匀浆辊匀浆原理及其在使用中存在的问题01

匀浆辊匀浆原理及其在使用中存在的问题

柯晓军

（上海晨鸣造纸机械有限公司 研究所 上海 嘉定 201809）

摘要：匀浆辊是辊面有规则分布圆孔的中空薄壁辊筒，利用这些圆孔的效能阻以及浆流通过圆孔时产生的微湍来达到整流、分散纤维的目的。浆流经过转动的匀浆辊时不可避免的会产生波迹效应，这会导致产生纤维定向条纹致使整流效果不佳，进而引起一系列的纸病，随着车速较高这种弊病也变得更为明显，所以匀浆辊只适用中低速纸机。本文就匀浆辊的匀浆原理及其在使用中存在问题的以及问题的解决方法作了有关论述。

关键词：条纹，匀浆辊，纤维定向

Abstract: The rectifier rolls are hollow rolls and there are regular holes on the surface. The winding rectifier rolls are used to keep the velocity evenly and to disperse and perforate fiber. The water effect is ineluctable. It will generates fiber orientation streak, which results in poorly perforating and leads to paper flaw during coating and calendaring and these problems will become more and more serious when the machine’s speed grow. And this article is concerned with the principle of the rectifier rolls and the problems in the application the article also give out the solutions.

Key words: streak，rectifier roll, fiber orientation

1. 引言

匀浆辊作为传统的匀整元件，广泛应用于开启式、气垫式流浆箱中[2-5].作为产生流阻、整流、分散纤维的元件。匀浆辊是中空的薄壁辊筒，辊面上有规律排列的孔[1]。匀浆辊表面的孔眼具有消能阻力的作用，它的效能阻力可以调整浆流经过布浆器后横幅方向上不均匀流速，同时使纸浆浆流产生一定的涡流微湍动，从而起到整流分散纤维的作用。如设计得当，匀浆辊产生的湍动即可达到匀整浆流的要求。J. Mardon 和Ｒ.Ｅ. Monahan早期的研究为匀浆辊的设计提供了一定的依据，如匀浆辊组合开孔率和喷嘴长度的设计。

浆料通过匀浆辊产生的波动的波形，即波迹效应，是匀浆辊设计要充分重视的。匀浆辊流浆箱的纤维的定向问题就是与匀浆辊的波迹效应有关。随着对纸页质量要求的进一步提高，纸页定向分布的问题越来越受到重视。定向上的条纹往往引起后续上涂布、超级压光中的一系列纸病，它同定量的条纹不同，是来源于流浆箱设计中的问题[6]。

由此可见，匀浆辊的设计对于一台纸机尤为重要。

2 匀浆辊的流体动力学效应

浆流通过匀浆辊的流动可近似看作通过两个孔板的流动。浆流通过匀浆辊时首先是向辊中心流入，然后再由中心沿半径方向流动，浆流通过辊后，在两孔之间形成强烈的小涡流，使浆流处于微湍流状态，从而使浆流中纤维分散，避免了纤维的絮聚。利用孔眼部分的消能阻力对布浆器以后剩下的横幅方向的不均匀流速进行调整，同时,浆料通过时产生的小涡流使纸料受到适度的分散(见图1)[3]。

图3. 浆流通过匀浆辊的流线图（FIGUER3 Pulp flow line digram through rectifier roll）

浆流通过匀浆辊因压头损失而降低流速。流道的浆流速度越大，压头损失就越大，从而通过匀浆辊后流速降低很多，对浆流速度具有整流作用。匀浆辊靠浆流通过时产生强烈小涡流和引起压头损失来控制浆流。如产生的涡流太大，对成型反而不利。使浆流通过匀浆辊后处于微湍流状态是设计的关键。

3 闸辊到唇板前缘的距离的确定

在唇板附近的匀浆辊——闸辊非常重要，主要起最后的整流作用。比较均匀的浆流通过它之后的扰动较小，波迹较短且容易消失，可避免波迹流到成型网上，在网面上的悬浮液表面上形成波峰或波谷。该处位置要充分重视。通常认为：在匀浆辊后波迹刚刚消失而纤维又未重新絮聚时浆流恰好到达网面，这种情况的整流效果最佳。.应据此来确定匀浆辊到唇板开口的距离。影响匀浆辊波迹效应的因素很多，最能集中表现这些因素的是马尔当(Ｍａｒｄｏｎ)的“无波迹”计算公式[8]：

Ｌ=(Ｋ/ 138)(Ｖ3/ 4ｂ1/ 2)/ Ｄ1/ 3 式中：Ｌ——无波迹距离；

Ｋ——波迹常数(与小孔径及开孔率有关)，当开孔率为50%时，Ｋ=25㎜左右；

Ｖ——通过匀浆辊孔眼的浆流速度；

ｂ——匀浆辊小孔直径(一般取25㎜)；Ｄ——匀浆辊直径。

从公式可看出，影响匀浆辊使用效果的主要因素是流量(通过匀浆辊孔眼的浆流速度)和匀浆辊直径及开孔率，其波迹与流量呈正比，与辊径呈反比。简单的说，匀浆辊匀浆作用是靠通过旋转的孔辊产生“波迹效应”。匀浆辊流浆箱设计，无波迹计算长度是设计的关键，它用来计算唇口匀浆辊出口端至唇口喷浆点的距离Ｌ(这段距离称为喷嘴长度)。喷嘴长度要恰到好处，喷嘴过长，孔辊的匀浆波迹消失，浆流湍动消失，在唇口形成大浆团，使成型恶劣；喷嘴过短，浆流湍动仍比较大时上网，会把波迹带到成型网上形成条流.实际上的喷嘴长度是按纸机车速、流量范围计算出Ｌ值后，经修正系数缩短而确定.这个缩短系数通过实验统计得出，视浆料品种及抄造品种、车速情况取值.通常闸辊到敛唇喷浆口的距离为辊孔直径的20～25倍，当抄速≥370ｍ/ min，取辊孔的20倍.距离过大,会引起絮聚。

4 匀浆辊整流效果的衡量

匀浆辊的波迹效应是衡量匀浆辊整流效果的关键。 匀浆辊的转动使浆流产生波动的流型，该流型要持续一段距离才会消失，这被称为波迹效应(见图2)[6]。流浆箱内的闸辊涡流产生的波迹带过堰板时，使喷射出现滚浪，是打乱造纸网上自由表面的首要原因，直接反映流浆箱整流效果的好坏。这种滚浪现象，可以采用适当的匀浆辊整流装置，将其控制到最小限度。J. Mardon和Ｒ.Ｅ. Monahan等人对匀浆辊的性能和利用发表有详细的研究报告(Ｐ.Ｐ.Ｍ.Ｃ.11 1966)。据实验：唇板喷射出现滚浪的大小与浆辊的开孔率(紧靠唇板的辊)、喷浆液面的流速、唇板到匀浆辊的距离、匀浆辊孔眼的大小及辊径有关。即：①匀浆辊距唇板的距离愈近愈高；②喷浆液面的流速愈快愈高；③匀浆辊的开孔率愈小愈高(唇板辊的开孔率最好是50%左右)；④辊径愈大愈高(距唇板有充分的距离时,受到孔径的影响

小)。但对纤维的

图1.匀浆辊的波迹效应

（FIGUER1 Wake of the rectifier roll）

分散效果，与上述整流效果的条件并不一致，即：①喷浆液面的流速愈高，通过辊后的分散状态能够保持较长时间；②为了有良好的分散，在一定限度内要开大孔径；③为有良好的分散，开孔率愈小愈好。因此，兼顾整流效果和分散效果，必须选择最适当结构的匀浆辊。对于中速纸机的流浆箱，匀浆辊的开孔率通常在30%~55%，喉辊的开孔率为30%～35%，中间部位的匀浆辊开孔率一般为40%～45%，而闸辊的开孔率要更高，达50%以上。五孔辊式流浆箱曾是一种广泛应用的浆料流送设备(见图3)[4]。

1.进浆道 2.孔辊 3.孔辊后波迹 4.胸辊

图2. 五孔辊流浆箱的孔辊示意图

（FIGUER2 Five rectifier rolls headbox sketch）

对抄速较高的纸机[6]，匀浆辊的开孔率小于50%，沿纸机幅宽的流速均匀性就不好，且开孔率越低，均匀性越差。匀浆辊的开孔率应遵循两条规律，即安装位置越靠近喷浆口，开孔率越大，造纸机的车速越高，匀浆辊的开孔率越大。在保证浆流处于微湍流状态的条件下，,应尽量取较大的开孔率。

此外匀浆辊两端与箱侧壁和刘道侧壁的间隙越小越好，通常不应大于3㎜，甚至有些结构使匀浆辊伸入侧壁中因为匀浆辊圆周与箱壁和流道侧壁的间隙对浆流流型和流速分布有显著影响，间隙过大会使大部分浆流因匀浆辊的流阻大而从间隙中流过，通过匀浆辊的浆流也会因为流量小而流速降低，形成浆流分离和流速分布不均的现象，此外在匀浆辊内也易形成涡流，这些都会使匀浆辊的匀整作用失效。

匀浆辊的转速高时辊内易形成涡流，使浆流发生较大的湍动，流速分布的均匀性也受到影响，但对于无规则流动的混合效果却加强了，同时高的转速使解絮作用加强了，但由

于舀浆机理导致的挂浆现象就变得较为显著。对于闸辊，希望不要转的太快，以免过大的扰动浆流，较少舀浆现象和由此产生的纤维束随浆流上网，闸辊最好再配以可正反转并可调速的传动装置，以便视具体情况进行适当的速度调节。

5 条纹问题

纤维定向是流浆箱内纤维排列横向、纵向的比，纸张纵向上的定向通常被认为是偏离纵向的偏差。纤维定向条纹，并非定量波动条纹，这种条纹与定量变化不相关。通过光学显微镜可观测到，它是一种表面纤维定向排列现象。它指相同数量的纤维通过一定区域，在不同的时刻、不同的位置定向排列发生变化，又称作跃动流(galva nizing)，在欧洲叫水蛇条纹(water snakes).纤维定向条纹引起涂布、超级压光中的指纹(finger ridger)纸病[9] ，在印刷中产生凹凸、运行中起皱和纸面严重不平问题。如何消除这种定向问题，国外也有相应的报道，如采用矩形扩散器安装在喷嘴前，破坏底层的边界层，可以消除纤维定向。对于装有湍动管束的水力式流浆箱，Aidum发明了一项装置产生逆向转动来消除纤维定向

[7]。

Michael A.Mac Gergar [7]认为，匀浆辊流浆箱中的定向条纹现象来源于流浆箱本身的设计和水力过载。消除匀浆辊流浆箱的条纹的唯一方法是减轻波迹效应，然而通过改变匀浆辊的转速、位置和开孔率都不能消除波迹。使用螺旋状的孔眼，仅仅降低了旋转过程中的条纹，并非消除了纤维定向条纹。虽可在成型板上通过“压力成型”来减弱条纹，但是破坏了纸页成型和影响了留着率。通过减小流率、浓度来消除纤维定向浆道，在生产上并不实用。Ｌ.Daniel Soderberg[5]对各个喷射浆流条纹的观测表明，条纹并非来源于喷嘴本身，而是来源于浆料在流动方向上的尺寸波动，条纹产生在喷射口的下游，尤其是闸辊处的浆流。所以在车速较高时，如使用匀浆辊作为浆料的匀整装置，纤维的定向问题会显得较为明显。

6 结 论

在匀浆辊流浆箱中，采用匀浆辊作为匀整元件，产生波迹，最终达到匀整纤维的目的。匀浆辊流浆箱引起的纤维定向条纹问题，与喷嘴结构无关，与匀浆辊产生的波迹效应相关。波迹效应是衡量匀浆辊整流效果的关键，运用波迹效应———无波迹计算公式可以较为适当的确定闸辊位置。匀浆辊流浆箱因为是有转动的匀浆元件，箱内浆流纵向不稳定，存在横流，这是纤维定向条纹产生的根源所在，匀浆辊的定向条纹问题在车速高的情况下难以完全消除，故匀浆辊流浆箱通常只适用于中低速纸机。合理安排匀浆辊在流浆箱内的位置合并选取合理的使用数量一般可以满足中低车速造纸机对浆料匀整的要求达到较好的匀整效果。

参考文献

1. 林美婵. 流浆箱的设计与选型. 浙江造纸，1999(4): 22.

2. 华南理工大学. 纸浆造纸机械设备(下). 中国轻工业出版社，1961：128.

3. 造纸机技术的更新（上）. 轻工机械，1999（3）：7—9.

4. 曹帮威. 最新纸机抄造工艺. 中国轻工业出版社，1999：116--118.

5. 马伯龙. 造纸机原理与结构设计. 中国轻工业出版社，1981：90—93.

6. 陈克复. 造纸机湿部浆料流体动力学. 中国轻工业出版社，1989：249—250，323—324.

7. 纸浆造纸技术协会编. 纸的抄造.中国轻工业出版社， 1989 ：38—103，110—115.

8. Soderbeg L D. Experiments concerning the creation of streaky structures inside a plane jet. Engineering &Papermakers Conference, New York, 1997.

9. Michael A, Mac G. Some impacts of paper making on paper structure .Paper Technology, 2001(4) :31—32.

10. Ullmar M, Norman B. Observation of fiber Orientation in a headbox nozzle at low consistency. Engineering & Papermaker Conferenc , New York, 1997.

作者简介：

柯晓军，2004年毕业于陕西科技大学造纸工程学院过程装备与控制工程，获学士学位，现在上海晨鸣造纸机械有限公司研究所从事纸机设计。