制浆造纸电磁感应加热压光机结构设计研究.pdf

第43卷第1 期2024年1 月造纸科学与技术Paper Science and TechnologyVol.43No.1Jan.2024制浆造纸电磁感应加热压光机结构设计研究吴玮玮崔乔（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，7 1 0 30 0)摘要：压光整饰是制浆造纸过程中的重要工序，压光机作为制浆造纸工业中必不可少的纸张表面压光加工装置，其压光效果直接影响纸张的质量、应用和性能。对此，简述了传统制浆造纸压光机的弊端，介绍了电磁感应加热原理和电磁感应加热压光机的应用优势，设计了一种采用电磁感应加热方式的制浆造纸压光机，确定了压光机的总体结构和加热方案，并对压光机的加热线圈、加热辊筒、电机、轴承等关键部件进行设计与分析。以期开发节能高效的新吴玮玮先生型制浆造纸压光设备，使其应用领域更加广泛。关键词：制浆造纸；电磁感应；压光机；总体结构；关键部件中图分类号：TS111文献标识码：AD0I:10.19696/j.issn1671-4571.2024.1.010引文格式：吴玮玮崔乔.制浆造纸电磁感应加热压光机结构设计研究 J.造纸科学与技术，2 0 2 4，43（1）：48-50+7 1.Structure Design and Research of Electromagnetic Induction Heating CalenderAbstract:Calender finishing is an important process in the process of pulping and papermaking.Calender as an indispensable papersurface calender processing device in pulping and papermaking industry,its calender effect directly affects the quality,application andperformance of paper.In this paper,the disadvantages of traditional pulping and papermaking calender are briefly described,theprinciple of electromagnetic induction heating and the application advantages of electromagnetic induction heating calender areintroduced,a kind of pulping and papermaking calender using electromagnetic induction heating is designed,and the overall structureand heating scheme of the calender are determined.The key components of calender,such as heating coil,heating roller,motor andbearing,are designed and analyzed.In order to develop energy-saving and efficient new calender equipment for pulp and papermaking,its application field is more extensive.Key words:pulp and paper making;electromagnetic induction;calender;overall structure;key component0引言如今,高档的书刊用纸、包装纸用量在逐渐增加,对纸张的品质提出了更高的要求，然而造纸设备的工作效率不够高，还存在环境污染等问题。压光机是实现纸张压光整饰工作的重要设备，种类繁多，我国很多造纸厂所用压光机是导热油或蒸汽的传统加热方式，能源利用率低、加热速度慢且不安全环文章编号：1 6 7 1-457 1(2 0 2 4)0 1-0 0 48-3For Pulping and PapermakingWUWeiwei(Shaanxi Institute of Technology,Xian 710300,China)保。电磁感应加热可避免这些问题，而且热转换率高、能到达的温度也较高，可较好满足制浆造纸高温工作要求，但目前该加热方式只应用在很小一部分的高端领域，尚未得到广泛应用。对此本文基于电磁感应原理,设计一种电磁感应加热压光机,对传统压光机进行改进，以期促进电磁感应加热压光机在造纸行业的广泛应用。CUI Qiao作者简介：吴玮玮，生于1 9 8 0 年，工程硕士，副教授，主要从事电子信息研究。E-mail:。基金项目：陕西省教育科学“十四五 规划2 0 2 3年度一般课题（SCH23Y3033）第1 期1制浆造纸电磁感应加热压光机的应用1.1传统压光机的弊端制浆造纸用压光机主要是对多种纸张和纸板进行压光整饰，在温度和压力作用下，提高纸页的平滑性,增强纸页光泽度,改善纸页紧度的均匀性，提升纸张制造质量。传统的压光机普遍采用油加热、蒸汽加热或者电热丝加热的方式，油加热方式需要将导热油加热到很高的温度，再将热量传递给辊筒对纸张加热,加热过程中会产生大量的废气，在节能环保的时代背景下，这一加热方式显然不满足造纸工业的绿色可持续发展要求。蒸汽加热是以蒸汽替代导热油,这对辊筒的承压能力提出较高要求,若辊筒承压能力不足很容易引发安全事故。电热丝加热原理简单，容易控制，但热利用率很低，造成资源浪费，加热温度也不均匀，容易造成纸幅厚度不一,无法满足高品质、高质量纸张产品的生产要求 1-2 1.2电磁感应加热原理与应用优势电磁感应加热是一种非接触式的加热方式，当加热线圈中通人频率较高的交流电，会产生与交流电同样频率的交变磁场,将金属物体放人磁场中,磁力线会通过该物体形成一个回路,回路中的磁力线切割金属物体，使其内部产生变化的电压,继而被作用物体内部就会产生较强的涡电流，从而迅速产生焦耳热，达到加热目的，整个过程将电能转化为磁能,再转化为热能。电磁感应加热特性包括集肤效应、邻近效应和圆环效应，当导体内部通人交变电流时，电流密度分布不均匀，导体外表面电流密度大，中心电流密度小,这种现象为集肤效应，交变电流频率越高、导体导电性越好，则该现象越显著。当相邻的几个导体中通入的交变电流方向相反时，各自产生的交变磁场作用在相邻的导体上，激发导体内部涡流，造成电流分布不均并向相邻导体靠近，这种现象为邻近效应，电流频率越高、导体距离越近，该现象越显著。当在环状导体中通入高频交变电流时，环内交变磁场集中、环外分散，导致导体内电流主要分布在内侧，这种现象为圆环效应，导体内部感应线圈直径越大,该现象越显著 3-4O随着科技的日益发展，电磁感应加热方式在制浆造纸及其他工业生产中的应用更加广泛，该加热方式在解决高温加热、大功率加热技术问题时，发挥了重要作用。应用到制浆造纸压光机中,相比于传统的油加热、蒸汽加热等加热方式，可达到更高的加热温度、更快的加热速度，还可对压光机所需温度进吴玮玮等：制浆造纸电磁感应加热压光机结构设计研究加热辊机架软辊图1 电磁感应加热压光机总体结构2.2加热原理根据电磁感应加热原理，电能与磁能的转化赋予了加热辊能量，那么加热辊就需要处于电磁感应线圈所产生的交变磁场范围内，即线圈不能与加热辊距离太远，常见的加热方式有两种，如图2 所示。感应线圈加热辊加热罩.纸张软辊(1)外置图2 两种加热方案内置式是将线圈置于加热辊内壁上，外置式是49行精准的控制，易于实现制浆造纸自动化，显著提高生产效率。这种加热方式不仅解决加热效率低下的问题,还节能、环保、安全、高效,电能利用率高,有效提高工作环境 52制浆造纸电磁感应加热压光机结构设计2.1总体结构电磁感应加热压光机主要由加热辊、下软辊、电磁感应加热罩、机架、传动系统等部分构成，总体结构如图1 所示。这是一个小型的压光样机，辊筒长500mm，直径30 0 mm。加热辊是压光机主要加热装置，不同于油加热压光方式，该辊筒内部不需要通人加热介质,因此可设计为中空的辊筒，辊筒材料为冷硬铸铁。加热罩设计成与加热辊同心的圆弧形状，固定在斜上方，在压光过程中加热辊是连续转动的，因此不需要全部覆盖加热辊，覆盖三分之一即可。加热罩内部放置电磁感应线圈，为防止线圈被高温辐射而损坏，在加热罩线圈和加热辊之间增设云母板。控制柜控制线圈中交流电的频率，在电机带动辊筒转动时,对辊筒外表面进行加热，从而使得上下辊筒之间的纸张的表面快速的升温,受到高效的压光处理 6-7 O同步带一加热罩感应线圈加热辊纸张软辊(2)内置50在加热辊外部增设一个加热罩,用于放置线圈。但加热辊是封闭的，内置线圈无法良好散热，加热辊内部温度偏高，存在安全隐患，且内置式较为复杂不易实现,因此采用外置式的加热方案。由于集肤效应的存在，使得加热辊外表面能够快速升温，提升加热效率。感应线圈和加热罩独立设置，不用随加热辊转动，也便于之后的维修养护 8 。2.3加热线圈感应线圈是实现压光机电能、磁能和热能转化的关键。选择质地坚硬的纯铜管作为线圈材料，延长设备使用寿命，同时纯铜线圈还有较好的热传导性能、耐腐蚀性等。将纯铜线平行缠绕为线圈,相邻线圈要有一定间隔，便于输人交流电后线圈的散热，这种缠绕排布方式不仅加热效率高，产生的感应磁场和涡流也较大 9 2.4加热辊筒电磁感应加热压光机改进了传统的加热方式，加热辊筒内部不需要设计复杂的水油通道,外置加热罩就可以使得加热辊筒表面均匀升温，因此辊筒可设计为中空式加热辊，根据压光机的尺寸合理设计辊筒尺寸。压光机的辊筒长50 0 mm，辊筒内径279mm,外径2 9 9 30 0 mm。辊筒两端沿着辊筒内部设置一个环形槽,环形槽深度约6 mm，直径约290mm,此环形槽可更好配合辊筒两端法兰盘端盖，保障两端轴的同轴度,避免纸张压光过程起皱 1 0 。2.5电机该压光机使用三相异步电机为上下辊提供传动力，控制上下辊的转动，电机的功率需要根据压光机的加热辊长度、辊筒之间挤压力等参数确定，该小型压光样机中，压光长度50 0 mm，辊筒直径30 0 mm，假设摩擦系数为0.1，上辊筒受到的下滚筒给予的向上的最大挤压线压力F为1 50 N/mm,则可求出转矩T=F:S=150N/mm500mm300mm:20.1=1.125 106 N/mm=1125 N/m,再根据转矩 T和功率P之间的关系：P=转速T/9550,计算出所需电机的功率大小。由于存在外界不确定因素,影响压光效果，实际选择的电机功率可比计算值稍微大一些。在此选择2 2 Kw的Y225M-8型号电机，该电机节能、噪音小、性能可靠 2.6轴承压光机两端的轴承受轴向荷载和径向荷载的作造纸科学与技术用力，可选择带座外球面轴承,使得压光机整体结构紧凑，当轴承座和两端轴的两条中心线不完全重合时，轴承的内外圈轴线出偏斜，需要轴承具备调心功能。如UCP217带座外球面轴承,具备调心功能,保持架及其材料为轴承钢，可在高温环境下使用，轴承座密封性也较好,可防止轴承中的润滑脂流出，使用寿命长。2.7加热电源电磁感应加热电源的结构主要包括电源电路、滤波器、驱动单元、传感器和微控制器等。电磁感应加热电源主电路的工作是将设备输人的38 0 V/50Hz的交流电经滤波、整流和逆变后输出为特定频率的交流电，通人线圈后就会产生交变磁场。在整流输人和逆变输出部分设定驱动单元，控制开关器件的开通与关断，同时保护与监测开关器件的状态。微控制器对温度传感器的输出信号和驱动电路的状态信号进行采集和检测，在此应用REX-C700型号的温控仪,将采集的温度数值与提前设定的参考值进行对比,实现对加热功率的监测和改变。在加热管的两端和中间位置增设感应探头，实时测量加热辊的表面温度，将温度数值显示在显示屏上，当辊筒外表面的温度达到标准后，感应探头会向微控制器反馈这一信息，停止加热，当温度偏低后，则会持续加热 1 2-1 3可使用SolidWorks软件建立电磁感应加热压光机结构的三维模型,导人ANSYS分析软件来验证这种加热方式的可行性。在分析软件中经过电磁场设置、网格划分以及其他处理得到温度场分布云图，观察靠近加热罩处的温度和远离加热罩的温度变化，加热情况是否满足高品质纸张的压光温度的相关技术要求 1 4-1 53结语制浆造纸电磁感应加热压光机主要由加热辊、软辊、机架、电机、电源模块等部分构成，电磁感应加热方式可很好替代传统加热方式，提高加热速度和温度，满足高温工作需求。目前电磁感应加热方式只应用在小部分的高端造纸领域，今后需要不断对压光机加热辊的温区进行改进，对现有设备进行优化，以研发高性能的电磁感应加热压光机，促进造纸行业的可持续发展。(下转第7 1 页)第43卷第1期保护水资源。此外，深度处理还可以回收废水中的有用物质，如纤维素、纸浆等，提高资源利用率，促进造纸环保产业的发展。参考文献1 陈静静，梁郡，王曦.制浆造纸废水联合深度处理技术应用及运行分析 J.中国造纸,2 0 2 2,41（12）：140-145.2麦俊杰，谢彬，黄柳祯.制浆造纸废水深度处理中的生物处理新技术 J.资源信息与工程,2 0 2 1,3 6(6）：10 8-111.3冯碧荣,刘军.浅析膜分离制浆造纸废水深度处理工艺 J.华东纸业,2 0 2 1,51(1)：41-44.4徐春红，苏国庆，陈卫民.制浆造纸废水深度处理工程中几个关键问题的探讨 J.华东纸业，2 0 2 0,50（6）：4144.5卜换达.预混凝-高级氧化法深度处理制浆造纸废水 J.工业用水与废水,2 0 19,50(6):2 2-2 5+42.6路德胜，毕淑英，谢益民.麦草Bio-CMP制浆废水高效处理技术J.湖北工业大学学报2 0 2 2（5）：6 6-7 0.7赵红艳，王建功.基于环保理念的制浆造纸废水处理工艺改进 J.造纸科学与技术,2 0 2 2,41（5）:13-17+3 2.8张克英.制浆造纸废水处理回用工艺的实践探讨 .造纸装备及材料,2 0 2 1,50(9):9 2-9 3.9陈荔英.新型聚合硫酸氯化铁在废水处理中的应用 .能源与环境,2 0 2 3(1):8 4-8 6+8 9.路程：制浆造纸废水深度处理方法研究10 享郭葵香；余俊，活性焦吸附过滤技术用于造纸废水处理提标改造 J.中国给水排水,2 0 2 2（2 2）：111-115.11陈晓军.臭氧催化氧化替代Fenton深度处理制浆造纸废水工艺研究 J.中国造纸,2 0 2 2,41（S1）：156-159.12 李文辉.制浆造纸废水深度处理的技术研究 J.华东纸业，2020,50(3):34-36.13杨收，万金泉，马文等.PS无酸高级氧化工艺深度处理制浆造纸废水的工程应用 J.环境工程学报，2 0 2 1，15（1）：224-235.14陈学萍，占正奉，伊浩，王平，王璐颖，朱宇，林春香，黄健.废纸制浆造纸废水处理过程中溶解性有机物转化特性的研究 J.中国造纸,2 0 2 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