docRozwój konstrukcyjny dwusitowych urządzeń formujących
download 
Reklamacja Transkrypt
Rozwój konstrukcyjny dwusitowych urządzeń formujących
MASZYNY I URZĄDZENIA Rozwój konstrukcyjny dwusitowych urządzeń formujących Development in Construction of Twin Wire Formers MARIUSZ RECZULSKI Formowanie między dwoma sitami, w porównaniu z formowaniem wstęgi papieru na maszynie płaskositowej, zapewnia lepsze odwodnienie i formowanie wstęgi. Jest to spowodowane usuwaniem wody ze wstęgi w obu kierunkach prostopadłych do niej. We wszystkich dwusitowych urządzeniach formujących strumień masy wypływający z dyszy wypływowej wlewu trafia pomiędzy dwa sita. W urządzeniu z listwami formująco-odwadniającymi często zdarza się, że strumień masy pada na jedno sito i dopiero później dostaje się między dwa sita. Sita wraz ze wstęgą biegną wzdłuż szeregu listew formującoodwadniających, umieszczonych na wyprofilowanych elementach. Odpowiedni naciąg sit oraz ich lokalne odkształcenia, spowodowane listwami regulacyjnymi, powodują powstawanie pulsacji ciśnienia i występowanie sił tnących, potrzebnych do deflokulacji masy podczas formowania, oraz sił powodujących początkowe odwadnianie. W dwusitowym urządzeniu formującym z walcem formującym oba sita wraz ze wstęgą biegną wzdłuż obwodu walca, przy określonym kącie jego opasania. Siłą napędową odwadniania wstęgi w tym przypadku jest odpowiedni naciąg sit, średnica walca formującego oraz podciśnienie. Formowanie za pomocą stopki formującej posiada wiele zalet w porównaniu z formowaniem listwami formująco-odwadniającymi czy formowaniem z walcem formującym. Ten sposób formowania i odwadniania wstęgi łączy w sobie najlepsze rozwiązania z poprzednich urządzeń dwusitowych. Można w nim zauważyć podobny sposób początkowego odwadniania, jaki występuje w dwusitowych urządzeniach formujących z walcem formującym. Stopka formująca nie zapewnia jednak pulsacyjnych zmian ciśnienia w kierunku maszynowym, czy też stałego – ciągłego ciśnienia, jak w przypadku formowania na walcu formującym. Zmienia się ono w kierunku biegu wstęgi. Słowa kluczowe: dwusitowe urządzenia formujące, listwy formującoodwadniające, walec formujący, stopka formująca Compared with web forming on a flatbed machine, forming between two wires gives better dewatering and forming properties. It is caused by water removal from the web in both directions perpendicular to the web. In all the twin wire machines, stock stream flowing out of a discharging nozzle of a headbox runs between two wires. In the machine with forming and dewatering plates, it often happens that the stock stream falls down on one wire and later comes between two wires. The wires with the web run along several forming and dewatering plates placed on profiled elements. Proper tension of the wires and their local deformations caused by the regulation plates cause pressure pulsation and shearing forces required for stock defloculation during forming and forces causing initial dewatering. In the twin wire former with a forming roll, both wires with the web run along the roll perimeter with a specific wrapping angle. In this case, a driving force is connected with proper wire tension, diameter of the forming roll and vacuum pressure. Forming with a forming foot has many advantages when compared to forming with the forming and dewatering plates or with the forming roll. This method for web forming and dewatering combines the best solutions of previous twin wire formers. They are characterized by similar concept of initial dewatering as in the twin wire formers with the forming roll. However, the forming foot does not guarantee pulsation changes in pressure in machine direction or constant continuous pressure as in case of forming on the forming roll. It changes in the web run direction. Keywords: twin wire former, forming and dewatering plates, forming roll, forming foot Formowanie listwami formująco-odwadniającymi Dwusitowe urządzenia formujące z listwami formująco-odwadniającymi po raz pierwszy opracowano w firmach Beloit i Black Clawson w 1960 r. (wg Normana) (1). W formerze Beloit Bel Baie ułożenie listew w kierunku maszynowym nie było w linii prostej jak w wielu stosowanych konstrukcjach. Były one zamontowane na obwodzie specjalnie wyprofilowanego w kształcie łuku elementu, który miał promień znacznie większy niż konwencjonalny walec formujący. Na tak umieszczonych listwach były zawinięte sita, przez co układ odpowiadał formowaniu na walcu formującym o bardzo dużym promieniu. Proces formowania i odwadniania w formerach z listwami formująco – odwadniającymi (rys. 1) odbywa się w wyniku lokalnego Rys. 1. Dwusitowe urządzenie formujące z listwami formująco-odwadniającymi Rys. 2. Regulacja siły docisku listew do sita Dr inż. M. Reczulski, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, Zakład Maszyn Papierniczych i Płytowych, ul. Wólczańska 223, 90-924 Łódź PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · PAŹDZIERNIK 2012 601 MASZYNY I URZĄDZENIA odkształcenie listew regulacyjnych (formujących) w kierunku prostopadłym do kierunku biegu wstęgi i wstępnego napięcia sit (około 5-10 kN/m) (2). Regulacja siły docisku listew do sita odbywa się za pomocą układu pneumatycznego (rys. 2). Kąt pochylenia obu sit względem siebie, w dwusitowych urządzeniach formujących z listwami formująco-odwadniającymi, jest nieduży i zdarza się, że strumień masy z dyszy wypływowej wlewu pada na jedno sito i dopiero później wchodzi pomiędzy sita, co wpływa negatywnie na jakość formowanej wstęgi. W zależności od konstrukcji dwusitowych urządzeń formujących, listwy formująco-odwadniające mogą być umieszczone naprzeciw siebie (rys. 3) lub naprzeciw siebie przemiennie (rys. 4). Formowanie wstęgi za pomocą listew umieszczonych naprzeciw siebie uważa się za gorsze w porównaniu z konstrukcją z listwami umieszczonymi naprzeciw siebie przemiennie, ponieważ pogarsza jakość formowanej wstęgi i powoduje problemy z jej odwadnianiem (2). pęczków włókien we wstędze, która przemieszczając się przez serię listew podczas formowania, narażona jest wielokrotnie na obszar wysokiego ciśnienia (impulsy ciśnienia). Wg Zhao, Kerekes’a i Zahrai (3-5) wartość impulsów ciśnienia podczas formowania na listwach może wynosić 25 kPa lub więcej. Z tego powodu takie formowanie charakteryzuje się niską retencją frakcji drobnej. Pojawiające się impulsy ciśnienia, w odległości zależnej od rozstawu listew, powodują duże gradienty ciśnienia we wstędze podczas jej formowania (rys. 5). Wywołują mikroburzliwość we wstędze i przyczyniają się do dobrego jej formowania. Rys. 5. Profil ciśnienia powstały podczas formowania za pomocą listew Rys. 3. Układ formowania z listwami formująco-odwadniającymi naprzeciw siebie Rys. 4. Układ formowania z listwami formująco-odwadniającymi naprzeciw siebie przemiennie Fragment układu formowania z listwami umieszczonymi naprzeciw siebie przemiennie pokazano na rysunku 4. Kiedy sita wraz ze wstęgą poruszają się po linii prostej (rys. 4 a), dotykając tylko listew, to ciśnienie na powierzchni zawiesiny jest takie samo jak ciśnienie otoczenia (na zewnątrz sit). Po przesunięciu dolnej – regulowanej listwy ku górze i odkształceniu sita dolnego (rys. 4 b) zmniejszy się w tym miejscu pole przekroju zawiesiny. To spowoduje, że wstęga będzie napierała na górne sito i odkształci je, aby stworzyć sobie większe pole przekroju (rys. 4 c). Zmiana pola przekroju w strumieniu zawiesiny w kierunku maszynowym przyczynia się do lokalnego wzrostu ciśnienia powodującego odwodnienie wstęgi. Poprzez miejscowe ugięcia sit wzrastają również siły tnące w zawiesinie, powodujące rozbijanie 602 Formowanie na walcu formującym Dwusitowe urządzenia formujące z walcem formującym (rys. 6) wykazują lepszą płynność ruchową i lepszą retencję frakcji drobnej w porównaniu z układem listwowym. Pierwsze walce formujące projektowano o bardzo dużym kącie opasania sitem ich powierzchni. Odwadnianie wstęgi w tym przypadku było intensywne, natomiast jakość formowania była zazwyczaj słaba. Now- Rys. 6. Dwusitowe urządzenie forsze walce formujące posiadają mujące z walcem formującym mniejszy kąt opasania i często dodatkowe zespoły listew formująco-odwadniających, usytuowanych bezpośrednio za walcem formującym. Zespoły listew, na ogół umieszczone naprzeciw siebie przemiennie, przejmują częściowo zadania odwadniania i formowania wstęgi od walca formującego. W ten sposób można uzyskać lepszą jakość procesu formowania. Łagodne formowanie wstęgi na walcu formującym powoduje wysoką retencję frakcji drobnej i dodatków masowych. Przy wyższych gradientach ciśnienia, jakie występują w urządzeniach z listwami, większość frakcji drobnej przechodzi przez sito i zostaje usunięta wraz z wodą podsitową. Stałe ciśnienie działające na wstęgę włóknistą podczas formowania na walcu (rys. 7) powoduje ciągłe odkształcenie (ugięcie) sit. W związku z tym, podczas formowania wstęgi na walcu formującym powstają niewielkie siły tnące w zawiesinie, PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · PAŹDZIERNIK 2012 MASZYNY I URZĄDZENIA co powoduje gorsze formowanie w porównaniu z formerami z listwami. Ciśnienie zależy w głównej mierze od promienia walca formującego (1). Rys. 7. Profil ciśnienia powstały podczas formowania za pomocą walca Współczesne dwusitowe urządzenia formujące z walcem formującym i dodatkowymi zespołami listew formująco-odwadniających są nadal uważane za dwusitowe urządzenia formujące z walcem formującym, ze względu na ich początkowe miejsce styku strumienia masy. Z punktu widzenia zużycia energii, dwusitowe urządzenia formujące z walcem formującym są droższe w eksploatacji w porównaniu z urządzeniami z listwami. Wynika to z konieczności stosowania podciśnienia w walcu. Jednakże wykazują one małą czułość na uderzenie strumienia w szczelinę między sita, ze względu na duży kąt pochylenia obu sit względem siebie. Fazy odwadniania na walcu formującym Proces odwadniania masy włóknistej na walcu formującym można podzielić na trzy odrębne fazy (rys. 8) (6). W drugiej fazie woda ze wstęgi jest usuwana w obu kierunkach: przez zewnętrzne sito za pomocą sił odśrodkowych i naciągu sita oraz przez sito wewnętrzne za pomocą wytwarzanego podciśnienia w walcu formującym. Szybkość odwadniania w tej fazie jest znacznie mniejsza niż na początku, z powodu rosnących oporów przepływu wody przez strukturę włóknistą. Trzecia faza rozpoczyna się w chwili, gdy wewnętrzne sito oddziela się od powierzchni walca. W tej fazie siłą napędową odwadniania jest podciśnienie powstałe w szczelinie tworzącej się przy oddzielaniu się sita wewnętrznego od powierzchni walca. Wówczas odwodnienie masy następuje poprzez sito wewnętrzne. Cała woda usuwana ze wstęgi poprzez sito wewnętrzne w pierwszej i drugiej fazie odwadniania trafia do walca formującego. W trzeciej fazie odwadniania, kiedy sito jest oddzielone od powierzchni walca, woda z otworów wypychana jest siłą odśrodkową. Wpływ kąta opasania walca formującego sitem na odwadnianie wstęgi Bardzo duży wpływ na proces odwadniania wstęgi w części sitowej ma jej gramatura. Opory podczas usuwania wody ze struktury włóknistej zależą w głównej mierze od jej przepuszczalności i grubości. W strukturze włóknistej wstęgi o niskiej gramaturze opory podczas usuwania wody są niewielkie ze względu na krótką drogę, jaką musi przebyć woda, aby opuścić wstęgę (mała grubość). Wpływ kąta opasania walca na udział procentowy usuniętej na nim wody ze wstęgi podczas procesu formowania pokazano na rysunku 9. Założono, że w strumieniu masy wypływającej z dyszy wlewu jest 100% wody. Jak można zauważyć, wraz ze wzrostem kąta opasania udział procentowy usuniętej na walcu wody wzrasta. Optymalnym kątem opasania sitami na walcu formującym dla różnych gramatur jest zakres 90–110° (6). Powyżej tego zakresu nie następuje poprawa w odwadnianiu wstęgi. Rys. 8. Proces odwadniania na walcu formującym W pierwszej fazie następuje początkowe odwadnianie masy w miejscu padania jej strumienia. Główną siłą napędową tego procesu jest energia kinetyczna pochodząca od strumienia masy. W tej fazie następuje nie tylko przepływ wody przez sito zewnętrzne, ale również woda wpływa przez wewnętrzne sito do otworów na powierzchni walca. Rys. 9. Wpływ kąta opasania walca formującego na udział procentowy wody usuniętej ze wstęgi PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · PAŹDZIERNIK 2012 603 MASZYNY I URZĄDZENIA Szybkość odwadniania na walcu formującym można skutecznie kontrolować za pomocą kąta opasania. Konstrukcja walca zależy głównie od rodzaju produkowanego papieru i jego gramatur y. Walec formujący o małym kącie opasania, odwadniający wstęgę Rys. 10. Regulacja kąta opasania poo dużej gramaturze, może wierzchni walca sitami przyczynić się do pogorszenia właściwości wytrzymałościowych papieru. Kąt opasania powierzchni walca sitami, można regulować m.in. przez zmianę położenia wlewu, co pokazano na rysunku 10. Wpływ prędkości maszyny na odwadnianie wstęgi w części sitowej Wraz ze wzrostem prędkości maszyny maleje czas na usunięcie wody ze wstęgi na walcu formującym. Maleje również siła odwadniania wstęgi skierowana do walca, a wzrasta siła odśrodkowa. Analogicznie, wzrost prędkości maszyny powinien wymusić wzrost kąta opasania, aby wydłużyć czas odwodnienia wstęgi na walcu formującym. Jednakże zwiększenie kąta opasania nie wpływa na poprawę odwadniania wstęgi, co pokazano na rysunkach 11 i 12. Aby osiągnąć wstęgę o wysokiej retencji, podczas formowania stosuje się dwusitowe urządzenia formujące łączące walec formujący z listwami formująco-odwadniającymi (rys. 13). Rys. 13. Dwusitowe urządzenie formujące z walcem formującym i zespołem listew formująco-odwadniających W ten sposób odwadnianie wstęgi odbywa się w dwóch etapach. Początkowo na walcu formującym, aby uzyskać dobrą retencję frakcji drobnej, a następnie za pomocą listew, które sprzyjają dobremu formowaniu. Dwusitowe urządzenie formujące ze stopką formującą Rys. 11. Wpływ kąta opasania walca formującego na udział procentowy wody usuniętej ze wstęgi dla różnych prędkości maszyny Przykładem połączenia najlepszych warunków formowania i odwadniania wstęgi włóknistej w opisanych powyżej urządzeniach dwusitowych (z listwami formująco – odwadniającymi, z walcem formującym) jest dwusitowe urządzenie formujące ze stopką formującą. W związku z tym, że profil ciśnienia podczas formowania na stopce formującej nie jest pulsacyjny, retencja frakcji drobnej jest znacznie wyższa niż w formowaniu z listwami. W stopce formującej nie występuje stały poziom ciśnienia podczas formowania w kierunku maszynowym, jaki ma miejsce przy stosowaniu walca formującego. Stałe ciśnienie powoduje powstanie niewielkich sił tnących, a w rezultacie – gorsze formowanie. Użycie stopki o odpowiednim kształcie i wymiarach dla poszczególnych faz procesu umożliwia uzyskanie stabilizacji zawiesiny i większych sił tnących we wstędze, co polepsza jakość formowania wstęgi papieru. W dwusitowym urządzeniu formującym ze stopką for- Rys. 12. Wpływ kąta opasania walca formującego na udział procentowy wody usuniętej ze wstęgi dla różnych prędkości maszyny Rys. 14. Zjawisko oddzielania się sit ze wstęgą od powierzchni walca formującego 604 PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · PAŹDZIERNIK 2012 MASZYNY I URZĄDZENIA mującą nie występuje problem z oddzielaniem się sit ze wstęgą od powierzchni stopki, co ma miejsce w urządzeniach z walcem formującym (rys. 14) (7). Kiedy sita ze wstęgą oddzielają się od powierzchni walca powstaje podciśnienie, które może odciągnąć dolne sito od górnego. Taki problem nie występuje w urządzeniach ze stopką formującą. Odpowiednia geometria stopki oraz odpowiedni kąt opasania przyczyniają się do lepszego prowadzenia wstęgi i wyeliminowania zjawiska odciągania sita. Podczas projektowania średnica walca formującego dobierana jest w taki sposób, aby jego ugięcie na długości mieściło się w zakresie określonym w normach. Wartość ugięcia walca formującego jest zależna od konstrukcji i sztywności struktury nośnej. W przypadku projektowania stopki formującej takiego problemu nie ma. Kształt stopki formującej może być różny. Najczęściej stosuje się stopkę formującą z dużym promieniem początkowym, większym niż w walcu formującym, aby zapewnić niskie ciśnienie i nieznaczną szybkość odwadniania w celu zwiększenia retencji frakcji drobnej. Szybkość odwadniania przy stałym ciśnieniu podczas formowania jest odwrotnie proporcjonalna do promienia krzywizny stopki. Po odcinku stabilizacji zawiesiny następuje znaczne zmniejszenie promienia krzywizny stopki. Dzięki temu wzrasta ciśnienie i siły tnące we wstędze, co jest niemożliwe przy stosowaniu walca formującego. Polepszają się warunki formowania, bez zbędnych pulsacji ciśnienia i wzrasta retencja frakcji drobnej (1). Przykład profilu ciśnienia wytwarzanego przez stopkę formującą pokazano na rysunku 15. Rys. 16. Schemat formowania z użyciem stopki formującej Dwusitowe urządzenie formujące ze stopką formującą łączy się z pakietem listew formująco-odwadniających w celu dalszego odwadniania i formowania wstęgi. W ten sposób można uzyskać wstęgę dobrze uformowaną i o dobrej retencji. Wnioski W dwusitowych urządzeniach formujących z walcem formującym oraz stopką formującą można uzyskać dobrą retencję frakcji drobnej, ponieważ zarówno w jednym, jak i w drugim przypadku nie występuje formowanie pulsacyjne. Ma to duże znaczenie przy produkcji papierów z dodatkiem włókien wtórnych, gdyż dobra retencja frakcji drobnej polepsza właściwości wytrzymałościowe wstęgi. Zaletą dwusitowych urządzeń formujących z listwami formująco-odwadniającymi jest dobre uformowanie wstęgi włóknistej za pomocą impulsów ciśnienia, które rozbijają w niej pęczki włókien. Aby osiągnąć wstęgę o wysokiej retencji frakcji drobnej i dobrze uformowaną, stosuje się urządzenia łączące walec formujący lub stopkę formującą z listwami formująco-odwadniającymi. Stopka dociskowa jest elementem, w którym profil ciśnienia może się zmieniać w czasie procesu formowania wzdłuż biegu wstęgi. To powoduje dużą retencję frakcji drobnej we wstędze oraz rozbijanie w niej pęczków włókien. Literatura Rys. 15. Profil ciśnienia powstały podczas formowania za pomocą walca formującego i stopki formującej Formowanie z użyciem stopki formującej powoduje bardzo dobrą płynność ruchową. Kąt pochylenia obu sit względem siebie jest dość duży, w związku z tym uderzenie strumienia w szczelinę między sita jest mniej delikatne (podobnie w dwusitowych urządzeniach formujących z walcem formującym) (7). Ilość wody usuwanej ze wstęgi za pomocą stopki formującej może być regulowana nie tylko za pomocą zmiany promienia powierzchni pracującej, ale również za pomocą wytwarzanego podciśnienia w skrzynce ssącej (rys. 16). Powierzchnia profilowana stopki ma odpowiednią perforację. W celu kontroli początkowego okresu procesu odwadniania i formowania zawiesiny stopka formująca może być podzielona na kilka stref o różnych podciśnieniach. 1. Wildfong V.J., Shands J.A., Ronning J.A., Condon M., Jong J.H.: “Evaluation of Gap Forming Rebuild Options: Part II”, Development and Application of the Shoeblade Former and Engineered Shear Management Concepts, 2008 PAPERCON Conference. 2. Holmqvist C.: “Mechanical Modelling of Blade Forming and Drainage of Flocculated Suspensions”, praca doktorska, Royal Institute of Technology Department of Mechanics, Stockholm, marzec 2005. 3. Zahrai S., Bark F.: “On the fluid mechanics of twin wire blade forming in paper machines”, Nordic Pulp Paper Res. 10, 4, 245–252 (1995). 4. Zhao R., Kerekes R.: “Pressure distribution between forming fabrics in blade gap formers: Thin blades”, Pulp Paper Sci. 21, 3, 97–103 (1995). 5. Zhao R., Kerekes R.: “The effect of consistency on pressure pulses in blade gap formers”, Paperi Puu – Paper and Timber 78, 1–2, 36–38 (1996). 6. Swietlik F., Muhonen J., Puurtinen A., Turpeinen H., Virkkunen T.: “New Insights into Gap Forming of Lightweight Containerboard”, PaperCon Conference 2011. 7. Norman, B., Hermansson, L., Söderberg, D.: “The new STFIformer”, PulPaper Conference, 17-21, FAPET, Helsinki (2007). PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · PAŹDZIERNIK 2012 Artykuł recenzowany 605
