本虚拟仿真实验是依据教学大纲和教学计划安排，结合生产一线和科研前沿凝练整合而成的适合大学生操作实践的综合性实验平台。实验项目总体采用“三阶段-五层次”设计思路，涵盖“实验背景及介绍”、“交互性实验操作”和“实验报告及讨论”等三个阶段，在重要知识点上共设计10个交互实验步骤。根据学生对制浆造纸工程与工艺的认知规律，在“实验操作”阶段构思了“流程与设备学习认知”、“工艺参数设置操作”、“产品质量评价”、“故障报警反馈”和“生产线浆水平衡计算及工艺优化探究提升”等五层次递进式实验模块。各模块之间紧密相连、环环相扣，且各有侧重。学生通过对虚拟仿真每个模块的操作，直观地参与到制浆造纸生产的各个环节，掌握《制浆原理与工程》、《造纸原理与工程》、《制浆造纸工厂设计》和《造纸工艺实验》等专业课程的关键知识点。

通过本虚拟仿真实验，学生可以掌握以下知识：

（1）制浆造纸生产及设计的基础理论知识及运用方式；

（2）制浆造纸生产的总体工艺过程、工艺操作规程，安全生产注意事项，开停机程序，产品质量的影响因素等；

（3）生产线相关工艺技术参数要求，掌握各工段参数对生产线运行稳定性的影响规律，常见异常情况及其处置方法等；

（4）AGM隔板纸的质量检控标准，熟悉纸张产品质量监测方法；

（5）生产工艺参数对产品质量的影响规律，掌握工艺流程优化方法。

制浆造纸的原料通常有植物纤维、玻璃纤维和化学合成纤维等，根据纸产品种类和质量要求的不同，而选用不同的原料和不同的生产工艺。环保电池隔板纸（Absorptive Glass Mat，AGM）是一种采用直径为0.5～3.0微米的玻璃纤维为生产原料，通过造纸湿法成型工艺抄造而成的超细玻璃纤维纸，主要用于阀控式铅酸蓄电池（VRLA）内，防止电池内正负极之间的短路。隔板纸生产线对造纸全过程的再现相对简单明了，更适用于教学。

AGM技术的核心是使用了超细玻璃纤维隔板U形包覆法包裹极板（也可采用S形包覆法）。其中，隔板具有90%以上的孔隙率，可以吸收电解液，使其不流动。隔板吸液的饱和度在95%左右，同时留有5-10%的孔隙，作为氧气的通道，使正极产生的氧气通过隔板上的孔道在负极被吸收，实现H₂O-O₂-H₂O的循环，进而使电池的密封得以实现。

AGM隔板纸在电池中的主要作用：

①防止正负极短路，阻止正极活性物质的脱落；

②能够吸收足够的电解液，并保持电池的贫液状态，保证电池的放电容量，为正负极提供氧气传输通道；

③有足够的机械强度，以适应机械化生产的需要；

④隔板在电池中溶出物要少，杂质含量低，防止杂质溶入电解液影响电池的电性能；

⑤隔板应有一定弹性，以保证隔板在电池充放电循环过程中始终和隔板保持紧压状态。

超细玻璃纤维的优点：

①优异的化学稳定性和耐酸性，在酸中溶出的有害离子含量少；

②较好的高温稳定性；

③极好的抗氧化性和耐还原性；

④极好的硫酸润湿性，确保电解液的高渗透性；

⑤直径较小，对电解液具备良好的吸附保持能力；

⑥密度低，可使隔板具有较高的孔隙率；

⑦高硬度、高模量；

⑧制造过程污染相对较小。

AGM隔板纸生产虚拟仿真实验项目基于浆水平衡计算数学模型与实际造纸生产线工厂模型，通过参数设计，利用虚拟技术进行开发，旨在考察“原料-制浆-造纸-产品”四个阶段中工艺设计及相关参数的关联性，总结产品质量与各个环节之间的关系。

知识点：共15个

（1）造纸用纤维原料定义及特征

1. 纤维组成及特点：常用造纸纤维以植物纤维为主，包括针叶材、阔叶材和草类植物纤维；还可根据产品用途要求，如纸张需要大的孔隙率和耐酸碱性等特殊性能，可拓展到玻璃纤维和合成纤维

2．AGM隔板纸生产对纤维要求：如实验原理中所述，隔板纸对纤维有特殊的稳定性、渗透性、耐酸碱性、伸缩性和强度需求

（2）制浆原理与工艺

1、打浆：在水介质中对纸浆进行机械处理，使纤维经受机械力的作用而产生切断、压溃、润胀和细纤维化等变化，从而使纸浆满足成纸的要求。打浆对纤维的作用及打浆过程中纤维所发生的变化，叩解度、游离度和湿重所反映纸浆的性质；纸张强度的来源，纤维结合的性质（氢键理论）；打浆过程中各种纸性的变化及其基本原因。掌握基本打浆方式的概念；高浓度打浆对纤维作用的特点；打浆比压、浓度、温度、时间或通过量、浆种等因素对打浆的影响以及水力碎浆机的特点与适用场合

2、供浆系统和纸料的流送：供浆系统的概念和作用；造纸对纸料的要求（浓度和质量等）；造纸的短循环；纸料的流体力学基本特性，及流浆箱的基本组成与其作用

3、纸页成型与脱水：造纸机的主要规范，造纸车间主要技术经济指标的计算方法。纸页成型过程的三个阶段的主要特性，及其对纸页性质的影响。综合分析提高脱水效果的途径。斜网造纸机的主要结构特点、纸页成型的主要特点及纸页性能的影响。纸页传递过程中引起断头的原因、断头规律及减少断头的方法。对常见的纸病能进行分析，找出原因，提出处理意见

4、纸页的干燥：干燥部的作用、纸页的干燥机理、影响纸页干燥效率的因素、干燥对纸页性质的影响、干燥部的通风及纸幅稳定性、干燥新技术

5、纸张强度常见检测方法和指标，抗张强度、耐破强度、耐折度、透气度和孔隙率等

（4）制浆造纸工厂设计

生产工艺流程设计，浆水平衡计算，设备选型计算，设备选型及设备布置图绘制方法。

以上知识点完全基于教学大纲。此外，本实验针对AGM隔板纸生产线所涉及的原料—制浆—造纸—产品的具体补充知识要点如下：

1）AGM隔板指吸附式超细玻璃纤维棉隔板，其主要用途是，防止铅酸蓄电池内正负极之间的短路；

2）AGM隔板生产原料以超细玻璃纤维为主，也可使用有采用化学纤维；

3）AGM隔板主要性能特点是吸酸值高和孔率高；

4）超细玻璃纤维生产方法主要有火焰牵伸法和离心喷吹法两种；

5）火焰牵伸法主要优点是纤维直径小，但生产能耗高；

6）离心喷吹法主要优点是能耗较低，离散度小

7）AGM隔板主要生产工艺流程包括碎浆、配浆、除渣、流送、成型、干燥、卷取和完成等；

8）影响碎浆的主要因素有碎浆浓度、碎浆时间和搅拌速度等；

9）AGM隔板粘连主要原因是复卷时隔板温度较高，需要采取降温措施

10）引起隔板折裂的主要原因是白水回用量大，细小纤维含量高；

11）AGM隔板生产中，采用低浓水力碎浆机来碎解棉纤维，防止纤维折断；

12）AGM隔板生产中，水力碎浆机碎浆浓度一般控制在1.5～2.5% 之间；

13）在AGM隔板生产中，添加硫酸调节浆料pH值，提高隔板纸的强度；

14）在AGM隔板生产中，采用锥形除渣器去除浆料中的杂质；

15）锥形除渣器进浆浓度越低，除渣效果越好；

16）高位箱在隔板生产流程中主要是保证浆料的流量和压力稳定；

17）进烘箱前纸页水份含量越大，干燥所消耗的能源也越高；

18）玻璃纤维棉越细，孔径越小，孔率越高，其吸酸高度越大；

19）玻璃纤维比表面积越大，隔板强度越好；

20）浆料上网浓度低，纤维分散性好，纤维交织好，强度高；

21）适当添加合成纤维，有利于提高AGM隔板强度；

22）AGM隔板生产中，加硫酸调节浆料pH值，一般控制在2.5～3.5之间；

23）AGM隔板生产中，细小纤维含量过高，会引起隔板的折裂；

24）AGM隔板生产中，烘箱温度过高会导致隔板的表面起皱现象；

25）AGM隔板厚度不稳定会造成隔板装配困难，影响电池使用寿命。

高档环保AGM电池隔板纸虚拟仿真实验，分为四个阶段执行:

第一阶段：实验背景及介绍

本阶段包括步骤1～3，其主要目的是让学生熟悉实验场景，了解本实验的背景、实验目的和实验内容等，为AGM电池隔板纸生产虚拟仿真实验做好准备。

步骤1：动画场景漫游至实验主界面。

打开浏览器，在地址栏中输入实验项目展示网站网址：http://qg.njfu.rofall.net/virexp/gdhb，学生输入“账号”和“密码”，并登录系统

图1. 虚拟仿真实验主界面

步骤2：打开后的实验环境界面上半部分为实验相关信息，包括实验名称、实验类型、所属课程名称、实验要求、实验报告内容等，如图2所示。

图2. 虚拟实验界面相关信息

步骤3：点击主菜单中“实验介绍“按钮，弹出实验介绍界面。实验介绍界面显示“实验背景”、“实验目的”和“实验内容”三部分，仔细阅读并了解此部分内容后点击“已阅读”按钮，返回主菜单。

图3. 实验介绍示意图

第二阶段：实验认知

第二阶段包括步骤4～15，其主要目的是让学生学习与本虚拟仿真实验相关的知识点，掌握实验操作的有关工艺参数，熟悉工艺流程，通过场景漫游了解各实验设备及功能等。

步骤4：点击“实验认知”按钮，弹出实验知识点界面。实验知识点界面包括与本实验有关的知识点，供学生实验操作前学习。

图4. 实验知识点示意图

步骤5：点击“工艺流程认知”按钮，弹出八个工艺流程界面。

工艺流程包括：碎浆工序、配浆工序、除渣工序、流送工序、成型工序、干燥工序、卷取工序和复卷工序等八个工序。

步骤6：点击“碎浆工序”画面按钮，界面显示碎浆工序流程图。

碎浆工序是将玻璃纤维原料传送至水力碎浆机，在水力作用下，依靠碎浆机转子的机械力作用，将玻璃纤维原料均匀分散开，碎解后浆料泵送至卸料浆池贮存，供下一步使用。图5为碎浆工序流程图。

图5. 碎浆工序流程图

步骤7：点击“配浆工序”画面按钮，界面显示配浆工序流程图。配浆工序是将碎浆工序制得的浆料加水稀释至一定浓度，满足后续除渣工序的要求。图6为配浆工序流程图。

图6. 配浆工序流程图

步骤8：点击“除渣工序”画面按钮，界面显示除渣工序流程图。除渣工序是将配浆工序制得的低浓度浆料，在泵足够扬程下，将浆料送入锥形除渣器。浆料经离心力作用，可去除其中密度大的玻璃渣及小渣球，满足产品的质量要求，图7为除渣工序流程图。

图7. 除渣工序流程图

步骤9：点击“流送工序”画面按钮，界面显示流送工序流程图。流送工序是将除渣工序制得的合格浆料，送入斜网成型器抄造成湿纸页。为保证上网浆料流量和压力稳定，需要将浆料稳定在高位箱中，确保浆料压差稳定，同时浆料有足够的回流以保证流量稳定，减少浆料上网抄造后纸页定量波动，图8为流送工序流程图。

图8. 流送工序流程图

步骤10：点击“成型工序”画面按钮，界面显示成型工序流程图。

成型工序是将流送工序送来的合格浆料，在斜网成型器中均匀脱去浆料中水分而形成湿纸页，同时依靠真空泵抽吸作用去除湿纸页中多余的水分，提高湿纸页进入干燥箱的干度。图9为成型工序流程图。

图9. 成型工序流程图

步骤11：点击“干燥工序”画面按钮，界面显示干燥工序流程图。干燥工序是将成型工序送来的湿纸页送入烘箱中，在高温下蒸发去除湿纸页中难以脱除的水分。烘箱分为3组，根据纸页的含水量来控制每组烘箱温度，在确保纸页质量的同时，减少蒸汽（或天然气）的消耗，节约能源。图10为干燥工序流程图。

图10. 干燥工序流程图

步骤12：点击“卷取工序”画面按钮，界面显示卷取工序流程图。卷取工序是将出干燥工序的合格干纸页卷成大卷筒纸卷，以满足后续完成整理和复卷分切要求。图11为卷取工序流程图。

图11. 卷取工序流程图

步骤13：点击“完成工序”画面按钮，界面显示完成工序流程图。完成工序是将出卷取工序的大纸卷按照产品规格或客户要求复卷成小规格的卷筒纸或分切成小片的平板纸，满足不同产品的使用要求。图12为完成工序流程图。

图12. 完成工序流程图

步骤14：关闭工艺流程画面按钮，进入场景漫游，点击设备及功能按钮。系统共展示11台主要设备。按照工艺流程顺序，通过场景漫游形式了解各实验设备名称及功能。当漫游至某一设备处，鼠标点击该设备出现高亮，弹出“设备名称及功能”提示框，提示完成后漫游至下一设备，见图13。

图13. 设备名称及功能示意图

步骤15：关闭设备及功能按钮，点击实验认知考核按钮。系统自动弹出十道选择题和十道判断题，提示作答，系统自动记录考核结果，并显示题目及对应的正确答案，实验认知考核成绩在实验报告中显示，见图14。

图14. 实验认知考核示意图

第三阶段：实验操作

第三阶段包括步骤16～32，其主要目的是让学生熟练操作本实验，输入正确合理的工艺参数，制得满足质量要求的产品，同时对于一些因参数输入错误而导致的错误现象，要能够进行原因分析和判断并加以改进，对工艺参数进行优化，满足各类产品的多种指标要求。

步骤16：返回主菜单，点击“实验操作”按钮，进入实验操作流程。

步骤17：点击“实验操作”按钮后，弹出八个与流程相匹配的画面，见图15。

图15. 实验操作流程示意图

步骤18：点击1碎浆画面（与现场碎浆画面切换），自动弹出参数输入框，输入或选择参数后点击“确定”按钮。

碎浆参数包括碎浆浓度、pH值和碎浆时间，每个参数输入正确方可输入下一参数。

当输入浓度（pH值或时间）参数在合理范围内，系统给出笑脸，提示正确，弹出操作按钮；当输入浓度（pH值或时间）参数在不合理范围时，系统给出哭脸提示错误，弹出操作按钮，并给出参数提示范围，重新输入正确参数后系统弹出操作按钮；同时系统会自动记录输入的参数值，见图16。

图16. 水力碎浆机参数输入示意图

步骤19：参数输入正确并完成后，点击“下一步”，向碎浆机中加原料、加水和加酸，见图17。

图17. 水力碎浆机加水示意图

步骤20：点击碎浆机启动按钮，弹出正确碎浆过程画面；点击关闭按钮，弹出碎浆异常现象画面，提示实验操作人员参数输入错误出现的错误现象，见图18。

图18. 水力碎浆机操作异常示意图

步骤21：返回上一级菜单，点击2配浆画面（与现场配浆画面切换），自动弹出参数输入框，输入或选择参数后点击“确定”按钮，见图19。

配浆参数主要是浆料浓度，按照工艺要求设定合理的参数值。

当输入浓度参数在合理范围内，系统给出笑脸，提示正确，弹出操作按钮；当输入浓度参数在不合理范围时，系统给出哭脸提示错误，弹出操作按钮，并给出参数提示范围。重新输入正确参数后系统弹出操作按钮；同时系统会自动记录输入的参数值。

图19. 配浆池参数输入示意图

步骤22：参数输入正确并完成后，点击“确定”按钮。

完成配浆池内加浆料、加水和池内搅拌动作。

步骤23：返回上一级菜单，点击3除渣画面（与现场除渣画面切换），自动弹出参数输入框，输入或选择参数后点击“确定”按钮，见图20。

图20. 锥形除渣器参数输入示意图

除渣参数主要包括压力和压力差，按照工艺要求设定合理的参数值。

当输入压力（或压力差）参数在合理范围内，系统给出笑脸，提示正确，弹出操作按钮；当输入压力（或压力差）参数在不合理范围时，系统给出哭脸，提示错误，弹出操作按钮，并给出参数提示范围。重新输入正确参数后系统弹出操作按钮；同时系统会自动记录输入的参数值。

步骤24：参数输入正确并完成后，点击“确定”按钮，启动除渣器进料泵，完成除渣器内进料动作。

除渣器排渣口会出现伞花状排渣正常现象。点击“关闭”按钮，弹出除渣器排渣异常现象画面（排渣口浆料直流现象），提示实验操作人员参数输入错误而导致的的错误现象，见图21。

图21. 锥形除渣器异常现象示意图

步骤25：返回上一级菜单，点击4流送画面（与现场流送画面切换），点击成浆泵启动按钮。

浆料输送至高位箱，同时可以看到浆料自高位箱流向成型部流浆箱内，一部分浆料溢流回成浆池中。

步骤26：返回上一级菜单，点击5成型画面（与现场成型画面切换），自动弹出参数输入框，输入或选择参数后点击“确定”按钮，见图22。

成型参数包括上网浓度、浆网速比和真空度，每个参数输入正确方可输入下一个参数。

当输入上网浓度（浆网速比或真空度）参数在合理范围内，系统给出笑脸，提示正确，弹出操作按钮；当输入上网浓度（浆网速比或真空度）参数在不合理范围时，系统给出哭脸，提示错误，弹出操作按钮，并给出参数提示范围。重新输入正确后系统弹出操作按钮，见图23。

图22. 成型部参数输入示意图

图23. 成型部异常现象示意图

步骤27：参数输入正确并完成后，点击“确定”按钮。

完成网部流浆箱加浆料、加水动作，同时系统会自动记录输入的参数值。

步骤28：点击网部驱网辊电机启动按钮。

弹出网部纸张成型正确画面，同时可以观察到网下有大量的喷雾状水流出，点击“关闭”按钮，弹出断纸现象的画面，见图24，提示实验操作人员参数输入错误所导致的错误现象。

图24. 成型部断纸现象示意图

步骤29：返回上一级菜单，点击6干燥画面（与现场干燥画面切换），自动弹出参数输入框，输入或选择参数后点击“确定”按钮。

干燥参数主要包括各段烘箱温度，按照工艺要求设定合理的参数值。

当输入烘箱温度参数在合理范围内，系统给出笑脸，提示正确，弹出操作按钮，见图25；当输入烘箱温度参数在不合理范围时，系统给出哭脸，提示错误，弹出操作按钮，并给出参数提示范围，见图25。重新输入正确后系统弹出操作按钮。

图25.干燥部参数输入示意图

步骤30：点击烘箱启动按钮，出现烘箱进纸和烘箱中水分蒸发现象。

正常情况下，纸页在烘箱中运行平稳，当温度设置不合理时，会出现纸页起皱现象。

图26. 干燥部异常现象示意图

步骤31：返回上一级菜单，点击7卷取画面（与现场卷取画面切换）。

系统出现自动卷纸现象，同时水分定量测定仪自动显示水分和厚度变化，关闭按钮，显示卷纸异常现象，并分析说明可能导致纸卷卷取异常的原因。

步骤32：返回上一级菜单，点击8完成画面（与现场完成画面切换）。

系统出现纸卷输送至复卷机处自动复卷和包卷操作现象，切纸和包装现象，以及成品纸自动输送入库现象，见图27

图27. 纸卷输送示意图

第四阶段：实验报告

第四阶段包括步骤33～35，其主要目的是通过前面实验知识点的考核和实验操作考核，了解学生对基础理论知识和实践知识掌握的情况；通过其实验产品的质量评定，掌握实验参数对产品质量的影响，从而可以优化工艺参数，提升产品品质。同时，对新产品的开发也具有一定的指导意义，真正达到培养兼具创新能力和工程实践能力的专业人才的目标。

步骤 33：返回主菜单，点击“实验报告”按钮。

步骤34：进入实验报告后，系统会自动弹出实验认知考核成绩，并显示实验认知考核试题及答案。

图28. 认知考核成绩示意图

步骤35：关闭实验认知考核后，系统会自动弹出实验操作考核成绩，并显示每一步实验操作参数。

系统自动记录各步实验操作参数，并根据参数自动生成产品质量等级，分为A（优等品）、B（一等品）、C（合格品）三个等级，作为实验操作成绩评定依据。

图29. 实验考核成绩示意图

至此，本项目全部虚拟仿真实验内容全部结束。