年产30万吨牛皮箱板纸纸机压榨部人造石辊设计
造纸技术是中国四大发明之一，早在2009年中国造纸生产总量已经达到了8640万t;消费总量达到8569万t,成为位居世界第一的国家。[1]包装用纸板是造纸产品中的一大类，包括箱板纸、瓦楞原纸、白板纸及白卡纸三大品种。2018年全国纸及纸板生产企业约2700家，全国纸及纸板生,产量10435万吨，较上年增长-6.24％。消费量10439万吨，较上年增长-4.20％，人均年消费量为75千克(13.95亿人)。2009～2018年，纸及纸板生产量年均增长率2.12％，消费量年均增长率2.22％。[2] 与国外对比，日本2018年纸和纸板的产量为2605.6万t，较上一年减少1.7%，箱板纸产量588.2万t。2019年的包装用纸（牛皮箱板纸和瓦楞原纸）的内需与顶峰2017年（1486万t）相比预计减少8.2%，但是箱板纸增加1.3%[3]虽然箱板纸生产量与消费量已经位于世界第一，但是面对消费者对于箱板纸质量要求的提高的问题仍然是各个厂家目前需要解决的首要问题。
牛皮箱板纸主要控制指标是: 定量、全幅定量差、紧度、耐破度、纵向撕裂度、横 向环压强度、表面吸收重量、水分、横向伸缩率、施胶度、平滑度等。[4]国家质量指标为GB/T 13024-2016。
表1 牛皮箱板纸国家质量指标
近年来，由于我国资源短缺，使用废纸原料生产再生纸或纸板己越来越普遍。由于纸制品制造技术和印刷技术的日益发展，纸制品中添加的各种化学助剂的品种和数量都大大增加，对回收废纸的处理难度也增大，加上废纸的利用率急速增长，废纸原料的质量显著下降，但对再生纸或纸板产品的质量要求却日益提高，于是对于设备处理的要求也大大增加。 [5]
目前，国内生产牛皮箱板纸的厂家有台湾荣成纸业有限公司、福建青山纸业有限公司、山东博汇纸业股份有限公司、广东万利达公司、华丰造纸厂、天津纸板厂等。[1]各个厂家公司牛皮箱板纸的生产技术和设备都有所区别。要保证牛皮箱板纸的产品质量，必须抓好如下几个主要环节:严格控制制浆质量、利用浆内施胶及表面施胶法提高牛皮箱板纸质量、合理掌握上网浆速和网速的关系、正确掌握压榨部条件等。[6]其中压榨部的是非常关键的环节，压榨部必须无机械故障，无断纸，尽量减小纸的粗糙度和两面性并且尽量减少成本。[7]目前国产纸机采用的压榨技术形式主要还是正压榨，真空压榨、沟纹压榨等[8]，压榨部用辊分为平辊、沟纹辊、盲孔辊与可控中高压辊。可控中高压辊的压榨仅有极个别应用。[9] 以宏文造纸厂为例，该纸厂纸板机引进了三对高线压压辊（上辊为石辊，下辊为沟纹辊）[10]。所以，国产压榨技术还有很大的进步空间。
虽然目前国产压榨技术完全可以满足中小型纸机的需要且基本形成了较为规范的产品[8]，但是面对现代大型高速纸机来说，传统压榨技术及其使用的花岗石辊已经无法满足高车速高负荷对压榨辊的要求[11]，主要局限性表现在花岗石对表面的光滑度要求很严格，否则湿纸幅容易剥离下来[12]，其次，石辊在更高车速更高的压榨负荷下，振动严重，辊面磨损严重，而且辊内部温度升高，会使辊面产生裂纹，情况严重时会导致辊体脱落造成重大事故。[13]于是，人们试验了很多别的材料的压榨辊。比如橡胶包覆层压榨辊，它不但具有硬度高，而且在高线压力作用下具有较好的脱水效果。但是，由于纸机高速化，反复的挤压导致橡胶包覆层内部产生不易排出的压缩热使得橡胶材质劣化甚至烧损。[14]聚氨酯包胶辊具有较好的耐磨性能，且与橡胶包胶比较，它无需在辊内加入冷却水降温，比普通橡胶包覆辊运行负载平均低15.5%[15]。另外，人们还尝试了一种名为“KX ROCK”的技术，即将陶瓷材料与合金材料通过热喷镀技术喷镀在压榨辊表面[16] 目前,陶瓷包覆辊在众多包覆辊中处于主要地位,它有很好的强度、硬度以及纸性能更好。[11]陶瓷材料具有很高的密度，这使其具有很高的耐磨性和强度，并且热稳定性好。研磨后辊子使用期长, 运行振动更小, 纸幅牵引力降低。[12]从压榨形式来说，大辊径压榨作为国外二十世纪中后期发展起来的压榨形式在国内近十年应用较多。与普通压榨相比，大辊径压榨的压区宽，纸页压榨时间更长，脱水效率更高，为后期干燥部干燥降低蒸汽消耗量从而降低产品成本。同时提高了纸页的强度和耐破度。[17]
从结构参数来说，作为纸机重要组成部分的压榨辊在高速高负荷的压榨情况下，线压力对纸幅的脱水和成品纸张的表面性能，以及对辊子表面的磨损以及毛毯和成形网的使用寿命的影响作用越来越重要，因此必须对辊子的各项参数进行调配和设计。[18]另外，根据纸种的不同和其他因素的影响线压力会随时进行调整。[19]根据材料力学知识，压榨辊由于自身重力和加压外力的作用，必然会产生挠度。挠度是影响辊子质量好坏的主要因素之一，同时也是影响纸张质量的重要因素。[20]为了弥补挠度，我们会有意识地让压榨辊的辊体预留有相当于这个挠度的“凸出部分”，让辊体在工作时处于平直状态，这个凸出部分就是中高。[21]要想获得横向均匀的线压力，压榨辊必须设计合适的中高，均匀的线压力可以很好的改善纸的表面性能。除此之外，因压榨辊长度远大于直径，压榨辊必须进行强度校核。在校核中主要考虑静态弯曲应力辊筒轴颈强度校核，校核其静态弯曲应力，应选取不同危险截面，保证所有危险截面通过校核。[22]另外，为了适应不同的车速，需要对辊子进行一定转速的动平衡计算和校验。对于橡胶包覆辊在压榨辊不同的应用位置，表面会采用不同的橡胶硬度，在获得一定压区宽度的同时，又能有一定的耐磨寿命。
目前国内人造石辊多以铸铁辊体作为基本辊体，辊体外围包覆层是模仿天然花岗岩石料性能的材料如，这种包覆层具有天然石材的耐腐蚀性，同时在材料内部有大量的微小孔隙形成了类似天然石辊的释纸性[23]，并且包覆层一般由多层涂层。为了使人造石辊使用寿命变长，脱水后纸张表面平滑度上升，脱水效率更高，现在，发明了一种耐磨层覆盖在辊面的第一涂层和设置在第一涂层上的第二涂层。所述涂层包含以下含量的原料：氧化铝65～72份、二氧化钛10～15份、氧化钇6～8份、钴3～7份、镍4～6份、锰2～4份、玻璃粉2.4～3.2份、人造金刚石1.2～1.8份、二硫化钼1.5～2份,所述第二涂层包括以下重量份的原料：有机硅树脂48～60份、偶联剂1～3份、增韧剂1.8～2.5份、硅油3～5份、聚四氟乙烯4～8份、聚乙烯醇缩丁醛2.5～3.5份、滑石粉2～7份、抗氧化剂0.9～1.6份、填料8～12份、三甲基六亚甲基二胺15～20份。[24]除此之外，目前还有一些项目研究是用橡胶、树脂、空心微珠等材料经过独特工艺替代天然大理石、花岗岩等材料，制造成人造仿石胶辊作为压榨辊来进行纸页脱水、页面整理等。[25]
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