通过热喷涂涂层提高造纸效率

H. Jungklaus, Voith Paper Rolls, Laakirchen/A

工业界不断增长的需求导致对产品的质量和产量提出了更高的要求，在造纸工业中也是如此。欧洲造纸业的大规模合并引起了人们对成本效益的密切关注。这里去考察其他成本模型（如总体拥有成本）是很重要的，而不是仅仅努力投资去获得整体产品的效益。

1 现代造纸工业

1.1 造纸工业的成本状况

全球造纸工业面临着整体消费者行为的巨大变化。然而，全球纸张消费需求仍在缓慢的增长，因此，在产品和消费领域的巨大转变需要引起注意。由于电子媒体的增长，西方国家面临着绘画纸生产和需求的锐减。如德国2013年生产了2.25千万吨纸，与2012年相比减少了0.7%[1-3]。其中，绘画纸的部分减少了约6%，但纸板和包装纸增加了2%以上，这些纸被网络零售商店用来运输货物，而卫生用纸产量甚至增长了4%。这个趋势被传到整个欧洲和北美，而亚洲和南美在各个造纸领域表现出了适量的增长。

尤其是在西方国家，图形纸的消费已超出了其生产能力，这给一些大的生产企业带来了新的任务。

企业的合并重组以及专注于核心业务导致一些工厂停业而不再增加新的投资。根据观察者的观点，在接下来10年将有15%～25%的产能过剩必须处理。

这一普遍情况更被像能源、原材料以及国际市场动态价格这样的成本驱动力所影响。环境的要求迫使生产者面临更多的任务，能源领域的巨大变化激发了更多的潜能，但是不同的政治态度确实阻止了商业计划的连续性。

所有这些相当严格的政策措施增加了企业的投资和运营成本。然而就算真的有新的投资领域，企业的运营成本也必须受到严格的监管，从而使最终的投资成本降到最低水平。企业的目标是效益最大化，假如投资能够得到快速的回报，那么对企业而言一定的投资规模是允许的。

造纸企业的这一市场行为却影响到供应商（主要是设备生产商）的策略。尽管依赖于他们在市场上独特的关注点，造纸企业分组、重新调整和聚集非常迅速，但对供应商而言必须做出相应的回应。新设备的设计主要以最低的投入为基本特征，也就是设计成本（DTC）。在后市场化的业务产品中，将会证明消费者对产品的所有权总成本（TOC）、快速的增长利润较为满意。

下面的例子将说明在造纸机械里如何采用热喷涂涂层快速的给终端客户带来较大的利益,尽管它比其它的解决方案价格高很多。前提是它们各自的需求是比较接近的。

2 造纸机轧辊表面的任务和需求

2.1 功能定位

最新的造纸机（见图1）零部件中旋转轧辊数量占到60%以上。这些轧辊的作用是将原始的纸张转换成线、毡或直接通过机器，并起到脱水作用。理论上一台造纸机由三部分组成（图2）。在成型或湿端工段，纸浆将被喷到转动的钢丝网上面，形成纸张组织。真空环境中，在重力作用下迫使其进行脱水。纸浆被抽进前端的箱体里，然后喷到钢网上，这个阶段纸浆仍然含有90%的水份，在这个位置通过轧辊将纸张里的水分挤出。这些轧辊为开曲面设计，具有钻孔或者类似蜂槽的结构。部分轧辊表面被一层PE网覆盖，以便于脱水，这确实影响了纸张的形成，因此形成的纸张质量更好。在湿端其他位置的轧辊起导向作用。这些轧辊表面容易被磨损，因此，在腐蚀介质中必须对其表面进行防磨损保护。此外，丝网工段的一些轧辊是用来使丝网转动的。

图1 金光纸业海南公司世界最大造纸机示意图Fig.1 APP Hainan, world’s largest paper machine(1.4 mio tons p.a.)

丝网和挤压工段安装了吮吸轧辊对纸张进行脱水，在真空箱子里这些轧辊帮助把纸从一个毡运到另一个毡，而且把水从纸里挤压出来。带有沟槽的轧辊也有相似的功能。在高压负荷和腐蚀介质作用下，这些轧辊表面承受较大的应力。此外，低运行偏差对涂层的加工质量要求很高，涂层不能损坏毡以及封闭任何钻孔。

图2 造纸机布局示意图Fig.2 Paper machine layout(Saica PM 9, Voith Paper)，from left to right：forming，press and drying section with reeling

造纸生产过程中在中心压辊上最容易出现故障。在中心压辊上干燥度约为50%的纸张第一次接触到平的卷轴表面而且获得了一定的结构。在这个轧辊上，即所谓的“纸张的心脏”机器上获得的纸张性能，很大程度上决定了造纸生产过程的效率。经过中心轧辊压区后，纸张必须从轧辊表面抽出。这一过程伴随着纸张在一定程度上的延长，并导致传递到下一个轧辊时的速度有所不同。这些差异被称作拉伸，拉伸过程应保持低速且平稳。否则纸张可能被拉断，机器速度不得不降低。小步的拉伸图形给出了纸张的生产效率值，较低的拉伸速度将会使纸张不容易拉断，同时提高了机器的运转速度。

经过机器的干燥段，纸张将在蒸汽加热的干燥箱上通过传送方式进行干燥。干燥箱表面的温度可达到140℃，纸张以45%的湿度进入而以5%～15%的湿度离开。按照纸张类型的不同，在这个温度下容易产生胶粘物和污垢。这导致在干燥箱和导向辊的表面产生堆积，意味着对轧辊表面的磨损，同时在干燥过程中干燥段也受到了严重的腐蚀。

当图画纸生产之后需对其进行最后的加工处理，通常是通过涂覆涂料并进行压光，这将进一步提高纸张的光泽和光滑性。在温度为300℃、压力为55kN/m的条件下，利用热轧辊并使纸张通过蒸汽箱对其进行压制成型。交变压力和膨胀压力的作用会导致轧辊表面发生严重的气动磨损。此外，轧辊表面的防护涂层须具备高导热系数，涂层表面的粗糙度Ra值必须在0.02μm以下。在纸张包装和盘绕过程中，造纸机械需要粗糙的表面，但其表面粗糙程度不能对纸张造成损害。

2.2 轧辊表面的作用和要求

轧辊表面涂层除了基本的防护性能外，还需具备某种特殊功能，这对涂层而言非常重要。这是因为轧辊在长时间工作后，表面损伤部位需要用耐磨材料去修复。造纸和打印机械普遍采用高压水清洗或者用一定范围的PH值溶液进行“冲击清洗”。造纸工业需要极严格的安全生产要求。因中心区轧辊防护涂层失效而导致的维修时间需花费20小时以上。这不仅影响了生产量，增加生产成本，同时导致造纸机零部件发生损害。

3 热喷涂技术提升生产效率

适合于轧辊表面防护的热喷涂涂层的种类越来越多，尤其是在橡胶和镀铬行业得到了广泛应用，并解决了一些实际问题。下面结合三个方面的应用实例做进一步的说明。

3.1 在成形区替代传统技术

在成形区的驱动轧辊表面涂上橡胶和聚氨酯来进行驱动力传递，这将带动成形的纸张通过机器的前端部分。由于设备的加速运动与中断、环境湿度及细小颗粒物引发轧辊表面产生较大的载荷，导致其发生磨损和粗糙度降低，使得轧辊之间发生滑动（如图3所示）。

虽然涂层的价格约为橡胶的两倍，但它能够提升设备的使用效率，提高轧辊之间的传递动力，提高生产效率。因此，尽管热喷涂涂层价格较高，但与其他的解决方案相比，其总成本相对较低。

福伊特造纸技术有限公司研发出一种具有优异抗磨损性能的热喷涂涂层（见图4），在不降低设备使用效率的前提下，使其摩擦系数提高了20%。使用这种涂层的轧辊每四年更换一次，与橡胶相比，延长了轧辊的使用寿命。该涂层在2.7米宽的造纸机械上使用结果表明，轧辊的维修费用每年可节约100k€以上。

图3 橡胶涂层轧辊运行5个月后表面磨损情况Fig.3 Wire drive roll with rubber coating, worn down to the shell after 5 months in operation

上述提出的热喷涂涂层技术可以解决造纸机械设备轧辊表面的腐蚀问题。

3.2 压制区涂层的优异性能可提高利润

目前在承压端喷涂有氧化物陶瓷涂层的钢轧辊已经取代了以前的花岗岩轧辊。该钢轧辊除了具有更高的安全级别外，还能够进一步提高纸张质量，并实现长时间的安全运行。鉴于等离子喷涂花岗岩轧辊每年需进行两次修复，根据每台设备的化学要求其能够保持几年使用寿命。这个严格的要求标准，为企业降低生产成本和提高生产效率提供了巨大的潜力。由于开始只是对纸张进行拉直，因此后续的轧辊运行速度需更快。

图4 福伊特造纸技术有限公司优异耐磨损涂层轧辊示意图Fig.4 Voith Paper thermal spray coating CeraGuide B replacing standard solution in the wire section

目前一名法国客户进行的案例研究是以3.6%的速度误差在1500m/min的速度条件下运行打印纸机。其目标是将速度误差降低10%，也就是从原来的3.6%降低到3.24%，甚至更低，通过改进中心压辊表面的陶瓷涂层的性能，达到了减少纸张断裂和提高设备运行速度的要求。

从一个竞争者的产品到福伊特纸公司的TerraSpeed，在经历一年的实验之后，法国新闻纸生产商断言在他所有的产品范围内，其拉速误差持续保持在3%以下。轧辊的表面粗糙度和表面能比以前更稳定。每年的利润总额接近0.5mio€左右。尽管面对更高的购买价格，但其成本收回用时减少了四个月。

3.3 更好的轧光效果

随着轧光纸或轧光板获得了所需的光泽或光滑度，意味着它具备了进一步深加工的最终特性，例如打印。根据最终各类纸张的等级要求，最后的一道工序在一、两台在线的堆积机，或者是软轧光机到一个离线的轧光机上完成。在目前，高级别、高负荷的在线机械设备及柔性轧光机让厂家提升了他们的产品质量，以达到另一个质量等级，将进一步提高产品的销售价格，同时使产品具备一定的产品特性，如印刷适应性等。

先进的热喷涂涂层技术对提高企业利润提供了技术保障。在精轧区，铸铁热轧辊表面用超音速火焰喷涂硬质合金涂层取代了镀铬层。满足了光洁度和形状公差的最高需求。在一个10米长而最大形状偏差为5μm的轧辊上已经能够实现Ra＜0.01μm，Rz＜0.2μm的粗糙度。这些涂层的性能与纸张的质量密切相关，因此对企业利益产生影响（见图5）。

第三个例子描述了一位英国的企业主，在高载荷和加热条件下，用两排轧光机制备出了用于特殊打印过程的低粗糙度纸张。通常为了便于更昂贵的生产打印过程，需要生产高级压延纸张。目前，客户运用福伊特纸公司生产的单排硬质合金涂层热轧辊代替两排热轧辊就能获得他所希望的质量等级。与其它轧辊或没有涂层的轧辊相比，这一效果与其优异的热传导系数相关，其优异的传热性能将为企业每天节约1000€的热能成本。此外，具有稳定粗糙度值的涂层轧辊运行时间是没有涂层轧辊的5倍以上。同时投资回报率高，在不到一年的时间内就能快速的收回投资成本，且轧辊本身磨损破坏程度小。因此，表面涂层防护的轧辊将会降低企业的总生产成本。

图5 表面粗糙度小于0.02μm的热轧辊示意图Fig.5 Paper releasing from a ceramic cover on a center press roll in operation (open draw)

4 总结

造纸工人和热喷涂技术从业者对冶炼技术有着共同的态度，这将围绕在他们的工作环境中。除了神秘之外，它对看透一个特殊位置的技术细节，提高其影响力和重要性、摒弃旧的途径和提出新的解决方案似乎有着重要意义，尤其在投资乏力、高成本压力时代，这类新技术在特殊行业是非常受欢迎的。千万不要通过片面、廉价的方法对整个行业做出误判，否则将要付出高昂的代价。