利用高速攝像技術對中濃和低濃磨漿過程差異性的研究

劉 嘉 朱小林

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

磨漿處理是造紙的一個重要過程，其目的是根據紙或紙板的質量要求和使用紙漿的種類及特征，在可控的情況下用物理方法改善纖維的形態和性質，使制造出來的紙或紙板符合預期的質量要求［1］。國內傳統的磨漿方式一般采用低濃磨漿 (一般在6%以下)，但是在長期的生產實踐中，人們也逐漸發現低濃磨漿存在諸多弊病，例如:對纖維切斷比較多、成漿質量不均勻、磨漿能耗較高等。上述弊病造成企業生產成本較高，產品質量提升困難。鑒于傳統低濃磨漿的缺陷，近年來國內研究開發出中高濃磨漿 (一般在10%以上)的技術和設備，在一些造紙企業逐步得到了推廣和生產應用［2-3］。為了更好地了解磨漿，有必要對磨漿過程及磨漿的作用規律有更加深入的認識，以便于優化磨漿工藝和參數。

磨漿過程是對紙漿纖維進行機械處理，所以磨漿過程實質是能量轉換過程。各種前期的磨漿機理基本是從能量轉換的角度來解釋磨漿過程的。Smith于1922年提出了帚化理論 (Fiberage Theory)，該理論建立在對紙漿磨漿前后形態觀察的基礎上，是一種經驗理論，缺乏數據的支持。隨著研究的深入，現代磨漿理論主要有Lewis及Leider提出的比邊緣負荷理論(Specific Edge Load，簡稱SEL)、Lumiainen提出的比表面負荷理論 (Specific Surface Load，簡稱SSL)和一些定性機理假說 (如Banks、Hourani提出的絮聚假說)［4-5］。這些磨漿機理雖然能夠解釋磨漿過程的一些情況，但它們都只是針對低濃磨漿，并且只是一些理論性的假設。對于中濃磨漿，華南理工大學的劉士亮等人［6］在近幾年提出了一個“內摩擦效應”，他們認為中濃磨漿對紙漿纖維的作用主要來自于纖維絮團內部的摩擦。隨著計算機技術和電荷耦合元件 (Charge-Coupled Device，簡稱CCD)生產技術的發展，高速攝像技術近年來得到快速發展。高速攝像技術被廣泛應用于工業、科技、消費電子、醫療等領域，為人類探索微觀世界和瞬態運動過程提供了豐富的視覺信息。Atack等人［7］通過高速攝像技術觀察了低濃磨漿時紙漿的分布狀態，Kwei-Nam Law等人［8］通過高速攝像技術對中高濃磨漿時纖維的運動進行了觀測。他們的研究只對木片盤磨機的工作原理有一定幫助，并且沒有應用纖維的示蹤物，沒有微觀上的觀察。為了探索中低濃磨漿過程，本研究采用高速攝像技術記錄磨片工作的全過程，對磨片的工作過程進行了可視化研究，并進行相關的分析。旨在對比中、低濃磨漿的差異性，并對二者的磨漿機理進行分析，為中、低濃磨漿理論研究提供依據。

1 實驗設備和方法

1.1 實驗設備

為了對中、低濃磨漿的過程進行直接觀測，采用了高速攝像機對磨漿過程進行完整記錄。實驗設備連接示意圖如圖1所示。盤磨機電機的最高工作頻率是50 Hz，額定轉速是1480 r/min，電機的運行轉速(0～1480 r/min)可通過調節變頻器的頻率進行調節。電機連接盤磨設備，盤磨機的磨片用透明的材料制成。RDT-16型高速攝像機，美國生產，拍攝速度范圍是60～20000幀/s。高速攝像機連接在一臺計算機上，通過MiDAS軟件配套控制，與此同時也可以通過調節攝像機的位置和參數來拍攝不同角度、不同位置的運動情況。磨片齒形結構如圖2所示。

1.2 實驗方法

實驗中使用的紙漿為化機漿。為了更好地模擬中、低濃磨漿過程，選擇低濃磨漿漿濃為3%，中濃磨漿漿濃為12%，溫度為室溫。為了方便攝像機捕捉跟蹤紙漿纖維的瞬時運動方式、軌跡和受力狀況，以及之后的圖像處理，對一部分紙漿進行直接染料的染色處理，將其染成黑色。其中染色紙漿的性能和狀態與未染色紙漿只有細微的差異，并且不會發生混染的現象。盤磨機電機頻率設為35 Hz，磨片內外圈磨齒的位置及相關參數見圖3。

2 數據采集及處理方法

2.1 數據采集

實驗時，采用1000 W的新聞燈從動盤側照入，通過這種透光源從定盤側拍攝，具體見圖4。

從圖4(a)可以看出，畫面整體比較亮，磨齒的形狀和擋漿板的位置較清楚，但也有不少陰影部分。根據圖4(b)的拍攝示意圖，光線是通過動盤、紙漿以及定盤磨齒后被攝像機捕捉到，由此可推測出定盤溝槽中的陰影就是定盤積聚的紙漿，而在磨齒上看到的白而亮的物質就是紙漿。由于光線透過紙漿的強度不同而引起光線上的強弱，灰度有所不同，表明紙漿厚度的不同。在定盤磨齒上看到的黑色物質分為兩類:一種是動盤溝槽積聚的紙漿，一類是染色紙漿。前者是呈規律出現而且范圍大，速度與動盤速度一致后者是小而更深，與動盤轉速不一致。通過上述對比就能容易地找出染色紙漿。通過對比染色紙漿的深度，也可以看出染色紙漿厚度的情況。這一部分紙漿就是實驗重點跟蹤觀察的對象。

圖4 通過透射光源對磨漿過程一個磨齒的拍攝圖片

以前的研究表明，紙漿的磨漿過程是一個很復雜的過程。從紙漿的濃度分析，磨片之間是一個固液氣三相混合狀態。然而氣相在此過程對紙漿流動性和分散性的影響可以忽略，所以把磨漿過程當成一個固液兩相的混合物，它是一個多相流的模型，這一點是流體分析界公認的事實。所以在分析的時候，多相流的相關理論就是分析中低濃磨漿過程的主要理論來源［9］。由圖4可知，纖維絮團形態變化直接反映其受力情況，如果纖維絮團的形態變化明顯就說明其受力大，磨漿效果好;相反，如果形態變化不明顯，則說明纖維本身沒有什么變化，磨漿效果不好。

2.2 圖片的處理

采集到的原始圖片對比度不明顯，整體偏亮，非常不利于觀測。使用MiDAS軟件自帶的圖片處理器對圖片對比度、亮度、GAMA值和LOG值幾個參數進行調節，同時選擇sharp的濾波器能夠較好地處理這種情況。通過這些處理可以突出拍攝紙漿的形狀，使分析更直觀、清楚。圖5展示了同一圖片處理前后的效果對比。

3 結果與分析

3.1 中、低濃磨漿紙漿在磨片內圈的比較

圖6是中低濃磨漿時，高速攝像機在2000幀/s的速度下連續拍攝的磨片內圈第二排畫面，其中，圖6(a)～圖6(c)為低濃磨漿時在磨片內圈同一磨齒、相同轉速下的拍攝情況，圖6(d)～圖6(f)為中濃磨漿時在磨片內圈同一磨齒、相同轉速下的拍攝情況。除圖6(a)～圖6(c)中標號①是染色紙漿外，標號②、③的白色物質均是紙漿的纖維絮團。從圖6可以看出，中、低濃磨漿時紙漿的運動方向大致和動盤的轉動方向一致。除此之外，中、低濃磨漿時紙漿在磨齒上的分布也大致相同，均分布在定盤磨齒的左側而且以左上角居多。這是因為在磨漿過程中，紙漿的流動隨動盤運動但同時又受到離心力的作用。當紙漿從溝槽越過擋漿板時紙漿會更多地甩到磨齒的左上角。中、低濃磨漿除了上述共同點外還存在較大區別。

(1)紙漿的運動形式不同 (見圖7)

圖7中①、②、③對應著圖6上①、②、③所指的纖維絮團;A、B、C表示一組圖的先后順序。從圖7(a)中可以明顯看到，在低濃磨漿狀態下，①、②、③這些纖維絮團更多是以整塊的方式運動，而且它們的形態沒有發生變化。但在中濃磨漿狀態下，在①、②纖維絮團附近剝離出許多小的纖維絮團，且這些小的纖維絮團的形態均發生了變化。

這是因為在低濃磨漿狀態下，紙漿更接近于流體，纖維絮團在水中分散得比較均勻，而且在相同機械剪切力下紙漿的速度快，所以低濃磨漿狀態下的紙漿以較連續的方式通過磨齒，而且在磨齒中形態變化不大，所受的流體剪切力不大。中濃磨漿則相反，紙漿一般以塊狀進入磨齒內圈，它們的體積大、阻力大、速度慢，在內圈主要是以破碎混合為主。所以從圖7(b)會看到有許多剝離的小纖維絮團，這些小纖維絮團有利于混合，對中濃磨漿意義很大。因此中低濃磨漿時，紙漿在內圈的運動形式才會有上述差別。

(2)漿層的厚度不同

根據圖4可知，光線是通過動盤與定盤后再被攝像機捕捉，所以當磨齒間漿層厚度越大時，在圖片上看到的漿層顏色就越深。由圖6可以發現，與低濃磨漿情況相比，中濃磨漿時紙漿層的顏色更深，尤其是在齒刃處，它們大多是深灰偏黑的顏色。所以可以說明低濃磨漿在齒刃處的漿層厚度比中濃磨漿的小。

這個現象曾在劉士亮等人［4］的內摩擦理論中有詳述，他們推斷中濃磨漿時齒刃處的漿層厚度要比低濃磨漿時的大，本研究是對這個理論的驗證。出現這種現象有以下幾個原因:第一漿濃越大進入磨齒的紙漿就越多，第二就是紙漿流體形態的影響。紙漿流態化程度越高，紙漿在磨齒間所受的阻力越小，越容易通過磨齒，所以低濃磨漿時的漿層較薄。在中濃磨漿的情況下，紙漿流體化程度低，所以紙漿是以絮狀的形式進入磨齒間，漿層要厚。

3.2 中、低濃磨漿紙漿在磨片外圈的比較

圖8是相同轉速下中、低濃磨漿時高速攝像機在4000幀/s的速度下連續拍攝的磨片外圈第二排的情況。其中標號①所示的是染色紙漿，標號②的白色塊狀物體為紙漿。由圖8可知，在外圈中紙漿的分布更均勻，不再集中在齒刃處，同時紙漿流態化更明顯。這主要是因為在外圈處，線速度高，紙漿已比較完全地混合和疏解。此時紙漿的流速快，而纖維都以小塊絮團為主。但中、低濃磨漿還是存在較大的差異。

(1)中、低濃磨漿時紙漿的連續性不同

由圖8可以明顯看出，低濃磨漿狀態下的紙漿是以連續的方式通過磨齒，但中濃磨漿時卻是以小塊絮團且不連續的方式存在。根據陳克復等人［10］的研究認為，紙漿在濃度低于7%的情況下呈連續介質，而濃度高于7%時則喪失了流動性，須要有外加的切應力才能使其流動。這就解釋了上述差異的原因。但無論對低濃連續性的流體還是中濃磨漿時這種小塊絮團的運動，它們都具有較大的流速，這個速度就會對紙漿中的纖維絮團產生力的作用。但由于中、低濃磨漿時漿濃的不同，力的作用大小及效果不同。

(2)中、低濃磨漿時在磨齒間所受流體剪切力存在差異

從圖8中還可以看出中、低濃磨漿時纖維絮團形態變化的差異。下面著重觀察標號①的染色紙漿。從圖8(a)和圖8(b)可以發現很多小的染色紙漿，它們隨著紙漿快速地通過了磨齒，但這些染色紙漿本身的形態并未發生太大變化。在圖8(d)～圖8(f)中，標號①的染色紙漿位置變化不大，但圖8(e)中，在右側發現有剝離的小而黑的纖維絮團，它在圖8(f)中變大但漿層厚度變小。這些都是受流體剪切力的影響。

眾所周知，流體可分為牛頓流體和非牛頓流體，區分它們的依據就是流體的切應力是否與速度梯度成正比。而紙漿顯然不是牛頓流體，所以它的切應力τ滿足式(1):

式中，τ為流體切應力，與纖維絮團所受的流體剪切力是一對反作用力;μ為流體的黏度，只與流體本身的性質有關;為與速度梯度的函數，對任何流體而言，這個函數與速度梯度都是正相關的關系［10］。

圖8 盤磨機電機頻率35 Hz下外圈磨齒的磨漿情況

對于低濃與中濃磨漿時纖維絮團所受的流體剪切力的大小就只與紙漿黏度及速度梯度有關。對于不同濃度的紙漿，紙漿黏度隨漿濃的提高而增加。從圖8可以明顯看出，在低濃磨漿狀態下，纖維絮團快速地經過磨齒;而在中濃磨漿狀態下，纖維絮團的停留時間很長。這些纖維絮團與紙漿的速度差是中濃大于低濃，由此可以得出中濃磨漿時紙漿的黏度及速度梯度均大于低濃的，所以中濃磨漿時紙漿所受的流體剪切力要遠遠大于低濃的。因此在中濃狀態下，紙漿在流體剪切力的作用下會發生圖8(e)所示的剝離以及圖8(f)所發生的分散。流體剪切力作用于纖維絮團連接薄弱的地方，會使纖維絮團內部變得疏松，也有可能讓它們變得更緊密，這樣就會讓纖維絮團發生剝離、搓揉、壓潰等作用，完成中濃磨漿處理過程。

通過上述分析可知，無論是低濃磨漿還是中濃磨漿，紙漿都會受到兩種力的作用，即機械剪切力和流體剪切力。機械剪切力主要發生在齒刃的交接處，而流體剪切力是存在于整個磨漿過程。對于低濃磨漿而言，它們所受流體剪切力的作用要遠遠小于機械剪切力，而中濃磨漿則主要以流體剪切力為主。

綜上所述，中、低濃磨漿由于它們本身漿濃的不同會使得磨漿過程及方式變得不同。低濃磨漿時，內圈紙漿厚度小，流態化程度較高，紙漿以較快速度通過磨齒，分布更加均勻。在外圈處，低濃紙漿連續，所受的流體剪切力小，但這種連續流體會受到磨齒和擋漿板邊緣機械的剪切力，從而使纖維形態發生變化。但對于中濃磨漿而言，在內圈磨齒的齒刃處紙漿很厚，這樣便減小了磨齒處機械剪切力對纖維的影響。而且在內圈處，纖維以較大塊絮團的方式運動，但通過齒刃處的機械剪切力讓其分散混合。在外圈處，紙漿以一種分散的狀態流動，處于流態化中的纖維絮團受到較大的流體剪切力。這種流體剪切力會讓纖維絮團的形態及運動方式發生變化，而纖維絮團之間也會由于流體剪切力而相互作用，從而使形態發生變化。這些現象的觀測與分析對深入研究中、低濃磨漿的過程及機理有很大幫助，對指導盤磨機的設計及研究中、低濃磨漿的數值模擬提供了依據。國內外對這些方面的研究較少，還需要更多學者更深入的探討與研究。

4 結論

4.1 對于中濃和低濃磨漿過程，在磨片內圈磨齒處，紙漿層薄，紙漿流速快，紙漿纖維主要以大塊絮團的運動方式通過磨齒。中濃磨漿時，內圈齒刃處的紙漿層厚，而且纖維絮團以剝離形式為主，紙漿流速慢，主要在這個區域發生破碎混合。

4.2 紙漿在磨片外圈的情況是，低濃磨漿時的紙漿以更連續的方式通過磨齒，它們的形態變化小，所受的流體剪切力小。中濃磨漿時的紙漿以一種間斷的方式通過磨齒，纖維絮團的形態發生較大變化，所受流體剪切力大。

4.3 中、低濃磨漿時，使紙漿纖維形態發生變化的力均來自機械剪切力和流體剪切力。但對于低濃磨漿而言，紙漿主要是受機械剪切力的作用;中濃磨漿時紙漿則更多的是受流體剪切力的作用。

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