楊建偉 王 平 郭 娟 王俊義

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津,300222)

·磨漿機(jī)磨片·

帶有蒸汽排出裝置的高濃磨漿機(jī)磨片

楊建偉 王 平 郭 娟 王俊義

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津,300222)

介紹了幾種帶有蒸汽排出裝置的高濃磨漿機(jī)磨片。根據(jù)蒸汽排出方式的不同，高濃磨漿機(jī)磨片分為三種，一是在磨片上表面設(shè)有排汽槽；二是在磨片的下表面設(shè)有排汽槽；三是通過齒紋設(shè)計(jì)來排出蒸汽。這些磨片的設(shè)計(jì)均能夠在保證漿料質(zhì)量的前提下使得蒸汽盡快排出。

蒸汽；排汽槽；磨片；齒紋設(shè)計(jì)；高濃磨漿

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高濃磨漿機(jī)磨漿時(shí)，在磨漿區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽，如果蒸汽不盡快排出， 會(huì)產(chǎn)生很大的蒸汽壓力，從而形成沖擊載荷，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)磨片控制的不穩(wěn)定。在蒸汽高速徑向流動(dòng)和巨大離心力的共同作用下，漿料會(huì)過早地離開磨漿區(qū)， 降低了磨漿的效果。然而，如果蒸汽過快地排出，部分纖維又會(huì)過早地耗干[1]。因此在得到滿意的磨漿質(zhì)量的前提下，蒸汽需要盡快排出。本文在分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對帶有蒸汽排出功能的的磨片進(jìn)行論述。

1 高濃磨漿特點(diǎn)

研究表明，高濃磨漿能夠起到減少纖維切斷、增加帚化、壓潰扭曲等作用，從而提高纖維的結(jié)合力，使得紙漿中的纖維束減少，改善濾水性能，抄造的紙張也具有較高的撕裂度、伸長率和耐破度[2]。

高濃磨漿的原理主要是對紙漿纖維進(jìn)行高強(qiáng)搓揉和摩擦。在高濃磨漿條件下，由于纖維含水量低，不能充分吸收摩擦產(chǎn)生的熱量，磨漿區(qū)會(huì)形成較大的蒸汽壓力[3]。因此磨片的設(shè)計(jì)最好是既要得到滿意的磨漿質(zhì)量，又能夠促進(jìn)蒸汽的排出。

磨漿過程中產(chǎn)生的蒸汽壓力在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的蒸汽速度為零，離開這一點(diǎn)磨漿產(chǎn)生的蒸汽分別向磨盤內(nèi)外流動(dòng)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)離磨盤中心越遠(yuǎn)，越多的蒸汽朝著與纖維流動(dòng)相反的方向反噴[4]。

機(jī)械法制漿時(shí)，磨片之間產(chǎn)生大量的蒸汽，該蒸汽具有很高的速度和很大的離心力，能夠過早地帶走漿料，或形成背壓阻礙漿料流動(dòng)，使得漿料研磨不均勻。由于磨片間隙較小和齒槽中的漿料限制了蒸汽的流動(dòng)，導(dǎo)致了磨片外圍區(qū)域內(nèi)側(cè)的蒸汽壓力增大。高的蒸汽壓力會(huì)向外擠壓磨片，從而減小了磨片施加在纖維上的力，降低了對纖維的摩擦程度。同時(shí)，該壓力會(huì)使磨片產(chǎn)生振動(dòng)，雖然可以通過提高磨漿機(jī)功率或者增加止推軸承來抵消蒸汽壓力，但二者都會(huì)使得磨漿成本提高。因此，最好是排出磨片間的蒸汽。擋壩的作用是提高漿料的一致性，但也限制了蒸汽在齒槽中的流動(dòng)，使磨片間產(chǎn)生更高的壓力，降低了磨片穩(wěn)定性。因此，需要設(shè)計(jì)具有蒸汽排出功能的磨片，在保證漿料質(zhì)量的前提下，使蒸汽盡快排出磨漿區(qū)域。

2 帶有蒸汽排出功能的磨片

本文介紹三種帶有蒸汽排出功能的磨片，即:磨片上表面設(shè)置排汽槽、磨片下表面設(shè)置排汽槽、通過磨片齒紋設(shè)計(jì)排出蒸汽。

2.1 磨片上表面設(shè)有排汽槽

上表面設(shè)有排汽槽的磨片按照排汽槽功能又分為帶有蒸汽回收功能(進(jìn)料口排出蒸汽)磨片和帶有蒸汽排出功能(出料口排出蒸汽)磨片。

圖1 Luc Gingras設(shè)計(jì)的具有蒸汽回收功能的磨片上的排汽槽

2.1.1 帶有蒸汽回收功能的磨片

生產(chǎn)機(jī)械漿時(shí)，一些系統(tǒng)能夠回收蒸汽，回收的蒸汽一般用于干燥設(shè)備(如紙漿干燥)。在磨制高濃漿料時(shí)，在磨片的進(jìn)漿口需設(shè)置高的蒸汽壓力，蒸汽壓力能夠軟化木漿，提高磨漿質(zhì)量。高壓蒸汽主要是由蒸汽回流和鍋爐產(chǎn)生的蒸汽組成。磨漿過程中會(huì)產(chǎn)生高壓蒸汽，傳統(tǒng)磨漿機(jī)有高達(dá)40%的高壓蒸汽壓力并不隨著漿料流動(dòng)，因此可以通過回收高壓蒸汽并用于進(jìn)料系統(tǒng)，這種方式比使用鍋爐更加節(jié)能。

Luc Gingras于2008年設(shè)計(jì)的盤磨機(jī)磨片[5]設(shè)有排汽槽，蒸汽能夠通過該通道回流從而被重新利用，大大提高了高壓蒸汽回收量。其排汽槽的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，磨片上至少包括一個(gè)排汽槽，排汽槽的寬度通常比齒槽寬。磨片被排汽槽沿徑向分為三部分，一是帶有排汽槽的磨漿區(qū)，二是排汽槽外側(cè)的外部磨漿區(qū)，三是排汽槽內(nèi)側(cè)的破碎區(qū)。磨片的排汽槽的長度取決于磨漿機(jī)種類、磨片結(jié)構(gòu)形式、蒸汽回流量和磨漿過程，一般為磨漿區(qū)徑向長度的50%～85%。排汽槽的角度與磨齒傾斜角相反，同徑向夾角在0°～60°之間，該夾角能夠減少漿料沿通道回流。

磨齒可以是直的、彎曲的或者不規(guī)則的形狀，其中之字形的排汽槽，其徑向長度約為磨漿區(qū)域徑向長度的2/3。

如圖1(b)所示為帶有多道排汽槽的磨片，在外側(cè)磨漿區(qū)和內(nèi)側(cè)磨漿區(qū)都設(shè)有排汽槽，高壓蒸汽從外側(cè)排汽槽通過內(nèi)、外側(cè)磨漿區(qū)域的間隙進(jìn)入內(nèi)側(cè)磨區(qū)域的排汽槽，然后在進(jìn)料區(qū)釋放。

如圖1(c)所示為熱磨機(jī)定子磨片，排汽槽的下方磨齒與底板朝上有大傾角，上方則為小傾角，邊緣磨漿區(qū)域不設(shè)置排汽槽。蒸汽產(chǎn)生于內(nèi)部磨漿區(qū)，然后通過排汽槽在漿料入口處釋放。

帶有排汽槽的磨片設(shè)計(jì)能夠增加高壓蒸汽的回收量。在漿料磨漿過程中，蒸汽沿排汽槽徑向向內(nèi)流動(dòng)，在磨片的粗磨區(qū)釋放。擋壩設(shè)置在排汽槽的徑向外側(cè)，阻止蒸汽徑向向外流出。

磨片可設(shè)計(jì)為單向齒磨片或雙向齒磨片。單向齒磨片能量消耗降低，其漿料產(chǎn)生的蒸汽量也降低。單向齒磨片與雙向齒磨片相比，齒傾角的存在使得更多的蒸汽沿漿流方向流動(dòng)，導(dǎo)致磨片蒸汽產(chǎn)生量和蒸汽回流量都降低。

排汽槽可設(shè)置在定子或轉(zhuǎn)子磨片上，轉(zhuǎn)子側(cè)的泵效應(yīng)使得蒸汽回流量減少，同時(shí)有利于減少纖維從排汽槽回流。定子側(cè)的效應(yīng)則相反，定子側(cè)蒸汽回收更多。排汽槽設(shè)置最好在定子磨片上，因?yàn)檗D(zhuǎn)子上設(shè)置排汽槽，不利于蒸汽的回收。

2.1.2 帶有蒸汽排出功能的磨片設(shè)計(jì)

蒸汽也可以在出料口(磨片外邊緣)排出，下面介紹一種設(shè)有不連續(xù)排汽槽的磨片[6]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2(a)是轉(zhuǎn)子磨片，圖2(b)是定子磨片。轉(zhuǎn)子和定子的結(jié)構(gòu)有所不同，定子的排汽槽末端未延伸到外邊緣。不連續(xù)排汽槽可以是直的，也可以是徑向隨意布置在整個(gè)磨盤上，其底部平齊或低于齒槽底部。

圖2 帶有不連續(xù)通道的磨片

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)排汽槽的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 Patrick J Bartels設(shè)計(jì)的帶有背部排汽槽的磨片結(jié)構(gòu)

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子的排汽槽部分重合，使得蒸汽能夠通過另一個(gè)磨盤釋放。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)排汽槽的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。磨片可正反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向不同，排汽槽覆蓋的順序也不同。但是覆蓋順序最好為從外徑到內(nèi)徑，因?yàn)檎羝飨蚺c旋轉(zhuǎn)方向相反，磨漿效率較高。

該排汽槽的設(shè)計(jì)在蒸汽排放的同時(shí)，也阻礙了漿料的流出，防止了待磨漿料或未充分研磨漿料的過早釋放。蒸汽口的數(shù)量、徑向長度、總尺寸決定了蒸汽的排出效率。

2.2 磨片下表面帶有排汽槽的設(shè)計(jì)

1994年的專利[7]中設(shè)計(jì)的磨片具有擋壩，同時(shí)磨齒上開有槽，磨齒上的槽能讓漿料流出磨漿區(qū)。擋壩能夠減少纖維的過早排出，然而，磨齒上的槽并不一定能減少磨片上高壓蒸汽的產(chǎn)生。1997年的專利[8]中設(shè)計(jì)的磨片表面上設(shè)有圓弧形通道用于蒸汽排放，但是由于排汽槽占用空間太大，使得磨漿區(qū)域大大降低。因此，磨漿效率和漿料一致性顯著降低。同時(shí)，大量待研磨的漿料也會(huì)直接通過排汽槽流出磨漿區(qū)域。

Patrick J Bartels設(shè)計(jì)的磨片結(jié)構(gòu)如圖4所示[9]。在磨片兩側(cè)徑向方向上分別開有兩個(gè)孔(圖4(a))，然后在磨片的背面開有凹槽將兩個(gè)孔連通(圖4(c))，形成一個(gè)排汽槽，圖4(b)是排汽槽的徑向剖視圖。蒸汽入口位置為磨片徑向內(nèi)側(cè)的開孔，出口位置為么徑向外側(cè)的開孔。蒸汽入口周圍凸起的設(shè)計(jì)能阻止待磨漿料進(jìn)入通道，該凸起與磨齒上表面共面，同時(shí)通過斜面與齒槽相連。

在磨片齒紋最密集的區(qū)域蒸汽壓力最大，一部分因?yàn)辇X紋密集增加了施加在漿料上的摩擦力，另一部分因?yàn)槟テ虚g區(qū)域最狹窄，因此壓力在該部位聚集。

入口的凸起設(shè)計(jì)能夠避免漿料進(jìn)入排汽槽，即使進(jìn)入排汽槽也能通過排氣槽從出口流回磨漿區(qū)。磨漿過程中，漿料從齒槽底部到達(dá)入口的上表面，由于離心力的作用使得絕大部分的漿料越過蒸汽入口。入口徑向外側(cè)的凸臺(tái)比內(nèi)側(cè)的凸臺(tái)低，使得漿料更容易通過入口區(qū)域。同時(shí)，出口具有增強(qiáng)漿料從通道噴射出去的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，出口的外邊與齒槽底面共面。由于出口比入口稍寬，且出口在齒槽上，有更大的空間使得漿料重新進(jìn)入磨漿區(qū)。因此，當(dāng)漿料偶然進(jìn)入通道時(shí)，在磨片的離心力作用下，漿料將從排汽槽中噴射回磨漿區(qū)。同時(shí)，離心力的作用不會(huì)使排汽槽堵塞。

蒸汽入口和出口僅占磨片表面積的1%～5%，這種設(shè)計(jì)在降低高壓蒸汽負(fù)面影響的同時(shí)，也能夠使磨漿區(qū)域最大化；蒸汽壓力的降低減少了磨片的振動(dòng)，提高了磨漿質(zhì)量；增加了漿料在磨片間的停留時(shí)間，使?jié){料一致性較好；增加了磨漿時(shí)的機(jī)械效率。磨盤一般包括8～36個(gè)排汽槽，與徑向的夾角為10°～45°。此外，出口和入口的尺寸、通道的尺寸、斜面的傾角等可根據(jù)具體應(yīng)用如壓力、纖維材料和其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改。此發(fā)明的磨片適用于正反轉(zhuǎn)磨漿機(jī)、雙盤磨、錐型磨漿機(jī)的轉(zhuǎn)子，一般用于轉(zhuǎn)子安裝磨片。

Johansson在Patrick J Bartels設(shè)計(jì)的磨片的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[10]。其區(qū)別主要是出入口不同，同Patrick J Bartels設(shè)計(jì)的磨片相比結(jié)構(gòu)簡單，蒸汽流出速度快，同時(shí)能夠使已經(jīng)磨好的漿料直接通過該通道流出磨漿區(qū)，這既能防止?jié){料過磨，提高漿料質(zhì)量，也可降低能耗。Johansson于2011年設(shè)計(jì)的磨片功能與此設(shè)計(jì)的磨片相同，排汽槽也類似，只是開孔方式不同，在此不再贅述[11]。

2.3 通過磨片齒紋設(shè)計(jì)來排出蒸汽

目前也有許多高濃磨片是通過改變磨片的齒紋設(shè)計(jì)來排出蒸汽，而不是在磨片上開有明顯的排汽槽。

Luc Gingras在2001年設(shè)計(jì)了一種高濃磨片[12-13]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在磨片的中間有一傾斜形狀的磨齒與縱向的磨齒相連呈Z形，在2個(gè)徑向磨齒中間放置了一些擋條或者在Z形彎曲部分設(shè)置斜面擋條，這兩種方式都能延長漿料在磨漿區(qū)的停留時(shí)間，同時(shí)也有足夠的空間將蒸汽排出磨漿區(qū)。

Luc Gingras于2003年發(fā)明的磨片[14-15]，其擋壩上帶有缺口的，結(jié)構(gòu)如圖6所示，其具體結(jié)構(gòu)見圖7。圖7(a)是圖6上的1的結(jié)構(gòu)放大圖，圖7(b)、(c)分別是圖6上2、3處的剖視圖，圖7(d)為圖 7(a) 的改進(jìn)形式。如圖6所示，磨片周向被分成兩個(gè)區(qū)域，這種磨片結(jié)構(gòu)使得蒸汽沿徑向向內(nèi)、外流出。其中，蒸汽向內(nèi)流動(dòng)會(huì)增加漿料的停留時(shí)間，使得漿料得以充分研磨。由圖7(a)、(b)、(c)可知，擋壩由兩部分組成，一部分的高度與齒高相同，另一部分留有缺口，其高度位于磨齒上表面面與齒槽底面之間。根據(jù)漿料特性和所需磨漿程度選擇擋壩的尺寸。如圖7(c)所示，擋壩使得蒸汽通過齒槽帶走的漿料量減少，擋壩徑向的斜面能引導(dǎo)漿料進(jìn)入磨片間隙。如圖7(d)所示，改進(jìn)后的磨片，在磨齒和擋壩接觸的地方，去除部分磨齒和擋板，形成拱形結(jié)構(gòu)的空穴，空穴的底面與擋壩缺口部分的底面共面，這種結(jié)構(gòu)能夠減少因蒸汽夾帶漿料通過齒槽時(shí)帶來的振動(dòng)。

圖5 Z形齒高濃磨片

圖6 擋壩上帶有缺口的磨片

圖7 磨片的具體結(jié)構(gòu)形式

這種磨片能夠增加漿料研磨時(shí)間，使得漿料得到充分研磨。同時(shí)，斜面的設(shè)置利于漿料的流動(dòng)，缺口的設(shè)置利于蒸汽疏散，空穴的設(shè)置具有降低磨片震動(dòng)的功效。

3 結(jié) 語

在保證漿料質(zhì)量的前提下，帶有蒸汽排出功能的高濃磨漿機(jī)磨片能夠很快排放磨片間的蒸汽，降低沖擊載荷和能耗，提高穩(wěn)定性。

(1)磨片表面設(shè)置排汽槽。如果該排汽槽具有蒸汽回收功能(進(jìn)料口排出蒸汽)，則能夠再次利用蒸汽，降低能耗，延長漿料在磨漿區(qū)的停留時(shí)間。這種磨片一般用作定子磨片。如果該排汽槽通過出料口排出蒸汽時(shí)，也可提高漿料質(zhì)量。但這種設(shè)計(jì)一定程度上降低磨漿區(qū)域的面積。該磨片一般用作轉(zhuǎn)子磨片。

(2)磨片背面設(shè)置排汽槽。這種設(shè)計(jì)不降低磨漿面積。磨片背部的排汽槽連通漿料出口的設(shè)計(jì)能夠防止?jié){料發(fā)生過磨現(xiàn)象，提高漿料的一致性。

(3)通過齒紋設(shè)計(jì)來排出蒸汽的磨片，磨漿區(qū)域的面積基本不會(huì)改變。但是磨片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于加工，制造成本增加。

[1] ZHI Yan-fang, DONG Ji-xian, XIAO Qiang. New high consistencydisc refiner plate [J]. Light Industry Machinery, 2009, 27(1): 87. 職艷芳, 董繼先, 肖 強(qiáng). 新型高濃盤磨機(jī)磨片[J]. 輕工機(jī)械, 2009, 27(1)： 87.

[2] WANG Ren-yu. High consistency pulping and its application[J]. Guangdong Papermaking Technology Communication, 1979(3): 59. 王仁宇. 高濃磨漿及其應(yīng)用[J]. 廣東造紙技術(shù)通訊, 1979(3): 59.

[3] CHEN Ke-fu. The high concentration pulping and papermaking technology theory andpractice[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2007. 陳克復(fù).中高濃制漿造紙技術(shù)的理論與實(shí)踐[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2007: 263.

[4] Pulp and paper manual drawing board. Pulp and paper manual[M]. Beijing: China Light Industry Press, 1993. 制漿造紙手冊編寫組.制漿造紙手冊(第六分冊·機(jī)械法制漿)[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 1993.

[5] Luc Gingras. Refiner plates having steam channels and method for extracting backflow steam form a disc refiner: US, 20080296419A1B2[P]. 2008-12- 04.

[6] Luc Gingras. Refiner plate with steam relief pockets: US, 5863000[P]. 1999- 01-26.

[7] Ola M Johansson. Vented Refiner and venting process: US, 5373995[P]. 1994-12-20.

[8] Markku Perkola. Disc cutter with exhanst channels: US, 4676440[P]. 1987- 06-30.

[9] Patrick J Bartels. Refiner disc having steam exhaust channel: US, 5988538[P]. 1999-11-23.

[10] Ola M. Johansson.Refiner for refining pulp: US, 8262861B2[P]. 2012- 09-11.

[11] Ola M. Johansson. Refiner plate assembly and method with evacuation of refining zone: US, 8006924B2[P]. 2011- 08-30.

[12] Luc Gingras. Refiner plate with chicanes: US, 6311907B1[P]. 2001-11- 06.

[13] DONG Ji-xian, ZHI Yan-fang. A Plate with Z-shaped Grinding Teethfor High Consistency Disc Refiner[J]. China Pulp & Paper, 2008, 27(11): 49. 董繼先, 職艷芳. Z形磨齒新型高濃盤磨機(jī)磨片[J]. 中國造紙, 2008, 27(11): 49.

[14] Luc Gingras. Refiner plate steam management system: US, 6607153B1[P]. 2003- 08-19.

(責(zé)任編輯：常 青)

The High Consistency Pulp Refiner Plate with Steam Exhaust Device

YANG Jian-wei*WANG Ping GUO Juan WANG Jun-yi

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

Some new types of high consistency pulp refiner plate equipped with steam exhaust channel were introduced. It is manly divided into three types according to the way of steam discharging. One is that the steam exhaust channel is on the top surface of the refiner plate, another the steam channel on the bottom of the refiner plate. The last one steam exhausting is based on the design of plate pattern. All plate designs mentioned above could discharge steam as soon as possible while the quality of pulp refining was guaranteed.

steam; steam channel; refiner plate; design of refiner plate; high consistency refining

楊建偉先生，在讀碩士研究生，研究方向：新型造紙機(jī)械設(shè)備的研究。

2017- 03- 14(修改稿)

TS734+.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.08.011