（机械制造及其自动化专业论文）高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计.pdf

高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 摘要 磨浆是制浆造纸生产过程中的一个重要环节，而磨浆浓度又是影响磨浆 质量的主要因素之一。本文对高浓、中浓和低浓磨浆的磨浆机理、磨浆工艺 和磨浆设备技术性能指标等进行了详细的比较，得出了高浓磨浆有诸多优 点。通过对高浓磨浆区内纸浆流动和受力情况的分析，建立了纸浆在高浓磨 浆区内的力学模型。另外，根据磨浆的比刀缘负荷理论和能耗、效率等磨浆 机理，对高浓磨浆在磨浆区内的力学模型进行了详细分析与计算，得出了高 浓磨浆能耗数学模型。最后，综合以上的分析与研究，设计出了一种新型的 高浓磨浆机。 ( 1 ) 分析了高浓磨浆工艺和设备在造纸工业中的作用以及国内外的现状 和发展趋势。从磨浆的机理、工艺、设备、原料、适用性和产品用途等方面 对低浓、中浓和高浓磨浆进行了分析与比较，得出了高浓磨浆有其优越的性 能。 ( 2 ) 通过对几个不同的高浓磨浆方案进行分析，最终优化出了采用“三 锥双流式磨浆区的高浓磨浆方式，该方式不仅简化了磨区的结构，而且在 不增加转子直径和转速的情况下增加了磨浆面积，有利于磨浆效率的提高和 磨浆质量的改善。并对新型高浓磨浆机主要部件：回转主轴轴向位移调整机 构、喂料系统、磨浆区、回转主轴和联轴器等进行了设计。 ( 3 ) 磨盘是磨浆机的心脏，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。本文从齿宽、齿沟宽及深度、磨 盘梯度、磨齿交角、等进行分析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。 ( 4 ) 分析了高浓磨浆区中涡卷力、浆液输送压力、离心力、背压力等对 浆料的影响。在力学模型的研究基础上，分析了高浓磨浆的物态和流态的变 化功率，得出了高浓磨浆的纤维原料流变总功率，进一步推导出了高浓磨浆 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了理论依据。 关键词：高浓磨浆，力学模型，能耗模型，磨浆机设计 t h er e s e a r c ha n d d e s i g n0 fh i g h c o n s i s t e n c y “t h r e e - - c o n i c a l ，d o u b l e f l o w r e f i n e r a b s t r a c t r e f i n i n gi so n eo fi m p o r t a n tp a r t si ns l u r r ya n dp a p e rm a k i n g ；m e a n w h i l e ， r e f i n i n gc o n s i s t e n c yi so n eo fm a i nf a c t o r o fs l u r r ym a k i n ge f f e c t t h r o u g h c o n t r a s t i n gh i g h ，m i d d l ea n dl o wc o n s i s t e n c yr e f i n i n g i ne v e r yt e c h n o l o g yg u i d e l i n es u c ha sr e f i n i n gm e c h a n i s m ，c r a r w o r ka n de q u i p m e n t ，m a n yc h a r a c t e r so f h i g hc o n s i s t e n c ya r eg o t i na d d i t i o n ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed y n a m i cm o d e l o f h i g hc o n s i s t e n c yr e r m 吨，t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e lo fh i g hc o n s i s t e n c y r e f i n i n gw a sr e s u l t e d 0 1 1t h eb a s e so fs p e c i a le d g el o a dt h e o r ya n dt h e m e c ：h a n i s mo fe n e r g yc o n s u m p t i o na n de f f i c i e n c yr e f i n i n g f i n a l l y , an e wh i g h c o n s i s t e n c yr e f i n e rw a sd e s i g n e db ys y n t h e s i z i n ga b o v ea n a l y z e s a n dr e s e a r c h ( 1 ) e f f e c to fr e f i n i n gc r a r w o r ka n de q u i p m e n t i np a p e rm a k i n g , a c t u a l i t y a n dd e v e l o p i n gc u r r e n to fh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n gw a sm a i n l ya n a l y z e d w e c o m p a r eh i g h ，m i d d l ea n dl o wc o n s i s t e n c yr e f i n i n gi nm e c h a n i s m , c r a f f w o r k , e q u i p m e n t , m a t e r i a la n dp r o d u c t su s e mp r e d o m i n a n tc a p a b i l i t i e s o fh i g h c o n s i s t e n c yr e f i n e rw e r e e d u c e d ( 2 ) t h r o u g ha n a l y z i n g s o m ed i f f e r e n tp r o j e c t so fh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n g ， t h et t h r e e - - - c o n i c a l 。d o u b l e - f l o w r e f i n e rc o n c e p to fh i 曲c o n s i s t e n c yr e f i n i n g w a so p t i m i z e d t h r o u g hd e s i g n i n g a x i sd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n ta d j u s t m e n t f r a m e w o r ko ft u r n i n gp r i n c i p l ea x i s ，f e e d i n gm a t e r i a ls y s t e m ，r e e f i n gs y s t e m ， a n dw i t ht h e o r ya n a l y z eo fd y n a m i ca n de n e r g yc o n s u m p t i o n m o d e lb y c o n s i s t e n c yr e f i n e rw a sf i n a l l yd e s i g n e d ( 3 ) r e f i n e rp l a t ei st h eh e a r to fr e f m e r , t h ec o n s t r u c t i o na n ds h a p eo f r e f i n e r p l a t ei nc o l l e c t i o nw i t ht h er e f i n i n g t h i sa r t i c l ea n a l y z e d an e wr e f i n e rp l a t ef o r w e l lr e f m 吨1 1 1 ec o n c e p tn o to n l yp r e d i g e s t e df r a m eo fm i l l s t o n e s ，b u ta l s o i n c r e a s e dr e f i n i n ga r e ai nt h ei n s t a n c eo fn o ti n c r e a s i n gm i l l s t o n e s d i a m e t e ra n d r o t a t e ss p e e d ( 4 ) f o r c ee f f e c ti n s t a n c e so ft e r m i n a t i o n ，f e e d i n gs l u r r y , c e n t r i f u g a l ，b a c k s t r e s so fs l u r r yw e r ea n a l y z e d d y n a m i cm o d e l o fh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n gw a s f o u n d e db ym a i n l ya n a l y z i n gt h ef o r c ee f f e c ti n s t a n c e so fs l u r r yi nf l o wa n d i 陕西科技大学硕士学位论文 m a t e r i a ls t a t e s t h eo v e r a l lf l o wa n dm a t e r i a ls t a t e sp o w e ro fh i g hc o n s i s t e n c y r e f i n i nn n m a r i z e dba n a l y z i n gb o t hf l o ws t a t em dm a t e r i a ls taterefining w a ss u m m a r i z e db ya n a l y z i n gd o t l li l o ws t a t ep o w e ra n om a t e r i a ls t a t e p o w e r s oe n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e lo fh i 曲c o n s i s t e n c yr e f i n i n gw a sm o r e f o u n d m o d e lo f f e r e dt h e o r yg i s tf o rr e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n d d e s i g n i n gt h ef r a m e w o r ko fh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n g k e y w o r d s ：h i 曲c o n s i s t e n c yr e f i n i n g ，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 n m o d e l ，d e s i g no f r e f i n e r i v 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 驻圭塾蔓 日 期： 至q q 旦生2 1 月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名：壁塾墨导师签名 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 1 绪论 1 1 引言 造纸术是我国古代四大发明之，发明者蔡伦的这一伟大创举，对人类的文明进步 及思想文化交流做出了巨大的贡献。随着历史的发展，造纸工业在全球工业化的进程中， 不断采用新工艺与装备，其技术水平不断提高，在不少国家已成为经济发展的重要支柱 产业，成为衡量一个国家现代化水平和文明程度的重要标志之一。 改革开放2 0 多年来，我国造纸工业的快速发展所取得的辉煌成就举世瞩目，纸和纸 板的生产量和消费量均居世界第二位。但是，我国造纸工业的整体水平与发达国家相比， 还有较大的差距，特别表现在大部分造纸企业的技术装备落后，单位产品的水耗和能耗 都较大，对环境的污染仍然较为严重。因此，为了成为造纸强国，我国造纸工业必须实 现清洁生产，清洁生产技术是我国造纸工业持续发展的根本保证。 纸品是国际民生不可或缺的必需品，纸和纸板的消费量增长速度与其国内生产总值 增长速度同步，是衡量一个国家现代化水平和文明程度的重要标志，造纸工业在我国国 民经济和社会发展中具有重要地位。造纸工业具有资金技术密集、规模效益显著的特点， 其产业关联度强，市场容量大，是拉动林业、农业、化工、印刷、包装、机械制造等产 业发展的重要力量。造纸产业以木材、竹、芦苇等原生植物纤维和废纸等再生纤维为原 料，可部分替代塑料、钢铁、有色金属等不可再生资源，是国民经济中具有可持续发展 特点的重要产业，被国际上公认为“永不衰竭”的朝阳工业【- 】。 1 2 高浓磨浆机的研究现状t 卅 我国造纸厂传统上均采用低浓条件下磨浆，如一般的盘磨磨浆机，进浆浓度为3 - - 4 ，对高速盘磨机，进浆浓度也只有6 8 。对于锥形磨浆机、圆柱磨浆机等连续式 磨浆机，磨浆浓度均属于低浓度范围。我国在2 0 世纪7 0 年代就对高浓开始研究，8 0 年 代，天津轻机厂研制成功高浓浆泵并开始生产出售，有了高浓浆泵，高浓磨浆等高浓工 艺的实施才具备了条件。经过多年的努力，我国目前已有多家制造厂具备了生产适用于 中浓磨浆的盘磨机的能力，在我国推广普及中高浓磨浆的条件已经成熟。 由于高浓纸浆氧脱木素、高浓纸浆漂白工艺的试验成功及发展，国外2 0 世纪6 0 年 代以后就有了高浓纸浆输送技术及高浓纸浆于化学品的混合器技术的试验报告，7 0 年代 以后就陆续研制成功高浓浆泵、高浓混合机、高浓贮浆塔，高浓磨浆机等。高浓磨浆的 关键设备是高浓盘磨机，常规型的高速高浓磨浆机，受到动盘旋转产生离心力作用，纸 浆会被甩向磨盘的外侧，日本相川铁工株式会社研制的c o i nd i s c 型锥形高浓盘磨机代 替常规的高浓盘磨机( s d r ) 处理废纸箱的打浆效果。显然，高浓磨浆对于使纸张表面 均一化、改善纸张表面外观质量以及改善纸张物理强度是非常有效的。 陕西科技大学硕士学位论文 对于高浓盘磨机磨浆，尽管高浓磨浆有它的优越性，但至今仍存在一些未能解决的 问题，阻碍了高浓磨浆技术的推广。归纳起来，高浓磨浆存在的问题有如下几点：( 1 ) 由于高浓较少切断纤维，因此长纤维的针叶木浆就很少采用高浓磨浆，否则，磨浆后的 纸浆容易絮聚成团，对成纸质量有一定的影响。( 2 ) 由于高浓盘磨机结构复杂，附属部 件多，操作不便，维修保养要求高。( 3 ) 由于高浓磨浆引起发热，过量的热量积聚会产 生蒸汽压力，盘磨机在运行中要花费部分功率来平衡机内压力，从而使吨浆能耗要比中 浓打浆大。因此，高浓磨浆还需要更深入的研究发展。 1 3 课题的提出 磨浆是造纸过程中的一个重要单元，其目的是对纸浆纤维进行适当的机械处理，使 之达到符合抄造及产品质量要求的特性。在磨浆过程中，由于机械力对纤维的剪切、搓 揉及扭曲作用，导致纤维初生壁、次生壁发生破裂，继而使纤维产生吸水润胀、分丝帚 化：同时也适度的切断纤维。 最初的磨浆设备是间歇式的槽式磨浆机，典型的有磨半浆的荷兰式磨浆机及磨成浆 的伏特式磨浆机。现在用的最多的是连续式磨浆设备，如圆柱磨浆机、锥形磨浆机及盘 磨机。 随着磨浆工艺的发展，磨将浓度可分为低浓、中浓和高浓。工程上把进浆浓度在2 6 范围的称为低浓磨浆，进浆浓度在1 0 - 2 0 称为中浓磨浆，在3 0 - 3 5 范围的称 为高浓磨浆。不同的磨浆浓度会产生不同的磨浆效果。由于磨浆浓度对磨浆质量及运行 成本影响甚大，随着磨浆技术的不断研究发展，越来越明确提出，提高磨浆浓度对提高 磨浆质量或降低能耗都有非常明显的效果。 低浓磨浆均匀性比较差，并产生较大的切断，水耗、能耗、污染都很大。关于高浓 磨浆的研究也有近3 0 年的历史。高浓磨浆不仅能保留纤维的长度，减少纤维切断，而且 能均匀的磨浆，使纤维分丝帚化更好，高浓磨浆后的纸浆抄出的纸具有优良的特性，为 生产高强度纸及充分利用短纤维纸浆原料开辟了新的途径。 高浓磨浆的关键设备是高浓盘磨机。但高浓盘磨机也存在很多问题。常规型的高速 高浓磨浆机，受到动盘旋转产生离心力作用，纸浆会被甩向磨盘的外侧；结构复杂，操 作不便。因此针对相关问题，选择这个课题。 1 4 课题的研究内容 ( 1 ) 高浓三锥双流式磨浆机能耗模型的建立：前人理论仅仅是运用逆向推理并求证 的方法，在宏观和微观方面各自建立了高浓纸浆在磨浆区内的受力模型，本文主要对高 浓三锥双流式磨浆机的能耗模型进行分析。 ( 2 ) 完成虚拟样机的制作，包括结构的设计，特别是磨盘磨齿部分的研究与设计。 2 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 该技术在国外已得到广泛的应用，实践证明该技术降低了能耗，改善的纸张的性能。我 需要做的就是吸收借鉴国外的先进技术，参考目前磨浆机的结构，设计出一种新型的、 适合市场的需求的、高效率、低能耗的高浓磨浆机。 磨盘是磨浆机的心脏，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。它主要包括齿宽、齿沟宽及深度、磨盘梯度、磨齿交角、挡 坝等。磨齿的设计应根据原料的种类、制浆方法、成浆的质量和生产能力的综合进行考 虑，是发展盘磨机关键的环节。故而对于磨齿的研究将是本课题的另一个难点，希望能 够从理论对以往的模型加以完善，在实践上能够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。 1 5 课题的创新点 ( 1 ) 董继先，梁钱华在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 9 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。我们的课题组对此 进行更深入的研究，对其性能进行分析，在结构上进行改进，设计出适合高浓磨浆的锥 形磨浆机，设计初了虚拟样机并对磨浆区的能耗进行分析。 ( 2 ) 目前国内的分析主要是对盘磨机磨浆区的能耗分析，本文主要分析了锥形磨浆 区的受力和能耗分析。 3 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 2 高浓磨浆特点及与低浓磨浆和中浓磨浆的比较 2 1 高浓磨浆 2 1 1 磨浆的概念 磨浆是指纸料纤维在处理过程中受到设备剪切及力作用。纤维受到的剪切力可以来 自磨浆设备的刀( 或磨齿) 的机械作用，也可以来自纤维与流体间的速度梯度和加速度 所产生的剪切力。在磨浆过程中，纤维悬浮液连续的通过磨浆设备，在由转子刀辊飞刀 ( 或转盘磨齿) 和固定的定刀( 或定盘磨齿) 构成的磨浆机构进行磨浆，其特点是纤维 通过磨浆机构时与刀片( 或磨齿) 成平行状态。 磨浆过程中磨盘对纸浆纤维的作用可分为三个阶段：边缘i 边缘、边缘一刀面、刀面 刀面三个阶段( 如图2 1 所示) 。在三个阶段中，能量传递机制是不同的。第一阶段：对 纤维的作用主要是切断，处理纤维的程度最高；第二阶段：对纤维的作用主要是挤压、梳 刷、帚化；第三阶段：对纤维的作用主要是挤压，处理程度更低。随着磨片齿形的不同， 磨浆能量在各个阶段的能量分布也不同，因此产生的磨浆结果也不同。如果在第一阶段 的能量消耗大，则对纤维的切断作用较强，否则细纤维化作用较强。虽然在三个阶段的 能量分布不同，由于纸浆纤维在盘磨机内磨浆过程持续时间很短，使总的磨浆功率仍维 持在相对稳定的状态 5 1 。 掣掌铸钨 图2 - 1 磨浆的三个阶段 f i 9 2 1t h r e es t e p so f r e f i n i n g 2 1 2 磨浆对纸张性质的影响 a 纤维结合力 在讨论磨浆对纸张性质的影响之前，应首先了解与纸张性质有密切关系的纤维结合 力问题。纸的强度是多种因素所决定：首先取决于成纸中纤维互相间结合力和纤维本身 的强度，以及纸中纤维的分布和排列方向等。而最重要的因素是纤维结合力。纤维的结 合力有四种：氢键结合力；化学主价键力，即纤维素分子链葡萄糖基之间的键力；极性 键吸引力，即分子之间的范德华吸引力；表面交织力。其中氢键结合与磨浆的关系最为 密切。主价键力是固定的。表面交织力和极性键吸引力都不重要，但对含木素多的磨木 浆和难水化的棉麻浆，表面交织力都不容忽视。另外氢键结合学说能较准确的说明和解 释为什么强度大的纤维原料，成纸的强度不一定大，而且只有经过磨浆的纸料才能抄出 强度高的纸，为什么湿纸页的强度低，而干纸页的强度高等实际问题。 5 陕西科技大学硕士学位论文 b 磨浆对纸张性质的影响 磨浆对纸张的性质有着重要的作用。为了控制生产提高成纸质量，必须研究磨浆与 纸张各种物理性质的关系和变化的规律。磨浆的程度用磨浆度( 。s r ) 来表示。随着磨 浆度的提高，纸的各种性能均发生相应的不同的变化。总的来说，磨浆对不同纤维的作 用有着共同的规律，只是随着浆料的不同稍有差异罢了。磨浆具体地对纸张各种性质的 影响分别讨论如下。 1 ) 纤维结合力与磨浆的关系 随着磨浆度的增加，纤维润胀和细纤维化增加，纤维的比表面积增大，游离出更多 的羟基，促进纤维间的氢基结合，使纤维的结合力不断上升。磨浆初期纤维润胀和细纤 维化增长的速度很快，磨浆中期纤维的外表面积已充分暴露，纤维结合面积的增长速度 已越来越慢。在磨浆后期，纤维已高度吸水润胀和细纤维化，再进一步提高纤维的结合 面积已相当困难，因此纤维的结合力达到最高点。 2 ) 裂断长 裂断长是表示纸张能承受抗张强度的大小。影响纸张裂断长的因素很多，主要是纤 维结合力和纤维平均长度。同时与纤维的交织排列和纤维自身的强度等也有关。在磨浆 初期裂断长上升很快，以后逐渐缓慢，到一定数值之后，产生转折和下降的现象。这是 因为，在磨浆前期纤维较快的润胀和细纤维化，使纤维的结合力上升，裂断长也随之提 高，这阶段影响裂断长的主要因素是纤维的结合力。 3 ) 耐破度 耐破度表示纸页所能承受的最大压力。纸张耐破度的变化曲线与裂断长相似。影响 耐破度的主要因素也是纤维结合力和纤维平均长度，及纤维本身强度和纤维交织情况等。 由于纸张在破裂时不仅受到拉力，同时也受到撕力作用的影响，在磨浆度比较高时，随 着纤维平均长度的降低，使耐破度比裂断长下降的更快些。 4 ) 耐折度 耐折度是指纸在一定张力下所能承受1 8 0 0 往复折叠次数。影响耐折度的因素是纤维 平均长度、纤维结合力、纤维在纸页中的排列、纤维本身的强度和弹性等，耐折度是随 着磨浆度的提高而有所提高，在达到最高值以后出现转折。 5 ) 撕裂度 撕裂度是表示纸张抗撕裂的能力。影响撕裂度主要原因是纤维的平均长度。其次是 纤维结合力，纤维排列方向，纤维强度和纤维交织情况等。 磨浆初期，由于纤维结合力提高、纤维长度下降不多，故撕裂度显著上升。随后， 由于纤维长度的下降，造成撕裂度迅速下降。 6 ) 紧度 6 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 紧度是指纸页紧密地程度，以g c m 来表示。纸张的进度随磨浆度的上升，纤维结 合力的增加而不断提高。在磨浆前期进度上升很快，随后逐渐减慢。这是由于到磨浆后 期，纤维已高度吸水润胀和细纤维化，故紧度难于再进一步提高。紧度对纸张的性质和 物理强度有一定的影响，提高纸页紧度，成纸的透气性和对纸张的性质和物理强度有一 定的影响，提高纸页紧度，成纸的透气度和吸收性大为下降，在一定范围内可提高值也 的裂断长和耐破度。 7 ) 不透明度 不透明度是指纸页不透光的程度。影响纸张不透明度的因素，主要是纤维结合力。 磨浆度高的浆料，湿纸在干燥时因纤维结合紧密，纤维间隙少，使光线的散射光线减少， 通过的光线较多，使纸张的透明性增加，不透明度降低。 8 ) 伸长率和伸缩性 伸长率是指纸张受到张力至断裂时，伸长的百分率。而纸的伸缩性是表示纸张浸入 水中或在不同湿度增湿或减湿时，尺寸的变化。它们都是反映纸的收缩性能。 纸张的伸长率和伸缩性都是随磨浆度的提高而上升。主要的影响因素有磨浆方式、 纸浆的种类、半纤维素的含量及纤维本身的强度和弹性、纤维的长度和纸页干燥时所受 的张力大小等等。 9 ) 吸收性和透气度 吸收性表示纸张吸收水或其他液体的能力，透气度是鉴别纸层中间含有空隙的程度， 也是检查纸张防潮的指标之一。吸收性和透气度是随着磨浆度的增加而降低，随着磨浆 度的提高，增加了氢键结合和纤维结合力，减少了纸页中气孔的大小和数量，是纸页的 吸收性和透气度下降影响到吸收性和透气度的主要原因是磨浆度、纤维的化学组成、半 纤维的含量等。 1 0 ) 脆性 实验结果表明，在磨浆过程中脆性与磨浆的关系是：在磨浆初期，磨浆度提高脆性 有所下降，随着磨浆度的提高，纸浆的脆性又有所上升。影响脆性的因素很多。与备料、 制浆、纸页干燥的关系甚大，不能只从磨浆的角度研究浆料的脆性问题删。 2 1 3 磨浆设备 我国过去多用槽式磨浆机，2 0 世纪六七十年代使用锥形磨浆机，推广使用圆柱磨浆 机，现在又广泛使用圆盘磨浆机，我国使用的磨浆设备基本上是与国际上的发展同步的。 磨浆设备是沿着下列诸方向发展的： _ 由间歇操作转向高效能的连续化生产 现在，除了在特殊情况下，间歇运行的、占地面积大的、效能低的槽式磨浆机几乎 被连续作业的、占地面积小的、效能高的锥形磨浆机，尤其是盘磨机所代替，并使设备 7 陕西科技大学硕士学位论文 的动力消耗大大减少。 b 由低浓磨浆设备发展到高浓磨浆设备 近十多年来的研究和生产实践证明，高浓磨浆设备( 2 0 以上浆浓) 与传统的低浓 磨浆( 1 0 以下) 相比，不但能降低单位电耗，显著地提高纸张地强度与其他一些指标， 而且高浓磨浆对于处理阔叶材浆和草浆等短纤维浆料尤为合适。 c 由单台磨浆设备的人工操作发展到多台设备的集中控制和自动调节 磨浆设备进行磨浆时，流量、浓度、间隙、比压等因素对浆料处理质量影响甚大。 对于工业化大生产来说，人工操作单台设备效率低，难于达到高产量的水平。因此，新 设计的磨浆设备往往把设备的机械设计与电气、液压、气压的自动化技术紧密地联系起 来，实现了多台设备地集中控制和对各个影响磨浆的因素进行自动调节，甚至采用电子 计算机进行程序控制和自动调节各个参变量之间的关系。 d 磨浆设备由多性能发展到单性能 过去一台磨浆设备不但进行疏解，还进行细纤维化，甚至还要求达到切断作用。现 在由于圆盘磨浆机地磨盘设计地系列化，磨盘可以设计成疏解型、帚化型、切断型地| 9 - 1 0 l 。 这样的专门化不但提高了其专一的技能，而且可以把这样专一的圆盘磨浆多台进行优化 组合，以达到最佳的磨浆质量要求。 现今的磨浆设备分类如下： 间歇式磨浆设备：如槽式磨浆机等 连续式磨浆设备：锥形磨浆机、圆柱磨浆机、圆盘磨浆机等 高浓磨浆设备：高浓圆盘磨浆机等 磨浆辅助设备：水力碎浆机、高频疏解机等 2 1 4 高浓磨浆的特点 在低浓磨浆的情况下，大量的水在纤维之间起润滑剂的作用，纤维的帚化、水化等 项磨浆指标是靠刀刃对纤维的作用产生，而纤维之间的摩擦和挤压作用很小。为了提高 纸张强度，往往是在加强帚化的同时，过多地切断了纤维。而高浓磨浆由于纸浆的浓度 很高，纸浆内部的摩擦力大大增加，从而加剧了纤维的帚化、扭曲、压扁和撕裂，避免 了磨浆设备的刀刃对纤维的切断作用。所以，高浓磨浆纤维长度变化不大。但有一点值 得注意，由于高浓磨浆主要靠纸料间的相互摩擦来达到磨浆效果，因此，纤维的切断很 少，细纤维化程度则很高，纤维柔软性很强，于是纤维易絮聚，易产生扭曲的、绞合在 一起的、纵向压缩的纤维，这对成纸是不利的。 目前的磨浆设备多用盘磨机。在低浓磨浆时，由于大量的水在纤维间起润滑作用， 因此，纤维间的摩擦力很小，对纤维的结构形态不易产生影响。这样一来，低浓磨浆则 主要靠磨盘刀片的作用，这就要求磨盘刀片之间的缝隙必须保持在单根纤维厚度左右， 8 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 以使纤维受到强烈的摩擦作用。但由于磨浆设备在使用过程中会发生不均匀磨损，致使 整个磨盘刀片间隙不可能完全一致。间隙太小处，纤维受到过度的压溃和切断；间隙过 大处，纤维又得不到必要的处理。因此，低浓磨浆不易取得均匀的磨浆效果。而高浓磨 浆主要依靠磨盘间纸料的相互摩擦，而不是靠磨盘本身的作用，因此，盘磨间的间隙可 以加大，避免了低浓磨浆不均匀的缺点【1 1 1 。 高浓磨浆对增强纸张物理性能的确有许多好处，但不能忽略它所存在的缺点：( 1 ) 高浓磨浆，纤维切断很少，纤维柔软性则很强，于是，纤维易絮聚，易产生扭曲的、绞 合在一起的、纵向压缩的纤维，这样一来，纸张匀度必然下降，纸张抗张强度( 如裂断长) 的增长幅度也受到影响；( 2 ) 高浓磨浆，由于纤维较长且柔软，因此，降低了纸的不透 明度和尺寸稳定性，这些缺点对于长纤维浆尤为突出，为了发挥高浓磨浆的优势，改善 高浓磨浆的不足，可以采用两段磨浆的方法，即在高浓磨浆之后，再进行低浓磨浆处理， 这样，除撕裂度和横向抗张力稍有降低之外，横向伸长率、横向韧性和耐破度都比单独 的高浓磨浆有所提高。因此，高浓磨浆在实际应用时，建议采用两段磨浆尤其对于长纤 维浆，即高浓磨浆以后采用低浓消潜处理。低浓消潜是指高浓磨浆时纤维会发生扭曲与 缠卷，放料冷却后这种潜态被保持，不利于纸页的强度。因此需在一定温度和浆浓下搅 拌一段时间，以消除这种潜态。一般采用温度6 0 - - 7 0 。c ，浆浓不高于铴，搅拌4 0 - - - 6 0 r a i n 。 2 2 低浓、中浓、高浓磨浆的比较 浆料的浓度对磨浆质量影响甚大，随着磨浆工艺的发展，磨浆浓度可分为低浓磨浆、 中浓磨浆和高浓磨浆。一般认为：浆料浓度在1 0 以下的称为低浓磨浆，浆料浓度在 1 0 - - 2 0 时称为中浓磨浆，在2 0 3 0 甚至更高者称为高浓磨浆。 _ 低浓磨浆 低浓磨浆对纤维的主要作用是；纵向分丝帚化和横向切断两个方面，纵向分丝帚化又 需细胞壁的位移和变形，初生壁和次生壁的破除，吸水润胀，细纤维化等阶段才能实现， 这些过程在磨浆中交错进行，使纤维的表面积和游离的梭基数目大大增加，增加氢健结 合，从而提高纸的物理强度，但浆中含有大量的表皮细胞群落，特别是苇浆、草浆成纸 后在印刷中易“掉毛”糊版；横向切断可提高纸张均匀度和平滑度，但降低了强度，特别是 裂断长、撕裂度【1 2 1 。 磨浆浓度的大小是根据纸种、磨浆方式和磨浆设备的性能所决定的。磨粘状浆磨浆 浓度为6 8 。磨游离浆，磨浆浓度为3 5 。 b 中浓磨浆 在低浓( 3 一5 ) 情况下，磨浆作用主要依靠两个相对运动的部件( 磨盘) 上刀纹木身 直接作用来处理纤维的。由于纤维问有大量稀释水的润滑作用，使纤维间摩擦几率大大 减少，这时，主要是磨齿对纤维的作用，因而导致对纤维的切断严重，而纤维之间难以 9 陕西科技大学硕士学位论文 进行能量传递，结果纤维强度也难以得到发展。 随着磨浆浓度的提高，纤维之间的水分减少，纤维与纤维的接触、交织几率增大 从而增大了纤维之间的摩擦作用，使磨盘间的纤维得到较充分的分丝、起毛、帚化和细 纤维化的作用，并伴随有扭曲和压缩的现象，提高浆料纤维的柔韧度，增大纤维间的结 合力。较高浓度下磨浆时，磨盘的间隙较大，磨盘之间的局部接触可以减弱甚至完全避 免，使纤维免遭过分切断和磨成粉状。因此中浓磨浆所磨得的浆料较少增加细小纤维组 分，能较好保持原浆纤维的长度。同时纤维还具有较高的收缩能力。中浓磨浆这些特点 为使用短纤维浆料生产高强度纸浆开辟了新的途径，从而有可能提高短纤维原料的使用 价值。 但是，浓度的提高有其极限。这是因为，浓度过高时，水分缺乏，不起或少起润滑 作用纤维得不到充分润胀，出浆困难，有可能造成纤维在磨区内复磨，以致切断过多， 结果不但影响磨浆质量，而目能耗增大。从我们的实验看来，在6 0 铲- 1 5 的浓度下进行 中浓磨浆是可行的。 1 ) 木浆 木浆中浓( 1 0 - - 2 0 ) 磨浆虽有助于提高纸张的强度，但效果不显著，且动力消 耗高，因此在工业上未获得应用。中浓磨浆的原理与高浓相似。 2 ) 草浆 草浆中浓磨浆国内已迸行了实验室研究，并取得了较好的效果，研究认为：浓度为 1 6 时效果最好。其磨浆特性与草浆低浓磨浆和木浆中高浓磨浆大不相同，其主要优点 简介如下： ( 1 ) 草浆中浓磨浆，纤维的长度降低很少，并能破除纤维的s 。层，使纤维获得良好 的内部和外部细纤维化，只是纤维的结合力和成纸的强度大幅度的提高。如与草浆低浓 6 磨浆相比，耐破度提高约2 6 倍，裂断长和紧度比低浓磨浆提高约2 0 ，但撕裂度却 比低浓磨浆低6 9 ，其原因尚不够清楚。 ( 2 ) 木浆高、低浓磨浆是在增加能耗的基础上取得较好的强度发展，而草浆中浓磨 浆的磨浆效率高，能耗低，可以在节能的情况下取得强度的发展。 ( 3 ) 草浆中浓磨浆，纸页有较高的裂断长与伸长率，能有效地提高成纸的韧性。 ( 4 ) 草浆中浓磨浆由于纤维的柔软性增加，纤维碎片和短纤维减少，耐折度大大上 升，并能改善纸页的脆性。 ( 5 ) 在相同强度下，中浓磨浆与低浓磨浆相比，磨浆度低而保水值高，成浆具有更 好的滤水性和湿强度。因此有利于缩短磨浆时间，提高抄速，减少长纤维的配比和改善 草浆的质量。 ( 6 ) 草浆中低浓磨浆，也可以采用草浆中低浓两段磨浆，能进一步降低磨浆能耗， 1 0 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 并取得更好的强度与紧度，大幅度的提高耐破度、裂断长与耐折度，成纸的撕裂度等于 或略高于中浓磨浆。总之，研究结果表明：草浆中浓磨浆有很多优点，对草浆的利用和 开发具有重大意义。 在中浓磨浆设备中，由于结构的特殊性，允许浓度6 - - 1 5 的浆料通过磨区和磨室。 这时，磨盘之间的纤维网状物中纤维的密度大，纤维的形态变化依赖纤维与纤维之间的 剧烈摩擦，使纤维产生挤压、压溃、细胞壁破裂、分效、起毛、细纤维化等一系列的变 化，而受磨齿直接作用引起纤维形态变化的几率大为减弱。其结果是：纤维的平均长度较 长、纤维分丝帚化的作用较强、纤维受切断较少、细小纤维较少。这种纤维与纤维之间 的剧烈摩擦引起纤维形态的变化称之为“纤维间的内摩擦效应 【i 3 - 1 4 1 。 c 高浓磨浆 低浓磨浆时刀片与纤维直接作用。而高浓磨浆时，靠纤维之间的相互摩擦作用进行 磨浆，这是高浓与低浓磨浆的主要区别。高浓磨浆由于浆料的浓度高，盘磨的间隙较大， 磨浆作用不是靠磨盘直接和纤维作用，而是依靠磨盘间高浓浆料中纤维的相互摩擦、挤 压、揉搓、扭曲等作用。与此同时产生大量的摩擦热，使浆料软化，有利于纤维的离解。 高浓磨浆过程中纤维的长度下降不大，短纤维和细小纤维碎片减少，磨浆度上升不快， 滤水性能好。在纤维形态上也与低浓磨浆显著不同，低浓磨浆纤维纵向压溃多，呈扭曲 状，而不是高浓磨浆中的纤维呈宽带状【l 习。 从上面的分析可以看出，高浓磨浆主要靠在磨盘问的浆料相互摩擦，避免了纤维的 过度压溃和切断，纤维长度变化不大，细纤维化程度高，润涨好，成纸强度显著提高， 有效除去表皮细胞群落，提高了纸张的表面光滑度。而且高浓磨浆不依靠磨盘本身作用， 可以使磨盘问的间隙可以加大，避免了低浓磨浆效果不均匀的缺点。低浓磨浆时，由于 纤维之间有大量的水分，使纤维的相互距离增大，并起着润滑剂的作用，致使纤维间的 摩擦作用很少，影响纤维的性质，所以低浓磨浆主要靠刀片直接对纤维进行冲击、剪切、 压溃和摩擦，因此低浓磨浆要求刀片间的缝隙必须保持单根纤维厚度左右，才能使纤维 受到强烈的作用。但是由于磨浆设备加工和安装的原因，或刀片在使用过程中所发生的 不均匀磨损，都会使刀片问的间隙不可能完全一致，在间隙太小处，纤维将受到强烈的 压溃和切断。在间隙过大处，纤维又受不到必要的磨浆处理。因此低浓磨浆的均匀性比 较差，并产生较多作用，而是依靠磨盘间高浓浆料的相互摩擦、在挤压、揉搓、扭曲等 作用，使纤维受到了磨浆，与此同时产生大量的摩擦热，使浆料软化，有利于浆料的离 解，所以高浓磨浆与低浓磨浆相比，纤维的长度下降，短纤维和细小纤维碎片减少。高 浓磨浆，磨浆度上升缓慢，浆料的滤水性能好。在纤维的形态上与低浓磨浆也有显著的 区别。高浓磨浆的纤维纵向压溃多呈扭曲状，而低浓磨浆的纤维呈宽带状。 需要注意的是，由于高浓磨浆主要依靠纤维之间的揉搓作用来达到磨浆效果，因此 陕西科技大学硕士学位论文 纤维的切断少，细纤维化程度高，纤维的柔软性明显增强，故而部分纤维会絮聚，扭曲 变形，形成绞合在一起的、纵向压缩的纤维，影响了成纸的不透明度和匀度，有必要在 高浓磨浆后进行低浓磨浆的消潜处理。 2 3 本章小结 通过低浓磨浆，中浓磨浆与高浓磨浆的比较，得出了高浓磨浆的特点及优点以及目 前存在的不足之处和需要改进的措施。 1 2 高浓三锥双流式磨浆机的研究与设计 3 高浓三锥双流式磨浆机的设计 3 1 高浓磨浆方案的分析和确定 目前在磨浆工序中，普遍为低浓度磨浆，而使用低浓度磨浆机，已由各种实验表明， 低浓度磨浆会过度地切断纤维，造成最终产品包括抗拉强度等物理性能普遍较低，且能 量消耗大；若直接对中浓度或中浓度以上的浆料进行磨浆，其产品物理性能明显优于低 浓度磨浆。但要实现中浓度磨浆，存在一定的技术问题，由于浆料浓度高造成进料困难， 还容易因硬杂物卡机，损坏机件。 近年来，在盘磨机发展方面，除了在自动化与控制系统方面的改造，主要表现在盘 磨机的大型化、盘磨机结构的改造方面。大型盘磨机由于磨盘直径达、磨盘面积大，使 平均磨浆线速度提高，而对大幅度提高生产能力和降低单位产量的电耗有实际效果，对 于简化磨浆工段的设备及流程也有效果i t q 。 盘磨机可分为单盘磨、双盘磨、和三盘磨三种。单盘磨又分为悬臂式结构和通轴式 两种。如图3 1 所示。 a ) 双盘磨b ) 通轴式单盘磨 c ) 悬臂式单盘磨d ) 三盘磨 图3 - 1 盘磨机结构图 f 谬1t h ec o n s t r u c t i o no fd i s cr e f i n e r 3 1 1 方案分析 a 单盘磨机 单盘磨由一个定盘和一个动盘组成，由1 台电动机带动转轴上的动盘旋转进行磨浆， 磨料由定盘中心孔进料，动盘转速1 5 0 0 - - - 1 8 0 0 f r a i n ，磨盘间隙通过液压系统或齿轮电动 机进行调解，一个磨盘旋转，另一个磨盘固定不动。旋转磨盘可采用悬臂结构，磨盘安 在主轴的末端，也有的是将旋转的磨盘装在主轴中部两段由轴承支撑。 木机利用环绕主轴上的螺旋喂入盘磨机。喂料螺旋可以单独传动也可以随主轴转动。 单盘磨示意图如3 2 所示。 z 一飞。 陕西科技人学碗十学位论文 田3 - 2 单盘磨 f i 9 3 之t h es i 口l a id i s c t e f i r c r b 双盘磨机 双盘磨有两个转向相反的动盘组成，各由l 台电机带动，转速为2 4 0 0 3 0 0 0 r m i n ， 通过双螺丰下进料器强制喂料，利用线速传感器( l v t d ) ，可以准确控制磨盘间隙，两个 磨盘都装在悬臂上做反方向旋转，术片通过同轴的喂料螺旋由一个转盘的中心口进入， 也有甫一磨盘斜方向喂入的。如图3 - 3 所示。 国3 - 3 鼠盘磨 f 够- 3 t h ed o u b l e d i s cr e f i n e r c 三盘磨机 三盘磨由两个定盘和中日j 一个动盘组成动盘两侧具有两齿面，分别与两个定盘组 成两个磨浆室，即使转速很高，也不存在动盘倾斜问题，磨浆过程产生蒸汽，可由2 个 进料口和一个出料口捧出。轴向联动的2 个定盘，通过液压系统可调整间隙和对动盘施 加负荷，这种构型的盘磨机不需使用大的推力轴承。这是由两台但磨盘结合而成的，但 和单盘磨有很大不同，它旋转的磨盘加在两个固定的磨盘中间，因此在同样的直径下， 高维三锥般流式磨浆机的研究与设计 磨浆面积提高一倍。由于两边固定的盘磨对着中间转盘加压，因此实际上不存在轴向推 力，磨盘也不会变形，在任何操作条件下都能保持良好的平行度。如图3 _ 4 所示。 l 培盘底座 磨盘3 带式喂料机4 - 对祢的磨盘机外壳5 底座6 - 回缩机构 7 盘磨机末端轴承座8 磕磨机传动侧轴承座 图3 4 三盘磨 f 1 9 3 4 t h r e e d i s cr e f i n e r d 锥形磨浆机 囤3 - 5 雏形磨蒙机 f j 9 3 - 5t h ec o n i c a lr e f i n e r 为了克服大直径盘磨所带来的问题，这些年发展了“锥形区”的概念，即磨浆区倾斜 角成7 5 。，这种叫做r g p 7 0 c d 的盘磨机的磨浆面积相当于普通1 7 7 8 m m 盘磨机，而其线 擀 陕西科技大学硕士学位论文 速度只相当于1 4 7 3 m m 的磨浆机。 在锥形磨浆机中，中间平面磨浆部分的磨盘充分利用离心力作用使浆料进入磨浆区， 而到了锥形区，这种加速的离心力降低，而延长了浆料在磨区的停留时间，图3 5 为锥 形磨浆机的剖面图 1 7 - 1 9 1 。 3 1 2 方案的评价和确定 上述4 个方案中，单盘磨产量较低，但其设计与制造简单，成本较低，仍有可一定 的市场；双盘磨在2 0 世纪7 0 年代发展较快。由于盘磨机所做的功，是在磨齿刀缘上完 成的，单位时间内刀缘与纤维接触次数越多，则纤