湿纺工艺中实现物料溶解可控的方法探究

刘云崇 高敏

（中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室 北京 100025）

引言

湿法纺丝是再生纤维素纤维的主要纺丝工艺。该工艺的关键工序是将纤维素溶解在适当的溶剂中以制备纺丝溶液。为保证后续纺丝质量，纺丝溶液应均匀一致，具有良好的过滤性和可纺性。除去纤维素化学结构和溶剂种类对溶解效率的影响，对溶解过程的工艺和设备控制，是高效制备高品质纺丝溶液的关键环节。根据湿法纺丝工艺流程和技术特点，刮板式薄膜蒸发器被广泛应用于纺织行业物料的溶解工序。

刮板式薄膜蒸发器是利用旋转的刮板将附着在容器上的物料分散成均匀的薄膜，以进行物料浓缩的一种新型高效蒸发设备，它可以使物料沿加热管内壁呈膜状流动而进行传热和蒸发，具有脱挥面积大、传热效率高、物料停留时间短且能耗低的特点，特别适合热敏性、高沸点和高粘度物料的蒸发浓缩[1]。

在湿纺工艺中，物料经过浸渍溶胀等一系列工序后还要经过螺杆泵送到一定温度和负压的薄膜蒸发器内，在刮板作用下形成层流液膜并不断脱除水分，直至纤维素溶解形成均匀的纺丝溶液；液膜的形成增大了物料的传热和蒸发面积，并加快了水分脱除速率。在此条件下，温度或真空度控制不当极易导致物料过度脱水以致使纺丝溶液粘度过高，溶解不均匀，物料在薄膜蒸发器内流动性差，停留时间长，甚至出现物料受热降解、刮膜器卡死等问题。为避免此类事件的发生，文章针对刮板式薄膜蒸发器在物料溶解过程中的应用及不足，设计了电流控制法、扭矩控制法及变频器功率控制法三种自控测试方案对真空度进行控制。针对电流控制法，文章通过编辑软件程序调整薄膜蒸发器的真空设定值，物料进料量及抽真空时间，规范了薄膜蒸发器的压强阈值。现场自控测试结果表明，该方案能有效保证物料溶解过程的均匀性，实现真空度自动控制，提高了物料利用率和生产效率，降低了事故发生率。

1 电流控制法

当电机负载增大时，电机输出功率增大，电机电流也相应增加。针对电流这一物理量，采用自动控制和手动控制相结合的方式对薄膜蒸发器的真空度进行检测，取得了较好的效果，并成功在某公司生产线上进行了应用。方法如下（见图1）：

图1 薄膜蒸发器电流控制法流程图

设定合理电流范围，如12.7～13.5A，如果电流超过此正常范围，则开始调节真空设定值，每次调节0.2KPa，调节后3min，若电流仍不在范围内，继续调节。若调整3 次仍不能到正常范围内，则之后每次调节改为0.5KPa。

实例：电流正常范围12.7～13.5A 设定真空10KPa，

若：出现电流超出13.5A，则调整0.2KPa，真空设定为10.2KPa，如调整后3min，电流回到正常范围内，则停止调整，如没有，则继续调整0.2KPa，再3min，直到电流回到正常范围内。若调整3 次仍不能到正常范围内，则之后每次调节改为0.5KPa。

若：出现电流低于12.7A，则调整0.2KPa，真空设定为9.8KPA，如调整后3min，电流回到正常范围内，则停止调整，如没有，则继续调整0.2KP，再3min，直到电流回到正常范围内。若调整3 次仍不能到正常范围内，则之后每次调节改为0.5KPa。

该方案控制方法简单，能有效实现薄膜蒸发器真空度自动控制。但由于反映负载变化不直接，实际生产中存在一定误差。

2 扭矩控制法

薄膜蒸发器搅拌电机连接有相应的减速机，可使其在某一转速下获得较大扭矩。由于机械装置均存在功率损耗，因此搅拌电机输出功率大于减速机输出功率。异步电动机存在的损耗包括铜损耗，定子损耗，转子损耗，铁芯损耗和机械损耗（通风损耗和摩擦损耗等）几种。

在减速机和主轴之间加装扭矩测试仪，可以不考虑以上机械损耗，能更直接准确的反映出负载的变化，扭矩测试仪的选取是根据以下推算：

由功率公式：P=FV=（M/R）V，推出 M=（1000×60/2Π)P/n=9550P/n

式中，P—机械功率（KW）；

V—速度（m/s）；

F—牵引力（N）；

M 为电机扭矩（NM）；

R—转轴到牵引力F 之间作用线的距离（m）；

N—电机转速（rpm）；

假如薄膜蒸发器搅拌电机功率是5.5KW，电机额定转速是1470rpm，经计算，电机扭矩为35NM，故可选50NM 的扭矩测试仪。扭矩测试仪与动力设备、负载设备之间的连接，可以采用刚性联轴器的连接形式，这种连接形式结构简单，成本低，无补偿性能，不能缓冲减振，且对两轴的安装精度要求较高。

安装要求：动力设备、传感器、负载设备应安装在稳固的基础上，三者之间的同心度应小于Φ0.05mm，以避免产生过大的震动导致测试数据不稳定，从而降低测量精度，甚至损坏传感器。

与电流控制法相比，扭矩控制法测试更直观，能直接反映负载变化，且精度可达千分之五。但是由于结构安装繁琐，并不利于实际应用。

3 变频器功率控制法

根据交流电机的转速公式：n=60f（1-s）/p

式中，n—电机的转速（rpm）；

F—交流电频率（Hz）；

P—电机旋转磁场的极对数；

从式中可知，采用变频调速可以调整电机转速。

按照变频调速工作原理分类，可以将变频器分为压频比（V/f）控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。

异步电动机在负载转矩不变的情况下，降低频率使电机转速下降，将导致输出功率下降。而电机的输入功率与频率之间并无直接联系。即电机的输入功率并不因为频率下降而自动下降。因此，频率下降时将导致输入功率和输出功率之间的严重失衡，使传递能量的电磁功率和磁通相对大幅增加，电机的磁路严重饱和，励磁电流的波形严重畸变，产生很大的尖峰电流。因此，变频器必须在降低频率的同时，相应的降低输出电压，才能维持异步电动机输入功率和输出功率之间的平衡。

既要在低频运行时同时降低输出电压，又要保证此时电机能输出足够的转矩以拖动负载，这就要求根据不同的负载特性适当的调整压频比，以得到需要的电机机械特性。应用时应根据负载的低速特性选用或设置变频器相应的压频比曲线（变频器的V/f 控制原理）。

采用压频比模式控制的变频器在整个速度范围内都无法调节力矩，转速趋近零时转矩响应很差，速度调节性不佳。因为是开路控制，动态响应不佳，未做电流调节，导致电动机低转速时运行效率下降，选用变频器时通常要加大一级以产生额定的电动机转矩，所以采用压频比模式控制的变频器无法直接测得电机功率。

而矢量控制的变频器特点：

（1）能调节电动机转矩，使整个电动机转速范围提供恒定转矩；

（2）低频转矩大；

（3）机械特性好，在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本都是平行的；

（4）动态响应好，尤其时有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都小于100ms；

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的扭矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数[2]，有的通用变频器在使用时需要准确的输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需要使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，矢量变频器的特点使得它能够实时测得电机的功率。

变频器功率控制法的控制精度比电流检测法高，但与电流检测法类似，该方案不能直接反应负载变化，而且电器成本较高，在实际应用中受到限制。

结论

纺丝工艺中物料溶解可通过多种方法进行控制，如控制进料量，控制纺丝速度，控制溶解温度，控制真空度等等。文章从控制真空度的角度出发，针对薄膜蒸发器搅拌电机的电流控制、扭矩控制，功率控制三种方案进行了分析阐述。从理论上讲，扭矩控制法测试精度高，控制效果好，但在实际应用中，由于设备震动大且安装繁琐所以并未被大量采纳。变频器功率控制法虽简单直观有效但其成本较高。与前两种方案比较，电流控制法虽然不能直接反映负载变化，且测试精度还有待提高，但该方案通过程序对电流设限，可实现真空度自动控制，在实际生产中通过长期应用检验，取得了很好的效果，保证了物料充分均匀溶解，解决了过度脱水的问题，提高了生产效率。