紙機鋼制烘缸技術(shù)存在的問題及對策分析

劉超鋒

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院河南省表界面科學(xué)重點實驗室，河南鄭州，450002）

按照在工藝流程中的作用，造紙行業(yè)的鋼制烘缸可以分為造紙烘缸和熱壓缸（鑄涂烘缸）。其中，造紙烘缸用于紙機干燥部，作為紙張或毛毯的干燥設(shè)備。鑄涂烘缸作為鑄涂的關(guān)鍵裝置，專門用于生產(chǎn)鑄涂紙。在造紙行業(yè)，不管是造紙烘缸還是鑄涂烘缸，一百多年來的多是鑄鐵［1］材料的。鋼制烘缸的工作原理與鑄鐵烘缸相同：烘缸在運轉(zhuǎn)中，內(nèi)通蒸汽將輸送的紙張烘干燙光。其工作介質(zhì)可以是蒸汽或者導(dǎo)熱油，一般主要是蒸汽。但是，鋼制烘缸與鑄鐵烘缸的特點卻不相同。國內(nèi)對鋼制烘缸技術(shù)存在問題的分析和對策的研究也不多。

1 鋼制烘缸的優(yōu)點和缺點

鑄鐵烘缸需要紙機制造廠有專門的鑄造設(shè)備，鑄造過程比較復(fù)雜，使得紙廠訂購的鑄鐵烘缸受制于較長的交貨期。相比之下，從事鋼制壓力容器的機械廠更多，制造過程相對簡單，因此鋼制烘缸交貨期相對較短。與鑄鐵烘缸相比，鋼制烘缸在使用過程中的優(yōu)點是：缸面光澤度更高；缸壁更薄，避免了鑄鐵烘缸的鑄造缺陷而更安全；比相同尺寸的鑄鐵烘缸的傳熱能力高，甚至能保證紙張邊緣的干燥能力；在設(shè)計壽命期內(nèi)，沒有鑄鐵烘缸出現(xiàn)的蒸汽壓力隨著使用年限的增加而減壓運行的弊端。因此，大型鋼制揚克缸可以用于國內(nèi)生活用紙的生產(chǎn)。對新紙機而言，傳熱量需求更少可使生產(chǎn)線烘缸的數(shù)量更少，可節(jié)約投資成本和空間。對現(xiàn)有紙機的改造而言，在安裝相同數(shù)量烘缸的情況下，由于鋼制烘缸的端蓋可以設(shè)計成平蓋的，和相同面寬的傳統(tǒng)鑄鐵烘缸相比，鋼制烘缸可以干燥更寬的紙張。盡管鋼制烘缸存在很多優(yōu)點，但是還存在以下問題有待解決：鋼制烘缸的應(yīng)用不是很廣泛，在高車速下的性能還需時間檢驗；鋼制烘缸的制造過程包含焊接，需要采取措施防止焊接接頭缺陷和消除焊接殘余變形。鋼制烘缸應(yīng)用中存在的問題值得研究。

2 鋼制烘缸的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼制烘缸屬于國內(nèi)的一類壓力容器，必須遵守TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》以及GB150—1998《鋼制壓力容器》有關(guān)受壓元件材料選用的規(guī)定。其結(jié)構(gòu)由缸體、與缸體焊接或螺栓連接的缸蓋（較多為無折邊球形封頭，也有平蓋）、軸頭、人孔（或手孔）等部件組成。鋼制烘缸的缸體和缸蓋材料［2］，可選用Q235-B、Q235-C、Q245R、Q345R（對應(yīng)于日本的SB450）等壓力容器或鍋爐用鋼。缸蓋也可由鑄鋼澆鑄而成。鋼制烘缸因為是鋼板卷焊的，大直徑的烘缸剛性較差，加上焊接殘余應(yīng)力，因此需要增補加強筋。例如，為了保證缸蓋的安全，可以在缸蓋內(nèi)表面沿徑向均勻布置加強筋。如果在缸體內(nèi)設(shè)計加強筋，還可以強化傳熱。

鋼制烘缸的允許工作壓力由造紙工藝來確定，一般為0.1～0.8MPa，也有達到1.0MPa的。鋼制烘缸的外徑和幅面寬度是其主要規(guī)格尺寸，一般參考造紙工藝以及包括GB150—1998、ASME-VIII-1或PED等標準在內(nèi)的規(guī)定來綜合考慮。鋼制烘缸的外徑越大則產(chǎn)量越大，外徑不同，圓柱度公差隨著公差等級的不同而不同。有關(guān)鋼制烘缸的檢查孔，有關(guān)規(guī)定指出，外徑較小時，應(yīng)開設(shè)手孔；外徑較大時，則需要在缸蓋上開設(shè)人孔。此外，還必須設(shè)計兩孔（相隔180°），用于烘缸水壓試驗用的放氣孔及排水孔。鋼制烘缸的外徑越大，烘缸的平衡越困難。鋼制烘缸的幅面寬度越大，測量烘缸的圓柱度公差所需要的測量面積越大。有報道的鋼制烘缸的最大外徑和最大幅面寬度分別是9m和6m。

缸體最初的厚度按照可以承受的壓力輥負荷和壓力輥壓區(qū)的數(shù)量確定。影響鋼制烘缸厚度附加量的因素是卷板的圓度誤差、雙面焊的變形量、不超過20年的設(shè)計使用年限、設(shè)計壽命期內(nèi)車磨的時間間隔及每次的車磨加工余量，主要考慮烘缸缸體為滿足生產(chǎn)工藝要求所需的剛度、腐蝕和磨損裕度。

3 鋼制烘缸的制造

與鑄鐵烘缸制造過程中需要鑄型和時效處理的復(fù)雜制造工序相比，鋼制烘缸的制造比較簡單。

鋼制烘鋼制造過程如下：制造缸蓋→制造缸體→缸體的質(zhì)量控制→加工心軸→檢查部件→組裝部件及質(zhì)量控制→試運行缸體→組裝冷凝系統(tǒng)→組裝軸頭→最后的無損檢測和耐壓試驗→預(yù)磨和金屬噴涂→冷熱試驗→出貨。其中，缸體制造主要包括焊制、退火、車削、磨削、精磨、拋光、電鍍、拋光、修補缺陷、拋光、電鍍、拋光、無損檢測。焊接過程容易出現(xiàn)缺陷，例如，惠州市鍋爐壓力容器監(jiān)察檢驗所對新投用的某紙廠烘缸（設(shè)計壓力1.1MPa，腐蝕裕度2.0mm，焊縫系數(shù)0.85，材質(zhì)20g和20號鋼）檢驗時發(fā)現(xiàn)［3］，烘缸端蓋與主軸連接的角焊縫存在縱向焊接冷裂紋（最長20mm）；筒體對焊區(qū)域最小厚度僅4.5mm，小于校核計算厚度。由此看出重視鋼制烘缸制造質(zhì)量的意義。

鋼制烘缸的直徑越大，制造時的焊接變形越難控制；鋼板烘缸缸面材料的硬度比鑄鐵低，不一定比合金鑄鐵烘缸缸面材料耐腐蝕，尤其是紙張接觸不到的邊緣部位可能爛邊，因此，在制造工序中，需要采取保護缸面的特殊處理措施，以保證缸面達到規(guī)定的硬度、致密度和結(jié)合強度。

主要用于薄頁紙生產(chǎn)的內(nèi)壁有溝紋和集水管的揚克烘缸可以提高干燥能力。與脆性材料鑄鐵制造的烘缸相比，不銹鋼揚克烘缸［4］在設(shè)計壽命期內(nèi)可保持恒定的干燥性能，還可以避免事故。經(jīng)過特殊金屬噴涂后的不銹鋼揚克烘缸表面耐磨性能、起皺效果非常好。在國外，鋼制烘缸生產(chǎn)廠家主要有意大利Toscotec SpA和奧地利ANDRITZ等（見表1）。表2是國內(nèi)生產(chǎn)鋼制烘缸的情況。

表1 國外紙機廠生產(chǎn)鋼制造紙烘缸的情況

4 鋼制烘缸的使用

造紙企業(yè)為了提高產(chǎn)量，可以對烘缸進行技術(shù)改造。措施之一是把鑄鐵烘缸改為鋼制烘缸。使用鋼制烘缸可以節(jié)省投資和能源。例如，浙江蘭溪造紙廠33t/d的紙板機，采用鋼制大直徑烘缸可減少80％的投資，1年便投產(chǎn)使用，使用過程中與生產(chǎn)同類紙相比節(jié)省蒸汽50％。鑄鐵烘缸的漏氣問題是因為密封很難。鋼制烘缸的端蓋和缸體可以采取焊接，只要焊接質(zhì)量得到保證，密封就不成問題。鋼制造紙烘缸直徑4572mm（15ft）以下的有運行實例；直徑4572nm以上的高車速并且大直徑的烘缸運行實例比較少見。在國內(nèi)，南方一些造紙廠以前自制的鋼制烘缸最大直徑甚至大于6m。但是，國內(nèi)生產(chǎn)的大直徑鋼制烘缸的車速較低，而且因為烘缸表面處理技術(shù)不成熟導(dǎo)致耐腐蝕性能不夠，硬度提高也比較難，使缸面容易被刮刀劃出傷痕。在國外，紙機鋼制揚克缸用于衛(wèi)生紙機時，車速甚至能達到2400m/min。除提高鋼制烘缸的允許車速外，國內(nèi)造紙企業(yè)推廣鋼制烘缸的技術(shù)關(guān)鍵是：盡量減少紙廠定期噴涂磨缸的費用。某造紙廠一臺φ6230mm×1400mm的鋼板焊接烘缸，用時1個多月、花費3萬多元（1985年價）在工作面噴涂約2mm厚的不銹鋼。但是，此烘缸使用6年多以后，表面鍍層剝離寬35mm、長340mm、深約1mm。被迫再次進行修復(fù)，修復(fù)工藝是：停機2h使烘缸溫度降到40℃后，開始酸洗，再用清水沖刷，用鋼絲刷刷至露出金屬光澤，再用清水沖去鐵銹和污垢，待水跡干后用脫脂棉蘸丙酮洗4次，丙酮揮發(fā)后，用調(diào)好的膠料均勻涂覆在表面；用刮刀刮平；8h后基本固化，最后用細砂紙和油石磨平即可開機。投產(chǎn)10天后，復(fù)查情況良好。在此次修復(fù)中，所使用的中科院大連化物所配制的結(jié)構(gòu)修補膠的主要成分為耐高溫環(huán)氧樹脂+橡膠型增韌劑+改性的耐高溫、高濕的芳香性固化劑+耐磨金屬粉末。國外產(chǎn)鋼制烘缸在紙廠的使用情況分別見表3。

表2 國內(nèi)生產(chǎn)鋼制造紙烘缸的情況

表3 國外鋼制造紙烘缸在紙廠的使用情況

5 結(jié)語

近年來，隨著生活用紙紙機車速的不斷提高，鋼制烘缸的應(yīng)用逐漸增多。新投產(chǎn)的大型紙機上配置的高車速鋼制烘缸說明了這一點。在我國，鋼制烘缸的設(shè)計、制造和使用方面的經(jīng)驗明顯不足，以下問題急需解決：

（1）造紙機用鋼制烘缸的行業(yè)規(guī)范更新較慢。建議相關(guān)部門參考紙機鑄鐵烘缸設(shè)計規(guī)定和技術(shù)條件的更新周期，研討制定紙機鋼制烘缸設(shè)計規(guī)定，及時更新紙機鋼制烘缸技術(shù)標準與要求。

（2）解決鋼制烘缸制造工序中難度比較大的缸體外表面處理成本高、性能差的問題及其他制造難題。

（3）引進國外鋼制烘缸先進技術(shù)的相關(guān)紙廠，應(yīng)加強對引進設(shè)備使用性能的消化理解，提高鋼制烘缸的國產(chǎn)化水平，降低紙廠鋼制烘缸的采購價和維護成本。

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