新型起皺刮刀的研究

徐國(guó)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(guó)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有直接影響。目前廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)并進(jìn)行了試用驗(yàn)證，具有明顯的技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)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(duì)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(yè)從烘缸表面剝離，同時(shí)對(duì)接觸的紙面施加適當(dāng)壓力使紙頁(yè)表面形成皺紋狀結(jié)構(gòu)。起皺刮刀應(yīng)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(guó)內(nèi)企業(yè)主要使用的是鋼制刮刀，比例超過(guò)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(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，是替代鋼制起皺刮刀的理想技術(shù)。因?yàn)橥繉拥哪湍バ赃h(yuǎn)高于鋼材，所以使用合金/陶瓷刮刀可延長(zhǎng)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(chǔ)上的創(chuàng)新型改進(jìn)，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(shí)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(gè)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(qiáng)。普通鋼制起皺刮刀的壽命T一般在2～4h，其失效過(guò)程可用圖2表示。

圖2　鋼制刮刀的失效過(guò)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(shí)紙頁(yè)起皺質(zhì)量較好。隨著時(shí)間的推移，刮刀的工作刃口會(huì)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(shí)，頂端因紙張沖擊與刮擦而開始出現(xiàn)沿刮刀長(zhǎng)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(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐步積累，紙頁(yè)的起皺情況和物理性能也會(huì)隨之漸變。工作T時(shí)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(dǎo)致皺紋結(jié)構(gòu)達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，刮刀失效下機(jī)。

頻繁更換刮刀必然會(huì)縮短有效生產(chǎn)時(shí)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(jī)過(guò)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(huì)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(xì)的漸變。皺紋粗細(xì)和均勻性變化明顯，目視即可辨識(shí)。這種短周期的周而復(fù)始的皺紋結(jié)構(gòu)變化，造成產(chǎn)品質(zhì)量提升時(shí)無(wú)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(dǎo)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(shí)際中，技術(shù)人員不斷地尋求耐磨性更好的品種和型號(hào)的鋼材，但效果不明顯，后來(lái)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(jìn)之處：一是與烘缸接觸的工作面同樣會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐步加寬，導(dǎo)致紙面皺紋結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，只是其失效過(guò)程會(huì)比普通鋼刀慢，其壽命通常為鋼制刮刀的40～60倍；二是因?yàn)橐话闾沾刹牧隙季哂写嘈裕ぷ魅锌谌菀壮霈F(xiàn)微小的不規(guī)則狀的崩口，從而導(dǎo)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(yīng)具備的先進(jìn)性

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

好的耐磨性能，壽命長(zhǎng)；頂端抗沖擊能力強(qiáng)；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(shè)計(jì)原理

總體設(shè)計(jì)思路：以現(xiàn)有的鋼制刮刀材料作為基體，利用先進(jìn)的表面工程技術(shù)，對(duì)工作部位進(jìn)行局部表面強(qiáng)化，既節(jié)約成本，又達(dá)到耐磨、抗沖擊目的。

作者利用本單位長(zhǎng)期積累的超音速火焰噴涂技術(shù)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)化目的。

材料選擇：兼顧涂層材料的硬度、強(qiáng)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(guò)程中出現(xiàn)刃口崩裂現(xiàn)象。

外形及尺寸設(shè)計(jì)：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(shè)計(jì)：在涂層與烘缸接觸部位增加一個(gè)小的過(guò)度角，以減少初始工作時(shí)發(fā)生“頂缸”的可能性。

抗沖擊設(shè)計(jì)：考慮起皺過(guò)程中紙頁(yè)對(duì)刮刀頂端持續(xù)不斷的沖擊，被沖擊部位應(yīng)當(dāng)具有很強(qiáng)的抗沖擊能力。

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

這種恒壓設(shè)計(jì)，可避免刮刀在持續(xù)磨損過(guò)程中接觸面不斷增大的現(xiàn)象；刮刀工作時(shí)刀壓較小且保持不變；紙頁(yè)沖擊區(qū)有足夠強(qiáng)度；紙漿或物料中出現(xiàn)個(gè)別微小硬質(zhì)顆粒物時(shí)，容易從垛峰下的凹槽排出，防止顆粒物較長(zhǎng)時(shí)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(shè)計(jì)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(tái)衛(wèi)生紙機(jī)進(jìn)行試用。每臺(tái)紙機(jī)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(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)進(jìn)行試用，天成紙業(yè)選擇1號(hào)機(jī)進(jìn)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(duì)試用后回收的每把刮刀，從一端和中間分別截取30～40cm長(zhǎng)度的刀樣，對(duì)磨損情況進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)下機(jī)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(tái)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(shè)計(jì)具有技術(shù)先進(jìn)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(jì)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(dòng)強(qiáng)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(lái)一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

Research on New Type of Creping Blades