王 平 師晉生 劉少崗

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222)

·新型磨漿機(jī)·

磨漿機(jī)的穿流磨漿模式及初步分析

王 平 師晉生 劉少崗

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300222)

穿流磨漿模式的低濃磨漿機(jī)具有良好的節(jié)能作用，本文根據(jù)相關(guān)專利文獻(xiàn)，首先介紹了這種穿流磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)穿流磨漿的機(jī)理和節(jié)能原理進(jìn)行了初步分析。穿流磨漿是磨漿機(jī)節(jié)能的重要途徑，其應(yīng)用有待于進(jìn)一步的深入研究。

磨漿機(jī)；穿流磨漿；磨漿；節(jié)能

(*E-mail: wp2004@tust.edu.cn)

制漿造紙工業(yè)是耗能大戶，降低能耗對(duì)于保護(hù)環(huán)境、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義，也是制漿造紙企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨漿機(jī)的能耗在備料階段約占60%，在整個(gè)造紙生產(chǎn)過程約占20%。所以，磨漿打漿設(shè)備的節(jié)能降耗是一個(gè)十分重要的問題。

2010年美卓公司(現(xiàn)名維美德公司)推出了一款新型磨漿機(jī)——OptiFiner Pro磨漿機(jī)，它是一種錐形低濃磨漿機(jī)，采用穿流磨漿(flow-through refining)模式，主要用于漿料的精磨和打漿，該機(jī)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化試用階段。其主要特點(diǎn)是采用更小的轉(zhuǎn)子(結(jié)構(gòu)緊湊)，可降低空載功率50%，采用穿流磨漿，大幅提高磨漿效率，1臺(tái)OptiFiner Pro磨漿機(jī)替代2臺(tái)普通磨漿機(jī)，可節(jié)約電耗20%[1]，可適用于包括闊葉木纖維和低強(qiáng)度回收纖維在內(nèi)的各種低濃磨漿工藝。由于OptiFiner Pro磨漿機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，獲得2012年法國(guó)造紙工業(yè)協(xié)會(huì)(ATIP)頒發(fā)的技術(shù)發(fā)明金獎(jiǎng)。筆者在查閱該公司相關(guān)專利和文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)這種新型磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并對(duì)其節(jié)能原理和性能進(jìn)行初步分析。

1 新型穿流磨漿機(jī)的原型

2009年Kati Lindroos和Jorma Halla等人申報(bào)兩項(xiàng)美國(guó)專利[2-3]，這兩項(xiàng)專利在2013年獲批。圖1和圖2是兩項(xiàng)專利中均提出的錐形磨漿機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[2-3]。這是穿流磨漿最早的雛形。與傳統(tǒng)的磨漿機(jī)不同，圖1磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)主要是在轉(zhuǎn)子或者定子(或者轉(zhuǎn)子、定子兩者)上開孔和設(shè)置內(nèi)部導(dǎo)流通道，使轉(zhuǎn)子或者定子的孔與磨漿機(jī)進(jìn)料口或者出料口連通，漿料可以從轉(zhuǎn)子或者定子的內(nèi)部通道進(jìn)入磨漿區(qū)域，磨漿之后從內(nèi)部通道直接排出磨漿機(jī)。

圖2是穿流模式錐形磨漿機(jī)整體式轉(zhuǎn)子磨片，轉(zhuǎn)子的開孔都采用細(xì)長(zhǎng)孔，且細(xì)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度方向與磨片齒紋方向有一定的夾角。細(xì)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度要能夠至少切斷兩個(gè)齒棒，這樣進(jìn)入磨漿區(qū)域的漿料可以直接進(jìn)入幾個(gè)齒槽，便于均勻分布，快速磨漿，磨漿之后便于迅速排出磨漿區(qū)域。

圖1 穿流錐形磨漿機(jī)軸向截面示意圖

由圖1和圖2可以看出：轉(zhuǎn)子或者定子開孔以后都必須有內(nèi)導(dǎo)流通道配合，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)流通道和進(jìn)料口連通，定子的導(dǎo)流通道與出料口連通。傳統(tǒng)的磨漿機(jī)，由于漿料主要是從磨片之間的縫隙(一般考慮到磨漿質(zhì)量，磨片間隙設(shè)置的很小)中通過，進(jìn)料的阻力較大，漿料通過磨漿機(jī)的進(jìn)出效率低，故磨漿效率低。顯然，轉(zhuǎn)子和定子開孔，漿料進(jìn)出效率提高，磨漿效率明顯提高。

穿流磨漿原理是通過在轉(zhuǎn)子、定子或者兩者設(shè)置內(nèi)導(dǎo)流通道(包括轉(zhuǎn)子磨片或者定子磨片的開孔)，且內(nèi)部導(dǎo)流通道與進(jìn)料口或者出料口連通，使?jié){料可直接進(jìn)入磨漿區(qū)域(不以從磨片之間的縫隙通過為主)，減少了進(jìn)漿黏滯阻力，提高了漿料的通過量，在磨片間隙很小(比如：0.2～0.3 mm)的情況下，明顯提高了磨漿效率。因此，穿流磨漿是傳統(tǒng)磨漿模式的重要?jiǎng)?chuàng)新，將大大提高磨漿效率，降低磨漿能耗。

圖2 穿流錐形磨漿機(jī)整體式轉(zhuǎn)子磨片

由于轉(zhuǎn)子磨漿面積是一定的，開孔的數(shù)量和大小對(duì)于進(jìn)料量和磨漿效果影響很大。確定開孔數(shù)量和尺寸是穿流磨漿機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。開孔數(shù)量乘以孔的尺寸等于開孔總面積，當(dāng)磨漿機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸確定之后，磨漿區(qū)域面積隨之確定；開孔總面積增大，實(shí)際磨漿面積就會(huì)減小。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)開孔總面積與磨漿區(qū)域面積的比值進(jìn)行了限定，一般情況為5%～70%，較好的是7%～55%，最好是10%～40%[2]。專利要求在磨漿表面開孔要均勻分布，每個(gè)齒棒至少被一個(gè)開孔切割，或者被幾個(gè)開孔切割。開孔總面積至少覆蓋60%的磨漿面積，可以到80%的磨漿面積，最好是整個(gè)磨漿面積[2]。專利要求細(xì)長(zhǎng)孔長(zhǎng)度方向與齒紋方向的夾角為25°～80°， 50°～70°更好[2]。專利要求細(xì)長(zhǎng)孔長(zhǎng)度至少切割兩個(gè)齒棒和其間的一個(gè)齒槽[3]。

文獻(xiàn)[2-3]還給出了穿流磨漿的單盤磨機(jī)、圓柱磨漿機(jī)的設(shè)計(jì)方案。磨片開孔也可以僅在轉(zhuǎn)子，或者僅在定子上(開孔必須和轉(zhuǎn)子或定子的內(nèi)導(dǎo)流通道匹配)，可以把僅在轉(zhuǎn)子或者僅在定子上開孔的穿流磨漿稱為“半穿流磨漿”，轉(zhuǎn)子和定子上都開孔的稱為“全穿流磨漿”(即“穿流磨漿”)，半穿流模式的磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。顯然，半穿流磨漿漿料通過量沒有全穿流磨漿大，其提高磨漿效率的效果不及后者。關(guān)于半穿流磨漿的設(shè)計(jì)方案詳見文獻(xiàn)[2-3]。

2 雙進(jìn)料口穿流錐形磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖3所示為雙進(jìn)料口穿流錐形磨漿機(jī)的結(jié)構(gòu)[4]。從圖3可以看出，由于轉(zhuǎn)子和定子都有開孔，漿料進(jìn)出磨漿機(jī)的通過量很大，圖1中所示的一個(gè)進(jìn)料口已經(jīng)不能滿足要求，所以設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)料口，漿料從錐形磨漿機(jī)的大端和小端同時(shí)進(jìn)入磨漿機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)導(dǎo)流通道，通過轉(zhuǎn)子開孔進(jìn)入磨漿區(qū)域，磨漿之后從定子的開孔和內(nèi)導(dǎo)流通道、通過設(shè)置在錐形機(jī)殼中部的出料口排出。圖3中的粗實(shí)線是漿料在錐形磨漿機(jī)內(nèi)部的流線。因此，圖3所示的錐形磨漿機(jī)磨漿效率更高。

圖4是為圖3配套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[4]，圖4中的轉(zhuǎn)子支架20包括轉(zhuǎn)子內(nèi)部的導(dǎo)流通道(由轉(zhuǎn)子支架內(nèi)孔33、轉(zhuǎn)子內(nèi)隔壁31和內(nèi)隔壁上的孔32等組成)。穿流模式磨漿機(jī)可采用整體式磨片(見圖2)，也可采用分片組合式磨片(如圖4)。專利[2-3]關(guān)于磨漿表面開孔的設(shè)置，開孔的形狀，開孔的總面積與磨漿面積的比例等都適用于雙進(jìn)料口錐形磨漿機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

圖3 雙進(jìn)料口穿流錐形磨漿機(jī)軸向截面示意圖

與專利文獻(xiàn)[2]相同，專利文獻(xiàn)[5]是在歐洲申請(qǐng)的專利；專利文獻(xiàn)[6]與專利文獻(xiàn)[4]相同，是在中國(guó)申請(qǐng)的中文專利。除了這些專利之外，筆者還查閱了維美德公司的網(wǎng)站及2010年和2013年在國(guó)際造紙技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議上的報(bào)告，從這些資料可以看出維美德穿流模式磨漿機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是雙進(jìn)料口的低濃錐形磨漿機(jī)，如圖5所示，其型號(hào)是OptiFiner Pro系列磨漿機(jī)。

圖5 OptiFiner Pro穿流錐形磨漿機(jī)照片

3 穿流錐形磨漿機(jī)的產(chǎn)品介紹

圖5為OptiFiner Pro穿流錐形磨漿機(jī)照片。圖5(a)是穿流錐形磨漿機(jī)的外觀圖，圖5(b)是圖5(a)磨漿機(jī)的正俯視圖。可以看出兩個(gè)進(jìn)料口位于前側(cè)，采用切向進(jìn)料，減小進(jìn)料的阻力，一個(gè)出料口位于錐形的中部后側(cè)。

圖4 雙進(jìn)料口穿流錐形轉(zhuǎn)子及磨片示意圖

分析表明，該設(shè)計(jì)與專利文獻(xiàn)[4]的圖3相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖4相同。該磨漿機(jī)中文翻譯叫做“精漿機(jī)”[6]，沒有采用常規(guī)的磨片間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)(蝸輪蝸桿或者液壓油缸機(jī)構(gòu))，采用主電動(dòng)機(jī)直連

驅(qū)動(dòng)。表1是筆者在維美德公司2016年的資料上查到的OptiFiner Pro穿流模式錐形低濃磨漿機(jī)系列產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)表?？梢钥闯?，該參數(shù)是在該公司OptiFiner(懸臂式單錐)錐形磨漿機(jī)基礎(chǔ)上制定的，但其穩(wěn)定的生產(chǎn)能力比OptiFiner磨漿機(jī)有明顯的提高。

關(guān)于OptiFiner Pro磨漿機(jī)的應(yīng)用效果國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)都可以查到，本文不再贅述。

4 穿流磨漿的初步分析

為了便于分析，筆者把傳統(tǒng)磨漿模式[漿料在磨漿區(qū)域(轉(zhuǎn)子和定子相對(duì)應(yīng)的磨漿表面形成的區(qū)域；由于該區(qū)域尺寸很小，實(shí)際上是轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成的縫隙]中流動(dòng)，被齒棒叩擊、擠壓剪切分絲、帚化，磨制成漿)稱之為“隙流磨漿(flow-clearance refining)”模式，隙流磨漿是漿料在磨漿機(jī)磨制成漿的基本模式。

初步分析“穿流磨漿”機(jī)理實(shí)際上是“穿流給料+短隙流磨漿”，穿流給料漿料通過轉(zhuǎn)子的內(nèi)導(dǎo)流通道和磨片表面的多個(gè)孔同時(shí)進(jìn)入磨漿區(qū)域，提高了漿料在磨漿區(qū)域的通過量，使?jié){料在磨漿區(qū)域內(nèi)均勻分布；短隙流磨漿縮短了漿料在磨漿區(qū)域的運(yùn)動(dòng)軌跡和停留時(shí)間，僅利用部分磨漿區(qū)域就將漿料磨制成漿并排出。比如，傳統(tǒng)的錐形磨漿機(jī)，漿料在磨漿區(qū)域的運(yùn)動(dòng)軌跡大致是錐形螺旋線，而“穿流磨漿”漿料在磨漿區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡只是錐形螺旋線的一部分。因此，“穿流磨漿”提高了磨漿效率，是傳統(tǒng)磨漿模式的重要?jiǎng)?chuàng)新。同一型號(hào)的磨漿機(jī)(規(guī)格尺寸、電機(jī)功耗不變時(shí))，提高磨漿效率實(shí)際上就是降低了磨漿能耗。也就是說，“穿流磨漿”模式通過改變磨漿區(qū)域的進(jìn)料、出料方式、縮短漿料流的運(yùn)動(dòng)軌跡和停留時(shí)間提高了漿料通過量，從而提高了磨漿效率。

表1 OptiFiner Pro系列穿流錐形磨漿機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 傳統(tǒng)“隙流磨漿”與新型“穿流磨漿”模式的比較

凡事有利必有弊，“穿流磨漿”通過提高漿料在磨漿機(jī)中的通過量，提高了磨漿效率；帶來(lái)的影響是可能會(huì)損失磨漿質(zhì)量的穩(wěn)定性。因?yàn)闈{料在磨漿機(jī)中的停留時(shí)間對(duì)磨漿質(zhì)量至關(guān)重要，停留時(shí)間過短，可能使纖維帚化、軟化不夠，達(dá)不到要求的打漿度；停留時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)使纖維長(zhǎng)度過短，影響磨漿機(jī)的效率。“穿流磨漿”可能帶來(lái)的弊端需要內(nèi)導(dǎo)流通道和磨片的齒紋、開孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行彌補(bǔ)。因此，“穿流磨漿”的機(jī)理還需要進(jìn)一步理論分析和研究。根據(jù)目前的情況來(lái)看，OptiFiner Pro穿流模式的磨漿機(jī)能夠在生產(chǎn)中應(yīng)用，并且推出系列產(chǎn)品，其磨漿質(zhì)量是可控的、可以滿足生產(chǎn)要求。

表2是傳統(tǒng)“隙流磨漿”與新型“穿流磨漿” 模式的比較。通過比較，可以加深對(duì)“穿流磨漿”模式的認(rèn)識(shí)。這些認(rèn)識(shí)只是對(duì)“穿流磨漿”的初步了解，僅有這些，要設(shè)計(jì)出符合要求的穿流模式的磨漿機(jī)還是很不夠的。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過上述分析，對(duì)穿流磨漿原理和OptiFiner Pro磨漿機(jī)有一個(gè)基本的了解。

(1) 穿流磨漿模式：通過在磨漿機(jī)轉(zhuǎn)子、定子或者兩者設(shè)置內(nèi)導(dǎo)流通道(包括轉(zhuǎn)子或者定子上的開孔)，磨漿區(qū)域直接與進(jìn)料口/出料口連通，使?jié){料可直接進(jìn)入磨漿區(qū)域(不以從磨片之間的縫隙通過為主)，減少了進(jìn)料時(shí)的黏滯阻力，提高了漿料的通過量，在磨片間隙很小(0.2～0.3 mm)的情況下，明顯提高了磨漿效率。

(2) 穿流磨漿的條件：轉(zhuǎn)子、定子或者兩者開設(shè)內(nèi)導(dǎo)流通道(包括轉(zhuǎn)子或者定子上開孔)，使磨漿區(qū)域與磨漿機(jī)進(jìn)料口/出料口直接連通。轉(zhuǎn)子或者定子的開孔最好是細(xì)長(zhǎng)孔，細(xì)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度方向與磨片齒紋(齒棒或者齒槽)方向有一定的夾角(50°～70°)；開孔的總面積與磨片磨漿面積之比最好為10%～40%，開孔應(yīng)盡可能覆蓋整個(gè)磨漿區(qū)域。

(3) 理論上穿流磨漿模式可以應(yīng)用到盤磨機(jī)、錐形磨漿機(jī)、圓柱磨漿機(jī)等各種磨漿機(jī)，目前開發(fā)的產(chǎn)品主要是低濃錐形磨漿機(jī)。

(4) OptiFiner Pro磨漿機(jī)采用穿流模式的雙進(jìn)料口的低濃錐形磨漿機(jī)，雙進(jìn)料口比單進(jìn)料口具有更高的進(jìn)料效率，充分發(fā)揮了穿流磨漿的優(yōu)勢(shì)，該磨漿機(jī)主要用做精漿機(jī)。

[1] ZHAO Xiao-ling. A Revolution in LC Refining Technology[J]. China Pulp & Paper， 2012， 31(1): 74. 趙小玲. OptiFiner Pro磨漿機(jī)及其節(jié)能效果[J]. 中國(guó)造紙， 2012， 31(1): 74.

[2] Kati Lindroos， Jorma Halla， Makku Partanen, et al. Refiner and Method for Refining Fibrous Material: US， 8511595[P]. 2013- 08-20.

[3] Kati Lindroos， Jorma Halla， Makku Partanen, et al. Refiner and Method for Refining Fibrous Material: US， 8573522[P]. 2013-11-5.

[4] Jorma Halla. Refiner with Flow Guide inside Rotor or Stator: US， 8648708[P]， 2014- 02-11.

[5] Kati Lindroos， Jorma Halla， Makku Partanen, et al. Bland Segment for a Refiner: EP， 2326767[P]， 2016- 02-17.

(責(zé)任編輯：常 青)

A Flow-through Refining Mode of Pulp Refiner and Its Preliminary Analysis

WANG Ping*SHI Jin-sheng LIU Shao-gang

(CollegeofMechanicalEgnineering,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222)

In order to reduce refining energy consumption, Metso Paper Inc. has marketed out a new type of low consistency pulp refiner with flow-through refining made in recent years, which has a good energy saving effect. In this paper, according to the relevant patent literature, the structure of this kind of flow-through pulp refiner was introduced firstly, and then its principle of energy saving was preliminarily analyzed. The flow-through refining is an important way for energy saving of the pulp refiner, and its application is worth wile to further study.

pulp refiner; flow-through refining; refining; energy saving

王 平先生，博士，教授；主要研究方向：制漿造紙機(jī)械設(shè)備的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2017- 04-10(修改稿)

TS734+.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.08.009