徐國軍　周　靜　　北京華恩表面工程技術(shù)有限公司

新型起皺刮刀的研究

徐國軍周靜北京華恩表面工程技術(shù)有限公司

起皺刮刀是生活用紙生產(chǎn)中的關(guān)鍵消耗部件，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有直接影響。目前廣泛應用的鋼制起皺刮刀存在明顯的不足。本文提出一種新型恒壓合金起皺刮刀的設計并進行了試用驗證，具有明顯的技術(shù)先進性和經(jīng)濟性，是替代鋼制起皺刮刀的理想技術(shù)。

恒壓起皺刀研究

1　綜述

起皺刮刀作為生活用紙生產(chǎn)中關(guān)鍵的消耗部件，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著重要作用。起皺刮刀的作用是將紙頁從烘缸表面剝離，同時對接觸的紙面施加適當壓力使紙頁表面形成皺紋狀結(jié)構(gòu)。起皺刮刀應具有良好的耐磨性、刃口銳度適宜、刀體具有一定彈性、輪廓形狀符合起皺技術(shù)要求。

目前生活用紙行業(yè)使用的起皺刮刀主要有鋼制和合金/陶瓷兩大類。

國內(nèi)企業(yè)主要使用的是鋼制刮刀，比例超過95%。這種刮刀一般由淬火鋼材制成，有較好的耐磨性和柔韌性。少數(shù)企業(yè)開始使用合金/陶瓷起皺刮刀。合金與陶瓷是兩類涂層材料，刮刀結(jié)構(gòu)是相同的。合金/陶瓷涂層起皺刮刀是在鋼制基體（刀體）上，利用表面工程技術(shù)（包括但不限于激光熔覆、電鍍、噴涂技術(shù)）形成一層致密的耐磨涂層，以增加刮刀的耐磨性和抗沖擊性。其工作原理與鋼制刮刀相同，結(jié)構(gòu)如圖1所示，陰影部分為合金或陶瓷涂層。

圖1　 合金/陶瓷起皺刮刀結(jié)構(gòu)示意圖

與鋼制起皺刮刀相比，合金/陶瓷起皺刮刀具有明顯的技術(shù)先進性和經(jīng)濟性，是替代鋼制起皺刮刀的理想技術(shù)。因為涂層的耐磨性遠高于鋼材，所以使用合金/陶瓷刮刀可延長刮刀使用壽命、提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

恒壓式合金/陶瓷起皺刮刀，則是在普通合金/陶瓷刮刀基礎上的創(chuàng)新型改進，更鍥合起皺工藝的基本原理。

2　鋼制起皺刮刀的局限性

鋼制起皺刮刀在實際使用中存在明顯的不足。主要表現(xiàn)在使用壽命短、起皺質(zhì)量不穩(wěn)定兩個方面。

2.1 使用壽命短，需頻繁更換刮刀

鋼刀壽命短的原因是其耐磨性不強。普通鋼制起皺刮刀的壽命T一般在2～4h，其失效過程可用圖2表示。

圖2　鋼制刮刀的失效過程

鋼刀剛開始工作，與烘缸的接觸情況類似于線性接觸，此時紙頁起皺質(zhì)量較好。隨著時間的推移，刮刀的工作刃口會產(chǎn)生變化，與烘缸貼近的刮刀工作部位由接近線性狀態(tài)而很快被磨損成帶狀形態(tài)。同時，頂端因紙張沖擊與刮擦而開始出現(xiàn)沿刮刀長度方向的沖擊紋和垂直方向的非均勻磨損凹痕。上述現(xiàn)象會隨著時間的延長逐步積累，紙頁的起皺情況和物理性能也會隨之漸變。工作T時間后，刮刀與烘缸的接觸面寬度不斷增加，刮刀頂端紙幅沖擊形成的磨損逐漸加重，導致皺紋結(jié)構(gòu)達不到質(zhì)量標準要求，刮刀失效下機。

頻繁更換刮刀必然會縮短有效生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)效率。

2.2皺紋不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量難以提升

鋼制刮刀從開始使用到失效下機過程較短，期間刮刀刃口兩側(cè)幾何形狀變化較快。貼缸側(cè)會由線性接觸狀態(tài)很快轉(zhuǎn)化為面接觸，且面寬變化很快，刮刀頂端橫幅沖擊很快形成不規(guī)則凹痕，與此相伴的是皺紋粗細的漸變。皺紋粗細和均勻性變化明顯，目視即可辨識。這種短周期的周而復始的皺紋結(jié)構(gòu)變化，造成產(chǎn)品質(zhì)量提升時無法逾越的技術(shù)障礙。

另外，隨著工作面的增寬，刮刀與烘缸之間的摩擦力不斷增加，導致能耗增加，客觀上也增大了生產(chǎn)成本。

圖3　鋼制刮刀磨損樣貌

由于鋼制起皺刮刀存在上述缺陷，生產(chǎn)實際中，技術(shù)人員不斷地尋求耐磨性更好的品種和型號的鋼材，但效果不明顯，后來就出現(xiàn)了合金刮刀和陶瓷刮刀等創(chuàng)新產(chǎn)品。

3　恒壓式合金起皺刮刀的研發(fā)

合金/陶瓷涂層起皺刮刀是替代傳統(tǒng)鋼制刮刀的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品，但是，同樣存在待改進之處：一是與烘缸接觸的工作面同樣會隨著時間的推移而逐步加寬，導致紙面皺紋結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，只是其失效過程會比普通鋼刀慢，其壽命通常為鋼制刮刀的40～60倍；二是因為一般陶瓷材料都具有脆性，工作刃口容易出現(xiàn)微小的不規(guī)則狀的崩口，從而導致紙面出現(xiàn)縱向條紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

鑒于目前使用的起皺刮刀存在的不足，需要有新的形式/材料的起皺刮刀提供給企業(yè)，以提高生產(chǎn)效率（很少換刀）、提升產(chǎn)品質(zhì)量（皺紋均勻性、一致性、松厚度、表觀）、降低生產(chǎn)成本（刮刀使用成本、能源消耗成本）。

3.1新型起皺刮刀應具備的先進性

本文作者研究新型起皺刮刀的出發(fā)點，是解決現(xiàn)有起皺刮刀應用中存在的不足。因此，新型起皺刮刀應具有如下技術(shù)特征：

好的耐磨性能，壽命長；頂端抗沖擊能力強；與烘缸接觸面小且恒定，避免烘缸的較快磨損；刀壓小，以減小摩擦且節(jié)省能源；減小材料脆性。

3.2設計原理

總體設計思路：以現(xiàn)有的鋼制刮刀材料作為基體，利用先進的表面工程技術(shù)，對工作部位進行局部表面強化，既節(jié)約成本，又達到耐磨、抗沖擊目的。

作者利用本單位長期積累的超音速火焰噴涂技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)局部強化目的。

材料選擇：兼顧涂層材料的硬度、強度、加工性等因素，選取特殊的金屬材料完成合金化工藝，使涂層具有高耐磨性且不易在加工和使用過程中出現(xiàn)刃口崩裂現(xiàn)象。

外形及尺寸設計：考慮與現(xiàn)用刮刀的可替換性，新型起皺刮刀的形貌及尺寸盡可能貼近現(xiàn)用刮刀。

防“頂缸”設計：在涂層與烘缸接觸部位增加一個小的過度角，以減少初始工作時發(fā)生“頂缸”的可能性。

抗沖擊設計：考慮起皺過程中紙頁對刮刀頂端持續(xù)不斷的沖擊，被沖擊部位應當具有很強的抗沖擊能力。

恒壓設計：刮刀與缸面接觸部位設計成垛狀結(jié)構(gòu)，使得刮刀穩(wěn)定工作一小段時間后，刮刀與烘缸的接觸面積不再發(fā)生變化。

這種恒壓設計，可避免刮刀在持續(xù)磨損過程中接觸面不斷增大的現(xiàn)象；刮刀工作時刀壓較小且保持不變；紙頁沖擊區(qū)有足夠強度；紙漿或物料中出現(xiàn)個別微小硬質(zhì)顆粒物時，容易從垛峰下的凹槽排出，防止顆粒物較長時間夾持在刮刀刃口與缸面之間而劃傷烘缸；盡量減少硬質(zhì)涂層與烘缸的接觸面積，延緩烘缸表面的磨損。

依據(jù)上述原理設計的新型起皺刮刀，稱之為恒壓合金起皺刮刀。

3.3試用結(jié)果

試用企業(yè)：選擇滿城恒信紙業(yè)、易縣天成紙業(yè)兩家公司3臺衛(wèi)生紙機進行試用。每臺紙機試用兩把樣刀。表1和表2是兩家試用單位的生產(chǎn)工藝條件。

表1　恒信紙業(yè)生產(chǎn)工藝條件

表2　天成紙業(yè)生產(chǎn)工藝條件

試用結(jié)果：恒信紙業(yè)選擇2號機和4號機進行試用，天成紙業(yè)選擇1號機進行試用。表3 和表4是具體試用結(jié)果。

表3　恒信紙業(yè)試用結(jié)果

表4　天成紙業(yè)試用結(jié)果

刀樣分析：作者對試用后回收的每把刮刀，從一端和中間分別截取30～40cm長度的刀樣，對磨損情況進行分析。

通過對下機刀樣的目視及顯微觀察，磨損痕跡清晰可辨。刮刀頂端沖擊區(qū)域?qū)挾燃性诰嗳锌?.1mm范圍內(nèi)，其他區(qū)域磨痕很輕。垛狀工作臺與烘缸全接觸，刃口處涂層平整，磨痕輕淺均勻。

圖4　合金刮刀磨損樣貌

4　結(jié)論

新型合金起皺刮刀的設計具有技術(shù)先進性。試用結(jié)果初步證明，相同使用條件下，新型刮刀的使用壽命基本是鋼制刮刀壽命的30～60倍，成紙的表觀效果、皺紋均勻性、松厚度、手感等均明顯優(yōu)于鋼制刮刀生產(chǎn)的成紙。

新型合金起皺刮刀具有經(jīng)濟性。試用單位估算，因大大減少了換刀次數(shù)，每把新型合金刮刀可以多出成紙2.5t以上，且大大減輕工人的勞動強度。摩擦面積小且恒定，刀壓由4.5～5N/mm減小至2.5～3N/mm，節(jié)省電和蒸汽用量。成紙品質(zhì)提升帶來一定的市場競爭優(yōu)勢。

Research on New Type of Creping Blades