초지기 생산 공정에서 다양한 롤은 습윤 지필의 탈수부터 건윤 지필의 경화까지 필수적인 역할을 합니다. 초지기 롤 설계의 핵심 기술 중 하나인 "크라운"은 겉보기에 미세한 기하학적 차이에도 불구하고 종이 품질의 균일성과 안정성을 직접적으로 결정합니다. 본 논문에서는 초지기 롤의 크라운 기술을 정의, 작동 원리, 분류, 설계의 주요 영향 요인 및 유지 관리 측면에서 종합적으로 분석하여 종이 생산에서 크라운 기술이 갖는 중요한 가치를 밝혀낼 것입니다.

1. 크라운의 정의: 사소한 차이에서 중요한 기능

"크라운"(영어로는 "Crown")은 제지기 롤의 축 방향(길이 방향)을 따라 형성되는 특수한 기하학적 구조를 의미합니다. 롤 본체 중간 부분의 직경은 끝 부분의 직경보다 약간 더 커서 "허리 드럼"과 유사한 윤곽을 형성합니다. 이 직경 차이는 일반적으로 마이크로미터(μm) 단위로 측정되며, 일부 대형 프레스 롤의 크라운 값은 0.1~0.5mm에 달할 수도 있습니다.

크라운 설계를 측정하는 핵심 지표는 "크라운 값"으로, 롤 본체의 최대 직경(일반적으로 축 방향의 중간 지점)과 롤 끝단 직경의 차이로 계산됩니다. 크라운 설계는 본질적으로 실제 작동 중 힘 및 온도 변화와 같은 요인으로 인해 발생하는 롤의 "중간 처짐" 변형을 상쇄하기 위해 이 미세한 직경 차이를 미리 설정하는 것을 포함합니다. 궁극적으로 크라운 설계는 롤 표면 전체 폭과 종이 웹(또는 기타 접촉 부품)에 걸쳐 접촉 압력을 균일하게 분포시켜 종이 품질을 위한 견고한 기반을 마련합니다.

2. 크라운의 핵심 기능: 변형 보상 및 균일한 압력 유지

초지기 롤 작동 중 기계적 부하, 온도 변화 및 기타 요인으로 인해 변형은 불가피합니다. 크라운 설계가 없으면 이러한 변형으로 인해 롤 표면과 지필 웹 사이의 접촉 압력이 불균일해집니다. 즉, "양쪽 끝은 높고 가운데는 낮은 압력"이 발생하여 지필의 평량 불균일 및 탈수 불균일과 같은 심각한 품질 문제가 직접적으로 발생합니다. 크라운의 핵심 가치는 이러한 변형을 적극적으로 보상하는 데 있으며, 이는 다음과 같은 측면에서 구체적으로 드러납니다.

2.1 롤 굽힘 변형 보상

프레스 롤 및 캘린더 롤과 같은 제지기의 코어 롤이 작동 중일 때, 종이 웹에 상당한 압력을 가해야 합니다. 예를 들어, 프레스 롤의 선형 압력은 100-500 kN/m에 달할 수 있습니다. 길이 대 직경 비율이 큰 롤(예: 광폭 제지기의 프레스 롤 길이는 8-12m)의 경우, 중간 부분이 아래로 구부러지는 탄성 변형이 압력을 받으면 발생합니다. 이는 "하중으로 인한 숄더 폴 굽힘"과 유사합니다. 이러한 변형은 롤 끝과 종이 웹 사이에 과도한 접촉 압력을 유발하는 반면, 중간 부분의 압력은 부족합니다. 결과적으로 종이 웹은 양쪽 끝에서 과탈수(건조도가 높고 평량이 낮음)되고 중간 부분에서는 탈수 부족(건조도가 낮고 평량이 높음)됩니다.

그러나 크라운 디자인의 "드럼 모양" 구조는 롤이 휘어진 후에도 롤 전체 표면이 종이 ​​웹과 평행하게 접촉하여 균일한 압력 분포를 보장합니다. 이는 굽힘 변형으로 인한 품질 위험을 효과적으로 해결합니다.

2.2 롤 열 변형 보상

건조부의 가이드 롤 및 캘린더 롤과 같은 일부 롤은 고온의 종이 웹 및 증기 가열과 접촉하여 작동 중에 열 팽창을 겪습니다.롤 본체의 중간 부분이 더 완전히 가열되기 때문에(양쪽 끝이 베어링에 연결되어 열을 더 빨리 방출함) 열 팽창이 끝부분보다 커져 롤 본체에 "중간 돌출부"가 발생합니다.이 경우 기존 크라운 설계를 사용하면 접촉 압력이 불균일해집니다.따라서 열 팽창으로 인해 발생하는 추가 돌출부를 상쇄하고 롤 표면에 균일한 접촉 압력을 보장하기 위해 "네거티브 크라운"(중간 부분의 직경이 끝부분의 직경보다 약간 작은 "역 크라운"이라고도 함)을 설계해야 합니다.

2.3 불균일한 롤 표면 마모 보상

장기간 작동 시 일부 롤(예: 프레스 고무 롤)은 종이 웹 가장자리에서 더 자주 마찰을 경험합니다(종이 웹 가장자리에는 불순물이 포함되는 경향이 있기 때문). 이로 인해 끝부분이 중간부분보다 더 빨리 마모됩니다. 크라운 설계가 없으면 마모 후 롤 표면이 "중간은 볼록하고 끝부분은 처짐"을 보이게 되어 압력 분포에 영향을 미칩니다. 크라운을 미리 설정하면 마모 초기 단계에서 롤 표면 윤곽의 균일성을 유지하여 롤의 수명을 연장하고 마모로 인한 생산 변동을 줄일 수 있습니다.

3. 크라운 분류: 다양한 작업 조건에 맞춰 조정된 기술적 선택

초지기의 종류(저속/고속, 협폭/광폭), 롤 기능(프레스/캘린더링/가이드), 그리고 공정 요건에 따라 크라운은 다양한 유형으로 구분할 수 있습니다. 크라운의 종류에 따라 설계 특성, 조정 방법, 그리고 적용 시나리오가 다르며, 자세한 내용은 아래 표와 같습니다.

4. 크라운 설계의 주요 영향 요인: 생산 요구 사항에 맞게 조정하기 위한 정밀한 계산

크라운 값은 임의로 설정되는 것이 아니라, 효과적인 작동을 보장하기 위해 롤 매개변수와 공정 조건을 기반으로 종합적으로 계산되어야 합니다. 크라운 설계에 영향을 미치는 주요 요소는 주로 다음과 같습니다.

4.1 롤 치수 및 재료

1. 롤 본체 길이(L): 롤 본체가 길수록 동일한 압력에서 굽힘 변형이 더 커지므로 필요한 크라운 값도 커집니다. 예를 들어, 폭이 넓은 초지기의 긴 롤은 변형을 보상하기 위해 폭이 좁은 초지기의 짧은 롤보다 더 큰 크라운 값이 필요합니다.
2. 롤 바디 직경(D): 롤 본체 직경이 작을수록 강성이 낮아지고, 압력 하에서 롤이 변형되기 쉽습니다. 따라서 더 큰 크라운 값이 필요합니다. 반대로, 직경이 큰 롤은 강성이 더 높으므로 크라운 값을 적절히 낮출 수 있습니다.
3. 재료 강성: 롤 본체의 재질에 따라 강성이 다릅니다. 예를 들어, 강철 롤은 주철 롤보다 강성이 훨씬 높습니다. 강성이 낮은 재질은 압력 하에서 변형이 더 심하므로 더 큰 크라운 값이 필요합니다.

4.2 작동 압력(선형 압력)

프레스 롤 및 캘린더 롤과 같은 롤의 작동 압력(선형 압력)은 크라운 설계에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.선형 압력이 클수록 롤 본체의 굽힘 변형이 더 커지고 변형을 상쇄하기 위해 크라운 값을 그에 따라 높여야 합니다.그 관계는 대략적으로 단순화된 공식으로 표현할 수 있습니다.크라운 값 H ≈ (P×L³)/(48×E×I), 여기서 P는 선형 압력, L은 롤 길이, E는 재료의 탄성 계수, I는 롤 단면의 관성 모멘트입니다.예를 들어, 포장지용 프레스 롤의 선형 압력은 일반적으로 300kN/m보다 크므로 해당 크라운 값은 선형 압력이 낮은 문화지용 프레스 롤보다 커야 합니다.

4.3 기계 속도 및 용지 종류

1. 기계 속도: 고속 초지기(속도 > 1200m/분)가 작동 중일 때, 지필은 저속 초지기보다 압력 균일성에 훨씬 더 민감합니다. 미세한 압력 변동도 지필 품질 불량을 초래할 수 있습니다. 따라서 고속 초지기는 일반적으로 동적 변형을 실시간으로 보상하고 안정적인 압력을 보장하기 위해 "제어 가능한 크라운"을 채택합니다.
2. 용지 종류: 용지 종류에 따라 압력 균일성에 대한 요구 사항이 다릅니다. 티슈(예: 평량이 10~20g/m²인 화장지)는 평량이 낮고 압력 변동에 매우 민감하여 고정밀 크라운 설계가 필요합니다. 반면, 두꺼운 용지(예: 평량이 150~400g/m²인 판지)는 압력 변동을 견뎌내는 능력이 더 뛰어나므로 크라운 정밀도 요구 사항을 적절히 낮출 수 있습니다.

5. 일반적인 크라운 문제 및 유지 관리: 안정적인 생산을 보장하기 위한 적시 검사

부적절한 크라운 설계나 부적절한 유지관리는 용지 품질에 직접적인 영향을 미치고 일련의 생산 문제를 야기합니다. 일반적인 크라운 문제와 그에 따른 대책은 다음과 같습니다.

5.1 지나치게 큰 크라운 가치

크라운 값이 너무 크면 롤 표면 중앙에 과도한 압력이 가해져 평량이 낮아지고 종이 중앙의 건조도가 높아집니다. 심한 경우, "찌그러짐"(섬유 파손)이 발생하여 종이의 강도와 외관에 영향을 미칠 수 있습니다.

대책: 저속 초지기에 사용되는 고정 크라운 롤의 경우, 적절한 크라운 값으로 롤을 교체해야 합니다. 고속 초지기에 사용되는 가변 크라운 롤의 경우, 가변 크라운 시스템을 통해 유압 또는 공압을 낮춰 압력 분포가 균일해질 때까지 크라운 값을 낮출 수 있습니다.

5.2 지나치게 작은 크라운 가치

크라운 값이 너무 작으면 롤 ​​표면 중앙의 압력이 부족해져 중간 부분의 종이 탈수 불량, 건조도 저하, 평량 증가, 그리고 "젖은 부분"과 같은 품질 결함이 발생할 수 있습니다. 동시에, 후속 건조 공정의 효율성에도 영향을 미칠 수 있습니다.

대책: 고정 크라운 롤의 경우, 크라운 값을 높이기 위해 롤 본체를 재가공해야 합니다. 제어 가능한 크라운 롤의 경우, 유압 또는 공압을 높여 크라운 값을 높일 수 있으며, 이를 통해 롤 중앙의 압력이 공정 요건을 충족하도록 할 수 있습니다.

5.3 크라운 윤곽의 불균일한 마모

장기간 사용하면 롤 표면에 마모가 발생합니다. 마모가 고르지 않으면 크라운 윤곽이 변형되고 롤 표면에 "불균일한 점"이 나타납니다. 이로 인해 용지에 "줄무늬"나 "눌림"과 같은 결함이 발생하여 용지의 외관 품질에 심각한 영향을 미칩니다.

대책: 롤 표면을 정기적으로 점검하십시오. 마모가 일정 수준에 도달하면 롤 표면을 적시에 연삭하고 수리하십시오(예: 프레스 고무 롤의 크라운 윤곽 재연삭). 이를 통해 크라운의 정상적인 모양과 크기를 복원하고 과도한 마모로 인한 생산 중단을 방지하십시오.

6. 결론

겉보기에는 미묘하지만 중요한 기술인 초지기 롤의 크라운은 균일한 종이 품질을 보장하는 핵심 요소입니다. 저속 초지기의 고정 크라운부터 고속 광폭 초지기의 제어 가능한 크라운까지, 크라운 기술은 "변형을 보정하고 균일한 압력을 달성"이라는 핵심 목표를 중심으로 끊임없이 발전해 왔으며, 다양한 제지 작업 환경의 요구에 맞춰 적용되어 왔습니다. 합리적인 크라운 설계는 불균일한 종이 평량 및 탈수 불량과 같은 품질 문제를 해결할 뿐만 아니라, 초지기의 작동 효율을 향상시켜 종이 파손 횟수를 줄이고 에너지 소비를 줄여 과도한 건조를 방지합니다. 크라운은 "고품질, 고효율, 저에너지 소비"를 지향하는 제지 산업 발전에 필수적인 핵심 기술입니다. 향후 제지 생산에서는 장비 정밀도의 지속적인 향상과 공정 최적화를 통해 크라운 기술이 더욱 정교하고 지능화되어 제지 산업의 고품질 발전에 더욱 기여할 것입니다.