多功能涂布机的研制

张毅嘉 张 立 王 澍

(轻工业杭州机电设计研究院，浙江杭州，310004)

多功能涂布机的研制

张毅嘉 张 立 王 澍

(轻工业杭州机电设计研究院，浙江杭州，310004)

多功能特种纸涂布机采用刮刀涂布器和气刀涂布器相结合的涂布方式，满足不同涂料不同涂布量的要求;循环热风干燥系统的风机采用变频控制配以温度自控系统，达到温度设定后的自动调节，实现节能的目的;退卷和收卷在全速工作状态下实现自动换卷，提高效率，减少辅助时间。该机在安装调试后生产无碳复写纸和热敏纸的情况良好，各项经济技术指标均达到设计目标。

涂布机;热敏纸;无碳复写纸;气刀涂布器

随着信息的大量涌现和商务活动的蓬勃发展，复写和打印纸的需求急剧增长，于是催生了无碳复写纸和热敏纸。无碳复写纸是针对有碳复写纸的缺点而开发出来的，它广泛应用于文件、票据、账页、收据发票等。无碳复写纸由上页纸 (CB)、中页纸 (CFB)、下页纸 (CF)组成，在使用中直接用硬笔书写或打字即可得到若干副本。热敏纸是一种受热能作用而发色的记录用纸，可用于传真、收款机、ATM机、彩票、登机牌、火车票、超市条形码、排队机、心电图记录等方面［1-2］。因此，它们在市场上都有着广泛的应用前景。由于无碳复写纸和热敏纸的生产工艺不同，用于生产无碳复写纸的双面涂布机无法用来生产热敏纸，而用于生产热敏纸的涂布机也同样无法用来生产无碳复写纸，这直接造成企业无法适应多样化的市场需求。为此，轻工业杭州机电设计研究院在设计时充分考虑到高感热敏纸和无碳复写纸等的特殊性，同时兼顾降低能耗、提高经济效益的需要，经过不断改进和完善开发了1800/300多功能特种涂布纸涂布机 (见图1)。该机于2007年初在华金集团凯特纸业有限公司安装完毕并一次试车成功，经过一段时间的正常运行效果良好，现就该机特点进行介绍。

图11800 /300多功能特种涂布纸涂布机

1 设备配置流程

根据热敏纸和无碳复写纸涂层的特点和生产要求，1800/300特种涂布纸涂布机的设备配置流程为:带连续接纸系统的双工位退纸机→刮刀涂布器→热风循环干燥系统→整饰装置→计量棒+气刀涂布器→热风循环干燥系统→整饰装置→计量棒+气刀涂布器→热风循环干燥系统→整饰装置→软辊压光机→带连续接纸系统的双工位卷纸机。

2 涂布机的主要结构特点和工作原理

2.1 主要组成及技术参数

1800/300特种涂布纸涂布机主要由带连续接纸装置的回转退纸架、刮刀涂布器、气刀涂布器、热风循环气翼干燥系统、调态整饰系统、软辊压光机、带连续接纸装置的轴式卷纸机、压缩空气系统、传动系统及全数字交流变频控制系统等组成。其主要技术参数见表1。

表1 1800/300特种涂布纸涂布机主要技术参数

2.2 带自动接纸装置的回转退纸架

双工位带自动接纸的轴式回转退纸系统，由回转式退纸架、加速装置、测速装置、接纸装置、张力检测控制装置、光电检测装置、压缩空气系统等组成。

双工位回转式退纸架可以同时装夹2个纸卷并能做正反两方向360°旋转，且可在任意位置停留，回转速度为1 r/min。

退卷后纸幅张力的控制是通过张力传感器检测纸幅张力大小，利用气/电转换阀自动调节制动器的气压来实现的，或通过电机来直接控制。

对于自动接纸系统来说，在使用时由人工输入新纸卷直径，通过可编程控制器 (PLC)实现速度给定，或者采用皮带测速装置检测新纸卷表面线速度再反馈给PLC实现速度给定，使新纸卷线速度与涂布机主车速保持同步。为了实现高速情况下有效的退卷纸幅张力控制，必须实现张力的闭环控制。在退纸后设有张力传感器进行实时检测，并通过PLC控制电气比例阀的开度，调节进口气动盘式制动器的气压，产生不同的制动扭矩，保证退卷后纸幅以稳定的张力平稳地进入涂布，减少由于张力波动而造成的涂布量波动。

带自动接纸装置的回转退纸架实现了原纸卷在涂布机全速运行状态下的自动换卷，保证了涂布机的连续生产，既提高了生产效率，又降低了操作人员的工作强度，同时还提高了成品率，增加了市场竞争力。

2.3 刮刀涂布器

由于对涂布量和涂层的要求不同，因而有不同的涂布方式，刮刀涂布器可用于热敏纸的涂布和无碳复写纸的CF纸的表面涂布。

在工作状态下，刮刀片靠在背辊上，纸幅带上涂料后经过刮刀和背辊之间形成的压区，将过量的涂料除去。靠改变刮刀的压力来控制涂布量，对涂层面进行整饰，从而获得理想的涂层表面［3］。这种涂布方式属于接触式涂布，优点是涂层表面基本不受原纸粗糙度的影响，平滑度和平整度较高;对涂料黏度适应性强;可以使用高固含量的涂料以提高干燥效率，还可以在较高的车速下运行，设备生产效率高而运行成本低［4］。

刮刀涂布器主要由背辊、上料辊、涂料槽、刮刀架、刮刀梁、刮刀横梁、边刮刀、喷雾装置、机架等组成。刮刀架和刮刀梁固定在刮刀横梁上，其上配有用于调节横幅涂布量的微调螺杆，以调节横向涂布的均一性;背辊的直径为600 mm，表面包覆有25 mm厚的优质氯丁橡胶，橡胶硬度为P＆J 70±2;涂料装置为多管进料，且带有溢流装置;配有刮刀角度和压力调整系统，以调节涂布量。在背辊与刮刀架，背辊与上料辊之间设有微调限止器，以准确计量其间隙，并防止设备相互碰撞而导致设备损坏。

2.4 气刀涂布器

气刀涂布器与刮刀涂布器比较，具有适应性强，对原纸定量要求较低的特点，对涂层没有压力影响，从而避免破坏涂层表面。气刀涂布器由于“滤饼”作用，涂布后原纸表面的凹凸不平仍然存在，因此尤其适合于热敏层和无碳复写纸的CF纸表面或CB纸背面等有显色要求的涂布。

气刀涂布器主要由气刀体、上下唇板、气刀座架、高压风机、多辊上料装置、计量棒装置、气刀、气料分离器等组成。

工作原理是高速气流从上、下唇板构成的唇口喷出，形成刀状的高速气流，用以刮除纸张表面的多余涂料，全幅风速均匀一致，保证了涂层的均匀度。刀缝大小调节方便，涂布量可在较高的范围内调节，具有易于操作的特点和广泛的适应性。气刀壳体结构简单，加工容易，维修方便，且容易清洗［5］。

气刀体为不锈钢管材加工而成，上、下唇板均由不锈钢板加工而成;唇板横向、纵向均设有调节间隙的精密螺杆装置，气刀缝大小在0.50～0.75 mm之间调节。气刀高压风机采用三叶罗茨高压风机，其进出口均带有消声器，在风机与气刀之间配有热交换器，通有循环冷水对高压风进行冷却，气刀高压风机的转速通过变频器调整，以达到节能的目的。

多辊上料装置采用双辊上料形式，由上料辊、涂布辊、压辊、涂料槽、机架等组成。

计量棒装置由计量棒、棒座、升降装置、传动装置等组成，计量棒为单独交流电机传动，变频调速。

气料分离器用于回收气刀吹下的多余涂料，避免涂料飞溅，造成车间污染。气料分离器为不锈钢焊接结构，整体可来回移动，清洗方便。

2.5 高蒸发率的循环热风干燥系统

由于刚刚离开涂布背辊的纸幅表面的涂层仍然是湿的，表面涂布再次干燥取得成纸的过程必须采用非接触式干燥。涂布纸干燥并非仅仅是脱除涂层的水分，其对于提高产品质量有着重要的意义，将直接影响涂层和涂布纸的质量。因此需要一个高能量密度和高蒸发率的干燥器［6］。根据不同的涂料性质，涂布干燥系统可采用烘缸干燥、远红外干燥、循环热风干燥等形式。对于每一种产品的干燥，均有特定的表面温度要求，以保证在该温度条件下干燥不会损坏涂料的物理结构。一般情况下，涂布纸在干燥过程中的温度、水分的扩散速率和蒸发率会发生连续不断的变化，这就决定了干燥过程的温度需要分区可控，即采用单元式的干燥系统。无碳复写纸虽然对干燥温度没有特定要求，但热敏纸对干燥温度要求较高，温度不合适会造成显色，二者的干燥一般宜采用对流干燥方式［7-8］。

气翼干燥器是蒸发率较高的对流干燥的一种，为单元式结构，箱内布置若干组喷嘴，喷嘴上下交错排列，可同时进行纸幅两面的干燥，干燥空气从喷嘴两侧喷出，用气流承托纸幅运行。由于“附壁效应”给纸幅以“磨擦”作用，从而达到最大的热和质的传递，具有很高的蒸发速率［9］。

基于热敏纸和无碳复写纸的特性，本机的干燥采用高效的热风循环干燥系统。由蒸发率高且具有自平衡式的单元型气翼式干燥器、热交换器、循环风机、风门、热风旁通系统、风管、温度检测及自动控制系统等组成。

热风循环干燥系统的风机采用变频控制配以温度自控系统，实现了温度设定后的自动调节，不仅使涂布机的潜能得到发挥，而且风机效率得到提高，节能效果明显。

干燥系统的加热源一般为蒸汽，但是随着环保要求的提高很多地方已限制蒸汽锅炉的使用，目前已有采用天然气直接加热空气然后干燥涂布纸的干燥配置方式，同时实现温度控制涂布机正常使用。

2.6 调态整饰装置

调态整饰装置设置于每次涂布干燥后，用以控制涂布纸水分含量。由于热敏纸和无碳复写纸的生产过程须经过多次涂布工序才能完成，因此为了得到好的质量和高的产量及成品率，调态整饰显得尤为重要。

调态整饰装置主要由烘缸、导毯辊、毛毯张紧器、自动校正器、旋转接头、烘缸轴承等组成。

为了更好地控制整幅温度精度，提高整饰效果，调态烘缸采用夹套缸的形式。

2.7 软辊压光机

软辊压光机对提高产品的涂布效果起到了很好的作用，有助于涂布纸获得较高的光泽度、平滑度、紧度和均匀的油墨吸收性。经过现场多次调试的经验，软辊压光机线压大约控制在50～130 kN/m比较合适。虽然热敏原纸平滑度要求很高，但涂布后经压光整饰时要求压力适当，否则会引起发色［10］。

软辊压光机主要由冷硬铸铁辊、聚氨酯软辊(或特种树脂辊)、加压装置等组成。

2.8 全自动的轴式回转卷纸机

双工位带自动接纸的轴式回转卷纸系统，结构与双工位带自动接纸的轴式回转退纸系统基本相同。

卷纸机由两台交流变频电机分别驱动，通过张力传感器检测收卷纸幅张力大小，自动调节电机转速以达到收卷整齐的目的。在涂布机全速运转的情况下，可进行新老纸卷的自动接纸操作，成功率高达95%以上，属国内领先水平，完全可以替代进口设备，填补了国内空白。

2.9 全数字交流变频控制系统

为适应高车速生产特种纸的要求，1800/300特种涂布纸涂布机采用全数字交流变频分部控制系统，并采用整机张力自动控制，使涂布质量更上一层楼。

分部传动的控制精度和不良的协调性会直接影响涂布上料的均匀性，而烘干温度也影响成纸的水分含量，最终会影响产品的质量。虽然1800/300特种涂布纸涂布机传动点多，但由于采用全数字交流变频控制系统，并配以张力检测及反馈装置，使整机纸幅运行状态得到有效控制，消除了纸幅断纸的可能，且升降速灵活自如，车速的重复性、稳定性、可靠性提高。设备和机器实现最优化运行，最大程度地提高了工厂的实用性和生产效率［11-12］。

同时，刮刀涂布器、气刀涂布器、连续接纸装置、热风干燥系统均实现了自动控制，特别是在连续接纸时，使各部分均顺利实现了自动动作，既简化了操作，实现自动化，又减少了辅助操作时间，提高产品的成品率。

3 涂布机运行情况

3.1 设备运行效果显著

整机安装完成后，进行空车试运行，而后进行带料同步调整，最后进行涂布干燥等试运行生产。

(1)退卷和收卷在300 m/min的全速工作状态下，实现自动换卷，既减少损纸，又提高生产效率，成功率达到95%以上。

(2)刮刀涂布器可以在低固含量的情况下实现低涂布量的涂布，故对于涂布热敏纸这类特种涂料的低涂布量的涂布是合适的，涂布达到预期效果。

(3)气刀涂布系统可以在各种固含量的情况下实现低涂布量的操作，特别是气料分离器的分离效果令人满意，且可以将分离后的涂料再次运用，降低生产成本。

(4)高精度辊式涂布装置则是专门为适应低涂布量、低固含量而开发设计的计量转移涂布方式，避免涂料的大循环和浪费。

(5)采用刮刀涂布器和气刀涂布器相结合的涂布方式，满足了不同涂料和不同涂布量的要求，特别在3 g/m2的低涂布量和17%～20%低固含量的条件下涂布均匀，且不产生漏涂，属技术创新。

(6)风机实现变频调速，干燥系统带有温度自动控制，由热电阻进行温度检测，根据工艺设定的温度，通过PLC控制蒸汽比例阀的开度，使干燥箱热风温度稳定在设定温度左右。既满足生产需要，又大大地节约能源 (降低能耗约20%左右)，降低生产成本。

(7)通过单压区软辊压光机对预涂后的纸幅进行整饰，对提高产品的涂布效果能起到很好的作用。

(8)全数字交流变频控制系统的采用得以在较短的时间内达到设计车速，实现连续生产，保证涂布机的运行正常和操作稳定。

表2 试验情况

3.2 产品情况

基于1800/300特种涂布纸涂布机具有一机多用的理念，本设备在试车完成后进行了试生产。试验情况如表2所示，在各种状态下均得以顺利实现生产，运行结果和产品质量均令人满意，达到了设计目标。

［1］张运展．加工纸与特种纸［M］．北京:中国轻工业出版社，2005．

［2］吴葆敦．造纸工艺及设备［M］．北京:中国轻工业出版社，2007．

［3］严 杰，高 蓝，龙德贤．国产高速组合刮刀涂布器［J］．轻工机械，2008(1):11．

［4］李 群．加工纸［M］．北京:化学工业出版社，2006．

［5］王忠厚．制浆造纸设备与操作［M］．北京:中国轻工业出版社，2006．

［6］霍金龙．浅谈非接触干燥及其节能方式［J］．中国造纸，2010，29(12):71．

［7］谭国民．特种纸［M］．北京:化学工业出版社，2005．

［8］杜 娟，臧永华，杜艳芬，等．涂布过程对涂层结构及油墨吸收性影响的研究［J］．中国造纸，2010，29(7):15．

［9］黄菊方．国产热敏记录纸涂布机的研发［J］．轻工机械，2008(1):75．

［10］钱鹭生．涂布加工纸技术手册［M］．北京:中国轻工业出版社，2005．

［11］缪文良．基于Profibus现场总线的涂布机控制系统［J］．轻工机械，2006(4):100．

［12］缪文良．西门子LOGO控制器在刮刀涂布器上的应用［J］．轻工机械，2007(1):92． CPP

Development of a Multifunctional Specialty Paper Coater

ZHANG Yi-jia*ZHANG LiWANG Shu
(Hangzhou Electromechanic Design Institute in Light Industry，Hangzhou，Zhejiang Province，310004)
(*E-mail:523259142@qq．com)

The multi-functional coater for specialty paper equipped with blade coater and doctor coater can meet the requirement of different coating formulas and coating weights．The fan in recycling hot air drying system uses frequency conversion control with temperature self-control system to realize automatic adjustment after the temperature reaches the set point，it realizes energy saving purpose．The automatic reelexchanges are carried out in unwinding and reel collecting processes under full speed working mode which enhances efficiencies and reduces assisting time．The machine has been running smoothly when it is used for the production of carbonless copy paper and thermal-sensitive paper．The economic and technological index meet the design target．

coater;themal-sensitive paper;carbonless copy paper;air knife coater

TS735+.1

B

0254-508X(2012)05-0036-04

张毅嘉女士，高级工程师;主要从事加工纸涂布及整饰设备的设计和研究工作。

2012-02-02

(责任编辑:郭彩云)