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造纸高浓锥形磨浆机的研究与设计 摘要 本次研究以造纸行业高得率主要制浆设备高浓锥形磨浆机为研究对 象，通过系统实验，研究高浓磨浆过程中，影响磨浆效率和纤维性能的主 要因素。通过对磨盘的磨齿形状及其分布、磨盘材质、磨浆压力、不同结 构的磨盘和转速对磨浆强度和纤维结构的影响等各方面对磨盘磨浆性能进 行了综合分析与研究，得出了一种既能保持磨浆质量又能节省电耗的新型 节能磨盘。 由于至今人们都还很少关注磨盘对纤维结构的影响，所以本文详细阐 述了采用不同结构的磨盘和转速对纤维结构的影响，如纤维细胞壁厚、分 丝以及纤维长度等。对两种不同条件下磨浆的效果进行了对比。研究表明： 改变磨盘结构可以控制纸浆在磨区内的停留时间，改善纤维结构。提高磨 盘转速或者采用齿形为切断型的磨盘，磨浆强度更高，纤维细胞壁被破除 得更多、分丝更多，但是长度下降。实验结果还表明，提高温度可以使纤 维更好的受热润胀和软化，从而更多的保留纤维长度，获得更多的薄壁纤 维。采用磨浆强度较高的磨盘还可以有效的节省能耗。 建立高浓磨浆过程中的力学模型，并对该模型进行深入定量分析，为 进一步优化设计磨盘结构和磨齿尺寸，以及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。另外，在前人比边缘负荷理论s e l 和比表面 负荷理论s s l 以及磨浆的能耗和效率等磨浆理论和实践的基础上，建立高 浓磨浆过程中的能量消耗的模型，通过对该模型的分析和计算，实现对高 浓磨浆机的结构优化和设计，从而为磨浆机的节能提供可靠的理论依据。 所以，高浓磨浆过程中力学和能耗模型的建立与分析，对开发新型低能耗 高浓度磨浆机具有重要理论指导意义。 本文还介绍了一种高浓度锥形磨浆机双闭环浓度控制方法，在保证锥 形磨浆机较高生产效率的同时改善纸浆质量。本方法提高了浆料在磨浆区 内部的浓度，使纤维在磨盘间的停留时间增加，从而减小了磨浆强度，同 时也避免了因磨浆区外部浓度过高而导致的磨盘堵塞。 关键词：高浓磨浆，锥形磨浆机，磨盘，动力学模型，浓度控制 h i g hc o n s i s t e n c yc o n i c a lr e f i n e rf o r p u l p i n g a b s t r a c t t h i s1 t e r ns e a r c h e dt h em a i nf a c t o r sw h i c he f f e c tt h er e f i n i n ge f f e c t i o na n d f i b r ec h a r a c t e r i s t i ci nt h eh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n gb yas e r i e so fe x p r i m e n to n t h eh i g hp u l p i n gy i e l df a c i l i t yw h i c hw ec a l li th i g hc o n s i s t e n c yr e f i n e r t h r o u g h c o m p o s i t i v e l ya n a l i e da n ds e a r c h e dt h er e f i n i n ge f f e c t i o no ft h er e f i n e rp l a t e f r o ms o m ea s p e c t s ，s u c ha st h ep l a t ep a t t e ma n db a r , p l a t em a t i a r i a l ，r e f i n i n g p r e s s u r e ，e f f e c t so nr e f i n i n gi n t e n s i t ya n df i b r es t r u c t u r eb yd i f f e r e n tr e f i n e r p l a t ep a t t e r na n dr o t a t i o n a ls p e e d ，w ef o u n dan e we n e r g ys a v i n gr e f i n e rp l a t e w i t h o u ta n yp u l pq u a l i t yc h a n g i n g s i e n c el i t t l ea t t e n t i o na b o u te f f e c to nf i b r es t r u c t u r eb yr e f i n e rp l a t e ，t h i s p a p e rd i t a i l e d l ye x p a t i a n t e dt h ee f f e c t so nt h ef i b r es t r u c t u r ew i t hd i f f e r e n t r e f i n e rp l a t e p a t t e r na n dr o t a t i o n a ls p e e d ，l i k ef i b r ew a l lt h i c k n e s s ，f i b r e l o n g i t u d i n a ls p l i t ea n df i b r el e n g t h t w op r i n c i p a l l yd i f f e r e n tr e f i n i n gp r o c e s s e s w e r ec o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp u l pr e s i d e n c et i m ea n df i b r es t r u c t u r e c a nb ec o n t r o l l e db yc h a n g i n gr e f i n e rp l a t ep a t t e m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t p u l pr e s i d e n c et i m ea n df i b r es t r u c t u r ec a nb ec o n t r o l l e db yc h a n g i n gr e f i n e r p l a t ep a t t e r n h i g h e rr e f i n i n gi n t e n s i t yb yr a i s e ds p e e do rm o r ea g g r e s s i v ep l a t e p a t t e r ng i v e sm o r ec o l l a p s i b l ef i b r e sw i t hl o n g i t u d i n a ls p l i t si nt h ef i b r ew a l lb u t e v e ns h o r t e rf i b r e s i n c r e a s i n gt h e r m a ls o f t e n i n gw i l lp r e s e r v ef i b r el e n g t ha n d a tt h es a m et i m e o b t a i nal o to ft h i n w a l l e df i b r e sw i t h s p l i t f i b r ew a l l s s i g n i f i c a n te n e r g ys a v i n g sa rea c h i e v a b l eu s i n gh i g hi n t e n s i t yr e f i n e rp l a t e s m e c h a n i c a lm o d e lw i l lb ef o u n da n da n a l y s e dq u a n t i t a t i v e l y , i no r d e rt o a p p l ya na c a d e m i ct h e r e u n d e rf o ru l t e r i o r l yo p t i m i z a t i o nd e s i g n i n go fp l a t e p a t t e r na n db a rd i m e n s i o n ，c h o s i n go fh i g hc o n s i s t e n c ym a t i a r a la n dp r o d u c i n g o fh i g hi n t e n s i t yp u l p a d d i t i o n a l l y , t h i si t e mw i l lf o u n da l le n e r g yc o n s u m p t i o n m o d e lo fh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n i n go nt h eb a s eo fr e f i n i n gt h e o r e t i c sa n d p r a c t i c e s u c ha s s p e c i f i ce d g el o a dt h e o r y ( s e l ) ，s p e c i f i cs o u r c el o a d t h e o r y ( s s l ) ，r e f i n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e f i n i n ge f f i c i e n c y t h i si t e m w i l li m p l e m e n tt h ec o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o na n dd e s i g n i n gb ya n a l y s ea n d c a l c u l a t et h em o d e lt oa p p l ya na c a d e m i ct h e r e u n d e ro fe n e r g yc u t t i n g s o t h e f o u n d a f i o na n da n a l y s i n go ft h em e c h a n i c a lm o d e la n de n e r g yc o n s u m p t i o n m o d e lf o r h i g hc o n s i s t e n c y h a sas i g n i f i c a n t g u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r e m p o l d e r i n gan e w l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g hc o n s i s t e n c yr e f i n e r i nt h i sp a p e r , an o v e lm e t h o do fd o u n ec l o s e dl o o pr e f i n i n gc o n t r o li na h i d lc o n s i s t e n c yc o n i c a ld i s cr e f i n e ri sj n t r o d u c e d t h i sm e t h o dp r o p o s e df o r i m p r o v i n gp u l pq u a l i t ya th i 曲p r o d u c t i o nr a t e o nc o n i c a ld i s cr e f i n e r t h e d i s c h a r g ec o n s i s t e n c yi s c o n t r o l l e da taf i x e do p t i m u mv a l u eb yc o n t r o lo f d i l u t i o nw a t e rw i t h i nt h ec o n i c a lz o n e w i t hr a i s i n gt h ep u l pc o n s i s t e n c yi nt h e i n n e rr e g i o no ft h er e f i n i n gz o n e ，r e s i d e n c et i m ei si n c r e a s e da n dr e f i n i n g i n t e n s i t yd e c r e a s e d ，w h i l ea v o i d i n gt h ep l a t ep l u g g i n gc a u s e db ye x c e s s i v e c o n s i s t e n c yi nt h eo u t e rr e g i o no f t h er e f i n i n gz o n e k e y w 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 ，c o n i c a lr e f i n e lp l a t e ，d y n a m i cm o d e l ， c o n s i s t e n c yc o n t r o l 符号说明 玎磨齿数量 卜比能量输入，m j k g 卜碰撞频率 卜纸浆在磨浆区内的停留时间，s 磨盘转速( r m i n ) k 内外半径之比 卜磨盘外缘半径 仅、口减j 盘和定盘磨纹倾角 口磨盘转过的圆心角 m 、诉jb s 、b ，动盘和定盘磨齿宽和齿 槽宽 厶表示每秒切断长( m s ) m 浆料通过量 ，f l 绝干浆量 c 似微元内纸浆平均浓度 仃丘纤维之间的复杂应力 删微元上单位面积上的正压力 砌似微元上的平均压力 d 缈卜微元内总的纸浆量 c 卜蒸汽对纸浆的摩擦牵引系数 p 半径r 蒸汽密度 俐半径r 气流速度 彳p 似纸浆空气动力表面系数 d m 纠微元内绝干浆量 1 一半径r 处纸浆速度 厶r r 广微元轴向压力 ，圪一磨盘内外半径 微元上切向力消耗掉的能量 胁，纸浆和定盘i b j 的切向摩擦因数，其 值为0 7 5 卜电机载荷 卜总的正压力 i v f 厶纤维之间的摩擦力 仃高浓浆料中纤维之间的剪切系数； f 高浓浆料中纤维之间的摩擦系数。 a 锥形磨盘锥角为 办一半径r 处的微元宽度 d a 微圆磨盘接触面积 c l 离心力 f r l ，乃卜摩擦力 凡卜一切向摩擦力 s 浆流输送压力 b = + 1 蒸汽向前流动 = 一1蒸汽逆流 a 动盘和定盘磨齿的有效接触面积修 正系数，假设动盘和定盘磨齿完全相同， 则扣0 2 5 a 西a ，动盘和定盘磨齿宽度 b 函6 广动盘和定盘齿槽宽度 肼沿磨盘的摩擦因数，其值为o 2 5 c ，磨浆区进口浓度 蒸汽潜热，l = 2 2 5 8 k j k g 1 h = 1 ，单盘磨 = 2 ，双盘磨 a = 4 ，单盘磨 = 2 ，双盘磨 彳卜温度差为 平行磨浆区进浆口半径 c f 一磨浆机进浆口浓度 g 纸浆进入螺旋送料器前的浓度 卜产量 如进浆口稀释水流量 砟广行磨浆机稀释水流量 如z 一锥形磨浆区稀释水流量 c b i 喷放管道浓度 陕两科技大学硕+ 学何论文 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：所呈茭的学位论文，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 个人或集体己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，均已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： e l 期2 q q ( 牲妇 关于学位论文使用授权的声明 二三差喜三兰_ 鞯：茎量彩期：一 敞储戳：梆师弛修飙啦 造纸高浓度锥形磨浆机的研究与设计 绪论 纸和纸板的消费水平是衡量国家现代化水平和文明程度的重要标志。我国已成为世 界造纸工业生产、消费和进口大国，据专家预测，到2 0 1 0 年我国的纸张消费量将达到 7 0 0 0 万吨，2 0 2 0 年将近1 亿吨。造纸巨大的发展潜力和前景广阔的消费市场，已经开始 吸引国际、国内金融投资界的眼光，造纸工业将成为中国的“朝阳产业之一。 但造纸工业与世界造纸工业发达国家相比，差距很大，问题十分突出。主要表现在： 一是原料结构不合理，木浆比重过低。二是总量不足，产品结构不合理。三是企业规模 小。四是技术装备落后。整体仍处于国外2 0 世纪六、七十年代水平，且国内研究、开发、 制造水平较低，大型制浆与造纸技术和装备依靠进口。五是水资源消耗大，环境污染严 重。我国造纸工业发展虽然存在着诸多问题，但经过多年的发展，已基本建立了比较完 整的造纸工业技术研发、装备制造、产品生产和市场销售等体系。 由于我国森林资源有限，造纸原料中约9 0 都属于短纤维浆种，主要包括草浆类、 二次纤维和阔叶木浆。对于这些短纤维浆种，磨浆的主要目的是在保留纤维长度的基础 上使其表面分丝帚化而改善其抄造性能。目前国内多数纸厂采用的低浓、中浓、中一低 浓双盘磨磨浆，对纤维的过分切断所引起纸页强度较差，以及较高的能耗都使企业的生 产处于不利的境况。 造纸工作者在长期的工作中在蒸煮方法、时间、用药、落刀强度、温度、刀刃材料 及打浆浓度和助剂的配入上反复摸索，使其扬长避短，目前从磨浆浓度上找到了比较理 想的方法。提高磨浆浓度，纤维帚化率提高，纤维的湿重和纤维平均长度下降率在减少， 即纤维被切断少，而产量和成纸性能提高了，电耗下降了。 低浓磨浆时刀片与纤维直接作用，高浓磨浆主要靠在磨盘间的浆料相互摩擦，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，润胀好，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，可以使磨盘间的间隙加大，避免了低浓磨浆效果不均匀的缺点。 目前造纸行业广泛采用的磨浆设备总体来说可分为两种：盘磨机和锥形磨浆机。盘 磨机因其体积小，重量轻，占地面积小，结构简单，拆装和操作较简便，仍然具有一定 市场。锥形磨浆机具有无功功耗低、磨浆效果好、磨齿间隙均匀且易于精确控制、噪声 低等特点。在纸浆处理能力相同的条件下，外形尺寸小，结构简单，采用悬臂式结构， 更换磨盘及维修方便。适应的浆料范围广，特别适用于大型造纸企业的磨浆系统。 因此，我们采用了平面与锥面相结合的方式，弥补了现有磨盘的不足，与同直径锥 面和单纯平面相比较，本磨盘大大增加了研磨面积，提高了研磨率，同时提高了研磨质 量，这不仅由于原料研磨路径大大增加，而且原料在通过磨合面尤其是通过锥面与平面 陕两科技大学硕十学位论文 之间的转折处时，会产生一定的翻转，而经多次翻转研磨既能提高纤维类原料分丝、帚 化程度，也能使颗粒原料更细小的研磨，大大降低了研磨过程的能量消耗。 在高浓磨浆环节中，由于未经磨浆的浆料多种多样，同时还存在许多客观和主观方 面的扰动，这些因素都会影响成浆质量和效果，因此有必要对高浓磨浆过程进行自动控 制和优化设计。而实现高浓磨浆过程的自动控制和结构优化，首先必须解决的问题是要 建立高浓磨浆过程的数学模型，为进一步合理选择高浓磨浆的原料和实现生产高强度纸 浆提供了理论依据。目前国外广泛用于打浆过程控制的机理假说以及磨浆机受力模型都 只是针对盘磨机磨浆或者低浓磨浆提出的。在锥形磨浆机日益盛行的今天，提出一种相 应的理论模型显得越来越重要。 由于本技术早在1 0 年前就已有过专利，目前在市面上也是最具有市场竞争力的一款 机型。本次研究所要做的工作就是秉承前人的思想，结合对高浓磨浆详细的理论分析和 数学计算，参考目前磨浆机的结构，力求找到一种新型的、适合市场的需求的、高效率、 低能耗的高浓磨浆机，其中包括样机的尺寸设计校核，完成虚拟样机的制作并进行干涉 检查、动态仿真等。要达到此目的，需要选用一种目前行业通用软件，该软件除了具有 一般的三维造型功能以外，还要能够实现动画仿真，虚拟装配等。综合考虑各项因素， 初步选定使用目前市面上的主流三维造型软件s 0 1 i d w o r k s 。 2 造纸高浓度锥形磨浆机的研究与设计 磨浆理论及设备 造纸术是我国古代四大发明之一，经过西传东播，普及到了世界各国。人类无比丰 富的文化典籍，悠久长远的历史遗产，无不因为有了纸的发明、推广和应用才得以保存 和交流。所以纸的作用，不但充实了人类文化生活，传播了生产技术知识，保存了悠久 的历史宝库，并且起到了推动文化艺术、科学技术发展的作用【lj 。我国造纸工业的水平， 不仅表现在年人均消费量低和产品品种少，同时也表现在生产设备陈旧、劳动生产率低、 动力消耗大和污染环境等各方面。目前世界上造纸工业发达国家的造纸机是往大型化、 高速化方向发展【1 , 2 , 3 】。另外，为了充分利用和节约纤维原料，国外造纸工业生产的纸向 薄型化、轻量化发面发展。 1 1 制浆的基本概念和现代制浆的基本工艺过程 整个造纸生产过程大体分为打浆、添料、纸料前处理和流送、纸( 或纸板) 抄造和 整理四个阶段。来自制浆车间的纸浆不能直接用来造纸，首先要经过打浆，对纸浆纤维 化进行必要的切断和细纤维化处理，以便取得生产纸和纸板所要求的物理性质和机械强 度等性能。打浆是一个复杂而细致的生产过程。采用同一种浆料，随着打浆设备、打浆 方式和打浆工艺与操作的不同，可以生产出多种不同性质的纸和纸板。换句话说，采用 不同的原料和不同的打浆工艺也可以生产出相同的纸种。 制浆就是利用化学或机械或者两者结合的方法，使植物纤维原料离解，变成本色纸 浆( 为漂浆) 或漂白纸浆的生产过程，其基本过程如下： 磨浆贮浆备用 原料采贮一备料弋浸渍( 蒸煮) 和磨浆叶筛选_ 漂白 蒸煮叶洗涤 抄浆出售 1 2 机械法制浆 制浆的方法分为化学法和机械法以及处于两者之间的化学机械法和半化学法。 在1 9 6 0 年以前，机械浆主要是磨石磨木浆s g w ( s t o n eg r o u n dw o o d ) 。目前，用盘 磨生产的浆已超过半数，原因是( 1 ) 可用枝桠材和边角料，以及锯木厂的木片和锯屑来 代替原木；( 2 ) 纸浆强度高；( 3 ) 降低人工费用。由于盘磨技术的发展，单机生产能力 提高，阔叶材的应用增多，促进了各种质量改进的有效措施的出现。s g w 保持了磨浆能 耗低和光射系数高的优点。在s g w 的基础上，开发出压力磨石磨木浆，采用高温磨木， 提高了浆的强度和其他性能。同时发展了预热木片磨木浆t m p ( t h e r m o m e c h a n i c a lp u l p ) 、 化学热磨机械浆c t m p ( c h e m i t h e r m o m e c h a n i c a lp u l p ) 、生物机械浆b m p 陕两科技大学硕士学位论文 ( b i o l m e c h a n i c a lp u l p ) 、挤压法机械浆e m p ( e x t r m e c h a n i c a lp u l p ) 、半机械法制浆s c p ( s e m i m e c h a n i c a lp u l p ) 、中性亚硫酸盐法半化学浆n s s c ( n e u t r a ls u l f i t es e m i c h e m i c a l p u l p ) 、碱性亚硫酸钠法化学浆a s s c ( a l k a l i n es o d i u ms u l f i t e c h e m i c a lp u l p ) 。 经过上世纪八九十年代初的世界造纸工业的疲软之后，目前世界造纸工业处于稳步 增长阶段，全世界纸浆产量1 9 9 4 年1 6 6 7 亿吨，其中机械浆3 4 9 2 万吨；1 9 9 5 年1 7 4 3 亿吨，其中机械浆3 6 6 0 万吨，1 9 9 5 年化学浆1 2 2 5 亿吨，占纸浆总产量的7 0 2 8 ，机 械浆占2 1 ，其他纸浆8 7 。据估计，世界市场的纸浆消耗从1 9 9 0 年的1 5 亿吨增加 到2 0 1 0 年的2 2 亿吨，大约净增7 0 0 0 万吨，由于越来越多的造纸企业使用二次纤维、 非木材纤维等，高得率浆的发展前景十分广耐l 2 引。 许多国家都在开辟新的造纸原料。非木材造纸原料的前景十分看好。我国是草浆生 产大国，1 9 8 9 年中国纸浆总量9 3 0 万吨，其中非木材浆( 稻麦草、蔗渣、竹子等) 产量 7 7 5 万吨，占中国纸浆总产量8 3 ，占世界木浆6 1 5 ( 同年世界非木材浆产量为1 2 6 0 万吨) ，1 9 9 5 年世界非木材原料的纸浆能力为2 0 6 6 6 万吨，中国为1 3 6 3 万吨，占世界非 木材纸浆能力的6 5 9 i l 捌。 随着人们生活水平的提高和生活环境的改善以及改革开放的深入和可持续发展对环 境的重视，人们对环境保护和污染治理的要求越来越高。在造纸工业中，高浓打浆技术 能较大幅度降低打浆能耗、水耗和有效提高纸浆纤维的质量，越来越受到行家的重视， 高浓技术的条件也日趋成熟。高浓锥形磨浆机是一种理想的连续打浆设备，其性能关系 到打浆生产的成败。 机械浆的特点： 1 浆的得率高，成本低机械浆的得率一般在9 0 9 5 ，而化学浆的得率大都在 5 0 以下，同时机械制浆的生产耗用很少或者不用化学药品和蒸汽，因而成本低： 2 成纸适印性好用磨木浆抄造成的纸，一般不透明度较高，吸收性好，柔软平滑， 因此提高了纸张的适印性； 3 污染少磨木浆生产几乎不用或用少量化学品，生产白水一般可循环使用、污水 排放量少，故环境污染少； 4 纤维短，成纸强度差磨木过程的机械作用是纤维多边破碎，并且非纤维素成分 含量较多，所以成纸强度差； 。5 耐久性差由于磨木浆保留了木素及其他纤维成分，与空气和日光长时问作用而 受氧化，因而成纸易变黄发脆，不易久存。 机械浆的用途： 不同种类的磨木浆由于特性不同，有不同的用途。一般来说，白色磨木浆可用于一 般不需久存、价格低廉和要求印刷性能良好的纸张，如新闻纸、中下等印刷和书写纸以 4 造纸高浓度锥形磨浆机的研究与设计 及工业和建筑用纸板。褐色磨木浆多用于生产包装纸和纸板。化学磨木浆特别适合高速 新闻纸及抄制新闻纸。此外，经过漂白精制的较高级磨木浆，可用于做上等e pj 神j 纸用浆。 1 3 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力的作用。剪切力可以来自磨浆设备 的刀齿或磨齿的机械作用，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。磨浆技术由于具有生产连续化、效率高、能耗低等特点， 并且能够适应大型化、高中浓化、多功能化和集中自动控制的要求，因而在技术和设备 上均得到重大的发展，成为磨浆过程的主导技术。 从制浆系统送来的未磨浆料一般含有很多纤维束。由于纤维又粗又长，表面光滑挺 硬而富有弹性，纤维比表面积小又缺乏结合性能。如将未磨浆的浆料直接用来抄纸，在 网上难于获得均匀的分布，成纸疏松多孔、表面粗糙容易起毛、结合强度甚低、纸页性 能差、不能满足使用的要求。 磨浆使浆料纤维受到剪切力作用，除了揉搓、疏解浆料，使纤维束分解为单根纤维 外，纤维细胞首先产生位移和变形，细胞壁的p 层和s 层被部分破除并产生纤维碎片， 纤维被切断并发生扭曲、卷曲、压缩和伸长等状况。在p 层s 。层被部分破除的同时，纤 维吸水润胀和细纤维化，纤维表面分丝而分离出许多微细纤维，纤维两端帚化，纤维的 比表面积增大，表面变得粗糙，而层间的内聚力下降，纤维变得更加柔软可塑，整体纸 料的滤水性能下降。纤维处理的效果见图1 1 。 磨浆过程中磨盘对纸浆纤维的作用可分为三个阶段：边缘一边缘、边缘一刀面、刀 面一刀面三个阶段( 如图卜2 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。 几个重要概念 帚化：经过物理化学的打浆作用，使纤维产生起毛、撕裂、分丝等现象。帚化分为 外部帚化和内部帚化，如图1 3 、图1 4 所示。 陕州科技人学硕十学位论文 圈1l 纤维处理的效果 f i g1 一l t h ee f f e c to f f i b e r t r c a t m c f l t 掌帮甓秀 囤卜2 磨浆的三个阶段 屋 目13 外部帚化斟卜4 内 l 帚，e f i g1 3e x t e m a lf i b n l l a t i o n h g1 4 】n i c m a lf i b n l l a l m n 切断：切断是指纤维横向发生断裂的现象。 切断土要是纤维受到打浆设备的剪切力和纤维之间的相互摩擦造成的纤维横向断裂 的结果。纤维的切断与润胀有一定的关系。纤维吸水a 日胀后具有良好的柔韧性，纤维不 容易切断。反之纤维润胀不良而挺硬，则容易被切断。纤维切断后，断口增加，有利于 水分的渗八，又能促进纤维润服作j 日，有利于纤维分丝帚化和细纤维化。长纤维适当切 断后，可以提高纸张的匀度和平滑度，但过度切断会降低纸张的强度，特别是撕裂度。 对阔叶木和草类纤维等短纤维浆种，应该保留纤维长度，小希望有过多的切断。 纸* 休艘锥形廖浆机的研究1 ，啦训 乃夕添 幽1 5 切断作州 a，h， h16 不同磨浆强度对纤维的作川 a ) 高磨浆强业有利j 驯断b ) 低磨浆强度订利r 帚化 f i g1 - 6d i f f e r e n ti m e n s i t yo nf i b r e ，w i t ha ) i i g hi n t e n s i t y p r o m o t e sm o r ec u t t i n ga n db ) l o wi n t e n s i t yp r o m o t e sm o r e f i b r i l l a t i a n 磨浆强度：磨浆强度e 也就是磨浆能量的分b 扩5 “。 fp p = = = r i 月 r 其中，矿一磨齿数量 e 比能量输入，m j k g f 碰撞频率 f 纸浆在磨浆区内的停留l 坩蚍s 低强度磨浆即唐齿作用住纤维j ：的力频率高功率低，利于纤维内部和外部的分丝； 高强磨浆即磨齿作用在纤维i ：的山频率低功率高，利r 纤维的切断。它受到辟盘磨齿数 量和停留时间的影响。改变麝盘结构和转速，既影响了磨荫数最又影响了停霄时川。冈 此，磨浆慢度是影响纤维结构的重要删素。 细纤维化：包括外部细纤维化和内部细纤维化。 外部细纤维化是指纤维纵向产生分裂两端帚化，纤维表山分丝起毛，像绒毛附在纤 维表面，这种表面的微纤维化使纤维松脱出柬，分离h 犬蕈的细纤维、微纤维、微细 纤维，从而大大的增加了纤维的外比表面秘，促进了氧键的结合。 纤维内部细纤维化足指| _ ! f ： r 维发洲胀以后，祚：玖，l 壁和同心层2 _ i i j 彼此产- 滑动， 使纤维h 0 性下降，塑性增加，纤维变得柔软而有可塑陛。纤维的外部细纤维化和内部细 纤维化均有利于纤维结介，提高成纸强度、紧度和匀度等性能。对纸业| 生质影u 向极大， 址打浆的币耍作用之一。 1 4 高浓磨浆现状以及与低浓、中浓磨浆的比较 浆料的浓度对磨浆质量 拄【，时甚大，随着磨浆= r 艺的发地，磨浆浓度可分为低冰摩浆、 陕两科技人学硕十学位论文 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，1 0 2 0 称为 中浓磨浆，2 0 3 0 称为高浓磨浆。 1 4 1 国内外磨浆现状及未来发展 自从a r n e a s p l u n d l 9 3 2 年发明了盘磨磨浆技术以来，经过几十年的发展，该技术取 得了飞速的发展，盘磨机也成为近年来发展最快的一种较理想的连续磨浆设备。从目前 国外磨浆现状来看有以下几个特点： a 高浓度磨浆：国外的磨浆度虽然在段与段之间存在着差异，但都保持在较高的浓 度水平，高浓磨浆不仅能保留纤维长度，并能有效地、充分地、均匀地进行磨浆，赋予 纸张优良的特性且磨浆后浆料纤维束少，纤维均一性较好； b 生产能力大：单台磨浆最大生产能力超过6 0 0 t d ，可适应大规模造纸企业对产量 的要求； c 高效低能耗：表现为盘磨单位磨浆电耗小，其单位磨浆电耗远低于国内现有的磨 浆能耗； d 自动化程度高：盘磨操作时，一些重要的磨浆参数诸如磨浆比压、盘磨磨片间隙 调节等都采用自动化控制，提高了工人生产效率及方便了操作。 1 4 2 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。造纸工作者在长期工作中在蒸煮的方法、时间、用药、磨浆的落 刀轻重先后程序、温度高低、设备型式、刀刃材料及磨浆浓度和助剂的配入上反复摸索， 使其扬长避短，目前从磨浆浓度上找到了比较理想的方法。 当浆料浓度1 0 以下而设备又允许的情况下，适当提高磨浆浓度，进入转盘与定盘或 飞刀与底刀之间的浆料纤维就会增多，每根纤维所分担的压力相应减少，从而减少了纤 维的切断作用，能促进纤维之间的挤压与揉搓作用，有利于纤维的分散、润胀和细纤维 化。所以提高磨浆浓度，适宜于打粘状浆，反之降低磨浆浓度，有利于纤维切断，适合 于游离状磨浆。 磨浆浓度提高，在磨浆比压和通过量相同的情况下，磨浆度有所提高，说明有利于 纤维的分散、润胀和细纤维化。在同一种浆料中，当磨浆浓度提高时，纤维帚化率提高， 纤维的湿重和纤维平均长度下降率在减少，即纤维被切断少，而产量提高了，电耗下降 造纸高浓度锥形磨浆机的研究与设计 、。 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 。 提高磨浆浓度往往受到磨浆设备的限制，在传统的低浓磨浆设备中进行磨浆时，例 如在我国造纸厂中用得十分广泛的双圆盘磨浆机，两个磨盘的齿纹必须紧密相靠，才能 实现磨齿木身对纤维的直接磨浆作用，引起纤维形态的变化，与此同时不可避免地对纤 维产生过分的切断。而在较高的浓度下操作，由于结构的限制会引起浆流不畅乃至堵塞 的现象。如旧式磨浆机，磨浆浓度不能过高，否则浆料循环不好，一般约为5 - - - 6 。新 型磨浆机，结构上有很大的改进，磨浆浓度可提高n 8 ，甚至1 0 。连续磨浆受到进浆装 量的限制，提高浓度较困难，一般磨浆机磨浆浓度为3 - - - , 4 ，而高速磨浆机，浓度可达 5 6 。由于提高磨浆浓度有好处，在设备允许的条件下，根据生产纸种的质量要求， 应尽量提高磨浆浓度。 1 4 3 中浓磨浆 浓度是磨浆过程的一个重要参数。它直接影响到磨浆的能耗、水耗和磨浆效果等。 一 大量的科学试验和生产实践证明提高磨浆浓度，有利于在磨盘的齿缘和齿面形成较厚的 纤维垫层，从而减少切断作用，增强纸浆纤维之间的能量传递。 在低浓( 3 一5 ) 情况b ，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 。 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，使磨盘问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，而且能耗增大。从我们的实验看来，在6 一1 5 的浓度下进行中 浓磨浆是可行的。其中，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。而草浆中浓磨浆国内已进行了实验 9 陕州科技大学硕士学位论文 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i 吾pi ：i 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， 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”。 1 4 4 高浓磨浆 高浓磨浆原理低浓磨浆时，刀片与纤维直接作用。高浓磨浆与低浓磨浆的主要区别在 于高浓磨浆是依靠纤维之间的相互摩擦作用进行磨浆。低浓磨浆时，由于纤维之间有大 量的水分，使纤维相互距离增大，并起着润滑剂的作用，使纤维间的摩擦和挤压作用很 少，不足以影响纤维性质，所以低浓磨浆主要是靠刀片直接对纤维进行冲击、剪切、压 溃和摩擦，因此，低浓磨浆要求磨盘间隙必须保持单根纤维的左右厚度，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，或磨盘使用过程中所发生的不 均匀磨损，都会使磨盘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，纤维受不到必要的磨浆处理。因此，低浓磨浆的均匀性较差，并 l o 造纸高浓度锥形磨浆机的研究与设计 产生较多的切断。高浓磨浆，由于浆料的浓度高，磨盘的间隙较大，高浓磨浆依靠磨盘 间浆料纤维的相互摩擦、挤压、揉搓、扭曲等作用磨浆，与此同时产生大量的摩擦热。 图1 - 7 高浓磨浆机两段串联磨浆流程 f i g 1 7t w os t a g ei ns e r i e sr e f i n i n gf l o wo fh i g hc o n s i s t e n c y 1 一真空过滤机2 一真空过滤机水封池3 一真空泵4 一消音器5 一活底料仓6 一送料器 7 一喂料器8 一高浓磨浆机9 一贮浆池 表1 - 1 高浓磨浆与低浓磨浆成纸质量比较表1 】 t a b 1 1 s h e e tq u a l i t yo fh i g hc o n s i s t e n c ya n d l o wc o n s i s t e n c y 使浆料软化，有利于纤维的离解【7 】。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，打浆度上升不快，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。 高浓磨浆对磨浆质量及能耗的影响从上面的分析可以看出，高浓磨浆主要依靠在磨盘 问浆料纤维的相互摩擦作用磨浆，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，润胀好，成纸强度显著提高，有效除去表皮细胞群落，解决了掉毛糊 版的问题。而且高浓磨浆不依靠磨盘本身作用磨浆，可以使磨盘的间隙加大，避免了低 浓