淺談?chuàng)P克烘缸表面修復(fù)技術(shù)

張 鋒 高致富 魏 濤

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021)

隨著衛(wèi)生紙機(jī)車速的不斷提升，揚克 (Yankee)烘缸作為衛(wèi)生紙機(jī)最重要、最關(guān)鍵的部件之一，對成紙質(zhì)量的影響越來越大。一方面，為了保證成紙質(zhì)量，對揚克烘缸結(jié)構(gòu)及性能要求比較高，如機(jī)械強(qiáng)度高、表面硬度大 ((220～260)±20 HBS)、精度要求高 (一般要求表面精度達(dá)到 ±0.5 mm，粗糙度(Ra)達(dá)到0.2 μm以下)、材料耐磨和表面光滑無缺陷等。另一方面，長期處于高溫高濕的工作環(huán)境中，揚克烘缸表面很容易發(fā)生腐蝕且受損情況復(fù)雜［1］;同時，由于刮刀的線壓力過大或者不均勻，也會引起揚克烘缸表面的磨損問題，主要表現(xiàn)為斑點、凹坑、劃痕等缺陷。這些缺陷都會給揚克烘缸的使用帶來巨大影響，首先，表面缺陷會使揚克烘缸的傳熱效率下降，造成紙幅干度不均勻，增加斷紙的可能性;同時，揚克烘缸的安全系數(shù)大幅度下降，增大安全事故概率;此外，受損的揚克烘缸表面凹凸不平，嚴(yán)重影響成紙質(zhì)量。因此，對揚克烘缸表面修復(fù)技術(shù)的研究非常必要。

目前，揚克烘缸的表面修復(fù)主要有兩條技術(shù)路線:①對于使用時間不長且受損不嚴(yán)重的揚克烘缸，因加工磨量很小，并在其安全余量范圍內(nèi)，常采用先表面檢測后表面磨拋的修復(fù)路線;②對于使用時間較長或受損嚴(yán)重的揚克烘缸，需保證安全系數(shù)，常采用先表面檢測、再表面熱噴涂、最后表面磨拋的修復(fù)路線。本文分別對表面檢測技術(shù)、表面熱噴涂技術(shù)和表面磨拋技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 表面檢測技術(shù)

由于腐蝕和磨損等原因，造成揚克烘缸表面出現(xiàn)蝕坑、裂痕、劃痕等諸多缺陷，嚴(yán)重影響了揚克烘缸的正常工作，從而導(dǎo)致成紙質(zhì)量惡化，甚至可能引發(fā)安全事故。為了改善和提高揚克烘缸表面的工作性能，必須對受損缸面進(jìn)行高精度的修復(fù)，而作為揚克烘缸表面修復(fù)的“眼睛”——表面檢測技術(shù)，其優(yōu)劣直接決定著烘缸修復(fù)的成敗。一方面，可利用檢測技術(shù)測量揚克烘缸表面的原有尺寸，作為安全修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn);另一方面，可利用檢測技術(shù)檢測揚克烘缸表面的缺陷，作為磨削加工的參考依據(jù)。目前用于揚克烘缸表面缺陷的先進(jìn)檢測手段主要是表面形貌測量技術(shù)。

表面形貌測量技術(shù)是利用激光傳感器等測距設(shè)備采集探頭與旋轉(zhuǎn)的揚克烘缸表面之間距離的信號數(shù)據(jù)，借助計算機(jī)技術(shù)，顯示揚克烘缸表面輪廓的三維立體圖像。表面形貌測量儀主要由探頭、導(dǎo)軌和計算機(jī)組成。通過電機(jī)的傳動作用，使架在導(dǎo)軌上的探頭做勻速的往復(fù)運動，再由探頭向低速旋轉(zhuǎn)的揚克烘缸表面發(fā)射穩(wěn)定的激光束，并采集部分漫反射光束，然后將信號送給計算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和圖像技術(shù)，就可以得到揚克烘缸表面形貌的三維立體圖像，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示［2］。

表面形貌測量儀探頭主要由激光器、光學(xué)透鏡、反光鏡和位置敏感器件等組成。激光光源投射一束細(xì)光束到被測物表面形成一微小光點，位置敏感器件接收由被測物表面漫反射回來的一部分漫反射光，根據(jù)漫反射光在位置敏感器件上的成像位置，經(jīng)信息處理和計算得到揚克烘缸表面缺陷的深度與烘缸橫向位置、烘缸周向位置 (螺釘個數(shù))形貌位置關(guān)系圖，如圖2所示。

表面形貌測量技術(shù)與傳統(tǒng)的揚克烘缸表面缺陷檢測技術(shù) (如磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、超聲波檢測)的優(yōu)缺點比較如表1所示［3］。由于測量結(jié)果更加精準(zhǔn)、工作效率更高，所以表面形貌測量技術(shù)已在其他行業(yè)中得以應(yīng)用，該技術(shù)在揚克烘缸表面缺陷檢測方面的應(yīng)用，國外已經(jīng)獲得較為成熟的經(jīng)驗。

圖2 揚克烘缸表面缺陷相對形貌圖

表1 表面形貌檢測技術(shù)與傳統(tǒng)檢測技術(shù)比較

2 表面熱噴涂技術(shù)

表面熱噴涂技術(shù)是一種表面處理技術(shù)，將金屬絲或金屬粉末加熱熔化，利用高溫、高壓、高速氣流將其霧化成細(xì)小顆粒，再以很大的速度噴射到揚克烘缸表面，依靠金屬粉末的物理化學(xué)反應(yīng)，與基體金屬產(chǎn)生原子擴(kuò)散結(jié)合，從而在揚克烘缸表面形成牢固附著并具有特定性能的涂層，其原理示意圖如圖3所示。由于涂層與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度很大，可達(dá)29.4 MPa［4］，所以表面熱噴涂技術(shù)往往被用于揚克烘缸表面磨拋前的預(yù)處理。根據(jù)加熱方式的不同，可分為電弧噴涂、氧乙炔火焰噴涂、等離子體噴涂和爆炸噴涂等。

圖3 表面熱噴涂原理示意圖

表面熱噴涂技術(shù)有很多優(yōu)點:①涂層組織致密均勻，可有效地降低揚克烘缸表面粗糙度，從而達(dá)到修復(fù)受損烘缸表面的目的。②可噴涂特殊材料，提高揚克烘缸表面特殊性能，延長烘缸壽命，甚至做到無需修復(fù)。如國內(nèi)多以含鉻不銹鋼作為噴涂材料，提高揚克烘缸表面的耐磨抗蝕性能;國外已開發(fā)出更為先進(jìn)的技術(shù)，可在揚克烘缸表面噴涂硬質(zhì)材料，以改善揚克烘缸表面的耐磨等性能，延長使用壽命。③表面熱噴涂技術(shù)設(shè)備簡單，可現(xiàn)場作業(yè)，修復(fù)時間短，根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗，噴涂1個烘缸只需10～12 h(不包括噴前處理和噴后磨削)［5］。

但是，涂層也會給揚克烘缸的正常使用帶來一些問題:①由于不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比鑄鐵小，噴涂不銹鋼后會降低揚克烘缸的傳熱效率。②過厚的涂層也會降低揚克烘缸的傳熱效率。針對以上問題，國外通常采用加入鉬等金屬材料來提高揚克烘缸的導(dǎo)熱性能。另外，根據(jù)國內(nèi)實踐經(jīng)驗，涂層厚度一般應(yīng)小于0.8 mm。

由于具有以上特點，表面熱噴涂技術(shù)在揚克烘缸表面修復(fù)方面具有很好的修復(fù)效果。所以，近10年表面熱噴涂技術(shù)被廣泛采用，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟。其中，由于電弧噴涂的效率是氧乙炔火焰噴涂的3倍，并且具有能耗低，結(jié)合強(qiáng)度高等特點，因此，電弧噴涂成為使用最廣泛的噴涂方法，其工作示意圖如圖4所示。

圖4 高速電弧噴涂工作示意圖

3 表面磨拋技術(shù)

從設(shè)計、制造、生產(chǎn)使用等方面來看，一般通入揚克烘缸高溫蒸汽的壓力比較大，約為1.12 MPa，而且揚克烘缸的工作車速已超過2000 m/min，在這種情況下，揚克烘缸表面的任何缺陷都會成為巨大的安全隱患;同時，揚克烘缸總質(zhì)量高達(dá)上百噸，所以裝卸難度非常大;另外，揚克烘缸修復(fù)周期短，一般1年需磨缸1次，在腐蝕嚴(yán)重的情況下甚至6個月就需要修復(fù)1次。所以采用高效安全的技術(shù)對揚克烘缸表面進(jìn)行修復(fù)是非常必要的。

目前國內(nèi)外的揚克烘缸表面修復(fù)技術(shù)主要有表面磨拋技術(shù)、砂輪磨削技術(shù)和電化學(xué)磨削技術(shù)［6］。其中，最為先進(jìn)的表面磨拋技術(shù)在國外已被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過高精度的小型化砂帶磨床，對受損的揚克烘缸表面進(jìn)行在線修磨，使其重新達(dá)到使用要求。砂帶磨床的主要部件為砂帶，砂帶磨削是根據(jù)揚克烘缸的形狀，以相應(yīng)的接觸方式，利用高速運動的砂帶對其同時進(jìn)行磨削和拋光的一種新型高效磨拋工藝。砂帶磨拋技術(shù)與傳統(tǒng)砂輪磨削技術(shù)的優(yōu)缺點如表2所示，砂帶磨拋具有很高的工作效率，目前越來越多的專家學(xué)者正在積極研究砂帶磨削在揚克烘缸表面修復(fù)方面的應(yīng)用。

表2 砂帶磨拋技術(shù)與傳統(tǒng)砂輪磨削技術(shù)優(yōu)缺點的比較

在國外，美卓和福伊特等公司都已經(jīng)開發(fā)出了用于揚克烘缸表面修復(fù)的砂帶磨床，如美卓公司開發(fā)的Crownmaster系統(tǒng) (見圖5)和福伊特公司開發(fā)的VRG(Virtual Reference Grinding)系統(tǒng) (見圖6)都是目前全球高性能的揚克烘缸表面在線修磨設(shè)備。首先，它們在傳統(tǒng)烘缸研磨機(jī)的基礎(chǔ)上采用高精度的現(xiàn)代化控制系統(tǒng)，大幅度提高了揚克烘缸表面修磨的精確度和可靠度;其次，它們都是集磨削和拋光為一體，可對揚克烘缸表面進(jìn)行高效磨拋;最后，它們都可以完成對帶有中高揚克烘缸的表面修復(fù)。此外，福伊特公司的VRG系統(tǒng)還采用雙磨頭設(shè)計，進(jìn)一步提高了磨削效率，使磨削所需時間由原來的3～5天縮短到1天左右，大大降低了企業(yè)的停機(jī)損失［8］。

圖5 美卓公司的Crownmaster系統(tǒng)

圖6 福伊特公司的VRG系統(tǒng)

4 結(jié)語

由于揚克烘缸不僅具有總質(zhì)量大、修復(fù)難度高、維護(hù)周期短且所需時間長等特點，而且一旦出現(xiàn)表面磨損問題將嚴(yán)重影響成紙質(zhì)量，所以對揚克烘缸表面修復(fù)技術(shù)的研究具有非常重要的意義。本文通過表面檢測技術(shù)、表面熱噴涂技術(shù)和表面磨削技術(shù)對近年來國內(nèi)外揚克烘缸表面修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了分析，可知現(xiàn)已實現(xiàn)了檢測和磨削技術(shù)的一體化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為進(jìn)一步提高揚克烘缸表面的修復(fù)效率，減少企業(yè)的停機(jī)損失，探索集烘缸檢測、表面噴涂和砂帶磨削為一體的揚克烘缸表面修復(fù)技術(shù)將成為主要發(fā)展趨勢，因此，研究開發(fā)更先進(jìn)的揚克烘缸表面修復(fù)一體化技術(shù)也是亟待解決的重要課題。

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