Содержание

1. Производство бумаги 3
2. Основные технологические процессы изготовления бумаги на бумагоделательной машине, их назначение и характеристика 11
Литература 16

1. Производство бумаги

Основу любой бумаги составляют волокна целлюлозы. Эти волокна могут быть получены из разных источников - древесины, соломы, хлопка или из самой же бумаги.
Так выглядят волокна целлюлозы, из которых производится бумага, под микроскопом.


Подавляющее большинство используемой сегодня бумаги требует в качестве сырья древесину. Как правило, все сорта бумаг содержат смесь твердых (береза) и мягких (ель, сосна) пород древесины. Мягкие сорта дают длинные волокна, придающие бумаге хорошие прочностные свойства, твердые же сорта дают волокна короткие, благодаря которым улучшаются качественные показатели.
Существуют также альтернативные способы получения сырья. Например, для изготовления высококачественной бумаги используют смесь волокон хлопка и древесины, или же только волокна хлопка. Хлопок дает очень длинные и прочные волокна, из которых получается бумага высочайшего качества.
Использование макулатуры как источника волокон целлюлозы также является очень важным направлением в производстве бумаги.
Технологии с использованием бумажных отходов позволяют получать бумагу высокого качества, не затрагивая при этом естественных природных источников.
Бумаги такого типа широко используются для производства газет, упаковки и т.д.
Но все же бумажные отходы в качестве сырья имеют некоторые ограничения. В частности, при последующей переработке волокна укорачиваются, что ведет к потере прочности и повышению пыльности конечной продукции, сильно сказывающихся на печатных свойствах бумаги.
Начальным звеном в технологической цепочке изготовления бумаги служит открытый склад древесного сырья, называемый лесной биржей. Такие склады есть у каждого целлюлозно-бумажного предприятия. Они размещаются на обширных территориях за производственными корпусами, часто на берегах водоёмов, где устроены порты или причалы для приёма сплавленной древесины. Для изготовления некоторых видов бумаги используют сырьё хвойных и лиственных пород. Газетная бумага вырабатывается только из ели, так как у еловой древесины наибольшее количество тонких и длинных волокон и наименьшее содержание смолистых веществ. Целлюлозу лиственных пород могут смешивать с хвойной целлюлозой. Короткие и жесткие волокна лиственной древесины и длинные и эластичные хвойной образуют массу, из которой получают бумагу с хорошими свойствами.
Технологическая схема производства бумаги (картона) состоит из следующих процессов:
1. приготовления бумажной массы, вклю¬чающего операции по массному размолу волокон, проклейке, на¬полнению и крашению массы;
2. аккумулирования бумажной массы;
3. разбавления массы водой до необходимой концентрации;
4. очистки от посторонних включений и узелков;
5. изготовления бумаги (кар¬тона) на бумагоделательной (картоноделательной) машине, вклю¬чающего отлив бумажного (картонного) листа, его прессование, сушку, отделку и намотку в рулон;
6. отделки и переработки бумаги (картона), включающих суперкаландрирование, перемотку, резку и упаковку.
Массный размол волокнистых полуфабрикатов. Размолом на¬зывается процесс специальной механической обработки раститель¬ных волокон в присутствии воды, выполняемый в размалывающих машинах—мельницах. Размол является одним из важнейших процессов бумажного производства, позволяющих в широком ин¬тервале значений изменять многие свойства бумаги. Производится размол волокон в машинах непрерывного действия (в конических, цилиндрических и дисковых мельницах). Общим для размалываю¬щих аппаратов является то, что, работа их основана на принципе скрещивающихся ножей и трущихся поверхностей.
Проходя между ножами размалывающих машин, волокна под-вергаются воздействию механических и гидродинамических сил, приводящему к протеканию сложных физико-химических и кол¬лоидных процессов в структуре волокон. В результате происходят некоторое укорочение волокон (рубка), поверхностное расщепле¬ние и расчесывание в продольном направлении фибриллярной структуры клеточной стенки на фибриллы (поверхностное фибриллирование), набухание и гидратация волокон. Волокна становятся более мягкими, повышается их эластичность и пластичность. В процессе фибриллирования ослабляются и разрушаются связи между отдельными фибриллами клеточной стенки волокон. На поверхности фибрилл образуется «начес» тонкого пухообразного материала, состоящего из целлюлозных молекул. В результате увеличивается удельная поверхность волокон и число свободных гидроксильных групп, способствующих лучшему контакту и сое¬динению отдельных волокон в бумажный лист. Увеличение удель¬ной поверхности волокон и высвобождение гидроксильных групп повышает способность волокон удерживать воду.
В зависимости от режима размола можно получать бумажную массу различной степени помола: от низкой (садкая масса) до высокой (жирная масса). Для получения садкой массы размол ведут в режиме, обеспечивающем преимущественно рубку волокон над поверхностным фибриллированием. В процессе формования листа бумаги масса низкой степени помола (садкая) быстро осе¬дает на сетке, легко обезвоживается и образует рыхлую и пори¬стую структуру листа. Для высокой степени помола массы (жир¬ная масса) характерно преобладание фибриллированных волокон с хорошо разработанной поверхностью, которые труднее обезво¬живаются на сетке бумагоделательной машины и образуют плот¬ную, сомкнутую и прочную структуру листа. Характер помола массы выбирают в зависимости от вида и качества вырабатывае-мой бумаги и картона.
Прочность бумаги характеризуется рядом показателей: сопротивлением разрыву, излому, продавливанию, надрыву и раздиранию, для каждого вида и сорта бумаги имеющим определенное значение, и в общем зависит от прочности волокон, их длины, прочности связи между волокнами и структуры бумажного листа.
Лист бумаги при испытании разрывается по наиболее слабому месту. Этим слабым местом в большинстве случаев являются не сами волокна, а связи между ними. При разрыве листа по обе стороны В месте разрыва наблюдается преимущественное вытас¬кивание волокон из толщи листа, что указывает на разрыв связи между ними. И только часть волокон рвется в поперечном направ¬лении.
Основными факторами, влияющими на качество помола цел¬люлозы, являются: продолжительность размола, удельное давле¬ние между ножами мельниц, концентрация массы, тип размалыва¬ющей гарнитуры, окружная скорость ротора или барабана, тем¬пература массы при размоле. К управляемым факторам относятся продолжительность, удельное давление, концентрация и темпера¬тура массы.
Для размола волокнистых полуфабрикатов на предприятиях, вырабатывающих массовые виды бумаги и имеющих большую про-изводительность, применяются дисковые мельницы. Мас¬сный размол проводится в однодисковых и сдвоенных мельницах с закрытой камерой, которые обеспечивают производительность до 650 т/сут.
Широкое применение дисковых мельниц обусловлено быстрым развитием производства волокнистых полуфабрикатов высокого выхода. Они вытесняют другие виды размалывающего оборудова¬ния (конические мельницы, роллы) благодаря следующим преиму¬ществам: возможности размола при высокой концентрации массы (до 40 %); более низкому удельному расходу энергии; большой единичной мощности и производительности, компактности, про¬стоте конструкции; более широкой области применения (размол целлюлозы, полуфабрикатов высокого выхода, древесной щепы, отходов сортирования древесно-массного и целлюлозного произ¬водств); возможности получения более однородной по структуре массы.
Основные рабочие элементы мельницы – статор (корпус) и ротор – выполнены в виде конусов. Внутреннюю поверхность ста¬тора и внешнюю поверхность ротора образуют сменные ножевые рубашки. Зазор между ножами статора и ротора регулируется пе¬ремещением (присадкой или вылегчиванием) ротора вдоль его оси при помощи присадочного механизма. При работе мельницы движение массы осуществляется в направлении от малого диаме¬тра ротора к большему. Производительность мельницы но воздушно-сухому волокну 4—16 т/сут, частота вращения ротора 1000 мин-1, площадь поверхности соприкосновения гарнитуры ротора и ста¬тора 0,40 м2.
Проклейка. Назначение проклейки — придание бумаге или картону ограниченных впитывающих свойств по отношению к воде, чернилам, типографской краске и другим жидкостям и улучшение многих других физико-механических свойств. При неограниченном впитывании (у неклееной бумаги), например, чернил, они будут впитываться в толщу листа бумаги, расходиться и проходить на его обратную сторону. Полное отсутствие впитывающих свойств будет вызывать стекание чернил с поверхности бумаги. Первое и второе явление делают бумагу непригодной для письма и печати. Поэтому процесс проклейки призван обеспечивать для каждого конкретного вида бумаги и картона свою строго определенную впитывающую способность, которая оценивается степенью проклейки.
Различают поверхностную проклейку и про¬клейку в массе. Поверхностную проклейку осуществляют нанесением крахмального или животного клея на поверхность го¬товой бумаги. Применяется она для производства некоторых спе¬циальных высокосортных видов бумаги – документной, чертежной, картографической и др. Подавляющее большинство видов бумаги и картона проклеивается введением проклеивающих веществ в бу¬мажную массу перед отливом бумажного листа, т. е. проклеива¬ется в массе. Для проклейки в массе применяют гидрофобные (водоотталкивающие) вещества, а процесс проклейки все чаще называют гидрофобизацией бумаги или картона. Основным гидрофобизующим веществом является канифоль, выделяемая из смолы хвойных древесных пород. Канифольная или смоляная проклейка бумаги была изобретена в 1807г. Иллигом.
На многие предприятия проклеивающие вещества поступают в виде готового клея – клея-пасты (это сваренный клей, но еще не разведенный водой). После разбавления водой до требуемой концентрации он готов к применению. Это исключает необходи¬мость иметь на предприятии клееварочное отделение, и, что важ¬нее, клей всегда получается стабильным и высококачественным. В перспективе планируется все предприятия перевести на исполь¬зование клея-пасты, поставляемого централизованно с нескольких клееварочных заводов.
Наполнение. Под наполнением бумаги понимают введение в композицию бумаги минеральных веществ-наполнителей для улучшения ее качества и экономических показателей. Введением наполнителей в композицию бумаги достигаются следующие цели: снижается себестоимость производства бумаги, так как стоимость наполнителя ниже стоимости волокон, часть которых заменяется наполнителем; повышается белизна бумаги, поскольку почти все наполнители имеют более высокую степень белизны, чем волокна; существенно увеличивается гладкость поверхности бумаги за счет заполнения частичками наполнителя пор и неровностей между волокнами на шероховатой поверхности листа; уменьшается не¬прозрачность бумаги, что дает возможность писать и печатать с обеих сторон листа; улучшается равномерность просвета; уве-личивается мягкость и пластичность – бумага меньше «шумит» при перелистывании; снижается объемная масса, пористость и, следовательно, впитываемость типографских красок и т. п.
О содержании наполнителя в бумаге судят по показателю зольности бумаги, который определяют по массе прокален¬ного остатка после сжигания навески бумаги и выражают в % к массе бумаги. Зольность бумаге придает в основном наполни¬тель, так как естественная зольность волокон менее 1 %.
По зольности бумагу делят на четыре группы: бумага с естественной зольностью — фильтровальная, электроизоляци¬онная, основа для фибры и пергамента, жиронепроницаемая; наполнители не вводятся;
1. бумага малозольная (с зольностью до 5%) — газетная, мундштучная, обойная и др.; в этих видах бумаги важно сохранить механическую прочность, поэтому повышение содержания наполнителей, существенно снижающих механи¬ческие показатели бумаги, нецелесообразно;
2. бумага средней зольности — писчая с зольностью до 6—8%, некоторые виды бумаги для печати с зольностью до 15%; в эти виды бумаги наполни¬тель вводится в ограниченных количествах;
3. бумага высокозольная (зольность свыше 15%) — это типографская, для глубокой печати и др.; для этих бумаг важно иметь хорошие печатные свойства и высокую непрозрачность, поэтому содержание наполнителя в них большое.
Общим недостатком введения наполнителей является заметное снижение механической прочности и степени проклейки бумаги. Кроме того, с увеличением содержания наполнителей в большей степени обнаруживается пылимость бумаги — явление отделения от поверхности бумаги мелких волокон, частиц наполнителя, проклеивающих веществ. Этот эффект резко ухудшает качество пе¬чати — бумажная пыль прилипает к печатной форме, забивает набор и клише.
Крашение и подцветка. С целью придания бумаге приятных эстетических свойств многие ее виды производят цветными, на¬пример: афишную, обложечную, писчую цветную, бумагу для спи¬чечных коробков, конвертную, салфеточную, упаковочные виды и др. Различают крашение бумаги и подцветку. В процессе кра¬шения бумаге придается необходимый цвет, а при подцветке — определенный цветовой оттенок, для чего в бумажную массу перед изготовлением бумаги вводят соответствующие красители. Краше¬ние бумаги является сложным процессом, так как окраске подвер¬гается бумажная масса, в большинстве случаев состоящая из не¬скольких разнохарактерных волокнистых, наполняющих и про¬клеивающих частиц, которые имеют различную восприимчивость к одному и тому же красителю; поэтому для получения качест¬венно окрашенной бумаги очень важно правильно подобрать кра-ситель.
В бумажной промышленности нашли применение в основном красители органического происхождения: основные, кислотные, прямые, а также некоторые минеральные пигменты. Применяемые красители имеют много различных цветов и оттенков и обладают высокой красящей способностью.



2. Основные технологические процессы изготовления бумаги на бумагоделательной машине, их назначение и характеристика.

Технологический процесс изготовле¬ния бумаги (картона) включает следующие основные операции: аккумулирование бумажной массы; разбавление ее водой до необходимой концентрации и очистку от посторонних включений и узелков; напуск массы на сетку; формование бумажного полотна на сетке машины; прессование влажного листа и удаление из¬бытка воды: сушку; машинную отделку и намотку бумаги (кар-тона) в рулон. В технологическом потоке производства бумаги бумагоделательная машина — самостоятельный агрегат, основные узлы которого установлены строго последовательно вдоль мон¬тажной оси.
Аккумулирование. Приготовление бумажной массы про¬водят в размольно-подготовительном отделе. Потоки волокнистых, наполняющих, проклеивающих, окрашивающих и других материа¬лов, составляющих композицию данного вида будущей бумаги, направляются в дозатор или составитель композиции, где они не¬прерывно и строго дозируются в заданном соотношении, а затем поступают в мешальный бассейн. В этом бассейне масса тща¬тельно перемешивается и аккумулируется (накапливается).
Рафинирование. Рафинирование бумажной массы произ¬водится перед ее подачей на машину в аппаратах непрерывного действия — конических и дисковых мельницах. В процессе рафи¬нирования бумажной массы происходит выравнивание степени по¬мола массы, устранение пучков волокон и некоторый подмол массы. Для этого мельницы устанавливают после машинного бас¬сейна непосредственно перед бумагоделательной машиной.
Подача массы на бумагоделательную машину. По выходе из машинных бассейнов масса при концентрации 2,5— 3,5 % дозируется и направляется на бумагоделательную машину. Перед поступлением на машину она разбавляется оборотной во¬дой, очищается от посторонних загрязнений, а также от узелков и комочков. Для поддержания постоянной массы 1 м2 вырабаты¬ваемой бумаги необходимо, чтобы в единицу времени на сетку машины поступало одно и то же количество массы, при этом ско-рость машины должна быть постоянной. Скорость машины изме¬няют при переходе на выработку другого вида бумаги.
На современных бумагоделательных машинах массу 1 м2 вы-рабатываемой бумаги поддерживают постоянной автоматическими регуляторами. На бумагоделательную машину массу подают с по¬мощью насоса и ящика постоянного напора. Масса, поступающая на бумагоделательную машину, разбавляется водой в смеситель¬ном насосе. Разбавление необходимо, во-первых, для последующей очистки массы, так как из густой массы трудно удалять загрязне¬ния, и, во-вторых, для лучшего формования бумаги на сетке бу¬магоделательной машины.
Формирование бумажного листа на сетке бу¬магоделательной машины. Бумажная масса, разбавлен¬ная до необходимой концентрации и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик бумагоделательной ма¬шины. Необходимая степень разбавления массы для отлива бу¬маги на сетке бумагоделательной машины зависит от массы 1 м2 бумаги, рода волокна и степени помола массы. Формирование бумажного листа на сетке бу¬магоделательной машины. Бумажная масса, разбавлен¬ная до необходимой концентрации и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик бумагоделательной ма¬шины. Необходимая степень разбавления массы для отлива бу¬маги на сетке бумагоделательной машины зависит от массы 1 м2 бумаги, рода волокна и степени помола массы
Напуск массы на сетку. Эта операция осуществляется при помощи напускного устройства — напорного ящика. Для нор¬мальной работы машин при скоростях 450—500 м/мин требуется напор массы в напорном ящике 2,5—3 м, при скорости 600 м/мин — около 4,2 м и т. д. Напускное устройство обеспечивает напуск бумажной массы на бесконечную сетку, движущуюся в направле¬нии от грудного к гауч-валу, с одинаковой скоростью и в одина¬ковом количестве по всей ширине сетки. Напуск массы осуществ¬ляется почти параллельно сетке без всплесков. Скорость напуска массы на сетку должна быть на 5—10 % ниже скорости сетки. Если скорость массы значительно отстает от скорости сетки, то увеличивается продольная ориентация волокон (ориентация в ма¬шинном направлении) и прочность бумаги в продольном направ¬лении.
Формирование бумажного листа (отлив). Формирование, или отлив, бумажного листа представляет собой процесс объеди¬нения волокон в листовую форму с созданием определенной объ¬емной капиллярно-пористой структуры. Этот процесс осуществля¬ется на сеточной части бумагоделательной машины постепенным и последовательным удалением воды из бумажной массы (обез¬воживанием). Режим обезвоживания, начинаемый в начале сеточ¬ного стола и заканчиваемый сушкой бумаги в сушильной части, на всех этапах технологического процесса оказывает существенное влияние на качество бумаги и производительность машины.
Прессование. После сеточной части бумажное полотно по¬ступает в прессовую, состоящую обычно из нескольких прессов, на которых оно последовательно обезвоживается до сухости 30— 42 %. Для интенсификации обезвоживания полотна в прессовой части применяют прессы с желобчатыми валами и повышенным линейным давлением между ними. Важное значение для обезво¬живания полотна имеют надлежащий подбор сукон и их конди¬ционирование. Бумажное полотно, сформованное в сеточной части, автоматически вакуум-пересасывающим устройством передается на сукно прессовой части. Современные конструкции комбиниро¬ванных многовальных прессов обеспечивают прохождение бумаги без свободных участков (участков, где полотно бумаги не поддер-живается сукном), что позволяет осуществить безобрывную про¬водку бумаги в прессовой части.
Сушка. В сушильной части бумагоделательной машины бу¬мажное полотно обезвоживается до конечной сухости 92—95 %. В процессе сушки удаляется 1,5—2,5 кг воды на 1 кг бумаги, что примерно в 50—100 раз меньше, чем на сеточной и прессовой частях машины. При сушке одновременно происходит дальнейшее уплотнение и сближение волокон. В результате повышается меха¬ническая прочность и гладкость бумаги. От режима сушки зави¬сят объемная масса, впитывающая способность, воздухопроницае¬мость, прозрачность, усадка, влагопрочность, степень проклейки и окраска бумаги.
Бумажное полотно, проходя по сушильным цилиндрам, пооче¬редно соприкасается с нижними и верхними цилиндрами то одной, то другой своей поверхностью. Для лучшего контакта между ци¬линдрами и бумагой и облегчения заправки применяют сушиль¬ные сукна (сетки), охватывающие сушильные цилиндры примерно на 180°.
Сушка бумаги на сушильном цилиндре состоит из двух фаз: на нагретой поверхности цилиндра под сукном и на участке сво¬бодного хода, т. е. когда бумажное полотно переходит с одного цилиндра на другой. В первой фазе, под сукном, испаряется основ¬ное количество влаги: на тихоходных машинах до 80—85 %, на быстроходных до 60—75 % всей влаги, испаряемой в сушильной части машины. Во второй фазе, на участках свободного хода влага испаряется с обеих сторон бумаги за счет тепла, поглощен¬ного бумагой в первой фазе сушки. При этом бумага в зависи¬мости от скорости машины претерпевает понижение температуры на 4—15°. При падении температуры снижается скорость сушки, особенно на тихоходных машинах, так как на них падение темпе¬ратуры полотна бумаги больше, чем на быстроходных. С повыше¬нием скорости машины количество испаряемой воды на участке свободного хода бумаги увеличивается. С уменьшением количе¬ства воды в бумажном полотне интенсивность сушки на свобод¬ном участке понижается.
Температуру сушильных цилиндров повышают постепенно, что способствует улучшению качества бумаги и завершению процесса проклейки. В конце сушильной части температуру поверхности цилиндров снижают, так как высокая температура при небольшой влажности бумаги действует на волокна разрушающе.
Отделка. После сушки бумажное полотно с целью уплотне¬ния и повышения гладкости проходит через машинный каландр, состоящий из расположенных друг над другом 2—8 валов. По¬лотно, огибая поочередно валы каландра, проходит между ними при возрастающем давлении. Современные машинные каландры снабжаются механизмами прижима, подъема и вылегчивания ва¬лов. Нижний вал и один из промежуточных выполняются с регу¬лируемым прогибом, что позволяет применять высокие давления в захватах валов при сохранении равномерности давления по ширине полотна. Пройдя каландр, бумажное полотно непрерывно на¬матывается на тамбурные валы в рулон диаметром до 2500 мм. Перезаправка с одного тамбурного вала на другой осуществля¬ется при помощи специальных механизмов и устройств.
После бумагоделательной машины бумага поступает на про¬дольно-резательный станок и далее к упаковочной машине. Для получения более высоких показателей плотности, гладкости и лоска большинство видов бумаги для печати, писчей и техниче¬ской пропускают через суперкаландр.
Размещение бумагоделательных машин. Бумаго- и картоноделательные машины размещаются на двух этажах. Ос¬новные узлы машины, где формируется, обезвоживается и нама¬тывается полотно, размещаются на втором этаже, а вспомогатель¬ное оборудование технологических коммуникаций — на первом. На первом этаже устанавливается также оборудование для пере¬работки мокрого (гауч-мешалка) и сухого (гидроразбиватель) брака, станция централизованной смазки и др.


Литература

Кондрашкова Г. А., Леонтьев В. Н., Шапоров О. М. Автоматизация технологических процессов производства бумаги. – М.: Лесная промышленность, 1989.
Шитов А. Ф. Технология целлюлозно-бумажного производства. – М.: Лесная промышленность, 1990.