磨漿機的穿流磨漿模式及初步分析

王 平 師晉生 劉少崗

(天津科技大學機械工程學院，天津，300222)

·新型磨漿機·

磨漿機的穿流磨漿模式及初步分析

王 平 師晉生 劉少崗

(天津科技大學機械工程學院，天津，300222)

穿流磨漿模式的低濃磨漿機具有良好的節(jié)能作用，本文根據(jù)相關專利文獻，首先介紹了這種穿流磨漿機的結構，然后對穿流磨漿的機理和節(jié)能原理進行了初步分析。穿流磨漿是磨漿機節(jié)能的重要途徑，其應用有待于進一步的深入研究。

磨漿機；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，降低能耗對于保護環(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。據(jù)統(tǒng)計，磨漿機的能耗在備料階段約占60%，在整個造紙生產(chǎn)過程約占20%。所以，磨漿打漿設備的節(jié)能降耗是一個十分重要的問題。

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

1 新型穿流磨漿機的原型

2009年Kati Lindroos和Jorma Halla等人申報兩項美國專利[2-3]，這兩項專利在2013年獲批。圖1和圖2是兩項專利中均提出的錐形磨漿機結構示意圖[2-3]。這是穿流磨漿最早的雛形。與傳統(tǒng)的磨漿機不同，圖1磨漿機的結構主要是在轉子或者定子(或者轉子、定子兩者)上開孔和設置內(nèi)部導流通道，使轉子或者定子的孔與磨漿機進料口或者出料口連通，漿料可以從轉子或者定子的內(nèi)部通道進入磨漿區(qū)域，磨漿之后從內(nèi)部通道直接排出磨漿機。

圖2是穿流模式錐形磨漿機整體式轉子磨片，轉子的開孔都采用細長孔，且細長孔的長度方向與磨片齒紋方向有一定的夾角。細長孔的長度要能夠至少切斷兩個齒棒，這樣進入磨漿區(qū)域的漿料可以直接進入幾個齒槽，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 穿流錐形磨漿機軸向截面示意圖

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

穿流磨漿原理是通過在轉子、定子或者兩者設置內(nèi)導流通道(包括轉子磨片或者定子磨片的開孔)，且內(nèi)部導流通道與進料口或者出料口連通，使?jié){料可直接進入磨漿區(qū)域(不以從磨片之間的縫隙通過為主)，減少了進漿黏滯阻力，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)磨漿模式的重要創(chuàng)新，將大大提高磨漿效率，降低磨漿能耗。

圖2 穿流錐形磨漿機整體式轉子磨片

由于轉子磨漿面積是一定的，開孔的數(shù)量和大小對于進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設計的關鍵問題。開孔數(shù)量乘以孔的尺寸等于開孔總面積，當磨漿機轉子尺寸確定之后，磨漿區(qū)域面積隨之確定；開孔總面積增大，實際磨漿面積就會減小。文獻[2-3]對開孔總面積與磨漿區(qū)域面積的比值進行了限定，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，每個齒棒至少被一個開孔切割，或者被幾個開孔切割。開孔總面積至少覆蓋60%的磨漿面積，可以到80%的磨漿面積，最好是整個磨漿面積[2]。專利要求細長孔長度方向與齒紋方向的夾角為25°～80°， 50°～70°更好[2]。專利要求細長孔長度至少切割兩個齒棒和其間的一個齒槽[3]。

文獻[2-3]還給出了穿流磨漿的單盤磨機、圓柱磨漿機的設計方案。磨片開孔也可以僅在轉子，或者僅在定子上(開孔必須和轉子或定子的內(nèi)導流通道匹配)，可以把僅在轉子或者僅在定子上開孔的穿流磨漿稱為“半穿流磨漿”，轉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的結構較為簡單。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。關于半穿流磨漿的設計方案詳見文獻[2-3]。

2 雙進料口穿流錐形磨漿機的結構

圖3所示為雙進料口穿流錐形磨漿機的結構[4]。從圖3可以看出，由于轉子和定子都有開孔，漿料進出磨漿機的通過量很大，圖1中所示的一個進料口已經(jīng)不能滿足要求，所以設計了兩個進料口，漿料從錐形磨漿機的大端和小端同時進入磨漿機轉子的內(nèi)導流通道，通過轉子開孔進入磨漿區(qū)域，磨漿之后從定子的開孔和內(nèi)導流通道、通過設置在錐形機殼中部的出料口排出。圖3中的粗實線是漿料在錐形磨漿機內(nèi)部的流線。因此，圖3所示的錐形磨漿機磨漿效率更高。

圖4是為圖3配套的轉子結構設計方案[4]，圖4中的轉子支架20包括轉子內(nèi)部的導流通道(由轉子支架內(nèi)孔33、轉子內(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]關于磨漿表面開孔的設置，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料口錐形磨漿機的設計方案。

圖3 雙進料口穿流錐形磨漿機軸向截面示意圖

與專利文獻[2]相同，專利文獻[5]是在歐洲申請的專利；專利文獻[6]與專利文獻[4]相同，是在中國申請的中文專利。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年在國際造紙技術學術會議上的報告，從這些資料可以看出維美德穿流模式磨漿機的產(chǎn)品設計是雙進料口的低濃錐形磨漿機，如圖5所示，其型號是OptiFiner Pro系列磨漿機。

圖5 OptiFiner Pro穿流錐形磨漿機照片

3 穿流錐形磨漿機的產(chǎn)品介紹

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

圖4 雙進料口穿流錐形轉子及磨片示意圖

分析表明，該設計與專利文獻[4]的圖3相同，內(nèi)部結構與圖4相同。該磨漿機中文翻譯叫做“精漿機”[6]，沒有采用常規(guī)的磨片間隙調(diào)整機構(蝸輪蝸桿或者液壓油缸機構)，采用主電動機直連

驅動。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系列產(chǎn)品的技術參數(shù)表?？梢钥闯觯搮?shù)是在該公司OptiFiner(懸臂式單錐)錐形磨漿機基礎上制定的，但其穩(wěn)定的生產(chǎn)能力比OptiFiner磨漿機有明顯的提高。

關于OptiFiner Pro磨漿機的應用效果國內(nèi)文獻都可以查到，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(轉子和定子相對應的磨漿表面形成的區(qū)域；由于該區(qū)域尺寸很小，實際上是轉子和定子構成的縫隙]中流動，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磨制成漿的基本模式。

初步分析“穿流磨漿”機理實際上是“穿流給料+短隙流磨漿”，穿流給料漿料通過轉子的內(nèi)導流通道和磨片表面的多個孔同時進入磨漿區(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)域的運動軌跡和停留時間，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，漿料在磨漿區(qū)域的運動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)的運動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)磨漿模式的重要創(chuàng)新。同一型號的磨漿機(規(guī)格尺寸、電機功耗不變時)，提高磨漿效率實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)域的進料、出料方式、縮短漿料流的運動軌跡和停留時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技術參數(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中的通過量，提高了磨漿效率；帶來的影響是可能會損失磨漿質量的穩(wěn)定性。因為漿料在磨漿機中的停留時間對磨漿質量至關重要，停留時間過短，可能使纖維帚化、軟化不夠，達不到要求的打漿度；停留時間過長，可能會使纖維長度過短，影響磨漿機的效率?！按┝髂{”可能帶來的弊端需要內(nèi)導流通道和磨片的齒紋、開孔的優(yōu)化設計進行彌補。因此，“穿流磨漿”的機理還需要進一步理論分析和研究。根據(jù)目前的情況來看，OptiFiner Pro穿流模式的磨漿機能夠在生產(chǎn)中應用，并且推出系列產(chǎn)品，其磨漿質量是可控的、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“穿流磨漿”模式的認識。這些認識只是對“穿流磨漿”的初步了解，僅有這些，要設計出符合要求的穿流模式的磨漿機還是很不夠的。

5 結 語

通過上述分析，對穿流磨漿原理和OptiFiner Pro磨漿機有一個基本的了解。

(1) 穿流磨漿模式：通過在磨漿機轉子、定子或者兩者設置內(nèi)導流通道(包括轉子或者定子上的開孔)，磨漿區(qū)域直接與進料口/出料口連通，使?jié){料可直接進入磨漿區(qū)域(不以從磨片之間的縫隙通過為主)，減少了進料時的黏滯阻力，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：轉子、定子或者兩者開設內(nèi)導流通道(包括轉子或者定子上開孔)，使磨漿區(qū)域與磨漿機進料口/出料口直接連通。轉子或者定子的開孔最好是細長孔，細長孔的長度方向與磨片齒紋(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%，開孔應盡可能覆蓋整個磨漿區(qū)域。

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

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

[1] ZHAO Xiao-ling. A Revolution in LC Refining Technology[J]. China Pulp & Paper， 2012， 31(1): 74. 趙小玲. OptiFiner Pro磨漿機及其節(jié)能效果[J]. 中國造紙， 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：制漿造紙機械設備的研究與優(yōu)化設計。

2017- 04-10(修改稿)

TS734+.1

A

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