濕紡工藝中實現(xiàn)物料溶解可控的方法探究

劉云崇 高敏

（中國紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國家重點實驗室 北京 100025）

引言

濕法紡絲是再生纖維素纖維的主要紡絲工藝。該工藝的關(guān)鍵工序是將纖維素溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲幸灾苽浼徑z溶液。為保證后續(xù)紡絲質(zhì)量，紡絲溶液應(yīng)均勻一致，具有良好的過濾性和可紡性。除去纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)和溶劑種類對溶解效率的影響，對溶解過程的工藝和設(shè)備控制，是高效制備高品質(zhì)紡絲溶液的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)濕法紡絲工藝流程和技術(shù)特點，刮板式薄膜蒸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于紡織行業(yè)物料的溶解工序。

刮板式薄膜蒸發(fā)器是利用旋轉(zhuǎn)的刮板將附著在容器上的物料分散成均勻的薄膜，以進(jìn)行物料濃縮的一種新型高效蒸發(fā)設(shè)備，它可以使物料沿加熱管內(nèi)壁呈膜狀流動而進(jìn)行傳熱和蒸發(fā)，具有脫揮面積大、傳熱效率高、物料停留時間短且能耗低的特點，特別適合熱敏性、高沸點和高粘度物料的蒸發(fā)濃縮[1]。

在濕紡工藝中，物料經(jīng)過浸漬溶脹等一系列工序后還要經(jīng)過螺桿泵送到一定溫度和負(fù)壓的薄膜蒸發(fā)器內(nèi)，在刮板作用下形成層流液膜并不斷脫除水分，直至纖維素溶解形成均勻的紡絲溶液；液膜的形成增大了物料的傳熱和蒸發(fā)面積，并加快了水分脫除速率。在此條件下，溫度或真空度控制不當(dāng)極易導(dǎo)致物料過度脫水以致使紡絲溶液粘度過高，溶解不均勻，物料在薄膜蒸發(fā)器內(nèi)流動性差，停留時間長，甚至出現(xiàn)物料受熱降解、刮膜器卡死等問題。為避免此類事件的發(fā)生，文章針對刮板式薄膜蒸發(fā)器在物料溶解過程中的應(yīng)用及不足，設(shè)計了電流控制法、扭矩控制法及變頻器功率控制法三種自控測試方案對真空度進(jìn)行控制。針對電流控制法，文章通過編輯軟件程序調(diào)整薄膜蒸發(fā)器的真空設(shè)定值，物料進(jìn)料量及抽真空時間，規(guī)范了薄膜蒸發(fā)器的壓強閾值。現(xiàn)場自控測試結(jié)果表明，該方案能有效保證物料溶解過程的均勻性，實現(xiàn)真空度自動控制，提高了物料利用率和生產(chǎn)效率，降低了事故發(fā)生率。

1 電流控制法

當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時，電機(jī)輸出功率增大，電機(jī)電流也相應(yīng)增加。針對電流這一物理量，采用自動控制和手動控制相結(jié)合的方式對薄膜蒸發(fā)器的真空度進(jìn)行檢測，取得了較好的效果，并成功在某公司生產(chǎn)線上進(jìn)行了應(yīng)用。方法如下（見圖1）：

圖1 薄膜蒸發(fā)器電流控制法流程圖

設(shè)定合理電流范圍，如12.7～13.5A，如果電流超過此正常范圍，則開始調(diào)節(jié)真空設(shè)定值，每次調(diào)節(jié)0.2KPa，調(diào)節(jié)后3min，若電流仍不在范圍內(nèi)，繼續(xù)調(diào)節(jié)。若調(diào)整3 次仍不能到正常范圍內(nèi)，則之后每次調(diào)節(jié)改為0.5KPa。

實例：電流正常范圍12.7～13.5A 設(shè)定真空10KPa，

若：出現(xiàn)電流超出13.5A，則調(diào)整0.2KPa，真空設(shè)定為10.2KPa，如調(diào)整后3min，電流回到正常范圍內(nèi)，則停止調(diào)整，如沒有，則繼續(xù)調(diào)整0.2KPa，再3min，直到電流回到正常范圍內(nèi)。若調(diào)整3 次仍不能到正常范圍內(nèi)，則之后每次調(diào)節(jié)改為0.5KPa。

若：出現(xiàn)電流低于12.7A，則調(diào)整0.2KPa，真空設(shè)定為9.8KPA，如調(diào)整后3min，電流回到正常范圍內(nèi)，則停止調(diào)整，如沒有，則繼續(xù)調(diào)整0.2KP，再3min，直到電流回到正常范圍內(nèi)。若調(diào)整3 次仍不能到正常范圍內(nèi)，則之后每次調(diào)節(jié)改為0.5KPa。

該方案控制方法簡單，能有效實現(xiàn)薄膜蒸發(fā)器真空度自動控制。但由于反映負(fù)載變化不直接，實際生產(chǎn)中存在一定誤差。

2 扭矩控制法

薄膜蒸發(fā)器攪拌電機(jī)連接有相應(yīng)的減速機(jī)，可使其在某一轉(zhuǎn)速下獲得較大扭矩。由于機(jī)械裝置均存在功率損耗，因此攪拌電機(jī)輸出功率大于減速機(jī)輸出功率。異步電動機(jī)存在的損耗包括銅損耗，定子損耗，轉(zhuǎn)子損耗，鐵芯損耗和機(jī)械損耗（通風(fēng)損耗和摩擦損耗等）幾種。

在減速機(jī)和主軸之間加裝扭矩測試儀，可以不考慮以上機(jī)械損耗，能更直接準(zhǔn)確的反映出負(fù)載的變化，扭矩測試儀的選取是根據(jù)以下推算：

由功率公式：P=FV=（M/R）V，推出 M=（1000×60/2Π)P/n=9550P/n

式中，P—機(jī)械功率（KW）；

V—速度（m/s）；

F—牽引力（N）；

M 為電機(jī)扭矩（NM）；

R—轉(zhuǎn)軸到牽引力F 之間作用線的距離（m）；

N—電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；

假如薄膜蒸發(fā)器攪拌電機(jī)功率是5.5KW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速是1470rpm，經(jīng)計算，電機(jī)扭矩為35NM，故可選50NM 的扭矩測試儀。扭矩測試儀與動力設(shè)備、負(fù)載設(shè)備之間的連接，可以采用剛性聯(lián)軸器的連接形式，這種連接形式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無補償性能，不能緩沖減振，且對兩軸的安裝精度要求較高。

安裝要求：動力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備應(yīng)安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，三者之間的同心度應(yīng)小于Φ0.05mm，以避免產(chǎn)生過大的震動導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，從而降低測量精度，甚至損壞傳感器。

與電流控制法相比，扭矩控制法測試更直觀，能直接反映負(fù)載變化，且精度可達(dá)千分之五。但是由于結(jié)構(gòu)安裝繁瑣，并不利于實際應(yīng)用。

3 變頻器功率控制法

根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=60f（1-s）/p

式中，n—電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm）；

F—交流電頻率（Hz）；

P—電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)；

從式中可知，采用變頻調(diào)速可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

按照變頻調(diào)速工作原理分類，可以將變頻器分為壓頻比（V/f）控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。

異步電動機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，降低頻率使電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，將導(dǎo)致輸出功率下降。而電機(jī)的輸入功率與頻率之間并無直接聯(lián)系。即電機(jī)的輸入功率并不因為頻率下降而自動下降。因此，頻率下降時將導(dǎo)致輸入功率和輸出功率之間的嚴(yán)重失衡，使傳遞能量的電磁功率和磁通相對大幅增加，電機(jī)的磁路嚴(yán)重飽和，勵磁電流的波形嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生很大的尖峰電流。因此，變頻器必須在降低頻率的同時，相應(yīng)的降低輸出電壓，才能維持異步電動機(jī)輸入功率和輸出功率之間的平衡。

既要在低頻運行時同時降低輸出電壓，又要保證此時電機(jī)能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩以拖動負(fù)載，這就要求根據(jù)不同的負(fù)載特性適當(dāng)?shù)恼{(diào)整壓頻比，以得到需要的電機(jī)機(jī)械特性。應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)負(fù)載的低速特性選用或設(shè)置變頻器相應(yīng)的壓頻比曲線（變頻器的V/f 控制原理）。

采用壓頻比模式控制的變頻器在整個速度范圍內(nèi)都無法調(diào)節(jié)力矩，轉(zhuǎn)速趨近零時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很差，速度調(diào)節(jié)性不佳。因為是開路控制，動態(tài)響應(yīng)不佳，未做電流調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電動機(jī)低轉(zhuǎn)速時運行效率下降，選用變頻器時通常要加大一級以產(chǎn)生額定的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，所以采用壓頻比模式控制的變頻器無法直接測得電機(jī)功率。

而矢量控制的變頻器特點：

（1）能調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，使整個電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍提供恒定轉(zhuǎn)矩；

（2）低頻轉(zhuǎn)矩大；

（3）機(jī)械特性好，在整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機(jī)械特性，所有機(jī)械特性基本都是平行的；

（4）動態(tài)響應(yīng)好，尤其時有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動態(tài)響應(yīng)時間一般都小于100ms；

采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的扭矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動機(jī)的參數(shù)[2]，有的通用變頻器在使用時需要準(zhǔn)確的輸入異步電動機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需要使用廠商指定的變頻器專用電動機(jī)進(jìn)行控制，矢量變頻器的特點使得它能夠?qū)崟r測得電機(jī)的功率。

變頻器功率控制法的控制精度比電流檢測法高，但與電流檢測法類似，該方案不能直接反應(yīng)負(fù)載變化，而且電器成本較高，在實際應(yīng)用中受到限制。

結(jié)論

紡絲工藝中物料溶解可通過多種方法進(jìn)行控制，如控制進(jìn)料量，控制紡絲速度，控制溶解溫度，控制真空度等等。文章從控制真空度的角度出發(fā)，針對薄膜蒸發(fā)器攪拌電機(jī)的電流控制、扭矩控制，功率控制三種方案進(jìn)行了分析闡述。從理論上講，扭矩控制法測試精度高，控制效果好，但在實際應(yīng)用中，由于設(shè)備震動大且安裝繁瑣所以并未被大量采納。變頻器功率控制法雖簡單直觀有效但其成本較高。與前兩種方案比較，電流控制法雖然不能直接反映負(fù)載變化，且測試精度還有待提高，但該方案通過程序?qū)﹄娏髟O(shè)限，可實現(xiàn)真空度自動控制，在實際生產(chǎn)中通過長期應(yīng)用檢驗，取得了很好的效果，保證了物料充分均勻溶解，解決了過度脫水的問題，提高了生產(chǎn)效率。