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敞开式流浆箱试验与设计
中国造纸学会机构设备专业委员会
二届一次大会论文
论文题目：
敞开式流浆箱试验与设计
作者：
林美婵孙朝阳柴伯贤
朱金林刘悦
孙信根江美嫒
单位：
轻工业部杭州轻工机械设计研究所
本文执笔：
林美婵
校阅：
张展鹤马伯龙
一九九○年十月
敞开式流浆箱试验与设计
一、前言
造纸机流浆箱是造纸的关键设备，不同的纸机类型，不同的原料、不同的抄造工艺其流浆箱的型式、箱体尺寸及结构往往是不同的，没有一台流浆箱能适应所有的纸种及车速。
在造纸技术先进的国家中，流浆箱的设计是建立在试验基础上的，而我国流浆箱设计长期以来大多数只停留在经验设计阶段，因此当生产中出现问题时，往往束手无策，难以分析原因。
我所从事造纸机设计几十年，深感设计流浆箱必须有试验手段，因此从85年开始就着手筹建流浆箱试验室，配备较为完善的试验系统和测试手段。
目前已初具试验能力并开始为流浆箱的设计服务。
今年，我所受黑龙江省加南造纸厂和上海轻机二厂的委托为门幅为1092mm纸袋纸机设计一台流浆箱，要求纸机的设计车速范围为120-200m/min，工作车速范围为150-180m/min，原料为东北落叶松未漂硫酸盐木浆、成浆叩解度23-25SR、纤维平均长度1.9-2mm，成纸定量80g/m2、上网浓度0.35%。
用户要求提供流浆箱操作说明指导，以抄造匀度好、横幅定量差小，并达到各种物理性能的水泥袋纸。
为了满足用户的要求，我们决定采用试验与经验设计相结合的办法，并根据用户的工艺要求首先按经验资料提出了流浆箱的设计方案再通过模型试验以验证和修改方案；在试验的基础上由纸厂、制造厂和设计单位共同商议，最后确定正式设计方案。
这种设计方法，大家都感到满意。
二、方案设计与试验目的：
1、根据用户的要求和原料特性，初步确定选用平底敞开式匀浆辊流浆箱。
针对袋纸原料纤维长、叩解度低、上网浓度低、流量大的特点，为使布浆均匀、稳定及悬浮体中的纤维分散良好、布浆顺采用单程方锥总管进浆、台阶扩散管束布浆。
匀整区内备有二根开孔率不同的匀浆辊和高度尺寸不同隔板。
唇口区喷咀采用敛唇式和结合式。
模似试验模型其截面尺寸与设计方案的尺寸基本相同，宽度取300mm左右。
2、模型的技术参数与结构
a.主要技术参数
纸种：
水泥袋纸
浆料：
100%未漂硫酸盐木浆
成浆叩解度：
23-25SR
上网浆料浓度：
0.35%
纸机工作车速：
150-180m/min
设计车速：
120-200m/min
成纸定量：
80g/m2
b.模型主要结构：
模型箱体材料全部采用有机玻璃，以便于观察各元件运转情况和流浆箱浆坑内悬浮体的流态。
浆坑中部配有组合隔板，可根据不同试验要求交换隔板总高度，并可调节隔板与箱体低面之间的间隔、让浆流从隔板底下通过，也可以从隔板上翻越，还可以将隔板全部拆掉。
箱体前墙有溢流口，并有阀门可调节溢流口开启度。
模型由三个主要部分组成：
a、布浆区
采用单程方锥总管进浆、台阶扩散管束布浆。
进浆总管配有回流、进浆量和回流量均由电磁流量计准确控制。
台阶扩散管束材质为有机玻璃，分三段直径分别为∮20mm、∮26mm、∮35mm总长度为280mm。
b.匀整区
由两根直径相同、开孔率不同的匀浆辊组成，其中：
喉辊∮159mm、辊面孔径∮20、开孔率33%，闸辊∮159mm、辊面孔径∮20、开孔率45%，匀浆辊转速17.22r/min。
c.唇板区
喷浆口采用敛唇式和结合式两种，唇口开启度可调节，本次试验根据工艺计算分别采用22mm和20mm。
图1为模型的简图。
。
3．试验目的：
a．选择最佳的整流元件组合。
b．观察各种流态、测定箱体内各部流速分布、确定最合适的箱体流道尺寸。
c．求出准确的车速与浆位高度关系；亦即验证测取喷浆口有关系数的值。
d．检查箱体各部有否挂浆。
三、试验内容和测试方法
1、试验流程
由于这次试验是用加南造纸厂提供的未漂硫酸盐木浆浆板，浆料洁净度较好，不必再经除砂和筛选，所以我们用较简单的流送过程，具体表示如下：
浆板打浆机成浆池1#、2#送浆泵高位箱闸板阀
溢流
进浆电磁流量计球阀流浆箱方锥管流浆箱体浆槽浆池
回流
（1#、2#）浆料回收
说明：
△本系统最大供浆量为200m3/h，本次试验所需最大供浆量为116m3/h。
△本系统高位箱液面至流浆箱喷口底面高度为5.5m，本次试验所需高度为5.3m。
△流浆箱进浆和锥管回流量均由电磁流量计准确控制，其读数自动显示。
2、测试方法
浆料流速的测定是采用我所研制的纸浆流速测定仪。
它由传感器和计算机组成。
传感器为应变片式，所测得的信号放大后经计算机测量、数据处理和计算、显示和打印，要以直接读出测定点的瞬时流速（m/s）。
传感器按不同的实验条件选取，每个传感器均经我所标定装置精确标定。
3、试验方案
根据工艺要求、设计需要，通过选配不同的匀整元件定出四种试验方案。
每一种方案均经三档车速（与之相应的三档水位）运行、观察流态、测定有关部位的流速分布，经分析比较后选取其中一种为最终产品设计依据。
匀整元件组合的四种方案
Ⅰ、台阶扩散管束+∮159喉辊+∮159闸辊
Ⅱ、台阶扩散管束+∮159喉辊+隔板+∮159闸辊
Ⅲ、台阶扩散管束+隔板+∮159闸辊
Ⅳ、台阶扩散管束+∮159闸辊
当试验选定其中较为理想的一组时，再试验组合唇板效果。
试验时三档运行车速的选定是针对工艺要求的工作车速选取的数值，分别为括号所示：
流浆箱浆坑浆位高（mm）（626），（508），（353），264，225。
理论相应车速（m/min）200，180，150，130，120。
其中120m/min车速仅作流态观察，不进行测定。
4、测试位置
因这次试验着重探讨喉辊和浆坑隔板的作用以及验证喷咀长度是否合适。
因此测试传感器主要放在与此有关的部位。
具体安排如图
2所示。
Ⅰ号测杆：
横向（X向）插入，测点固定在喉辊旁，靠近箱体中心。
Ⅱ号测杆：
靠近流浆箱浆坑隔板处，测定该处横切面上Z向（竖向）速度分布和横向（X向）速度分布。
Ⅲ号测杆：
靠近喷咀出口处、测定喷咀的X向（横向）速度分布。
5、测试要求
a.要求绘出Ⅱ号测杆的竖向（Z向）速度分布曲线、测点从箱底面开始每隔50mm为一测点。
b.要求绘出Ⅱ号测杆、Ⅲ号测杆的横向（X向）速度分布曲线，浆流横向速度分布均匀程度采用相对均方根偏差T%来表示，T值愈小，表示速度分布愈均匀。
式中：
——速度分布曲线上各点时均速度的均方误差；
——平均速度（X方向）；
——点时均速度（X方向）；
；
n——速度分布曲线上的测量点数。
本次试验用七点
四、试验情况分析
由于这次试验资料和数据比较多，本文不可能全部列出。
为了阐述方便，本文仅列出浆坑浆位高h为510mm（相当唇口的理论喷速为180m/min）时的四种组合方案的流态和测试情况，详见附录。
附录中图3所示为两匀浆辊，没有用浆坑隔板时的流态（即第Ⅰ方案流态）。
这种组合方案的流态表明，箱体内横向（X向）和纵向（Y向）的液位都比较稳定（波动为±5mm左右）。
浆料从台阶扩散管束喷出后一部分沿后墙上升流向前墙，然后沿前墙垂直进入唇口匀浆辊；另一部分沿箱底流向闸辊进入喷咀，基本呈正向流动（无逆向流动）。
在这个区域内浆料悬浮分散均匀，浆流没有大的涡流、回流、气泡。
但在箱体的中部仍有一个轻度的混流区，仔细观察可看到纤维在此区内分散程度较差，浆流方向有些乱。
造成这个现象是由于通过喉辊出来的浆流流速逐渐降低与由闸辊搅动的并从前墙碰撞反回的浆流相混而产生的。
浆流通过喉辊时所产生的波迹在一定距离起作用，如果两匀浆辊距离过大，则喉辊和闸辊之间的混流区域将增大。
这次试验通过对混流区尺寸的测定为以后方案设计提供二个匀浆辊合理的中心距尺寸。
图4、图5为在二匀浆辊中间加隔板（即第Ⅱ方案）时的流态。
隔板的加入使浆坑内的浆流形成二个大涡旋，正向流速区域减小、混流区域加大、液面波动较大（约相差50mm），尤其是唇口区的浆流基本处于混流状态。
图4所示的浆流从隔板上面翻越，使堰池液面呈马鞍形、浆位极不稳定，尤其在前堰池不仅液面不稳而且有许多大气泡，不时有气泡进入喷咀区，因翻越隔板的浆流如同瀑布倾泻冲击前堰池的液面使浆流卷入大量空气并由于浆流在隔板处急骤转弯在板壁产生一个真空区形成一个P形的浆料滞流区，这对上网的浆流是很不利的。
图5所示浆流从隔板下面通过，也使堰池的浆流形成二个混流区，并由于浆流通过隔板底部缝隙时速度加大，使前浆坑浆位比后浆坑低，从而造成前浆坑液位不平衡（但比图4的要好的多）。
这对上网的浆流也是不利的。
图6、图7均为取消喉辊时浆流的流态。
浆坑内的Y方向和X方向液位都非常不稳定，靠近后墙的浆流似泉涌，液面有明显的横流现象。
图6为加隔板时的流态、缺点与图4、图5的流态相似。
图7所示为不加隔板时的浆流流态，液面不仅仅波动很大，后墙的浆流似泉涌往上冒，而且在前墙板处有螺旋状旋涡，有时会把空气卷入喷咀区内喷出去。
浆坑基本呈混流状态。
这些现象说明在本试验的条件下喉辊不能去掉。
因为水泥袋纸浆流浓度低、流量大，虽经台阶管束消能，但出口流束仍较大，不能没有喉辊的阻力匀整作用。
观察比较以上的流态后，我们认为第Ⅰ种方案的流态最好、纤维的分散程度也较好、前浆坑浆位稳定，从而保证了喷出浆流的均匀稳定。
从测试情况来看也是第Ⅰ种方案的速度分布较好，尤其中喷咀的浆速横向分布较平直，T值最小。
匀浆辊露出液面好还是淹没在液面下好，这个问题在造纸界有不同看法，为了探索这个问题，试验中曾把浆位降到稍低于匀浆辊辊面进行了观察，发现在靠近匀浆辊入口处的上唇板附近不时有气泡产生。
这说明匀浆辊露出液面时会因匀浆辊的转动而把气相的空气泵入浆流中，当匀浆辊全淹没在液面下时，就没有出现这种现象了。
比较高浆位和低浆位运行情况，可以看到四种方案都显示出低浆位运行时流态比高浆位好，尤其第Ⅰ种方案，浆位高度在300mm时，堰池的浆流基本呈正向流动状态、纤维分散也较好，浆位愈高、混流区愈大，当浆位超过650mm（约合车速200m/min）混流现象就很严重，尤其当前墙没有溢流时，前浆坑浆位显得不稳并带有微细的泡沫。
流浆箱喷咀长度（本文定义为从闸辊中心线至上唇板唇缘的距离）是否合理是纸幅成形好坏的一个重要因素。
喷咀长度与匀浆辊尺寸与流量有关。
这次试验由于没有试验纸机，因而不能从成纸看出成形结果，但观察结果说明唇口喷出的浆流波迹较微细，测试出的速度分布曲线较平直，说明设计方案所选用的喷咀长度在合适范围内。
试验表明，虽经过多次连续运行（每次四小时以上）箱体内和台阶管束等均无挂浆附浆现象，说明箱体的形状和管束的尺寸、材质的选用是合理的。
通过试验也验证了我们选用的喷速阻力系数偏大，这个数值随箱体布浆元件、阻力元件、箱体尺寸以及浆料的不同而不同，亦即克服阻力损失所需的总压头随不同条件而变化。
五、结束语
我所这次流浆箱的试验与设计虽是刚刚起步、试验的经验不足、试验手段和装备还不够完善、试验的完备程度也不够，但已能说明流浆箱的设计必须与模拟试验相结合。
通过试验帮助设计人员选择较为正确的设计方案和设计参数，便设计出的流浆箱性能更为接近要求，也只有通过试验才能帮助用户正确操作使用流浆箱以抄造出良好的纸。
因此今后设计流浆箱必须结合试验，只有这样才能“量体裁衣“，设计出符合造纸工艺要求的流浆箱。
附录
图3
Ⅰ方案（两匀浆辊，无隔板）模拟车速180m/min，相应浆位高510mm。
浆流情况记录
液面稳定、波动±5mm、浆流基本上是正向流动、浆坑中间有一轻微的混流区。
图3测试数据及速度分布
图3测试数据及速度分布
Ⅰ号测杆
ǖim/s
0.27
Ⅱ号杆竖向速度分布
Ⅱ号测杆
ǖm/s
0.23
T%
4.26
X向速度分布
Ⅲ号测杆
ǖm/s
2.784
T%
0.68
X向速度分布
Ⅱ方案（两匀浆辊，中间加隔板）模拟车速180m/min，相应浆位高510mm，隔板高410mm。
浆流情况记录
隔板靠近底部，浆流向上翻越，隔板离底部100mm,浆流从下面前浆坑液位呈马鞍形并有气泡，过，前浆坑液位不稳，前浆坑基隔板后有P形滞流区。
本处于混流状态。
图5测试数据及速度分布
图5测试数据及速度分布
Ⅰ号测杆
ǖim/s
0.342
Ⅱ号杆竖向速度分布
Ⅱ号测杆
ǖm/s
0.273
T%
22.89
X向速度分布
Ⅲ号测杆
ǖm/s
2.45
T%
0.98
X向速度分布
Ⅲ方案（无吼辊加隔板）模拟车速180m/min，隔板高410mm。
浆流情况记录
后墙浆面似潮涌，液面很不稳定，前浆坑液面不稳定，隔板后有P形滞流区，前浆坑基本处于混流状态。
图6测试数据及速度分布
Ⅰ号测杆
ǖim/s
-1.49
Ⅱ号杆竖向速度分布
Ⅱ号测杆
ǖm/s
-1.48
T%
9.3
X向速度分布
Ⅲ号测杆
ǖm/s
2.45
T%
0.98
X向速度分布
Ⅱ方案（无喉辊，无隔板）
浆流情况记录
液面波动很大而且很不稳、呈马鞍形。
近前墙处有锥形涡漩，进浆侧（箱体传动侧）液位比回流侧高，使横向液面波动很大。
图7测试数据及速度分布
Ⅰ号测杆
ǖim/s
-1.5
Ⅱ号杆竖向速度分布
Ⅱ号测杆
ǖm/s
1.492
T%
10.88
X向速度分布
Ⅲ号测杆
ǖm/s
2.45
T%
1.77
X向速度分布
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