Lô Yankee thực chất là một bình chịu áp lực hình trụ xoay cỡ lớn, với đường kính có thể dao động từ 3,0 mét lên tới hơn 6,7 mét đối với các cỗ máy hiện đại, và chiều dài bề mặt làm việc có thể đạt từ 2.850 mm đến 5.600 mm, thậm chí kỷ lục lên tới 7,4 mét. Khối lượng tĩnh của một lô Yankee truyền thống có thể vượt quá 180 tấn.

Nguyên lý hoạt động của lô Yankee dựa trên quá trình truyền nhiệt từ hơi nước bão hòa có áp suất cao (lên tới 10bar) được cấp vào bên trong khoang rỗng của hình trụ. Khi vận hành trên máy xeo truyền thống, màng giấy sau khi đi qua khu vực ép sẽ được chuyển lên bề mặt lô Yankee ở độ khô 35% đến 45%. Nhiệt năng truyền qua lớp vỏ kim loại của lô sấy, kết hợp với luồng khí nóng tốc độ cao từ chụp sấy bao phủ bên ngoài, sẽ nhanh chóng làm bay hơi lượng nước còn lại, đưa độ khô của giấy lên mức trên 95% trong một khoảng thời gian cực ngắn.

Không chỉ dừng lại ở việc làm khô, nó còn đóng vai trò là một bệ đỡ cơ học vững chắc cho quá trình tạo nếp. Trong quá trình này, màng giấy khô bám dính trên bề mặt lô Yankee sẽ được bóc tách ra bằng một lưỡi dao cạo tì sát vào bề mặt trụ đang quay. Lực va đập cơ học từ dao gạt làm đứt gãy một phần liên kết hydro giữa các xơ sợi cellulose, tạo ra các nếp gấp siêu nhỏ, từ đó mang lại độ xốp, độ dày và cảm giác mềm mại đặc trưng cho giấy tissue. Sự kết hợp hoàn hảo giữa các yếu tố bao gồm nhiệt độ vỏ lô, hóa chất tách phủ lô, góc độ và áp lực của dao gạt sẽ quyết định đến sự thành bại của quá trình này.

Sự chuyển dịch công nghệ và xu hướng thay thế vật liệu chế tạo lô sấy

Trong suốt gần 200 năm lịch sử phát triển kể từ khi ra đời, gang (đặc biệt là gang xám - gray cast iron) là vật liệu duy nhất và tiêu chuẩn độc tôn được sử dụng để đúc lô sấy Yankee. Sự lựa chọn này dựa trên khả năng đúc nguyên khối cấu trúc lớn, đặc tính giảm chấn cơ học tuyệt vời và bề mặt giàu graphite tự nhiên tạo điều kiện lý tưởng cho dao gạt hoạt động. Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong kỹ thuật luyện kim—từ việc sử dụng gang xám Class 30, 40 lên Class 50, 60 theo tiêu chuẩn ASME, cùng với các biện pháp để tăng diện tích truyền nhiệt—lô gang vẫn vấp phải những giới hạn vật lý không thể vượt qua liên quan đến tính giòn, rủi ro nứt vỡ và sức cản nhiệt lớn do độ dày vỏ quá dày.

Nhằm phá vỡ các rào cản về công suất và an toàn, sự ra đời của lô sấy Yankee bằng thép hàn (SYD) vào năm 2000 bởi Toscotec (Ý) đã khởi xướng một cuộc cách mạng công nghệ sâu rộng trong ngành giấy tissue. Với đặc tính cơ học vượt trội của thép carbon cho phép giảm độ dày thành lô mà vẫn đáp ứng các tiêu chuẩn áp lực khắt khe, SYD mang lại hiệu suất sấy cao hơn, tiêu hao ít năng lượng hơn và loại trừ hoàn toàn nguy cơ nổ thảm khốc. Hầu như tất cả các tập đoàn lớn như ANDRITZ, Valmet, A.Celli, Voith hay Toscotec đều đã chuyển hướng sang thiết kế và cung cấp lô thép, khiến SYD dần thay thế hoàn toàn lô gang trong các dự án lắp đặt máy mới, đồng thời trở thành lựa chọn hàng đầu khi tiến hành cải tạo, nâng cấp (rebuild) các hệ thống máy xeo tissue cũ nhằm nâng cao hiệu suất và đáp ứng các tiêu chuẩn bền vững.

Năm 2022, Toscotec ( một lần nữa, lại là Toscotec) đã giới thiệu công nghệ mang tên "TT Induction SYDdo". Khác biệt hoàn toàn với lịch sử 200 năm dùng áp suất hơi nước, hệ thống này thiết kế để loại bỏ hoàn toàn hệ thống nồi hơi khổng lồ và mạng lưới đường ống xi-phông thu hồi nước ngưng phức tạp. Thay vào đó, một tổ hợp các cuộn dây từ trường tĩnh (static coils) được bố trí kín khít ngay bên trong không gian rỗng của vỏ thép. Dòng điện xoay chiều chạy qua hệ thống này phát ra dòng điện xoáy (Eddy currents) theo nguyên lý cảm ứng điện từ, nung nóng trực tiếp các nguyên tử kim loại trên vỏ thép chính xác tại vị trí cần gia nhiệt.

Phân tích kỹ thuật so sánh: Lô sấy Yankee Thép và Lô sấy Yankee Gang

Việc chuyển đổi vật liệu từ gang xám sang thép carbon cho lô sấy Yankee không đơn thuần là thay đổi chất liệu, mà là một bước nhảy vọt về triết lý thiết kế cơ nhiệt động lực học, mang đến những ưu điểm vượt trội nhưng cũng kèm theo những giới hạn kỹ thuật riêng biệt.

Đặc tính vật liệu và cấu trúc thiết kế cơ khí

Lô sấy Gang (Cast Iron Yankee):

Gang xám (chủ yếu là các cấp độ Class 30, 40, 50 hoặc 60 theo ASME) được ưa chuộng nhờ khả năng đúc nguyên khối cấu trúc trụ lớn với tính đồng nhất cao nếu quy trình đúc được kiểm soát tốt. Trong cấu trúc vi mô của gang xám, các mảnh graphite tự do không chỉ mang lại bề mặt trơn nhẵn tự nhiên hoàn hảo cho việc tiếp xúc với màng giấy và dao gạt, mà còn tạo ra một rào cản thụ động chống lại sự ăn mòn và xói mòn hóa học. Cấu trúc của lô gang thường bao gồm nhiều bộ phận đúc rời (vỏ trụ, nắp hai đầu - heads, trục trung tâm và ngõng trục - journals) được ghép nối với nhau thông qua một hệ thống bu lông.

Nhược điểm lớn nhất của quá trình đúc là nguy cơ sinh ra các bọt khí xốp, lỗi tạp chất bên trong kim loại, cùng với tính chất giòn, khả năng chịu kéo và độ dẻo thấp của gang.

Lô sấy Thép (Steel Yankee): Thép carbon khắc phục hoàn toàn những nhược điểm về cơ tính của gang. Thép có mô đun đàn hồi (modulus of elasticity) và giới hạn chảy cao hơn đáng kể, cho phép nó chịu được những ứng suất cơ học và nhiệt độ khắc nghiệt mà không bị đứt gãy giòn. Về mặt chế tạo, lô thép được hình thành từ việc uốn cuộn các tấm thép carbon chịu lực dày (có thể lên tới 80 mm) và hàn công nghệ cao cực kỳ chính xác.

Những công nghệ tiên tiến như phương pháp rèn nguyên khối của A.Celli hay ngàm khóa Evo-lock (A.Celli) cho phép kết nối mặt bích với thân lô mà không cần sử dụng bất kỳ bu lông nào, loại bỏ hoàn toàn các khe hở cơ học. Việc không có bu lông ở mép trục giúp lô thép tránh được hiện tượng rò rỉ hơi nước qua các khe nối (corrosion-jacking) vốn là một vấn nạn nhức nhối trên lô gang, đồng thời loại bỏ "hiệu ứng mép" (edge effect) làm gián đoạn trường nhiệt, giúp màng giấy đạt được biên dạng độ ẩm (moisture profile) đồng đều tuyệt đối trên toàn bộ khổ rộng.

 

Hiệu suất nhiệt động lực học và công suất sấy

Khả năng truyền nhiệt hiệu quả là thước đo quan trọng nhất đối với một thiết bị sấy. Về bản chất vật lý, hệ số dẫn nhiệt của thép và gang là tương đương nhau. Sự khác biệt quyết định nằm ở độ dày của vỏ chịu áp lực.

Do thép bền và dẻo dai hơn, các bộ tiêu chuẩn an toàn áp lực cho phép chế tạo vỏ lô thép mỏng hơn khoảng 30% so với độ dày cơ sở bắt buộc của một lô gang có cùng sức chứa áp suất. Việc giảm độ dày vỏ dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ trong dòng nhiệt truyền từ hơi nước ngưng tụ bên trong ra bề mặt màng giấy.

Dữ liệu vận hành thực tế chứng minh rằng, lô sấy thép có hệ số truyền nhiệt và tốc độ bay hơi cao hơn từ 15% đến 20% so với lô gang cùng kích thước.

Thêm vào đó, đặc tính thiết kế của lô thép cho phép dễ dàng bọc cách nhiệt (insulated heads) ở hai đầu mặt bích—điều rất khó thực hiện với lô gang nhiều bu lông—giúp tiết kiệm thêm 5% mức tiêu thụ hơi nước do thất thoát bức xạ.

Biên độ an toàn, ứng suất cơ học và rủi ro vận hành

An toàn tính mạng và tính toàn vẹn của nhà máy là động lực phi thương mại lớn nhất thúc đẩy ngành giấy loại bỏ lô gang. Môi trường làm việc của lô Yankee vô cùng khắc nghiệt, chịu tác động đồng thời của áp suất hơi nội tại, ứng suất ly tâm khi quay ở tốc độ cao, chênh lệch nhiệt độ lớn và lực ép tuyến tính lên tới 150 kN/m từ các lô ép.

Đối với lô gang, đặc tính giòn tự nhiên khiến nó cực kỳ nhạy cảm với hiện tượng mỏi cơ học (fatigue) và sốc nhiệt (thermal shock). Khi một lô gang bị suy yếu do ăn mòn, hoặc chịu áp lực vượt ngưỡng cho phép, nó sẽ không biến dạng mà thường nứt toác và phát nổ thảm khốc. Thống kê toàn cầu đã ghi nhận hàng chục trường hợp lô gang nổ tung do lỗi gia nhiệt nhanh hoặc áp suất cục bộ.

Ngược lại, giới hạn đàn hồi cao của vật liệu thép mang lại một biên độ an toàn cực lớn. Trong tình huống xấu nhất khi ứng suất nội tại vượt quá giới hạn thiết kế, lô thép có xu hướng biến dạng dẻo, phình ra hoặc rò rỉ hơi nước qua các điểm yếu ở mối hàn thay vì vỡ vụn và nổ tung. Sự khác biệt mang tính bản chất này giúp giảm trừ triệt để tổn thất về người và tài sản trong môi trường sản xuất.

Bề mặt làm việc, tính chất giảm chấn và yêu cầu đắp phủ kim loại (Metallization)

Bên cạnh những ưu điểm, thép cũng có những nhược điểm đặc thù, nổi bật nhất là tính chất mềm của kim loại nền và khả năng triệt tiêu rung động cơ học (vibration damping) cực kỳ kém khi so sánh với gang.

Lượng graphite tự do dồi dào trong gang xám có khả năng giảm chấn tuyệt vời (gấp 10 đến 20 lần so với thép), giúp lô gang vận hành cực kỳ êm ái dưới áp lực va đập liên tục của dao cạo.

Trong khi đó, tính đàn hồi của thép lại khiến nó dễ bị cộng hưởng cơ học, dẫn đến hiện tượng dao động và nảy (chatter) nếu quá trình vận hành không ổn định.

Hơn nữa, bề mặt thép carbon nguyên bản quá mềm và dễ bị ăn mòn hóa học để có thể trực tiếp thực hiện quá trình tạp nếp. Để giải quyết vấn đề này, 100% lô sấy thép trước khi đưa vào vận hành thương mại đều phải trải qua quá trình phun phủ nhiệt kim loại (Thermal Spray Metallization). Lớp phủ hợp kim này cực kỳ cứng, đồng nhất và không có lỗ xốp, cung cấp một bề mặt hoàn hảo, chống mài mòn vượt trội.

Một ưu điểm chiến lược của lớp phủ này là giải quyết triệt để rào cản về tuổi thọ của lô sấy. Với lô gang, sau vài năm hoạt động, các vết xước và hao mòn buộc nhà máy phải tiến hành mài bóng lại bề mặt, làm mỏng đi phần kim loại nền (base metal) chịu áp lực. Khi độ dày thành vỏ giảm xuống mức giới hạn, các cơ quan kiểm định sẽ ép buộc nhà máy phải hạ thấp áp suất vận hành tối đa, kéo theo sự sụt giảm vĩnh viễn về công suất sấy. Đối với lô thép, quá trình hao mòn chỉ diễn ra trên lớp phủ kim loại; khi lớp phủ này mòn, người ta chỉ việc bóc đi và đắp lại một lớp mới (re-metallizing) mà không bao giờ xâm phạm đến vỏ chịu lực của lô thép. Do đó, năng lực vận hành và định mức áp suất của lô sấy thép được bảo toàn vĩnh viễn trong suốt vòng đời thiết bị, không cần thời gian chạy rà (run-in period) và không bị suy giảm hiệu suất qua các năm.

Khi mài bóng lại lô sấy, quý vị cần lưu ý đo độ nhám bề mặt lô Yankee.

Lô gang: độ nhám Ra = 0.4 – 0.8 µm (0.5-0.7)

Lô thép: độ nhám Ra = 0.2 - 0.5 µm (0.25 - 0.4)

Ý nghĩa kỹ thuật

Bề mặt quá nhẵn (Ra quá thấp):

- Giảm khả năng neo giữ lớp phủ lô

- Giảm bám giấy,

- Crepe ratio khó ổn định

-Bề mặt quá nhám (Ra quá cao):

- Tăng tiêu hao tách phủ lô

- Tăng mài mòn dao cạo lô

- Dễ xuất hiện rung động

- Chất lượng bề mặt giấy xấu

VIET HUNG TECH rất mong nhận được phản biện và đóng góp ý kiến của quý vị.

1 dòng cho quảng cáo: Việt Hưng đang cung cấp bộ hóa chất tách lô / phủ lô / chất bảo vệ lô từ APC Korea.

Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ Phân tích nguyên nhân và biện pháp khắc phục lỗi vận hành lô sấy Yankee Thép