多功能涂布機的研制

張毅嘉 張 立 王 澍

(輕工業杭州機電設計研究院，浙江杭州，310004)

多功能涂布機的研制

張毅嘉 張 立 王 澍

(輕工業杭州機電設計研究院，浙江杭州，310004)

多功能特種紙涂布機采用刮刀涂布器和氣刀涂布器相結合的涂布方式，滿足不同涂料不同涂布量的要求;循環熱風干燥系統的風機采用變頻控制配以溫度自控系統，達到溫度設定后的自動調節，實現節能的目的;退卷和收卷在全速工作狀態下實現自動換卷，提高效率，減少輔助時間。該機在安裝調試后生產無碳復寫紙和熱敏紙的情況良好，各項經濟技術指標均達到設計目標。

涂布機;熱敏紙;無碳復寫紙;氣刀涂布器

隨著信息的大量涌現和商務活動的蓬勃發展，復寫和打印紙的需求急劇增長，于是催生了無碳復寫紙和熱敏紙。無碳復寫紙是針對有碳復寫紙的缺點而開發出來的，它廣泛應用于文件、票據、賬頁、收據發票等。無碳復寫紙由上頁紙 (CB)、中頁紙 (CFB)、下頁紙 (CF)組成，在使用中直接用硬筆書寫或打字即可得到若干副本。熱敏紙是一種受熱能作用而發色的記錄用紙，可用于傳真、收款機、ATM機、彩票、登機牌、火車票、超市條形碼、排隊機、心電圖記錄等方面［1-2］。因此，它們在市場上都有著廣泛的應用前景。由于無碳復寫紙和熱敏紙的生產工藝不同，用于生產無碳復寫紙的雙面涂布機無法用來生產熱敏紙，而用于生產熱敏紙的涂布機也同樣無法用來生產無碳復寫紙，這直接造成企業無法適應多樣化的市場需求。為此，輕工業杭州機電設計研究院在設計時充分考慮到高感熱敏紙和無碳復寫紙等的特殊性，同時兼顧降低能耗、提高經濟效益的需要，經過不斷改進和完善開發了1800/300多功能特種涂布紙涂布機 (見圖1)。該機于2007年初在華金集團凱特紙業有限公司安裝完畢并一次試車成功，經過一段時間的正常運行效果良好，現就該機特點進行介紹。

圖11800 /300多功能特種涂布紙涂布機

1 設備配置流程

根據熱敏紙和無碳復寫紙涂層的特點和生產要求，1800/300特種涂布紙涂布機的設備配置流程為:帶連續接紙系統的雙工位退紙機→刮刀涂布器→熱風循環干燥系統→整飾裝置→計量棒+氣刀涂布器→熱風循環干燥系統→整飾裝置→計量棒+氣刀涂布器→熱風循環干燥系統→整飾裝置→軟輥壓光機→帶連續接紙系統的雙工位卷紙機。

2 涂布機的主要結構特點和工作原理

2.1 主要組成及技術參數

1800/300特種涂布紙涂布機主要由帶連續接紙裝置的回轉退紙架、刮刀涂布器、氣刀涂布器、熱風循環氣翼干燥系統、調態整飾系統、軟輥壓光機、帶連續接紙裝置的軸式卷紙機、壓縮空氣系統、傳動系統及全數字交流變頻控制系統等組成。其主要技術參數見表1。

表1 1800/300特種涂布紙涂布機主要技術參數

2.2 帶自動接紙裝置的回轉退紙架

雙工位帶自動接紙的軸式回轉退紙系統，由回轉式退紙架、加速裝置、測速裝置、接紙裝置、張力檢測控制裝置、光電檢測裝置、壓縮空氣系統等組成。

雙工位回轉式退紙架可以同時裝夾2個紙卷并能做正反兩方向360°旋轉，且可在任意位置停留，回轉速度為1 r/min。

退卷后紙幅張力的控制是通過張力傳感器檢測紙幅張力大小，利用氣/電轉換閥自動調節制動器的氣壓來實現的，或通過電機來直接控制。

對于自動接紙系統來說，在使用時由人工輸入新紙卷直徑，通過可編程控制器 (PLC)實現速度給定，或者采用皮帶測速裝置檢測新紙卷表面線速度再反饋給PLC實現速度給定，使新紙卷線速度與涂布機主車速保持同步。為了實現高速情況下有效的退卷紙幅張力控制，必須實現張力的閉環控制。在退紙后設有張力傳感器進行實時檢測，并通過PLC控制電氣比例閥的開度，調節進口氣動盤式制動器的氣壓，產生不同的制動扭矩，保證退卷后紙幅以穩定的張力平穩地進入涂布，減少由于張力波動而造成的涂布量波動。

帶自動接紙裝置的回轉退紙架實現了原紙卷在涂布機全速運行狀態下的自動換卷，保證了涂布機的連續生產，既提高了生產效率，又降低了操作人員的工作強度，同時還提高了成品率，增加了市場競爭力。

2.3 刮刀涂布器

由于對涂布量和涂層的要求不同，因而有不同的涂布方式，刮刀涂布器可用于熱敏紙的涂布和無碳復寫紙的CF紙的表面涂布。

在工作狀態下，刮刀片靠在背輥上，紙幅帶上涂料后經過刮刀和背輥之間形成的壓區，將過量的涂料除去。靠改變刮刀的壓力來控制涂布量，對涂層面進行整飾，從而獲得理想的涂層表面［3］。這種涂布方式屬于接觸式涂布，優點是涂層表面基本不受原紙粗糙度的影響，平滑度和平整度較高;對涂料黏度適應性強;可以使用高固含量的涂料以提高干燥效率，還可以在較高的車速下運行，設備生產效率高而運行成本低［4］。

刮刀涂布器主要由背輥、上料輥、涂料槽、刮刀架、刮刀梁、刮刀橫梁、邊刮刀、噴霧裝置、機架等組成。刮刀架和刮刀梁固定在刮刀橫梁上，其上配有用于調節橫幅涂布量的微調螺桿，以調節橫向涂布的均一性;背輥的直徑為600 mm，表面包覆有25 mm厚的優質氯丁橡膠，橡膠硬度為P＆J 70±2;涂料裝置為多管進料，且帶有溢流裝置;配有刮刀角度和壓力調整系統，以調節涂布量。在背輥與刮刀架，背輥與上料輥之間設有微調限止器，以準確計量其間隙，并防止設備相互碰撞而導致設備損壞。

2.4 氣刀涂布器

氣刀涂布器與刮刀涂布器比較，具有適應性強，對原紙定量要求較低的特點，對涂層沒有壓力影響，從而避免破壞涂層表面。氣刀涂布器由于“濾餅”作用，涂布后原紙表面的凹凸不平仍然存在，因此尤其適合于熱敏層和無碳復寫紙的CF紙表面或CB紙背面等有顯色要求的涂布。

氣刀涂布器主要由氣刀體、上下唇板、氣刀座架、高壓風機、多輥上料裝置、計量棒裝置、氣刀、氣料分離器等組成。

工作原理是高速氣流從上、下唇板構成的唇口噴出，形成刀狀的高速氣流，用以刮除紙張表面的多余涂料，全幅風速均勻一致，保證了涂層的均勻度。刀縫大小調節方便，涂布量可在較高的范圍內調節，具有易于操作的特點和廣泛的適應性。氣刀殼體結構簡單，加工容易，維修方便，且容易清洗［5］。

氣刀體為不銹鋼管材加工而成，上、下唇板均由不銹鋼板加工而成;唇板橫向、縱向均設有調節間隙的精密螺桿裝置，氣刀縫大小在0.50～0.75 mm之間調節。氣刀高壓風機采用三葉羅茨高壓風機，其進出口均帶有消聲器，在風機與氣刀之間配有熱交換器，通有循環冷水對高壓風進行冷卻，氣刀高壓風機的轉速通過變頻器調整，以達到節能的目的。

多輥上料裝置采用雙輥上料形式，由上料輥、涂布輥、壓輥、涂料槽、機架等組成。

計量棒裝置由計量棒、棒座、升降裝置、傳動裝置等組成，計量棒為單獨交流電機傳動，變頻調速。

氣料分離器用于回收氣刀吹下的多余涂料，避免涂料飛濺，造成車間污染。氣料分離器為不銹鋼焊接結構，整體可來回移動，清洗方便。

2.5 高蒸發率的循環熱風干燥系統

由于剛剛離開涂布背輥的紙幅表面的涂層仍然是濕的，表面涂布再次干燥取得成紙的過程必須采用非接觸式干燥。涂布紙干燥并非僅僅是脫除涂層的水分，其對于提高產品質量有著重要的意義，將直接影響涂層和涂布紙的質量。因此需要一個高能量密度和高蒸發率的干燥器［6］。根據不同的涂料性質，涂布干燥系統可采用烘缸干燥、遠紅外干燥、循環熱風干燥等形式。對于每一種產品的干燥，均有特定的表面溫度要求，以保證在該溫度條件下干燥不會損壞涂料的物理結構。一般情況下，涂布紙在干燥過程中的溫度、水分的擴散速率和蒸發率會發生連續不斷的變化，這就決定了干燥過程的溫度需要分區可控，即采用單元式的干燥系統。無碳復寫紙雖然對干燥溫度沒有特定要求，但熱敏紙對干燥溫度要求較高，溫度不合適會造成顯色，二者的干燥一般宜采用對流干燥方式［7-8］。

氣翼干燥器是蒸發率較高的對流干燥的一種，為單元式結構，箱內布置若干組噴嘴，噴嘴上下交錯排列，可同時進行紙幅兩面的干燥，干燥空氣從噴嘴兩側噴出，用氣流承托紙幅運行。由于“附壁效應”給紙幅以“磨擦”作用，從而達到最大的熱和質的傳遞，具有很高的蒸發速率［9］。

基于熱敏紙和無碳復寫紙的特性，本機的干燥采用高效的熱風循環干燥系統。由蒸發率高且具有自平衡式的單元型氣翼式干燥器、熱交換器、循環風機、風門、熱風旁通系統、風管、溫度檢測及自動控制系統等組成。

熱風循環干燥系統的風機采用變頻控制配以溫度自控系統，實現了溫度設定后的自動調節，不僅使涂布機的潛能得到發揮，而且風機效率得到提高，節能效果明顯。

干燥系統的加熱源一般為蒸汽，但是隨著環保要求的提高很多地方已限制蒸汽鍋爐的使用，目前已有采用天然氣直接加熱空氣然后干燥涂布紙的干燥配置方式，同時實現溫度控制涂布機正常使用。

2.6 調態整飾裝置

調態整飾裝置設置于每次涂布干燥后，用以控制涂布紙水分含量。由于熱敏紙和無碳復寫紙的生產過程須經過多次涂布工序才能完成，因此為了得到好的質量和高的產量及成品率，調態整飾顯得尤為重要。

調態整飾裝置主要由烘缸、導毯輥、毛毯張緊器、自動校正器、旋轉接頭、烘缸軸承等組成。

為了更好地控制整幅溫度精度，提高整飾效果，調態烘缸采用夾套缸的形式。

2.7 軟輥壓光機

軟輥壓光機對提高產品的涂布效果起到了很好的作用，有助于涂布紙獲得較高的光澤度、平滑度、緊度和均勻的油墨吸收性。經過現場多次調試的經驗，軟輥壓光機線壓大約控制在50～130 kN/m比較合適。雖然熱敏原紙平滑度要求很高，但涂布后經壓光整飾時要求壓力適當，否則會引起發色［10］。

軟輥壓光機主要由冷硬鑄鐵輥、聚氨酯軟輥(或特種樹脂輥)、加壓裝置等組成。

2.8 全自動的軸式回轉卷紙機

雙工位帶自動接紙的軸式回轉卷紙系統，結構與雙工位帶自動接紙的軸式回轉退紙系統基本相同。

卷紙機由兩臺交流變頻電機分別驅動，通過張力傳感器檢測收卷紙幅張力大小，自動調節電機轉速以達到收卷整齊的目的。在涂布機全速運轉的情況下，可進行新老紙卷的自動接紙操作，成功率高達95%以上，屬國內領先水平，完全可以替代進口設備，填補了國內空白。

2.9 全數字交流變頻控制系統

為適應高車速生產特種紙的要求，1800/300特種涂布紙涂布機采用全數字交流變頻分部控制系統，并采用整機張力自動控制，使涂布質量更上一層樓。

分部傳動的控制精度和不良的協調性會直接影響涂布上料的均勻性，而烘干溫度也影響成紙的水分含量，最終會影響產品的質量。雖然1800/300特種涂布紙涂布機傳動點多，但由于采用全數字交流變頻控制系統，并配以張力檢測及反饋裝置，使整機紙幅運行狀態得到有效控制，消除了紙幅斷紙的可能，且升降速靈活自如，車速的重復性、穩定性、可靠性提高。設備和機器實現最優化運行，最大程度地提高了工廠的實用性和生產效率［11-12］。

同時，刮刀涂布器、氣刀涂布器、連續接紙裝置、熱風干燥系統均實現了自動控制，特別是在連續接紙時，使各部分均順利實現了自動動作，既簡化了操作，實現自動化，又減少了輔助操作時間，提高產品的成品率。

3 涂布機運行情況

3.1 設備運行效果顯著

整機安裝完成后，進行空車試運行，而后進行帶料同步調整，最后進行涂布干燥等試運行生產。

(1)退卷和收卷在300 m/min的全速工作狀態下，實現自動換卷，既減少損紙，又提高生產效率，成功率達到95%以上。

(2)刮刀涂布器可以在低固含量的情況下實現低涂布量的涂布，故對于涂布熱敏紙這類特種涂料的低涂布量的涂布是合適的，涂布達到預期效果。

(3)氣刀涂布系統可以在各種固含量的情況下實現低涂布量的操作，特別是氣料分離器的分離效果令人滿意，且可以將分離后的涂料再次運用，降低生產成本。

(4)高精度輥式涂布裝置則是專門為適應低涂布量、低固含量而開發設計的計量轉移涂布方式，避免涂料的大循環和浪費。

(5)采用刮刀涂布器和氣刀涂布器相結合的涂布方式，滿足了不同涂料和不同涂布量的要求，特別在3 g/m2的低涂布量和17%～20%低固含量的條件下涂布均勻，且不產生漏涂，屬技術創新。

(6)風機實現變頻調速，干燥系統帶有溫度自動控制，由熱電阻進行溫度檢測，根據工藝設定的溫度，通過PLC控制蒸汽比例閥的開度，使干燥箱熱風溫度穩定在設定溫度左右。既滿足生產需要，又大大地節約能源 (降低能耗約20%左右)，降低生產成本。

(7)通過單壓區軟輥壓光機對預涂后的紙幅進行整飾，對提高產品的涂布效果能起到很好的作用。

(8)全數字交流變頻控制系統的采用得以在較短的時間內達到設計車速，實現連續生產，保證涂布機的運行正常和操作穩定。

表2 試驗情況

3.2 產品情況

基于1800/300特種涂布紙涂布機具有一機多用的理念，本設備在試車完成后進行了試生產。試驗情況如表2所示，在各種狀態下均得以順利實現生產，運行結果和產品質量均令人滿意，達到了設計目標。

［1］張運展．加工紙與特種紙［M］．北京:中國輕工業出版社，2005．

［2］吳葆敦．造紙工藝及設備［M］．北京:中國輕工業出版社，2007．

［3］嚴 杰，高 藍，龍德賢．國產高速組合刮刀涂布器［J］．輕工機械，2008(1):11．

［4］李 群．加工紙［M］．北京:化學工業出版社，2006．

［5］王忠厚．制漿造紙設備與操作［M］．北京:中國輕工業出版社，2006．

［6］霍金龍．淺談非接觸干燥及其節能方式［J］．中國造紙，2010，29(12):71．

［7］譚國民．特種紙［M］．北京:化學工業出版社，2005．

［8］杜 娟，臧永華，杜艷芬，等．涂布過程對涂層結構及油墨吸收性影響的研究［J］．中國造紙，2010，29(7):15．

［9］黃菊方．國產熱敏記錄紙涂布機的研發［J］．輕工機械，2008(1):75．

［10］錢鷺生．涂布加工紙技術手冊［M］．北京:中國輕工業出版社，2005．

［11］繆文良．基于Profibus現場總線的涂布機控制系統［J］．輕工機械，2006(4):100．

［12］繆文良．西門子LOGO控制器在刮刀涂布器上的應用［J］．輕工機械，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

張毅嘉女士，高級工程師;主要從事加工紙涂布及整飾設備的設計和研究工作。

2012-02-02

(責任編輯:郭彩云)