозы располагаются в следующем порядке: тополевая, осиновая, березовая, еловая. Целлюлоза из молодой древесины лиственных пород быстрее размалывается, чем из древесины старшего возраста, но труднее обезвоживается.

28

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

Удельное давление при размоле выбирается в зависимости от прочности исходного волокнистого материала, а также от требуемых степени помола и длины волокна.

По мере увеличения давления волокна сначала будут расчесываться, затем расщепляться, раздавливаться и, наконец, укорачиваться. При этом режущее действие гарнитуры будет возрастать,

агидратирующее и фибриллирующее снижаться. В результате прочность бумаги уменьшается, а пористость и пухлость возрастает.

Фактор давления находится в обратной зависимости от зазора между ножами и концентрации массы. Зазор между ножами обусловлен многими факторами и обычно составляет, мм: 0,8–1,5 – при роспуске волокнистого материала на отдельные волокна; 0,4–0,8 – при легком фибриллировании; 0,2–0,4 – при более интенсивном расчесывании и расщеплении волокон; 0,1 и меньше – при сильном размоле с рубкой волокон и получением массы садкого помола.

Присадку ротора производят по величине нагрузки на электродвигателе мельницы.

3.Концентрация массы при размоле выбирается соответственно типу используемого размалывающего оборудования и желаемому характеру помола массы.

Концентрация массы при размоле в роллах – 4–6 %, в конических мельницах – 3–3,5 %, в дисковых мельницах – 3–4 % и при высоких концентрациях (15–20 %). Для получения бумаги с меньшим укорочением волокна необходимо поддерживать более высокую концентрацию. Так, для жиронепроницаемой бумаги концентрация массы 6–7 %, для впитывающей – 2,5–3,5 %. Понижение концентрации приводит к уменьшению волокнистой прослойки между ножами и волокна подвергаются большему режущему воздействию.

Таким образом, снижение концентрации приводит к тому же эффекту, что и увеличение удельного давления.

29

Существует процесс размола при высокой концентрации массы. Размол ведется в дисковых мельницах со шнековым питателем. Практически применяют комбинированный двухступенчатый размол. На первой ступени применяется размол при высокой концентрации (15–25 %). При этом степень помола увеличивается незначительно (на 2–3 °ШР). На второй ступени – размол при обычной концентрации до требуемой степени помола массы.

В процессе размола при высокой концентрации поддерживается большой зазор между ножами мельницы (1–3 мм). В таких условиях ножи непосредственно не воздействуют на основную массу волокон. Волокна интенсивно трутся друг о друга, в результате чего удаляется первичная стенка, волокна набухают, пластифицируются и фибриллируются без укорочения. Удельная поверхность волокна увеличивается на 30–50 %. Комбинированный размол обеспечивает возрастание показателей механической прочности, особенно сопротивления раздиранию и растяжимости. Эти показатели особенно важны для мешочной бумаги. Получение запаса прочности позволяет снизить массу 1 м2 бумаги. Кроме того, масса, размолотая при высокой концентрации, лучше обезвоживается.

4. Тип размалывающей гарнитуры – материал и ширина разма-

лывающих ножей, а также расположение ножей в размалывающей гарнитуре, включая шаг между ножами ротора и статора, угол наклона ножей и глубину канавок между ножами.

Размалывающая гарнитура может быть металлической (высокие марки стали и чугуна, фосфористая бронза), базальтовой и комбинированной из базальта и металла. Meталлическая гарнитура может быть литой и наборной (у конических мельниц). У дисковых мельниц сегменты дисков изготавливаются либо литьем, либо фрезерованием.

Тип размалывающей гарнитуры выбирают в зависимости от характера размола и свойств бумаги. Базальтовая гарнитура целесообразна для получения жирной, хорошо гидратированной массы.

Металлическая гарнитура, в особенности при наличии узких ножей, больше способствует укорочению волокон, чем не-

30