Какая машина используется на бумажных фабриках для превращения древесины в волокнистую массу
Выбор и использование бумаги
9.2.2. Волокнистая масса
Получение волокнистой массы является первым основным этапом в процессе производства бумаги. Целью при этом является выделение волокон из сырьевого материала, удаление примесей.
При использовании в качестве сырья древесины, происходит извлечение и отделение волокон целлюлозы от окружающего их лигнина, и получение равномерной водяной суспензии волокон.
Для получения волокнистой массы из древесного сырья используются три основных метода: механический, механико-химический и химический. Использование механического метода пригодно для производства газетной и некоторых сортов книжной бумаги (для книг в обложке); механико-химический метод дает возможность получать бумагу среднего качества; при химическом методе получается чистая целлюлоза, позволяющая изготовить высококачественную долговечную бумагу.
Операции выполняются на предприятиях, обычно располагаемых неподалеку от мест с богатыми лесными ресурсами. Эти предприятия могут являться частью бумагоделательного производства с получением готовой бумаги, либо быть отдельными фабриками.
Если эти два производства объединены, то предприятие называется объединенным бумажным производством (комбинатом).
Утилизация бумажных отходов требует отдельного производства волокнистой массы. Обычно это производство располагается на той фабрике, где производят готовую бумагу.
Механическое получение волокнистой массы
Далее древесина измельчается вращающимися жерновами и перемешивается с горячей водой. Полученная в результате смесь пропускается через ряд сеток со все более мелкими отверстиями, где происходит удаление оставшихся крупных кусков или щепок, пока не будет получена однородная жидкая древесная масса.
Эта масса размалывается в барабанной мельнице. Более сложные механические и химические процессы мы рассмотрим далее.
При механическом методе волокна древесины отделяются от окружающего их лигнина полностью механическими средствами. Вследствие этого в готовой смеси всегда остается значительное количество примесей лигнина. Сами волокна также оказываются поврежденными и разорванными, а сама смесь получается темной, мягкой и дряблой.
Волокнистая масса, предназначенная для получения бумаги для книг, обычно нуждается в дополнительной обработке, включающей в себя очистку и отбеливание; в качестве отбеливающих веществ чаще всего используются сода или перекись водорода. Хотя отбеливание улучшает исходный цвет волокнистой массы (а следовательно, и бумаги) весьма существенно, оно не предотвращает изменение цвета бумаги в дальнейшем. Это очень важный фактор при выборе бумаги. О нем мы еще будем говорить далее.
По завершении просеивания и отбеливания жидкая взвесь концентрируется путем удаления излишков воды. Если бумага производится на месте (на объединенном бумагоделательном производстве), для этого используются отсасывающие ящики, после чего перемешанная масса подается в бумагоделательную машину. Если же волокнистую массу впоследствии предполагается транспортировать в другое место, она высушивается, проходя через водосборные каналы, прессуется, а затем нарезается и формуется в кипы с последующей воздушной сушкой (содержание воды составляет около 10%).
Выход готового продукта при превращении древесины в волокнистую массу механическим способом весьма значительный: из 100 тонн дерева получается около 90-95 тонн сухого вещества.
Механико-химические способы
Для получения более чистой и однородной волокнистой массы используются различные технологии. В основном они подразумевают применение в качестве исходного материала древесной стружки, а не целых бревен. Первым шагом здесь является измельчение исходных бревен с помощью строгального станка и получение стружки, длиной в несколько миллиметров.
Рафинированная механическая масса получается после прохождения стружки через ряд дисковых рафинирующих машин (рафинеров). Эти машины превращают стружку в мельчайшие частицы, которые затем должны быть просеяны и отбелены.
Термомеханическая масса получается при предварительной обработке стружки паром перед рафинированием. Обработка паром размягчает лигнин, содержащийся в стружке, а волокна повреждаются в меньшей степени. Термомеханическая масса обладает большей прочностью, чем предыдущие виды, и чаще всего используется при изготовлении книг в обложке.
Химико-термомеханическая масса получается способом, аналогичным тому, который применяется для получения термомеханической массы, но перед рафинированием для дополнительного удаления лигнина здесь используется химическая обработка. Бумага, полученная из такой массы, обладает достаточно высоким качеством, близким к бумаге без примесей древесины, и имеет почти ту же длину волокон. Производство химико-термомеханической массы обходится дороже, чем получение описанных ранее видов, и хотя бумага из химико-термомеханической массы желтеет не так быстро, как бумага, полученная из других видов волокнистой массы, все же она изменяет цвет сильнее, чем бумага без примесей древесины. Готовая масса может находиться в жидком виде для объединенных производств, либо в виде брикетов, если предназначена для отправки в другое место или продажи. При использовании древесных стружек выход продукции достаточно велик.
Химические способы
Целью химической обработки является уменьшение содержания лигнина в древесине. При этом способе волокна более тщательно отделяются друг от друга, а в готовом продукте присутствует минимум примесей.
Химическая обработка позволяет получить прочную и чистую целлюлозную массу, не содержащую измельченных частиц древесины. Поскольку при химической обработке не используются механические операции, приводящие к повреждению и перепутыванию волокон, волокна сохраняют свою первоначальную длину, а готовая бумага получается более прочной и упругой, более плотной.
Процесс обработки начинается с выбора подходящих деревьев, рубки, распиливания и транспортировки. Далее бревна нарезаются на мелкие части длиной около 2 см вдоль волокон древесины, а затем измельчаются роторными молотилками.
Далее может быть использован один из способов химической обработки стружки: сульфитный (или кислотный) способ, или сульфатный (щелочной) способ. Сульфитный метод является более традиционным, но в настоящее время считается нежелательным, поскольку он сопровождается высоким уровнем вредных выбросов в окружающую среду. В большинстве бумагоделательных производств сейчас, как правило, применяется сульфатный метод.
Сульфитная обработка. Это кислотный процесс, применяемый для мягких пород древесины, особенно для ели.
Бисульфит кальция и диоксид серы, растворенные в воде, подаются в автоклавную башню, наполненную древесными опилками. Опилки и жидкость запариваются вместе на срок от 6 до 24 часов, после чего полученный продукт просеивается и промывается.
По сравнению с механическим способом, выход готового продукта здесь довольно небольшой: только около 50% веса целлюлозы от веса сухих древесных опилок.
Сульфатная обработка. Это щелочной процесс, иногда называемый крафт-процесс, применяется как для мягких пород древесины (в основном, сосна), так и для твердых пород (в основном, береза).
Выход готового продукта также достаточно велик: около 65-70% от веса древесных опилок.
Обычно отбеливание выполняется в несколько этапов: масса проходит через ряд емкостей, в каждой из которых взаимодействует с отбеливающим агентом, пока не будет достигнута требуемая степень белизны. В качестве химических реактивов используют хлор (хотя по экологическим соображениям от него постепенно отказываются), кислород, перекись водорода, бисульфит магния.
Окончательный продукт носит название беленной сульфитной или сульфатной целлюлозы соответственно.
Использование вторичного сырья
Чистые отходы превращаются в волокнистую массу путем растворения, отделения примесей, отбеливания и очистки при необходимости, а затем выдерживаются в кашицеобразном виде. Как правило, волокнистая масса, получаемая из вторичного сырья, используется на том же предприятии, а не отправляется в другое место для переработки.
Печатные отходы требуют более сложного цикла удаления краски, отбеливания и химической обработки. Они используются в виде добавочных компонентов для получения ряда сортов газетной бумаги, и подобно массе, полученной механическим способом, содержатся в жидком виде для передачи в зону подготовки сырья бумажной фабрики.
Транспортировка на бумагоделательные предприятия
На предприятиях с объединенным производством готовая волокнистая масса содержится в жидком виде и перекачивается в зону подготовки сырья для дальнейшего рафинирования и окончательной очистки. Большинство фабрик по производству газетной бумаги и бумаги невысокого качества используют этот процесс.
На фабриках с раздельным производством готовая кашицеобразная масса высушивается в сушильных цилиндрах или проходит через ряд сушащих сеток, отжимается и формируется в кипы для транспортировки. Большая часть волокнистой массы, полученной таким способом, транспортируется на отдельные бумагоделательные фабрики наземным транспортом.
Первая в России бумагоделательная машина.
Рисунок И.И. Свиязева
“Проходит год и Петергоф славится чудесною выделкою бумаги, стоустая молва проповедует о бесконечной длине листов и игривое воображение устилает одним из них дорогу между двумя российскими столицами”. Из впечатлений И.И. Ивлиева, участника строительства Петергофской Императорской бумажной фабрики, о первой в России бумажной машине
Изобретённая во Франции в 1799 г Николасом Луи Робером машина для производства бесконечного бумажного полотна, была впервые изготовлена в Англии. Это сделали общими усилиями английские бумажники Джон Гембл, два брата Фурдринье (Генри и Сили) и инженер — механик Брайан Донкин. Они основывались на патенте Луи Робера и усовершенствовали его. Первую машину шириной 76,2 см они сделали на машиностроительной фабрике в Фрагморе в 1803 году. Вторая машина была шириной 1м 52 см. К 1810 году их было изготовлено уже 10 [1].
Машиностроительная мануфактура в английском Фрогморе может считаться колыбелью бумажных машин (бумагоделательные машины бумажники называют “бумажными” или “буммашинами,иногда совсем коротко — БДМ). От этого времени в бумажной промышленности осталось название плоскосеточных бумагоделательных машин “фурдринеры” (Fourdrinier-Maschinen), использующееся до сих пор.
От ручного черпания к машинному производству
До 1818 г бумага в России производилась ручным полистным черпанием из чана с бумажной массой. Появление в России первой бумажной фабрики машинного производства (отлива) — Императорской бумажной фабрики в Петергофе, описано для нас, “воспитанником Академии Художеств” И.И. Свиязевым [2]. Г‑н И.Свиязев, будучи далёким от техники, передаёт эмоциональное состояние от увиденного на фабрике, приводит интересную информацию об устройстве фабрики. (Из дальнейшего мы увидим, что многое в его интерпретации событий не соответствует действительности). Им сделаны рисунки зала буммашин и отдельных видов оборудования с натуры. Один из рисунков зала двух бумажных машин в заголовке нашего поста.И.И. Свиязев пишет, что в 1815 году Г. Татищев (видимо в инициале автор ошибся, да и с годом неувязочка, но не это было для него важно…), путешествуя в Англии познакомился с российским подданным Ф.Н. фон Вистингаузеном, который показал ему “знатнейшую фабрику” по “выделке” бумаги. Татищев убедил Вистингаузена помочь организовать передовое производство бумаги в России. Тот согласился и через три недели было получено согласие Императора (Александра I) на реализацию проекта!
Вистингаузену предложили изготовить сначала “пробную или временную” машину. Эта экспериментальная, говоря современным языком, машина помещалась в Императорской гранильной фабрике. Она была ещё слабым подобием того, что должно было быть совершенством. Вистингаузен был назначен директором и гранильной и бумажной фабрик и принял поручение за 4 года построить бумажную фабрику рядом с гранильной. Фабрика была открыта в сентябре 1818 года. На фабрике параллельно были установлены две бумагоделательных машины. У И.И. Свиязева нет информации об изготовителе машин.
Кто изготовитель первой бумажной машины?
По информации З.В. Участкиной [3] они были изготовлены силами двух предприятий: Петроградской гранильной фабрики и Петербургского казённого литейного завода (в последствии Кировский завод). На гранильной фабрике были хорошие механические мастерские, которые делали инструменты и вполне могли, видимо, делать некоторые детали для бумажных машин. В этом случае нужны были бы соответствующие чертежи. Зоя Васильевна очень резко отзывается о деятельности “иноземца” Вистенгаузена. Ссылаясь на заключение следственного комитета царского правительства, который установил целый букет нарушений контракта Вилленгаузеном, она констатирует, что он препятствовал развитию бумажного производства в России, так как им была получена от царского правительства привелегия на получение 25% от прибыли своей фабрики и от бумажных машин, установленных на других фабриках в течение 10 лет. И с удовлетворением сообщала о том, что этот господин в конечном счёте был выдворен из России.
В этом месте воспользуемся двумя другими источниками, которые позволяют скорректировать сведения З.В. Участкиной.
Первый из них из-за рубежа. В большом труде, “История бумаги” [1], к которому мы обращаемся регулярно, говоря о создании первых бумажных машин, Ханс Волф приводит такую историю. Якобы русский царь Александр I в 1814 году посетил мануфактуру Генри Фурдринье в Англии. Договорился об изготовлении двух буммашин для России. Машины были изготовлены. Но обещанные платежи не поступили и 72-летний Фурдринье в сопровождении дочери ездил в Петербург и вручил в руки уже Николая I петицию. По прошествии длительного времени, платежи были осуществлены. Отметим, что Г. Фурдринье родился в 1766 году, значит, в Петербург он ездил в 1838.
Вторая версия об изготовителях машин повторяется разными источниками. Все сходятся на том, что машины были изготовлены за рубежом, но называются разные фамилии производителей: Фурдринье [4] и Донкин [5].
Когда этот пост уже был готов к публикации, на сайте Союза журналистов Санкт-Петербурга и Ленинградской области мы обнаружили ещё одну, основанную на Питерских архивах, информацию об истории Петергофских бумажных машин. Там же нашли проект фасада бумажной мануфактуры, фотографию которой пока найти не удалось. По информации И.И. Свиязева корпус фабрики был органично пристроен к корпусу существовавшей гранильной фабрики. Внутреннее устройство подчинено задачам производства. Здесь “архитектура служит механике”.
Фасад Петергофской Императорской бумажной фабрики. Проект архитектора Е.Т. Соколова
Расследование истории первой бумагоделательной машины
Расскажем о том, что удалось установить журналистам Александру Потравнову и Татьяне Хмельник. Подробности на указанном сайте в профессиональном изложении журналистов, на основании найденных документов, как они пишут “без фантазий”.
Вызывает недоумение игнорирование истории бумажной фабрики в Петергофе. Пишут что здание построено в 1777 г Фельтеном. При этом умалчивается о основательной перестройке, которой подверглось здание в 1815–1816 гг. при строительстве фабрики. Умалчивается и история императорской бумажной фабрики.
Дипломатическое начало проекта машины
Начало истории первой бумагоделательной машины положил, находившийся с какой-то секретной миссией в Англии российский дипломат, тайный советник Дмитрий Павлович Татищев. В мае 1813 года посещает бумажную фабрику, знакомится с Генри Фурдринье и пишет Александру I послание. Переправляет ему образцы бумаги, описывает выгоды машинного производства бумаги. Подчёркивает, что бумагу можно производить из старых канатов и верёвок. (У морской державы Англии этого добра было много, а в России, как оказалось, это стало проблемой). Версия о том, что Александр I инициировал создание фабрики не соответствует действительности. Император действительно был в Англии в 1814. Но был там в июне, к этому времени контракт с Вистингаузеном был уже подписан (в апреле).
Представитель изобретателя — Вистингаузен
Татищев провёл переговоры с Фурдринье о строительстве бумажной фабрики в России. С самого начала они старались, чтобы информация о переговорах не дошла до правительства Англии, так как вывоз оборудования и технологии бумажного производства был под запретом. Генри Фурдринье, как известно [1] испытывал в это время серьёзные финансовые трудности и согласился на передачу и мастеровых людей и информации по обустройству машины. Своим уполномоченным представителем он представляет Татищеву Ф. В. Вистингаузена. При этом наделяет его исключительными полномочиями представлять от своего имени русскому правительству метод изготовления бумаги и предпринимать любые меры по данному предмету. Между представителем российского Правительства Дмитрием Татищевым и Фридрихом Вестингаузером были подписаны Условия. В пункте №1 сказано “… Ввести в России искусство выделывать бумагу по сей новой методе, которою заменяются все вообще ручные работы, а также производить выделку бумаги из старых канатов и верёвок …”. Условия определяли, что все затраты на устройство фабрики, включая оплату переезда и содержания на период строительства всего персонала, ложатся на российское правительство. После начала работы фабрики Вистенгаузеру причиталось 25% от чистой прибыли (п.№10).
Обычная коррупция или издержки работы спецслужб?
Кто же такой Фридрих (или Фредерик) Вильям Вистингаузен? Журналистам удалось выяснить, что он родился в Российской империи, в Ревеле в 1777 г. Выезжал в Англию, где занимался неизвестным бизнесом, но в 1812 г. обанкротился.
Такое доверие со стороны хозяина бумажной фабрики и изобретателя машины Фурдринье к Вистингаузену, как предполагают журналисты, объясняется удачной женитьбой последнего на непростой девушке. Мать жены была сестрой сэра Уильяма Конгрива, 1‑го баронета, генерал-лейтенанта, смотрителя Королевских лабораторий Королевского Арсенала. Двоюродным братом жены был 2‑й баронет — изобретатель английского ракетного оружия. Родственники жены были влиятельными людьми в военных кругах Великобритании. В 1800 г Вистингаузен получил английское гражданство.
Фурдринье, по данным Татищева, производил для правительства из своей бумаги части зарядов для патронов и пушек (видимо имеются ввиду гильзы и хлопковый порох). По всей вероятности он был знаком со смотрителем лаборатории Арсенала, и в связи с работой на Арсенале мог познакомиться с Витингаузеном.
Из журналистского расследования становится понятно откуда возникла версия Ханса Вольфа о коварстве русского Императора, не заплатившего Фурдринье за машины. Оказывается в английском журнале в 1855 году была публикация, близкая к изложенной Хансом Вольфом. Эта версия не подтверждается архивными документами, на которые ссылаются журналисты, да и З. В. Участкина.
Вместе с Вистенгаузеном в Петергоф приехало несколько английских специалистов. Мастер бумажной машины, химик, механик. Позднее подъехала ещё группа из 6 специалистов, некоторые из них добирались через Германию. Англичане, видимо и делали проект.
Машины пришлось изготавливать в России. Оказалось, что на Санкт-Петербургском чугунолитейном заводе не хватает ни чугуна, ни меди. Министр морских дел маркиз де Траверсе нашёл возможность отпустить из Кронштадта чугун и медь в виде негодных орудий и снарядов. С трудом нашли необходимое количество кирпича — 3 млн штук.
Расследование итогов 10-летней работы
1 сентября 1818 г. фабрика начала работать. Через 10 лет было проведено два рассмотрения работы Вистенгаузена. Одно расследование проводилось Департаментом Уделов Министерства императорского двора в 1827 году. По результатам расследования Вистенгаузен написал свои объяснения и пояснения. После этого Николай I поручил создать специальный Комитет “Желая положить конец сим беспорядкам”. Возглавил Комитет М. М. Сперанский. Общая сумма убытков на 1 января 1828 года, предъявленная Вистенгаузену по результатам окончательного расследования и решения императора составила свыше 3,8 млн рублей. Комитет выявил массу нарушений и недостатков, а также не выполнения условий контракта. Из произведённой фабрикой бумаги было продано только 59%. Был сделан вывод о том, что причина в высокой цене. Тряпьё почему-то на фабрике закупалось по цене до 4 раз выше той, по какой оно поступало на другие фабрики. Выяснилось, что Вистенгаузен в 1820‑х годах начал строить под Ревелем собственную бумажную фабрику. Комитет отметил попустительство чиновников, допустивших такую странную ситуацию: “… нельзя не признать, что снисхождениями и послаблениями бывшее тогда начальство содействовало их продолжению и умножению…Но напротив при явных убытках спорили только о разделе прибылей, коих никогда не было, и в счёт или в замен сих прибылей фабриканту зачтено до 248 тыс. рублей”.
Вистенгаузен после снятия его с поста директора уехал в Англию.
Вопросы к истории машины без ответов
Заканчивается расследование журналистов такой оценкой странных событий, связанных со строительством и работой фабрики.
Почему Фурдринье, затративший на усовершенствование бумажной машины десятки тысяч фунтов стерлингов и несколько лет жизни, легко делегирует право получать 25% чистой прибыли от фабрики в России бувшему банкроту? Почему в английском журнале уже в 1855 году напечатали выдумку про обман российского императора? Почему прекрасно оборудованная фабрика приносила убытки вместо прибыли, выпуская продукцию, невостребованную на рынке? Почему Вистенгаузен, выдавая себя за российского подданного и получив чин колежского ассессора, не оставил никакой собственности в России? Что всё это значило — природный авантюризм или злонамеренная позиция, изначально связанная с английской разведкой? Мы так и не пришли к однозначному мнению.
Фабрика продолжила работать. Новый директор Д. Н. Казин в последующие десять лет обеспечил казне 2 млн рублей прибыли.
Характеристика первой бумажной машины
Мы уже отметили впечатляющее здание и “двухсветный” зал буммашин. Какими были сами наши первые машины, ведь они имели на фабрике имена: № 1 и № 2?
Вернёмся к изложению описания И. И. Свиязева.На фабрике был участок обработки тряпья, которое сортировалось, обеспыливалось, измельчалось, замачивалось, промывалось, отбеливалось. Подготовка тряпья занимала 18 часов. Участок бумагоделательных машин, участок прессования, сушки и проклейки. Во вновь выстроенном корпусе две бумажные машины были установлены параллельно, как это делалось и позднее (потом параллельно могли устанавливаться несколько машин). Зал буммашин был “двухсветный”, т.е свет падал через окна с двух сторон. Это хорошо видно на рисунке, помещённом в заголовке поста.
Сетка машины была с тряской, имела гауч — вал с сукном, после сетки бумажное полотно поступало в двухвальный пресс с транспортным сукном. После пресса влажная бумага наматывалась на “деревянный параллелепипед” (по определению [5] — “мотовило”). Ширина машины 1м 40 см, скорость выработки бумаги 7,3 м в мин. Через каждые 12 минут (100 оборотов мотовила) мотовило с намотанной на него бумагой снималось и на его место ставилось пустое. Бумажное полотно с мотовила срезалось листами. Листы были влажными, их укладывали на доски и стопу листов с прокладками прессовали в ручном винтовом прессе.
После прессования листы поступали в комнату (камеру), где развешивались на волосяных верёвках для сушки. Сушили горячим воздухом, поступавшим от 6 печей. Далее листы могли проклеиваться окунанием в клей (для определённых сортов бумаги). В этом случае их снова отжимали в том же ручном прессе, удаляя избыток клея. Бумага ещё раз сушилась и поступала в окончательную комнату. Листы сортировали, по-возможности снимали неровности и сор. Далее листы складывали в дести и стопы и прессовали их ещё раз или в ручном прессе или в гидравлическом. Гидравлический пресс имел оригинальную конструкцию и использовал давление воды.
Машина по производительности заменяла 10–12 чарпальных чанов!
У З. В. Участкиной находим дополнительные сведения, отсутствующие у И. И. Свиязева.
Водяное колесо — привод всей машины. Оно наливное т.е. с подачей воды на колесо сверху. От колеса 4 приводных точки:
В 1825 г. для машин была создана оригинальная сушильная часть из 8 медных цилиндров диаметром 325 мм, обогреваемых паром.Нужно отметить новый для нас подход к обеспечению производства бумаги водой. На фабрике была построена система бассейнов, каналов, шлюзов и водоводов, обеспечивавших стабильность снабжения водой и защиту, как от паводков, так и от резкого падения уровня воды, чреватого производственными проблемами. На фабрике работало 120 человек. (В материалах расследования числилось 320!). Инвалиды, мальчики и переведённые мастеровые гранильной фабрики. В Англии на аналогичном производстве было меньше работников. Это связано с квалификацией работников. Обучение рабочих приёмам работы, чистоте в работе, стоили, как пишет И. И. Свиязев, большого труда. При посещении фабрики вдовствующая Императрица “благоволила” при посещении фабрики, 20 мальчиков из воспитанников Императорского воспитательного двора.
По данным [3] буммашина №1 работала до 1842 г, а затем продана фабриканту Жернакову и установлена на Лизинской фабрике в Петергофском уезде.
Фабрика была закрыта 21 августа 1848 года (по данным государственного исторического архива), отработав только 30 лет!
На фабрике подготовили много специалистов, которые работали на других предприятиях России. Здесь впервые опробованы многие технические новшества.
Такой была первая русская бумагоделательная машина: красивой и всё же порочной. Такой её сделали люди.