Размольно-подготовительный отдел фабрики по производству бумаги

СанктПетербургский колледж

ДИПЛОМ

Тема: Размольноподготовительный отдел

фабрики по производству бумаги глубокой печати

Исполнитель — студентка V курса

Руководитель_____________________

г. С.- Петербург

1.Теория размола

Общие сведения

Теория процесса размола

1.3.Природа межволоконных сил связи и их формирование

1.4.Контроль за процессом размола

1.5.Направление процесса размола

1.6. Влияние размола на свойства бумаги

1.7. Технологические факторы, влияющие на процесс размола

1.8. Продолжительность размола

1.9. Удельное давление при размоле

1.10.Размалывающая гарнитура

1.11. Окружная скорость размалывающего органа

1.12.Кислотность массы

1.13. Температура массы

2. Аппараты РОУ, конические и дисковые мельницы

2.1.Конические мельницы

2.2. Схемы установок и работа конических мельниц

2.3.Мельница Мордена

2.4. Дисковые рафинеры

3. Расчётная часть

3.1. Выбор композиции вырабатываемой продукции и основного агрегата

проектируемого объекта

3.2. Выбор оборудования для размола полуфабрикатов

3.3. Выбор оборудования для сортирования, очистки и сгущения массы

3.4. Выбор оборудования для хранения массы и подачи на машину

4. Схема подготовки массы для бумаги глубокой печати

5. ГОСТы теории

1. ТЕОРИЯ РАЗМОЛА

1.1.Общие сведения

Размол — одна из важных операций бумажного производства, от которой в значительной степени зависят многие свойства бу-маги. Лист бумаги, отлитый из неразмолотых волокнистых мате-риалов, получается неудовлетворительным по своему строению, внешнему виду и физико-механическим свойствам. Он обладает неравномерным, облачным просветом, большой пористостью, пух-лостью и малой прочностью. Это объясняется тем, что сравни-тельно длинные жесткие волокна сплетаются в хлопья и, оседая на сетке, дают неоднородный по структуре лист. Неразмолотые во-локна обладают малой пластичностью, слаборазвитой поверхно-стью и мало гидратированы, вследствие чего такие волокна плохо связываются друг с другом в бумажном листе.

Цель размола волокнистых материалов заключается в сле-дующем: подготовить волокнистый материал к отливу, придать ему определенную степень гидратации, сделать волокна гибкими, пластичными, увеличить их поверхность (фибрилляцией и набуха-нием), обеспечить лучший контакт и связь волокон в бумажном листе (придать ему прочность); придать бумажному листу путем укорочения, расщепления и фибрилляции волокон требуемую структуру и физические свойства: объемный вес, пухлость, пори-стость, впитывающую способность и др.

Размол ведется в присутствии воды при концентрации волок-нистой массы 2—8% в размалывающих аппаратах периодического и непрерывного действия — роллах, конических мельницах, рафи-нерах и др. Независимо от типа размалывающего аппарата прин-цип размола в волокна один и тот же. Он заключается в том, что волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает к ножам рабочего органа аппарата, состоящего из неподвижно закреплен-ных ножей (статора) и вращающихся ножей, расположенных на барабане, конусе или диске (роторе). Проходя между ножами ро-тора и статора, зазор между которыми можно регулировать, во-локна подвергаются режущему действию кромок ножей и укора-чиваются или расщепляются в продольном направлении, раздавливаются торцовыми поверхностями ножей, расчесываются и фибриллируются.

1.2.Теория процесса размола

В результате указанных воздействий волокна при размоле в водной среде претерпевают значительные изменения как в струк-туре, так и в физико-химических свойствах. Бумажная масса при длительном размоле становится жирной на ощупь, она гораздо труднее отдает воду при обезвоживании на сетке бумагоделатель-ной машины, а получаемый из нее лист бумаги отличается большей усадкой при сушке, плотностью и прочностью.

Эти изменения в свойствах массы и бумаги настолько значи-тельны, что трудно объяснить их только одним механическим из-мельчением волокон. Поэтому не удивительно, что первыми тео-риями размола были химические теории. Их авторы Кросс и Бивен полагали, что вода при размоле вступает в химическое взаимодей-ствие с целлюлозой, образуя желатинообразный гидрат. Отсюда и произошел термин гидратация при размоле, широко при-меняемый в бумажном производстве, хотя в настоящее время в этот термин вкладывают несколько иное содержание. Другой автор химической теории Швальбе полагал, что при размоле мо-гут получаться гидрои оксицеллюлоза, образующие слизь, кото-рая склеивает волокна в бумажном листе при сушке .

Химическая теория размола волокнистых материалов сыграла известную положительную роль: она способствовала применению при размоле ролльных добавок (крахмала, производных целлю-лозы и других гидрофильных коллоидов), ускоряющих процесс размола и повышающих прочность бумаги.

Последующие исследования, посвященные выяснению измене-ния химического состава волокна при размоле, показали несостоя-тельность химических теорий этого процесса. Исследования Кресса, Бьялковского, Керрена и других ученых показали, что хими-ческий состав волокна и его рентгенограмма при размоле не изме-няются. Происходит лишь небольшое уменьшение степени полиме-ризации целлюлозы, увеличивается растворимость в щелочах и гидролизное число. Эти явления объясняются увеличением поверх-ности и доступности целлюлозного волокна для действия щелоч-ных и кислотных реагентов, а также частичным разрушением цел-люлозных цепей при длительном размоле.

Позднее была выдвинута физическая теория размола. Ее ав-торы Стречен (1926) и Кемпбелл (1932) пытались объяснить свой-ства, приобретаемые массой и бумагой при размоле, только одним физическим процессом измельчения волокон. При этом Стречен придавал большое значение процессу фибриллирования, объясняя связь между волокнами в бумаге механическим переплетением по-верхностных фибрилл, а Кемпбелл — силам поверхностного натя-жения воды, под влиянием которых волокна сближаются при сушке и образуют лучший контакт друг с другом.

Физическая теория размола также не могла объяснить причину возникновения межволоконных связей в бумаге и потерю проч-ности ее после увлажнения. Позже эти авторы выдвинули гипотезу «частичной растворимости» целлюлозы в воде и «рекристаллиза-цию» целлюлозных цепей при сушке, чтобы объяснить природу межволоконных связей в бумаге.

Дж. Кларк в 1943 г. выдвинул другую теорию размола. У Стречена он взял его концепцию о фибрилляции волокна, а у Кемпбелла — идею частичной растворимости целлюлозы в воде и действие поверхностного натяжения при сушке. Эти пред-ставления он дополнил своими наблюдениями о влиянии первичной стенки на набухание и фибрилляцию волокон. Однако и эту теорию нельзя было признать вполне удовлетворительной.

Еще раньше Я. Г. Хинчин высказал предположение, что при размоле происходит освобождение полярных гидроксильных групп у макромолекул целлюлозы, находящихся на поверхности микро-фибрилл наружных стенок волокна, и что, по-видимому, через эти группы соседние волокна связываются между собой в бумажном листе. Однако это предположение ничем не подтверждалось.

В 1940 г. Эллисом и Бассом было установлено, что межмолеку-лярное взаимодействие между цепями целлюлозы в клеточных обо-лочках волокна осуществляется через гидроксильные группы за счет водородной связи. Как известно, водородная связь — особый вид межмолекулярного взаимодействия, осуществляемого ато-мами водорода между двумя другими электроотрицательными атомами, например кислородом, фтором, азотом или хлором. Этот вид связи проявляется у веществ, обладающих высоким дипольным характером. Энергия водородной связи находится в пределах 3—8 ккал/'моль. Она значительно больше энергии связи сил ван дер Ваальса, но меньше энергии химической связи.

Водородная связь через кислород типа ОН... О возникает при расстояниях между атомами 2,55—2,75 А. Полагают, что в ориен-тированных участках целлюлозы гидроксильные группы целиком включены в водородную связь, а в аморфных — частично. При на-мокании целлюлозного материала вода проникает в доступные участки аморфной целлюлозы и разрушает водородную связь, за-меняя ее менее прочной водной связью также через водородный мостик. При дальнейшем набухании целлюлозы в отдельных ее участках образуются не только мономолекулярные, но и полимо-лекулярные водные пленки, причем связь между цепями ослабе-вает, а гибкость и пластичность волокон повышаются.

Открытие водородной связи в целлюлозных материалах сыграло важную роль в развитии современной теории размола. В основу ее положена гипотеза, что межволоконная связь в бу-маге имеет ту же природу, что и межмолекулярные связи в цел-люлозе. Основные положения современной теории размола были сформулированы автором еще в 1947 г. Одновременно анало-гичные взгляды на процесс размола были высказаны и другими исследователями В современной теории размола особое значение придается слоистому, фибриллярному строению волокна, содержанию в нем гемицеллюлоз, способствующих набуханию и фибрилляции волокон. Благодаря этим процессам при размоле волокно стано-вится гибким и пластичным, увеличивается связанная поверхность между волокнами и образуются межволоконные связи в готовой бумаге .

Процесс фибрилляции заключается в ослаблении и разруше-нии связей между отдельными фибриллами и микрофибриллами клеточной стенки под влиянием механических воздействий и про-никновения воды в межфибриллярные пространства, т. е. в об-ласти аморфной целлюлозы, где сосредоточена главная часть гемицеллюлоз. Последние, располагаясь на поверхности фибрилл, усиленно набухают, повышая гибкость и пластичность волокон, что способствует скольжению фибрилл в клеточной стенке друг относительно друга.

Фибрилляция может происходить как на поверхности, так и внутри клеточной стенки волокна. В первом случае поверхность волокна разрушается и от нее отделяются фрагменты клеточных оболочек и фибрилл, образуя своеобразный ворс на поверхности волокна, видимый при большом увеличении микроскопа. Такая фибрилляция увеличивает наружную поверхность волокна и его способность к образованию межволоконных связей, однако она ослабляет прочность самого волокна и снижает сопротивление бумаги раздиранию. При внутренней фибрилляции отделения фи-брилл не происходит, повышается лишь гибкость и пластичность волокон в результате усиленного набухания гемицеллюлоз в меж-фибриллярных пространствах, ослабления и частичного разруше-ния связей между фибриллами. Такая фибрилляция сообщает волокну способность к образованию межволоконных связей, не снижая прочности самого волокна, а потому она является более желательной.

Некоторые исследователи высказывают предположение, что ге-мицеллюлозы, обладая более короткими, чем целлюлоза, цепями и ветвистым строением, способны очень сильно набухать, образуя подобие коллоидного раствора на поверхности фибрилл целлю-лозы. В таком состоянии они, обладая известной степенью по-движности, могут перемещаться и сорбироваться на поверхности волокон, что облегчает образование межволоконных связей между микрофибриллами соседних волокон через гидроксильные группы. Вначале при прессовании мокрого листа эта связь уста-навливается через гидратированную пленку воды на поверхности микрофибрилл, затем при удалении воды сушкой — через мономо-лекулярную пленку воды с более четкой ориентацией гидроксиль-ных групп и, наконец, через водородную связь при полном удале-нии воды сушкой и сближении поверхностей волокон силами поверхностного натяжения воды до необходимого расстояния 2,5—2,75 А. Сближению волокон при сушке способствуют пластич-ность и гибкость размолотого волокна и силы поверхностного натя-жения воды, величина которых, как показал Б. Кемпбелл, может достигать 100—200 кгс/см. Силы, стягивающие волокна в единую структуру, оказывают большое влияние на более тонкие и гибкие волокна. В результате действия этих сил бумага при сушке под-вергается значительной усадке и образует более плотный и проч-ный лист.

Резюмируя, можно сказать, что главное действие размола за-ключается в подготовке поверхности волокон для образования межволоконных связей и в придании волокнам способности свя-зываться между собой в прочный лист, что достигается частичным разрушением и удалением наружных клеточных оболочек, прида-нием волокнам гибкости и пластичности вследствие ослабления и частичного разрушения межфибриллярных связей вторичной кле-точной стенки (фибрилляция волокна) и усиленного набухания целлюлозного волокна и особенно гемицеллюлоз в межфибрилляр-ных пространствах и на поверхности фибрилл (гидратация во-локна при размоле). Термин гидратация здесь применяется в смысле коллоидно-физического взаимодействия целлюлозы с во-дой и достаточно хорошо характеризует сущность коллоидно-фи-зических явлений, происходящих с волокном при размоле.

Второе важное действие размола заключается в укорочении во-локон и частичном их расщеплении по длине, что необходимо для предотвращения флокуляции волокон при листообразовании и улучшения формования, а также для придания бумаге требуемой структуры при выработке тонких, жиронепроницаемых, впитываю-щих и других видов бумаги.

Таким образом, механические процессы измельчения волокон обусловливают главным образом структуру бумажного листа, а коллоидно-физические процессы — связь волокон в бумаге. Бла-годаря межволоконным силам связи бумага приобретает плот-ность и прочность, а пористость и пухлость ее снижаются.

1.3.Природа межволоконных сил связи и их формирование.

При-рода межволоконных сил связи в бумаге может быть различной, однако главным и основным видом этой связи является водород-ная связь через гидроксильные группы, расположенные на поверх-ности микрофибрилл соседних волокон. Энергия этой связи по оп-ределению Корте составляет 4,5 ккал/моль, а расстояние между гидроксильными группами, при котором она образуется, составляет 2,7 А. Наряду с водородной связью в бумаге действуют и силы ван дер Ваальса, однако их энергия связи мала и потому не может обеспечить достаточную прочность бумаги.

Прочность бумаги, отлитой в неполярной жидкости, например в бензине, или из целлюлозы, у которой гидрофильные группы за-менены гидрофобными, обусловлена только силами ван дер Ва-альса. Аналогичная картина наблюдается и у бумаги, изготовлен-ной из волокон минерального и органического происхождения: асбеста, стекловолокна, шерсти, синтетических волокон. Все они не имеют функциональных гидроксильных групп и не могут обра-зовать прочной связи, а потому из них нельзя приготовить сколько-нибудь прочную бумагу без введения специального связующего.

В настоящее время наличие водородной связи между волок-нами в бумаге можно считать вполне доказанным. X. Корте и X. Шашек путем обменной реакции дейтерия с водородом установили уменьшение количества гидроксильных групп в бу-маге, образованной из размолотых волокон, за счет образования межволоконных водородных связей. По данным этих исследовате-лей, в водородную связь включается от 0,5 до 2% гидроксильных групп, имеющихся в целлюлозе. Если учесть, что основное коли-чество гидроксильных групп в целлюлозном волокне включено в межмолекулярную водородную связь в кристаллитах, а также частично и в аморфных областях целлюлозы, то это уж не такая малая цифра. Она достаточно хорошо согласуется и с увеличе-нием количества воды, адсорбированной целлюлозным волокном при размоле. По данным Б. Кемпбелла, при сильном размоле целлюлозы поглощение воды по сравнению с немолотой целлюло-зой повышается на 4% и на такую же величину увеличивается общая поверхность волокна.

Доказательством образования водородной связи в бумаге мо-жет служить также и следующее наблюдение: предварительно растянутая бумага, у которой снята первичная ползучесть, релаксирует при повторном цикле нагрузки и ее снятии без поврежде-ния структуры. Такое поведение бумаги невозможно при наличии только механических сил трения между волокнами, оно доказы-вает существование молекулярных сил связи .

Разрешающая сила электронного микроскопа пока еще не по-зволяет рассмотреть отдельные водородные связи, однако тонкие перемычки из прядей и фибрилл между соседними поверхностями волокон хорошо видны на микрофотографиях, и нет сомнений в том, что эти связи имеют молекулярную основу.

Как уже указывалось, большую роль для формирования водо-родных связей между волокнами играют силы поверхностного на-тяжения воды, которые стягивают тонкие и гибкие волокна и при-водят их в тесное соприкосновение между собой при прессовании и сушке бумаги.

У бумаги из стекловолокна нарастание прочности до сухо-сти 25—30% происходит точно так же, как и у целлюлозной бу-маги, так как в этой стадии прочность бумаги обусловливается только силами поверхностного натяжения воды, однако при даль-нейшем обезвоживании сушкой прочность бумаги снова начинает снижаться и притом прогрессивно, падая до нуля, так как проч-ные связи у бумаги из стекловолокна не образуются. Однако если к стекловолокну прибавить подходящее связующее, например крахмальный или силикатный клей, то при сушке такой бумаги также начнут формироваться связи между волокнами и проч-ность бумаги будет возрастать.

1.4.Контроль за процессом размола

Для оценки качества массы при размоле применяют различ-ные методы и приборы. Степень помола массы или ее садкость определяют на приборах Шоппер-Риглера и канадским стандарт-ным, среднюю длину волокна — на приборах Иванова, Имсета и полуавтоматическом курвиметре, на котором также определяют и фракционный состав массы по длине волокон. Визуальную оценку структуры и размеров волокон производят с помощью ми-кроскопа и микропроекционного аппарата. Способность массы удерживать воду определяют по методу Джайме. При иссле-довательских работах определяют также скорость обезвоживания массы, сжимаемость, набухший объем волокна, удельную поверх-ность.

Степень помола массы в большинстве стран Европы опреде-ляют на приборе Шоппер-Риглера, в Америке, в Скандинавских странах и в Англии широко используется также и канадский стан-дартный прибор. На обоих этих приборах определяют способность бумажной массы пропускать через себя воду; полученные данные характеризуют степень разработки и измельчения волокон, а также степень их гидратации при размоле. Однако по показа-ниям этих приборов еще нельзя судить о средних размерах воло-кон. Устройство этих приборов хорошо известно и описание их приведено в любой книге по технологии бумаги.

Прибор Шоппер-Риглера не чувствителен в низкой (от 8 до 16° ШР) и в высокой областях размола массы (свыше 85— 90° ШР). Поэтому он малопригоден для анализа массы, приме-няемой для изготовления древесноволокнистых плит, а также массы для конденсаторной бумаги.

Для оценки структуры волокна при размоле массы пользуются микроскопом или микропроекционным аппаратом, который уста-навливают в темной комнате. Изображение волокна направляют на большой экран, разграфленный на квадраты, масштаб которых позволяет оценивать волокна по длине. Однако определение сред-ней длины волокна с помощью микроскопа сложно, требует опыта от работников и занимает много времени.

Следовательно, предпочтение следует отдать второму по-казателю, которым и надлежит пользоваться для производствен-ного контроля процесса размола массы и при проведении иссле-довательских работ.

В последние годы в Финляндии и Швеции были выпущены полуавтоматические приборы для определения фракционного со-става массы по длине волокон. В этих приборах микроскопическое изображение волокон отбрасывается на стеклянный столик при-бора, разграфленный на несколько секторов, и оператор с помо-щью курвиметра, снабженного мерным колесом, обводит изобра-жения всех волокон. При этом электронный счетчик сразу сумми-рует результаты анализа, регистрируя отсчеты по фракциям. На основании полученных результатов фракционного состава можно вычислить по указанным ранее формулам как среднеарифметиче-скую, так и средневзвешенную длину волокна. Эти приборы дают более надежные и быстрые измерения по сравнению с измерени-ями, выполненными с помощью обычного микроскопа, однако они значительно уступают в скорости определения средней длины во-локна на приборах Иванова и Имсета, а потому они менее при-годны для производственного контроля процесса размола.

В последнее время стали широко применять для оценки ка-чества массы при размоле, особенно при проведении научных ис-следований, показатель водоудерживающей способности массы после ее центрифугирования при определенных стандартных ус-ловиях обезвоживания (навеска 0,15 г абс. сухого волокна, цент-робежная сила 3000 гс): Этот показатель выражается в процен-тах удерживаемой волокном воды и характеризует степень набу-хания и гидратации волокон при размоле. Считают, что этот показатель лучше, чем степень помола по Шоппер-Риглеру, ха-рактеризует способность волокон к образованию межволоконных связей и получению прочной бумаги.

1.5.Направление процесса размола

Чтобы судить наиболее полно о процессе размола массы, не-обходимо контролировать не только степень помола, но и длину волокна. Соотношение в изменении этих двух показателей, назван-ное нами коэффициентом ужирнения К, позволяет судить о направ-лении процесса размола: идет ли он в сторону гидратации (ужирнения), или в направлении механического укорочения во-локон.

1.6. Влияние размола на свойства бумаги

При размоле массы с большим удельным давлением сопротив-ление готовой бумаги разрыву, излому и раздиранию было го-раздо ниже, чем при размоле исходного волокна при меньшем удельном давлении. Причина этого заключается в том, что в пер-вом случае процесс размола направлен больше в сторону укоро-чения 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 за-кономерности, однако бумага получается при этом с большим сопротивлением разрыву, раздиранию и излому; само волокно ос-тается более длинным, хотя приходится применять при размоле более высокое удельное давление.

Рассмотрим типичное развитие основных свойств готовой бу-маги, 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 из-менением длины волокна при размоле.

Следова-тельно, на показатель разрывной длины бумаги наибольшее влия-ние оказывают силы связи между волокнами, на показатель сопро-тивления излому они влияют меньше, а на показатель сопро-тивления раздиранию еще мень-ше, преобладающее же влияние на него оказывает длина волокна. Положение точки перегиба кривых прочности может изме-няться 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 вели-чины связанной поверхности и от концентрации связей на еди-нице площади контакта, длина волокон и отношение длины воло-кон 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 раз-лично для разных показателей прочности бумаги. Так, для сопро-тивления бумаги разрыву (разрывная длина) первостепенное зна-чение имеют силы связи и прочность волокон, тогда как длина волокна, как и гибкость и эластичность волокон, имеет меньшее значение. Наоборот, для сопротивления бумаги излому первосте-пенное 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 во-локон и их прочность, значительного же развития сил связи для этого показателя не требуется, и максимальное значение сопротив-ления раздиранию бумаги достигается уже при относительно не-большой величине межволоконных сил связи. Наоборот, усиление связей за счет размола или введения связующего снижает сопро-тивление 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 соотноше-ния разрыва связей и разрыва волокон могут быть весьма различ-ными и зависят главным образом от развития сил связи: чем сла-бее 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 умень-шаются, что и приводит к понижению впитывающей способности.

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

Из приведенных данных видно, что процесс размола целлю-лозы оказывает большое влияние на все основные свойства гото-вой бумаги. Главными определяющими факторами при этом яв-ляются изменения размеров волокон и величины межволоконных связей в бумаге.

1.7. Технологические факторы, влияющие на процесс размола

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

Из этих факторов главными управляемыми факторами про-цесса являются первые два, т. е. время размола и удельное дав-ление при размоле. Концентрация массы является вспомогатель-ным управляемым фактором. Остальные факторы практически ос-таются 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 чере-дуется с длительными перерывами, когда волокна проходят через обратный канал ванны ролла. Поэтому процесс размола растяги-вается на несколько часов, тогда как при размоле в аппаратах непрерывного действия он протекает значительно быстрее, за не-сколько секунд. Однако и при размоле массы в аппаратах непре-рывного действия время размола (или время пребывания массы непосредственно в аппарате) является не менее важным факто-ром, позволяющим регулировать процесс. Увеличение времени обработки материалов в аппаратах непрерывного действия обычно достигается путем дросселирования массы на выходе из размалы-вающего аппарата при помощи задвижки, увеличения коэффици-ента рециркуляции массы или путем установки нескольких аппа-ратов последовательно в одном потоке. Это будет изложено под-робнее 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 преде-лах от 0,5—1 ч при размоле целлюлозы для бумаги с садким по-молом до 18—24 ч при производстве тончайшей конденсаторной бумаги.

При увеличении продолжительности размола пропускная спо-собность любого размалывающего аппарата понижается, при этом между пропускной способностью и временем обработки наблю-дается обратно пропорциональная зависимость. Соответственно повышается эффект обработки: увеличивается степень помола массы, изменяется средняя длина волокна и повышается проч-ность 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 по-вышать удельное давление от нуля до высокого значения, то вна-чале волокна будут только расчесываться, затем начнут расщеп-ляться, раздавливаться и, наконец, укорачиваться. При этом ре-жущее действие размалывающей гарнитуры будет возрастать, а гидратирующее и фибриллирующее—снижаться, в результате чего прочность бумаги на разрыв, раздирание и излом будет сни-жаться, 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 удель-ного давления, концентрации массы и свойств волокна. Между ножами размалывающих органов образуется волокнистая про-слойка, толщина которой тем меньше, чем выше удельное давле-ние, ниже концентрация, выше степень помола массы.

При работе с постоянным давлением зазор между ножами ус-танавливается 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 аппа-рата постепенно уменьшается. При размоле в роллах старой кон-струкции, не имеющих весового устройства, когда ролльный ба-рабан 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 ос-лабевает. Поэтому в процессе размола массы применяют ступен-чатую 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 уст-ройства обычно плохо работают, так как величина зазора очень мала и на показания прибора влияют: степень износа ножей, ве-личина люфта в подшипниках ролльного барабана и др.

Удельное давление при размоле в аппаратах, имеющих весо-вое или поршневое присадочное устройство, является более на-дежным показателем этого процесса.

Аппараты непрерывного действия обычно работают с постоян-ным зазором между размалывающими органами, поскольку ха-рактер волокнистой массы при размоле остается неизменным. Ко-нические 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 воло-кон при минимальной их гидратации применяют высокое удель-ное давление, для интенсивной фибрилляции и продольного рас-щепления 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 давле-нии, чтобы не укорачивать волокон, а подвергать лишь легкому рафинирующему воздействию.

1.10.Размалывающая гарнитура

Размалывающая гарнитура аппаратов может быть металличе-ская, базальтовая и комбинированная (из первых двух).

Металлическая гарнитура может быть литой (цельноме-таллической) и наборной (из отдельных ножей). Первая харак-терна для гидрофайнеров и дисковых рафинеров, вторая — для роллов и конических мельниц Жордана.

Базальтовая гарнитура применяется в роллах, в кониче-ских и дисковых мельницах в тех случаях, когда требуется жир-ный помол массы.

Комбинированная гарнитура применяется в роллах и иногда в конических мельницах.

Тип размалывающей гарнитуры следует выбирать с учетом ха-рактера 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 гар-нитуры не всегда экономичен. Металлическая гарнитура эффек-тивна в тех случаях, когда требуется укорочение волокна. Когда нужно расщепление или раздавливание волокон и получение хо-рошо гидратированной массы жирного помола, целесообразнее применять базальтовую гарнитуру. Базальтовая гарнитура непри-годна для укорачивания волокна при малом его ужирнении.

Применение комбинированной гарнитуры из базальта и метал-лических ножей расширяет возможности процесса размола.

Эффективность работы роллов и конических мельниц с метал-лической гарнитурой и характер помола массы зависят от пра-вильного 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 ви-дов бумаги; ножи толщиной 9—12 мм служат для получения массы жирного помола и в тех случаях, когда желательна гидра-тация 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 план-ках. У конических мельниц толщина ножей на статоре и роторе обычно одинакова.

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

Ножи роллов, конических и дисковых мельниц с наборной гар-нитурой 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 (твердо-стью 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 рекомен-дуется 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», по-зволяют 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 во-локон— стальная. В обоих случаях достигается максимальная эффективность и экономичность процесса.

Из-за большой размалывающей поверхности, пористой струк-туры и наличия большого количества режущих кромок базаль-товая гарнитура создает значительное истирающее действие, и потому она весьма эффективна при жирном помоле массы. Приме-нение в роллах и конических мельницах Жордана ножей значи-тельной 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 вслед-ствие ударного действия гарнитуры при высоких скоростях вра-щения ротора. Наиболее рационален двухступенчатый размол, при котором гидратирующее действие достигается в одних аппа-ратах, 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 но-жей с равными промежутками между ними достигается большее режущее действие ножей, а при групповом расположении повы-шается гидратация волокон. С увеличением конусности ротора конической мельницы уменьшается режущее действие аппарата.

Как показал В. Брехт, режущее действие ножей умень-шается при увеличении угла (в диапазоне от 0 до 40°) между но-жами 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 6^е. При таком расположении ножей ролл работает более ста-бильно, 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 пери-одического действия составляет обычно 10—12 м/сек, скорость ротора конических мельниц Жордана (по среднему диаметру ро-тора) — в пределах 10—23 м/сек (у мельниц с интенсивным режу-щим 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 ре-гулируется в процессе работы, однако часто возможна работа ко-нических и дисковых мельниц при разных скоростях; в зависимо-сти 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 про-исходит, по-видимому, вследствие возрастания эффекта гидрораз-мола 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 усилен-ной фибрилляции и гидратации волокна. По этой причине ско-ростные 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, ра-ботающие 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 кото-ром обычно производится размол, не оказывает существенного влияния на скорость процесса размола и его эффективность. Уве-личение рН среды до 10—11 ускоряет процесс размола и позво-ляет снизить расход энергии на 15—20%, так как набухание во-локна повышается, однако целлюлоза при этом желтеет. Пожел-тение целлюлозы, как показал В. Гартнер, можно устранить введением в бумажную массу наряду со щелочью окислителей, например перекиси водорода, в количестве менее 1% от веса во-локна. По данным этого автора, расход едкого натра (для созда-ния рН массы 10—10,5) и окислителя экономически оправды-вается, так как стоимость сэкономленной энергии выше стоимости затрат на химикаты, а получаемая бумага обладает более высо-кой 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 укорачи-ваются 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 харак-тер. Чем ниже температура массы при размоле, тем сильнее набу-хают, гидратируются и фибриллируются волокна и тем больше увеличивается их пластичность. Понижение температуры массы способствует сокращению продол-жительности процесса размола и снижению расхода энергии при одновременном повышении механи-ческой 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 непре-рывного действия наибольшее значение имеют конические мель-ницы и дисковые рафинеры. Кроме того, применяются роллы не-прерывного действия, мельницы Мордена, полуконические мель-ницы, супротонаторы и др.

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

Только в начале 30-х годов настоящего столетия были сделаны первые попытки осуществить непрерывный размол массы в одних конических мельницах. У нас такие опыты были проведены в 1934 г. Н. О. Зейлигером на Вишерском комбинате при выработке пис-чей и бумаги для печати из 100% сульфитной беленой целлюлозы. Несмотря на то, что эти и другие опыты, проведенные за рубежом, показали значительные преимущества непрерывного размола бу-мажной массы перед периодическим размолом в роллах, особенно при выработке массовых видов бумаги в условиях специализации бумагоделательных машин, значительное распространение непре-рывный размол в конических и дисковых мельницах получил зна-чительно позже.

В настоящее время из конических мельниц наибольшее приме-нение находят мельницы Жордана (с наборной гарнитурой) и гидрофайнеры (с литой гарнитурой). Первые отличаются более тон-кими ножами, работают с меньшей окружной скоростью конуса, при более низкой концентрации массы и производят размол воло-кон при значительном их укорочении. Вторые отличаются более толстыми литыми ножами, работают при более высокой окружной скорости конуса, с более высокой концентрацией массы и произво-дят рафинирующий, расчесывающий размол, при котором волокна не претерпевают значительного укорочения, однако они хорошо фибриллируются, гидратируются и дают достаточно прочный лист бумаги, в особенности по показателям сопротивления раздиранию и излому при относительно низкой степени помола по Шоппер-Риглеру.

К коническим мельницам можно отнести также мельницы Мор-дена, получившие теперь большое распространение за рубежом, и полуконические мельницы.

Чаще всего непрерывный размол бумажной массы ведут в две ступени, в гидрофайнерах и в мельницах Жордана. Иногда его осу-ществляют в три ступени, используя эти и другие аппараты, напри-мер мельницы Мордена и дисковые рафинеры, и применяя различ-ную размалывающую гарнитуру. При выработке массовых видов бумаги из массы сравнительно садкого помола ее размол может быть осуществлен в одну ступень в мельницах Жордана или в гид-рофайнерах.

Коническая мельница Жордана (рис. 1). Она состоит из кони-ческого ротора с отдельными, закрепленными на нем, ножами и статора (кожуха) с такими же ножами. Конический ротор (рис.2)

Приводится в движение от электродвигателя через эластичную муфту сцепления, допускающую осевое перемещение конуса отно-сительно неподвижного кожуха, чем достигаются сближение ножей ротора и статора и необходимая присадка размалывающего ор-гана. Перемещать конус в осевом направлении можно с помощью ручного маховичка через червячную или зубчатую передачу, а также с помощью электрического, пневматического или гидравли-ческого серводвигателя. В последнем случае возможна присадка конуса с пульта управления и автоматизация процесса размола.

Рис 1. Общий вид конической мельницы Жордана: 1— кожух (статор); 2 — присадочное устройство; 3 — вход массы; 4 — выход массы Рис. 2. Ротор мельницы Жордана:

1- конус (ротор); 2 — подшипники Масса внутри мельницы перемещается не только за счет гид-равлического напора при ее входе в узкий конец мельницы, но и за счет центробежной силы, увеличивающейся при движении массы от малого диаметра конуса к большому. Наблюдения, проведенные в последнее время рядом исследователей как у нас, так и за рубежом (Пашинский, Шильников, Хальме и Сирьянен), пока-зали, что масса внутри мельницы совершает сложное движение и в зависимости от величины напора внутри мельницы всегда имеется больший или меньший обратный поток массы, движущейся в пазах между ножами от широкого конца мельницы к узкому. Это говорит о том, что волокнистая масса не может беспрепятственно пройти между ножами без размола.

Конический ротор может быть изготовлен вместе с валом из одного куска металла, но может быть и полым чугунным, закреп-ленным на стальном валу. В продольные пазы на поверхности ко-нуса вставляют ножи, которые крепятся к ротору стальными коль-цами, и между ними закладываются деревянные прокладки. При-меняют и другие методы крепления ножей на конусе и кожухе ко-нических мельниц Жордана.

Ножи на конусе располагают по образующей с промежутками 15—30 мм, которые суживаются к узкому концу конуса. Обычно на конусе устанавливают ножи двух размеров: длинные, по всей длине конуса, и короткие, между длинными в широком конце мельницы.

Кожух мельницы изготовляют обычно из чугуна разъемным из двух половин и часто с ребрами жесткости, чтобы ножи не вибри-ровали при работе мельницы. Ножи на кожухе изогнуты под углом 170—174° и установлены так, что ножи конуса набегают на вер-шину угла этих ножей, что предотвращает западание ножей при работе мельницы и улучшает размалывающее действие аппарата. У других конструкций мельниц Жордана кожух выполнен неразъ-емным, из одной чугунной отливки. Расстояние между ножами кожуха обычно бывает несколько меньше, чем на конусе, и состав-ляет 10—20 мм. Высота выступа ножей на роторе и статоре обычно равна 10—20 мм. Толщина ножей у мельниц Жордана изменяется от 5 до 10 мм. Более тонкие ножи, толщиной 5—7 мм, применяют у конических мельниц Жордана, устанавливаемых во второй или третьей ступени размола после гидрофаинеров или дисковых рафи-неров для укорочения волокон, более же толстые ножи, 8—10 мм, применяют при размоле массы в одну ступень с меньшим укоро-чением волокон.

У конических мельниц Жордана срок службы ножей зависит от их толщины и материала, из которого они изготовлены, и сте-пени присадки, а также от кислотности среды и может колебаться в пределах от 1 до 3 и более лет. Мельницы Жордана могут быть снабжены базальтовой и полубазальтовой гарнитурой.

Конические мельницы создаются разных типоразмеров с конус-ностью ротора 11—24°. Мощность двигателя колеблется от 60 до 600 кет, окружная скорость по диаметру от 8 до 22 м/сек. Некото-рые конструкции мельниц позволяют работать при разных окруж-ных скоростях. Мельницы Жордана, предназначенные для укороче-ния волокон, работают при скорости 8—12 м/сек. Если при размоле необходимо подвергнуть волокно большему гидратирующему действию при меньшем укорочении, применяют конические мель-ницы с более толстыми ножами, работающие со скоростью 14—22 м/сек.

Угол конуса мельницы также влияет на характер размола, а именно: уменьшение угла конуса приводит к усилению режущего действия ножей мельницы, а увеличение угла — к уменьшению этого действия.

На характер размола массы влияет также расположение ножей на конусе мельницы. При групповом расположении ножей мельница работает с меньшим режущим действием, чем при их одиночном расположении через равные промежутки.

Конические мельницы Жордана в СССР выпускаются таких же типоразмеров с углом конуса 22°, а также с базальтовой гар-нитурой (марки МКБ).

Как видно из таблицы, мельницы марки МКН в зависимости от их назначения и требований производства могут выпускаться в двух вариантах по мощности электродвигателя, а следовательно, и скорости вращения ротора.

Конические мельницы Шартля — Миами фирмы Блек-Клоусон (США) выпускаются 11 типоразмеров с различными углами кону-сов и мощностью двигателя от 25 до 588 кет.

Широкое применение находят также конические мельницы Жор-дана Мессон-Миджет (Англия) и скоростные мельницы Джонса (США).

Скоростная мельница Джонса отличается малым габаритом, малым весом и компактностью. Она имеет конус дли-ной 500 мм и диаметром 350/200 мм, снабжена роликовыми под-шипниками и двигателем мощностью 55 или ПО кет (число оборо-тов 900 или 1200 в минуту). Она очень экономична по расходу энергии и позволяет точно контролировать качество массы (имеется указатель зазора между ножами ротора и конуса). Под-бирая соответствующую гарнитуру и электродвигатель, можно под-вергать массу в этой мельнице как режущему, так и гидратирующему действию. Применяется скоростная мельница Джонса для размола тряпичной полумассы и целлюлозы при производстве вы-сокосортных, конденсаторных и других видов бумаги .