Технология бумаги

С. Н. Иванов










ТЕХНОЛОГИЯ БУМАГИ

Учебное пособие
4-е издание
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 676.026
ББК 35.779
     И20









     Иванов, С. Н.
И20 Технология бумаги : учебное пособие / С. Н. Иванов. - 4-е изд.      Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 696 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1076-2

     Описаны процессы производства бумаги, применяемое оборудование и его работа. Изложены теория и технология процессов: размола, проклейки, наполнения, применения связующих материалов и влагопрочных смол, крашения, очистки, отлива, прессования, сушки и каландрирования бумаги. Рассмотрены волокнистые материалы, применяемые для выработки бумаги, и типы бумагоделательных машин. Дана методика технологических расчетов и приведены практические данные по отдельным вопросам производства.
     Для студентов и аспирантов лесотехнического профиля. Может быть полезно специалистам в области технологии производства бумаги.

УДК 676.026
                                                            ББК 35.779











ISBN 978-5-9729-1076-2

     © Иванов С. Н., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ПРЕДИСЛОВИЕ


ИВАНОВ
Сергей Николаевич

   С выпуском книги профессора, доктора технических наук С.Н. Иванова «Технология бумаги» преодолен своеобразный «вакуум» в сфере информации для специалистов ЦБП. Следует отметить, что за последние 30 - 35 лет подобных учебных и научно-технических трудов не издавалось.
   Особенно важно, что книга издана в период высокого спроса на информацию, как для производственных специалистов, так и для высших учебных заведений. Ценность и значение книги подтверждается тем, что последнее издание, вышедшее тиражом 11 тысяч экземпляров, давно уже невозможно где-нибудь приобрести.
   Учитывая то, что за последние годы российская целлюлозно-бумажная промышленность начала подниматься на ноги и по

лучать значительное развитие, особенно за счет сравнительно небольших предприятий, возникла потребность в такой технической специальной литературе в большом объеме.
   Автор книги «Технология бумаги» С.Н. Иванов обладал исключительно большим опытом, знаниями в области производства бумаги и картона, пройдя большую практическую школу. Он работал на ряде предприятий, таких как Марийский и Окуловский комбинаты, Краснокамской фабрике «ГОЗНАК», а также преподавал на кафедре целлюлозно-бумажного производства Лесотехнической Академии, передавая свой богатый производственный и научный опыт студентам и аспирантам.
   Книга охватывает полный комплекс технологических процессов бумажного производства - размола, проклейки, наполнения, крашения, отлива бумаги на сетке бумагоделательной машины, прессования, сушки, каландрирования бумаги и картона; устройства оборудования, проведения и организации технологических процессов бумажного производства, а также практические рекомендации по эксплуатации оборудования.
   Широта охвата рассматриваемых вопросов и глубина разработки как теоретических, так и практических вопросов бумажного производства ставит книгу С.Н. Иванова в ряды лучших трудов по бумажному производству не только в России, но и за рубежом. Книга С.Н. Иванова «Технология бумаги» была издана в ряде европейских стран с развитой целлюлозно-бумажной промышленностью.
   Приобретая настоящую книгу, Вы будете обладать широкими знаниями и информацией в области технологии производства бумаги.

                Раздел первый





            ПРИГОТОВЛЕНИЕ БУМАЖНОЙ МАССЫ




    Глава I


   ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ


     Исторический обзор [1-7]
   Бумага является упруго-пластическим, капиллярнопористым листовым материалом, состоящим главным образом из мелких растительных волокон, соответствующим образом обработанных и соединенных в тонкий лист, в котором волокна связаны между собой поверхностными силами сцепления. Соединение мелких волокон в бумажное полотно производится обычно методом осаждения и фильтрации на сетке бумагоделательной машины из сильно разбавленной в воде волокнистой суспензии. Затем бумажное полотно подвергается прессованию, сушке и отделке. Для придания бумаге необходимых свойств к размолотому волокнистому материалу добавляют минеральные наполнители, гидрофильные или гидрофобные проклеивающие вещества, красители и другие химикаты. С этой же целью готовую бумагу подвергают дополнительной отделке или специальной обработке.
   В последнее время, кроме обычного способа изготовления бумаги, находит все большее применение так называемый «сухой» способ, при котором волокна соединяются в лист бумаги методами текстильного производства в отсутствии воды. Все большее практическое значение для изготовления специальных видов бумаги приобретает также применение различных синтетических и искусственных волокон взамен растительных. Независимо от способа производства волокна в бумажном листе связаны между собой поверхностными силами сцепления, что отличает бумагу от текстильного материала.
   Изобретение бумаги обычно связывают с именем китайца Цай-Луня и относят к 105 г. н. э. Однако, как показали последние исследования, первое упоминание о бумаге относится к 12 г. н. э., а в 76 г. н. э. на ней уже печатали книги [3]. Цай-Лунь обобщил имеющийся опыт изготовления бумаги и усовершенствовал способ ее производства. Сырьем для бумаги сначала служили волокна животного происхождения (шелк-сырец и отходы шелка), а затем стали использоваться волокна растительного происхождения: лубяных волокон тутового дерева и конопли, бамбука, соломы и др., а также тряпье.


4

    В древние времена взамен бумаги для письма применяли папирус - материал, который изготовляли в Египте из растения Cyperus papyrus , произраставшего в низовьях Нила. Стебель этого растения, имеющий трехгранную форму в сечении, разрезали на куски и расщепляли на пластинки, которые затем склеивали между собой клеем. Так получали лист папируса, который затем уплотняли, ударяя по нему деревянными молотками, сушили на солнце, разглаживали гладким камнем и склеивали в длинные полосы.
    Хотя по своему внешнему виду и составу папирус близок к бумаге, однако технология его изготовления совсем иная. Производство папируса возникло не менее чем 5500 лет тому назад (сохранились свитки папируса, насчитывающие около 5450 лет).
    В ряде европейских стран бумага получила свое название от корня слова папирус: das Papier (по-немецки), le papier (по-французски), the paper (по-английски) и т. д.
    Термин бумага, возможно, происходит от восточного названия хлопчатника «бумаг», из которого изготовляли бумагу, а может быть от итальянского слова «бомбицина», которым именовали очень рыхлую, пухлую и шероховатую бумагу, вырабатываемую арабами. Этот вопрос еще точно не выяснен [2].
    На протяжении семнадцати столетий, с момента изобретения технологического процесса производства, бумагу изготовляли исключительно ручным, кустарным способом, который мало совершенствовался. Громадным толчком к дальнейшему развитию производства бумаги послужило изобретение книгопечатания Иоганном Гутенбергом в 1453 г.
    В XVII в. в Голландии был применен новый, более производительный размалывающий аппарат - ролл, заменивший устаревшую и малопроизводительную толчею, а конец XVIII века ознаменовался изобретением самочерпки - машины, заменившей ручной труд рабочих-черпальщиков, изготовлявших бумагу. Изобретение самочерпки, или бумагоделательной машины, французом Луи Робером (1799 г.) положило начало стремительному росту бумажной промышленности и в немалой степени содействовало всеобщему росту культуры и прогрессу человечества.
    Рост бумажного производства, последовавший вслед за изобретением бумагоделательной машины, натолкнулся на острый недостаток волокнистого сырья, так как тряпья, из которого вырабатывалась бумага, было недостаточно уже и при старом, кустарном производстве бумаги. Наступил сырьевой голод, заставивший основательно заняться поисками новых источников сырья для производства бумаги. Эти поиски увенчались успехом с изобретением способов производства волокнистых полуфабрикатов из древесины. В середине прошлого столетия были открыты способы производства сначала древесной массы, затем натронной и сульфитной целлюлозы и, наконец, сульфатной целлюлозы. С этого момента бумажное производство получило неисчерпаемые источники сырья и стало развиваться быстрыми темпами. За 165 лет своего существования, с момента введения

5

машинного производства бумаги, бумажная промышленность проделала громадный путь развития и превратилась в одну из передовых отраслей промышленности.
    Первая бумагоделательная машина, сконструированная Луи Робером и работавшая некоторое время на бумажной мануфактуре в городе Эссоне во Франции, была очень примитивна (рис. 1). Она состояла из бесконечной сетки, натянутой на двух деревянных валиках, которые располагались над деревянным черпальным бассейном, и приводилась в движение вручную вращением валика от рукоятки. Над черпальный бассейном вращалось


     Рис. 1. Бумагоделательная машина Луи Роббера:

1 - сетка; 2 - валики; 3 - черпальный бассейн; 4 - черпальное колесо; 5 - отражательный щит; 6 - накат

черпальное колесо, изготовленное из тонких медных полос, которое зачерпывало разбавленную водой волокнистую массу из чана, отбрасывало на отражательный щит и выливало ее на движущуюся сетку. Сырая бумага наматывалась на накат, откуда ее периодически снимали. Длина медной сетки 3,4 м, ширина 0,64 м. Машина была далеко не совершенной и по своей производительности лишь ненамного превосходила ручную выработку. Тем не менее сам принцип, заложенный в конструкцию машины, - непрерывный отлив бумажной массы на движущейся сетке - оказался прогрессивным и был использован в последующих конструкциях бумагоделательных машин, созданных братьями Фурдринье и Донкиным. Поэтому имя Луи Робера вполне заслуженно почитается как имя изобретателя машины, сыгравшей в истории техники такую же огромную роль, как типографский станок или паровая машина.
    Луи Робер не смог создать промышленной установки бумагоделательной машины. Это сделали конструкторы англичане Сили и Генри Фурдри

6

нье, а также заводчик Бриан Донкин, купивший совместно с французским промышленником Дидо патент у Луи Робера за 24 700 франков. Технические знания и опыт в машиностроении помогли им значительно усовершенствовать первоначальную конструкцию машины Роббера и создать бумагоделательную машину, нашедшую широкое промышленное применение. Первая бумагоделательная машина Донкина была установлена в Англии в городе Фрогморе в 1804 г., а в 1805 г. была установлена вторая такая же машина в городе Гартфордшайре. С этого времени бумагоделательные машины стали быстро входить в практику бумажной промышленности, они появляются, кроме Англии, во Франции, Германии и в России.
    Первые машины Донкина (рис. 2) не имели сушильной части, состояли только из сеточной, прессовой частей и наката. Вначале отсутствовали


Рис. 2. Первая бумагоделательная машина Донкина:

1 - черпальный чан; 2 - лоток; 3 - сетка; 4 - декельный ремень; 5 - гауч-пресс; 6и7- прессы; 8 - накат

даже отсасывающие ящики. Сырое полотно бумаги, снятое с машины развешивали для просушки на открытом воздухе. Сушильная часть машины была введена только в 1823 г., причем вначале сушильные цилиндры были открытыми и обогревались изнутри жаровнями с углем. Пар для обогрева сушильных цилиндров стали использовать несколько позже. В 1826 г. француз Кансон применил вакуум-насос для отсасывающих ящиков сеточной части, что резко повысило эффективность обезвоживания бумажного полотна на сетке и позволило повысить скорость машины. Из дальнейших усовершенствований бумагоделательной машины отметим изобретение эгутера (ровнителя), позволившего получать бумагу с водяными знаками (Маршалл, 1826 г.), введение сначала плоских (1830 г.), а затем цилиндрических узлоловителей для очистки массы (Франке, 1856 г.), песочницы (Берг, 1838 г.) и ряд других усовершенствований, которые сделали бумагоделательную машину одни из наиболее совершенных агрегатов в промышленности. Это дало основание Карлу Марксу в своем труде «Капитал»¹ назвать бумагоделательную машину образцом механизированного непрерывно действующего агрегата.


¹Маркс К. Капитал, т. I, Госполитиздат, 1952, стр. 387.

7

    Наряду с усовершенствованием длинносеточной столовой машины в первой половине XIX столетия были сделаны и другие важные изобретения по созданию новых типов бумагоделательных машин. Так, в 1805 г. Иосиф Брама сконструировал цилиндровую машину, в 1827 г. Эдельхейзер разработал конструкцию самосъемочной машины. В этот же период было предложено несколько типов бумагоделательных машин для выработки бумаги листами.
    В конце XIX и в XX столетии были сделаны дальнейшие усовершенствования бумагоделательной машины, которые дали возможность значительно повысить ее скорость, увеличить выработку бумаги и почти полностью автоматизировать процесс работы машины. В результате этого были созданы машины производительностью до 500 т бумаги и до 1000 т картона в сутки.
    Этим успехам содействовали следующие основные усовершенствования:
    1)    создание многодвигательного электрического привода бумагоделательной машины, заменившего громоздкий групповой привод с ременной передачей (1908 г.);
    2)    замена простых линеек для напуска массы на сетку напорным ящиком высокого давления (1911 г.);
    3)    замена гауч-пресса отсасывающим валом (1908 г.) и внедрение отсасывающих валов в прессовой части машины;
    4)    создание накатов барабанного типа, заменивших неудобные фрикционные накаты, тормозившие повышение скорости бумагоделательной машины;
    5)    автоматизация управления отдельными частями машины и процессами ее работы (управление движением сеток и сукон, натяжение сукон, заправка бумаги, ведение процесса сушки бумаги, регулирование концентрации массы, ее температуры, кислотности среды, веса 1 м² бумаги и т. п.).


Таблица 1
Показатели машины Луи Робера и современной машины для выработки крафт-мешочной бумаги

                                                          Современная
                                                            машина   
                                                  Машина      для    
            Наименование показателей               Луи     выработки 
                                                  Робера   крафт- „  
                                                           мешочной  
                                                            бумаги   
Производительность , тв сутки.............         0,5    420        
Рабочая скорость, м/мин.................         10--- 12 700        
Ширина сетки, м                                    0,64       7,0    
Длинасетки,м.....................                  3,4    45         
Число сушильных цилиндров...............           Нет    65         
Мощность двигателей переменной части, кет.......   ---    4625       
Вес машины, т.....................                 < 1    2700       
Длина машины, м....................                2,5    120        

8

   Наряду с этим были созданы более совершенные аппараты для очистки массы перед машиной: вихревые очистители, центриклинеры и селекти-файеры, новые типы высокопроизводительных узлоловителей. За последнее время значительно усовершенствована конструкция напорного ящика. Создан напорный ящик закрытого типа, обеспечивающий надлежащее формование бумаги при скорости бумагоделательной машины, превышающей 1000 м/мин. Значительно усовершенствованы сеточная, прессовая,

Рис. 3. Современная бумагоделательная машина

сушильная части машины и системы вентиляции. Широкое применение получили вентиляционные установки с использованием тепла уходящего воздуха. Все эти усовершенствования и многие другие, о которых будет сказано далее, привели к созданию современной бумагоделательной машины (рис.3).
    Чтобы оценить путь развития бумагоделательной машины, сравним первую машину Луи Робера и современную бумагоделательную машину (табл. 1).
    Прибавим к этому, что машина Робера была установлена в небольшой комнате, тогда как современная бумагоделательная машина требует для своей установки громадного зала длиной свыше 150м, шириной около 27 м и высотой около 25 м. Несмотря на гигантские размеры, эта машина, как и машина Робера, обслуживается пятью рабочими.

9

   Одновременно с развитием конструкции бумагоделательной машины совершенствовалась и технология бумажного производства, создавалось новое оборудование для размола, проклейки и наполнения массы, отделки бумаги и других процессов. В 1858 г. Иосифом Жорданом была сконструирована коническая мельница, которая впоследствии превратилась в один из основных размалывающий аппаратов непрерывного действий. В 1862 г. в Германии завод Гаубольд выпустил многовальный суперкаландр для отделки бумаги. В 1870 г. француз Верни создает саморезку гильотинного типа для разрезания бумаги на листы. Позже появились продольно-резательные станки и ротационные саморезки, обладающие высокой производительностью. Создавались новые конструкции станков, внедрялись новые методы отделки бумаги. Бумага стала находить все большее применение в промышленности и в быту.
   С введением машинного способа производства ручной отлив бумаги при помощи специальных черпальных форм, который был единственным способом производства бумаги на протяжении 17 веков, утратил свое значение и начал исчезать. В настоящее время, способ ручного черпания является редкостью. Он сохранился только для производства некоторых специальных видов бумаги: чертежного ватмана, документных бумаг с локальным знаком и т. п. Серьезного промышленного значения этот способ выработки не имеет.
   Возникновение бумажного производства в России относится к XVI веку. Но о существовании первой бумажной мельницы на реке Уче в Московском уезде нам мало что известно. Более определенные сведения имеются о постройке в 1655 г. и работе бумажной мельницы на реке Пахре в слободе Зеленой.
   Производство бумаги в России начало развиваться при Петре I, по указу которого было выстроено несколько бумажных мельниц под Москвой и около Петербурга. Благодаря его заботам бумажная промышленность в России по своему уровню не уступала заграничной. Появились такие крупные бумажные мануфактуры, как Полотнянозаводская (1720 г.) и Ярославская; на каждой из них работало по 500 рабочих.
   Первая бумагоделательная машина в России булла установлена на Петергофской гранильной фабрике в 1817 г. Монтажными работами, которые велись русскими мастеровыми, руководил англичанин Вестингаузен, представитель фирмы Донкина. Многие части машины были изготовлены на Петербургском чугунолитейном заводе. С этого времени в России получает развитие машинный способ производства бумаги. Тем не менее бумажная промышленность, несмотря на большие сырьевые ресурсы, до Великой Октябрьской социалистической революции в России не получила должного развития.
   В годы первых пятилеток бумажные фабрики Советского Союза были реконструированы и оснащены новой техникой. Было построено несколько современных целлюлозно-бумажных комбинатов, впервые создана маши

10