帶有蒸汽排出裝置的高濃磨漿機磨片

楊建偉 王 平 郭 娟 王俊義

(天津科技大學機械工程學院，天津,300222)

·磨漿機磨片·

帶有蒸汽排出裝置的高濃磨漿機磨片

楊建偉 王 平 郭 娟 王俊義

(天津科技大學機械工程學院，天津,300222)

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

蒸汽；排汽槽；磨片；齒紋設計；高濃磨漿

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高濃磨漿機磨漿時，在磨漿區會產生大量的蒸汽，如果蒸汽不盡快排出， 會產生很大的蒸汽壓力，從而形成沖擊載荷，導致運動磨片控制的不穩定。在蒸汽高速徑向流動和巨大離心力的共同作用下，漿料會過早地離開磨漿區， 降低了磨漿的效果。然而，如果蒸汽過快地排出，部分纖維又會過早地耗干[1]。因此在得到滿意的磨漿質量的前提下，蒸汽需要盡快排出。本文在分析國內外相關文獻資料的基礎上，對帶有蒸汽排出功能的的磨片進行論述。

1 高濃磨漿特點

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行高強搓揉和摩擦。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生的熱量，磨漿區會形成較大的蒸汽壓力[3]。因此磨片的設計最好是既要得到滿意的磨漿質量，又能夠促進蒸汽的排出。

磨漿過程中產生的蒸汽壓力在轉折點的蒸汽速度為零，離開這一點磨漿產生的蒸汽分別向磨盤內外流動，轉折點離磨盤中心越遠，越多的蒸汽朝著與纖維流動相反的方向反噴[4]。

機械法制漿時，磨片之間產生大量的蒸汽，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，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，導致了磨片外圍區域內側的蒸汽壓力增大。高的蒸汽壓力會向外擠壓磨片，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，該壓力會使磨片產生振動，雖然可以通過提高磨漿機功率或者增加止推軸承來抵消蒸汽壓力，但二者都會使得磨漿成本提高。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，使磨片間產生更高的壓力，降低了磨片穩定性。因此，需要設計具有蒸汽排出功能的磨片，在保證漿料質量的前提下，使蒸汽盡快排出磨漿區域。

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:磨片上表面設置排汽槽、磨片下表面設置排汽槽、通過磨片齒紋設計排出蒸汽。

2.1 磨片上表面設有排汽槽

上表面設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設計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

生產機械漿時，一些系統能夠回收蒸汽，回收的蒸汽一般用于干燥設備(如紙漿干燥)。在磨制高濃漿料時，在磨片的進漿口需設置高的蒸汽壓力，蒸汽壓力能夠軟化木漿，提高磨漿質量。高壓蒸汽主要是由蒸汽回流和鍋爐產生的蒸汽組成。磨漿過程中會產生高壓蒸汽，傳統磨漿機有高達40%的高壓蒸汽壓力并不隨著漿料流動，因此可以通過回收高壓蒸汽并用于進料系統，這種方式比使用鍋爐更加節能。

Luc Gingras于2008年設計的盤磨機磨片[5]設有排汽槽，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。其排汽槽的結構如圖1(a)所示，磨片上至少包括一個排汽槽，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，二是排汽槽外側的外部磨漿區，三是排汽槽內側的破碎區。磨片的排汽槽的長度取決于磨漿機種類、磨片結構形式、蒸汽回流量和磨漿過程，一般為磨漿區徑向長度的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、彎曲的或者不規則的形狀，其中之字形的排汽槽，其徑向長度約為磨漿區域徑向長度的2/3。

如圖1(b)所示為帶有多道排汽槽的磨片，在外側磨漿區和內側磨漿區都設有排汽槽，高壓蒸汽從外側排汽槽通過內、外側磨漿區域的間隙進入內側磨區域的排汽槽，然后在進料區釋放。

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

帶有排汽槽的磨片設計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流動，在磨片的粗磨區釋放。擋壩設置在排汽槽的徑向外側，阻止蒸汽徑向向外流出。

磨片可設計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，導致磨片蒸汽產生量和蒸汽回流量都降低。

排汽槽可設置在定子或轉子磨片上，轉子側的泵效應使得蒸汽回流量減少，同時有利于減少纖維從排汽槽回流。定子側的效應則相反，定子側蒸汽回收更多。排汽槽設置最好在定子磨片上，因為轉子上設置排汽槽，不利于蒸汽的回收。

2.1.2 帶有蒸汽排出功能的磨片設計

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

圖2 帶有不連續通道的磨片

圖3 轉動時排汽槽的運動軌跡

圖4 Patrick J Bartels設計的帶有背部排汽槽的磨片結構

當轉子轉動時，轉子與定子的排汽槽部分重合，使得蒸汽能夠通過另一個磨盤釋放。轉動時排汽槽的運動軌跡如圖3所示。磨片可正反轉，旋轉方向不同，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徑，因為蒸汽流向與旋轉方向相反，磨漿效率較高。

該排汽槽的設計在蒸汽排放的同時，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計

1994年的專利[7]中設計的磨片具有擋壩，同時磨齒上開有槽，磨齒上的槽能讓漿料流出磨漿區。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生。1997年的專利[8]中設計的磨片表面上設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，使得磨漿區域大大降低。因此，磨漿效率和漿料一致性顯著降低。同時，大量待研磨的漿料也會直接通過排汽槽流出磨漿區域。

Patrick J Bartels設計的磨片結構如圖4所示[9]。在磨片兩側徑向方向上分別開有兩個孔(圖4(a))，然后在磨片的背面開有凹槽將兩個孔連通(圖4(c))，形成一個排汽槽，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側的開孔，出口位置為么徑向外側的開孔。蒸汽入口周圍凸起的設計能阻止待磨漿料進入通道，該凸起與磨齒上表面共面，同時通過斜面與齒槽相連。

在磨片齒紋最密集的區域蒸汽壓力最大，一部分因為齒紋密集增加了施加在漿料上的摩擦力，另一部分因為磨片中間區域最狹窄，因此壓力在該部位聚集。

入口的凸起設計能夠避免漿料進入排汽槽，即使進入排汽槽也能通過排氣槽從出口流回磨漿區。磨漿過程中，漿料從齒槽底部到達入口的上表面，由于離心力的作用使得絕大部分的漿料越過蒸汽入口。入口徑向外側的凸臺比內側的凸臺低，使得漿料更容易通過入口區域。同時，出口具有增強漿料從通道噴射出去的結構特點，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入磨漿區。因此，當漿料偶然進入通道時，在磨片的離心力作用下，漿料將從排汽槽中噴射回磨漿區。同時，離心力的作用不會使排汽槽堵塞。

蒸汽入口和出口僅占磨片表面積的1%～5%，這種設計在降低高壓蒸汽負面影響的同時，也能夠使磨漿區域最大化；蒸汽壓力的降低減少了磨片的振動，提高了磨漿質量；增加了漿料在磨片間的停留時間，使漿料一致性較好；增加了磨漿時的機械效率。磨盤一般包括8～36個排汽槽，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具體應用如壓力、纖維材料和其他標準進行修改。此發明的磨片適用于正反轉磨漿機、雙盤磨、錐型磨漿機的轉子，一般用于轉子安裝磨片。

Johansson在Patrick J Bartels設計的磨片的基礎上進行了改進[10]。其區別主要是出入口不同，同Patrick J Bartels設計的磨片相比結構簡單，蒸汽流出速度快，同時能夠使已經磨好的漿料直接通過該通道流出磨漿區，這既能防止漿料過磨，提高漿料質量，也可降低能耗。Johansson于2011年設計的磨片功能與此設計的磨片相同，排汽槽也類似，只是開孔方式不同，在此不再贅述[11]。

2.3 通過磨片齒紋設計來排出蒸汽

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

Luc Gingras在2001年設計了一種高濃磨片[12-13]，其結構如圖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個徑向磨齒中間放置了一些擋條或者在Z形彎曲部分設置斜面擋條，這兩種方式都能延長漿料在磨漿區的停留時間，同時也有足夠的空間將蒸汽排出磨漿區。

Luc Gingras于2003年發明的磨片[14-15]，其擋壩上帶有缺口的，結構如圖6所示，其具體結構見圖7。圖7(a)是圖6上的1的結構放大圖，圖7(b)、(c)分別是圖6上2、3處的剖視圖，圖7(d)為圖 7(a) 的改進形式。如圖6所示，磨片周向被分成兩個區域，這種磨片結構使得蒸汽沿徑向向內、外流出。其中，蒸汽向內流動會增加漿料的停留時間，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漿料進入磨片間隙。如圖7(d)所示，改進后的磨片，在磨齒和擋壩接觸的地方，去除部分磨齒和擋板，形成拱形結構的空穴，空穴的底面與擋壩缺口部分的底面共面，這種結構能夠減少因蒸汽夾帶漿料通過齒槽時帶來的振動。

圖5 Z形齒高濃磨片

圖6 擋壩上帶有缺口的磨片

圖7 磨片的具體結構形式

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

3 結 語

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

(1)磨片表面設置排汽槽。如果該排汽槽具有蒸汽回收功能(進料口排出蒸汽)，則能夠再次利用蒸汽，降低能耗，延長漿料在磨漿區的停留時間。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，也可提高漿料質量。但這種設計一定程度上降低磨漿區域的面積。該磨片一般用作轉子磨片。

(2)磨片背面設置排汽槽。這種設計不降低磨漿面積。磨片背部的排汽槽連通漿料出口的設計能夠防止漿料發生過磨現象，提高漿料的一致性。

(3)通過齒紋設計來排出蒸汽的磨片，磨漿區域的面積基本不會改變。但是磨片的結構復雜，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. 新型高濃盤磨機磨片[J]. 輕工機械, 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. 高濃磨漿及其應用[J]. 廣東造紙技術通訊, 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.中高濃制漿造紙技術的理論與實踐[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2007: 263.

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[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：新型造紙機械設備的研究。

2017- 03- 14(修改稿)

TS734+.1

A

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