盤磨機(jī)磨盤生命周期內(nèi)磨片失效的研究進(jìn)展

楊瑞帆 董繼先 劉歡 郭西雅

x摘要： 盤磨機(jī)的磨盤在磨漿的過程中極易受到磨損，磨盤生命周期內(nèi)的磨損直接關(guān)系到磨漿的質(zhì)量和磨盤的壽命。本文首先總結(jié)了盤磨機(jī)磨盤磨損及影響，然后著重闡述常見的磨片磨損模式，同時對磨片的防護(hù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：制漿造紙;盤磨機(jī);磨片;磨損;研究進(jìn)展

中圖分類號：TS733+.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.009

Abstract： The plate of disc refiner is vulnerable to abrasion in the process of refining， and the wear of plate may not only cause a shorter plate working life but also a reduced refining efficiency and pulp quality. Firstly， the wear of the plate and its influence were summarized， then the common wear patterns were especially discussed. Finally， the protection of the plate from wearing was prospected.

Key words： pulp and paper; disc refiner; plate; abrasion; research progress

盤磨機(jī)由于磨漿質(zhì)量好、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以應(yīng)用于多種磨漿工藝，在制漿造紙中有著不可替代的地位，經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，至今在磨漿中占絕對優(yōu)勢。目前，盤磨機(jī)在使用過程中存在能耗大、磨盤壽命短等問題，深入研究盤磨機(jī)磨盤的磨損具有一定的實(shí)際價值。

磨盤是盤磨機(jī)的關(guān)鍵部件，在機(jī)械磨漿過程中發(fā)揮著決定性的作用。磨漿時，主要是依靠動盤的高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生巨大的離心力，不斷地把齒槽中激烈湍動的漿料拋向磨漿面（齒面），使?jié){料纖維受到摩擦力、扭力、剪力等多種力的綜合作用，將纖維剪切、分絲、細(xì)纖維化、扭曲和壓潰[1]。

目前我國對于盤磨機(jī)磨盤的磨損研究較少，本文對國外盤磨機(jī)磨片的磨損理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了分析、總結(jié)，對我國盤磨機(jī)磨盤磨損規(guī)律的掌握具有一定的指導(dǎo)作用。

1 磨盤的磨損及影響

磨盤被稱為盤磨機(jī)的“心臟”，在磨漿過程起著決定性的作用。在使用過程中，磨盤通常會迅速劣化，這樣不僅會縮短其使用壽命，還會降低磨漿的效率和紙漿質(zhì)量。

國外已經(jīng)有許多關(guān)于磨齒磨損對紙漿質(zhì)量產(chǎn)生不良影響的研究[2-5]，老化或磨損的磨片會切斷更多的纖維，導(dǎo)致出現(xiàn)較低比例的長纖維和較高含量的細(xì)小纖維[6-7]。由于紙漿質(zhì)量更多地取決于二段磨漿中的磨片條件，而不是一段盤磨機(jī)中的磨片條件，因此，如果磨盤工作到最大壽命時，紙漿性能下降非?？靃8]。

1989年Strand等人[6]和Irvine[7]觀察到磨盤表面條件對紙漿質(zhì)量比能耗關(guān)系具有顯著的影響。其中將比能耗定義為紙漿單位質(zhì)量消耗的能量，更具體地來說，磨漿性能主要與磨齒前緣的磨損情況有關(guān)。

1990年Hietanen等人[9]發(fā)現(xiàn)，如果磨齒邊緣磨損，沿著磨齒邊緣的壓力將在接觸點(diǎn)或纖維之間的接觸點(diǎn)切斷纖維。1987年Leask等人[10]提出，盤磨機(jī)磨盤的磨片必須抵抗磨齒邊緣的鈍化，以獲得所需的能量傳遞和磨漿效果。

1983年P(guān)earson等人[11]預(yù)測，磨齒鈍化將減少可用于磨漿的接觸面，并增加磨漿強(qiáng)度，即每次沖擊的比能量。而Leider等人[12]得出的結(jié)論是，磨片磨損會影響磨漿強(qiáng)度，這在紙張抗張指數(shù)的變化中可以看出。

1998年歐陽琳[13]分析了磨盤的磨損機(jī)理及對磨片材質(zhì)的要求，將磨盤在分離纖維過程中的磨損分為： 摩擦磨損、疲勞磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損等。

2002年向紅亮等人[14]從微觀和宏觀兩方面闡述了磨片磨損的幾種形式和磨損機(jī)理，認(rèn)為正常磨損是不可避免的，如摩擦磨損、沖蝕磨損等。非正常磨損主要為磨片大面積斷齒具體形狀如圖1所示，通過嚴(yán)把磨片質(zhì)量關(guān)和操作得當(dāng)，非正常磨損完全可以避免。

綜上所述，磨盤的磨損不僅影響到紙漿質(zhì)量，還與磨漿效率、能耗和生產(chǎn)成本有關(guān)，特別是處于磨區(qū)磨齒前緣的損傷，對磨漿效果的影響很大。非正常磨損如斷齒可以通過改善磨片工藝等方法避免，在目前實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)較少。而正常磨損普遍存在于磨片生命周期的各個階段，所以研究正常磨損的類型、原因和損傷程度有利于掌握其內(nèi)在規(guī)律，對提高磨片使用效率，提升盤磨機(jī)性能具有十分重要的意義。

2 盤磨機(jī)磨片的生命周期與磨損類型

盤磨機(jī)磨片的生命周期是指磨片的更換周期，通常根據(jù)磨片的工作壽命分3個階段：磨合期、正常磨損期和鈍化期。新磨片更換后3～5天為磨合期，更換前3～5天為鈍化期。在磨合期和鈍化期內(nèi)，纖維束 、碎料都會增加，纖維形態(tài)也不好， 且得率也降低。磨片鈍化期還造成盤磨機(jī)電耗增加，從而增加成本。正常磨損期表面粗糙度適中，磨片受力較為均勻，損耗速度較慢。

磨片常見材料有多元合金、球墨鑄鐵、不銹鋼、鎳鉻白口鑄鐵和高鉻合金材質(zhì)，目前國內(nèi)磨片普遍采用不銹鋼或合金鑄鐵為原料。較早之前，打漿中采用表面粗糙的砂輪磨片或玄武巖磨片，磨齒表面的粗?；颉拔⑿∧X”可以很好地提高纖維帚化，但因?yàn)閺?qiáng)度問題使用受到一定限制，因材質(zhì)脆性較大逐漸被金屬磨片替代。

磨片的磨損是一個極其復(fù)雜的過程，取決于許多變量，如木材種類、切屑清潔度、比能耗、負(fù)載穩(wěn)定性、濃度、酸堿度、稀釋水和磨片設(shè)計(jì)[15]。目前，關(guān)于磨片失效分析的參考文獻(xiàn)很少，對磨片的磨損過程仍然知之甚少。國外的研究人員進(jìn)行一些磨片失效分析后，將磨片磨損歸因于各種失效機(jī)理的組合，包括磨損、黏附、固體顆粒侵蝕、氣蝕、液體沖擊侵蝕和腐蝕。前5種屬于物理磨損，其特點(diǎn)是接觸面反復(fù)摩擦或紙漿多次沖擊碾壓造成磨片表面產(chǎn)生一個較高的接觸應(yīng)力，是磨盤表面持續(xù)塑性變形。腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，其特點(diǎn)是磨盤表面與環(huán)境接觸反應(yīng)而引起的鈍化膜失效，損耗較大。

目前，國內(nèi)外還沒有就不同磨片磨損方式的分類和定義達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。Wasikowski等人[16]將磨片失效的類型分為：斷齒、鋸齒形磨損、摩擦磨損、汽蝕磨損、銹蝕磨損和卷邊磨損共6類。Thompson等人[17]認(rèn)為磨片的磨損可以定義為鈍化、碰撞和腐蝕3種主要失效方式。此外，斷齒主要是因?yàn)榘卓陬惸テX寬較小或存在鑄造缺陷，從而造成打漿電流波動、電耗較高，這是一種相對罕見的磨片損壞形式。因此，重要的磨片磨損類型可以減少到3類：鋸齒狀、點(diǎn)蝕和邊緣鈍化狀磨損。

2.1 鋸齒狀磨損

鋸齒狀磨損是指磨損發(fā)生在齒的頂端，通常朝向齒的邊緣，有著很深的圓周槽。其特點(diǎn)是動盤和靜盤的磨損形態(tài)呈嚙合狀，在嚴(yán)重鋸齒狀區(qū)域中檢測到顯著的加工硬化。關(guān)于鋸齒狀磨損的原因國外研究人員所持觀點(diǎn)不一，Rideout等人[18]將這種形式的磨損歸因于類似于電化學(xué)加工的局部腐蝕。Maslyuk等人[19]通過高應(yīng)力磨損實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了類似于鋸齒狀磨盤上的磨損痕，認(rèn)為磨片在工作時循環(huán)應(yīng)力主要導(dǎo)致了鋸齒狀磨損的形成。Thompson等人[20]將磨盤鋸齒狀磨損的原因歸結(jié)于磨漿時黏附和腐蝕機(jī)理。

在肉眼觀測上，通常只有在粗磨和精磨區(qū)可以看到鋸齒狀磨損，而破碎區(qū)很少出現(xiàn)。此外與粗磨區(qū)相比，精磨區(qū)的鋸齒狀損壞嚴(yán)重得多。所有這些發(fā)現(xiàn)都?xì)w因于磨漿過程中的嚴(yán)重機(jī)械作用，而不是任何形式的腐蝕損壞。因此Rideout等人[18]提出了局部腐蝕理論似乎不太適用于盤磨機(jī)磨漿中遇到的大多數(shù)鋸齒狀磨損問題，所以磨片的鋸齒狀磨損主要?dú)w因于磨盤之間的碰撞。

在微觀尺度上，鋸齒狀磨片上的圓周切槽存在許多粗糙部分，圖2為鋸齒狀磨損處的掃描電子顯微鏡圖。由圖2可以看出，磨齒表面不是完全光滑的。在磨盤沖撞過程中，每塊磨片都可以通過自身表面的粗糙來切割或犁削對應(yīng)物的表面，許多剝落的碳化物和夾帶的砂粒從磨齒表面層移除的碎片可能不會立即移出磨區(qū)，相反它們可以嵌入其所在的接觸面并切割另一個，所以引起許多切槽具有非常鋒利的邊緣，且還有助于鋸齒狀磨損的圓周開槽[21]。

在測量方法上，隨著工作時長的增加，在磨片使用壽命75%之后，總鋸齒面積分?jǐn)?shù)先增加后略有下降，這主要是由于中后期磨片中的點(diǎn)蝕損壞造成的，其形狀如圖3所示。相比于鋸齒區(qū)分?jǐn)?shù)，鋸齒狀寬度區(qū)域是判斷磨片鋸齒損傷程度的更好測量方法。

2.2 點(diǎn)蝕

磨齒的點(diǎn)蝕是指磨齒的前緣出現(xiàn)劣化的凹坑，如圖4所示，且往往能延伸到所有3個磨漿區(qū)域?？栈p過程已被廣泛接受為點(diǎn)蝕的原因[22]，液體沖擊侵蝕和局部腐蝕也被認(rèn)為是影響因素。Thompson等人[20]通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了點(diǎn)蝕損傷特征，并且還指出由于氣蝕強(qiáng)烈依賴于pH值，因此酸堿度可以大大加速點(diǎn)蝕損傷。如果磨盤表面上存在水，由于盤磨機(jī)精磨區(qū)的工作溫度高，水將始終被閃蒸成水蒸氣，在磨漿過程中產(chǎn)生許多氣泡。在磨齒交錯的過程中遇到紙漿或液體沖擊時，這些氣泡會在高壓下坍塌，導(dǎo)致空化失效[23]。所以精磨區(qū)的點(diǎn)蝕也受液體沖擊侵蝕的影響。

在磨區(qū)和破碎區(qū)都會發(fā)生點(diǎn)蝕磨損，且沿著磨齒的前緣最嚴(yán)重。在磨漿期間，磨齒前緣通常受到比磨盤表面上的其他區(qū)域更高的工作負(fù)荷，所以在磨齒前緣附近的點(diǎn)蝕損傷顯然主要?dú)w因于某種類型的機(jī)械作用而不是腐蝕。磨齒的頂部雖然也承受非常高的工作負(fù)荷，但基本上沒有嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，可能是因?yàn)殇忼X狀或更嚴(yán)重的磨盤損壞模式主導(dǎo)了磨齒頂面的劣化。磨區(qū)的點(diǎn)蝕通常不會對磨片的性能造成很大的危害[16]。此外，點(diǎn)蝕發(fā)生晚于鋸齒，點(diǎn)蝕損壞通常發(fā)生在磨齒壽命的后期。這使得點(diǎn)蝕的發(fā)生可能需要相當(dāng)長的潛伏期，在此期間，磨齒前緣反復(fù)變形，并在循環(huán)應(yīng)力作用下硬化，這種應(yīng)力是通過紙漿在磨齒交錯期間產(chǎn)生的局部流體壓力脈沖或蒸汽壓力脈沖引起[21]。因此，點(diǎn)蝕可能是疲勞機(jī)制引發(fā)的磨損過程。

在各磨漿區(qū)域中，點(diǎn)蝕磨損的凹坑面積分?jǐn)?shù)隨著使用時間的增加而增加。在精磨區(qū)中的凹坑區(qū)域和鋸齒區(qū)域可以彼此重疊，點(diǎn)蝕損壞度不能很好地由凹坑面積分?jǐn)?shù)反應(yīng)。如圖5所示的磨齒凹痕前緣分?jǐn)?shù)，即各磨齒前緣點(diǎn)蝕長度與總磨齒長度之比，來作為點(diǎn)蝕磨損嚴(yán)重程度的指標(biāo)。

2.3 邊緣鈍化狀磨損

邊緣鈍化狀磨損與點(diǎn)蝕磨損類似，也主要發(fā)生在齒的邊緣，是指磨齒邊緣的銳度損失，磨齒邊緣鈍化寬度隨著磨盤使用時間的增加而增加。其特點(diǎn)是磨齒前緣的表面特征與鋸齒形磨損齒頂部的“粗糙區(qū)域”非常相似[21]，具體微觀形貌見圖6。圖6中仍然沒有嚴(yán)重的表面變形和開裂。點(diǎn)蝕和邊緣鈍化狀磨損的發(fā)生部位可能有所重疊，但它們通常分別發(fā)生在磨盤工作的早期和晚期。判斷磨齒發(fā)生邊緣鈍化程度時，可以通過測量最大表面位移來表示，如圖7所示。

Clayton等人[24]認(rèn)為磨齒邊緣鈍化是磨片磨損類型中最常發(fā)生的，其原因是在初段盤磨中有更多的外來研磨劑如二氧化硅等。正如Kurdin[25]所指出的，盤磨機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽在高壓條件下，會朝著壓力降的任何方向移動，產(chǎn)生很大的湍流，而磨齒邊緣最為嚴(yán)重。為了使纖維更好地分絲帚化，盤磨機(jī)中必須加有一定量的磨料。國外的研究人員提出，木屑中夾帶的硅砂（SiO）或砂礫在盤磨機(jī)磨片的邊緣鈍化損傷中起主要作用[26]。此外密度較高的木材通常具有較厚的細(xì)胞壁和較小的管腔尺寸，因此在剪切或壓縮時表現(xiàn)出較低的柔韌性和可壓縮性。在磨漿過程中，密度較大的木材會比密度較低的木材吸收更少的機(jī)械能[27]，施加在較致密木屑上的大部分工作負(fù)荷可以直接轉(zhuǎn)移到磨盤上以引起磨齒邊緣磨損。

實(shí)驗(yàn)證明[21]，在磨盤15%的使用壽命后，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的磨齒邊緣鈍化現(xiàn)象，而在接下來60%的磨盤使用壽命期間幾乎產(chǎn)生100%的損壞。在最后1/4的使用壽命中，基本上沒有出現(xiàn)新的鈍化損壞。因此，與鋸齒狀或點(diǎn)蝕損傷不同，在磨盤使用壽命的中期，邊緣鈍化似乎最嚴(yán)重。一方面，由于磨齒邊緣的銳度損失，施加在磨齒前緣上的工作應(yīng)力會隨著使用時間的增加而迅速減小。另一方面在開始時雖然存在較高的應(yīng)力，但磨料量不足，而在磨盤使用壽命的后期雖然磨料含量較高，但工作應(yīng)力顯著降低。因此，當(dāng)工作應(yīng)力和磨料含量足夠高時，在磨盤使用壽命中期會出現(xiàn)最高的磨齒邊緣鈍化率。

3 磨片磨損的防護(hù)措施

目前，我國已經(jīng)有許多家投產(chǎn)的磨片廠商，正在逐漸彌補(bǔ)需要依賴國外進(jìn)口供應(yīng)的短板，市場已逐漸轉(zhuǎn)向以客戶為導(dǎo)向，產(chǎn)品的質(zhì)量和成本成為主要的競爭手段。所以提高磨片的使用壽命是大勢所趨，也是響應(yīng)國家號召節(jié)能減排的一種方式。筆者在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)后，總結(jié)出磨片的使用壽命主要可以從以下幾方面提高。

3.1 采用等離子噴層

由于通常盤磨機(jī)磨片的工作面對磨漿過程具有決定性的作用，因此有時為了減少成本不必優(yōu)化整個磨片的材料，這樣也具有一定的便捷性。更重要的是，對于由鑄造合金制成的磨片，改進(jìn)的冶金工藝在使用過程中不一定會制造出合格的表面性能，反之亦然。等離子噴層可以同時有效地修改磨片工作表面的材料和紋理[21]。由于等離子射流具有很高的顆粒速度和溫度，可以獲得優(yōu)良的涂層質(zhì)量，如應(yīng)用爆炸噴涂工藝將鈷碳化鎢粉末均勻牢固地涂于磨片表面，可以有效地提高磨片的使用壽命[27]。

3.2 加強(qiáng)磨前原料中的硬雜質(zhì)處理

原料的除雜情況對磨片的工作壽命存在影響。由于白水的內(nèi)循環(huán)使用，系統(tǒng)中可能會形成對磨片造成很大損傷的沉淀，造成打漿質(zhì)量迅速下降，且對磨片表面進(jìn)行長期磨損，因此應(yīng)對原料進(jìn)行化學(xué)清洗。采用顛簸篩洗新工藝的脫水機(jī)，達(dá)到高度洗滌效果，保持漿料的純潔度，同時對后續(xù)工藝設(shè)備起保護(hù)作用，能使高濃磨盤磨片由星期磨損減緩至月磨損[28]。

3.3 探索先進(jìn)磨片鑄造成型方法

目前國內(nèi)高鉻鑄鐵磨片普遍采用砂型鑄造，磨片表面尺寸精度低，質(zhì)量不穩(wěn)定。采用鐵型覆砂鑄造技術(shù)，在鐵型型腔和鑄件外壁之間覆上一層覆膜砂，鑄件的冷卻速度介于砂型鑄造和金屬型鑄造之間[29]，從而影響了磨片金相組織中的碳化物形態(tài)、大小和數(shù)量，有利于進(jìn)一步提高磨片耐磨性和使用壽命。

3.4 合理保養(yǎng)

盤磨機(jī)在使用的過程中，尤其是磨盤的長時間工作，會帶來很嚴(yán)重的磨損。所以在日常的使用過程中，可以通過對木片的預(yù)處理、磨片的更換周期、磨盤間隙的檢測和日常的清潔等控制來達(dá)到效益的最優(yōu)化模式。

4 總 結(jié)

盤磨機(jī)作為機(jī)械制漿的典型設(shè)備，適應(yīng)范圍廣，靈活性強(qiáng)，但能耗較大。由于其設(shè)計(jì)原理與運(yùn)行機(jī)制，磨片的磨損不可避免。通過對國內(nèi)外盤磨機(jī)磨片磨損影響和具體類型進(jìn)行綜述，從多個角度提出延長磨片使用壽命的方法，對磨漿過程節(jié)能降耗、提質(zhì)增效具有積極意義。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）