CN103842583A

CN103842583A - 用于降低纤维悬浮液浓度的节能造纸成形装置、系统、以及方法

Info

Publication number: CN103842583A
Application number: CN201280046115.3A
Authority: CN
Inventors: 路易斯·费尔南多·卡波利巴·Y·洛佩兹·卡拉姆
Original assignee: FCPAPEL LLC
Current assignee: FCPAPEL LLC
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-06-04
Also published as: AR087293A1; EP2734671A2; TW201311968A; US8747618B2; WO2013013133A2; MX2014000730A; BR112014001134A2; US20130042987A1; KR20140057278A; HK1198589A1; WO2013013133A3; CA2842503A1; JP2014520977A; CL2014000157A1; TWI546436B

Abstract

本发明涉及一种在造纸成形过程中使用的装置。具体而言，本发明涉及这样一种装置、系统、以及方法，用于降低成形网案上纤维悬浮液的浓度或密度，并且改善其上成形的纸的品质及物理性能。

Description

用于降低纤维悬浮液浓度的节能造纸成形装置、系统、以及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求以2011年7月21日提交的美国临时专利申请No.61／510,378为优先权，该申请的内容以引用方式并入本文。

本申请涉及2011年2月3日提交的美国专利申请No.13／020,462(现已于2012年4月24日授权为美国专利No.8,163,136)，该专利要求以2010年12月16日提交的美国临时专利申请No.61／423,977为优先权，上述申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种在造纸成形过程中使用的装置。具体而言，本发明涉及一种装置、系统、以及方法，用于降低成形网案上纤维悬浮液的浓度或密度，并且改善其上所成形纸的品质及物理性能。

背景技术

通常，在造纸工业中周知，从成形织物上的纸浆适当排出液体是保证优质产品的重要步骤。此操作是通过使用排水刮刀或案板(通常位于机器例如长网造纸机的湿部)做到的。(应当注意，在此使用时，术语排水刮刀的意思是包括刮刀或案板，其导致排水，或导致浆料活动，或导致这两种行为)。目前这些刮刀有非常多种的不同设计。典型地，为造纸网或成形织物的支承面或支撑面设置这些刮刀，该刮刀带有用于排水的尾部，该尾部以一定角度离开造纸网。这在刮刀表面与织物之间形成间隙，在刮刀与织物之间导致真空。这样不仅从织物排出水，而且由于抽吸能导致向下牵拉织物。然而，当该真空失效时，织物返回其初始位置，这会导致横过浆料的脉冲，对于浆料分布而言，这种脉冲可能是期望的。活动性(激活性)(由造纸网下垂导致)以及从纸页排出水的量与刮刀所产生的真空直接相关。通过将一个刮刀或多个刮刀放置在真空室上，能增强通过这种刮刀导致的排水以及活动性。并不希望在排水与活动性之间存在直接的关系，这是因为尽管总是期望存在活动性，但纸页成形过程中早期进行过多排水对纤维以及填料的留着会有不利影响。快速排水也会导致糊网，使得后继除水更加困难。现有技术迫使造纸厂牺牲所期望的活动性，以便减慢早期排水。

例如授予Ward的美国专利No.3,823,062中所教导的，经由液体到液体转移可以实现排水，该专利的内容以引用方式并入本文。这篇文献教导了通过对纸浆施加突然的压力冲击以除去液体。该文献记载：水从悬浮液进行受控的液体到液体排除，与常规排水相比，这种过程的剧烈程度较低。

授予Corbellini的美国专利No.5,242,547中教导了一种类似类型的排水。这项专利教导：在成形织物中与待排水纸页相反一侧的表面上，避免形成弯液面(meniscus)(空气／水界面)。通过使容纳一个或多个刮刀的真空箱结构溢流，并且由控制机构调节液体的抽出，这篇文献实现了这一点。这被称为“浸没式排水”。据称，通过在吸水箱中使用亚大气压，发生改进的脱水。

除了排水之外，刮刀构造为在悬浮液中有意地产生活动性，以便提供纸浆的期望分布。例如，授予Fuchs的美国专利No.4,789,433中教导了这样一种刮刀。这篇文献教导：使用波浪形刮刀(其优选具有粗糙的脱水表面)，以在纤维悬浮液中形成微湍。

其它类型的刮刀希望避免湍流，但仍影响排水，举例来说，例如在授予Kallmes的美国专利No.4,687,549中所描述的那样。这篇文献教导填充位于刮刀与造纸网之间的间隙，并且指出：籍由没有空气，避免了水在间隙中发生膨胀以及“空化作用(cavitation)”，并且基本消除压力脉冲。在下列现有技术：美国专利No.5,951,823、No.5,393,382、No.5,089,090、No.4,838,996、No.5,011,577、No.4,123,322、No.3,874,998、No.4,909,906、No.3,598,694、No.4,459,176、No.4,544,449、No.4,425,189、No.5,437,769、No.3,922,190、No.5,389,207、No.3,870,597、No.5,387,320、No.3,738,911、No.5,169,500、以及No.5,830,322中，可以找到许多这种刮刀和其他配置，这些美国专利的内容都以引用方式并入本文。

照惯例，高速造纸机和低速造纸机生产纸张定量(克重)在很宽范围内的不同等级纸。纸页成形是一种水力学过程，并且纤维的运动随从于流体的运动，因为与液体中的黏滞曳力相比，单个纤维的惯性力较小。成形及排水部件影响三个基本流体动力过程，它们是排水、浆料活动(stock activity)、以及定向剪切。液体是根据作用在其中或作用于其上的剪切力进行响应的一种物质。排水是穿过造纸网或织物的流动，并且其特征为具有通常与时间相关的流速。浆料活动，按理想化方式理解，是未排水纤维悬浮液的流速发生随机波动，并且通常由于流动动量的变化而出现，该流动动量变化的起因是响应于排水力、或者如刮刀结构而导致的成形织物下垂。浆料活动的主要效果是打散网状物并且使悬浮液中的纤维松动。定向剪切和浆料活动都是剪切产生过程，区别仅在于，在相当大规模上，也就是，在与个体纤维尺寸相比为较大规模时它们的取向程度。

定向剪切是在未排水纤维悬浮液中具有不同且可识别式样的剪切流。横向(“CD”)的定向剪切改进了纸幅成形以及测试二者。(在不摇动的造纸机上)进行CD剪切的主要机理是，在交织物的浆料中形成清晰的机器方向(“MD”)凸脊，使其坍塌，然后再次形成这种凸脊。这些凸脊的发起源可以是流浆箱匀浆辊、流浆箱堰唇(例如参见1995年11月9日公开的国际申请PCT WO95／30048)或成形布浆器。取决于纸机速度和成形织物上的质量，凸脊以固定间隔时间坍塌并再次形成。这被称为CD剪切转换(shear inversion)。如果纤维／水的悬浮液维持其原始动能的最大值，并且使其经受(在MD中)位于自然转换点正下方的排水脉冲，使转换数量最大化、因而使CD剪切效果最大化。

在任意成形系统中，所有这些流体动力过程可以同时存在。在时间或空间上这些过程通常不是均匀分布的，而且它们彼此并不完全独立；它们互相作用。事实上，这些过程的每一个过程都以多于一种的方式贡献于整个系统。因此，尽管上文提及的现有技术会有助于前述流体动力过程的某些方面，但它们没有以相对简单并有效的方式来协调所有过程。

如前文所述在长网网案的前部中的浆料活动，其对制造优良纸页是关键性的。一般而言，浆料活动可以定义为成形织物上的纤维-水悬浮液中的湍动。这种湍动发生在全部三个维度中。通过阻止纸页成形时的成层作用，通过破坏纤维絮凝，以及通过促使纤维取向随机，浆料活动在进行良好成形方面起主要作用。

典型地，浆料活动的品质反比于从纸页去除水；也就是，如果减缓或者控制脱水速度，则活动典型得到增强。随着除水，因为纸页变得凝结、缺水，而水是发生活动的主要介质，活动变得更加困难，变得更加缺乏。因此，良好的造纸机运转是在活动、排水、以及剪切效果之间取得平衡。

各成形机的生产能力由包括网案的成形元件决定。在成形板之后，后继元件必须排出余留水而不损坏已经成形的纸坯(mat)。这些元件的目的是增强由先前成形元件所完成的工作。

随着纸张定量增大，纸坯的厚度也增大。采用现行成形／排水元件，不可能将受控水压脉冲维持为强到足以产生制造良好成形纸页所必需的流体动力过程。

在图1至图4中，可以看到常规装置的示例，用于将排出水再引入纤维浆料，以便促进活动和排水。

图1中的案辊100导致待施加至纸页或纤维浆料96的大正压脉冲，这是迫使位于成形织物98下方的水94进入进压区(其由引入辊92和成形织物98形成)的结果。再引入水的量受限于附着至辊92表面的水。正脉冲对浆料活动具有良好效果；它导致垂直于纸页表面的液流。类似地，在辊90的退出侧，产生大的负压，负压明显激发了排水和除屑。但纸坯中浓度的降低并不显著，因而通过增加活动几乎不能获得改进。案辊通常限制于相对较慢的机器，因为以特定速度传到重纸张定量纸页的期望正脉冲，变成了以更快速度干扰轻纸张定量纸页的不期望正脉冲。

图2至图4示出带有不同刮刀配置的低真空箱84。在低真空箱中还使用重力案板。这些低真空增强部84为造纸机提供这样一种工具，其通过控制所施加真空和脉冲特性来显著影响该过程。刮刀箱结构的示例包括：

阶式刮刀82，如图2至图3中所示；以及

正脉冲阶式刮刀78，例如，如图4中所示。

照常规做法，在成形过程中，大多数使用案板刮刀箱、错位平面刮刀箱、以及阶式刮刀箱。

使用过程中，真空增强案板刮刀箱将如重力案板那样产生真空，持续进行除水而不用控制，并且主要的排水过程是滤除。典型地，已经成形的纸坯没有再次流态化。

在真空增强平刮刀箱中，在刮刀／造纸网接触面上产生轻度正脉冲，并且，施加于纤维层的压力只归因于箱中所维持的真空度。

在真空增强阶式刮刀箱中，例如，如图2中所示，取决于例如阶部长度、刮刀之间的跨距、纸机速度、阶部深度、以及所施加真空的因素，产生多种压力分布。在刮刀的前部中，阶式刮刀产生与纸机速度平方相关的峰值真空，此峰值负压促使水排出，同时使造纸网朝阶部方向下垂，强制一部分已排出水退回进入纸坯，由于所导致的剪切力，使纤维再次流态化并使絮聚分散。如果所施加的真空高于所需程度，迫使造纸网接触刮刀的阶部，如图2中所示。在这种状况下运转一段时间之后，案板在阶部中堆积污物76，会损失水压脉冲，使其减小至最小值的水压脉冲，如图3中所示，并且阻止水再被引入纸坯。

真空增强正脉冲阶式刮刀低真空箱，如图4中所示，通过使各刮刀将在前刮刀所除去水的一部分再引入回到纸坯中，使纸页流态化。然而，对于被再引入进纸页的水量没有进行控制。

随着水排出并穿过织物、由刮刀导角与织物所产生的会聚压区，正脉冲刮刀迫使水回流进入纸页。这样产生的剪切力能分散纤维层，并且能穿透浆料悬浮液，悬浮液的再次流态化最小，例如，如图5中所示。

特殊类型的双正刮刀加入了正进压区，以产生正、负压力脉冲。这种刮刀用引入缘将水再引入纤维层，再引入的水限制为附着于成形织物底部的量。这类刮刀引起压力脉冲而不是浓度降低。这类刮刀模仿案辊，例如，如图6中所示。

Cabrera等人在1996年2月提交了名称为“Velocity induceddrainage method and unit”的美国专利No.5,830,322，其描述了建立活动和排水的替代措施。其中所描述的装置使活动与排水分离开，并因此提出了对其进行控制并进行优化的措施。它使用带有受控的、可能非平坦或局部非平坦表面的长刮刀，以在纸页中诱导(induce)初始活动，并且通过放置尾刮刀来控制排水，藉此限制刮刀之后的液流。’322专利披露，如果使长刮刀与成形织物之间的区域溢流，并且在织物上方水与织物下方水之间维持表面张力，则排水增强。例如，这里所披露的该发明示意性地示于图7中。

然而，对于，322专利，只有一种方式来将少量水再引入纤维悬浮液。此过程发生在“逆流区”，其起因为，不可压缩流体沿行长刮刀的非平坦顶部，并因此被泵过成形织物。抵达速度诱导部(VelocityInduce Unit)引入缘的悬浮液浓度沿同一刮刀不改变。如果速度诱导部设计有多个长刮刀，并且沿速度诱导部不断提高浓度，因为狭缝中被排出的水，当纸浆抵达尾部刮刀时，纸浆浓度提高。

尽管上述文献有些具有一定的附带优点，但总是期望获得进一步的改进和／或替代形式。

发明内容

造纸机成形区的纸浆稀释对制造优良纸页来说是决定性的。通常，通过增加白水再循环，在机器成形区的短回路系统(short loopsystem)处实现纸浆稀释。

成形网案上的纸浆稀释在研制优良成形方面起到主要作用，方便实现制造优良成形纸页必需的三种流体动力过程；允许纤维取向随机。

大多数造纸机已经提速，以增加产量，并且具有更低浓度以获得更好的纸张质量，而且，仍然具有相同的机器筛(machine screen)、相同的管系、以及相同的流浆箱，以向成形网案供给水和纸浆。成形网案经过改装，以便处理额外的流量。

以下述造纸机为例，该造纸机原始设计具有200英寸宽的流浆箱，每分钟800英尺速度，0.65％的流浆箱浓度，制造每平方米54克、70％保留率的纸；计算出的流浆箱流出为大约每分钟3927加仑。然而，过些年，机器提速1.75倍，以及，为了更好的品质将流浆箱浓度降低至0.38％，保留率降至65％；现在，流浆箱的流出为大约每分钟12660加仑。流量增加3.22倍，结果，整个系统中的所有内部速度已在三倍以上，这会带来有害结果。

所以，当以低浓度工作或者当使造纸机提速时，因为流浆箱的流出增大，必须增加排水元件的数量。在有些情况下，还必须增大网案长度，以便构成用于附加排水设备安装的空间，或者安装新的真空辅助排水设备。

然而，由于本发明，没有必要增大网案的长度、也不需要安装新的真空辅助排水设备。另外，明显降低了成形网案的能量消耗。

据此，本发明的目的是，提供这样一种机器，用于维持成形网案上的流体动力过程，而与纸机速度无关。

本发明的另一目的是，提供一种机器，可与成形板和或速度诱导排水机一起使用。

本发明的又一目的是，机器的效率不受纸机速度、纸页纸张定量、和或纸坯厚度的影响。

本发明描述了这样一种机器，自身进行水的再循环，以便在流浆箱之后将网案上的纤维悬浮液稀释至期望程度；本发明的稀释率可以在0％至100％之间；本发明中由机器完成的工作不受打浆度、纸机速度、纸页纸张定量、或者纸坯厚度的影响。在通过本发明成形纸页之后，由后续的设备进行纸页(纸幅)固结。

可以将本领域普通技术人员已知的造纸化学品添加至纤维悬浮液，以便提高纸张强度和机器生产率。所有造纸化学品在成形网案之前或之后添加。

本发明的一种示范实施例是这样一种装置，用于降低造纸机成形网案上液体悬浮液中所含纤维的浓度或密度，该装置包括：至少一个管道，用于将造纸化学品添加进液体流中，以形成混合流；成形织物，在其上输送纤维浆，该成形织物具有外表面和内表面；以及主刮刀，其具有前缘支撑面，该前缘支撑面与成形织物的内表面处于滑动接触；中央板，其包括成形网案的自稀释、剪切、微活动或排水区段的至少一部分，其中，按预定距离使中央板与底板分开，以形成通道，用于再循环该液体的至少一部分。该造纸机构造成，使得在至少一部分成形过程中，再次利用包括被排出液体的混合流。

本发明的另一示范实施例是一种系统，用于降低造纸机成形网案上液体悬浮液中所含纤维的浓度或密度，该系统包括一种装置，该装置包括：至少一个管道，用于将造纸化学品添加进液体流中，以形成混合流；成形织物，在其上输送纤维浆，该成形织物具有外表面和内表面；主刮刀，其具有前缘支撑面，该前缘支撑面与该成形织物的内表面处于滑动接触；中央板，其包括成形网案的自稀释、剪切、微活动或排水区段的至少一部分，其中，按预定距离使中央板与底板分开，以形成通道，用于再循环该液体的至少一部分。该造纸机使得，在成形过程的至少一部分中，能再次利用包括被排出液体的混合流。

本发明的又一示范实施例是一种方法，用于降低造纸机成形网案上纤维悬浮液的浓度或密度，该方法包括下列步骤：设置成形织物，在其上输送纤维浆，该成形织物具有外表面和内表面；设置主刮刀，其具有前缘支撑面，该前缘支撑面与该成形织物的内表面处于滑动接触；以及设置中央板，其包括该成形网案的自稀释、剪切、微活动或排水区段的至少一部分，其中，按预定距离使中央板与成形网案的底板分开，以形成通道，用于再循环该液体的至少一部分。

在下文关于优选实施方式的说明中，特别指出了本发明特有的多个新颖特征。为了更好地理解本发明、其操作优点、以及通过使用本发明获得的特定目的，请参照附图以及说明内容，其中例示了本发明优选实施方式。

附图说明

结合附图，可以更好地理解下文详细描述，这些详细描述由示例给出，但并不将本发明局限于此，附图中相似的附图标记指代相似的元件和部件，附图中：

图1图示一种已知案辊；

图2图示一种已知的带有阶式刮刀的低真空箱；

图3图示一种已知低真空箱，阶式刮刀带有污物堆积；

图4图示一种已知正脉冲刮刀低真空箱；

图5图示一种已知正脉冲刮刀；

图6图示一种已知双正脉冲刮刀；

图7图示一种已知的速度诱导排水部；

图8图示造纸机中的一种水再循环系统；

图9图示流注于成形网顶面的流浆箱流；

图10图示以0.8％浓度离开流浆箱的质量平衡；

图11图示以0.5％浓度离开流浆箱的质量平衡；

图12图示根据本发明一种实施例的质量平衡；

图13图示新成形发明；

图13A图示新成形发明，示出化学品注入；

图13B图示新成形发明，详细示出化学品注入；

图14图示刮刀42中带有不同前缘的新成形发明的另一方面；

图15图示刮刀44中带有不同前导的新成形发明的又一方面；

图16图示不带支撑刮刀的新成形发明的又一方面；

图17图示新成形发明的又一方面，自稀释、剪切、微活动以及排水区，该区具有枢轴点；

图18图示新成形发明的又一方面，自稀释、剪切、微活动、以及排水区，该区具有枢轴点，以及，改变排水区的角度；

图19图示新成形发明的又一方面，详细示出自稀释、剪切、微活动、以及排水区处的水力性能，该区带有多个会聚及发散区；

图20图示新成形发明的又一方面，详细示出长自稀释、剪切、微活动、以及排水区的几何形状，该区带有多个会聚及发散区；

图21是工艺图，图示在具有如图13中所示新发明的造纸机湿部处新发明75的位置；

图22是流程图，图示在如图13中所示造纸机的湿部处新发明75的具体位置；

图23是流程图，图示在如图20中所示带有新发明的造纸机的湿部处新发明76的位置；

图24是流程图，图示在如图20中所示造纸机的湿部处新发明76的具体位置；

图25图示新成形发明的又一方面，详细示出长自稀释、剪切、微活动以及排水区的刮刀几何形状，在成形织物与具有多个成形织物支撑件的中央板48表面之间具有相同距离；

图26图示新成形发明的又一方面，详细示出带有多个自稀释、剪切、微活动、以及排水区的中央板几何形状，增大了成形织物与具有多个成形织物支撑件的中央板49表面之间的距离；

图27图示新成形发明的又一方面，详细示出带有多个自稀释、剪切、微活动以及排水区的中央板，在成形织物与具有多个成形织物支撑件的中央板表面之间具有错位平面；

图28图示新成形发明的又一方面，详细示出在自稀释、剪切、微活动以及排水区上错位平面区的几何形状；

图29图示新成形发明的又一方面，详细示出具有长自稀释、剪切、微活动、以及排水区的几何形状，在排水区处具有枢轴点；

图30图示新成形发明的又一方面，详细示出在自稀释、剪切、微活动、以及排水区的水力说明，包括流线的说明；

图31图示新成形发明的又一方面，具体说明在自稀释、剪切、微活动、以及排水区的水力，包括带有两个刮刀支撑件以减少造纸网下垂的流线的说明；

图32图示新成形发明的又一方面，具体说明在自稀释及剪切区的水力；

图33图示新成形发明的又一方面，示出一个用于保持中央板的系统的具体几何形状；

图34图示新成形发明的又一方面，示出另一用于保持中央板的系统的具体几何形状；

图35图示用来保持中央板35和／或任意刮刀的T形杆的具体几何形状；

图36图示在新发明的自稀释以及剪切区54处的水力性能；

图37图示在新发明的低浓度微活动区55处的水力性能；

图38图示在新发明的排水区56处的水力性能；以及

图39图示在新发明的排水区56处的水力性能的另一设计。

具体实施方式

作为现有技术一部分已经描述的所有装置形成了图8中所示的重力及动力排水区或纸页成形区4，或者作为其一部分。

图8中所示的是这样一种系统，其能够在成形网案上以任意等级降低浓度。在风扇式泵24的进口33处，用白水17稀释浓浆20(其经常具有约1％～5％的浓度)；浓浆的所需量由阀21加以控制。风扇式泵24朝净化系统27推送作为造纸配料的稀浆，该净化系统27去除所有碎屑和不期望的物体28，并且将净纸浆送到造纸机的流浆箱1。净化系统27、32所排出稀浆配料的浓度典型在固体含量0.1％～1％之间。

风扇式泵24和净化系统27、32通常位于造纸机成形区下面的地下室中。通过堰唇2将纸浆从流浆箱1给料到长网造纸机造纸网11上。通过改变风扇式泵24的转数以及通过调节阀23、22，对由流浆箱1的堰唇2流注在成形网11上的总流量进行控制，当需要更多流量时，风扇式泵24增加转数，以及，阀23增大开口，对阀22进行调节，以微调所要求的流量。在一些装置中，为了增大或减小泵的流出量，风扇式泵24具有定速电动机；在这种情况下，需要对阀23、22进行调节。

湿纸幅10实际成形于实质上由环状成形网带11构成的长网造纸机网案上，由构成造纸机湿部的成形装置以及排水装置，在区段4、5、6中支撑该环状成形网带11。

靠近流浆箱1，由胸辊3支撑成形网，胸辊3之后是区段4、5中的成形装置、以及排水装置。在回到真空伏辊7和驱动辊9上方之前，环状成形网在区段6中的数个吸水箱上方移动。

从数量上看，水是造纸中最重要的原料。在将纸浆流注于成形网案的成形网11上之前，纸浆非常稀；其纤维含量可能会低至0.1％。从这点看，除水成为机器的最具决定性作用的操作之一。除了纤维之外，从流浆箱1流出的纸浆还含有其它固体，因此，其具有大约0.5％的浓度；以及，离开伏辊7的纤维层10具有23％～25％的浓度。

然而，为了降低水的粘度并且适当排水，需要在135～145华氏度的范围内加热纤维浆。在此过程中，正常情况下的热损失在5～10华氏度范围内。

现在参见图9，通过流浆箱堰唇2，将浓度在0.1％～1％之间的纤维流1A从流浆箱1流注到移动的成形网11上。纤维流1A与成形网11之间的流注速度比(流速除以网速)通常在0.6～1.3的范围内。然而，这些机器能以大于3,000英尺每分钟的速度运转。

图10中详细描绘了造纸机的成形网案，其由下列三个主要区段组成：

A.重力和动力排水区4，在此部分处进行纸页成形。在成形区4的开始处，纤维浓度在0.1％～1.0％范围内，以及，在这一点，纤维具有高自由度，并且，在此处可以通过增强成形纸页所需的三种流体动力过程来改进成形。在重力和动力脱水区4的出口处，浓度在1.5％～2.0％范围内，以及，在此区段之后，只能最小程度地改善成形。

B.中低真空区5，在这个区段中，使用低真空箱，施加小量真空，真空在2～60英寸水柱范围内，以及，区段5出口处的浓度在6％～8％范围内。

由区段4、5排出的水被收集在成形及排水装置下方的容器25中，并且通过通道26将该水引向储罐18，以便在湿部封闭环路系统中再次用于纸浆稀释，例如，如图8中所示。

C.高真空区6，在此处进行纸页固结，通过使用高真空箱除水；所施加的真空在2～16英寸汞柱范围内。在网部末端处，伏辊7由压辊8辅助用更高真空(20～22英寸汞柱)除水。区段6中排出的水12收集在密封罐13中，泵14为罐18中的水位控制15送出部分水，过多的水16连同来自储水罐18的溢流水19一起被送到浆料制备系统。

在高真空脱水区6中使纤维层固结、并且经真空伏辊7和小压辊8压榨之后，纸页10以23％～27％的浓度离开成形网案。

如之前所述，造纸机湿部处的短环路系统是仅有的能降低或提高流浆箱1流注处浓度的系统。

作为存在质量平衡(物料平衡)的示例，图10中的实施例示出以0.8％浓度离开流浆箱的质量平衡，以及，图11中的另一实施例示出以0.5％浓度离开流浆箱的质量平衡。

重要的是应当注意到，在这两种质量平衡中，下列操作参数完全相同：

结果，在10处离开成形网案的产量在两种平衡中完全相同，如下：

纸页固体短吨每天 624

纸页浓度％ 23

加仑每分钟 453

当离开流浆箱的浓度为0.5％而非0.8％时，纸页成形更好，以及，设备的性能在这两种情况下完全不同。这两种平衡中的主要差异是在短环路系统内，如下：

表1：

STPD 短吨每天

GPM 加仑每分钟

％浓度

通过将浓度从0.8％降到0.5％，水力流量平均增大了15,913GPM，以及，固体平均增大了183STPD。为了移动附加流量，需要增加风扇式泵24以及筛27、32的电动机功率，以及，在许多情况下，必须要改变设备。

由于以0.5％低浓度工作时的流量过多，需要更多的化学品；区段4、5处的排水变得更难。如果因过多流量产生太多湍流，流浆箱性能劣化；横流产生，导致向纸页成形区不均匀地传送纸浆。没有适当操作的流浆箱会导致成品纸页中的许多缺陷。这些缺陷中最差的是粗劣成形，当纤维没有分散均匀或一致时导致这种粗劣成形。

通过以0.8％浓度取代0.5％浓度工作，送至流浆箱的流量明显减少；大约减少了15,913GPM。结果，需要较少蒸汽来将悬浮液保持于其操作温度，这意味着温度降低5度对应减少807,946Btu／min(英国热单位／分钟)。应当注意到，对于使用燃油进行加热的公司，这意味着每年减少向大气排放4640吨二氧化碳，以及，对于使用燃气进行加热的公司，这意味着每年减少向大气排放大约416吨二氧化碳。

除了以上所述，如从图10和图11中可以看出的那样，送回到水处理的过量水19具有较少的固体(低于1.8吨每天)。

例如，在图12至图19中可以看到本发明的一个方面。在图13中，刮刀36具有支撑刮刀37A，该支撑刮刀37A具有两个重要功能，一个功能是与支撑刮刀37一起将成形织物维持为与刮刀36分开，另一最重要功能是允许先前的排出水1D在支撑刮刀37A下面通过。刮刀36的出口侧具有斜面36A，该斜面36A以0.1度至10.0度之间的角度偏离成形织物11，从纤维浆1A排出的水将在支撑刮刀37下方通过，排出水57将与再循环水62汇合，以形成连续增大的液流58，此流的大部分将再引入至纤维浆1A，纤维浆1A将成为纤维浆流1B，纤维浆流1B的浓度低于流1A。浓度的降低通过打开或关闭闸门38进行控制，该闸门38由底板63和支撑部64保持在适当位置。闸门38允许增大或减少排出流42。通过关闭或打开闸门38，流62改变至期望水平，结果，可以控制1B处的浓度，以产生在机器横向并且也在机器方向上均匀的纤维层。支撑刮刀37和尾部刮刀39将成形织物11保持为与中央板35分开。成形织物11与中央板之间的间隙总是充满从纤维浆1A排出的水，并且，由于水的连续流动，中央板35与成形织物11之间的摩擦极小。在中央板35的端部处布置有排水区56，在该位置处，中央板35的表面倾斜远离成形织物11，以及，带有坡度的表面71可以具有从0.1度到10度的任意分离程度，但其优选不超过7度。这种几何结构使水34从悬浮液1B进行再循环，如图13中由流线59、60、61所示那样，以便再将其引入流58。中央板35和底板63被间隔件66分开以在其间形成通道73，允许被尾部刮刀39刮掉的排出水34向前移动至通道74，在该位置处，再循环流62与排出流57汇合，以形成被再引入纤维浆1A的水流58，以便以任意期望水平降低1B处的浓度。由于通道73的形成，出现了不同速度的两个流的汇合，并且在区段54中产生高剪切效果。然而，重要的是应当注意到，闸门38控制涌出流(purge flow)42的量。由于使用根据本发明系统设计所产生的固有流以及高剪切效果，不必增大风扇式泵24或筛27、32的电动机功率。与传统系统相比时，本发明的设计，例如，中央板35与底板63分开以形成允许再循环现在的排出水的通道73，导致更低的能量消耗。

在排水区56之后，取决于由闸门38所排出水42的量，纤维浆1C的浓度与纤维浆1A的浓度相同或更高。中央板35保持支撑刮刀37，中央板35处于固定位置，以便维持中央板与成形织物11的特定距离、与入口刮刀36的特定距离、与尾部刮刀39的特定距离、以及与底板63的特定距离，这些距离根据特定造纸机的过程需要进行设计，由一个、两个、或如根据自稀释、剪切、微活动、以及排水区段的长度所需要的若干个T形杆68，对中央板35进行固定。T形杆由螺栓65和间隔件66固定就位。中央板35中位于排水区段的表面71偏离成形织物11，以及，斜面可以具有从0.1度到10度的任意分离程度，优选不超过7度。

图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19中的中央板35的长度，以及图20中的中央板53的长度，根据特定造纸机的过程需要进行设计。中央板的长度也取决于纸机速度、纸张定量、以及需要的浓度降低量。

图21示出在纸页成形区4中重力和动力脱水处新发明75的位置；图22示出在纸页成形区4中重力和动力脱水处新发明75的具体位置。

图23示出纸页成形区4中重力和动力脱水处新发明76的位置；图24示出在纸页成形区4中重力和动力脱水处新发明76的具体位置。

安装在纸页成形区4中重力和动力脱水处的新发明，消除了在流浆箱处降低纤维浆浓度的需求，结果，获得了用常规系统工作的情况相同的益处(降低整个系统的浓度)。

作为造纸机以低浓度工作时、用新发明所得到的纸页成形物理性能和生产率方面优点的示例，是图12中的质量平衡。通过如图21、图22、图23、和图24所示安装有新发明来取代常规系统工作，可以获得所述优点。

用新发明的质量平衡示于图12中；用新发明工作的优点如下：

I.与用常规系统工作相比，用新发明工作时的能量消耗更低。

II.无需使现行设备例如机器和／或管系变大。

III.因为需要较少蒸汽或燃料来加热纤维浆，减少对大气的排放。

IV.因为更少的固体被送至水处理单元，更加环保。

V.水系统中的固体更少。

VI.化学品的使用更少。

VII.因为除了降低浓度之外新发明也同时产生造纸所需的三种流体动力过程，用新发明工作获得比用常规系统工作时更好的纸张品质。

VIII.当用新发明进行操作时，因为不超过设计流量，机器例如流浆箱1、筛27、32内的设计运转速度总是在设计极限内。

IX.用新发明时纤维流失较少。

X.再循环相同的排出水，该水刚离开成形织物但尚未离开成形网案。

XI.没有来自其它来源的纤维污染；这个优点使过程更稳定。

XII.在成形区4中没有温度变化。

XIII.系统中不夹带空气。

XIV.保留率没有变化。

XV.因为新发明内部容积的量较小，容易改变纸张等级。

XVI.是连续再循环塞流。

XVII.表面69的径向设计使流58均匀，减少了机器横向上的纤维层变化性，如图30中所示。

XVIII.在刮刀的前部中没有过滤处理。

XIX.因为造纸网与刮刀之间的摩擦最小化，减少了用于驱动造纸网的电力，并且，使成形网案顶上的总流量减少。

XX.因为水连续流动，刮刀上没有污物堆积。

XXI.用相同的水使造纸网上的纤维重新分布并活动化。

XXII.增大了纤维保留率。

XXIII.改进了成形。

XXIV.根据需要控制纸页的方正度(偏斜度)。

XXV.还控制了排水。

XXVI.使纤维在纸页厚度上均匀分布。

XXVII.根据需要改进或控制纸张的物理性能。

图25示出带有自稀释、多重剪切、微活动以及排水区的新发明，在成形织物11与中央板48之间具有恒定间隙D1。

图26示出带有自稀释、多重剪切、微活动以及排水区的新发明，在成形织物11与中央板49之间具有增大的间隙D2、D3、D4。

图27示出带有自稀释、多重剪切、微活动以及排水区的新发明，在成形织物11与中央板50之间具有错位平面72。

图28示出带有自稀释、多重剪切、微活动、以及排水区的新发明，具体描绘了成形织物11与中央板50之间的错位平面，表面72A通过阶部72与表面72B错开，以及，由Cabrera在名称为“FIBER MATFORMING APPARATUS AND METHOD OF PRESERVING THEHYDRODYNAMIC PROCES SES NEEDED TO FORM A PAPERSHEET”，专利申请公开号US2009／0301677A1的申请中，描述了这里所观察到的流体动力作用。

图29示出带有自稀释、多重剪切、微活动以及排水区的新发明，在中央板52的排水区域处具有枢轴点，以便控制活动以及待排出水量。枢轴点允许区段52A根据过程需要进行调节。

图30示出带有自稀释、多重剪切、微活动以及排水区的新发明，不同区段的具体说明如下：

A.自稀释和剪切区54：

该区开始于支撑件37的前缘，并且结束于径向区69的端部。该区的长度取决于纸机速度、以及待引入至纤维浆1A的水58的量。水流58由水流57和水流62组成，以及，水流62沿行通道74的路径，通道74让其具有连续的均匀流，然后水流62与流57汇合，并且被送进成形织物11，从而成为流1B。由排出闸门38的水42的量，控制水流62的量。

通过控制流1A与流58之间具有不同的速度，在该区中产生高剪切效果，在这些流汇合之后，流1A中发生高稀释，并且开始微活动。表面69的径流设计使流58均匀，减少了在机器横向出现纤维层差异。

自稀释和剪切区的长度取决于纸机速度、纸张定量、以及浓度减少。

B.低浓度微活动区55：

中央板35的表面70可以具有不同结构，如本说明书中在前文描述的，以及由Cabrera在名称为“FIBER MAT FORMINGAPPARATUS AND METHOD OF PRESERVING THEHYDRODYNAMIC PROCESSES NEEDED TO FORM A PAPERSHEET”的专利申请公开No.US2009／0301677A1中所描述的。在中央板35的表面70与造纸网11之间有间隙，此特征允许水存在于二者之间，其引起微活动和剪切效果，在此区处得到最低浓度。

低浓度微活动区的长度取决于纸机速度、纸张定量、以及纤维类型。

C.排水区56：

图30和图31中的水流59出现在中央板35的最后区段中。中央板35中位于排水区的表面71偏离成形织物11。斜面可以具有从0.1度到10度的分开程度，优选不超过7度。排水区的长度取决于待排出流量。流59继续成为通过通道77的液流60，通道77位于中央板的最后部分与尾部刮刀39之间。通道77设计成，用以避免纤维缠绕(stapling)，并且具有最小摩擦损失，水流继续通过通道73。

在造纸网11下垂并且接触中央板的情况下，加入第二支撑刮刀37B，如图31中所示。在中央板35a的表面70的端部，径流面71A继续沿行，以便将水流59维持为与中央板35继续接触(避免流分离(flow separation))。

图32示出在新发明的自稀释和剪切区处水力的具体说明。支撑刮刀37避免造纸网下垂并与中央板53接触，从纤维浆1B排出的水流在支撑刮刀下方通过，之后被再引入到纤维浆，在此处发生剪切作用。

图33示出用于保持中央板35的几何形状的具体说明。在底板63与中央板35之间可以使用例如螺栓65和间隔件66，以帮助形成通道73。

在如图34中所示的可选实施例中，例如，在底板63与中央板35之间可以使用T形杆68和间隔件66，以保持中央板35并形成通道73。

图35示出T形杆68几何形状的具体说明。螺纹孔68A之间的距离68B在4～10英寸之间变化，并且，为各造纸机专门设计此距离。距离L1和距离L2相等，这区段是与间隔件66或箱体主要结构直接连接的部分。距离L3与距离L4彼此不同，在这种情况下，L3大于L4，但也可以为相反情况，而不背离本原理。T形杆的头部68C，在这种情况下是与中央板35直接连接的部分，或者是与任意刮刀直接连接的部分，由于距离L3和距离L4的差异，中央板35和或任意刮刀将只在一个方向滑动。

图36、图37、图38、和图39示出对新发明的水力性能的具体说明。图36，由刮刀36和支撑刮刀37A所产生的作用，由Cabrera在名称为“FIBER MAT FORMING APPARATUS AND METHOD OFPRESERVING THE HYDRODYNAMIC PROCESSES NEEDED TOFORM A PAPER SHEET”的专利申请公开No.US2009／0301677A1的申请中加以说明，该申请的全部内容在此以引用方式并入本文。水流57与在支撑刮刀37下方流过的水流62汇合，以成为再被引入纤维浆1A的液流58，由不同速度的两股流汇合，导致在区54中产生高剪切作用，重要的是应当注意到，闸门38控制涌出流42的量。

图38和图39示出排水过程的具体说明，这里，表面71倾斜离开成形织物11，斜面可以具有0.1度～10度的任意分开程度，但优选不超过7度。由于势能减少，这种几何结构产生真空，并且，排出的水沿行水流线60、61的路径。如果与支撑刮刀37和尾部刮刀39的距离较大，并且成形织物11触及中央板35，可以安装附加支撑刮刀37B，安装径流面71A，以避免流59与中央板35分离，水流继续通过通道77，并稍后通过通道73。

化学品添加

在另一实施例中，向纤维悬浮液添加如本领域普通技术人员已知的造纸化学品，以便提高纸张强度以及机器生产率。所有造纸化学品在成形网案之前或之后添加。

当在成形网案之前添加时大大降低了化学品的效率，因为在成形区进行大量稀释和大量水再循环，除了以上，对化学品剂量发生任何改变的响应时间不是即时的。

当在成形网案之后添加化学品时，通常在施胶压榨时进行，在这种情况下，使造纸机的速度降低13％～25％，或者，需要添加更多烘干机，以便蒸发纸幅中的额外水分，在这两种情形下都使用更多能量。

各纸张等级要求配料成分的特定组合，根据所要生产纸张的规格进行选择。

如图13A中所示，通过管道99注入化学品100，上述化学品与先前排出的液流59合流并混合。化学品100和排出水59在区段60处合流，形成湍流区34B，在此处化学品完全稀释；混合流60、61继续通过通道73，该液流受到间隔件66搅动，间隔件66跨越机器方向分开，其主要目的是形成通道73并支撑T形杆68。取决于造纸机需要，馈送化学品的管99在机器横向分开，其间距从0.5英寸至8英寸，4～6英寸是优选间距。

有没有化学品添加，本系统都可以工作；在化学品添加的情况下，适宜的是关闭闸门阀38，以消除化学品损耗。

水和化学品的混合流61以及稍后的液流62与新排出流57汇合，并且其为再引入纤维悬浮液1A的液流58，两种流都成为流1B，在微活动区55处，纤维被化学品完全浸透，将未留着的化学品排出作为流59的一部分，以便再次利用，再次优化化学品使用。

关于施胶压榨，值得注意的是，在此阶段所添加的化学品，提高了纸张的干强度，具有最低限度精制以及较低纤维品质，在施胶压榨时所添加的化学品是固体含量大约3％～25％的溶液，纸张吸收一些施胶溶液，并且在压榨时去除平衡。在施胶压榨之后，必须用额外的烘干机来除去被纸张吸收的施胶压榨溶液。

图13A图示了新成形发明，示出化学品注入。

图13B图示新成形发明，具体说明化学品注入。

用新发明在成形网案处进行化学品注入的优点如下：

1.只要化学品未被稀释，化学品的效率更高，因为与料筒处贮存的总量相比，新发明使用的量最小化。

2.化学品的效率更好，因为化学品和纤维在微活动区处良好混合。

3.化学品没有受到类似在风扇式泵或机器筛处发生的高剪切作用，剪切作用降低化学品的效率。

4.当在新发明处添加化学品以取代在施胶压榨处添加化学品时，显著减少了能量消耗，因为不必清除被纸张吸收的过多液体。

5.没有由于在施胶压榨处使纸页回湿而降低干燥机中的纸机速度。

6.能控制纸张在机器横向的强度。

7.对任意剂量变化的响应是即时的，因为与料筒容积相比，新发明用最少量的水工作。

虽然结合认为是最实际且优选的实施例对本发明加以描述，但应当理解，本发明并不局限于所披露的实施方案，相反，本发明覆盖包括在所附权利要求的精神及范围内的各种修改和等效配置。

Claims

1.一种用于降低造纸机成形网案上的液体悬浮液中所含纤维的浓度或密度的装置，所述装置包括：

至少一个管道，用于将造纸化学品添加进液体流中，以形成混合流；

成形织物，在其上输送纤维浆；所述成形织物具有外表面和内表面；

主刮刀，其具有前缘支撑面，所述前缘支撑面与所述成形织物的所述内表面处于滑动接触；以及

中央板，其包括所述成形网案的自稀释、剪切、微活动或排水区段的至少一部分，其中，按预定距离使所述中央板与底板分开以形成通道，用于再循环所述液体的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的装置，包括：

所述管道包括至少一个开口，所述开口紧邻所述成形网案的排水区段，以及，构造成将所述造纸化学品添加进所述液体的排出流，以形成所述混合流。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，构造所述中央板的表面以产生湍流区，

其中，所述造纸化学品从所述开口馈送，并且在所述湍流区与所述排出流汇合，以形成所述混合流。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，使用跨越机器方向分开的间隔件和螺栓、或者间隔件和T形杆，按预定距离使所述中央板与所述底板分开，以及，其中，构造所述间隔件，以形成所述通道。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述管道包括：

多个管，用于添加所述化学品，使所述管于机器横向分开约0.5英寸至约8英寸。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，用于添加所述化学品的所述管于所述机器横向分开约4英寸至约6英寸。

7.根据权利要求5所述的装置，进一步包括：

闸门，其构造成排出涌出流，其中，所述闸门包括闸阀，所述闸阀构造成，在添加所述造纸化学品时，使所述闸阀关闭。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，为了产生期望的流体动力效应，所述装置构造成，允许包括排出液体的所述混合流在所述成形过程的至少一部分中重新使用。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置构造成，用来自所述混合流的所述造纸化学品，将所述液体悬浮液的所述纤维浸透。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，在所述微活动区，用所述混合流的所述造纸化学品，将所述液体悬浮液的所述纤维浸透。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，在施胶压榨处添加所述化学品，以及，将所述化学品添加为形成约3％至25％固体的溶液。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述成形网案之后添加所述化学品。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述成形网案之前添加所述化学品。

14.一种用于降低造纸机成形网案上液体悬浮液中所含纤维的浓度或密度的系统，所述系统包括这样一种装置，该装置包括：

至少一个管道，用于将造纸化学品添加进液体流中；

中央板，其包括所述成形网案的自稀释、剪切、微活动或排水区段的至少一部分，其中，按预定距离使所述中央板与底板分开，以形成通道，用于再循环所述液体的至少一部分。

15.一种用于降低造纸机成形网案上纤维悬浮液的浓度或密度的方法，所述方法包括：

设置至少一个管道，用于将造纸化学品添加进液体流，以形成混合流；

设置成形织物，在其上输送纤维浆；所述成形织物具有外表面和内表面；

设置主刮刀，其具有前缘支撑面，所述前缘支撑面与所述成形织物的内表面处于滑动接触；以及

设置中央板，其包括所述成形网案的自稀释、剪切、微活动或排水区段的至少一部分，

其中，按预定距离使所述中央板与所述成形网案的底板分开，以形成通道，用于再循环所述液体的至少一部分。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

构造所述管道，以将所述造纸化学品添加进所述液体的排出流，从而形成所述混合流。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

构造所述中央板以产生湍流区，使得所述造纸化学品与排出流在所述湍流区处汇合，以形成所述混合流。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

使用跨越机器方向分开的间隔件和螺栓、或者间隔件和T形杆，按预定距离使所述中央板与所述底板分开，以及，其中，构造所述间隔件，以形成所述通道，从而，所述间隔件构造成搅动所述混合流。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

设置包括多个管的所述管道，用于添加所述化学品，以及

使所述管于机器横向分开约0.5英寸至约8英寸。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

使所述多个管于所述机器横向分开约4英寸至约6英寸。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

构造所述造纸机，使得包括排出液体的所述混合流在所述成形过程的至少一部分中重新使用。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

构造所述造纸机，使用来自所述混合流的所述造纸化学品，浸透所述液体悬浮液的所述纤维。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

构造所述造纸机，使得在所述微活动区，用所述混合流的所述造纸化学品，浸透所述液体悬浮液的所述纤维。

24.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

所述造纸机构造成，在所述成形网案之后添加所述化学品。

25.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

所述造纸机构造成，在所述成形网案之前添加所述化学品。