高速纸机流浆箱的设计与发展

收稿日期:2000_11_15

作者简介:刘建安(1968-),男,讲师,博士生,主要从事造纸技术与工程研究.文章编号:1000_565X(2002)06_0076_05

高速纸机流浆箱的设计与发展

刘建安陈克复

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州510640)

摘要:流浆箱是造纸机的关键部件,随着纸机车速的提高及市场对于纸张质量越来越高的要求,流浆箱也不断地受到挑战.详细论述了高速纸机流浆箱的设计要点,概括了现代新型流浆箱的特点,并对流浆箱未来的发展作了展望.

关键词:高速纸机;流浆箱

中图分类号:TS734+.2文献标识码:A

流浆箱被誉为造纸机的/心脏0,是造纸机的关键部件,是连接/流送0与/成形0两部分的枢纽,也是造纸机上发展最快的部件之一.

在造纸中流浆箱的功能是把合乎要求的纸浆,按照造纸机成形部分的要求送到成形网上去,为纸幅的良好成形提供必要的前提.因而流浆箱必须做到:将浆料均匀地布向纸机方向;喷出的浆料要有一个均匀的速度剖面、均匀的浓度剖面和均匀的湍流剖面[1].

1流浆箱内的浆料流体力学

常用的造纸浆料浓度(w)是0.1%~1.0%,纤维长度一般为1~4mm,纤维长径比为30~200,小于1mm的微粒如细小纤维和填料对纤维悬浮体的特性影响不大.在这种浓度条件下,纤维有明显的絮聚成团倾向[2].为了使纤维均匀分散,常常需要使浆流内有一定程度的搅动和湍动.

高强微湍流是造纸中对造纸机流送部分的浆料(特别是在流浆箱中的浆料)所希望具有的流态.但是,过强的湍动却给消能带来困难,小尺度的湍动又对流浆箱整流元件的结构提出了更高的要求.另一方面,湍动与絮聚有一定的平衡关系.湍动能分散纤维但又给纤维创造交缠的机会,一旦湍动衰减下来,纤维又将交缠成网络及絮聚团.因此,在一般造纸机上网浓度的纤维悬浮液中,永远都会有絮聚物的存在.至于絮团的尺寸、密度,则取决于纤维网络的强度以及浆流湍动的程度.

在通常浓度条件下,若在1.5%的高浓度条件下纤维再絮聚的时间大约为10ms,而在0.5%的低浓度下,其再絮聚时间为50ms,这就意味着大部分的纸幅是在喷出浆流中的湍动消失之后才成形的.因此,流浆箱内浆流的湍动仅仅对成形区长度短的高速纸机的成形有大的影响,对于长网成形器以及成形较长的场合,其成形区所产生的搅动是决定纸幅成形好坏的主要因素,而此时存在于喷出浆流中的湍动仅仅对纸幅最初的成形有些影响.高强微湍动具有生存期很短的特点,故上网时机必须选择适度[1].

由于纤维网络具有一种会在流道中的元件上形成絮团(挂浆)的特性,特别是满流式流浆箱对挂浆是很敏感的,因此在设计流浆箱时,用于布浆和产生湍动的元件必须注意避免产生挂浆(附浆)现象.当流浆箱中挂浆并形成浆团后就很难再分散,并将最终引起纸幅断头.

2流浆箱的设计

根据浆料流送设备的流送原理,常用结构的流浆箱可以看作是由3个主要部分组成:(1)布浆器(纸料的分布装置);(2)堰池(纸料的匀整装置);

(3)堰板(上浆装置).

2.1布浆器的设计

华南理工大学学报(自然科学版)

第30卷第6期Journal of South China University of Technology Vol.30No.6 2002年6月(Natur al Scie nce Edition)June2002

高速纸机流浆箱大多采用从单侧进浆的锥形总管布浆,它也是至今为止布浆效果最好的布浆器.锥形布浆器通常是由过渡管、锥管和分布元件等主要部件组成.

2.1.1过渡管

锥形布浆器是侧向进浆的,锥管进口附近需使用弯头,有时候还需装设闸门.浆流通过急剧的弯头或闸门等部件时,会产生不稳定的二次流或发生流体与管壁分离的现象.如果这种不稳定的流态尚未消失之前就进入布浆器的锥管,势必影响浆流的分布效果.因此,必须较远地装设闸门和采用缓和的弯头,并使用一定长度的过渡管[3]或采用专门设计的较长的和变化和缓的由圆变成方的过渡管段,使浆流在进入锥管之前处于稳定的流动状态.过渡管的长度推荐采用6~8倍管径,流速应在1.8至2.6 m/s范围之内.

2.1.2锥管

锥管的形状可以是矩形、圆形或弓形,现在最常采用的锥管,是一个等宽单斜薄壁的锥形管道.锥管的管体是用2~5mm厚度的钢板制成,管表面焊有加强刚度防止变形的框架.

方锥管设计的关键是确定总管的断面形状和锥度.目前有几种不同的设计方法:直线锥形法、拜纳斯方程法和修正直线法[1].常采用拜纳斯方程法进行设计,但按拜纳斯公式设计的矩形锥管后壁是抛物线型,加工制造相当困难,故一般用直线连接抛物线的首末两点,然后用直线代替抛物线,以便于加工制造,但用直线又会造成沿管长的浆流压头的变化,对宽幅纸机误差较大,为了弥补这个不足,可以采用折线来近似代替抛物线,分段加工锥管的后壁.

为防止总管浆流中的纤维絮聚和沉降,总管进口截面的平均流速控制在1.3~ 4.5m#s-1(实际设计中多取2.6~ 3.1m#s-1).为了便于排孔并使总管始末端浆流的方向不变,采用等宽矩形锥管,进口处的/高宽比0为1B2~1B3[4].

等速锥形总管中的浆流并非等压流,故浆流不能沿纸机幅宽均匀布浆,其不均匀度达10%以上.等压锥形总管的设计必须考虑到总管中浆流的分岔压头损失、收缩压头损失及沿着整根锥管长度方向的摩擦损失,以消除浆流静压头沿总管长度降低的现象.为此可以采用减小总管锥度的办法来减小浆流的速度,从而增加浆流的静压头以弥补摩擦阻力所造成的压头损失.

支管与总管加速比i应大于1.5~ 3.总管流速的变化率

dV0

V0和孔流速的变化率

dV1

V1之比与加速比i的平方成正比.若i大于3时,

dV1

V1将等于

dV0

V0的1/9,若

dV0

V0的波动变化能控制在V0

的1/10以下,则

dV1

V1的变化率可降至约1/100,这对生产不会造成影响.当i=1.9~ 2.3时,孔喷出的浆料与总管约呈90b,即有利于浆料的转向.

锥管的小端设有回流,这可保证支管浆流压头的稳定与浆料的均匀分布,同时可以防止在锥管末端有死角,防止浆团聚集,排除气泡,起着自清洗作用.调节回流量可以为控制总管中流态的变化提供手段.回流量控制在15%以下,通常按5%~10%考虑.回浆送回冲浆池.

2.1.3分布元件

在高速流浆箱中通常选用孔板或管束把从总管来的浆料分成大量的小支流,以使浆料分布比较均匀,并且使它通过匀整后容易获得均一的浆流.

为了防止出口浆流混合不匀及孔口的挂浆和堵孔现象,孔板孔径常采用14~18mm.孔板用有机玻璃制成,与纸浆接触的表面应有很低的粗糙度.采用齿形孔板可解决纤维搭在入口处的问题.孔板的流速通常取3.5~5m/s,其加速比以1.5~2左右为宜.如流速过低容易产生挂浆堵孔,流速太高又会造成浆流速度分布不匀.管束式锥形布浆器有很高的布浆效能,布浆管束开孔面积较低,因而有很大的流阻,有利于浆流的分布.管内流速在最小与最大流量时应保持在1.5~ 4.5m/s的范围之内,管径通常为14~30mm.孔或管的长度必须使其能有效地把浆流转90b方向或至少大于3倍直径.

2.2堰池的设计

堰池的主要作用是接受从布浆器来的浆流并把浆流稳定成受控制的、小尺寸湍动的均一浆流.高速纸机流浆箱是利用固定组件来衰减高速浆流中的动能以形成一种稳定、均一的浆流,并通过固定元件所产生的适当的浆流湍动来分散纤维,这些元件可以结合在一起同时起匀整浆流和形成浆流湍动的作用.满流式流浆箱内充满纤维悬浮体,因此浆流能以比较高的速度通过箱体,并可利用减速、横截面积成台阶变化来改变浆流方向及利用壁板的剪切作用产生湍动.一般有三种基本原理可完成上述作用,它们分别是:喷嘴型、阶梯扩散型以及固定匀浆装置型[5].

2.2.1喷嘴型匀整装置

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