通過(guò)熱噴涂涂層提高造紙效率

H. Jungklaus, Voith Paper Rolls, Laakirchen/A

工業(yè)界不斷增長(zhǎng)的需求導(dǎo)致對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量提出了更高的要求，在造紙工業(yè)中也是如此。歐洲造紙業(yè)的大規(guī)模合并引起了人們對(duì)成本效益的密切關(guān)注。這里去考察其他成本模型（如總體擁有成本）是很重要的，而不是僅僅努力投資去獲得整體產(chǎn)品的效益。

1 現(xiàn)代造紙工業(yè)

1.1 造紙工業(yè)的成本狀況

全球造紙工業(yè)面臨著整體消費(fèi)者行為的巨大變化。然而，全球紙張消費(fèi)需求仍在緩慢的增長(zhǎng)，因此，在產(chǎn)品和消費(fèi)領(lǐng)域的巨大轉(zhuǎn)變需要引起注意。由于電子媒體的增長(zhǎng)，西方國(guó)家面臨著繪畫紙生產(chǎn)和需求的銳減。如德國(guó)2013年生產(chǎn)了2.25千萬(wàn)噸紙，與2012年相比減少了0.7%[1-3]。其中，繪畫紙的部分減少了約6%，但紙板和包裝紙?jiān)黾恿?%以上，這些紙被網(wǎng)絡(luò)零售商店用來(lái)運(yùn)輸貨物，而衛(wèi)生用紙產(chǎn)量甚至增長(zhǎng)了4%。這個(gè)趨勢(shì)被傳到整個(gè)歐洲和北美，而亞洲和南美在各個(gè)造紙領(lǐng)域表現(xiàn)出了適量的增長(zhǎng)。

尤其是在西方國(guó)家，圖形紙的消費(fèi)已超出了其生產(chǎn)能力，這給一些大的生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了新的任務(wù)。

企業(yè)的合并重組以及專注于核心業(yè)務(wù)導(dǎo)致一些工廠停業(yè)而不再增加新的投資。根據(jù)觀察者的觀點(diǎn)，在接下來(lái)10年將有15%～25%的產(chǎn)能過(guò)剩必須處理。

這一普遍情況更被像能源、原材料以及國(guó)際市場(chǎng)動(dòng)態(tài)價(jià)格這樣的成本驅(qū)動(dòng)力所影響。環(huán)境的要求迫使生產(chǎn)者面臨更多的任務(wù)，能源領(lǐng)域的巨大變化激發(fā)了更多的潛能，但是不同的政治態(tài)度確實(shí)阻止了商業(yè)計(jì)劃的連續(xù)性。

所有這些相當(dāng)嚴(yán)格的政策措施增加了企業(yè)的投資和運(yùn)營(yíng)成本。然而就算真的有新的投資領(lǐng)域，企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本也必須受到嚴(yán)格的監(jiān)管，從而使最終的投資成本降到最低水平。企業(yè)的目標(biāo)是效益最大化，假如投資能夠得到快速的回報(bào)，那么對(duì)企業(yè)而言一定的投資規(guī)模是允許的。

造紙企業(yè)的這一市場(chǎng)行為卻影響到供應(yīng)商（主要是設(shè)備生產(chǎn)商）的策略。盡管依賴于他們?cè)谑袌?chǎng)上獨(dú)特的關(guān)注點(diǎn)，造紙企業(yè)分組、重新調(diào)整和聚集非常迅速，但對(duì)供應(yīng)商而言必須做出相應(yīng)的回應(yīng)。新設(shè)備的設(shè)計(jì)主要以最低的投入為基本特征，也就是設(shè)計(jì)成本（DTC）。在后市場(chǎng)化的業(yè)務(wù)產(chǎn)品中，將會(huì)證明消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的所有權(quán)總成本（TOC）、快速的增長(zhǎng)利潤(rùn)較為滿意。

下面的例子將說(shuō)明在造紙機(jī)械里如何采用熱噴涂涂層快速的給終端客戶帶來(lái)較大的利益,盡管它比其它的解決方案價(jià)格高很多。前提是它們各自的需求是比較接近的。

2 造紙機(jī)軋輥表面的任務(wù)和需求

2.1 功能定位

最新的造紙機(jī)（見圖1）零部件中旋轉(zhuǎn)軋輥數(shù)量占到60%以上。這些軋輥的作用是將原始的紙張轉(zhuǎn)換成線、氈或直接通過(guò)機(jī)器，并起到脫水作用。理論上一臺(tái)造紙機(jī)由三部分組成（圖2）。在成型或濕端工段，紙漿將被噴到轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼絲網(wǎng)上面，形成紙張組織。真空環(huán)境中，在重力作用下迫使其進(jìn)行脫水。紙漿被抽進(jìn)前端的箱體里，然后噴到鋼網(wǎng)上，這個(gè)階段紙漿仍然含有90%的水份，在這個(gè)位置通過(guò)軋輥將紙張里的水分?jǐn)D出。這些軋輥為開曲面設(shè)計(jì)，具有鉆孔或者類似蜂槽的結(jié)構(gòu)。部分軋輥表面被一層PE網(wǎng)覆蓋，以便于脫水，這確實(shí)影響了紙張的形成，因此形成的紙張質(zhì)量更好。在濕端其他位置的軋輥起導(dǎo)向作用。這些軋輥表面容易被磨損，因此，在腐蝕介質(zhì)中必須對(duì)其表面進(jìn)行防磨損保護(hù)。此外，絲網(wǎng)工段的一些軋輥是用來(lái)使絲網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的。

圖1 金光紙業(yè)海南公司世界最大造紙機(jī)示意圖Fig.1 APP Hainan, world’s largest paper machine(1.4 mio tons p.a.)

絲網(wǎng)和擠壓工段安裝了吮吸軋輥對(duì)紙張進(jìn)行脫水，在真空箱子里這些軋輥幫助把紙從一個(gè)氈運(yùn)到另一個(gè)氈，而且把水從紙里擠壓出來(lái)。帶有溝槽的軋輥也有相似的功能。在高壓負(fù)荷和腐蝕介質(zhì)作用下，這些軋輥表面承受較大的應(yīng)力。此外，低運(yùn)行偏差對(duì)涂層的加工質(zhì)量要求很高，涂層不能損壞氈以及封閉任何鉆孔。

圖2 造紙機(jī)布局示意圖Fig.2 Paper machine layout(Saica PM 9, Voith Paper)，from left to right：forming，press and drying section with reeling

造紙生產(chǎn)過(guò)程中在中心壓輥上最容易出現(xiàn)故障。在中心壓輥上干燥度約為50%的紙張第一次接觸到平的卷軸表面而且獲得了一定的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)軋輥上，即所謂的“紙張的心臟”機(jī)器上獲得的紙張性能，很大程度上決定了造紙生產(chǎn)過(guò)程的效率。經(jīng)過(guò)中心軋輥壓區(qū)后，紙張必須從軋輥表面抽出。這一過(guò)程伴隨著紙張?jiān)谝欢ǔ潭壬系难娱L(zhǎng)，并導(dǎo)致傳遞到下一個(gè)軋輥時(shí)的速度有所不同。這些差異被稱作拉伸，拉伸過(guò)程應(yīng)保持低速且平穩(wěn)。否則紙張可能被拉斷，機(jī)器速度不得不降低。小步的拉伸圖形給出了紙張的生產(chǎn)效率值，較低的拉伸速度將會(huì)使紙張不容易拉斷，同時(shí)提高了機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

經(jīng)過(guò)機(jī)器的干燥段，紙張將在蒸汽加熱的干燥箱上通過(guò)傳送方式進(jìn)行干燥。干燥箱表面的溫度可達(dá)到140℃，紙張以45%的濕度進(jìn)入而以5%～15%的濕度離開。按照紙張類型的不同，在這個(gè)溫度下容易產(chǎn)生膠粘物和污垢。這導(dǎo)致在干燥箱和導(dǎo)向輥的表面產(chǎn)生堆積，意味著對(duì)軋輥表面的磨損，同時(shí)在干燥過(guò)程中干燥段也受到了嚴(yán)重的腐蝕。

當(dāng)圖畫紙生產(chǎn)之后需對(duì)其進(jìn)行最后的加工處理，通常是通過(guò)涂覆涂料并進(jìn)行壓光，這將進(jìn)一步提高紙張的光澤和光滑性。在溫度為300℃、壓力為55kN/m的條件下，利用熱軋輥并使紙張通過(guò)蒸汽箱對(duì)其進(jìn)行壓制成型。交變壓力和膨脹壓力的作用會(huì)導(dǎo)致軋輥表面發(fā)生嚴(yán)重的氣動(dòng)磨損。此外，軋輥表面的防護(hù)涂層須具備高導(dǎo)熱系數(shù)，涂層表面的粗糙度Ra值必須在0.02μm以下。在紙張包裝和盤繞過(guò)程中，造紙機(jī)械需要粗糙的表面，但其表面粗糙程度不能對(duì)紙張?jiān)斐蓳p害。

2.2 軋輥表面的作用和要求

軋輥表面涂層除了基本的防護(hù)性能外，還需具備某種特殊功能，這對(duì)涂層而言非常重要。這是因?yàn)檐堓佋陂L(zhǎng)時(shí)間工作后，表面損傷部位需要用耐磨材料去修復(fù)。造紙和打印機(jī)械普遍采用高壓水清洗或者用一定范圍的PH值溶液進(jìn)行“沖擊清洗”。造紙工業(yè)需要極嚴(yán)格的安全生產(chǎn)要求。因中心區(qū)軋輥防護(hù)涂層失效而導(dǎo)致的維修時(shí)間需花費(fèi)20小時(shí)以上。這不僅影響了生產(chǎn)量，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)導(dǎo)致造紙機(jī)零部件發(fā)生損害。

3 熱噴涂技術(shù)提升生產(chǎn)效率

適合于軋輥表面防護(hù)的熱噴涂涂層的種類越來(lái)越多，尤其是在橡膠和鍍鉻行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并解決了一些實(shí)際問(wèn)題。下面結(jié)合三個(gè)方面的應(yīng)用實(shí)例做進(jìn)一步的說(shuō)明。

3.1 在成形區(qū)替代傳統(tǒng)技術(shù)

在成形區(qū)的驅(qū)動(dòng)軋輥表面涂上橡膠和聚氨酯來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力傳遞，這將帶動(dòng)成形的紙張通過(guò)機(jī)器的前端部分。由于設(shè)備的加速運(yùn)動(dòng)與中斷、環(huán)境濕度及細(xì)小顆粒物引發(fā)軋輥表面產(chǎn)生較大的載荷，導(dǎo)致其發(fā)生磨損和粗糙度降低，使得軋輥之間發(fā)生滑動(dòng)（如圖3所示）。

雖然涂層的價(jià)格約為橡膠的兩倍，但它能夠提升設(shè)備的使用效率，提高軋輥之間的傳遞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率。因此，盡管熱噴涂涂層價(jià)格較高，但與其他的解決方案相比，其總成本相對(duì)較低。

福伊特造紙技術(shù)有限公司研發(fā)出一種具有優(yōu)異抗磨損性能的熱噴涂涂層（見圖4），在不降低設(shè)備使用效率的前提下，使其摩擦系數(shù)提高了20%。使用這種涂層的軋輥每四年更換一次，與橡膠相比，延長(zhǎng)了軋輥的使用壽命。該涂層在2.7米寬的造紙機(jī)械上使用結(jié)果表明，軋輥的維修費(fèi)用每年可節(jié)約100k€以上。

圖3 橡膠涂層軋輥運(yùn)行5個(gè)月后表面磨損情況Fig.3 Wire drive roll with rubber coating, worn down to the shell after 5 months in operation

上述提出的熱噴涂涂層技術(shù)可以解決造紙機(jī)械設(shè)備軋輥表面的腐蝕問(wèn)題。

3.2 壓制區(qū)涂層的優(yōu)異性能可提高利潤(rùn)

目前在承壓端噴涂有氧化物陶瓷涂層的鋼軋輥已經(jīng)取代了以前的花崗巖軋輥。該鋼軋輥除了具有更高的安全級(jí)別外，還能夠進(jìn)一步提高紙張質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的安全運(yùn)行。鑒于等離子噴涂花崗巖軋輥每年需進(jìn)行兩次修復(fù)，根據(jù)每臺(tái)設(shè)備的化學(xué)要求其能夠保持幾年使用壽命。這個(gè)嚴(yán)格的要求標(biāo)準(zhǔn)，為企業(yè)降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率提供了巨大的潛力。由于開始只是對(duì)紙張進(jìn)行拉直，因此后續(xù)的軋輥運(yùn)行速度需更快。

圖4 福伊特造紙技術(shù)有限公司優(yōu)異耐磨損涂層軋輥示意圖Fig.4 Voith Paper thermal spray coating CeraGuide B replacing standard solution in the wire section

目前一名法國(guó)客戶進(jìn)行的案例研究是以3.6%的速度誤差在1500m/min的速度條件下運(yùn)行打印紙機(jī)。其目標(biāo)是將速度誤差降低10%，也就是從原來(lái)的3.6%降低到3.24%，甚至更低，通過(guò)改進(jìn)中心壓輥表面的陶瓷涂層的性能，達(dá)到了減少紙張斷裂和提高設(shè)備運(yùn)行速度的要求。

從一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的產(chǎn)品到福伊特紙公司的TerraSpeed，在經(jīng)歷一年的實(shí)驗(yàn)之后，法國(guó)新聞紙生產(chǎn)商斷言在他所有的產(chǎn)品范圍內(nèi)，其拉速誤差持續(xù)保持在3%以下。軋輥的表面粗糙度和表面能比以前更穩(wěn)定。每年的利潤(rùn)總額接近0.5mio€左右。盡管面對(duì)更高的購(gòu)買價(jià)格，但其成本收回用時(shí)減少了四個(gè)月。

3.3 更好的軋光效果

隨著軋光紙或軋光板獲得了所需的光澤或光滑度，意味著它具備了進(jìn)一步深加工的最終特性，例如打印。根據(jù)最終各類紙張的等級(jí)要求，最后的一道工序在一、兩臺(tái)在線的堆積機(jī)，或者是軟軋光機(jī)到一個(gè)離線的軋光機(jī)上完成。在目前，高級(jí)別、高負(fù)荷的在線機(jī)械設(shè)備及柔性軋光機(jī)讓廠家提升了他們的產(chǎn)品質(zhì)量，以達(dá)到另一個(gè)質(zhì)量等級(jí)，將進(jìn)一步提高產(chǎn)品的銷售價(jià)格，同時(shí)使產(chǎn)品具備一定的產(chǎn)品特性，如印刷適應(yīng)性等。

先進(jìn)的熱噴涂涂層技術(shù)對(duì)提高企業(yè)利潤(rùn)提供了技術(shù)保障。在精軋區(qū)，鑄鐵熱軋輥表面用超音速火焰噴涂硬質(zhì)合金涂層取代了鍍鉻層。滿足了光潔度和形狀公差的最高需求。在一個(gè)10米長(zhǎng)而最大形狀偏差為5μm的軋輥上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)Ra＜0.01μm，Rz＜0.2μm的粗糙度。這些涂層的性能與紙張的質(zhì)量密切相關(guān)，因此對(duì)企業(yè)利益產(chǎn)生影響（見圖5）。

第三個(gè)例子描述了一位英國(guó)的企業(yè)主，在高載荷和加熱條件下，用兩排軋光機(jī)制備出了用于特殊打印過(guò)程的低粗糙度紙張。通常為了便于更昂貴的生產(chǎn)打印過(guò)程，需要生產(chǎn)高級(jí)壓延紙張。目前，客戶運(yùn)用福伊特紙公司生產(chǎn)的單排硬質(zhì)合金涂層熱軋輥代替兩排熱軋輥就能獲得他所希望的質(zhì)量等級(jí)。與其它軋輥或沒(méi)有涂層的軋輥相比，這一效果與其優(yōu)異的熱傳導(dǎo)系數(shù)相關(guān)，其優(yōu)異的傳熱性能將為企業(yè)每天節(jié)約1000€的熱能成本。此外，具有穩(wěn)定粗糙度值的涂層軋輥運(yùn)行時(shí)間是沒(méi)有涂層軋輥的5倍以上。同時(shí)投資回報(bào)率高，在不到一年的時(shí)間內(nèi)就能快速的收回投資成本，且軋輥本身磨損破壞程度小。因此，表面涂層防護(hù)的軋輥將會(huì)降低企業(yè)的總生產(chǎn)成本。

圖5 表面粗糙度小于0.02μm的熱軋輥示意圖Fig.5 Paper releasing from a ceramic cover on a center press roll in operation (open draw)

4 總結(jié)

造紙工人和熱噴涂技術(shù)從業(yè)者對(duì)冶煉技術(shù)有著共同的態(tài)度，這將圍繞在他們的工作環(huán)境中。除了神秘之外，它對(duì)看透一個(gè)特殊位置的技術(shù)細(xì)節(jié)，提高其影響力和重要性、摒棄舊的途徑和提出新的解決方案似乎有著重要意義，尤其在投資乏力、高成本壓力時(shí)代，這類新技術(shù)在特殊行業(yè)是非常受歡迎的。千萬(wàn)不要通過(guò)片面、廉價(jià)的方法對(duì)整個(gè)行業(yè)做出誤判，否則將要付出高昂的代價(jià)。