Бумага для производства бумаги: принцип работы, типы и основные компоненты.

Как работает бумагоделательная машина — типы, компоненты и производственный процесс

Бумагоделательная машина превращает сырую целлюлозу в готовую бумагу с помощью высокоскоростной производственной линии. Машины для производства бумаги Они являются основными рабочими лошадками мировой целлюлозно-бумажной промышленности — рынка, который, по данным за 2023 год, произвел более 420 миллионов тонн бумаги и картона. Данные глобального рынка StatistaНезависимо от типа бумагоделательной машины — будь то машина для производства легкой папиросной бумаги со скоростью 2,200 м/мин или более плотная картонная тара со скоростью 600 м/мин — вы можете рассчитывать на одну и ту же последовательность технологических процессов: подготовка материала, формовка, прессование, сушка и отделка.

Подробное объяснение принципа работы бумагоделательных машин, описание различных типов машин, а также технические характеристики, необходимые составителям технических спецификаций и сотрудникам отдела закупок для оценки различных вариантов обработки материалов.

Что такое бумагоделательная машина и как она работает?

Бумагоделательная машина — это промышленное устройство, которое берет разбавленную суспензию целлюлозных волокон (обычно с концентрацией менее 1%) и формирует сухое, готовое бумажное полотно, производимое со скоростью от 300 метров в минуту до более чем 2,000 метров в минуту. Идея восходит к 1799 году, когда французский изобретатель Луи-Николя Робер получил патент на первый непрерывный процесс производства бумаги. Позже к нему присоединились братья Фордринье, Брайан Гэмбл и Сили, которые финансировали разработку процесса для коммерческого использования в Англии примерно в 1804 году, работая с инженером Брайаном Донкином над созданием пригодного для использования производственного оборудования.

Производственная последовательность состоит из шести основных этапов:

1. Подготовка сырья – Сырье (первичное/переработанное) промывается, очищается и разбавляется до консистенции 0.3-1.0%. Волокно в рафинерных цехах измельчается для получения подходящей длины и фибрилляции для бумажного листа.
2. Формирование (проволочная секция) - Разбавленный раствор, подаваемый из напорного ящика, наносится на движущуюся проволочную сетку. Вода выходит через сетку под действием силы тяжести и вакуума, образуя влажный волокнистый мат с содержанием твердых веществ 18-22%.
3. Прессование: Влажное полотно смачивается, проходя через 2-4 прессовальных зазора, из которых механически отжимается вода. Это повышает консистенцию до 35-50%, при этом каждый зазор создает линейную нагрузку 50-150 кН/м.
4. Сушка – выделение влаги из бумаги при ее прохождении через нагреваемые паром цилиндры (К): 100-160 °C (приблизительно); секция сушки потребляет 60-70% от общей энергии, используемой бумагоделательной машиной.
5. Каландрирование — Жесткие и мягкие каландры с прижимным узлом улучшают внешний вид листа и позволяют в некоторой степени контролировать изменение толщины. Давление в прижимном узле каландрового ролика может варьироваться от 20 до 300 кН/м.
6. Намотка и перемотка — Конвейерные системы транспортируют готовое полотно к катушке, где оно наматывается в большие рулоны, а затем разрезается и перематывается до желаемой ширины заказчика.

Типы бумагоделательных машин — Фордринье против цилиндрических (высокоскоростная печать и упаковка)

Существует две основные архитектуры бумагоделательных машин: машина Фордринье и цилиндрическая машина. Они различаются системой формования бумаги, что влияет на максимальную скорость их работы, структуру производимого листа и типы бумаги, для которых они лучше всего подходят.

Бумагоделательные машины Fourdrinier остаются доминирующим типом оборудования для современного промышленного производства бумаги. Они оснащены горизонтально перемещающейся проволочной сеткой, которая используется для поддержки потока разбавленной бумаги из напорного бункера. Обезвоживание происходит под действием силы тяжести, с помощью валков и вакуумных сушильных камер, в результате чего получается однослойное полотно с относительно неориентированными волокнами. Для всех сортов бумаги – от туалетной бумаги и газетной бумаги до плотного лайнерного картона – машины Fourdrinier обеспечивают наилучшую общую производительность.

Машины для изготовления цилиндрических форм, первоначально разработанные Джоном Дикинсоном в 1809 году, используют вращающийся цилиндр, покрытый проволокой, который частично погружен в емкость с волокнистой суспензией. По мере выхода воды через проволоку, отложения волокон накапливаются на цилиндре. Несколько последовательно соединенных цилиндров обычно складываются в стопку, образуя многослойные картонные листы. Машины для изготовления цилиндрических форм используются там, где требуются многослойные структуры или специализированные виды бумаги, такие как банкнотная бумага, фильтровальная бумага и документы с высокой степенью защиты.

Третья категория – двухпроволочные формовочные машины, или машины с зазором. Гибкая струя волокнистой суспензии может свободно впрыскиваться между сходящимися проволоками, обеспечивая одновременное обезвоживание как верхней, так и нижней проволоки. Это позволяет получить более симметричный лист с улучшенной формой, соответствующей высоким скоростям обычной машины Фордринье.

Между двумя ранее конкурирующими типами бумагоделательных машин сейчас широко распространена современная комбинация — двухпроволочная (или щелевая) машина. Она является логическим продолжением традиционной конструкции Фордринье, в которой волокно подается между двумя сходящимися проволоками, которые одновременно обезвоживают верхнюю и нижнюю части. Это приводит к улучшенному формированию и симметричной ориентации волокна при очень высоких скоростях, превышающих 2000 м/мин.

Основные компоненты бумагоделательной машины

Скорость линии не равна эффективности оборудования. Общая энергия технологического процесса и удельные эксплуатационные расходы тесно связаны с конструкцией машины, приложенным натяжением полотна и эффективностью системы в каждом компоненте. Ключевые компоненты бумагоделательной машины включают в себя головной блок, формовочный цех, прессовый цех, сушильный цех, а также рулон и намотчик.

Напорный

Напорный бункер подает стандартизированную, контролируемую по турбулентности струю разбавленного раствора (с содержанием твердых веществ 1-2%) равномерно по всей ширине машины. Сегодня гидравлические напорные бункеры с регулируемыми отверстиями для срезов способны контролировать удельную консистенцию волокнистого материала с точностью значительно ниже 0.4% по всему профилю машины. Системы распределения, такие как профилометрия разбавления, также позволяют контролировать профиль плотности с точностью ±0.5 г/м². Баланс соотношения скорости струи и скорости проволоки (так называемое соотношение скорости потока/скорости торможения) является важным фактором для конструкторов бумагоделательных машин при выборе рабочих параметров – обычно он находится в диапазоне ±2% от скорости проволоки, что влияет на ориентацию волокон и тип продукта.

Формовочный участок (проволока) — Формирование листа

Процесс формования отвечает за удаление свободной воды. «На бумагоделательной машине Fourdrinier проволока последовательно проходит по валкам стола, фольге и вакуумным полкам». Усовершенствованные «формовочные полотна (тканые синтетические формованные листы, такие как нейлон или полиэстер, с размером ячеек 60-90/см) более долговечны, износостойки и легче чистятся, чем системы на основе проволоки». На выходе из формовочного участка бумагоделательная машина Fourdrinier получает полотно с содержанием твердых веществ приблизительно 18–22%. Эксплуатация бумагоделательной машины влечет за собой постоянные расходы на замену изнашиваемых тканевых компонентов – формовочных полотен, прессовочных войлоков и сушильных полотен.

Пресс-раздел

Оборудование для производства бумаги предназначено для обработки бумажного полотна с высоким содержанием влаги. Прижимные валки создают механические нагрузки для сжатия полотна, повышая содержание твердых веществ до 35–50%. Типичная секция прессования содержит 2–4 зазора, использующих прямоточную, обратную или комбинированную конфигурацию зазоров. Технология прессования с помощью опорных валков увеличивает длину контакта зазоров, что приводит к более высокой сухости на выходе — часто на 2–5% выше, чем у обычных валковых прессов при эквивалентной линейной нагрузке.

Секция сушилки

В сушильной секции для сушки полотна методом контактного теплообмена используются чугунные цилиндры с паровым нагревом (диаметром 1.5–1.8 м). Большинство машин имеют 5–7 независимо управляемых сушильных групп, каждая из которых имеет индивидуальное управление давлением пара и типом сушильного полотна. Давление пара обычно варьируется от 100 до 600 кПа в зависимости от марки и скорости вращения машины. Температура поверхности сушилки составляет от 100°C до 160°C.

Календарь, ролик и катушка

Каландры контролируют текстуру поверхности и толщину листа. В мягких «прижимных» каландрах используется прижимной вал (покрытый полимером), прижимаемый к нагретому стальному валу, тогда как жесткие «прижимные» каландры состоят из двух стальных валов. Готовое полотно наматывается на рулон бумаги в основные рулоны, затем разрезается с помощью режущих систем и перематывается в соответствии с требованиями заказа на специальном намоточном устройстве.

Процесс производства бумаги — от целлюлозы до готового рулона.

Целиком бумагоделательная машина От подготовки материала до намотки — все этапы проходят через непрерывную серию контролируемых переходов. На каждом этапе характеризуются и изучаются ключевые параметры, влияющие на конечные характеристики листового материала.

Подготовка сырья — крафт-бумага, картон и переработанная мебель.

Целлюлозное сырье поступает в виде первичной древесной целлюлозы (хвойные породы для прочности, лиственные породы для отделки), переработанного волокна или недревесных материалов (бамбук, багасса, пшеничная солома). Недревесное волокно — быстрорастущий сегмент целлюлозно-бумажной промышленности, который, по прогнозам, к 2024 году будет оцениваться в 46.92 миллиарда долларов, а к 2034 году достигнет 70.33 миллиарда долларов. Бизнес-аналитика Fortune.

Этапы подготовки сырья включают в себя: варку целлюлозы (извлечение волокна из твердой фазы), очистку (удаление загрязнений, таких как песок, скобы и пластик), просеивание (удаление крупных частиц) и рафинирование (изменение способности волокна к связыванию механическим способом).

Операции влажной части бумагоделательной машины

Системы подачи сырья обеспечивают подачу сырья в мокрую часть бумагоделательной машины, вводя очищенное сырье в формовочную секцию в формовочной консистенции (0.3-1.0%), после чего оно подается и распределяется на сетку с помощью сит и очистителей. На формовочной сетке предусмотрены три варианта удаления воды (помимо гравитационного): усиленный дренаж с помощью фольги и валков стола, вакуумные камеры и вакуумные барабаны. К концу обработки на сетке содержание твердых веществ в полотне достигает приблизительно 18-22%.

Работа пресса и сушилки

В прессовальных валках плотность полотна дополнительно повышается до 35-50% за счет механического сжатия. Более высокая степень сухости при прессовании напрямую приводит к экономии энергии при последующей нагрузке на сушильную секцию паром. Цилиндры сушилки удаляют оставшуюся влагу за счет скрытой и явной теплоты. По оценкам, объем влажного полотна, выходящего из сушильной секции для машины производительностью 1,000 тонн в сутки, составляет примерно 1,200-1500 тонн в сутки.

Отделка, раскрой и обработка

После сушки полотно может быть обработано на клейком прессе (с добавками, такими как крахмал), станции нанесения покрытия (для мелованных печатных марок) и каландровой секции, прежде чем оно будет сформировано в рулоны. От подготовки материала до финишной обработки весь процесс протекает в режиме непрерывного производства. Современные автоматизированные линии по производству бумаги работают круглосуточно и без выходных, плановые остановки для технического обслуживания проводятся каждые 4-8 недель.

Данные об использовании воды взяты из Пресса национальных академий Отраслевой сравнительный отчет. Статистика по 90% повторному использованию воды взята из... Основные статистические данные Конфедерации европейской бумажной промышленности (CEPI) за 2023 год..

Технические характеристики бумагоделательной машины — скорость, ширина, производительность и вместимость по сортам бумаги.

Не все бумагоделательные машины одинаковы. Технические характеристики комплектующих сильно различаются в зависимости от сорта бумаги, для производства которой предназначена машина. Для машины по производству туалетной бумаги, работающей со скоростью 2,200 м/мин, параметры проектирования существенно отличаются от параметров высокопроизводительной линии по производству картона для упаковки, работающей со скоростью более 3,000 тонн в день. Ниже приведен диапазон технических характеристик по категориям сортов бумаги.

При выборе оборудования для нового предприятия или модернизации бумагоделательной машины желаемый годовой объем производства — будь то рулонная бумага, картон для бумажных коробок или все сорта бумаги — определяет минимальное необходимое сочетание скорости и ширины обрезки. Для достижения годового объема производства картона для контейнеров в 1,000 тонн в сутки фабрике требуется машина, работающая с номинальной скоростью 800 метров в минуту, с шириной обрезки более 7 метров, при условии типичной плотности картона для лайнерного картона.

Устойчивое развитие и будущие тенденции в технологии бумагоделательных машин

В настоящее время производительность бумагоделательных машин развивается по трем взаимосвязанным направлениям: использование переработанного волокна, минимизация энергопотребления и цифровая персонализация. Это не концепции будущего – это текущие инвестиционные программы, переосмысливающие современные бумагоделательные машины.

Переработанное волокно и циклическое производство

Исследование рынка Будущее понимание рынка Прогнозируется ежегодный рост отрасли переработки бумаги на 5.7% в год, до глобального объема в 13.1 млрд долларов США к 2034 году. Существующие европейские фабрики поддерживают средний уровень переработки волокна на уровне примерно 72%. Переработанное сырье предъявляет дополнительные требования к бумагоделательной машине, такие как более высокое содержание загрязнений и более короткие переработанные волокна, что приводит к ухудшению характеристик листа. Для улучшения прочностных характеристик листа необходимо смешивать первичное волокно.

Энергоэффективность и сокращение потребления воды

Анализ данных по Финляндии и Швеции показывает, что общее потребление первичной энергии на тонну бумаги снизилось с 9.76 МВт·ч/тонну до 9.02 МВт·ч/тонну благодаря сочетанию мер по повышению эффективности в печатном цехе, установке систем рекуперации тепла и усовершенствованию автоматизации производственных процессов, как опубликовано в [источнике]. Журнал «Энергоэффективность» (Springer Nature)В современных системах замкнутого цикла рециркуляция воды превышает 90%. Современные системы прессования обуви обеспечивают на 2-5% более высокую степень сухости после прессования, что напрямую экономит тепловую энергию, необходимую для работы сушильной секции.

Индустрия 4.0 и цифровые бумагоделательные машины

На производственных предприятиях Скандинавии и Северной Америки внедряется множество концепций цифровой автоматизации, таких как взаимосвязанные сенсорные сети, цифровые портреты пользователей и системы оптимизации оборудования на основе искусственного интеллекта и машинного обучения. Использование алгоритмов прогнозирующего технического обслуживания для анализа вибраций и температуры таких устройств, как цилиндры сушилок или подшипники, позволяет сократить количество неисправного оборудования. Динамическое управление автоматически адаптирует профили плотности, влажности и толщины материала для оптимального режима работы производства.

Обзор рынка

По оценкам Бизнес-аналитика FortuneМировой рынок оборудования для целлюлозно-бумажной промышленности в 2025 году составлял 117.92 млрд долларов США и, по прогнозам, достигнет 171.05 млрд долларов США к 2034 году при среднегодовом темпе роста 4.4%. Американская ассоциация лесной и бумажной промышленности (AF&PA) Согласно прогнозам, в 2024 году производство бумаги и картона в США вырастет на 3.2%, при этом лидирующие позиции займет производство картона для упаковки. Спрос на упаковку (замена пластика в электронной коммерции и других областях применения) остается основным стимулом для инвестиций в строительство новых бумагоделательных машин.

Часто задаваемые вопросы