Việc cấu hình sai một thiết bị lõi như lô ép hút cho máy xeo tốc độ cao có thể dẫn đến các hệ lụy kỹ thuật và tài chính nghiêm trọng như: vỡ vỏ lô do mỏi, tạo ra các khuyết tật bóng mờ trên giấy, tiêu hao năng lượng quá mức cho hệ thống chân không, hoặc đứt giấy liên tục làm giảm hiệu suất vận hành máy.

Khi quyết định đầu tư máy mới hoặc nâng cấp hệ thống hiện hữu, các kỹ sư và nhà quản lý nhà máy cần phải phân tích và đánh giá kỹ lưỡng 5 nhóm thông số kỹ thuật cốt lõi sau:

Vật liệu chế tạo vỏ lô: Từ thép không gỉ cơ bản đến Super Duplex

Vỏ lô ép hút (Shell) là thành phần chịu lực chính, cấu trúc hình trụ khổng lồ này chứa hàng nghìn lỗ khoan xuyên tâm và hoạt động trong một môi trường cực kỳ khắc nghiệt. Lô phải chịu tải trọng uốn liên tục (khi quay qua lại dưới áp lực ép) lên đến hàng triệu chu kỳ ở tốc độ cao, dưới tác động của các hóa chất tẩy rửa có tính ăn mòn, nhiệt độ cao từ hệ thống sấy, và độ ẩm thường trực. Hiện tượng phá hủy phổ biến nhất đối với vỏ lô là nứt mỏi do ăn mòn (corrosion fatigue), dẫn đến sự cố gãy vỡ vỏ lô đột ngột, gây thiệt hại nghiêm trọng.

Hợp kim Đồng (Bronze) và Thép không gỉ Austenitic: Trong giai đoạn sơ khai của ngành giấy, các vỏ lô được đúc bằng hợp kim đồng (85Cu-5Zn-5Sn-5Pb). Khi chiều rộng và tốc độ máy tăng lên, mô-đun đàn hồi và độ bền của đồng trở nên không đủ. Ngành công nghiệp sau đó chuyển sang sử dụng các loại thép không gỉ tiêu chuẩn dòng Austenitic (như 304, 316) hay Martensitic. Tuy nhiên, các vật liệu này vẫn có điểm yếu về độ bền mỏi khi phải khoan quá nhiều lỗ (làm yếu kết cấu).

Thép không gỉ Duplex (Duplex Stainless Steel): Đây là một bước đột phá trong công nghệ luyện kim và đang là tiêu chuẩn vàng cho các máy xeo hiện đại. Hợp kim Duplex có cấu trúc vi mô gồm hai pha: khoảng 45-70% austenite phân tán trong một ma trận ferrite. Cấu trúc này mang lại cho thép Duplex độ bền uốn (yield strength) cao gấp đôi so với thép austenitic thông thường, khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất (SCC) xuất sắc, và độ dẻo dai tuyệt vời. Các mác thép Duplex nổi bật thường được sử dụng làm lô ép hút bao gồm Alloy 2205 (UNS S31803 / S32205) và dòng hợp kim lean duplex 3RE60. Việc gia công các lô thép Duplex đòi hỏi độ chính xác cao. Cần sử dụng các loại máy khoan súng (gun-drilling) hiện đại để đảm bảo bề mặt bên trong các lỗ khoan đạt độ bóng cực mịn, ngăn ngừa tạo ra các vết xước siêu nhỏ - nơi khởi nguồn của các vết nứt mỏi [cite: 35, 36]. Hơn nữa, quy trình xử lý nhiệt cho thép Duplex phải rất nghiêm ngặt; việc làm nguội chậm có thể sinh ra pha sigma (sigma phase) làm thép bị giòn và mất đi khả năng chống ăn mòn.

Super Duplex luyện kim bột ép nóng (HIPed P/M Super Duplex): Đối với các dòng máy xeo siêu tốc (tốc độ trên 1500 m/phút) hoặc các cấu hình ép đòi hỏi tải trọng khe ép cực lớn, việc tiếp tục làm dày vỏ lô Duplex thông thường sẽ khiến lô quá nặng và đắt đỏ. Giải pháp đỉnh cao hiện tại là sử dụng vật liệu Super Duplex được sản xuất bằng công nghệ luyện kim bột (Powder Metallurgy - P/M) và ép đẳng tĩnh nóng (Hot Isostatic Pressing - HIP). Công nghệ P/M HIPing giúp hợp nhất các hạt bột kim loại dưới áp suất và nhiệt độ cao, tạo ra một cấu trúc vi mô vô cùng đồng nhất, loại bỏ hoàn toàn các rỗ khí (pores) và tạp chất lẫn lộn (inclusions) vốn thường xuất hiện trong phương pháp đúc ly tâm hoặc rèn truyền thống. Nhờ cấu trúc đặc hoàn hảo này, vỏ lô có sức mạnh chịu mỏi chống ăn mòn vượt trội, cho phép thiết kế vỏ lô mỏng hơn, đường kính tổng thể không cần tăng quá lớn nhưng vẫn chịu được lực ép tối đa, giúp gia tăng thể tích mở để thoát nước.

Công nghệ bọc bề mặt lô: Chuyển dịch từ Cao su sang Polyurethane

Lớp bọc trên bề mặt của vỏ kim loại đóng vai trò như một lớp đệm đàn hồi. Nó là điểm tiếp xúc trực tiếp với chăn ép và thông qua đó tác động đến tờ giấy. Đặc tính của lớp bọc quyết định động lực học nén, sự phân bố áp suất, khả năng làm khô và chất lượng bề mặt giấy.

Vật liệu Cao su (Rubber): Truyền thống lâu đời của ngành giấy là bọc lô bằng các lớp cao su tổng hợp như NBR (Acrylonitrile-butadiene Rubber), Butyl, hoặc Hypalon, với độ cứng thường được duy trì ở mức 95 Shore A. Vật liệu cao su có lợi thế là chi phí đầu tư ban đầu thấp, quy trình bọc và lưu hóa dễ dàng. Một số sản phẩm keo dán cao su (như 715-1 GUM) đã chứng minh khả năng bám dính tốt, không bong tróc ở tốc độ trung bình. Tuy nhiên, cao su có những nhược điểm chí mạng: nó có xu hướng bị lưu hóa tiếp và cứng dần lên theo thời gian hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao. Sự biến cứng này làm mất đi khả năng đàn hồi, khiến khe ép bị thu hẹp lại, làm tăng áp suất đỉnh, dễ làm nát giấy và gây ra hiện tượng mài mòn không đều theo chiều ngang (CD profile). Do đó, lô cao su đòi hỏi phải được tháo ra mài lại bề mặt định kỳ, chu kỳ mài lại (regrind interval) thường rất ngắn. Cao su ngày nay thường chỉ được khuyến nghị sử dụng cho các máy xeo có tốc độ chậm dưới 1200 m/phút.

Vật liệu Polyurethane (PU): Sự ra đời của các vật liệu Polyurethane cao cấp đã tạo ra một cuộc cách mạng trong thiết kế bọc lô máy giấy, đặc biệt là máy tissue tốc độ cao. PU kết hợp được hai đặc tính dường như mâu thuẫn nhau: độ đàn hồi êm ái tuyệt vời và khả năng chống mài mòn cơ học cực kỳ cứng cáp. Độ cứng của lớp bọc PU có thể được pha chế và duy trì ổn định ở mức đo lường 15 đến 20 P&J (Pusey & Jones) trong suốt vòng đời của nó. Các sản phẩm hàng đầu như ArcticSoft, IntenseFlow (của Voith) hay dòng VacuFox TIS (của Valmet) không bị cứng lại dưới tác động của nhiệt và hóa chất như cao su. Sự đàn hồi bền bỉ này cho phép lô ép tạo ra một khe ép rộng hơn (wider nip). Một khe ép rộng hơn đồng nghĩa với thời gian lưu (dwell time) lâu hơn và áp suất nén cực đại (peak pressure) thấp hơn, giúp ép nước ra khỏi giấy một cách từ từ mà không làm xẹp nát (crush) các cấu trúc mạng xơ sợi, duy trì độ dày (caliper) và độ xốp (bulk) đặc trưng của giấy tissue, đồng thời triệt tiêu hiện tượng hằn bóng (shadow marking). Tuổi thọ và chu kỳ mài lại của PU có thể kéo dài gấp đôi so với các lớp bọc cao su tốt nhất (như PressGator ZL).

️Thiết kế hình học bề mặt bọc (Surface Design): Để đối phó với lượng nước khổng lồ ở máy tốc độ cao, lớp bọc PU không chỉ được khoan các lỗ xuyên thủng để dẫn chân không (Suction holes - S), mà bề mặt của nó còn được các nhà sản xuất máy tạo thêm các lỗ khoan mù (Blind drilled holes - BD) nông và các nhỏ (Grooves - G). Sự kết hợp phức tạp (ví dụ mô hình SBDG: Lỗ hút + Lỗ mù + Rãnh) giúp gia tăng đáng kể thể tích rỗng (void volume) trên bề mặt lô để tiếp nhận khối lượng nước trào ra ở Pha 2 của khe ép, đóng vai trò như một kho chứa tạm thời trước khi nước bị lực ly tâm hất văng hoặc được dao caon gạt sạch. Tỷ lệ diện tích lỗ mở (open area) trên áo lô kim loại thường được thiết kế để đạt từ 18% đến trên 20%, với đường kính lỗ dao động từ 3 mm đến 13 mm. Khi lô quay với tốc độ cao, các hàng lỗ hút này liên tục quét qua các dải niêm phong (seal strips) của hộp hút tĩnh bên trong. Sự ngắt quãng đột ngột của dòng không khí đi vào lỗ tạo ra các xung áp suất, phát sinh âm thanh rít chói tai giống như tiếng còi báo động (siren effect). Để triệt tiêu ô nhiễm tiếng ồn và hiện tượng cộng hưởng cơ học này, các kỹ sư ứng dụng một hình học lỗ khoan đặc biệt gọi là "Silent Drilling Pattern". Thay vì khoan các lỗ thẳng hàng theo trục dọc, lỗ được sắp xếp thành các dải xoắn ốc kép (double helix) hoặc các hàng nghiêng tạo thành một góc xiên (oblique angle) từ 20 đến 40 độ so với mặt phẳng vuông góc với trục dọc của lô. Các lỗ ở hàng liền kề được bố trí so le nhau. Cấu trúc này đảm bảo rằng các lỗ sẽ đi vào và đi ra khỏi dải niêm phong một cách từ từ và liên tiếp, chứ không phải cùng lúc trên toàn bộ bề rộng của lô, từ đó tán xạ và dập tắt sóng âm.

Hình học khe ép, Đường kính lô và Tải trọng tuyến tính

Hiệu quả của việc vắt nước tỷ lệ thuận với áp lực nén và thời gian lưu trú của băng giấy trong khe ép. Tuy nhiên, tốc độ máy càng cao, thời gian đi qua khe ép càng ngắn lại. Để bù đắp cho lượng nước thoát ra bị suy giảm do thiếu thời gian, các kỹ sư phải thực hiện tăng tải trọng ép (linear load) hoặc mở rộng đường kính của lô ép hút.

Tải trọng tuyến tính (Linear Load): Ở cấu hình máy tissue có một lô ép hút truyền thống, tải trọng tuyến tính thường được thiết lập ở mức 90 đến 100 kN/m, tạo ra áp lực đỉnh khoảng 2.5 MPa trong khe ép. Các cấu trúc lô ép hút hạng nặng mới có thể chịu tải lên đến 120 kN/m an toàn. Tải trọng lớn giúp tăng độ khô của băng giấy lên từ 1% đến 4%, tiết kiệm hàng tỷ VNĐ chi phí sấy nhiệt mỗi năm. Tuy nhiên, như đã phân tích, tải quá cao làm giấy mất đi tính mềm mại. Để giải quyết mâu thuẫn này, các nhà máy siêu tốc đang sử dụng công nghệ Ép Guốc (Shoe Press - như SmarNip của A.Celli, PrimePress XT Evo của Andritz hay Advantage ViscoNip của Valmet) có thể chịu lực ép lên tới 1000 kN/m nhưng dàn trải trên một diện tích cực rộng giúp giấy giữ được độ dày lý tưởng.

Đường kính lô (Roll Diameter): Việc lựa chọn đường kính phụ thuộc trực tiếp vào tải trọng và tốc độ thiết kế. Đường kính lớn giúp lô có độ cứng vững tốt hơn, ít bị uốn võng, tạo ra khu vực khe ép ổn định, và giúp lớp bọc có thời gian tản nhiệt dài hơn sau mỗi vòng quay, chống sinh nhiệt tích tụ (heat buildup). Các dòng máy chạy chậm có thể sử dụng lô từ 400 mm đến 770 mm, nhưng đối với máy chạy từ 1500 m/phút đến trên 2000 m/phút, đường kính yêu cầu thường phải vượt trên 1045 mm, thậm chí đạt 1200 mm đến 1425 mm cho các khổ máy rộng tới 5,6 mét. Lô ép cũng cần được thiết kế biên dạng lồi (Crowning) để bù trừ độ võng ở giữa tâm lô do trọng lượng bản thân và áp lực nén tạo ra, đảm bảo khe ép luôn song song và áp suất đồng đều trên toàn bộ khổ rộng của băng giấy.

Hệ thống chân không, Làm kín và Tối ưu hóa năng lượng

Lô ép hút hoạt động trên nguyên lý chênh lệch áp suất. Bên trong lớp vỏ kim loại đục lỗ đang quay ở tốc độ chóng mặt là một hộp hút chân không (suction box) đứng yên, được kết nối với hệ thống bơm chân không công nghiệp (thường là Liquid Ring Pumps hoặc Turbo Blowers). Ranh giới giữa phần xoay và phần tĩnh được bít kín bằng các dải đệm dọc (axial seal strips) và các tấm chắn mép (edge deckles) để giới hạn vùng không gian hút.

Tối ưu hóa áp suất chân không: Các nhà thiết kế máy truyền thống thường có thói quen "càng mạnh càng tốt" và khuyến cáo duy trì độ chân không cố định ở mức rất cao, thường là -65 kPa. Tuy nhiên, các phân tích thực chứng bằng hệ thống đo lưu lượng nước thoát ra (như hệ thống EcoFlow của Runtech) đã chỉ ra rằng việc duy trì -65 kPa ở nhiều trường hợp là một sự lãng phí điện năng khủng khiếp. Tùy thuộc vào đặc tính của bột giấy, loại chăn ép và độ tuổi của chăn, việc tinh chỉnh áp suất linh hoạt ở mức -40 kPa đến -50 kPa (đặc biệt đối với máy chạy dưới 1000 m/phút) là hoàn toàn đủ để làm khô giấy, giúp nhà máy tiết kiệm được lượng điện năng rất lớn.

Công nghệ làm kín và bôi trơn: Áp lực ma sát giữa vỏ lô đang quay và các dải đệm tĩnh tạo ra sức cản lớn (tiêu tốn công suất động cơ) và bào mòn dải đệm. Các cải tiến vật liệu làm kín bằng hỗn hợp Cao su-Than chì cao cấp (như ValSeal hoặc FlexSeal của Valmet) có tính năng tự bôi trơn đang dần thay thế các vật liệu cũ. Đột phá hơn, hệ thống làm kín HydroSeal của Voith tích hợp các rãnh bôi trơn trực tiếp phun tia nước len lỏi ngay trên bề mặt từng dải đệm, giúp giảm đáng kể năng lượng ma sát và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Voith cũng phát triển hệ thống dao cắt cơ học không tiếp xúc SealView, không dùng điện, có thể đo lường chính xác tốc độ mòn của đệm làm kín theo thời gian thực.

Hệ thống làm sạch bề mặt và Dao gạt kép (Double Doctoring)

Để lô ép hút thực hiện được nhiệm vụ chứa nước ở Pha 2 và giải phóng nước ở Pha 4, tất cả các khoảng trống (lỗ hút, lỗ mù, rãnh) phải hoàn toàn sạch sẽ và rỗng nước trước khi lô xoay vòng lại để bắt đầu một chu kỳ ép mới.

️Lực ly tâm và thách thức ở tốc độ chậm: Ở các máy xeo có tốc độ cực nhanh, lực ly tâm (centrifugal force) khổng lồ đóng vai trò như một máy vắt, tự động hất văng phần lớn lượng nước và bụi xơ sợi ra khỏi các lỗ hút ngay khi vừa thoát khỏi khe ép. Tuy nhiên, ở các máy có tốc độ chậm (đặc biệt là dưới 1000 m/phút, hay thậm chí dưới 600 m/phút), động năng của dòng nước không đủ để thắng lực bám dính. Nước nằm ỳ trong các lỗ khoan, và khi lô quay trở lại tiếp xúc với chăn, lượng nước dơ này sẽ bị nén và thấm ngược lại (rewetting) băng giấy đang khô.

Nguyên lý hoạt động của Dao gạt kép (Double Doctoring): Việc chỉ sử dụng một lưỡi gạt cao su đơn giản (single wipe) chà trên bề mặt lô là không đủ, vì nó chỉ dọn được nước trên mặt phẳng (land area) mà thậm chí còn vô tình đẩy nước chui sâu thêm vào các lỗ khoan. Ngành công nghiệp đã giới thiệu công nghệ Dao cạo đôi (Double Doctoring) như một giải pháp cứu cánh. Cơ cấu này sử dụng hai lưỡi dao gạt được bố trí song song. Lưỡi dao thứ nhất đóng vai trò tạo ra "hiệu ứng cánh gió" (foil effect) khi lô quay ở tốc độ cao. Dòng không khí bị xé rách bởi lưỡi dao thứ nhất sẽ tạo ra một vùng áp suất âm (chân không vi mô) ngay phía sau nó. Vùng chân không này có sức mạnh hút kiệt lượng nước ẩm và các hạt xơ sợi mịn đang tắc nghẽn sâu dưới đáy các lỗ khoan và rãnh trào ngược lên bề mặt. Ngay sau đó, lưỡi dao thứ hai sẽ cạo sạch hoàn toàn lớp nước và cặn bẩn vừa trào lên này, trả lại một lô ép hút với thể tích rỗng 100% sạch sẽ và khô ráo để tiến vào khe ép mới.

Các giải pháp nâng cao: Hệ thống AirBlade của Runtech tích hợp khí nén áp lực thổi qua hệ thống dao gạt để hỗ trợ thổi tung nước ra khỏi các rãnh, giúp duy trì hiệu suất làm khô tuyệt vời ngay cả khi máy chạy chậm. Đồng thời, các hệ thống xịt nước áp lực cao (HP Needle showers) với vòi phun tự làm sạch cũng được trang bị để rửa trôi cặn canxi và hóa chất kẹt trong lỗ, đảm bảo khả năng thẩm thấu của bề mặt bọc lô.

Trên đây là phân tích của VIET HUNG TECHNOLOGY dựa trên các tài liệu tổng hợp được. Nếu quý vị có ý kiến nhận định khác xin vui lòng góp ý ở phần bình luận .

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích và lựa chọn lô ép hút cho từng dải tốc độ của máy xeo

Xin chân thành cảm ơn!