Мокрая часть гофроагрегата - гофровалы (Глава 7)

Книга «Гофроиндустрия. В поисках совершенства»

В основу главы положен отчет рабочей группы комитета производителей СРА. Представители: Стив Гриббен (Steve Gribben), Оувен Волш (Owen Walsh), Эдди Стоукс (Eddie Stokes), Тони Пиннингтон (Tony Pinnington)

На каждом гофрозаводе есть много комплектов гофровалов с разными профилями в зависимости от ассортимента выполняемых работ. Все, кто занимается технологическим процессом гофрирования, обратили внимание, что в последние годы появилось много новшеств, связанных с технологиями применения гофровалов.

Увеличение рабочей скорости оборудования, расширение зоны использования макулатурного волокна и применение легких сортов бумаги, рост стоимости энергии, повышение требований заказчиков, появление новых профилей гофрокартона, распространение безгребенчатой системы на гофропрессах, изменения в законодательстве и уровень цен на сырье сыграли роль в эволюции современных гофровалов.

При создании этой главы перед нами стояли следующие задачи:

описать общие принципы работы гофровалов;
объяснить некоторые общепринятые термины по гофровалам;
рассмотреть параметры, связанные с образованием гофров;
повысить осведомленность о последних технологиях в сфере гофровалов;
дать детальное описание влияния тепла и давления на технологический процесс гофрирования;
дать рекомендации по закупке и техническому обслуживанию гофровалов.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ГОФРОВАЛОВ

Задача гофровалов любой конфигурации заключается в формировании флютинга в определенный профиль и удерживании профиля до момента нанесения клея и приклеивания к лайнеру.

Если все так просто, то почему у некоторых возникают трудности при достижении стабильной работы гофропресса для изготовления двухслойного гофрированного картона без образования отходов? Почему гофровалы такие дорогие? Почему на некоторых гофроагрегатах при определенных рабочих скоростях возникают вибрация и шумы? Каким образом флютинг влияет на износ валов из закаленной стали?

Цель данного раздела — дать общее представление о механических процессах, которые определяют стоимость и эксплуатационные характеристики гофровалов.

Проектирование и изготовление гофровалов

Гофровалы — это самая важная составляющая процесса гофрирования. Технологии, используемые для их производства, и применяемые материалы, а также модель профиля оказывают сильное влияние на стоимость и рабочие характеристики валов в процессе эксплуатации.

По мере того как будут освещены стадии изготовления гофровалов, картина станет более понятной.

Выбор материала

После сопоставления затрат и эксплуатационных характеристик сталь оказалась самым предпочитаемым материалом для изготовления гофровалов.

Сталь — это сплав железа и углерода, можно также получать разные по своим свойствам сплавы железа с марганцем, хромом, молибденом, кремнием и никелем.

Окончательная спецификация стали зависит от критериев выбора каждого поставщика. Следует также учитывать нормативные требования, предъявляемые к изготовлению сосудов под давлением, а также стоимость, доступность и характеристики используемых материалов.

При производстве стали железо и легирующие элементы плавят в печи. Полученную расплавленную сталь разливают в литейные формы, где она застывает в слитках весом около 50 тонн.

Затем слиток нагревают и куют (подвергают грубой обработке) цилиндрическую заготовку (болванку), которую можно будет использовать в качестве сырья для производства гофрированных валов.

Гофровалы самого лучшего качества изготавливают из цельных ковочных сплавов. Процесс ковки включает горячую обработку (обработка молотом стальной заготовки в горячем состоянии), при которой улучшается природная структура стали, повышается ее плотность, прочность и улучшается связность.

Связность имеет особое значение для предотвращения деформации валов при проведении последующих технологических операций, таких как термическая обработка.

При преобразовании литого слитка в болванку, плашку или плиту сталь подвергают ковке до определенной степени. Последующие процессы включают вытягивание или растяжку стали до ее чистовой формы.

В результате все нерастворимые примеси, которые находятся в стали, а при первичном литье переместились к центру слитка, остаются и становятся частью готового продукта. Под микроскопом они имеют вид волокнистой текстуры, похожей на древесную структуру.

Сопоставим твердую древесину, которая имеет мелкую и плотную зернистую структуру, и мягкую древесину, которая имеет открытую грубую зернистую структуру.

Аналогично полученная при ковке сталь с мелкой и плотной зернистой структурой лучше подходит для производства гофровалов.

Механическая обработка валов

Литую цилиндрическую заготовку помещают на токарный станок для грубой обработки наружного диаметра и торцевых поверхностей, при этом получают ровный цилиндр с параллельными краями. После механической обработки поковку устанавливают на станок для удаления сердцевины.

Цилиндр прочно устанавливают на краю и поддерживают роликами по длине. Сердцевину вырезают одним куском (так же, как вырезают сердцевину яблока) вместе с примесями первичной отливки.

На данной стадии многие поставщики дают заготовке вылежаться несколько недель, чтобы снять внутреннее напряжение.

Соотношение между внутренним и наружным диаметром вала определяет толщину его стенки. Это важный критерий расчета, который влияет на коэффициент теплоотдачи.

Он также влияет на вес и коэффициент жесткости вала, что в свою очередь отражается на собственной частоте или чувствительности валов к вибрации.

На торцах валов просверливают глухие отверстия для фальшвалов или цапфвалов. Качество часто проверяют на этой промежуточной стадии изготовления.

Торцы шеек (также изготовленные из поковок) подвергают грубой механической обработке, для всех размеров оставляют допуски для последующей конечной обработки. Торцы цапф приводят в норму в процессе термической обработки для снятия любых напряжений, которые могут накопиться в стали.

Теперь цапфы готовы и их можно вставлять в заготовку вала. Торцы заготовок вала нагревают, чтобы они расширились, а цапфы на короткое время погружают в жидкий азот перед вводом.

После того как детали соединили вместе и охладили до нормальной температуры, связи между ними стали более прочными, процедуру завершают предварительным нагревом, сваркой или скручиванием болтами стыковочных деталей.

Процедуру соединения деталей нужно проводить очень аккуратно и тщательно. Готовые валы будут работать при повышенных температурах и внутреннем давлении пара, поэтому их классифицируют как сосуды под давлением.

Точки соединения должны пройти испытания под давлением и быть сертифицированы соответствующими государственными органами как пригодное и безопасное для работы оборудование.

Собранный вал снова устанавливают на токарный станок, все диаметры подвергают повторной обработке, оставляя лишь небольшой допуск. На этом этапе проверяют соосность диаметров по отношению друг к другу, так как все диаметры были выточены в процессе одной операции.

Соосность очень важна для хорошей работы гофропресса по производству двухслойного гофрированного картона. Затем валы снова тестируют под давлением, как уже упоминалось выше, а также проводят магнитно-порошковую дефектоскопию для обнаружения трещин.

На следующем этапе валы устанавливают на продольно-строгальный станок, где получают грубые по форме рифленые бороздки. Резец проходит по всей длине вала, делая канавки.

Вал размечают по заданной ширине шага между гофрами и повторяют процесс снова. После того как вал проточен канавками по всей окружности, резец устанавливают чуть ниже и процесс повторяют, делая каждую канавку глубже.

Сейчас альтернативно все чаще используют зубофрезерный станок. При зубофрезеровании канавки протачивают сразу по всей окружности вала. Этого удается достичь благодаря комбинированным действиям червячной фрезы, которая проходит параллельно оси вала во время вращения самого вала.

Это технологическая операция грубой обработки, в процессе которой протачивают канавки, которые имеют только приблизительную форму. Чистовой формы добиваются в процессе шлифовки или фрезерования.

Валы готовы к закаливанию, которое проводят в несколько этапов, подвергая вал термической обработке. Поверхность его становится износостойкой и долговечной.

После процедуры закаливания по окружности вала вырезают пазы для прижимных вакуумных систем или гребенок. Интервалы между пазами соответствуют формату бумаги и/или форме гофров, используемых заказчиком, или стандартной конструкции изготовителя.

Расстояние между пазами по краям вала меньше, что помогает создать лучшую опору для бумаги (вакуумом или давлением) по краям формата. Пазы на валах лучше вытачивать, используя алмазный диск.

Некоторые производители делают пазы на валах до закаливания, так как мягкий материал легче подвергается обработке.

Теоретически могут возникнуть проблемы при последующей термообработке вала: по краям пазов возникают колебания по прочности. Потенциальных несоответствий можно избежать, если поставщик учтет металлургические ограничения и проявит большую осторожность при термообработке.

Процесс изготовления вала практически завершен. После термообработки его устанавливают на шлифовальный станок, где завершают обработку канавок.

Заданный тип профиля вырезают в шлифовальном круге, используя алмазный инструмент для правки. Чтобы сохранить точность профиля, шлифовальный круг зачищают, после того как он прошел определенное количество раз по длине вала.

Технологический процесс напыления имеет два ограничения. Первое — алмазные инструменты для правки очень дорогие, и поставщик предлагает только те профили, которые соответствуют алмазному инструменту для правки, имеющемуся в наличии.

Второе — каждый алмазный инструмент для правки профилирован в соответствии с точным диаметром вала и последующим шагом (в соответствии с технической спецификацией поставщика гофропресса на диаметр вала).

Переделка валов, включая перешлифовку до меньшего диаметра, означает модификацию профиля гофров и повышение коэффициента гофрирования.

В альтернативной системе профилирования шлифовального колеса, где нет этих ограничений, используют алмазный резец с числовым программным управлением, который профилирует шлифовальное колесо на бесконечное количество вариантов профилей.

Используя эту систему, можно модифицировать радиус вершины гофра, чтобы уменьшить или исключить вредное воздействие коэффициента гофрирования на перешлифованные валы.

Иногда поверхность валов подвергают дальнейшей обработке, например хромированию, или наносят карбидвольфрамовое покрытие. Разные поставщики используют разные способы тестирования валов перед отгрузкой. Проверка соответствия размеров должна сочетаться с тестом на прочность.

Чтобы полностью гарантировать функционирование валов на гофропрессе, нужно проводить испытание на стенде. С валами должен идти полный комплект документов на них, предназначенный для пользователя и для изготовителя, если вал вернут на перешлифовку.

Износ гофровалов

В процессе изготовления, закаливания или при нанесении покровного слоя поверхность гофровалов становится стойкой к абразивному износу. Если пройтись по валу напильником, то он скользнет по поверхности, оставив лишь небольшой след.

Но, тем не менее, в процессе работы гофровалы изнашиваются из-за контакта с бумагой. Чтобы понять причину износа, нужно прежде всего понимать, как бумага проходит через валы в процессе производства, знать природу бумаги и механизмы износа, действующие на валы.

Если измерить относительные скорости на бумаге, подаваемой на гофропресс, получаем, что скорость лайнера равна линейной скорости гофропресса, а скорость флютинга — линейной скорости гофропресса, умноженной на коэффициент гофрирования на гофровалах.

Из-за разницы относительных скоростей флютинг фактически скользит по вершинам гофров гофровала. В процессе скольжения с вершин гофров стираются мельчайшие частички профиля. Процесс называется абразией, это основной механизм износа гофровалов.

Чтобы продлить срок службы гофровала, нужно снизить коэффициент, при котором частички материала стираются с вершин гофров. При этом поставщики валов должны учитывать основные факторы, влияющие на абразивный износ, описанные ниже.

Качество флютинга

Качество бумаги сильно влияет на срок службы гофровалов. Основные факторы, на которые нужно обратить внимание, — это, во-первых, минеральные вещества или посторонние включения, которые содержатся в бумаге.

Минеральные вещества в бумаге зависят от ее происхождения; это в основном песок, кремнезем, кварц и оксид алюминия.

Посторонние включения настолько твердые, что они действуют как небольшие резцы, которые очень эффективно удаляют частицы материала с вершин гофров, что оказывает плохое влияние на срок службы валов.

Содержание минералов в бумаге потенциально является самым вредным из всех возможных факторов. К менее вредным воздействиям относят жесткость (или сопротивление деформации) бумаги и, наконец, коэффициент трения между бумагой и поверхностью вала.

Коэффициент гофрирования

Разница относительной скорости флютинга и вершин гофров зависит от коэффициента гофрирования. Она напрямую связана с величиной скольжения бумаги по гофрам и, следовательно, с коэффициентом, при котором частички материала стираются с вершин гофров.

Мелкие гофры менее устойчивы к абразии, чем крупные гофры, которые имеют более высокие коэффициенты гофрирования.

Другие факторы

К другим факторам относят натяжение бумаги при подаче на валы и, что более важно, уровень натяжения бумаги при прохождении ее между валами (уровень натяжения влияет на абразивное воздействие бумаги при протяжке по вершинам гофров).

Степень предварительной обработки бумаги паром также влияет на легкость, с которой бумага формируется на валах, и, следовательно, на срок службы валов.

Грязь или крупные включения в бумаге, размер которых превышает толщину флютинга после прессования (0,5 мм или больше), могут разрушить или повредить поверхность валов и ускорить их износ.

Явление, которое еще полностью не изучено, зависит от очень высокого механического давления, существующего между вершиной и впадиной гофров.

Механическая нагрузка на валы отражается на давлении в зоне контакта, которое составляет 25-50 кг/см в зависимости от конфигурации гофропресса.

Под действием этого давления крупные включения, которые содержатся в бумаге, проникают в вершины гофров и деформируют сталь в виде кратера с ободом по краю.

Вторичный эффект данного явления — это сжатие пазов на валу, что часто затрудняет удаление или замену латунных пластин или уплотнительных прокладок.

Повышение износостойкости

Поверхность валов должна быть твердой и прочной, чтобы валы были более износостойкими и менее подвержены стиранию. Твердость без прочности приведет к механическим повреждениям (сколам или отслаиваниям) на поверхности вала.

Повреждения такого рода увеличивают степень износа валов. Чтобы добиться оптимальной поверхностной обработки, поставщики разработали различные технологии для проведения процедуры закаливания и нанесения покровного защитного слоя, которые описаны ниже.

К факторам, которые могут повлиять на увеличение срока службы валов, относят оптимизацию радиуса вершин гофров, чтобы предложить лучший практический компромисс между износом и коэффициентом гофрирования, и улучшение поверхностной обработки, чтобы минимизировать коэффициент трения и степень побочного натяжения бумаги между валами.

Последний фактор, который влияет на срок службы валов, — это их способность к бесперебойной работе при любых рабочих скоростях. Вибрирующие или неточно выставленные валы увеличивают эффект расплющивания вершин гофров и приводят к преждевременному разрушению поверхности валов и значительному сокращению срока их службы.

Вибрация гофровалов

Вибрация — это сложное понятие, для полного понимания которого нужно специальное инженерное образование. Однако существуют базовые понятия, определяющие чувствительность к вибрации, и эти понятия можно использовать для понимания собственных характеристик гофропресса.

Если ударить по камертону, он будет вибрировать с заданной частотой и воспроизведет ноту определенной высоты. Частота вибрации камертона одинакова при каждом ударе. Эта частота называется собственной частотой колебаний.

Она зависит от массы и твердости данного камертона. Как и камертон, все (в том числе и гофровалы) имеет собственную частоту, и частота эта также зависит от массы и твердости.

Эффект удара в гофропрессе возникает под действием нагруженного прижимного вала, который по очереди ударяет по каждой вершине гофровала. При изменении скорости гофропресса изменяется частота скорости ударов.

Если в какой-то момент скорость ударов прижимного вала совпадет с собственной частотой одного из основных компонентов гофропресса (т. е. одного из валов), то этот компонент будет вибрировать со своей собственной частотой и сильно резонировать.

Скорости, при которых проявляется этот эффект, называют критическими скоростями, и они разные для разных машин и разных профилей.

В любой спецификации к гофровалам указаны основные факторы, связанные с вибрацией. К ним относят собственную частоту колебаний и амплитуду (значение уровня колебаний) вибрации. Амплитуда, как и собственная частота, тоже зависит от массы и твердости.

Важными факторами, которые учитывают при конструировании вала хорошего качества, являются факторы, максимально снижающие эффект вибрации при оптимизации твердости вала, подбор соответствующей модели профиля и расчет бомбировки.

Компенсирующим фактором является оптимизация собственной частоты валов таким образом, чтобы она не вступала в конфликт с собственной частотой машины, на которой они будут установлены.

Особенно это важно для старых гофропрессов, которые имеют менее жесткую конструкцию; неправильный подбор характеристик по жесткости может плохо отразиться на чувствительности к вибрации из-за высокого резонансного эффекта конструкции.

И наоборот, новые машины, которые оснащены более жесткой и тяжелой конструкцией, легче поглощают эффект резонанса валов без вредного воздействия на вибрационные характеристики гофропресса.

При повышении жесткости валов путем увеличения толщины стенки возникает отрицательный побочный эффект — увеличивается вес вала, что нежелательно, и уменьшается паровое пространство внутри вала, а следовательно, уменьшается теплоотдача через стенки вала на бумагу.

Другие факторы, влияющие на вибрацию, связаны с конструкцией гофропресса. При увеличении диаметров прижимного вала и гофровалов повышается стабильность. Ликвидация прижимного вала привела к драматическому эффекту.

Упоры прижимного вала также снижают уровень вибрации, так как они способствуют передаче повышенного давления на корпус вала, не оказывая вредного воздействия на качество картона.

Создается эффект сокращения колебаний прижимного вала, который проявляется в том, что прижимной вал не попадает в канавки между вершинами гофров на гофровалах, а напротив, прижимает. Упоры позволяют машине смягчить вибрацию прижимного вала.

К другим факторам, влияющим на вибрационные характеристики гофропресса, относят эффект затухания, вызываемый другими узлами машины, например, точками крепления валов (подшипники и их корпуса, накопительные устройства и т.д.), боковинами машины, нестандартными фундаментами и любыми системами, гасящими вибрацию, которые поставляют с машиной.

Гофропрессы без прижимных валов работают с меньшим уровнем шума и вибрации и их срок службы значительно выше, а износ меньше.

ПАРАМЕТРЫ ГОФРОВАЛОВ

Технические характеристики любого гофровала определяют по нескольким основным количественным характеристикам, а качество — по уровню допустимых отклонений тех или иных технических параметров, действующих при изготовлении.

Любой параметр вала оказывает влияние на профиль производимого картона и на динамику гофропресса, на котором валы установлены.

Первое, на что нужно обратить внимание при выборе конфигурации гофров, — валы должны соответствовать принятым стандартным техническим характеристикам для определенной маркировки гофров. В стандарте ВS 1133, подраздел 7,5, указано следующее:

В таблице приведен широкий диапазон допустимых технических характеристик для каждого профиля гофров. Решение об использовании определенного профиля для работы на гофроагрегате остается за гофрозаводом.

Технические условия для каждой определенной технологической операции можно подобрать в соответствии с оптимальными техническими характеристиками вала с потребностями завода.

Основные параметры, которые обычно используют для определения технических характеристик гофровалов и других характеристик, связанных с каждым параметром, описаны ниже.

Шаг гофров

Шаг гофров — это расстояние между вершинами соседних гофров, его иногда определяют как количество гофров на линейный метр.

Уменьшение шага гофров (без изменения других параметров) приводит к улучшению показателей картона по ЕСТ (испытание на торцевое сжатие) и FCT (испытание на плоскостное сжатие), а также к улучшению качества поверхности картона для печати.

При этом увеличивается коэффициент гофрирования, а также уровень износа валов. Вибрация и механический шум, как правило, уменьшаются.

Высота гофров

Высота гофров — это расстояние от вершины двух соседних гофров до нижней точки впадины между ними. Уменьшение высоты гофров (без изменения других параметров) приводит к понижению показателей ЕСТ, коэффициента гофрирования, а также уровня износа валов.

Радиус вершины и впадины гофров

Радиусы вершины и впадины гофров рассчитаны на совместную работу, при которой они объединяются для формирования бумаги заданного профиля. С точки зрения оптимизации теоретические показатели радиуса вершины картона должны быть небольшими.

На практике фактический радиус большей частью зависит от веса и толщины бумаги, используемой для гофрирования. При уменьшении радиуса вершины уменьшаются коэффициент гофрирования и уровень вибрации.

Боковой зазор

Чтобы избежать контакта между флютингом и боковой поверхностью профиля гофра, профиль ослабляют таким образом, чтобы был зазор. У каждого поставщика валов есть своя теория о качестве, свойствах и конфигурации бокового зазора.

Бомбировка вала

Чтобы гарантировать равномерное распределение давления между тремя валами по всей ширине, один гофровал и прижимной вал бомбируют, т.е. диаметр в центре вала отличается (обычно он больше) от диаметра на краях вала.

Вал, по которому проходит флютинг, обычно шлифуют параллельно. Расчет бомбировки вала определяют по величине напряжения изгиба вала на машине. Основные характеристики — это ширина и жесткость.

Более жесткие валы подвергают меньшей бомбировке, менее жесткие (широкие валы или валы с более тонкой стенкой) большей бомбировке. Кроме того, при расчете необходимо учитывать материал прижимного вала (сталь или чугун).

Цель состоит в том, чтобы добиться прямой линии в точке контакта прижимного вала с соседним гофровалом, так как именно в этой точке происходит сцепление лайнера с флютингом на гофропрессах для изготовления двухслойного гофрированного картона с прижимным валом.

По мере распространения использования микрогофры и высокоскоростных гофропрессов для производства двухслойного гофрированного картона повысились требования к точности машинной обработки гофропрофилей.

Кроме того, на более широких гофроагрегатах, а соответственно, при более высокой бомбировке, нужно было компенсировать увеличенный диаметр по центру вала (относительно краев), уменьшая коэффициент гофрирования, чтобы уйти от образования неровностей и заломов на бумаге и обеспечить ее равномерную подачу в зону формирования на прижимном прессе.

Диаметры валов

Диаметр вала обычно специально разрабатывают под определенный гофропресс. Диаметр сильно влияет на технические характеристики гофропресса.

Валы большего диаметра — более жесткие и имеют меньшую высоту бомбировки. Они оснащены большой паровой камерой, имеют лучшие вибрационные характеристики и в целом более стабильны в эксплуатации.

Эти валы дольше контактируют с флютингом, так как имеют больший диаметр окружности, что гарантирует более длительное время проникновения тепла на высоких рабочих скоростях. Обратная сторона валов большего диаметра — длина лабиринта.

При прохождении флютинга через гофры натяжение растет. Если натяжение превысит предел прочности бумаги, то полотно порвется. Чем больше диаметр валов, тем больше гофров контактирует с бумагой в лабиринте и тем больше становится натяжение полотна.

Эффект можно уменьшить, улучшив качество поверхностной обработки валов или покрыв валы материалом, который имеет более низкий коэффициент трения с бумагой (например, хром), и таким образом уменьшить уровень натяжения полотна.

На рисунке показано, как нарастает натяжение в лабиринте для валов различного диаметра относительно коэффициента трения между бумагой и валами.

Альтернативное решение — использовать маленький вал в сочетании с большим. Это позволит уменьшить длину лабиринта и использовать преимущества больших валов.

При этом решении возникают трудности в достижении равного уровня износа валов различного диаметра. Необходимо учесть степень деформации меньшего вала. Валы и, конечно, гофроагрегат должны быть сконструированы особым образом, чтобы реализовать данное решение.

ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА И ПОКРЫТИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВАЛОВ

Введение в технологию поверхностной обработки

В последние годы в промышленности стали шире использовать специальные покровные материалы для улучшения эксплуатационных характеристик гофровалов. Долговечность и износостойкость стальной поверхности валов без покрытия зависят от процесса закаливания.

Закаливание поверхности осуществляют различными способами. Самые распространенные технологические процессы описаны в данной главе ниже.

Процессы основаны на преобразовании структуры поверхностного слоя стали. Свойства обработанной поверхности зависят от характеристик используемой стали.

Нужно знать, что чем тверже становятся традиционные стальные валы в процессе закаливания, тем они более хрупкие. Хрупкие валы более предрасположены к скалыванию и трещинообразованию в процессе эксплуатации.

Вследствие этого оптимальный показатель твердости поверхности по Роквеллу составляет порядка 63. Практика показывает, что на новых валах он часто ниже (60-61).

Однако твердость валов индукционной закалки иногда повышается в процессе использования, так как в процессе закаливания наблюдается потеря углерода (сплавленного со сталью для повышения способности к закаливанию) на поверхности валов, следовательно, твердость поверхностного слоя вала может быть несколько ниже твердости материала, находящегося под ним.

Как результат, валы изнашиваются с разной скоростью в процессе срока эксплуатации (см. раздел по износу валов). Износ валов наблюдаем при постепенном изменении толщины выпускаемого картона.

Чтобы уменьшить этот эффект, защитить вал от износа и увеличить срок его службы, были разработаны покровные материалы, которые вытеснили поверхности из закаленной стали.

Покровный слой — это тонкий пограничный слой более твердого и износостойкого материала, который действует как барьер между бумагой и поверхностью вала.

Ниже подробно описаны различные технологические процессы закаливания и нанесения покровного слоя, их преимущества и недостатки.

Индукционное закаливание

В основу технологического процесса закаливания положено изменение структуры металла при его нагревании и последующем охлаждении.

В идеале индукционное закаливание проводят, если вал находится в вертикальном положении, индуцируя мощное магнитное поле на поверхность вала, используя электрическую катушку под напряжением, которая охватывает вал и медленно проходит по всей его длине.

Поверхность вала быстро нагревается до нужной температуры. Затем поверхность мгновенно закаляют маслом для охлаждения. Структурные изменения, которые произошли в стали во время нагревания, блокируются внутри, при этом образуется более твердый (около 68 по Роквеллу) поверхностный слой глубиной 4-5 мм.

После быстрого закаливания валы подвергают следующему процессу обработки, известному под названием отпуск. В процессе отпуска валы повторно нагревают в печи до температуры намного ниже температуры закаливания и дают им медленно остыть.

При сочетании этих технологических процессов получают износостойкую поверхность с показателем твердости по Роквеллу более 63.

Индукционное закаливание — это быстрый, относительно дешевый и контролируемый технологический процесс, при котором получают традиционную закаленную поверхность, обладающую всеми характеристиками и ограничениями.

В результате наблюдаем медленное ухудшение характеристик валов в процессе естественного износа между флютингом и закаленными вершинами гофров.

Азотирование

При азотировании валы нагревают в специальной печи с высоким содержанием азота внутри. На поверхности вала образуется твердая пленка глубиной около 0,75 мм.

К преимуществам азотированных валов относят превосходные износостойкие характеристики, приобретенные благодаря структурным изменениям, произошедшим во время процесса закаливания.

Однако если валы были деформированы в процессе закаливания, то могут возникнуть проблемы при шлифовке, так как пленка, покрывающая вал, очень тонкая. Чтобы продлить срок службы валов, бывших в употреблении, изготовитель должен их повторно шлифовать и проводить процедуру закаливания.

В настоящее время технологический процесс азотирования хорошо развит и широко используется, стоимость проведения процесса относительно низкая, а проблемы деформации поверхности возникают редко.

В процессе эксплуатации валы, подвергшиеся азотированию, показывают низкие и стабильные характеристики износа до тех пор, пока не исчезнет поверхностная пленка, после этого износ ускоряется.

Суперзакаливание ионным азотированием

Для улучшения характеристик износостойкости и увеличения глубины поверхностной пленки, полученной при традиционном азотировании, некоторые поставщики разработали новые методики, объединяющие ионное азотирование и индукционное закаливание.

Показатель твердости по Роквеллу остается около 63-64, но толщина поверхностной пленки увеличивается на 1,2-1,4 мм.

Традиционное хромирование

Хромирование используют на протяжении нескольких лет. В некоторых регионах, например, в США, оно стало доминирующим способом при поверхностной обработке гофровалов. При хромировании получают твердый, износостойкий пограничный слой на закаленной стальной поверхности вала.

В процессе электролитического осаждения (гальванизации), который используют для нанесения хрома, наблюдается осаждение более толстого слоя материала на участках, расположенных ближе к электроду. Следовательно, на вершинах профилей гофров слой хрома будет больше, чем сбоку или на впадинах.

Считают, что это полезное свойство, так как вершины гофров в гофровалах наиболее подвержены естественному износу. (Разные поставщики наносят разный слой хромового покрытия, обычно толщина его составляет около 0,1 мм на вершинах гофров).

Дополнительное преимущество хромирования — низкий коэффициент трения между поверхностью хрома и флютингом. Уровень натяжения в лабиринте снижается.

Валы с тонким хромированным слоем поверхностного покрытия непригодны для высокоабразивных марок бумаги, в этом случае используют закаленные валы.

Хромированный слой отслаивается, если в бумаге есть крупные (более 0,5 мм) включения. Отслоившиеся куски цепляют флютинг, и гофры деформируются. Хромированные валы лучше подходят для чистого флютинга из первичного волокна.

Если использовать бумагу соответствующего качества, то срок службы хромированных валов будет больше срока службы валов из закаленной стали. Однако их первоначальная закупочная стоимость выше, а относительные экономические показатели каждый пользователь просчитывает индивидуально.

Проверить состояние комплекта хромированных валов по мере их износа в процессе эксплуатации не так просто, как состояние традиционных валов из закаленной стали.

Пока целостность хромированного пограничного слоя не нарушена, износ идет очень медленно и его трудно измерить. После того как износился слой хромового покрытия, быстрее изнашивается вал, т.е. наблюдаем традиционный образец износа.

Состояние хромового покрытия проверяют, нанося на поверхность вала раствор медного купороса через определенные интервалы в процессе эксплуатации (скажем, через каждые три месяца).

Покрытие износилось на участках, где под действием медного купороса поверхность вала стала коричневой. Наиболее чувствительные участки находятся в центре вала по краям пазов.

Решение о замене валов принимают на заводе; на практике валы используют, пока хромированный слой не сработается до основного материала и не будет достигнута минимальная толщина.

Как вариант, экономически выгодно менять валы, как только при проведении теста с медным купоросом будут выявлены первые признаки износа покровного слоя.

Преимущество данного варианта в том, что для восстановления изношенных валов не требуется другой дополнительной обработки, кроме зачистки, шлифовки и нанесения нового покровного слоя.

В этом случае имеем значительную экономию по сравнению с полным циклом восстановления или вторичной нарезки и нанесения нового хромированного покровного слоя.

Покрытие V-хромом или твердым хромом

V-хром — относительно новая технология, применяемая на рынке. При данной технологии получают износостойкий пограничный слой лучшего качества, который имеет более долгий срок службы по сравнению с традиционным хромированием.

Считают, что срок службы вала, подверженного данной обработке, приближается к сроку службы валов с покрытием из карбида вольфрама, но стоимость технологического процесса значительно ниже.

Материал, используемый в процессе гальванизации, не отличается от материала, используемого при традиционном хромировании, изменения внесены непосредственно в процесс гальванизации.

Используя V-хром, получают более плотное покрытие с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Валы эксплуатируют, обслуживают и тестируют, как традиционные хромированные валы. Толщина покрытия V-хрома на вершинах гофров обычно составляет около 0,15 мм.

Покрытие карбидом вольфрама

Гофровалы с покрытием из карбида вольфрама стали популярны в Европе в конце 1990-х гг., но их начали использовать в США намного раньше.

Покровный слой состоит из очень твердых частиц карбида вольфрама, которые связаны между собой, а также с поверхностью вала матрицей (обычно кобальтовой). Чтобы покровный слой имел дополнительные характеристики, такие как коррозионная стойкость, добавляют никель или хром.

Покровный слой наносят на вал несколькими способами. Один из способов — высокоскоростное газопламенное напыление (ВГПН).

Материал для покровного слоя в форме порошка вводят в поток газов, нагретых до температуры выше температуры плавления порошкового металла, и распыляют на поверхность вала.

По характеру процесс ВГПН лучше подходит для случаев, где материал покрытия наносят на поверхность под углом 90 градусов (плохо покрывает боковые поверхности гофров на валу). Покрытие можно успешно наносить под углом не менее 60 градусов, поэтому ВГПН занимает свое место на рынке гофровалов.

Другой распространенный способ нанесения покрытия — это детонационная (D‑Gun) и супердетонационная пушка (Super D-Gun), вариант детонационной пушки.

Проще говоря, в обоих процессах крошечные частички материала для покровного слоя выстреливают на поверхность вала с высокой скоростью: D-Gun = 760 м/сек, Super D-Gun = 900 м/сек.

При тщательном контроле технологического процесса частицы накапливаются и образуют очень плотное и стабильное покрытие с превосходными рабочими характеристиками.

Главные преимущества процессов — нанесение под углом до 45 градусов покровного слоя, который обладает характеристиками, близкими к оптимальным.

При этом имеют превосходные свойства плотного слоя материала покрытия и способность (при надлежащем контроле) точно распределять частицы, чтобы получить равномерную толщину покрытия на поверхности вала.

К недостаткам относят необходимость полировать или обрабатывать шершавую поверхность вала после нанесения покровного слоя и высокую стоимость процесса по сравнению с другими способами обработки поверхности.

При нанесении любого покровного слоя, в том числе и карбида вольфрама, важно, чтобы покрытие хорошо прилегало к поверхности, наносилось равномерно, поверхность после окончательной обработки была гладкой, чтобы флютинг свободно проходил через лабиринт между валами в процессе производства (низкий коэффициент трения).

На начальном этапе новаторы потерпели фиаско при использовании покрытий из карбида вольфрама из-за несоблюдения некоторых параметров.

Ситуация изменилась после того, как валы стали тщательнее обрабатывать перед нанесением покрытия, улучшили технологию его нанесения, исследовали структуру покровных материалов и разработали эффективные технологии полировки.

Технологический процесс нанесения покрытия из карбида вольфрама — это достаточно дорогостоящий процесс, который выполняют у себя на предприятиях лишь немногие поставщики валов.

Преимущества данного способа — тонкая, прочная, долговечная поверхность с высокой степенью износостойкости. К основным преимуществам относят увеличившийся срок службы валов и постоянные эксплуатационные характеристики в течение всего периода эксплуатации вала.

Если валы с карбидом вольфрама используют как часть четко разработанной программы по гофровалам, то их обычно снимают с машины, как только покрытие начало изнашиваться. Следовательно, изменение толщины картона в течение всего срока службы валов будет незаметным.

Валы восстанавливают по минимальной стоимости. В спецификации на валы с карбидом вольфрама указывают только минимальный допуск на износ валов в процессе эксплуатации.

Для оптимизации работы с первого дня определяют параметры и минимизируют коэффициент гофрирования. При обслуживании проверяют целостность покрытия из карбида вольфрама. Для этого проводят такой же тест с медным купоросом, как и для хромированных валов.

Покровный слой на поверхности — очень тонкий (мин. 0,04 мм — макс. 0,14 мм в зависимости от поставщика и метода нанесения), так что проводить замеры на валах гофропресса трудно физически.

При восстановлении валов с покрытием из карбида вольфрама снимают очень тонкий остаточный покровный слой, затем слегка перешлифовывают профиль, повторно наносят покровный слой и проводят окончательную обработку.

Технические характеристики восстановленного вала будут такими же, как и характеристики нового вала, без каких-либо отличий в геометрии, окончательной обработке или сроке службы.

Комплект валов может прослужить несколько сроков. Новые технологии, применяемые для нанесения покрытия из карбида вольфрама, позволяют получить более гладкие поверхности, которые очень похожи на шлифованную сталь.

НАГРЕВ ГОФРОВАЛОВ

Необходимость нагрева

В технологическом процессе гофрирования на двух основных этапах используют нагрев гофровалов. Во-первых, нагрев необходим для повышения температуры клея до температуры его желатинирования. Этот процесс широко изучен и описан в главе по крахмальному клею.

Во-вторых, нагрев необходим при гофрировании флютинга. Этот процесс изучен хуже.

Если технологический процесс гофрирования бумаги будет проходить при недостаточном количестве тепла, то можно получить только гофры неправильной формы из-за естественного сопротивления бумаги деформации.

Бумага всегда будет стремиться принять форму ровного полотна, ту форму, которую она приобрела на бумагоделательной машине.

Сопротивление обусловлено характером и прочностью атомных (водородных) связей, которые удерживают волокна вместе и придают бумаге прочность. Чтобы качественно сформировать и сохранить профиль флютинга, нужно ослабить связи между волокнами и деформировать их.

Бумага становится более гибкой после того, как ее обработали паром из паровых спрысков и нагрели на валах предварительного нагрева паром. Обработанную бумагу подают на гофровалы.

Принцип нагрева

Почти все гофровалы, используемые в промышленности, нагревают паром. Это дешевый и эффективный способ пропаривания бумаги. Для нагрева используют различные системы, в которых действуют общие законы термодинамики.

Чтобы получить пар в сосуде при атмосферном давлении (1 бар), воду нагревают до температуры кипения 100°С. Если мы продолжим нагревать сосуд, то вода начнет превращаться в пар, при этом температура будет не выше 100 °С, пока вся вода не превратится в пар.

Во время этой фазы пар находится в так называемом сухом насыщенном состоянии. Если мы возьмем энергию, которая необходима для превращения всей кипящей воды в сухой насыщенный пар, то она будет примерно в 5,4 раза больше энергии, которая требуется для повышения температуры воды от 0°С до точки кипения.

Энергию, необходимую для превращения воды в пар, называют скрытой теплотой. При дальнейшем нагреве пара повышается его температура. Повышение температуры называют перегрев пара.

Если бы гофроагрегаты работали на сухом насыщенном паре при атмосферном давлении, максимально удалось бы достичь температуры 100°С.

Уровень температуры на поверхности валов, необходимый для производства гофрокартона хорошего качества, отвечающего заданным параметрам, должен достигать 140-180°С. Чтобы достичь такой температуры, нужно повысить давление пара.

Все знают, что температура, при которой вода закипает на вершине горы, ниже 100°С. Известно также, что для того чтобы остановить кипение воды в радиаторе автомобиля, повышают давление в системе охлаждения на 0,2 бара выше атмосферного давления.

Пониженное атмосферное давление на вершине горы понижает температуру кипения, а повышенное давление в системе охлаждения повышает ее.

При повышении давления температура кипения (или насыщения) продолжает повышаться; если представить зависимость температуры от давления в виде графика, получим кривую.

Информацию с этой кривой можно представить в виде таблицы водяного пара. При давлении тринадцать бар температура насыщения составляет 195,1°С, а при пятнадцати барах — повышается до 201,45°С.

Из-за разницы температур внутри и снаружи гофровалов на большинстве заводов (в зависимости от типа гофроагрегатов и рабочих скоростей) расходуют пар под давлением в этом диапазоне.

Несмотря на то что температура перегретого пара выше, он не отдает свою тепловую энергию так же быстро, как сухой насыщенный пар, который отдает большое количество энергии при конденсации.

Чтобы эффективно использовать пар, через паровую систему на гофроагрегат подают насыщенный пар под высоким давлением (обычно 13-15 бар) и используют энергию скрытой теплоты (энергию, освобожденную при превращении пара в воду), чтобы передать пар на валы.

Пар снова превращается в воду (конденсат) во время отдачи энергии, превращение происходит при постоянной температуре. Чтобы оптимизировать работу гофропресса, конденсат быстро отводят от валов различными способами, которые будут рассмотрены в этой главе ниже.

Обычно проблемы с распределением пара на гофроагрегате возникают из-за потерь на линии или потерь пара при его транспортировке от котла к гофроагрегату.

Длинные участки труб с плохой изоляцией ведут к потере давления (а следовательно, и температуры) и ухудшению качества пара, поэтому часть энергии скрытой теплоты теряется через стенки труб.

При таких обстоятельствах пар конденсирует и поступает на гофропресс во влажном (частично использованном) состоянии.

Другой общераспространенной ошибкой является генерирование пара более высокого давления, чем нужно для процесса гофрирования, и понижение давления на гофроагрегате.

Снижение давления вызывает искусственный перегрев пара, а перегретый пар будет охлаждаться на валах, перед тем как отдать свою скрытую теплоту. В лучшем случае это неэффективно, а в худшем — вредно для технологического процесса гофрирования.

На некоторых заводах понижают давление на гофропрессах, чтобы компенсировать каким-то образом влияние длинных трубопроводов и плохой изоляции (снижение давления влажного пара может привести к мгновенному испарению конденсата и удалению пара до его использования на гофропрессе), но это дорогой способ для компенсации плохой конструкции или плохой изоляции парового коллектора. Энергия расходуется зря.

Системы отвода конденсата

Эффективное удаление конденсата и неконденсирующихся газов важно при работе любого гофропресса.

Даже небольшое количество воды на валах сильно понижает теплопередачу, и температура валов значительно падает (при теплопередаче сопротивление 1 мм воды равно сопротивлению 55 мм стали, а 1 мм воздуха — 550 мм меди).

Другой побочный эффект от собранного конденсата — деформация валов (в форме банана). Особенно это заметно при пуске и плохо отражается на качестве картона.

Существует много систем, управляющих подачей и возвратом конденсата. В книге освещена только та часть данного технологического процесса, которая отвечает за отвод конденсата с самого вала.

На протяжении многих лет использовали только одну систему (сифонную трубку). В последнее время предложено много новых инновационных решений, которые повышают эффективность данной технологической операции.

В следующем разделе описаны недостатки сифонных трубок и представлены наиболее распространенные альтернативные варианты.

Сифонные трубки

Сифонная трубка — широко распространенная система отвода конденсата, которую используют на протяжении многих лет. Система простая, дешевая и хорошо работает.

Так почему же в последние годы мы видим много альтернативных систем, приобретающих популярность? Ответ прост — быстрые гофроагрегаты и повышенные требования к качеству выпускаемой продукции выявили недостатки систем с сифонной трубкой.

Сифонная трубка всегда считалась компромиссным решением. Она работает только в том случае, если размер зазора между краем трубки и стенкой вала выставлен правильно. После установки на валу этот зазор увидеть невозможно.

Если он слишком мал, трубка будет контактировать со стенкой вала, ограничивая поток конденсата, при этом сама трубка развернется или сломается. Если зазор слишком большой, на валу останется лужа конденсата, температура вала понизится и вал деформируется.

Следовательно, нужно постоянно проводить техническое обслуживание сифонных трубок, они непригодны для использования на высокоскоростных гофроагрегатах.

Когда валы достигают высоких скоростей вращения, под воздействием центробежной силы создается конденсатное кольцо на внутренней окружности вала. Образовавшееся кольцо значительно уменьшает теплопередачу от пара к валу, при этом понижается температура на поверхности вала.

Итак, если сифонные трубки непригодны, то каковы же альтернативные решения?

Система управления конденсатом (CCS) и система Termoroll (термовал)

Система термовал — это гофровалы с прорезями, выполненными по внутреннему диаметру вала. Прорези действуют как каналы для отвода конденсата вдоль по валу в зону резервуара.

Используя систему CCS, воду откачивают из резервуара через короткую сифонную трубку специальной конструкции; трубка вмонтирована в графитовый подшипник и аккуратно установлена внутри вала.

Преимущества данной системы в том, что конденсат (даже при высоких скоростях вращения) стекает в прорези, а остальная часть внутренней поверхности вала подвергается воздействию пара.

Более того, короткая и точно установленная сифонная трубка обеспечивает гораздо более высокую степень сухости вала, чем традиционная сифонная трубка. Благодаря данной системе удалось достичь постоянной температуры и минимальной деформации вала.

Особенность данной системы — в возможности перехода на традиционную систему с сифонной трубкой, если есть такая необходимость. Обычно при переходе на систему CCS не нужно проводить модернизацию существующей паровой системы.

Основные недостатки системы — это дополнительные затраты, а также то, что если CCS можно установить на существующие валы при модернизации, то система термовал должна быть встроена в валы с первого дня.

Система Бауманна (Baumann)

Другим альтернативным решением является диск Бауманна, который встраивают в вал в процессе изготовления. Пар, как обычно, подают в вал, но вал не оснащен сифонной трубкой для отвода конденсата.

Вместо трубки на валу есть диск, который установлен с одной стороны вала, с небольшим зазором (1-1,5 мм) между его наружным краем и внутренней стенкой вала. Зазор позволяет обеспечить отвод определенного количества конденсата и пара от вала.

Диск Бауманна позволяет быстро, непрерывно и эффективно отводить конденсат от валов благодаря тщательному контролю перепада давления между входом и боковыми сторонами конденсатной системы.

Валы, оснащенные диском Бауманна и соответствующей паровой системой, оптимизируют рабочую температуру и работают с минимальной деформацией.

Недостатками этой системы являются дополнительные затраты и большой объем модернизации, который нужно выполнить на любой существующей паровой системе.

Система динамического сброса

Система аналогична системе Бауманна, но для перемещения конденсата к одному из концов вала используют конусообразную воронку. Вместо диска в системе установлен ряд похожих на спицы трубок со специальными клапанами для беспрерывного выхода конденсата и пара из вала.

Преимущества и недостатки этой системы аналогичны преимуществам и недостаткам системы Бауманна.

Система периферического нагрева

Первой систему RVL представила фирма Terdeca. Это система, в которой полностью переосмыслены системы парового нагрева гофровалов, вакуумного удержания флютинга на гофровалах и лайнера на прижимном валу.

Здесь используется ряд отверстий, просверленных в стенке гофровала ближе к наружной окружности. Отверстия для пара расположены парами; первый канал для пара проходит через вал от входного патрубка к наружной стороне вала, по второму каналу пар возвращается обратно через вал к входному патрубку.

Вакуумные радиально просверленные отверстия чередуются с паровыми отверстиями и создают вакуум для удержания бумаги через небольшие отверстия.

Природа системы такова, что в ней всегда есть небольшой объем пара. Он перемещается с высокой скоростью, так что конденсат отводят и не собирают в валах.

После того как пар пропустили через первый гофровал (центральный вал в системе), его направляют каскадом через второй гофровал, а затем — в другой сосуд (прижимной вал или подогреватель), чтобы извлечь остаток энергии скрытой теплоты.

Преимущества RVL:

эффективный нагрев валов (остывшие валы нагревают всего за несколько минут);
поддержание постоянной температуры и минимальная деформация во время пуска;
можно установить на любом гофропрессе, может работать при пониженном давлении пара;
паровая камера так мала, что на нее не распространяются правила для сосудов под давлением.

К дополнительным преимуществам относят удобство системы для пользователя и невысокие требования к проведению технического обслуживания.

Чтобы установить периферическую систему нагрева, нужно провести небольшую модернизацию любой существующей паровой системы. Существующие валы можно будет использовать только на других гофропрессах.

ЗАКУПКА И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ГОФРОВАЛОВ

Экономические особенности закупки гофровалов

Существует два варианта закупки гофровалов. Первый — это прямое соглашение о закупке, которое на сегодняшний день является общепринятым вариантом. Второй — аренда гофровалов или оплата за пользование в рамках программы использования валов.

Как в первом, так и во втором вариантах с экономической точки зрения главную роль играют отношения между оборотным капиталом, себестоимостью, профилем гофров и сроком службы валов.

Изучая вопрос закупки валов, первое, на что нужно обратить внимание с экономической точки зрения, — это профиль гофров. Помимо принятых стандартов для широко используемых профилей (В, С, Е и т. д.), существует много других типов профилей.

Характеристики картона, выпускаемого на валах, зависят от высоты профиля, шага профиля и радиуса вершины профиля (см. раздел по параметрам валов). При выборе профиля каждое предприятие принимает важное стратегическое решение.

Первое, на что нужно обратить внимание при принятии решения, — это коэффициент гофрирования, так как он сильно влияет на стоимость картона. Например, если снизить коэффициент гофрирования на 2%, то благодаря экономии бумаги можно окупить валы в период их службы.

Данные формулы можно использовать как руководство по текущим расходам по коэффициентам гофрирования:

1. Коэффициент гофрирования (КГ)

КГ = [(первоначальный коэффициент — новый коэффициент)/ первоначальный коэффициент].

Например, для двух гипотетических профилей В

КГ = [(1,3504 — 1,3165)/1,3504] = 0,0251.

Цифру можно выразить в процентах, умножив на 100, — получим 2,51%.

2. Экономия затрат на бумагу в период срока службы вала (£)

(£ = €)

Экономия затрат на бумагу = экономия веса бумаги в тоннах (ЭВБ) х стоимость бумаги на тонну.

ЭВБ = КГ х средний вес бумаги х общая площадь флютинга на валах, или:

ЭВБ = КГ х [средний вес бумаги х (срок службы вала х первоначальный КГ х среднюю ширину формата)].

Если средний вес бумаги = 105 г/кв. м, прогон вала = 40 мпм, средняя ширина формата = 2 м, а стоимость бумаги = 300 £ за тонну, то получаем:

ЭВБ = 0,0251 х [105 х (40 х 1,3504 х 2)] = 284,7 тонны.

(Примечание: единицы веса в г/кв. м и срок службы в млн погонных метров взаимно уничтожаются. Кроме того, при повышении коэффициента гофрирования соотношение коэффициентов станет отрицательным числом, и вместо снижения затрат получим их повышение.)

Следовательно, экономия затрат за период службы валов = 300 х 284,7 = 85 410 £.

Стоит отметить, что приведенные выше примеры являются приблизительными и зависят от разных степеней износа гофровалов. Тем не менее, они дают упрощенный способ оценки относительных затрат для различных профилей.

Вторым экономическим фактором является соотношение срока службы вала и его стоимости. При расчете этого соотношения нужно учитывать общую стоимость валов, подшипников и других деталей, используемых при монтаже, а также трудозатраты на монтаж валов.

Простой расчет стоимости валов на миллион погонных метров (мпм) выглядит следующим образом:

Стоимость = [стоимость валов + стоимость подшипников и т. д. + трудозатраты при монтаже] / срок службы вала.

При стоимости вала 57 000 £, стоимости подшипников и других деталей 8 000 £ и монтажных трудозатратах 1 600 £, распределенных на срок службы 40 мпм, соотношение стоимость/срок службы (С/мпм) будет выглядеть так:

С/мпм = общая стоимость/общий срок службы.

С/мпм = 66 600 £/40 мпм = 1 665 £/мпм.

Такое же уравнение используют для оценки срока службы валов после перешлифовки, т. е. после второго и третьего прогонов.

Рассмотрим гипотетическую ситуацию с парой хромовых валов диаметром 400 мм. В этом случае мы имеем следующие варианты: замена валов после 30 мпм, как только хромовое покрытие начнет изнашиваться, и перешлифовка, или эксплуатация валов до 40 мпм (дойдя до закаленной стали на гофрах).

Оба варианта возможны, их используют при первом сроке службы валов, при этом второй вариант дает лучшее соотношение стоимость-срок службы.

Чтобы оценить более длительный период службы валов, нужно проанализировать оба варианта на протяжении дальнейшего срока эксплуатации валов.

Вариант 1

Первоначальная стоимость закупки валов = 67 000 £.

Первый прогон = 30 мпм.

Стоимость перешлифовки, повторного хромирования подшипников и повторного монтажа = 40 000 £.

Так как на валах повреждено только хромовое покрытие, допускают, что после повторной обработки диаметр вала и получаемый профиль будут восстановлены практически как в первоначальной спецификации и дополнительные затраты на бумагу равны нулю.

Второй прогон = 30 мпм

Стоимость перешлифовки, повторного хромирования подшипников и повторного монтажа = 40 000 £.

Профиль восстановлен до исходного.

Третий и последний прогон = 30 мпм

После третьего прогона валы сдают в металлолом, так как их нужно полностью восстанавливать до цапф.

Итого общий прогон = 90 мпм.

Общая стоимость закупки, ремонта и повторного монтажа = 147 000 £.

Следовательно, общее соотношение стоимость/прогон = 1 633 £/мпм.

Вариант 2

Первоначальная стоимость закупки валов = 67 000 £.

Первый прогон = 40 мпм.

Стоимость перешлифовки, повторного хромирования подшипников и повторного монтажа = 40 000 £.

Поскольку на валах износились хромовое покрытие и частично металл-основа, предположим, что после восстановления полученный профиль будет иметь коэффициент гофрирования, который увеличит стоимость бумаги на 25 000 £ за период следующего прогона 40 мпм.

Второй прогон = 40 мпм.

Стоимость перешлифовки, повторного хромирования подшипников и повторного монтажа = 40 000 £.

Увеличение стоимости бумаги после второго восстановления = 50 000 £.

Третий и последний прогон = 40 мпм.

После третьего прогона валы сдают в металлолом, так как при любом последующем уменьшении диаметра характеристики валов будут ниже минимальных характеристик, указанных изготовителем.

Итого общий прогон = 120 мпм.

Общая стоимость закупки, ремонта и повторного монтажа = 222 000 £.

Следовательно, общее соотношение стоимость/прогон = 1 850 £/мпм.

Лучшим решением в варианте 2 было бы отдать валы на металлолом после второго прогона, так как стоимость восстановления 40 000 £ плюс повышение стоимости бумаги на 50 000 £ превышают стоимость нового комплекта валов. В этом случае вариант 2 выглядит следующим образом:

Общий прогон = 80 мпм.

Общая стоимость закупки, ремонта, повторного монтажа и увеличение стоимости бумаги = 132 000 £.

Общее соотношение стоимость/прогон = 1 650 £/мпм.

Выше приведены совершенно гипотетические примеры, реальную оценку дать гораздо труднее. Однако они демонстрируют, что с экономической точки зрения лучше снять и отремонтировать валы до того, как они будут основательно изношены.

Более того, перед началом ремонтных работ поставщик должен назвать предполагаемое количество материала, которое необходимо снять, и, соответственно, пересмотренный коэффициент гофрирования, чтобы вы имели больше информации для принятия экономичного решения.

Альтернативный вариант, чтобы не следить за этим самостоятельно, — вступить в программу управления валами и передать ответственность за оценку экономичного срока службы в руки поставщика.

Программы управления валами

Многие компании, которые покупают и эксплуатируют гофровалы, считают, что выгодно заключить с поставщиком соглашение о закупке (или аренде) валов в рамках программы управления валами.

Каждый поставщик предлагает свою программу, структуру ее можно адаптировать под индивидуальные требования, но основные элементы каждой программы разработаны на базе режима контроля состояния.

В типовую программу управления внесены периодические замеры валов поставщиком для оценки уровня и степени их износа. Для контроля толщины или скорости износа покрытия, например, карбида вольфрама необходимо специальное оборудование.

Кроме того, система может сообщать о каких-либо вызывающих беспокойство тенденциях, например таких как механические повреждения, возникающие в процессе работы, или дефекты гофроагрегата.

В программу можно включить шлифовку валов при различных уровнях износа, а в отчет должен быть включен прогноз по оптимально экономичному времени замены валов.

Преимущества данной программы в том, что можно оптимизировать срок службы валов, заказывать запасные валы, оговаривая точную дату поставки, использовать отчеты в системе контроля качества. Кроме того, время, отведенное для ремонтных и административных работ, можно использовать для других целей.

В программу можно встроить такие дополнительные услуги, как консигнационный запас, валы (или кассеты), которые можно использовать в аварийных ситуациях или в период ремонта основных валов, гарантии по сроку службы и общие стандарты.

Как продлить и оценить срок службы валов

Чтобы продлить срок службы валов после их установки в гофропресс, нужно соблюдать простые правила, а именно:

Шлифовка валов

По мере износа гофровалов на поверхности вала появляется характерный ступенчатый рисунок. Больше износ в центре вала, а ступени проявляются в точках, соответствующих положению краев бумаги для каждого используемого на этих валах формата.

Это приводит к появлению линий неравномерного прижима в месте соприкосновения с прижимным валом и к неравномерному нанесению клея.

Валы нужно менять, когда профиль износа начинает оказывать вредное влияние на качество картона, даже несмотря на то, что толщина картона находится в допустимых пределах.

Чтобы решить эту проблему, используют алмазную пасту или абразивный брусок для того, чтобы счистить небольшое количество (0,05 мм) материала с вершин гофров по краям вала. Это трудоемкий процесс, который требует мастерства, так как при шлифовке не должны образоваться пролысины на вершинах гофров.

Этот метод, как и другие, при проведении ремонтных работ лучше использовать чаще и понемногу. На некоторых заводах на гофропрессе устанавливают шаблоны, которые позволяют более точно и легко отшлифовать вал.

Срок службы валов можно значительно увеличить, используя программу шлифовки валов без покрытия.

Настройки гофровалов

Известно, что давление гофровалов следует настраивать, меняя формат или марку флютинга (давление следует снизить при использовании более узкого формата, так как нужно избежать контакта металла с металлом по краям валов).

Если настройки выполнены правильно, то можно избежать повреждений краев валов и максимально увеличить срок их службы.

Важно, чтобы валы стояли в машине параллельно друг другу. Параллельность проверяют, используя копировальную бумагу типа NCR, которую пропускают через лабиринт и получают изображение относительного положения верхнего и нижнего вала; часто такую проверку делают при первой установке валов.

После установки валы остаются параллельными на протяжении всего срока службы. Любое смещение вала относительно первичного положения, обнаруженное при осмотре позже, свидетельствует о потенциальной проблеме самого гофроагрегата.

Чистка гофровалов

Мы говорили о повреждениях на валах от минеральных частиц размером более 0,5 мм. Чтобы крупные твердые частицы не попадали в лабиринт между гофровалами, нужно поддерживать чистоту как на валах, так и на гофропрессе.

Контроль износа валов на заводе

На валах из закаленной стали, которые изнашиваются приблизительно с одинаковой линейной скоростью, проводят периодические измерения высоты гофров и делают точные оценки предполагаемого срока их службы и даты замены (см. раздел по управлению валами).

Измерения проводят, используя электронный измерительный прибор или обычный глубиномер с небольшим штифтом (радиус должен быть меньше радиуса впадины гофра). Измерения на валу для оценки уровня износа для каждого формата проводят через разные интервалы.

При точном выполнении измерений на валах из закаленной стали относительные уровни износа должны соответствовать процентному отношению каждого формата, проходящего через валы.

Для валов с покрытием (хромовым или из карбида вольфрама) применяют другой метод. Скорость износа покровного слоя намного меньше скорости износа стальной основы, на которую нанесен покровный слой, соответственно, износ покрытия будет небольшим и его трудно точно измерить на гофропрессе без специального оборудования.

Срок службы вала зависит от цельности покровного слоя. Цельность покровного слоя на поверхности вала проверяют, используя раствор медного купороса (медный купорос можно приобрести у поставщиков лабораторных материалов).

Если покровный слой не поврежден, то примерно через две минуты медный купорос останется голубым; если он стал коричневым, то на поверхности есть участки открытой стали, которые выглядят, как пятна. Сначала покровный слой повреждается на краях пазов в центре вала.

Гофровалы — это дорогостоящие крупногабаритные, но точно подогнанные части машины, которые имеют огромное значение при производстве качественного гофрокартона на высоких скоростях.

В этой главе речь шла о том, что хороших результатов можно достичь только при использовании передовых технологий, соблюдении указанных характеристик, правильной эксплуатации, чистке, техническом обслуживании и контроле состояния гофровалов.

По вопросам покупки книги «Гофроиндустрия. В поисках совершенства» обращайтесь:
Константин Шабуневич
Тел. моб: +38 093 246 21 21 (Viber, WhatsApp, Telegram)
[email protected]

If you find an error, please highlight a piece of text and clickCtrl+Enter.

Tags: гофровал