Thùng đầu hiện đại thế kỷ 21


 

Khoảng vài năm gần đây Việt Nam có nhiều dự án xây dựng nhà máy giấy-bột giấy của các công ty, tập đoàn lớn trong và ngoài nước như Tân Mai Paper, Sài gòn Paper, An Bình Paper, Phương Nam Pulp Mill, Chánh Dương Paper,  VinaKraft, Lee&Man… Đối với các dự  án mới này, phần lớn thiết bị được cung cấp mới hoàn toàn từ các tập đoàn thiết bị ngành giấy lớn như Metso Paper, Voith Paper, Andritz Paper. 

 

Riêng đối với máy xeo (PM-Paper Machine) có tốc độ đã lên tới 1125 m/phút, thậm chí là 1235 m/phút sẽ có mặt tại Việt Nam. Với tốc độ rất cao như vậy thì công nghệ hiện đại nhất phải được áp dụng vào PM. Tôi sẽ giới thiệu các thiết kế hiện đại của thùng đầu hiện nay đang được sử dụng ở PM tốc độ cao.

Tóm tắc

Thùng đầu là bộ phận nối kết giữa hệ thống tiếp cận thùng đầu và hệ thống tạo hình tờ giấy, là một trong những bộ phận quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính chất tờ giấy. Các tiêu chuẩn chất lượng quan trọng như profile định lượng CD, sự định hướng xơ sợi, cấu trúc đồng đều của tờ giấy, và nhiều tính chất khác phụ thuộc phần lớn vào thùng đầu.

Các khái niệm về thuỷ lực, kích thước hình học và sự hoạt động chính xác của thùng đầu là các nhân tố mấu chốt cho việc tạo hình tốt của tờ giấy.

Thiết kế kiểu C-clamp của thùng đầu đảm bảo độ mở của khe duy trì tính độc lập song song giữa áp bên trong môi phun và vận tốc phun.

Hệ thống điều khiển pha loãng ModuleJet của Voith Paper và hệ thống điều khiển ProfilmaticTM M đảm bảo tối ưu độc lập giữa định lượng theo chiều CD và sự định hướng xơ sợi.

Để phá vỡ sự kết tụ xơ sợi, thì mức độ tối ưu sự chảy rối vi mô (microturbulance) là thông số quan trọng. Vì vậy thùng đầu được trang bị thêm bộ chảy rối (turbulence generator) để cho các chế độ thủy lực tốt nhất khi vận hành của máy xeo giấy.

Kỹ thuật lamella, được áp dụng trong thùng đầu của máy xeo hãng Voith, cải thiện hơn chất lượng dòng phun bột lên lưới và ảnh hưởng đến tỉ lệ chịu kéo MD/CD. Khi lắp đặt thanh mỏng (lamella) vào môi phun, sẽ tạo ra chế độ vi chảy rối (microturbulance) và loại trừ đi chế độ chảy rối mạnh (macroturbulence) trong cùng thời điểm. Như vậy, hiện tượng có sọc vằn trên tờ giấy sẽ được loại bỏ.

Thiết kế

Chất lượng và sự ổn định của CD profile, đặc biệt là sự định hướng xơ sợi, phụ thuộc phần lớn vào tính chính xác và ổn định của khe mở môi phun song song. Để đạt một khe song song và ổn định khi vận hành, tất cả thùng đầu của Voith được thiết kế theo nguyên lý C-clamp. (hình 1).


Hình 2 Khe phun bột

Các thành phần chính của thùng đầu hiện đại:

  • Ống phân phối dòng bột (header) đồng đều áp lực lên chiều ngang của thùng đầu.

  • Hệ thống pha loãng ModuleJet với đầu pha loãng chính, van điều khiển với động cơ bước, buồng trộn (Mixing champer), bộ phân phối và tiết lưu.

  • Stilling champer giúp cho dòng bột đồng đều.

  • Bộ chảy rối (Turbulence generator), theo nguyên lý phân tán nhỏ tạo ra chế độ vi chảy rối.

  • Môi phun có hoặc không có lamellas (tuỳ vào chất lượng sản phẩm) để khi tăng lưu lượng bột và vận tốc phun mà không tạo ra macroturbulence.

Cac kênh của thùng đầu hiện đại được minh hoạ như hình 3

 

Hình 3 Flow channel
Hình 3 Flow channel

 

Đối với thùng đầu hiện đại, thì sự định hướng xơ sợi, đặc tính định lượng theo CD chịu ảnh hưởng của hệ thống pha loãng ModuleJet (hình 4) và hệ thống điều khiển Profilmatic M.

 

Hình 4 Các bộ ph�n ModuleJet
Hình 4 Các bộ phận ModuleJet

Bộ pha loãng cục bộ ModuleJet dọc theo chiều rộng thùng đầu. Nước trắng pha loãng được điều khiển bởi van tự động. Thiết kế này tránh được vùng nước chết bên trong van, vì vậy không có cặn bám ngay cả khi van ở vị trí đóng và van luôn luôn có một độ mở nhỏ nhất và được rửa sạch.

Dòng bột từ ống phân phối chính và dòng nước pha loãng gặp nhau từng điểm nhỏ tại buồng trộn (Mixing champer). Một van điều tiết tại buồng pha loãng này bảo đảm chính xác tỉ lệ pha loãng để có nồng độ bột trung bình tại mỗi điểm là đồng đều. (Hình 5).

 

Hình 5 Bộ ModuleJet
Hình 5 Bộ ModuleJet

Trước khi huyền phù đi vào vùng chảy rối, sự xáo trộn tự do của dòng bột được giảm trong vùng Stilling champer.

Kể từ khi hệ thống ModuleJet được phát minh cách đây gần 10 năm, thì số lượng thùng đầu có gắn MuduleJet tăng liên tục. (Hình 6). Thùng đầu có ModuleJet được bố trí trên các máy xeo giấy hiện đại, cùng với hệ thống van và hệ thống điều khiển thông minh Profilmatic M thìn Voith Paper đã dẫn đầu với kĩ thuật pha loãng hiện đại nhất.

 

Sự phát triển của thùng đầu có MuduleJet.
Hình 6: Sự phát triển của thùng đầu có MuduleJet.

 

Chất lượng dòng phun tối ưu.

Nhiệm vụ chính để tạo ra cấu trúc tờ giấy đồng đều là dòng phun bột phải tự do, không có sự chảy rối quá lớn và đảm bảo một mức độ chảy rối nhỏ thích hợp. Quá trình này bắt đầu tại đầu vào của vùng chảy rối (Turbulence generator) và khi bột ra khỏi môi phun.

Vùng chảy rối có thể nói là trái tim của thùng đầu, vì nó có liên quan đến sự phân phối dòng bột đồng đều dọc theo chiều ngang, tạo ra dòng chảy rối có thể điều khiển và tối ưu được, sử dụng nguyên lý thuỷ lực của sự phân tán theo bậc để phá vỡ sự kết tụ xơ sợi trong huyền phù bột.

Trong lòng của vùng chảy rối có đầu vào được thiết kế hình tròn và đầu ra là hình vuông.

Một bản vẽ sơ lược và một hình minh hoạ Turbulence generator với lamellas cho thấy ở hình 7 và 8.

 

 

Hình 7 Bộ ph�n tạo chảy rối với lamellas.
Hình 7 Bộ phận tạo chảy rối với lamellas.

 

Hình 8 Bộ ph�n tạo chảy rối với lamellas.
Hình 8 Bộ phận tạo chảy rối với lamellas.

Kỹ thuật lamellas cho chất lượng phun bột tối ưu.

Mục tiêu chủa dự án R&D của Voith Paper là tránh sự chảy rối macroturbulence và mong muốn microturbulance đã thành công khi lắp các thanh lamella bên trong lỗ phun bột. Nếu không có lamellas này, sự chảy rối lớn ở dòng bột phun ra sẽ ảnh hưởng đến độ hình thành, nó tạo ra cho tờ giấy các sọc khác nhau (giống như sọc vằn trên lưng cọp)

 

Sự ảnh hưởng của chảy rối Macroturbulence lên chất lượng tờ giấy.
Hình 9: Sự ảnh hưởng của chảy rối Macroturbulence lên chất lượng tờ giấy.

Các sọc này tạo ra bởi sự định hướng không đều xơ sợi cục bộ trên bề mặt của tờ giấy. Sự va chạm giữa các dòng bột vận tốc khác nhau tạo trong hệ thống chảy rối đơn (không có lamellas) tạo nên sự không ổn định về định hướng 3 chiều của xơ sợi, dẫn đến sự chảy xoáy trong vòi phun bột.

Sự chảy xoáy tạo ra bởi dòng bột không ổn định, do đó tạo ra macroturbulence trong dòng bột ra, dẫn đến đóm sọc trên tờ giấy.

Đặc tính dòng bột trên trong môi phun với không có lamellas được cho thấy trong hình10, và hình 11 cho thấy tác hại của dòng bột chảy xoáy trong môi phun.

 

Hình 10 Đặc tinh dòng bột bên trong môi phun khi không có lamellas
Hình 10 Đặc tính dòng bột bên trong môi phun khi không có lamellas
Hình 11 Cấu trúc của Macroturbulence ở tia bột ra từ môi phun
Hình 11 Cấu trúc của Macroturbulence ở tia bột ra từ môi phun

Điều kiện trước tiên cho một tờ giấy đẹp là dòng bột lên lưới lý tưởng, không có macroturbulence và dòng bột lên lưới được kiểm soát với chế độ microturbulance.

Để đạt được mục đích này thì kỹ thuật lamellas là một giải pháp. Lamellas có tác dụng loại bỏ chế độ chảy macroturbulence, và làm tăng chế độ chảy microturbulance (có lợi). Tuỳ vào cường độ microturbulance, độ chịu kéo CD/MD có thể kiểm soát được.

Các thanh lamellas có chiều dài khác nhau (từ 60% đến gần 90% chiều dài môi phun) được nằm trong mỗi dãy của bộ chảy rối. Bởi vì vị trí đặc biệt này, các thanh lamellas được tự nằm giữa trong môi phun nhờ vào dòng bột chuyển động.

 

Hình 12 Các thanh Lamellas trong môi phun bột.
Hình 12 Các thanh Lamellas trong môi phun bột.

Lắp đặt các thanh lamellas gữa mỗi hàng của bộ chảy rối sẽ giảm được dòng bột chuyển động tự do trong môi phun. Tương tác giữa ống chảy rối đơn sẽ chỉ xảy ra theo chiều CD. Tương tác ba chiều theo chiều ngang và chiều z của dòng bột đơn sẽ được khắc phục (Hình 13), do đó loại trừ hiện tượng chảy xoáy bên trong môi phun và cho ra dòng bột ổn định với sự chảy rối microturbulance tốt nhất.

 

Hình 13 Sơ đồ bên trong của môi phun với lamellas
Hình 13 Sơ đồ bên trong của môi phun với lamellas

Tác động thuỷ lực theo chiều dài lamellas thì khác nhau lên chất lượng phun bột, sự liên hệ giữa chiều dài thanh lamellas và chế độ chảy rối macro và micro được cho thấy rõ qua hình 14

 

Hình 14 Dòng chảy rối phụ thuộc vào chiều dày lamellas.
Hình 14 Dòng chảy rối phụ thuộc vào chiều dày lamellas.

Chế độ macroturbulence tại dòng bột phun giảm khi chiều dài lamellas tăng. Trong cùng thời điểm đó thì chế độ microturbulance tăng khi chiều dài lamellas tăng. Sự tác động này cho phép giảm tỉ lệ chịu kéo MD/CD. Đối với hầu hết loại giấy làm bao bì, tỉ lệ chịu kéo MD/CD thấp là một trong những tính chất quan trọng mà tờ giấy phải đạt được. (hình 15)

 

Hình 15 Ảnh hưởng của lamellas lên tỉ lệ chịu kéo MD/CD
Hình 15 Ảnh hưởng của lamellas lên tỉ lệ chịu kéo MD/CD

Về chất lượng dòng bột phun khi sử dụng thanh lamellas dài, thì kĩ thuật thiết kế thanh lamellas thì quan trọng nhất.

Sự rung lắc thanh lamellas và dòng bột chảy xáo trộn là nguyên nhân dẫn đến sự chảy xoáy, hiện tượng này có thể được khắc phục nhờ thiết kế đặc biệt theo phát minh của Voith Paper.

Sử dụng một lamellas dài (dài hơn 80% chiều dài môi phun) với thanh phẳng sẽ gây ra sự rung lắc làm cho dòng bột phun ra không chuẩn. Sẽ có 2 loại rung lắc trên lamellas dài nếu không có kỹ thuật riêng biệt:

 

Sự rung lắc theo chiều ngang có các điểm đứng yên trên lamella tạo ra các đường sọc ở môi phun bột (hình 16)

Sự rung lắc được xếp chồng bởi các dao động trên toàn bộ chiều ngang lamella. Sự rung lắc tổng hợp này tạo ra cấu trúc hình thoi ở dòng phun bột. (hình 17)

 

Hình 16 Các tác động lên cấu trúc môi phun khi không s� dụng lamella tối ưu ở thanh lamella dài.
Hình 16 Các tác động lên cấu trúc môi phun khi không sử dụng lamella tối ưu ở thanh lamella dài.
Hình 17 Các tác động lên cấu trúc môi phun khi không s� dụng lamella tối ưu ở thanh lamella dài.
Hình 17 Các tác động lên cấu trúc môi phun khi không sử dụng lamella tối ưu ở thanh lamella dài.

Để ngăn chặn các tác động không mong muốn như hình 16 và 17, Voith Paper đã phát triển một thủ thuật thiết kế lamellas đặc biệt. Thủ thuật đó là tạo cấu trúc răng cưa rất nhỏ vài milimet ở phần cuối thanh lamellas. Thủ thuật đặc biệt này cho phép lắp vào lamellas dài với phần cuối của lamellas cách khe phun một vài centimet.

Kết hợp lamellas dài với chiều dài gần 99% chiều dài môi phun và lamellas ngắn với chiều dài xắp xỉ 60% chiều dài môi phun cho ra chât lượng dòng bột phun ra tốt nhất, cho sự tạo hình tờ giấy tốt nhất với không có hiện tượng macroturbulence và tạo sự chảy rối nhỏ cần thiết và tối ưu nhất. Chất lượng dòng phun bột được cải thiện như hình 18.

 

Hình 18 Sự cải thiện chất lượng phun bột nhờ vào lamellas.
Hình 18 Sự cải thiện chất lượng phun bột nhờ vào lamellas.
Hình 19 Sự cải thiện chất lượng tờ giấy nhờ vào lamellas
Hình 19 Sự cải thiện chất lượng tờ giấy nhờ vào lamellas

KỸ THUẬT MULTI-LAYER CHO LOẠI THÙNG ĐẦU GAPFORMER.

Kỹ thuật này sử dụng cho loại giấy đóng gói tạo ra tờ giấy nhiều lớp trên duy nhất bộ phận hình thành. Theo kỹ thuật này, những dòng bột khác nhau có thể cho vào ở phía trên và dưới của giấy 2 lớp. So với loại giấy nhiều lớp làm từ nhiều bộ phận tạo hình khác nhau thì giấy loại này được trộn tốt hơn nên liên kết giữa các lớp cũng tốt hơn.

Hình 20 cho thấy thiết kế của thùng đầu 2 lớp MasterJet M2 ở vị trí hoạt động và ở vị trí làm sạch.

Ở thùng đâu 2 lớp, 2 lớp này được tách riêng bởi tấm ngăn cứng có thể thay đổi vị trí khi vận hành. Đây là phát minh của Voith Paper cho phép thùng đầu vận hành theo các vận tốc khác nhau. Tấm ngăn này tạo ra sự ổn định ngay cả có sự thay đổi áp suất cao ở cả hai lớp bột, nên thích hợp với điều kiện vận hành khi các vận tốc dòng bột khác nhau ở các lớp.

Với các loại tấm ngăn như các tấm lamella mềm thì không thích hợp cho chế độ vận hành với vận tốc khác nhau bởi vì sự thay đổi áp này sẽ làm cho tấm lamella bị cong.

 

Hình 20 MasterJet M2 two-layer headbox
Hình 20 MasterJet M2 two-layer headbox

 

Hình 21 So sánh tấm chắn cứng và tấm chắn lamella mềm trong công nghệ giấy 2 lớp
Hình 21 So sánh tấm chắn cứng và tấm chắn lamella mềm trong công nghệ giấy 2 lớp

 

Hình 22 Các điều kiện v�n hành với v�n tốc các dòng bột khác nhau
Hình 22 Các điều kiện vận hành với vận tốc các dòng bột khác nhau

 

 

Nếu thùng đầu vận hành với các vận tốc dòng bột khác nhau giữ lớp ngoài (outer layer) và lớp trong (inner layer) thì định hướng xơ xợi theo hướng z cao tạo ra liên kết tốt giữa 2 lớp này. Ngoài ra sự khác nhau vận tốc giữa 2 lớp còn tạo ra độ bền đứt cao hơn ở vận tốc vận hành rất cao.

Công nghệ 2 lớp sử dụng tấm chắn cứng và vận hành với vận tốc khác nhau, kết hợp với công nghệ lamella là một bước tiến lớp trong công nghệ làm giấy và linh hoạt trong quá trình làm giấy.

TỔNG KẾT

Độ đồng đều và tính chất tờ giấy phụ thuộc vào chất lượng của thùng đầu. Chất lượng này phụ thuộc vào kiểu dáng và sự ổn định cũng như khái niệm thuỷ lực trong thùng đầu đó.

Để đạt được tính chất bền (độ bền đứt, độ chịu xé, độ bục…)cũng như tính chất bề mặt của tờ giấy (tính nhẵn, bóng, không tạo sọc…) thì chất lượng dòng bột phun là một trong những chỉ tiêu quan trọng.

Tốc độ lưu lượng thể tích và nồng độ bột phân bố theo chiều CD, kết hợp với sự vi chảy rối đồng đều và tối ưu sẽ cho chất lượng dòng bột phun ra khỏi môi phun là tốt nhất.

Nhờ vào hệ thống tinh chỉnh hiện đại đối với các bộ chảy rối, kỹ thuật điều chỉnh lamella và môi phun bột đã tạo ra tờ giấy có độ hình thành tốt, sản phẩm chất lượng cao.

Công nghệ Multi-layer, kết hợp với công nghệ lamella, cho ra loại giấy nhiều lớp với chỉ duy nhât một bộ phận tạo hình. Đây là công nghệ của tương lai.

Tham khảo: Peter Haider and Robert Hutterer

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s