濕紡工藝中實現物料溶解可控的方法探究

劉云崇 高敏

（中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室 北京 100025）

引言

濕法紡絲是再生纖維素纖維的主要紡絲工藝。該工藝的關鍵工序是將纖維素溶解在適當的溶劑中以制備紡絲溶液。為保證后續紡絲質量，紡絲溶液應均勻一致，具有良好的過濾性和可紡性。除去纖維素化學結構和溶劑種類對溶解效率的影響，對溶解過程的工藝和設備控制，是高效制備高品質紡絲溶液的關鍵環節。根據濕法紡絲工藝流程和技術特點，刮板式薄膜蒸發器被廣泛應用于紡織行業物料的溶解工序。

刮板式薄膜蒸發器是利用旋轉的刮板將附著在容器上的物料分散成均勻的薄膜，以進行物料濃縮的一種新型高效蒸發設備，它可以使物料沿加熱管內壁呈膜狀流動而進行傳熱和蒸發，具有脫揮面積大、傳熱效率高、物料停留時間短且能耗低的特點，特別適合熱敏性、高沸點和高粘度物料的蒸發濃縮[1]。

在濕紡工藝中，物料經過浸漬溶脹等一系列工序后還要經過螺桿泵送到一定溫度和負壓的薄膜蒸發器內，在刮板作用下形成層流液膜并不斷脫除水分，直至纖維素溶解形成均勻的紡絲溶液；液膜的形成增大了物料的傳熱和蒸發面積，并加快了水分脫除速率。在此條件下，溫度或真空度控制不當極易導致物料過度脫水以致使紡絲溶液粘度過高，溶解不均勻，物料在薄膜蒸發器內流動性差，停留時間長，甚至出現物料受熱降解、刮膜器卡死等問題。為避免此類事件的發生，文章針對刮板式薄膜蒸發器在物料溶解過程中的應用及不足，設計了電流控制法、扭矩控制法及變頻器功率控制法三種自控測試方案對真空度進行控制。針對電流控制法，文章通過編輯軟件程序調整薄膜蒸發器的真空設定值，物料進料量及抽真空時間，規范了薄膜蒸發器的壓強閾值。現場自控測試結果表明，該方案能有效保證物料溶解過程的均勻性，實現真空度自動控制，提高了物料利用率和生產效率，降低了事故發生率。

1 電流控制法

當電機負載增大時，電機輸出功率增大，電機電流也相應增加。針對電流這一物理量，采用自動控制和手動控制相結合的方式對薄膜蒸發器的真空度進行檢測，取得了較好的效果，并成功在某公司生產線上進行了應用。方法如下（見圖1）：

圖1 薄膜蒸發器電流控制法流程圖

設定合理電流范圍，如12.7～13.5A，如果電流超過此正常范圍，則開始調節真空設定值，每次調節0.2KPa，調節后3min，若電流仍不在范圍內，繼續調節。若調整3 次仍不能到正常范圍內，則之后每次調節改為0.5KPa。

實例：電流正常范圍12.7～13.5A 設定真空10KPa，

若：出現電流超出13.5A，則調整0.2KPa，真空設定為10.2KPa，如調整后3min，電流回到正常范圍內，則停止調整，如沒有，則繼續調整0.2KPa，再3min，直到電流回到正常范圍內。若調整3 次仍不能到正常范圍內，則之后每次調節改為0.5KPa。

若：出現電流低于12.7A，則調整0.2KPa，真空設定為9.8KPA，如調整后3min，電流回到正常范圍內，則停止調整，如沒有，則繼續調整0.2KP，再3min，直到電流回到正常范圍內。若調整3 次仍不能到正常范圍內，則之后每次調節改為0.5KPa。

該方案控制方法簡單，能有效實現薄膜蒸發器真空度自動控制。但由于反映負載變化不直接，實際生產中存在一定誤差。

2 扭矩控制法

薄膜蒸發器攪拌電機連接有相應的減速機，可使其在某一轉速下獲得較大扭矩。由于機械裝置均存在功率損耗，因此攪拌電機輸出功率大于減速機輸出功率。異步電動機存在的損耗包括銅損耗，定子損耗，轉子損耗，鐵芯損耗和機械損耗（通風損耗和摩擦損耗等）幾種。

在減速機和主軸之間加裝扭矩測試儀，可以不考慮以上機械損耗，能更直接準確的反映出負載的變化，扭矩測試儀的選取是根據以下推算：

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

式中，P—機械功率（KW）；

V—速度（m/s）；

F—牽引力（N）；

M 為電機扭矩（NM）；

R—轉軸到牽引力F 之間作用線的距離（m）；

N—電機轉速（rpm）；

假如薄膜蒸發器攪拌電機功率是5.5KW，電機額定轉速是1470rpm，經計算，電機扭矩為35NM，故可選50NM 的扭矩測試儀。扭矩測試儀與動力設備、負載設備之間的連接，可以采用剛性聯軸器的連接形式，這種連接形式結構簡單，成本低，無補償性能，不能緩沖減振，且對兩軸的安裝精度要求較高。

安裝要求：動力設備、傳感器、負載設備應安裝在穩固的基礎上，三者之間的同心度應小于Φ0.05mm，以避免產生過大的震動導致測試數據不穩定，從而降低測量精度，甚至損壞傳感器。

與電流控制法相比，扭矩控制法測試更直觀，能直接反映負載變化，且精度可達千分之五。但是由于結構安裝繁瑣，并不利于實際應用。

3 變頻器功率控制法

根據交流電機的轉速公式：n=60f（1-s）/p

式中，n—電機的轉速（rpm）；

F—交流電頻率（Hz）；

P—電機旋轉磁場的極對數；

從式中可知，采用變頻調速可以調整電機轉速。

按照變頻調速工作原理分類，可以將變頻器分為壓頻比（V/f）控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。

異步電動機在負載轉矩不變的情況下，降低頻率使電機轉速下降，將導致輸出功率下降。而電機的輸入功率與頻率之間并無直接聯系。即電機的輸入功率并不因為頻率下降而自動下降。因此，頻率下降時將導致輸入功率和輸出功率之間的嚴重失衡，使傳遞能量的電磁功率和磁通相對大幅增加，電機的磁路嚴重飽和，勵磁電流的波形嚴重畸變，產生很大的尖峰電流。因此，變頻器必須在降低頻率的同時，相應的降低輸出電壓，才能維持異步電動機輸入功率和輸出功率之間的平衡。

既要在低頻運行時同時降低輸出電壓，又要保證此時電機能輸出足夠的轉矩以拖動負載，這就要求根據不同的負載特性適當的調整壓頻比，以得到需要的電機機械特性。應用時應根據負載的低速特性選用或設置變頻器相應的壓頻比曲線（變頻器的V/f 控制原理）。

采用壓頻比模式控制的變頻器在整個速度范圍內都無法調節力矩，轉速趨近零時轉矩響應很差，速度調節性不佳。因為是開路控制，動態響應不佳，未做電流調節，導致電動機低轉速時運行效率下降，選用變頻器時通常要加大一級以產生額定的電動機轉矩，所以采用壓頻比模式控制的變頻器無法直接測得電機功率。

而矢量控制的變頻器特點：

（1）能調節電動機轉矩，使整個電動機轉速范圍提供恒定轉矩；

（2）低頻轉矩大；

（3）機械特性好，在整個頻率調節范圍內，都具有較硬的機械特性，所有機械特性基本都是平行的；

（4）動態響應好，尤其時有轉速反饋的矢量控制方式，其動態響應時間一般都小于100ms；

采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的扭矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數[2]，有的通用變頻器在使用時需要準確的輸入異步電動機的參數，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需要使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，矢量變頻器的特點使得它能夠實時測得電機的功率。

變頻器功率控制法的控制精度比電流檢測法高，但與電流檢測法類似，該方案不能直接反應負載變化，而且電器成本較高，在實際應用中受到限制。

結論

紡絲工藝中物料溶解可通過多種方法進行控制，如控制進料量，控制紡絲速度，控制溶解溫度，控制真空度等等。文章從控制真空度的角度出發，針對薄膜蒸發器攪拌電機的電流控制、扭矩控制，功率控制三種方案進行了分析闡述。從理論上講，扭矩控制法測試精度高，控制效果好，但在實際應用中，由于設備震動大且安裝繁瑣所以并未被大量采納。變頻器功率控制法雖簡單直觀有效但其成本較高。與前兩種方案比較，電流控制法雖然不能直接反映負載變化，且測試精度還有待提高，但該方案通過程序對電流設限，可實現真空度自動控制，在實際生產中通過長期應用檢驗，取得了很好的效果，保證了物料充分均勻溶解，解決了過度脫水的問題，提高了生產效率。