（机械电子工程专业论文）新型造纸高浓磨浆机的研究与设计.pdf

新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 摘要 造纸工业与国民经济的发展和人类文明建设息息相关，是重要基础原材 料产业，其人均消费量衡量一个国家的经济发展水平。从纸浆制成纸板或纸 张，要经过磨浆、加填、施胶、调色、净化、筛选等一系列加工程序，再在 造纸机上抄造成为纸张。其中磨浆这一环节尤为重要。而我国磨浆设备的发 展还比较落后，所以本文主要对高得率浆磨浆设备进行比较研究，结合各种 磨浆机结构的优缺点，最终设计出一种新型造纸高浓磨浆机。 磨浆时，纸浆的浓度对磨浆效果和成纸质量的影响都很大，随着磨浆工 艺的发展，浆料的浓度可以分为低浓、中浓和高浓磨浆。本文对这三种浓度 的磨浆进行了详细的对比分析，最后决定选用高浓磨浆。并且结合实际情况， 联系了盘磨机和锥形磨浆机的各自的优缺点，最终在设计中采用两段磨浆， 结构上采用最接近盘磨机中的“双流式双盘磨”的三锥双流式磨浆机。 磨盘是整个磨浆机的核心部件，其齿型的设计和选择会直接影响到磨浆 机的磨浆质量和成纸品质。磨盘的材质及齿型会影响到成浆的打浆度和挂浆 量。本文通过对高浓磨浆机磨盘磨齿的形状、磨盘的锥度、磨盘间隙等结构 参数进行研究，分析其对磨浆性能的影响。引进了一种国外新型磨盘，并对 其进行了并综合设计，该磨盘可以改善磨浆机的受力和磨浆强度，减少磨浆 区内蒸汽的产生，使蒸汽能更好地排出，使浆料在磨浆区内的停留时间更长、 分布更均匀，从而提高磨浆效率和磨浆质量。 本文还对磨浆的纤维原料进行了分析讨论，表明以芒草作为原料磨浆可 以表现出很好的性能。并且对磨盘转速、蒸汽流量等影响磨浆性能的其他因 素也进行了逐一的分析，确定了最佳转速和更好地排出蒸汽的方法。 由于未经打浆的原浆种类繁多，同时磨浆过程中还存在许多扰动，这些 因素都会影响到成浆质量的稳定性，因此本文对磨浆区内的浆料的受力情 况、能量消耗等进行了详细的探讨和研究，根据一些著名的机理假说，如帚 化理论、比边缘负荷理论、比表面负荷理论、定性机理假说等，建立了磨浆 过程中的力学模型和能耗模型。 最后采用模拟技术对所设计的磨浆机进行虚拟制造和动态仿真。 关键词：高浓磨浆；磨盘结构；力学模型；能耗模型；磨浆效率 r e s e a r c ha n dd e s i g no fn e wt y p e h i g hc o n s i s t e n c yr e f i n e rf o r p a p e r m a n g a b s t r a c t p a p e ri n d u s t r yi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y a n dh u m a nc i v i l i z a t i o nc o n s t r u c t i o n i ti sa ni m p o r t a n tb a s i cm a t e r i a l si n d u s t r y i t s p e rc a p i t ac o n s u m p t i o n m e n u sa c o u n t r y s e c o n o m i cd e v e l o p m e n t l e v e l w h e nc a r d b o a r do rp a p e ri sm a d ef r o mp u l pb yas e r i e so fp r o c e s s i n g p r o d c e d u r es u c ha sr e f m i n g ，a d df i l l ，g l u e ，c o l o rm i x i n g ，p u r i f i c a t i o n ，s c r e e n i n g a n ds oo n ，i tb e c o m e sp a p e ri nap a p e rm a c h i n e t h el i n ko fr e f i n i n gi se s p e c i a l l y i m p o r t a n ti n t h ep r o c e s s i n gp r o d c e d u r e a n dt h ed e v e l o p m e n to fp u l p i n g e q u i p m e n ti i lo u rc o u n t r ys t i l ll a gb e h i n d ，s ot h i sp a p e rm a i n l yc o m p a r e da n d r e s e a r c h e dt h eh i g hy i e l dp u l p i n ge q u i p m e n t ，c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so nd i f f e r e n tk i n do fr e f i n e rs t r u c t u r e s ，f i n a l l yd e s i g n e dak i n do f n e wh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n e r f o rp a p e r m a k i n g i nt h er e f i n i n gp r o c e s s ，t h ei n f l u e n c eo f p l u pc o n s i s t e n c yo nt h eq u a l i t yo f r e f i n i n gi sv e r yl a r g e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e f i n i n gp r o c e s s ，t h ep u l p c o n s i s t e n c yc a r lb ed i v i d e di n t ol o wc o n s i s t e n c y ，m e d i u mc o n s i s t e n c ya n dh i g h c o n s i s t e n c yr e f i n i n g a tl a s td e c i d e dt oc h o o s eh i g hc o n s i s t e n c y i na c c o r d a n c e w i t hp r a c t i c a ls i t u a t i o n ，a n di n t e g r a t e dw i t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e d i s cr e f i n e ra n dc o n n i c a lr e f i n e r ，t h ef i n a ld e s i g nh a dt w os e c t i o n si l lt h er e f i n i n g t h es t r u c t u r eo ff i n a ld e s i g nw a st h r e ec o n i c a ld o u b l ef l o wr e f i n e rw h i c hi s s i m i l a rt o “d o u b l ef l o wd o u b l ep l a t e sm i l l p l a t ei st h ec o r ec o m p o n e n to ft h er e f i n e r , t h ed e s i g na n dc h o i c eo ft h eb a r s h a p ew o u l dd i r e c t l ya f f e c tt h ep l u pq u a l i t ya n dt h ef i n a lp a p e rq u a l i t y t h e m a t e r i a lo fp l a t ea n db a rs h a p ew i l la f f e c tt h eb e a t i n gd e g r e ea n dh a n gq u a n t i t y o fp l u p t h r o u g hd e v e l o p m e n to fs t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha s p l a t ea n db a r s h a p e ，t h et a p e ro fp l a t e ，t h ep l a t eg a pa n dt h el i k eo nh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n e r , t h et h e s i s a n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so ft h e s e p a r a m e t e r s o nt h e r e f i n i n g p e r f o r m a n c e b yi n t r o d u c t i o no fn e wp l a t et y p ea n di n t e g r a t e dd e s i g n ，t h i st y p e c a ni m p r o v et h ef o r c e so fr e f i n e ra n d r e f i n i n gi n t e n s i t y ，r e d u c es t e a mg e n e r a t i o n i nt h er e f i n i n gr e g i o n ，m a k es t e a mb e t t e rd i s c h a r g e ，m a k ep u l ps t a yi nt h e r e f m i n gz o n em u c hl o n g e ra n dd i s t r i b u t i o n ，s oa st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d m q u a l i t yo fr e f i n i n g t h i sp 印e ra l s od i s c u s s e dt h ef i b e rm a t e r i a l so ft h er e f i n i n g ，h a ds h o w nt h a t u s em i s c a n t h u sa st h ef i b e rm a t e r i a l sc a ns h o wv e r yg o o dp e r f o r m a n c e s a n d a l s oa n a l y z e dt h eo t h e rf a c t o r sw h i c hc a na f f e c tt h e p r o p e r t i e so fr e f i n i n g i n d i v i d u a l l y ，s u c ha ss p e e do ft h ep l a t ea n df l o wo ft h es t e a m ，a f t e rt h a t d e t e r m i n e dt h eb e s ts p e e da n db e a e rm e t h o dt od i s c h a r g es t e a m b e c a u s et h ek i n do fi n i t i a lp u l pm a t e r i a l si ss om u c h w h i l er e f i n i n gp r o c e s s a l s oh a sm a n yd i s t u r b a n t e ，t h e s ef a c t o r sw i l la l li n f l u e n c et h es t a b i l i t yo ff i n a l p u l p sq u a l i t y t h e r e f o r et h i sp a p e rc a r r i e do u tad e t a i l e dd i s c u s s i o na n dr e s e a r c h o nt h ef o r c eo ft h ep l u pa n de n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h er e f i n i n gz o n e ，a c c o r d i n g t os o m ef a m o u sm e c h a n i s mh y p o t h e s i s ，s u c ha s f i b r a g et h e o r y ，s p e c i f i ce d g e l o a dt h e o r y ，s p e c i f i cs o u r c el o a dt h e o r y ，q u a l i t a t i v em e c h a n i s mh y p o t h e s i s ， a n de s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cm o d e la n de n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e lt h r o u g ho u t t h er e f i n i n gp r o c e s s f i n a l l yt h et h e s i su s e dt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt od e s i g n t h eh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n e rm f ga n dd y n a m i cs i m u l a t i o nb yv i r t u a l k e yw o r d s ：h i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n g ；p l a t es t r u c t u r e ；d y n a m i cm o d e l ； e n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l ；r e f i n i n ge f f i c e n c y ， 符号说明 e 比能量输入，m j k g n 磨齿数量 f 一碰撞频率 卜纸浆在磨浆区内的停留时间， s g w 一磨石磨木浆 砌帅木片磨木浆 s d 一单盘磨浆机 d d 一双盘磨浆机 c d 锥形磨浆机 t m p _ 哪磨机械浆 s e c 比能量 9 一刀辊及外加总有效力，n 卜打浆面积，m ： z l 、z 2 分别为飞刀、底刀片数 6 l 、6 2 分别为飞刀、底刀片厚 i 。一刀辊宽，m d 一刀辊直径，1 1 1 a 1 飞刀片与刀辊轴线倾斜角 a 2 底刀片与刀辊轴线倾斜角 s e i ，_ 一比边缘负荷，j m n _ 一用于磨浆的有效功率，w i ，_ 刀片的每转切断长，m r r 磨浆机的转度，r s z r _ 转刀齿数 z n 定刀齿数 l 刀齿齿长，m e f a 有效磨浆面积 a 。_ _ 一实际磨浆面积，m ： g c _ 一齿槽系数 d c _ - 挡板系数 f e a 有限元理论 w r v 保水值 a n o 、，a 方差分析 卜单位磨浆面积上的压力，k g m 2 脚一单位长度的刀叩击纤维时的压力，k g m s f 舢飞刀辊加在底刀上的有效重量，k g i 厂纤维平均长度，m l 。厂飞刀有效长度，m p 。广去除空载功耗后转刀所需的功率，w i 厂_ 每秒切断长，m s 卜比边缘负荷，j m p 。眈_ 一有效磨浆功率，w p 。哟厂磨浆总功率，w 厂叩击速度，m s p i d l c _ 无效磨浆功率，w l r 磨盘转动一圈对纤维的叩击次数，m r o u n d m 单位时间通过的绝干浆量，k g s n - 一单根纤维被叩击的次数，m f i b e r m 一单根纤维的重量，k g f i b e r n m 单位重量的纤维被叩击的次数，m k g b e l - 一单位绝干浆量的功耗，j & g s s i ，_ 比表面负荷理论 l i i n d 耐一叩击长度，m w l 一动刀宽，i n w s - 定刀宽，m l 丘耐一纤维束长度，m r 动定刀交错时的夹角，r a d e l 一浆料在高浓磨浆区内受到的总力，n 卜磨盘对浆料的摩擦力，n 产一纤维间的作用力，n 卜涡卷力，n c l - 离心力，n 卜浆料输送压力，n 卜背压力，n v p _ 磨盘作用于浆料的压力，np m 物态功率，k w i i 一摩擦系数q 啥水纤维原料通过量，k g s d 卜极小扇形的圆心角r 重力加速度，9 8 1 r n s 2 r l 、r 2 磨盘内外圆半径，my l 磨盘外圆线速度，m s 九_ 转子和定子的磨齿在任意时刻，广磨盘内圆线速度，r n s 的接触面积与磨盘的面积之比 d 1 磨盘外圆直径，r n l s - 转子上磨齿的宽度，r nd 2 磨盘内圆直径，m l 。一定子上磨齿的宽度，m i i 磨盘1 齿纹面积比 m s _ 定盘上凹槽的宽度，mi 2 磨盘2 齿纹面积比 m 广_ 动盘上凹槽的宽度，mr 磨区磨浆比压，n m 2 y 口兀纤维问的复杂应力，n r i 磨盘外圆半径，r n t 无纤维间的摩擦力，nr 2 磨盘内圆半径，m r 高浓浆料中纤维之间的剪切系数p 厂磨浆时操作功率，k w r 高浓浆料中纤维之间的摩擦系数p 广无料时空转功率，k w p _ 纤维消耗的总功率，k we 0 _ 单位纤维原料流变能耗，k w h t 绝干 p 。流态功率，k wc 磨区纤维原料浓度， v i 新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 纸在人类文化发展中发挥了非常重要的作用。从古至今，所有的人类文明、文化发 展史都是由纸张来承载，因此才得以保存。今天，纸在国民经济和人民生活中也具有重 要的地位。随着科学技术的发展，纸的用途已越来越大，涉及到工业、农业、制造业和 服务业等各个领域。纸不仅是文化、信息和工农业材料、产品载体，还可供日常生活和 建筑使用，并且可充当特殊条件下的加工、工具材料。纸的消耗量与国内生产总值增长 呈同步趋势，纸的消耗量与人民生活水平提高呈同步趋势。所以，造纸工业对国民经济 的发展具有至关重要的意义。 造纸术的发明是我国古代人民智慧的结晶，是对全世界人类最伟大的贡献之一。古 代，我国造纸技术就有了很大的发展。然而，鸦片战争以后，我国的造纸工业陷入困境。 直到中华人民共和国成立以后，造纸工业才获得了新生，纸和纸板的产量都处于上升的 趋势。目前我国造纸企业有3 5 0 0 余家。2 0 1 0 年总产量达5 1 1 5 万吨，表观消费量5 1 8 4 万吨，人均消费量为3 3 9k g 人年。2 0 1 1 年1 2 月份，我国生产纸制品4 3 4 9 万吨，同比 增长1 4 9 0 。中商情报网数据显示：2 0 1 1 年1 1 2 月，全国纸制品的产量达4 5 1 3 5 5 万吨， 同比增长1 7 1 2 。而据了解，我国纸和纸板的消费量也已经超过3 4 0 0 万吨，仅次于美 国，位居世界第二位。 我国造纸行业面临的问题十分突出，主要表现在：原料结构不合理，木浆比重过低； 总量不足，产品结构不合理；企业规模小，我国木浆生产企业和造纸企业平均规模分别 达1 8 万吨和8 万吨；技术装备落后，大型制浆和造纸设备依靠进口；水资源消耗大，污 染严重。 能源问题是目前国际上最常提到的话题。造纸工业是能耗大的行业。据报道，1 9 8 5 年，在造纸工业发达的国家，造纸工业总能耗占整个工业部门能耗总量的比例均相当高， 如芬兰6 4 ，瑞典4 2 ，美国1 0 5 ，这就引起各国对造纸工业节能工作的重视，从而 使节能成为各国造纸工业技术革新所追求的目标【3 】。我国造纸工业能耗与生产总值比例 过高，也是高能耗行业。 。 造纸工业可以通过四个方面来节能。一是积极利用新能源：二是开发新技术、新工 艺、新材料等；三是提高碱回收炉及锅炉的燃烧效率，减少能源原料资源的消耗；四是 企业自己建设先进的发电机组，减少对外能源的依赖。这四方面中，第二点对整体节能 起到最重要的作用 3 1 。造纸工业的发展，对林业、农业、印刷、包装、化工、机械、交 通等行业具有很大的带动作用。然而，我国造纸工业的底子差，和发达国家相比差距还 很大。目前我国造纸业主要是设备落后；能耗、物耗高；产品质量差、档次低；进口量 陕西科技大学硕士学位论文 大；单位产品的水耗和能耗大；对环境的污染较为严重。这些亟待解决的问题对我国造 纸工业的发展和现代化有很大负面的影响，必须妥善的解决。 1 2 磨浆设备的现状及发展 造纸需要经过一系列的过程，其中，磨浆这一环节尤为重要。经过蒸煮、洗涤、筛 选和漂白以后的纸浆，还不宜直接用来抄纸，必须利用机械的方法来处理悬浮于水中的 纸浆纤维，使其具有适应造纸机生产要求的特性，使生产出来的纸张可以达到预期的质 量，这种操作过程称为磨浆或打浆。磨浆的任务是对纸浆进行机械处理，使纤维的形状 和物理性质发生变化，如切断、分丝等。 磨浆设备可分为问歇式打浆机和连续式打浆机两大类。当今发达国家已经研究并开 发了先进的制浆造纸技术和打浆设备，我国也引进了大批的先进技术和设备。然而，现 国内大多数使用中低浓磨浆，对纤维的切断较严重并使纸张强度较差，能耗较大都不利 于企业的生产。实践证明，高浓磨浆，对提高磨浆质量或降低能耗有非常明显的效果， 我国在2 0 世纪7 0 年代就已开始对高浓磨浆进行研究，陆续研制处高浓浆泵、高浓贮浆 塔、高浓混合机、高浓磨浆机等。高浓磨浆的主要设备是高浓盘磨机，它具有重量轻， 体积小，结构简单，占地面积小，拆装和操作等较简单的特点，然而，常规型高速高浓 磨浆机，会受到动盘旋转而产生离心力的作用，纸浆会被甩向磨盘的外侧。现今造纸行 业广泛采用的高浓磨浆设备还有锥形磨浆机，锥形磨浆机的占地面积相对盘磨机较小， 并且无功功耗低、磨浆效果好、噪声低等。 当前，国际上的现代造纸企业使用最先进的技术与装备，与环境相协调，具有先进 的科学管理体系和国际市场竞争能力。其具有的特点是：规模经济效益显著、使用高新 技术武装，是技术密集型产业、是资金密集型产业、资源和能源的消费特点突出、污染 严重、关注与环境协调发展等。而在造纸过程中占有极其重要地位的磨浆这一环节，更 应给予高度重视。 随着磨浆设备的发展，高浓纸浆漂白工艺和高浓纸浆氧脱木素试验成功并得到发展， 国外2 0 世纪6 0 年代以后便有了高浓纸浆输送技术和高浓纸浆与化学品的混合器技术的 试验报告，7 0 年代以后就研制成功高浓磨浆机。国际上现代磨浆设备的主要发展方向是 连续化、大型化、高浓化、多功能化高效率和集中自动控制n ，。尤其是高浓磨浆设备， 由于其具有节能降耗，高效率，低污染，少排放的特点，发展更为突出。已由传统的单 盘式磨浆机，圆柱形高浓磨浆机发展到锥形高浓磨浆机，继而发展到整体结构强固、刚 性大的圆盘高浓磨浆机，直到现在国际上已有的圆盘和锥形相结合的三锥双流式磨浆机。 由小型到大型，由单一型到复合型，磨齿齿纹的迸一步系列化、专一化，控制调节系统 也由传统的p l c 发展到现场总线控制。可见，高浓磨浆机的发展是相当迅速的。现在高 浓磨浆事业发展较为领先的国家为瑞典、芬兰、奥地利等。 2 新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 相对于国外，我国的制浆技术水平落后发达国家几十年，我国纸浆厂传统上均采用 低浓度磨浆，比如一般的盘磨磨浆机，进浆的浓度为3 , - - - 4 ，对高速盘磨机，进浆的 浓度也只有6 - - - 8 。对于锥形磨浆机、圆柱磨浆机等连续型磨浆机，磨浆浓度也都属 于低浓度范围。我国在2 0 世纪7 0 年代开始对高浓研究，8 0 年代时，天津轻机厂研制处 高浓浆泵并开始生产出售，有了高浓浆泵，高浓磨浆工艺的实施才具备了条件。过去我 国多用槽式磨浆机，2 0 世纪7 0 年代使用锥形磨浆机，之后推广使用圆柱型磨浆机，现 在又广泛使用圆盘型磨浆机，相对于国际上，我国的高浓磨浆设备仍停留在小型磨浆设 备上，最先进的高效高浓磨浆设备还需要引进外国的。 面对这样的情形，可知中国亟待进行技术上的创新。产业结构的大调整，技术装备 的大提高已经势在必行。首先应采用低污染或无污染的生产技术，以满足大量低档纸品 的需求。为了提高我国制浆造纸行业的总体技术水平，需要制订制浆造纸技术的总体发展 规划。从宏观上，有计划地引进、消化、吸收和改造国外先进制浆造纸技术装备，建立我 国制浆造纸技术的自主研发体系，生产出适合我国国情的制浆造纸装备。在制浆造纸技术 装备的研制、开发和生产过程中，推行社会化协作和产品的标准化、系列化。从而生产出 连续型、大型化、高能效、低能耗、低污染的高浓磨浆设备。继而向纸业的现代化和纸 业市场的全球化迅速进展。 图1 1 盘磨机 f i g 1 1d i s cr e f i n e r 1 3 课题研究的主要内容 图1 2 锥形磨浆机 f i g 1 - 2c o n i c 面r e f i n e r 1 3 1 主要内容 ( 1 ) 首先本文根据磨浆的基本理论体系，对磨浆机理和磨浆浓度等进行详细分析， 确定磨浆浓度为高浓磨浆，然后对圆盘磨浆机和锥形磨浆机等各种磨浆设备进行比较探 讨，综合各种磨浆机的优缺点，结合实际最后确定本文所选方案； ( 2 ) 综合分析各种磨浆方法和磨浆工艺之后，选择本设计所需的磨浆工艺，并对所 确定的高浓磨浆机进行具体的零部件的选择和设计，其中磨浆机磨盘的设计和齿形的设 计为本文的主要研究内容； 陕西科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 分析并实验各种因素对磨浆性能以及磨浆效率的影响，分析各实验的实验现象， 根据各个实验结论确定出最佳的磨浆条件； ( 4 ) 根据高浓磨浆过程机理，对磨浆过程中浆料的受力和能耗情况和进行分析探讨， 建立高浓磨浆过程中的力学模型和能耗模型，并对其结果进行再分析，以便达到高浓磨 浆机结构上的再优化； ( 5 ) 最后使用三维制图软件对所设计的高浓磨浆机进行虚拟制造和动态仿真，以达 到本设计的可行性。 1 3 2 技术难点和拟采取的解决办法 ( 1 ) 技术难点 1 ) 磨盘是磨浆机的心脏，由于磨片自身结构复杂，壁厚过渡差距较大，导致造型 及铸件成型都很困难，而且还因该零件的特殊性，要求其尺寸精度高，表面光洁度好。 磨盘的结构和齿形，关系到磨盘的泵送特性及磨浆效果，甚至决定磨盘能否正常运转。 磨盘和机身的配合也有一定的难度。所以磨盘设计是一大技术难点。 2 ) 高浓磨浆区内浆料受到各种力的作用。到目前为止，我们仍然以打浆度和纤维长 度( 加权) 作为衡量打浆过程的主要参数。由于磨浆机的转盘和定盘之问的问隙很小，使 直接测试很难实现。另外磨片的齿形又比较复杂，理论上分析磨浆的力学、物理特性非常 困难。所以对各种力的分析以及建立力学模型和能耗模型也是一大技术难点。 ( 2 ) 解决办法 1 ) 本文将根据原料的种类、制浆方法、成浆的质量和生产能力的综合进行考虑， 从齿宽、齿沟宽及深度、磨盘梯度、磨齿交角等进行深入的理论分析和结构上的设计， 为不同的浆料找到更适合的磨盘，或者适应性更广泛的磨盘。 2 ) 在力学模型的研究基础上，通过测量入口和出口的纸浆压力、磨片间隙、有效 功、动轴的轴向支反力等参数，对高浓磨浆的物态和流态的变化功率进行分析，得出高 浓磨浆的纤维原料流变总功率，再进一步推导高浓磨浆能耗的数学模型，为高浓磨浆的 节能降耗及其结构设计提供理论依据。 1 3 3 课题的创新点 新型造纸高浓磨浆机磨浆浆料分布在两个平磨区和两个锥形的磨区，与盘磨机相比 磨盘的间隙，磨浆阻力系数，磨浆面积都有很大的改善，同时降低了吨浆能耗，大大降 低了生产成本。 董继先，梁钱华在2 0 0 7 年申请了实用新型专利三锥双流式磨浆机( 专利号： 2 0 0 7 2 0 0 3 1 7 1 9 ) ，三锥双流式磨浆机在国外已得到应用，但国内尚无。此课题弥补了国内 的空白。我们对此进行更深入的研究，对高浓磨过程的受力和能耗进行更详细的分析， 设计出其虚拟样机，为选择高浓磨浆的原料和实现生产高强度纸浆提供理论依据。 4 新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 2 磨浆机理 2 1 磨浆 ( 1 ) 磨浆的定义 利用物理机械的方法处理纤维浆料，使纤维受到挤压、摩擦、揉搓、剪切等作用， 相互分离成单根纤维的过程。 ( 2 ) 磨浆的目的和意义 使纤维彼此分离，改变纤维的表面状态； 保留或减少纤维长度： 使纤维更柔韧： 使次生壁原纤维化( 外部原纤维化，减少细胞壁厚) 产牛细小纤维。 图2 1 未经打浆的纤维 f i g 2 - 1n ol e f m i n gf i b e r ( 3 ) 磨浆术语 图2 - 2 经过打浆的纤维 f i g 2 - 2r e f i n i n gf i b e r a 纸浆是造纸工业中对用来造纸的纤维原料的统称，可以是本色的或是漂白 的。 b 碎浆在干纸浆中加进充足的水并将其处理成悬浮液的形式，使纤维充分分 散成为浆状的过程。 c 浆料和纸料浆料是指未经过打浆处理的纸浆。纸料是指经过纸料制备系统 处理过，能满足所生产纸张的特性要求和造纸机抄造性能的要求，可供造纸机使用的纸 浆。 d 打浆、精浆和磨浆都是指浆料纤维在两相对运动的机械之间按所控制的条 件经受反复处理的过程，因此三者的过程基本上是相同的，只是叫法不同而已，主要是 由处理设备的不同而有不同的叫法。 陕西科技大学硕士学位论文 e 打浆度也叫叩解度。表示纸浆滤水快慢的程度，衡量打浆情况的一个指标。 f 游离度也是表示纸浆滤水性能的一个指标。与打浆度不同之处只是测定方 法的差别。 g 纤维帚化率一是指纸料中经打浆后纤维受到分丝帚化的数目占总纤维数目的 比率。 h 保水值指在一定条件下用高速离心机甩去纸料中的游离水而保留纤维内的 结合水，用以表示纤维润胀和细纤维化的程度，从而间接的衡量纤维之间结合力的大小 和预计到成纸的强度。用结合水量对绝干纤维量表示，即： 保水值= ( 甩干后湿浆重一绝干重绝干重) 1 0 0 i 磨浆强度就是磨浆能量的分配，用e 表示。 ee e 2 2 nf r ( 2 1 ) 式中： 1 1 - - 蘑药数燕； e 一比能量输入，m j k g ； f 一碰撞频率； t 一纸浆在磨浆区内的停留时间，s 。 ( 4 ) 磨浆前后纸浆性质的变化 经磨浆的机械作用之后，只是浆料的物理性质发生了变化，而化学性质基本上没有 发生变化，即打浆过程是一个物理过程。 磨浆过程中，浆料的纤维束被疏解分散成单根纤维，纤维的初生壁和次生壁外层受 到破坏，纤维发生了润胀和细纤维化，也有部分纤维被横向切断，纤维的比表面积增加， 平均长度降低，纤维变得柔软可塑，因而反映整个浆料滤水性能降低。 但是不同的磨浆过程操作效果不同。如果在较高的温度下进行，如热机械浆( t m p ) ， 开裂区域向外移动。这导致长纤维的含量更高【5 3 1 。 2 2 磨浆机理 磨浆的机理主要是纤维的分离和原纤维化。它们一部分是由木料和纤维的流变性能 决定，一部分是由磨浆机内的流动条件决定。磨浆机结构和蒸汽的流动状态决定了磨浆 区内蒸汽的产生和纤维的量。功率损耗机理是：当纤维运动到磨齿边缘，纤维之间的碰 撞和纤维的滑动会抵制磨盘表面。磨浆时，应尽量使纤维在不受损失或少受损失的前提 下，消耗较少的能量，使纸浆具有一定的比表面积和交织能力，为纤维的重新结合创造 条件。 制浆的基本过程：备料- * n 浆一洗涤一筛选一漂白一纸浆 6 新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 2 2 1 磨浆对纤维的作用 ( 1 ) 磨浆会使纤维细胞壁发生位移和变形 细胞壁细胞腔位移变形部位 嗡制黜 位移变形前位移变形盾 纺锤状细胞 责群剖赘鞘雾谶凳溯责 第阶段第二阶段第三阶段第四阶段 小束纤维聚集在刀机板压缩脱水在压力下纤维柬机械分离 口 初步定为脱水 滑动 重新吸承 图2 4 磨浆的五个阶段 f i g 2 4h v es t e p so f r e f i n i n g 图2 5 切断作用 f i g 2 - 5f i b e rc u to f f 第五盼段 分教 帚化 图2 - 6 纵向分裂和帚化作用 h g 2 6t h el o n g i t u d i n a ls p h ta n df i b r i l l a t i o no ff i b e r 瓜悄心 公 一 、n：_， a 涤v 陕西科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 磨浆会影响纤维的结合力 磨浆会减小纤维直径，发生细纤维化，使纤维变得柔软可塑，增加纤维的外表面积， 游离出更多的羟基，这就会增加纸张的表面张力，增加氢键的结合数目。 裟 墨 - ) 4 g 滔 婶 蜷 辍 群 礤 打浆凌( 。sr 1 结合力2 断裂长3 耐折度4 撕裂度5 纤维长6 吸收性7 透气度8 收缩率9 紧度 图2 7 磨浆与纸张物理性质的关系 f i g 2 - 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb e a t i n ga n dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h ep a p e r 2 2 2 磨浆方法 磨浆方法主要分为机械法制浆、化学法制浆、化学机械法制浆和生物法制浆。 ( 1 ) 机械法制浆 机械制浆法主要是用机械的力量将植物纤维原料分散成单纤维，生产过程中不使用 任何化学药品。为了使纤维更柔韧，机械处理对纤维的分离是必要的。这种方法又叫高 得率制浆。 机械制浆法的原理：通过机械摩擦、撕裂、剪切、切割等作用将纤维原料分散成单 纤维。 机械制浆法特点是得率高、成本低、无污染、成纸吸墨性好、不透明度高、质地松 软、适印性好。但动力消耗高，因磨浆时保留了所有成分( 杂细胞、木素) 还有对纤维的 切断作用，使得纤维分散性差，成浆强度低，易返黄 2 1 。 机械制浆法分为磨石磨木浆和木片磨木浆。 a 磨石磨木浆( s g w ) 将一定长度的原木送入磨木机内，利用原木与高速旋转的磨石之间的摩擦力，在磨 石的挤压、剪切和摩擦作用下，使原木离解成单根纤维，再用水把纤维从磨石表面冲刷 下来，即成磨木浆。 b 木片磨木浆( r m p ) 指木片在两个相对旋转的磨盘间，利用磨盘与木片及木片与木片之间的摩擦力，使 新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 木片先被破坏成火柴状，这些火柴状的小木条经过相互间的摩擦而离解成单根纤维制成 的纸浆。 图2 - g 链式磨木机 f i g 2 - 8c h a i nw o o dr e f m e r ( 2 ) 化学法制浆 图2 9 木片磨木机 f i g 2 - 9w o o dc h i p s r e f i n e r 化学法制浆是指采用化学药液在高温高压下处理植物纤维原料，脱除木素，使其离 解成浆的过程【4 1 。 化学制浆法通常采用的试剂有石灰法c a ( o i - i ) 2 、烧碱法n a o h 、硫酸盐法n a o h 悄a 2 s 。、。 和亚硫酸盐法s 0 3 2 。其中前三种为减法制浆，最后一种为酸法制浆。 表2 - 1 化学法制浆的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f c h e m i c a lp u l p i n g， 一，： 化学法制浆工艺： 化学药液黑液 if 原料一备料一装锅一蒸煮( 升温、放汽、保温) 一放锅一洗涤一筛选一漂白一纸浆 ( 漂白浆) lf 本色浆漂白剂 陕西科技大学硕士学位论文 化学制浆法的特点是：纸浆基本上保留了纤维的天然长度，大部分木素被取出，可 以用来生产强度高、柔软的高档纸。但是这种方法得率低，污染大。 化学制浆法蒸煮过程主要是脱木素的过程。蒸煮温度大约为1 5 5 - - 一1 8 0 c ，蒸煮时间 为1 s h - 2 h ，蒸煮设备主要用间歇式和连续式，通常使用立式的蒸煮锅。 图2 1 0 化学制浆工艺 f 追2 - 1 0c h e m i c a lp u l p m gp r o c e s s 蒸煮条件的确定 1 0 0 c 以前，蒸煮液的浓度有所下降，但木素基本上没有溶出，这个阶段碱液向原料 内部浸透，主要溶解的物质是原料的淀粉、脂肪、果胶、树脂以及低分子量的半纤维素。 初始脱木素阶段是1 0 0 1 5 0 这一阶段，蒸煮液的浓度继续下降，但木素的溶出仅2 6 6 ( 对原木素) 。大量脱木素阶段是1 5 0 1 7 5 ( 最高温度) ，木素溶出6 3 2 ( 对原木素) ， 此时，木片已经分散成木浆。残余木素脱除阶段时，碱液浓度继续下降，但木素溶出只 有8 ( 对原木素) ，这一阶段碳水化合物降解较多。 化学制浆法的洗涤是通过挤压、过滤等作用将废液从纸浆当中分离出来。其中黑液 是碱法制浆的废液，红液是酸法制浆的废液。洗涤设备通常用真空洗浆机、压力洗浆机。 洗涤方式采用多段逆流洗涤。 化学制浆法的筛选是将纸浆中的杂质分离去除的过程。通常用振动筛、离心筛、锥 形除渣器等进行筛选。 ( 3 ) 化学机械法制浆 机械化学制浆法首先用温和的化学方法处理原料，然后磨解成纸浆。它的特点是两 段制浆，包括化学预处理和机械后处理两个阶段。其中化学预处理( 浸渍) 是用化学药 剂将原料的非纤维成分溶解，实现纤维的软化，使纤维组织松弛，更适于磨浆。 ( 4 ) 生物法制浆 生物制浆法是以微生物或其制品( 酶) 对木片进行预处理，然后用机械法或化学机 械法制浆。生物处理的目的主要是有选择性地分解( 降解) 原料中的木素，尽可能减少 碳水化合物的损失。从而降低磨浆能耗，减轻废水污染，提高纸浆强度。主要采用白腐 菌、漆酶等( 研究阶段) 微生物。 1 0 新型造纸高浓磨浆机的研究与设计 2 3 磨浆浓度的比较 磨浆是造纸过程中非常重要的一个环节，而磨浆浓度又是影响磨浆效果的一个非常 重要的因素。因此，我们有必要对磨浆浓度进行探讨。通常，磨浆分为低浓磨浆、中浓 磨浆和高浓磨浆。磨浆浓度在1 0 以下的一般称为低浓磨浆；磨浆浓度在1 0 , - - 2 0 的 称为中浓磨浆；磨浆浓度大于2 0 的称为高浓磨浆。 2 3 1 低浓磨浆 磨浆主要是对纤维进行切断作用和帚化作用。在低浓磨浆过程中，由于水的含量比 较多，所以磨浆作用主要依靠磨盘磨齿对纤维的切割作用来进行，这样的话会提高纤维 的吸水润胀作用，但是却降低了成纸的强度和撕裂度。当浆料浓度在1 0 以下并且条件 允许时，应适当的提高磨浆浓度，这样进入磨盘之间的浆料就会增多，每根纤维受压就 会减少，从而使纤维的切断作用减小，分丝帚化作用增大，有利于纤维的吸水润胀和细 纤维化。一般情况下，磨粘状浆需要浓度高一些，大约为6 一8 ，磨游离状浆浓度小一 些，约3 乡缸5 【l 】。 然而，低浓磨浆纤维及化学品流失严重，因为低浓条件下，纸浆中9 5 以上是水，。， 大量化学品溶于水中或悬浮于水中，容易最终随废水而流失，既浪费又污染环境，增加 废水处理难度【，】。低浓磨浆最大的问题是水耗和能耗大，此外，还增加设备运行时问， 降低了设备的工作效率，缩短了设备使用寿命，及浪费能源，又增加成本，所以必须对一f ? j ， 设备提出更高的要求。 2 3 2 中浓磨浆 磨浆浓度较低时，纤维在磨盘问主要依靠磨齿对纤维进行作用，这时纤维的切断作 用较明显，所以纤维的强度比较低。随着磨浆浓度的提高，纤维间的水分减少，纤维与 纤维间的摩擦作用增多，这时，纤维主要发生扭曲、挤压、分丝、帚化等作用，使纤维 间的结合力增大，纤维强度提高。并且，磨浆浓度较低时，磨盘间隙较小，容易发生磨 齿之间的碰撞，使能量损失较严重；而磨浆浓度提高时，磨盘间隙变大，这样就可减少 甚至避免了磨齿之间的碰撞和磨盘的局部接触，使能量的损耗减少，并且减少了纤维的 过分切断。中浓磨浆时，使单根纤维的切断作用减少，细纤维化程度增加，提高了纸浆 的强度和柔软性。并且，中浓磨浆时，纤维的内摩擦作用增加，从而减少了无用功的消 耗 3 1 。中浓磨浆的这些特点都提高了纤维的使用价值。 然而，中浓磨浆的浓度的提高是有限的。因为浓度提高的同时，水分减少了，这就 使吸水润胀作用减少，会造成出浆困难的问题，纤维很可能在磨腔内被重复磨浆，以致 使纤维的切断过于严重。结果不但会影响磨浆质量，而且还会使能耗增加。研究认为， 中浓磨浆的磨浆浓度在6 1 5 是可行的。 陕西科技大学硕士学位论文 2 3 3 高浓磨浆 低浓磨浆时，纤维间的水分较多，润滑作用较明显，从而使纤维间的摩擦作用很小。 这样一来，对纤维的磨浆作用主要是依靠刀片直接接触进行，这就要求磨盘间隙不能太 大，一般在单根纤维左右，以使纤维受到磨盘的作用。但是由于设备在磨浆过程中会发 生不均匀磨损，所以磨盘间隙不可能完全一致，这就使磨浆不均匀，间隙太小处，纤维 受到过分的挤压和切断，间隙过大处，纤维又没有受到充足的磨浆。高浓磨浆与低浓磨 浆的不同之处在于，高浓磨浆由于纸浆浓度高，磨盘的间隙比低浓磨浆的更大，中间的 浆层厚，并且高浓磨浆时并不是仅靠磨盘与纤维的直接作用，而是更依赖于磨片间高浓 纸浆纤维之间的相互揉搓、摩擦、挤压作用。也就是说，高浓磨浆中，高强脉动纤维之 间的摩擦是实现纸浆磨浆更重要的作用。从而增大了纤维的帚化、扭曲、压扁和撕裂， 避免