原纸纸机网部成形
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《涂布加工纸技术手册》第200页（13375字）
涂布工作者总想把原纸纤维组织抄匀，原纸整幅的厚度、水分一致，所以原纸纸机的网部成形是关键，ISO对纸成形的定义“纤维在其中分配、布置、混合组成纸的形态”叫做“成形”(Formation)。
1．成形工艺包括
1)混合准备(Mix Preparation)
图3-42包括筛浆，除渣基本上属于成形领域内的混合准备。此外，这还导致纸浆液很多内在循环圈中自身产生的浓度波动及纤维排渣率(reject rates)。混合准备和混合喷管的状态，是引起定量波动的主要根源。大幅度的定量波动常常导致纸机方向(MD)的波动，横向(CD)波动及残余波动(Residual Variance)。小幅度的波动属于成形波动，主要来自悬浮纤维絮凝化趋势引起的，往往在成形中产生强烈的影响。
比较纸页的不同定量，以下可以作为正常公式：
F0=F·W／W0
式中 F——W时的质量定型数(Mass Formation number)
F0——W0时的相应的实质定型数(Mass Formation number)
W——量出定量
W0——相应的量出定量
图3-42 成形(从浓纸浆液起至加入湿纸幅)
2)混合分配(Mix distribution)(图3-43)
图3-43 浓料和白水不同“比例”
注：混合浓料速度／白水速度顶图1．5，中间图5．3，底图10．8。
流浆箱(headbox)的主要任务是将混合浆管的浆流用极精密的速度及方向变送到细的喷浆管(Jet)直至送到横跨网的开口厚度。流浆箱涉及浆流方面的关系甚广，本工艺包括横跨纸机的分配管，纸浆液压力脉冲衰减(damping)，喷浆管质量，它的入口面积与缩小面积的压缩比；喷出速度、角度、压缩形状以及喷嘴出口厚度等等(图3-44)。
图3-44 使定量最大限度稳定的短流程设计
3)混合脱水(Mix dewatering)
本工序为上网段，在此工序，纤维组合形成湿纸幅。这个过程是一种过滤脱水过程。其参数间的相互关系，以Kozeny-Carman公式作为代表：
式中 ——纸幅单位面积滤水率
△P——横跨纸幅的压力梯度
C——为固体所占领的纸幅体积片断
S——每单位体积的比表面积
μ——流体的粘度
K——Kozeny常数
在实际应用上，实验公式常常被用以预告脱水过程中的影响，例如Whlstrom & OBlenes公式：
式中 t——形成纸幅的时间
△P——恒定压力降
C——悬浮浓度
G，α与n——实验常数
另一种流浆箱的分层脱水叫浓缩脱水(Thickening dewatering)，即使是普通的成形过程中，在脱水过程中所有的纤维并不都自由的单个移动，有些纤维机械地连接在纤维絮状物内，在脱水过程中成功地被压缩，这种事实堪称为浓缩过程，比较起过滤脱水来，结果其纸页结构更呈“三维”(Three-dimension)状态(图3-45～图3-47)，因纤维更纠缠于Z方向。
它可期望得到Z向性质的改善，伴随着其它一部分失去改善的平张纸页。Britte等建议，微细纤维的存留可以衡量过滤脱水和浓缩脱水的分配，即存留低水平的，说明主要是浓缩脱水；存留高水平的，说明是过滤脱水。
图3-45 纤维被布置
图3-46 2．5g／m2的纸页
左：直线网状纤维任意布置(Random) 右：真实纸页
图3-47 激起絮凝成形
A．1g／m2 B．2．5g／m2 C．10g／m2 D．22．5g／m2
原纸机成形产生纤维絮凝现象，严重影响原纸均匀度。
2．造纸在成形中的不同影响
在研究成形改善纤维网状物均匀组织方面，往往用质量密度变化系数Cv(W)(The coefficent of variation for mass density)作为测定项目的数据代表。对Cv(W)Carte Dodson Herdman等作了早期研究及Dodfson作了近期研究(图3-48、图3-49)，认为质量密度变动系数Cv(W)，作为纤维理想的自由络合网状物关系到纤维长度参数K、纤维粗度C与平均纸页定量W，得出以下公式(1)：
这里δ代表标准偏差(deviation)。
图3-48 Cv(W)质量变化系数为纸页定量平方根的函数，纸页用动力成形器抄，恒定成形浓度0．3%
图3-49 抗张强度是纸页质量变化系数Cv(W)的函数，纸页用动力成形器抄，恒定成形浓度0．3%
Dodson从通过网状物(network)的巩固改善成形组织的考虑，基本上用他的途径能表示出成形Cv(W)Total。作为纤维网状物及网状物结构的函数，给出公式(2)：
式中 l——纤维长度
W——纤维宽度
ε——纸页透气度
X2——孔隙面积
造纸给予纸页成形的影响，可以用成形试验机来测量光学密度和质量密度。成形均匀度，则以Cv(W)的项目名称来测量，本章节各种手抄纸得的数据，是用Noble & wood抄片机、不列颠手抄成形器(British hand sheet mold)以及动力滤水成形仪(Formette Dynamique)抄的，后者可以生产无任意落置(nonran dom)的纤维排列。无论是Noble & wood抄片机还是动力成形器的手抄纸，都小心地采用IPST湿压及干燥联合机进行湿压和干燥，不列颠抄片成形器抄出的纸是按照TAPPI抄片器程序生产手抄纸的，试验结果有以下规律：
(1)按照预见的理论Cv(W)与纸定量的平方根呈反比。
(2)絮聚(指纤维)相逆地影响纸页均匀度，这有可能影响抗张强度下降，常常发生在成浆精浆水平高的时候，絮聚引起的滤水延续、其它如加入湿强树脂与提高成形浓度都能产生这种现象。无论在平面内还是平面外的主要弹性常数不因絮聚而起变化，但它们有显着的波动。
表3-21 料种和精浆对手抄纸成形的影响
注：(1)成形用不列颠手抄器，(2)计算来自公式(1)用纤维粗度及长度去测量，(3)硬木为桉木，(4)软木为北美软木。
(3)在动力成形器内生产手抄片时，纤维的取向(Orientation)，不逆向影响抄纸均匀度，人们已知抄片机完全有能力生产成形均匀的纸张，在Formette Dynamique(动力成形器)的成形均匀度改善是通过增加纸页密度和成浆精浆度而获得的。
表3-22 精浆和湿压对抄片成形(均匀度)的影响
注：成形在动力成形器内进行的。
3．近代新式成形器的浓度幅控流浆箱
1)概述
这种新的稀释流浆箱能测量纸幅宽度和定量，这是比起过去靠堰刀调节弯曲体系而言的。以前流浆箱的设计考虑纸幅定量控制时，与纤维排列纸幅的反应是分开的，而现在这种活跃的设计体系在纸机运转中可以调节纸幅纤维排列。这种纤维排列，对敏感的纸种尤为重要，如加工原纸、涂布原纸、拷贝纸、证券纸以及多层纸板之类。
如今纸幅定量能更正确地测量出来，如图3-50。纸幅定量在12mm之间被绘出来，待每个区的平均参数得出，再绘一条150mm之间的示线，本图显示更高的解决纸幅定量不同于以前较宽参数区的纸幅定量，将来的趋势是在纸厂内测量高要求的纸幅定量，由纸机的操作者和造纸工具去控制它，并不需要高要求，而执行机构中心即使在75mm，机构变形的堰板唇也不能达到以上要求的，纤维排列对许多纸张(包括涂布加工原纸)来说是纸张性质的临界，它更重地依赖于流浆箱的设计和操作。差的纤维排列造成板纸翘扭，拷贝纸对角起卷，表格证券纸堆垛倾斜等等。纤维排列不好，即使从纸幅定量来分析，纸是平的，但是仍会出现像图3-51所示的问题。在很多场合，纤维排列对流箱浆流条件的敏感性甚于纸幅定量。
图3-50 箱子条件对纸幅定量的影响
图3-51 纤维排列不佳但纸幅定量均匀
2)流浆箱的设计
均匀的堰刀浆流始于流浆箱的头部，要得到均匀的喷射浆流，设计横向浆流头部上必须采用流体力学的理论。图3-52表示头部有矩形横断面积结果配以近似抛物线状的背壁，从横向浆流头部浆流转90°附有设计成管束的一系列多管进浆成形器，这些管束不但使浆流转向，同时下降低浆流压力，降压促使浆流一致，还有剪切纤维呈悬浮并改进纤维分散，管束也创造均一流速，门幅浓度的一致性和控制湍流(turbulence)。管的进口转90°释放浆流到另一管的断面，全部排列呈现MD方向。图3-53表示这变成管长的函数允许全幅速度的重整和变成对称速度。
图3-52 压力的分配形成矩形横向断面的头部
图3-53 在头箱多管进口的速度纵切面图
扩缩浆管对于这种新式流浆箱采用圆一圆扩散的设计如图3-54，因为这能产生均匀与稳定的门幅速度，当其短距离从阶梯下流的时候，从圆—矩形的扩散已满足不了要求，因它们产生不对称的浆流曲线。如图3-55绘制的是不稳定的浆流曲线到管边，首次再接触变化是很大的，这些浆流曲线紧密随着下游条件而定的。
图3-54 圆—圆突然扩散后的速度曲线
图3-55 圆—矩形突然扩散后观察到的典型浆流模型
3)浓度
浓度在突然扩散之际，首先是分散的改善，然后开始遇到再絮聚(Reflocculation)。当絮聚物发生时，低浓区靠近箱壁会产生定量的波状条纹(streaks)，流浆箱的商业化中则有一种分级的管子模型去模糊这种缺点。这里探讨的新设计目的是要避免这些波状条纹的发生，关于纸浆液在流浆箱内纤维的絮聚和系统波状条纹的产生，以至其消除，不少学者发表过专门文献，这里不再着述。图3-56所示为浆流离去中的不同长度的束管，在不出口时测量得的纸浆浓度。
图3-56 在管子出口处，管与长度给予浆浓曲线的影响
浓度条纹(consistency streak)的发展随着突然扩散后的管子长度而不同，选择合理的管子长度，在浆流扩散后可以使整幅定量均匀，避免产生波纹。
4)管束
在管子出口处，浆流的扩散结果产生浆液的湍流。湍流的强度与湍流运动的长度是与扩散的量有关。当喷管粗糙时在管子出口可能出现大尺码的湍流，紧紧装抱在一起的矩形管将减少浆液的扩散而且造成在喷管(Nozzle)与自由喷嘴(Jet)的浆流的稳定性。新的管束的管子设计如图3-57，在出口有个矩形管子，其周长保持恒定，允许管子横断面积的降低，这能加速浆流及追随浆流的稳定和均一。它同样避免浆流的不对称和不稳定，关于浆流扩散到矩形面积处，同样示如3-54图。
图3-57 流箱浆流管的横断面趋向于矩形出口
这些管束的管子，无论是内外形规格，所用材料以及加工精度的一致性，捆装一起，从一“池边”(Pondside)到另一池边，形成全幅单位浆液的一致性，如图3-58，即使到箱的边缘，这里无需管子交叉的形状、半管或留大的余地。横向浆流影响纤维排列如图3-59，显示纸机横向纤维排列曲线，它们属于两台类似设计的流浆箱的，其中一台在箱边缘有过剩面积的，那台产生纤维排列的高度差排的曲线，捆装管束从一头到另一头，强烈影响横向浆流的发展和其它性质；对于纤维排列，特别敏感的品种，如图3-60，装有靠边缘浆流的分别调节装置，这可以在运转中调节边缘浆流及其纤维排列。
图3-58 选择过的管束，捆装一起形成幅宽至边缘的单位浆流一致
图3-59 流浆箱边缘效应对纤维排列曲线的影响
图3-60 边缘浆流控制阀
5)喷射头(the nozzle)
一种叫Concept Ⅳ-MH的流浆箱在喷射区控制自由喷口的湍流特性，喷射头有收聚的横断形面(俗称飘片部)，分成多层通道，每层通道有柔性可飘动的材料片。管束与喷射头在线组合如图3-61，防止浆流的弯曲(Swirling)及散泼(Spreading)。
图3-61 管束与喷射头组合排列
6)浓度稀释控制门幅定量
降低门幅定量的波动，增加刻度的精确性始终是造纸工作者的目标。堰刀唇的调节装置，调成缝隙，继续降低缝隙意欲达到目标，但是这时堰刀唇板弯曲起来，相反地影响纸机横向的纤维排列曲线，每每降低缝隙造成有效定量难以达到调节意图，因为机械的堰刀唇板弯曲如图3-62，这样在一处调节还影响邻近堰刀唇板间的开口。堰刀唇板的位置改变影响到原来浆流的流淌，这时就改变了浆流的大小和流向(包括纤维)。
图3-62 堰刀唇板弯曲
这里推荐的新变化就是借增加或减小原来浆流的浓度来控制横向定量，这个方法，堰刀唇口的定量曲线控制已经不需要。新法巧妙的处理原浆流浓度较为简单，同时允许较机械方法更接近的缝隙，这装置是一种非常工具，它很好解决造纸工作者需要的门幅定量要求。图3-63A、B示意浓度控制门幅定量的概念，它用分别的注射管计量的白水加入流浆箱上游的一个邻近流浆箱管中。低浓度的浆流流转180°同时进入邻近管内(图3-64～3-66)，管部的扩散力产生湍流促使流淌及混合。增加或减少注入浆流调节原来浆流，就是定量控制，采用这个方法浓度变化时，浆液量要保持恒数。见图3-63A浓度曲线控制概念。
图3-63A 浓度曲线控制概念
图3-63B 浓度曲线控制概念
图3-64 浓度控制曲线白水管位置
图3-65 Concept Ⅳ-MHTM流浆箱和浓度门幅曲线控制全貌
图3-66 在纸机流浆箱上的浓度控制制动器和白水管
如果浆流跨机流淌率变化，将发生横向浆流而影响纤维排列，众注射管的占地跨机连接流浆箱管在小至35mm中心点上高度解决浓度控制，这个方法允许浆流率不影响注射率，它导致门幅定量控制与纤维排列相脱离的方式。关于涂布加工纸应用这种流浆箱，有报导在LWC纸种的纸机涂布机的效果是有显着价值的。有两台纸机运转整个门幅包括边缘地方的纸页绝对平整，在一种条件下，标准为27．5g／m2纸，CD全幅定量2个∑，最低者为27．18g／m2，(全幅以150mm小定量测定平均值)，在稀释流浆箱改造以前，这种纸的定量波动范围为63．42～67．8g／m2。两台机的新流浆箱初次投产，在几小时内即行正常。
4．国产气垫式流浆箱(图3-67～3-69)
适合参数：
(1)适应车速范围 160～450m／min
(2)横向定量绝对差 ±1．5%
(3)液位波动 ±3mm
(4)总压波动 ±3mm
图3-67 气垫流浆箱
图3-68 电脑控制系统示意图
1—压力传感器 2液位传感器 3—压力控制气动阀 4—变速浆泵 5—解耦器(电脑)
图3-69 供气系统示意图
1—减振器 2—台架 3，8—减振喉 4—电动机 5—传动皮带 6—鼓风机 7—入口消声器 9—出口消声器 10—调节阀 11—排气阀
近年来，除上述纸机流浆箱外可用于原纸生产的宽区压榨，单排单毯带真空小缸的干燥缸排列，薄膜施胶压榨，软辊超压机等新技术还有不少，限于本书篇幅，不予述及。
【参考文献】：
(1) 仕上、化纸、合成纸、涂工，纸パ技术协会，涂被用原纸P．408～418，堀内宗美，大久保幸—昭和45年．
(2) Techical Informafion，Aero Imcop，1986．Base Paper 00005 3／2～00012 3／2／5，1986．
(3) The Coating process，TAPPI Press，1997，Basestock Chapterl P．1～8，Gordon L．Stout Simens Eastern Consultant inc．
(4) 张景彦，侯维玲，陶永娟，张金英．涂布印刷纸及纸板表面微观特性和印刷适合性的关系．天津造纸，1991，43～52．
(5) The Coating process．TAPPI Press，1997，Section Ⅶ Coated Board，Terry Keliogg，Huber Corp．
(6) TAPPI J．Vol81．NO．5 Wood and how it related to paper products P．223～224．
(7) 西班牙桉树资源和桉树制浆考察报告，轻工部赴西班牙造纸工业考察组P．31．1980．
(8) TAPPI J Vol 81 NO．5 Wood and how if relates to paper products P．225．
(9) 造纸工业最新技术设备手册第二版，芬兰奥斯龙公司，P．30～41．
(10) 日本相川株式会社设备样本及“中华纸业”1998年第6期P．16．
(11) TAPPI，J．1997．Vol．80．NO．6．P．139．
(12) 常用非木材纤维法制浆实用手册1993，中国造纸学会碱法草浆专业委员会编着．
(13) 本书作者与生物学家合作研究试验成果摘要．
(14) 中国造纸协会、中国造纸学会代表团1998年访法、芬总结，P．11．17．
(15) 含50%麦草浆原纸的门辊涂布涂料配方的研究，陈祖恬等，1991，11．
(16) 草浆轻量涂布纸涂料工艺的研究，张美云等，1998．9．
(17) 加拿大好声牌HS型号漂白牛皮浆试验报告．
(18) 西班牙潘特维德拉厂、斯尼亚斯桑坦德浆厂试验报告，1980，10．
(19) 美国屋哈雅沃州某废纸浆厂报价浆质量试验报告，1995．2．
(20) 中华纸业，1998年，第6期P．32．
(21) PAPER ASIA Vol 14，NO．10，OCT．1998．P．16～18．
(22) TAPPI Stock Prep Minutes，April，12．1999．
(23) Overview of the foundamentals of papermaking FRC Reprint NO，2PPF Rsch Society England．
(24) TAPPI J．Vol 76 NO．9 SPF 1993 P．12～133．Effect of papermaking Variables．
(25) Trufitt，A．D．Design of Manifold Flowspreaders，CPPA Montreal 1975．PP．1～33．
(26) D Incau S TAPPI 1983 Engineering Conferenc Proceedings TAPPI Press Atlanta P．583．
(27) Steen M．Turbulence and flocculation in fiber suspensions D．E．thesis University of Trondhein Norway 1990(30)The fourdrinier thesis University of Trondhein Norway 1990．
(28) The role of fourdrinier table activity in the manufacture of various paper and board grades，TAP—PI．J．April 1992 Vol P．172～185．
(29) Grouth and decay of streaks and waves on the forming table，TAPPI．J．NO．5 May 1998 P．159～162．
(30) Conventional and stratified forming of office paper grades，TAPPI J．Vol 81．NO5 May 1998 P．149～158．
(31) A Fundamental Oppor tunity to Improve Paper Forming，TAPPI，J，Vol．79 NO．6 June 1996 P．55～60．
(32) TAPPI．J．Vol．78 NO．11，NOV．1995．P．89～95．
(33) Beloit Basis Weight Profiling with the Concept IV-MH & IV-MHTM Headbox Technical Summary，Scott B．Pantaleo，January 1995．
(34) PPI June 1996 P．66，The Actuators controlling dilution on PM3 Headbox．
(35) 华加公司气垫式流浆箱简介及说明书，1997．
(36) Paper News(Valmet)Vol．14．NO．4 1998 P．12～13．
(37) A Technical Summary(Beloit)Aaron Braaton 1．31．1995 Figl．2．
(38) Take a close look of this paper(B．T．G)HSM Sys．P．5．8．
(39) Paper News(Valmet)Vol．14，NO．2．1998．P．15．
(40) 中华纸业，1999年，1：19～20．杨伯钧．印刷纸纸机技术新发展．第2期P．33～35．
(41) 王锡元，王晓彬．造纸压光机整饰技术和设备的发展趋势．中华纸业，1999年，1：21～26．
(42) 吕江印，刘志一．靴形压榨．中华纸业，1998，6．
(43) What is good paper machine performance，TAPPI J．Sept 1992．P．129～133．
(44) 松香中性施胶技术和造纸湿部化学的研究，朱勇强博士论文，天津轻工学院1995年4月摘要．
(45) Rosin Sizing with Polyamine Mordants from pH 3 to10，TAPPI．J．May，1992 P．162～167．
(46) Neutral to alkaline rosin soap sizing with metal ions and polyethylenimine，TAPPI．J．Vol 78．NO．4 April 1995 P．155～162．
(47) A new sizing agent styrene-maleic anhydride copolymer with alum or ion mordant，TAPPI．J．Vol 80．NO．1 January 1997 P．277～282．
(48) The effect of SMA surface sizes on paper end-use properties，TAPPI J．Janury 1995．P．142～146．
(49) Applicaton of polymeric multifunctional carbonxylic acids to improve wetstrength，TAPPI．J．Vol81．NO．11．NOV．1998 P．159～164．
(50) Cationic latex as a multifanctional papermaking wetend additive，TAPPI J．，March 1999．Vol82．NO．3 P．175～187．
(51) Special Paper Chemicals．An overview TAPPI J．July 1995．Vo178．NO．7．P．66～68．
(52)“内部添加剂”．荒川化学工业(株)中小企业技术者研修制纸工学课程，P．19～22．
(53) Influence of base-paper filler content and pre-calendering on metered film press coating—paper and print quality，TAPPI J．May 1999 Vol．82 NO．5．P．94～100．