РАЗМАЛЫВАЮЩИЙ АППАРАТ
MILLING MACHINE

Размалывающий аппарат для высокоэффективного фибриллирования предназначен для размола коротковолокнистых целлюлозных полуфабрикатов лиственных пород древесины, низких сортов хвойной древесины, древесной массы, макулатуры, однолетних растительных волокон, используемых в качестве бумажной массы в производстве бумаги и картона в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП).
Аппарат может быть также использован и в других отраслях промышленности, где требуется выполнить размол с фибрилляцией растительных или иной природы волокон. В настоящее время известен целый ряд устройств, предназначенных для размола массы с фибрилляцией волокон, используемых в дальнейшем в ЦБП.
Таким оборудованием является большое разнообразие конических, дисковых мельниц и других устройств, размол в которых осуществляется за счет пропуска бумажной массы концентрации порядка 2,5-3,5% либо щепы между вращающим ротором и статором. Эффект размола массы с фибрилляцией волокон достигается за счет регулировки зазора между ножами ротора и статора, подбором толщины ножей, их геометрическим «рисунком», материалом изготовления и оборотом ротора.
Примером таких устройств могут быть размалывающие устройства, описываемые в информации № (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11). Однако независимо от типов и устройств размалывающих элементов принцип размола в них один и тот же: рубка волокон по длине и частичная их фибрилляция по ширине, что ведет к повышению градуса помола (в единицах (Ш Р) за счет преимущественного укорачивания волокон превалирующего над процессом его фибрилляции при размоле.
Это происходит потому, что согласно исследованиям порядка 90% всей энергии размола у аппаратов с ножевой гарнитурой затрачивается на кромках рубящих ножей, в результате чего при прямом контакте ножевых элементов возникают сильные срезывающие усилия, способствующие укорочению волокна и только 10% оставшейся энергии приходится на контактируемые ножевые поверхности размалывающих элементов.
При этом порядка 80% всей затраченной энергии в аппаратах расходуется на гидродинамические, механические и тепловые воздействия и только оставшиеся 20% тратятся собственно на размол.
В то же время известно, что для высокоэффективного размола механическая энергия составляет порядка 1-3% от усилий разрыва волокон. В настоящее время уже не вызывает сомнений, что при работе размалывающих аппаратов в режиме, вызывающем внутреннюю и наружную фибрилляцию при минимальном укорочении волокон, рабочие усилия от размалывающих элементов к волокнам передаются через пленку воды.
Указанные недостатки на аппарате с ножевой гарнитурой ограничивают применение их для получения качественной с точки зрения фибрилляции волокон массы, являющейся определяющим фактором структуризации формирования бумаги и картона в сеточной части бумажной машины из широко распространенных лиственных пород древесины, однолетних растений и, особенно, вторичного сырья - макулатуры.
Известны также применяемые в последнее время дисковые мельницы и другое оборудование для размола массы повышенной (25-40%) концентрации, где эффект фибрилляции волокна достигается не только за счет режущих, ударных и гидравлических составляющих размола, но и за счет механического взаимного трения волокон друг о друга при размоле. При этом не исключаются рубящие действия ножевой гарнитуры на волокно. Примером таких устройств могут быть устройства, приведенные в информации № (12, 13, 14, 15, 16, 17).
Практика применения в ЦБП таких аппаратов позволила улучшить качество бумажной массы с точки зрения фибрилляции целлюлозного волокна, однако они не лишены вышеуказанных недостатков ножевого воздействия на волокно при размоле, что приводит к повышенным затратам электроэнергии.
Главной целью размола полуфабрикатов является:
- придание волокнистому материалу определенной структуры в отношении их размеров по толщине при сохранении первоначальной длины, а также по однородному фракционному составу, обеспечивающему желаемую структуризацию при формовании бумажного или картонного листа на машине;
- придание целлюлозным волокнам определенную степень фибрилляции по длине и толщине, наиболее развитой поверхности, пластичности и других свойств, от которых зависят механическая прочность и другие свойства бумаги или картона.
Опираясь на известные работы в области размола растительных волокон зарубежных и отечественных исследователей, а также большой практический опыт работы в ЦБП, авторы изобретения предлагают принципиально новый размалывающий аппарат для ведения высокоэффективного размола с получением достаточно высокой, порядка 50% и более, степени фибрилляции волокнистой массы за один «проход» коротковолокнистых целлюлозных полуфабрикатов без существенного укорочения их длины при размоле.
Целью изобретения является создание принципиально нового размалывающего аппарата для ведения высокоэффективного размола коротковолокнистых целлюлозных материалов с использованием в нем в качестве размалывающих элементов вращающегося ротора и специальных валиков, а также упругоэластичной рубашки статора, размалывающие поверхности которых покрыты специальным многокомпозиционным абразивным мелкодисперсным материалом.
Предлагаемый аппарат дает возможность ведения высокоэффективного размола всех видов коротковолокнистых целлюлозных полуфабрикатов без укорочения их длины, что существенно расширяет их использование в композиционном составе массы при производстве бумаги и картона, с получением требуемых механических и других свойств с одновременным снижением потерь от промоев волокна и энергетических потерь.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому аппарату являются устройства: патент RU 20000370 С, 07.09.1993, патент US 5836530 А, 17.11.1998.
Технической сущностью предлагаемого аппарата является возможность ведения высокоэффективного размола всех видов коротковолокнистых материалов без укорочения их длины за счет механизма «трения - скольжения» между вращающимися размалывающими элементами без ножевой гарнитуры с достаточно развитой рабочей поверхностью.
Максимальная степень разработки волокон достигается при относительно небольших срезывающих усилиях и достаточно большом количестве соударений размалывающих элементов с волокном, передаваемых через водяную пленку.
Проходя зону контакта с размалывающими элементами, целлюлозные волокна подвергаются сжатию и сдвигу по длине и ширине, при этом импульс давления, двигаясь вдоль волокна и продавливая воду через сетчатую структуру его вторичной стенки, вызывает наружное и, особенно, внутреннее фибриллирование.
Таким образом, в контактной зоне возникает эффект «сдвига» срезывающих усилий, идентичный эффекту «трения - скольжения», возникающему при каландрировании бумаги на суперкаландре. Эффект «трения - скольжения» в аппарате достигается за счет разности линейных скоростей вращающихся с равной угловой скоростью конусных ротора и валиков.
Это очевидно из следующего показательного расчета. При установке 16-ти конусообразных валиков в кольцевом зазоре между ротором и статором аппарата их размеры составят: конусообразный ротор, диаметр ротора 478/326 мм. Средний диаметр ротора (478+326):2=402 мм, конусообразный валик, диаметр 160/80 мм. Средний диаметр валика (160+80):2=120 мм. При одинаковых оборотах ротора и валиков 1450 об/мин или 24,2 об/с линейные скорости, определяемые по формуле V=πDN м/с составит:
Для верхней части
Ротор V=3,14⋅0,478⋅24,2=36,3 м/с
Валик V=3,14⋅0,16⋅24,2=12,2 м/с
Δ V=36,3-12,2=24,1 м/с.
Для средней части
Ротор V=3,14⋅0,402⋅24,2=30,5 м/с,
Валик V=3,14⋅0,12⋅24,2=9,1 м/с
Δ V=30,5-9,1=21,4 м/с.
Для нижней части
Ротор V=3,14⋅0,326⋅24,2=24,8 м/с
Валик V=3,14⋅0,08⋅24,2=6,1 м/с
Δ V=24,8-6,1=18,7 м/с.
Таким образом, во всех сечениях аппарата с конусообразными размалывающими элементами окружные скорости ротора опережают скорости валиков, что является основой получения эффекта «трения - скольжения» при размоле.
Конструкция фибриллятора представлена на рис. 1.
Аппарат состоит из вертикально установленных конусообразных статора (1), ротора (3) и порядка16 конусообразных валиков (4).
Статор (1) изготовлен из чугуна или из нержавеющей стали и имеет внутреннюю съемную рубашку (2) из упругогоэластичного материала. Ротор (3) представляет собой установленный на валу (10), закрытый сверху и снизу конусный цилиндр, облицованный снаружи пористым композиционным материалом.
Конусообразные малопрогибаемые валики (4) изготовлены из композитного материала, закрепленного на трубчатом валу.
Для улучшения транспортировки массы при размоле наружная поверхность ротора (3) и конусообразных валиков (4) имеет расположенные сверху вниз овальные насечки.
Статор (1) крепится на опорной плите (8), которая установлена на вертикальных опорах (16). Сверху статор (1) закрыт плоской опорной (5) и овальной (6) крышками.
Между статором (1) и опорной плитой (8) установлено кольцо (7), к которому крепится приемная воронка (9) размолотой массы.
Внутри приемной воронки (9) расположены укрепленные на валу (10) гонные лопасти (17), предназначенные для транспортировки размолотой массы к выходному патрубку.
Вал (10) ротора (3) крепится на нижней опорной плите (8) и верхней опорной крышке (5) с помощью радиально-упорных подшипников (14). Конусообразные валики (4) крепятся на верхней опорной крышке (5) также с помощью радиально-упорных подшипников (14), а внизу с помощью подшипников скольжения (15).
Нижний радиально-упорный подшипник (14) вала (10) ротора (3), а также нижние подшипники скольжения (15) конусообразных валиков (4) снабжены обтекателями массы.
Зазор между конусообразными валиками (4) и упругоэластичной облицовкой (2) статора (1) поддерживается постоянным с некоторым натягом, а зазор между ними ротором (3) с помощью механизма присадки ротора (13) в пределах хода муфты (18). Привод вала (10), ротора (3) производится через муфту (18) от основного электродвигателя с постоянным числом оборотов порядка 1500 об/мин (11).
Привод конусообразных валиков (4) осуществляется от индивидуальных электродвигателей (12) с устройством для регулировки числа оборотов от 30-50 об/мин до 1500 об/мин и более с автоматическим поддерживанием моментного вращения в рабочем диапазоне. Направление вращения конусообразных валиков встречное по сравнению с вращением ротора (3) с возможностью изменения их вращения на противоположное. Привод каждого валика осуществляется через муфту (19) от асинхронного двигателя (12), который крепится на овальной крышке (6).
Размалывающий аппарат работает следующим образом.
Предварительно набухшие неразмолотые целлюлозные волокна, концентрация которых в водной среде составляет 3,5-20% и выше, подаются массным насосом давлением 0,2-0,3 мПа через верхний приемный патрубок статора (1) и прогоняются в пространстве между вращающимися валиками (4) и ротором (3), а также между валиками (4) и рубашкой статора (2).
При вращении ротора массная суспензия центробежной силой с помощью канавок на роторе (3) отбрасывается и попадает в зону «захвата» между ротором (3) и валиками (4), где подвергается небольшой интенсивности, но многочисленному и достаточно большому количеству ударов и воздействию при «трении - скольжении» как между ротором и валиками, так и между валиками (4) и упругоэластичной поверхностью рубашки статора (2).
Пройдя зону размола по всей длине размалывающих элементов, достаточно фибриллированная массная суспензия проходит через кольцевой зазор опорной плиты (8), попадает в улиткообразную воронку (9), откуда с помощью гонных лопаток (17) вала (10) выводится из аппарата через нижний выходной патрубок. Зазор между ротором (3) и валиками (4) регулируется в пределах 0,5-1,0 мм механизмом присадки и ротора (13).
Зазор между валиками(4) и упругоэластичной рубашкой (2) статора (1) с некоторым натягом устанавливается при монтаже. На входе и выходе размалывающего аппарата установлены массные задвижки для регулирования количества подаваемой суспензии и скорости ее движения внутри аппарата.
Для предотвращения «забивки массы» предусмотрена подача в рабочую зону воды под давлением.