Đĩa nghiền bột giấy

1.3.3.1 Cấu tạo

Quá trình nghiền là một quá trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các yếu tố đó có thể đƣợc chia thành hai nhóm: Các yếu tố hệ thống và cấu trúc (liên quan đến hệ thống nghiền và thiết bị nghiền) và các yếu tố công nghệ.

Trong các yếu tố của hệ thống công nghệ phải kể đến một yếu tố quan trọng, là chi tiết chính của máy nghiền, đó chính là đĩa nghiền. Trong quá trình nghiền, đĩa nghiền tác động trực tiếp lên vật liệu sợi. Bề mặt làm việc của đĩa nghiền đƣợc đặc trƣng bởi số lƣợng, kích thƣớc của các dao, của các rãnh, và sự phân bố của rãnh trên bề mặt đĩa [17]. Cùng với tốc độ quay của đĩa rotor và công suất tiêu thụ, các tham số của đĩa nghiền quyết định chất lƣợng của hỗn hợp nghiền, năng suất nghiền và những chỉ số kinh tế kỹ thuật khác khi nghiền bột nguyên liệu giấy.

Hình dạng của dao nghiền là yếu tố quan trọng nhất quyết định đến các tính chất của bột giấy. Các thành phần cơ bản của dao nghiền gồm: Lƣỡi dao, chiều rộng, chiều sâu của dao, chiều rộng rãnh dao, góc dao.

Hình 1.12: Các yếu tố cơ bản của đĩa nghiền bột giấy

Hình 1.11: Chiều dài tác động nghiền

rs

dao stato dao roto

1.3.3.2 Ảnh hƣởng của hình học dao đến nghiền bột giấy

Theo [18], trên đĩa nghiền, răng là vị trí chủ yếu thực hiện quá trình chổi hóa xơ sợi. Tức là thực hiện việc bóc tách hoặc đẩy lùi vách tế bào sơ cấp dọc theo chiều dài sợi. Quá trình này làm tăng độ mềm mại của xơ sợi.

Theo [21], số các dao nghiền trên đĩa nghiền có bán kính r đƣợc xác định là:

n(r)= rs b a r sin cos . ) ( . 2 (8)

Chiều dài nghiền phụ thuộc vào thông số thiết kế đĩa và đƣợc xác định là:

dr r n r n L R R r s( ). ( ) 2 1 (9) Trong đó:

+ L: Chiều dài nghiền;

+ a: chiều rộng răng nghiền, mm; + b: Chiều rộng rãnh nghiền, mm;

+ ns(r), nr(r): Số lƣợng răng nghiền trên đĩa cố định và đĩa quay; + R1, R2: Bán kính ngoài và bán kính trong của đĩa nghiền;

Các thông số chiều rộng răng, rộng rãnh, chiều cao răng, góc nghiêng răng đều quan hệ chặt chẽ tới kết quả quá trình nghiền. Chiều rộng của dao (a) là yếu tố liên quan mật thiết với số lƣợng dao và số lần cắt qua giữa hai dao nghiền đối diện. Nếu chiều rộng của dao nhỏ thì số lƣợng dao và số lần cắt qua giữa hai dao nghiền đối diện sẽ tăng và do đó sẽ tăng lƣợng xơ sợi nhƣng số xơ sợi bị cắt ngắn lại ít nhất. Chiều rộng của rãnh dao ảnh hƣởng đến dòng bột giấy chảy trong máy nghiền. Chiều rộng và chiều sâu của rãnh giảm sẽ giúp cho xơ sợi dễ dàng đƣợc tiếp xúc với lƣỡi dao nghiền, thúc đẩy quá trình nghiền nhƣng làm giảm khả năng chứa huyền phù và tốc độ dòng huyền phù bột giấy. Ngƣợc lại, nếu chiều sâu rãnh lớn sẽ làm cho dòng huyền phù đi qua máy nghiền mà không đƣợc nghiền. Góc dao ( ) ảnh hƣởng đến số lƣợng và chiều dài răng nghiền cũng nhƣ quá trình vận chuyển bột giữa các đĩa nghiền. Góc dao tăng sẽ làm tăng chiều dài lƣỡi cắt do đó sẽ tăng cƣờng quá trình nghiền và tăng lƣợng xơ sợi.

Việc lựa chọn các kích cỡ chiều rộng răng, rộng rãnh cũng phụ thuộc lớn vào loại vật liệu nghiền và mục đích nghiền. Theo [17], khi nghiền sợi ngắn hoặc mục đích nghiền là cắt ngắn sợi thì chiều rộng răng nghiền thƣờng hẹp, khi nghiền sợi dài hoặc

mục đích nghiền là chổi hóa sợi thì chiều rộng răng nghiền thƣờng lớn hơn. Theo [22], thông số đĩa nghiền phụ thuộc vào loại vật liệu sợi nhƣ bảng 1.6.

Bảng 1.6. Thông số lưỡi dao của máy nghiền đĩa với các loại xơ sợi

Kích thƣớc Xơ sợi gỗ mềm Xơ sợi gỗ cứng

Chiều dày của dao, mm 3.0 – 5.0 1.5 – 3.0

Chiều rộng của rãnh, mm 3.0 – 5.0 1.5 – 3.0

Độ sâu của rãnh, mm 5.0- 7.0 5.0

Theo [20], tùy theo độ bền của răng, nghiền sợi gỗ cứng đòi hỏi các răng hẹp hơn so với nghiền sợi gỗ mềm, chiều rộng rãnh nghiền ảnh hƣởng trực tiếp đến tuổi thọ của đĩa, xử lý sợi khi nghiền và sự vận chuyển của bột trong máy nghiền. Điều này đƣợc giải thích nhƣ sau: Thu hẹp khoảng cách giữa các dao cũng có tới hạn của nó do lực cản trong dòng chuyển động của bột giấy quyết định. Lực cản này lại phụ thuộc vào tính chất, thành phần và nồng độ bột giấy. Lực cản bột giấy tăng lên khi nồng độ bột tăng và chiều dài trung bình xơ sợi lớn. Trong quá trình nghiền bột giấy luôn có một phần bột nằm trong rãnh dao chuyển động xoáy tròn. Nếu kích thƣớc rãnh và chiều sâu của lƣỡi dao không đủ lớn dòng huyền phù sẽ không chuyển động tạo vòng xoáy và không tạo đƣợc bó sợi cho quá trình nghiền tiếp theo. Mặt khác, khi chuyển động xoáy nhƣ vậy các xơ sợi cọ sát với thành dao, lƣỡi dao và các xơ sợi với nhau, nhờ vậy mà xơ sợi đƣợc nghiền. Để dòng bột có thể chuyển động đƣợc trong rãnh dao thì kích thƣớc rãnh và chiều sâu của rãnh dao phải phù hợp với điều kiện thủy lực và kích thƣớc này phụ thuộc vào độ dài xơ sợi nghiền và cả nồng độ bột nghiền. Nếu xơ sợi càng dài thì kích thƣớc rãnh càng lớn [21].

Ngoài ra, hình dạng bề mặt dao nghiền trên đĩa nghiền có ảnh hƣởng quan trọng đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật nghiền của bột giấy. Để nghiền các loại bột giấy khác nhau có rất nhiều hình dạng dao nghiền. Cách thức bố trí và profin của dao thƣờng đƣợc sử dụng chỉ ra ở hình 1.13.

Theo [12,13], profin theo dạng (I) có mép răng sắc phù hợp với việc cắt ngắn xơ ở giai đoạn nghiền thứ nhất; ngƣợc lại, với các kiểu profin dao nghiền II và III thì phù hợp với quá trình nghiền nhằm phân tơ, chổi hóa và trƣơng nở của bột giấy trong nƣớc ở giai đoạn nghiền thứ hai.

Mặt khác, việc bố trí vị trí răng nghiền trên bề mặt đĩa sẽ ảnh hƣởng đến chế độ vận chuyển bột trong vùng nghiền, thời gian bột đƣợc xử lý trong vùng nghiền do đó nó ảnh hƣởng đến cả chất lƣợng bột và sự tiêu thụ năng lƣợng khi nghiền.

Theo [12], một số dạng bố trí răng nghiền đƣợc minh họa nhƣ hình 1.14.

Theo đó, kiểu (II), (III), (VI), (IX) thích hợp để nghiền mảnh và bán thành phẩm hiệu suất cao ở giai đoạn nghiền đầu tiên; kiểu (I), (IV), (V), (VII) và (VIII) thích hợp nghiền bột và bán thành phẩm hiệu suất cao trong giai đoạn nghiền thứ hai. Đối với nghiền ở giai đoạn hai thì theo kinh nghiệm sản xuất, bố trí dao kiểu (III) và (I) là nhiều ƣu điểm hơn cả.

Việc bố trí răng đĩa nghiền theo kiểu (I) và kiểu (III) đƣợc minh họa cụ thể hơn ở hình 1.15.

a) b)

Hình 1.14. Các thiết kế đĩa truyền thống

a. Các răng không song song, có góc tạo với phƣơng hƣớng kính bằng hằng số

b. Các răng song song với nhau

Đĩa nghiền đƣợc thiết kế theo kiểu III (hình 1.14.a), các răng trên bề mặt đĩa đƣợc bố trí không song song với nhau mà tạo với phƣơng bán kính một góc không đổi. Đĩa nghiền đƣợc thiết kế theo kiểu I (hình 1.14.b), trên bề mặt đĩa, răng và rãnh nghiền đƣợc bố trí thành các quạt răng và song song với nhau và tạo với phƣơng bán kính một góc không đổi. Trong đó, cách bố trí nhƣ hình 1.14a đƣợc sử dụng phổ biến nhất vì sự thuận lợi trong quá trình chuyển động của khối bột đến các dao nghiền và sự thuận lợi cho quá trình gia công chế tạo đĩa.

Mẫu đĩa nghiền đƣợc sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất giấy ở Việt Nam nhƣ nhà máy giấy Bãi Bằng - Phú Thọ, nhà máy giấy Trúc Bạch - Hà Nội, nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ - Thái Nguyên.

1.4 Tình hình nghiên cứu, chế tạo đĩa nghiền tại Việt Nam

Trên thế giới, việc thiết kế, chế tạo máy nghiền đĩa, đĩa nghiền đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu và đã có rất nhiều thành tựu nổi bật trong việc cải thiện chất lƣợng và năng suất trong sản xuất giấy. Một số lớn các kiểu đĩa nghiền khác nhau đã đƣợc đề xuất. Chúng đƣợc phân biệt bằng hình dạng của bề mặt làm việc. Tuy nhiên, cơ sở lý thuyết hình thành các đĩa nghiền nguyên vật liệu cho giấy chƣa đƣợc các tác giả công bố. Và hiện nay, việc lựa chọn phƣơng án sử dụng đĩa nhiền tối ƣu cho một quá trình nghiền cụ thể chủ yếu vẫn phải theo con đƣờng kinh nghiệm.

a) b)

c)

Hình 1.15. Một số mẫu đĩa nghiền đƣợc sử dụng tại Việt Nam a) Nhà máy giấy Bãi Bằng b) Nhà máy giấy Trúc Bạch c) Nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ

Ở Việt Nam, một số tác giả đã quan tâm, nghiên cứu về lĩnh vực máy nghiền đĩa và đĩa nghiền bột giấy. Tác giả PGS.TS Trần Hữu Đà - Trƣờng ĐHKTCN (Chủ nhiệm đề tài NCKH cấp Bộ - 2005) đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo các đĩa nghiền bột giấy phục vụ ngành giấy Việt Nam”, tác giả KS Phạm Hồng Hà - Công ty TNHH NN một thành viên, Cơ khí Quang Trung (Chủ nhiệm đề tài NCKH cấp Bộ - 2005) đã thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo máy nghiền bột giấy dạng đĩa có đường kính đĩa nghiền ф500- ф650”, tác giả Nguyễn Văn Tân thực hiện đề tài thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu chế tạo đĩa nghiền trong máy nghiền đĩa nâng cao hiệu quả nghiền bột tre nứa trong sản xuất giấy ” và tác giả Khổng Quế (chủ nhiệm đề tài cấp Bộ năm 2008) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống máy nghiền bột bán hóa công suất 10 tấn/ngày”. Mặc dù các đề tài có nghiên cứu các vấn đề liên quan đến nghiền bột giấy tuy nhiên trong các đề tài này các tác giả mới chỉ quan tâm đến việc cải tiến công nghệ chế tạo đĩa nghiền và chế tạo các dạng máy nghiền đĩa mà chƣa quan tâm đến cơ sở lý thuyết của việc thiết kế dạng đĩa nghiền.

Theo số liệu khảo sát, thống kê từ 66 xí nghiệp sản xuất bột với 66 dây chuyền sản xuất bột và 239 xí nghiệp sản xuất giấy với gần 500 dây chuyền sản xuất giấy ở Việt Nam của Viện công nghiệp giấy và xenlulo [10], ngành giấy Việt Nam hiện nay nhập khẩu gần 100% thiết bị. Ngành chế tạo máy của Việt Nam mới cung cấp một số thiết bị lẻ với số lƣợng không đáng kể nhƣ máy nghiền đĩa, máy sàng rung, máy khuấy, thiết bị lọc cát, máy chặt mảnh, máy cắt cuộn lại... và một số phụ tùng cho máy xeo. Một số ít các cơ sở gia công cơ khí đã gia công chế tạo đĩa nghiền nhƣng thƣờng làm theo mẫu của nƣớc ngoài mà không đƣa ra đƣợc cơ sở khoa học và do đó chƣa đƣa ra đƣợc các thông số đĩa nghiền phù hợp nhất với nguyên liệu xơ sợi đặc thù của Việt Nam. Chẳng hạn, việc sử dụng các đĩa nghiền bột giấy với các thông số chiều rộng dao - chiều rộng rãnh - chiều cao dao là 5-5-5 cho các loại bột khác nhau hoặc góc nghiêng dao là 170 cho tất cả các loại bột khi nghiền ở giai đoạn nghiền thứ hai là không có cơ sở.v.v.. Vì vậy, phần lớn những đĩa nghiền đƣợc chế tạo không không đảm đƣợc yêu cầu nghiền và không thay thế đƣợc các đĩa nghiền nhập ngoại [4]. Việc nhập khẩu hầu hết các thiết bị nhƣ vậy làm cho chi phí hàng năm dành cho việc nhập ngoại phụ tùng nghiền thay thế là rất lớn. Do đó, ngành giấy Việt Nam bị thụ động và làm hạn chế năng lực cạnh tranh của toàn ngành.

thụ năng lƣợng rất lớn. Theo [10], bình quân doanh nghiệp giấy vừa và nhỏ Việt Nam có chi phí điện năng chiếm 7% - 12%, chi phí nhiên liệu khác chiếm 6% - 9% trong giá thành sản phẩm giấy. Chính vì điều này mà trong những năm qua, ngành giấy Việt Nam tuy có sự phát triển nhanh nhƣng chƣa đều và bền vững. Phần lớn thiết bị của doanh nghiệp giấy đều không thể đạt đƣợc tối ƣu về thiết kế, chất lƣợng kim loại dùng chế tạo máy kém, ma sát truyền động cao, hao mòn nhanh, vận hành dây chuyền sản xuất phức tạp nên tiêu hao điện năng và nhiệt năng của ngành giấy là khá cao. Điều này làm cho khả năng cạnh tranh của ngành giấy bị hạn chế đáng kể [10].

Từ những phân tích trên có thể thấy rằng, nghiền đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp giấy. Nghiền là giai đoạn mang tính chất quyết định đến chất lƣợng giấy. Trong máy nghiền bột giấy thì đĩa nghiền là phụ tùng quan trọng nhất. Tuy nhiên, thiết bị này hiện nay chƣa đƣợc các tác giả trong nƣớc quan tâm nghiên cứu để phù hợp với đặc thù nguyên liệu tại Việt Nam. Vì vậy, để chủ động cung cấp đĩa nghiền với chất lƣợng nghiền dảm bảo và mức độ tiêu thụ năng lƣợng riêng hạn chế và để giảm giá thành nhập ngoại thiết bị thì việc thực hiện nghiên cứu đề tài là rất cần thiết.

Kết luận chƣơng 1

Từ những phân tích trên có thể rút ra những nhận định cơ bản sau:

Giấy là vật phẩm rất quan trọng đối với sự phát triển của mỗi quốc gia. Một xã hội càng phát triển thì nhu cầu về sử dụng giấy càng lớn. Việt Nam là nƣớc đang phát triển nên nhu cầu giấy không ngừng tăng cao. Tuy nhiên, thực tế nền công nghiệp giấy và bột giấy ở Việt Nam còn nhiều khó khăn, đặc biệt là trình độ công nghệ đang ở mức dƣới trung bình của thế giới. Sự lệ thuộc vào máy móc, thiết bị nhập khẩu, nguyên liệu bột nhập khẩu... làm giảm mạnh sức cạnh tranh của ngành công nghiệp giấy Việt Nam; Trong quá trình sản xuất giấy, nghiền bột là khâu quan trọng nhất có ý nghĩa quyết định đến chất lƣợng giấy. Quá trình nghiền gồm hai giai đoạn: Giai đoạn nghiền sơ cấp chủ yếu thực hiện quá trình tách xơ sợi và cắt ngắn xơ sợi; giai đoạn nghiền thứ cấp chủ yếu thực hiện việc phân tơ chổi hóa xơ sợi. Để thực hiện quá trình nghiền thứ cấp, máy nghiền đƣợc sử dụng phổ biến là máy nghiền dạng đĩa, trong đó loại máy cơ bản nhất là máy nghiền bột giấy dạng đĩa đơn với một đĩa nghiền quay và một đĩa nghiền cố định;

Quá trình nghiền hiệu quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ vật liệu nghiền, số lƣợng dao nghiền, chiều dài cắt của đĩa nghiền, chiều dài giao nhau giữa các dao trên đĩa roto và đĩa stato, yêu cầu của sản phẩm giấy.v.v.. Những yếu tố này phụ thuộc vào góc nghiêng dao nghiền, chiều rộng dao, chiều rộng rãnh dao nghiền, tốc độ máy nghiền, khe hở giữa các đĩa nghiền...Tất cả các thông số này đều cần đƣợc xem xét cẩn thận cho mỗi quá trình nghiền.

Việc nhập khẩu gần 100% thiết bị làm cho ngành giấy Việt Nam thụ động và chi phí hàng năm dành cho việc nhập ngoại phụ tùng nghiền thay thế rất lớn do đó làm hạn chế năng lực cạnh tranh của toàn ngành. Việc nghiên cứu để xác định các thông số của máy nghiền và đĩa nghiền hợp lý nhằm đạt đƣợc những chỉ tiêu kỹ thuật tối ƣu về năng suất, chất lƣợng và giảm mức tiêu thụ điện năng là vấn đề quan trọng đối với ngành công nghiệp giấy và bột giấy.

Những kết luận trên mang tính định hƣớng cho việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy và làm cơ sở khoa học để ứng dụng trong các cơ sở sản xuất giấy và bột giấy.

Chƣơng 2

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu

2.1.1 Lựa chọn vật liệu nghiền thí nghiệm

Để nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hƣởng của các thông số hình học của đĩa