제지기: 작동 원리, 종류 및 주요 구성 요소

제지기의 작동 원리 - 종류, 구성 요소 및 생산 공정

제지기는 고속 직렬 생산 라인을 통해 원료 펄프를 완제품 종이로 변환합니다. 제지 기계 이들은 전 세계 펄프 및 제지 산업의 핵심 동력이며, 이 시장은 2023년 한 해에만 4억 2천만 톤 이상의 종이와 판지를 생산했습니다. Statista 글로벌 시장 데이터경량 티슈 생산을 위한 분당 2,200m 속도의 기계든, 고중량 컨테이너보드 생산을 위한 분당 600m 속도의 기계든, 모든 제지기는 동일한 공정 순서를 따릅니다. 즉, 원료 준비, 성형, 압착, 건조 및 마무리 공정입니다.

제지 기계의 작동 원리에 대한 자세한 설명, 다양한 유형의 기계 분석, 그리고 제지 공장 사양 작성자와 구매 담당자가 다양한 기계 선택 사항을 평가하는 데 필요한 엔지니어링 세부 정보를 제공합니다.

종이 제조기는 무엇이며 어떻게 작동합니까?

제지기는 희석된 셀룰로오스 섬유 현탁액(일반적으로 1% 미만)을 사용하여 건조된 완제품 종이 웹을 만드는 산업용 장치로, 분당 300미터에서 2,000미터 이상의 속도로 생산됩니다. 이 아이디어는 1799년 프랑스 발명가 루이 니콜라 로베르가 최초의 연속 제지 공정에 대한 특허를 받은 시점으로 거슬러 올라갑니다. 이후 포드린니어 형제, 브라이언 갬블, 그리고 실리가 영국에서 이 공정을 상업적으로 활용하기 위한 개발에 투자했으며, 이들은 엔지니어 브라이언 돈킨과 협력하여 실용적인 생산 기계를 제작했습니다. 이는 1804년경에 이루어졌습니다.

제작 과정은 여섯 가지 핵심 단계로 구성됩니다.

1. 원료 준비 – 원료(신규/재활용) 섬유는 세척, 정제 과정을 거쳐 0.3~1.0% 농도로 희석됩니다. 정제기에서 섬유는 분쇄 과정을 통해 종이 제조에 적합한 섬유 길이와 미세 섬유화 상태를 갖게 됩니다.
2. 형성(와이어 구간) - 헤드박스에서 공급되는 희석된 원료는 움직이는 와이어 메쉬 위에 놓입니다. 물은 중력과 진공에 의해 메쉬를 통해 빠져나가 18~22% 고형분 함량의 습윤 섬유 매트를 형성합니다.
3. 압착 공정 - 습윤된 웹은 2~4개의 압착 닙을 통과하면서 물에 젖게 되며, 이 과정에서 기계적으로 물이 짜내집니다. 이로써 웹의 점도가 35~50%까지 증가하며, 각 닙은 50~150kN/m의 선형 하중을 가합니다.
4. 건조 – 증기로 가열된 실린더를 통과하면서 종이에서 수분이 방출되는 과정(K): 100~160°C(대략적인 값); 건조 과정은 제지기에서 사용되는 총 에너지의 60~70%를 소비합니다.
5. 캘린더링 — 하드 닙 및 소프트 닙 캘린더는 판재의 외관을 개선하고 두께 변화를 어느 정도 제어할 수 있게 해줍니다. 캘린더 롤러의 닙 압력은 20~300kN/m 범위에서 조절 가능합니다.
6. 권취 및 감기 — 컨베이어 시스템은 최종 웹을 릴로 이송하고, 릴에서 웹은 대형 모재 롤로 감긴 다음 절단되어 고객이 원하는 너비로 다시 감깁니다.

제지기 종류 - 포드린니어식 vs. 실린더식 (고속 인쇄 및 포장)

제지기에는 크게 포드린니어 방식과 실린더 방식, 두 가지 구조가 있습니다. 이 두 방식은 종이 성형 시스템에서 차이가 나며, 이는 최고 속도, 생산되는 종이의 구조, 그리고 가장 적합한 종이 종류에 영향을 미칩니다.

포드린니어 제지기는 오늘날 상업 생산에서 여전히 가장 널리 사용되는 제지 방식입니다. 이 제지기는 헤드 박스에서 나오는 희석 원액을 지지하기 위해 수평으로 움직이는 철망을 사용합니다. 탈수는 중력, 테이블 롤, 진공 보조 건조기 등을 통해 이루어지며, 그 결과 섬유가 비교적 불규칙하게 배열된 단층 웹이 생성됩니다. 티슈, 신문용지부터 두꺼운 라이너보드에 이르기까지 모든 등급에서 포드린니어 제지기는 최고의 생산성과 속도를 제공합니다.

원통형 성형기는 1809년 존 디킨슨이 처음 설계했으며, 섬유 슬러리가 담긴 용기에 부분적으로 잠긴 회전하는 와이어 코팅 실린더를 사용합니다. 물이 와이어를 통해 빠져나가면서 섬유 침전물이 실린더에 쌓입니다. 일반적으로 여러 개의 실린더를 직렬로 연결하여 다층 보드를 만듭니다. 원통형 성형기는 다층 구조 또는 지폐 용지, 필터 용지, 고보안 문서와 같은 특수 용지가 필요한 곳에 사용됩니다.

세 번째 유형은 트윈 와이어 포머 또는 갭 포머입니다. 이 포머는 유연한 섬유 슬러리 제트를 수렴하는 와이어 사이로 자유롭게 주입할 수 있으며, 상단 및 하단 와이어에서 동시에 탈수가 이루어집니다.これにより、本宝入に基づいて、減康入れた宝入れ、宝 ...ます。

기존에 경쟁 관계였던 두 가지 유형 사이에서, 현대적인 조합인 트윈 와이어 포머(또는 갭 포머)가 현재 제지 기계에서 널리 사용되는 유형입니다. 이는 전통적인 포드린니어 설계의 논리적 확장으로, 두 개의 수렴된 와이어 사이에 섬유를 주입하여 상하에서 동시에 탈수를 수행합니다. 이러한 방식은 분당 2000m를 초과하는 매우 빠른 속도에서도 섬유 형성을 개선하고 섬유 배향을 대칭적으로 만듭니다.

제지기의 핵심 구성 요소

생산 라인 속도가 기계 효율과 동일한 것은 아닙니다. 총 공정 에너지와 특정 운영 비용은 기계 설계, 적용되는 웹 장력, 그리고 각 구성 요소 내의 시스템 효율과 밀접한 관련이 있습니다. 주요 제지 기계 구성 요소에는 헤드박스, 성형부, 프레스부, 건조부, 그리고 릴 및 와인더가 포함됩니다.

헤드 박스

헤드박스는 표준화되고 난류 제어된 희석 원액(고형분 함량 1~2% 기준)을 기계 전체 폭에 걸쳐 고르게 분사합니다. 오늘날, 슬라이스 개구부를 조절할 수 있는 유압식 헤드박스는 기계 전체 폭에 걸쳐 원액의 비점도를 0.4% 미만으로 정밀하게 제어할 수 있습니다. 희석 프로파일 측정법과 같은 분배 시스템은 평량 프로파일을 ±0.5g/m² 이내로 제어할 수 있습니다. 분사 속도와 와이어 속도의 비율(소위 돌입 속도/저항 비율)은 제지기 설계자가 작동 매개변수를 결정할 때 중요한 요소이며, 일반적으로 와이어 속도의 ±2% 범위 내에서 결정됩니다. 이 비율은 섬유 배향 및 제품 유형에 영향을 미칩니다.

성형부(와이어) — 판재 성형

성형 공정은 자유수를 제거하는 역할을 합니다. 포드린니어 제지기에서는 와이어가 테이블 롤, 포일, 진공 선반 위를 순차적으로 지나갑니다. 고급 성형 직물(나일론이나 폴리에스터와 같은 60~90/cm 셀 크기의 직조 합성 성형 시트)은 와이어 기반 시스템보다 내구성이 뛰어나고 마모에 강하며 세척이 용이합니다. 포드린니어 제지기는 이전 섹션 출구에서 약 18~22%의 고형분 함량을 가진 웹을 받습니다. 제지기 운영에는 마모되는 직물 부품(성형 직물, 프레스 펠트, 건조기 직물)의 교체에 대한 지속적인 비용이 발생합니다.

언론 부문

제지 기계는 수분 함량이 높은 종이 웹을 표면 처리하도록 설계되었습니다. 프레스 롤은 기계적 하중을 가하여 웹을 압축함으로써 고형분 함량을 35~50%까지 높입니다. 일반적인 프레스 섹션에는 직선형, 역방향 또는 복합형 닙 구성을 사용하는 2~4개의 닙이 있습니다. 슈 프레스 기술은 닙 접촉 길이를 연장하여 출구 건조도를 높입니다. 이는 동일한 선형 하중에서 기존 롤 프레스보다 일반적으로 2~5% 더 높은 건조도를 제공합니다.

건조기 섹션

건조부에서는 증기로 가열되는 주철 실린더(직경 1.5~1.8m)를 사용하여 접촉 열전달 방식으로 직물을 건조합니다. 대부분의 기계는 5~7개의 독립적으로 구동되는 건조기 그룹을 사용하며, 각 그룹은 개별적인 증기 압력 및 건조 직물 제어 기능을 갖추고 있습니다. 증기 압력은 일반적으로 직물 등급 및 기계 속도에 따라 100~600kPa 범위에서 변동합니다. 건조기 표면 온도는 100~160°C입니다.

캘린더, 롤러, 릴

캘린더는 용지 표면 질감과 용지 두께를 제어합니다. 소프트 닙 캘린더는 가열된 강철 롤에 폴리머 코팅된 닙 롤을 사용하는 반면, 하드 닙 캘린더는 두 개의 강철 롤로 구성됩니다. 완성된 용지는 릴에서 원지 롤에 감긴 후 절단 시스템으로 절단되고 전용 와인더에서 주문 사양에 따라 다시 감깁니다.

제지 공정 - 펄프에서 완제품 롤까지

전체 제지 기계 원료 준비부터 권취 작업까지 모든 과정은 제어된 일련의 연속적인 전환을 통해 진행됩니다. 각 단계에서 최종 시트 성능에 영향을 미치는 주요 매개변수를 특성화하고 연구합니다.

원자재 준비 - 크라프트지, 판지 및 재활용 원료

펄프 원료는 원목 펄프(강도 향상을 위한 침엽수, 마감 처리를 위한 활엽수), 재활용 섬유 또는 비목재 섬유(대나무, 사탕수수 찌꺼기, 밀짚) 형태로 공급됩니다. 비목재 섬유는 펄프 및 제지 산업에서 빠르게 성장하는 분야로, 2024년에는 469억 2천만 달러, 2034년에는 703억 3천만 달러 규모에 이를 것으로 예상됩니다. 포춘 비즈니스 통찰력.

원료 준비 단계에는 펄프화(고체상에서 섬유 추출), 세척(모래, 스테이플, 플라스틱 등의 오염물질 제거), 선별(크기가 큰 입자 제거), 정제(기계적 수단을 통해 섬유 결합력 조절)가 포함됩니다.

제지기 습식 공정

접근 유동 시스템은 제지 기계의 습식 공정에 정제된 원료를 공급하여, 스크린과 클리너를 통해 와이어에 적재 및 분배하기 전에 성형 농도(0.3~1.0%)로 성형 섹션에 투입합니다. 성형 와이어에서는 중력식 탈수 외에도 포일 및 테이블 롤의 강화 배수력, 흡입 박스, 흡입 드럼의 세 가지 탈수 방식이 적용됩니다. 와이어 끝단에서 웹의 고형분 함량은 약 18~22%에 도달합니다.

프레스 및 건조기 작동

프레스 롤은 기계적 압축을 통해 웹의 일관성을 35~50%까지 향상시킵니다. 프레스 건조도가 높을수록 후속 건조기 섹션의 스팀 부하에서 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 건조 실린더는 잠열 및 현열 전달을 통해 잔류 수분을 제거합니다. 일일 생산량 1,000톤 규모의 기계에서 건조기 섹션으로 배출되는 습식 시트는 약 1,200~1500톤 정도일 것으로 추정됩니다.

마무리, 절단 및 변환

건조 후, 용지는 사이즈 프레스(전분과 같은 첨가제 사용), 코팅 스테이션(코팅 인쇄 용지용), 캘린더 섹션을 거친 후 롤 형태로 펼쳐집니다. 원료 준비부터 최종 가공까지 전체 공정은 연속 생산 방식으로 진행됩니다. 최신 자동 제지 생산 라인은 24시간 연중무휴로 가동되며, 4~8주마다 정기적인 유지 보수를 위해 가동을 중단합니다.

물 사용량 수치는 다음에서 가져온 것입니다. 국립 아카데미 출판사 업계 벤치마크 보고서. 90% 물 재활용 통계는 다음에서 발췌되었습니다. 유럽제지산업연맹(CEPI) 2023년 주요 통계.

제지기 사양 - 등급별 속도, 폭, 생산량 및 용량

모든 제지기가 동일한 성능을 제공하는 것은 아닙니다. 기계 사양은 생산하려는 종이 등급에 따라 크게 달라집니다. 분당 2,200m의 속도로 작동하는 티슈 페이퍼 제지기의 설계 매개변수는 하루 3,000톤 이상을 생산하는 대용량 판지 생산 라인과는 근본적으로 다릅니다. 아래는 등급별 사양 범위입니다.

새로운 설비 구축이나 제지 설비 업그레이드를 위해 기계를 선정할 때, 종이 롤, 종이컵 보드 또는 완제품 종이 등 원하는 연간 생산량에 따라 필요한 최소 속도와 재단 폭 조합이 결정됩니다. 예를 들어, 연간 1,000톤의 컨테이너보드를 생산하려면 일반적인 라이너보드 평량을 기준으로 분당 800미터의 속도와 7미터 이상의 재단 폭을 가진 기계가 필요합니다.

제지기 기술의 지속가능성과 미래 동향

제지 기계 성능은 현재 재활용 섬유 사용, 에너지 최소화, 디지털 맞춤화라는 세 가지 교차하는 방향으로 발전하고 있습니다. 이는 미래의 개념이 아니라, 현대 제지 기계를 재정의하는 현재의 투자 프로그램입니다.

재활용 섬유 및 순환 경제 제조

시장 조사 미래 시장 통찰력 종이 재활용 산업은 연평균 5.7% 성장하여 2034년에는 세계 시장 규모가 13.1억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 현재 유럽 제지 공장들은 평균 약 72%의 섬유 재활용률을 유지하고 있습니다. 재활용 원료는 오염 물질 함량이 높고 재활용 섬유 길이가 짧아 종이 강도가 약해지는 등 제지 기계에 추가적인 부담을 줍니다. 따라서 종이 강도를 향상시키기 위해서는 새 섬유를 혼합해야 합니다.

에너지 효율 및 물 사용량 감소

핀란드와 스웨덴에 대한 분석에 따르면, 인쇄 공정의 효율성 개선, 열회수 설비 설치, 공정 자동화 향상 등이 복합적으로 작용하여 종이 1톤당 총 1차 에너지 소비량이 9.76MWh/톤에서 9.02MWh/톤으로 감소한 것으로 나타났습니다. 에너지 효율 저널(스프링거 네이처)최신 폐쇄형 순환 시스템을 통해 물 재활용률이 90%를 초과합니다. 최신 신발 프레스 시스템은 프레스 후 건조 결과를 2~5% 향상시켜 건조기 부분의 열에너지 소모량을 직접적으로 절감합니다.

인더스트리 4.0과 디지털 제지기

스칸디나비아와 북미 전역의 제조 시설에서는 상호 연결된 센서 네트워크, 디지털 페르소나, 인공지능 및 머신러닝 기반 장비 최적화 시스템 등 다양한 디지털 자동화 개념을 도입하고 있습니다. 건조기 실린더나 베어링과 같은 장치의 진동 및 온도를 분석하는 예측 유지보수 알고리즘을 활용하여 장비 고장을 줄일 수 있습니다. 동적 제어 시스템은 최적의 생산 가동 범위를 위해 평량, 수분 함량 및 두께 프로파일을 자동으로 조정합니다.

시장 전망

에 따르면 포춘 비즈니스 통찰력세계 펄프 및 제지 기계 시장 규모는 2025년에 1,179억 2천만 달러였으며, 연평균 4.4%의 성장률로 2034년에는 1,710억 5천만 달러에 이를 것으로 예측됩니다. 미국산림제지협회(AF&PA) 2024년 미국 종이 및 판지 생산량이 3.2% 증가할 것으로 예상되며, 컨테이너보드 생산량이 증가세를 주도할 것으로 전망됩니다. 포장재 수요(전자상거래 및 기타 용도에서 플라스틱을 대체)는 새로운 제지 기계 설비 구축 투자의 주요 동력으로 작용하고 있습니다.

자주 묻는 질문