MD3000低濃實驗盤磨機恒間隙循環(huán)磨漿特性研究

關(guān)鍵詞：制漿造紙；盤磨機；恒間隙操作；磨漿特性；量化表征中圖分類號：TS73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： 10.11980/j.issn.0254-508X.2025.07.020

Abstract：Thissudinvestigatedtheconstantp（0.1mm）cyclicrefiingcharacteriticsofardwoodpulpusingaMD30lowosiste cy experimental disc refiner equipped with straight-bar plates featuring a 22^° angle.The result showed that the increase in beating degree of pulpledtoareductioninitsviscositandshearstrainwithintherefiingzone，therebycausingadecreaseitotalrefiingpowerFurther more，therateofpowereductiongraduallyincreasedwiththeelevationofbeatingdegree.Therelativechangesinbeatingdegeeadfiber averagelengthweremploydtocaracterizfibercutingadfibrilaindgeeduringrefing.Arefingoptimizationmtodbasedon quantitativecaracteratioofaermicomoholasevelod，emostratigsifcantcoetnetentetedein inglimitadviosinperstregthpraetersdertroideferesfortharctezatioofloosisteigpo cesses，optimization of plate design，and the high-efficiency，low-energy operation.

Keywords：pulpingandpapermaking；discrefiner；constant-gapoperation；efiningcharacteristics；quantitativecharacterization

低濃磨漿過程在制漿、造紙工段均有應(yīng)用，主要用于改善漿料及纖維性能以匹配紙張的要求，使?jié){料在紙機成形部具有良好的濾水及成形性能。磨漿機是紙漿備料過程的核心設(shè)備，磨漿過程直接影響紙張的機械、光學(xué)及表面性能。此外，磨漿過程耗能較大，約占紙廠總能耗的 10%^[2] ，因此對于低濃磨槳過程的優(yōu)化研究具有重要意義。

磨漿機磨片的選擇及控制參數(shù)的設(shè)定是磨漿過程優(yōu)化的關(guān)鍵。根據(jù)原料特性及紙張性能的要求，同一臺磨漿設(shè)備可根據(jù)工藝要求生產(chǎn)不同類型的漿料。理清磨槳機理是實現(xiàn)磨槳過程優(yōu)化節(jié)能的關(guān)鍵。由于實際工廠磨漿實驗較困難，因此搭建觀測性良好的磨漿實驗系統(tǒng)十分重要。目前，實驗用打漿設(shè)備主要有PFI磨漿機、Valley打漿機、小型單盤磨漿機等，其主要用于提升特定漿料打漿度，難以與實際低濃磨漿過程進(jìn)行對比。用于低濃磨漿過程實驗研究的系統(tǒng)需要實現(xiàn)過程參數(shù)的實時記錄，目前可實現(xiàn)此功能的設(shè)備主要有LR40錐形實驗?zāi){機（圖1（a））、ProLab實驗?zāi){機（錐形和盤磨）（圖1（b））、12英寸單盤磨漿實驗系統(tǒng)（圖1（c））。本研究基于MD3000單盤實驗?zāi)C，設(shè)計了一種可實現(xiàn)循環(huán)和批量磨漿2種操作的低濃磨漿實驗系統(tǒng)（圖1（d））及操作方法，可實現(xiàn)過程參數(shù)的實時記錄，有利于低濃磨漿過程的量化表征及優(yōu)化。

實驗過程中，磨盤間隙和功率均可表征低濃磨漿過程對纖維施加的沖擊作用，但二者相互影響并不獨立[8-9]。在工廠實際生產(chǎn)中，低濃磨漿過程一般采用恒功率控制模式，而在低濃循環(huán)磨漿實驗中，盤磨機可采用恒間隙]及恒功率2種控制模式。這2種控制模式均可使纖維形態(tài)發(fā)生改變，但對磨槳過程的量化操作截然不同。

本研究利用MD3000低濃磨漿實驗系統(tǒng)，基于特定磨片開展恒間隙低濃磨漿實驗，通過對比功率、纖維平均長度、漿料打漿度及紙張微觀形貌等，分析循環(huán)恒間隙低濃磨漿的特征，探究低濃磨漿過程中纖維切斷及細(xì)纖維化間的“平衡”控制策略，并以紙張微觀形貌為基礎(chǔ)，探究磨漿過程對纖維及槳料性能的影響。以期為低濃磨漿過程的優(yōu)化控制、節(jié)能降耗提供指導(dǎo)意見。

1實驗

本研究采用如圖2（a）所示的MD3000低濃磨漿實驗系統(tǒng)對漂白硫酸鹽闊葉木漿（桉木漿）進(jìn)行循環(huán)低濃磨漿實驗。盤磨機采用恒間隙操作模式，磨盤間隙0.1mm ，漿濃 3% ，磨盤轉(zhuǎn)速 1460r/min_? 。實驗用磨盤為如圖 2（b） 所示的等距直齒磨盤，詳細(xì)齒型參數(shù)見表1。在磨漿過程中，每隔 2min 取樣1次，總磨漿時間 20min 。

運用FS5纖維質(zhì)量分析儀（芬蘭Valmet）對取樣漿料的纖維平均長度進(jìn)行分析。根據(jù)IS05267/1：1999，運用DFR-05動態(tài)濾水儀（德國BTG）分析漿料的濾水性能及打漿度。根據(jù)ISO5269/2：2004利用BBS-3_D-45476紙張抄片器（德國HG）抄造定量 60g/m²"的紙張，采用VEGA3SBH掃描電子顯微鏡（SEM，捷克TESCAN）觀察紙張微觀形貌。

圖1低濃磨漿過程實驗研究系統(tǒng)Fig.1Experimental research system for low consistency refining process

圖2磨漿實驗設(shè)備

Fig.2 Refining experimental equipment

表1磨盤齒型參數(shù)

Table1 Tooth parametersof disc refiner

2 結(jié)果與討論

2.1磨漿總功率變化

圖3為恒間隙的低濃循環(huán)磨漿過程中磨槳總功率隨磨漿時間的變化規(guī)律。由圖3可知，磨槳總功率隨磨漿時間的增加而逐漸降低，可通過磨齒對漿料的剪切及漿料的流變特性進(jìn)行解釋。對比平板流變儀及盤磨機磨區(qū)，磨齒對漿料的剪切速率可通過式（1）計算[2]。當(dāng)磨盤轉(zhuǎn)速及磨盤間隙保持恒定時，磨區(qū)對漿料的剪切速率保持恒定。本研究采用闊葉木漿進(jìn)行磨漿，而闊葉木漿的黏度 （η） ）隨打漿度的升高而逐漸降低[12-13]。根據(jù)黏度定義，當(dāng)剪切速率保持恒定時，漿料所受剪切應(yīng)力隨黏度的降低而降低。而根據(jù)盤磨機磨區(qū)剪切應(yīng)力（ τ_re ， Pa） ）計算式（式（2））可得，磨漿的凈功率及總功率隨 τ 的降低而降低。

式中， γ_e 為剪切速率， s^-1 . ω 為角速度， rad/s e 為磨盤間隙， mm 。

式中， P_net 為磨漿凈功率， kW ；BIA為磨齒交錯總面積， m² ，BIA的計算見文獻(xiàn)［7]和文獻(xiàn)[11]。

圖3磨漿總功率隨磨漿時間的變化

Fig.3Change in total refining power over refining time

圖4顯示了磨漿總功率隨打漿度的變化情況。如圖4所示，恒間隙的低濃循環(huán)磨漿過程中，磨槳總功率隨打漿度的升高逐漸降低，其降低的速率隨打漿度的升高而逐漸增大。由于漿料的打漿度升高直接改變漿料的流變特性，使其黏度逐漸下降，相同磨漿條件所需要的剪切應(yīng)力降低，從而降低磨漿機負(fù)載。因此，相同磨槳條件下，恒間隙的低濃循環(huán)磨漿進(jìn)程中會導(dǎo)致磨漿過程的磨漿強度逐漸降低，使得量化表征出現(xiàn)困難。

圖4磨漿總功率隨打漿度的變化

2.2纖維長度與打漿度變化的關(guān)系

2. 2.1 打漿度變化

低濃磨漿過程中漿料打漿度及游離度呈典型的S型或倒S型變化[7o]，如圖5（a）所示。由圖5（a）可知，隨著磨漿的進(jìn)行，漿料的打漿度逐漸增加并達(dá)到極值，極限打漿度約為 75°SR 。而漿料打漿度變化速率呈拋物線形變化，隨磨漿時間的延長打漿度變化速率逐漸增大至峰值后逐漸減?。▓D5（b）），這與之前研究基本一致[7，，4]。當(dāng)磨漿時間為 6min 時，打漿度變化速率最大，至 。

2.2.2 纖維長度變化

纖維切斷是低濃磨漿過程對纖維形態(tài)改變的重要作用之一。隨著磨漿時間的增加，纖維長度逐漸減小是必然的趨勢（圖6（a））。以往研究對于磨槳過程中纖維長度的變化解釋較多8.15]，主要是用纖維原始切斷率及相鄰切斷率來表征磨漿過程對纖維的切斷作用。根據(jù)磨槳過程纖維長度的變化，可得理論纖維切斷速率值（圖6（b）），隨著磨漿的進(jìn)行，闊葉木漿低濃磨漿過程的纖維切斷速率逐漸降低。

2.2.3 打漿度與纖維長度的關(guān)系

本研究的重點并不是探究磨漿過程中漿料打漿度及纖維長度的變化，而是研究打漿度與纖維長度變化之間的關(guān)系，旨在促進(jìn)低濃磨漿過程的優(yōu)化控制。圖7顯示了漿料打漿度隨纖維平均長度的變化情況。如圖7所示，磨漿過程中漿料的打漿度隨著纖維平均長度的降低而逐漸升高，而漿料打漿度及纖維平均長度變化的相對程度直接反映磨漿過程的本質(zhì)。圖8為打漿度變化速率隨纖維切斷速率變化關(guān)系。由圖8可知，隨著纖維切斷速率的不斷降低，漿料打漿度的變化速率先升高至最大值，約為 ，此時磨漿時間為5.95min ，而后迅速降低，這與上述分析基本一致。

圖5漿料打漿度及其變化速率隨磨漿時間的變化關(guān)系

圖6漿料纖維平均長度及其切斷速率隨磨漿時間的變化關(guān)系

圖7漿料打漿度隨纖維平均長度的變化關(guān)系

Fig.7Relationship between the evolution of pulp beating degreeand theaverage fiberlength

打漿度是反映打漿過程中漿料濾水性能的重要指標(biāo)，是纖維切斷、細(xì)小纖維產(chǎn)生、內(nèi)部細(xì)纖維化、外部細(xì)纖維化等綜合作用的結(jié)果。因此，漿料打漿度的變化可大概歸結(jié)為纖維切斷及細(xì)纖維化的共同作用。圖9為低濃磨漿過程纖維細(xì)纖維化與切斷的平衡關(guān)系。由圖9可知，若漿料打漿度隨纖維長度變化的速率較快，表明磨漿過程細(xì)纖維化作用較強，有利于獲得更為優(yōu)質(zhì)的漿料，反之則表明磨槳過程以切斷為主。特定磨漿能耗下，目標(biāo)漿料打漿度與纖維平均長度平衡點是低濃磨漿過程設(shè)計及優(yōu)化的重要依據(jù)，通過磨漿可變參數(shù)調(diào)節(jié)及磨片設(shè)計提升漿料打漿度，同時避免纖維過度切斷。其中，磨片齒型參數(shù)在磨漿過程中漿料細(xì)纖維化和纖維切斷平衡點的調(diào)節(jié)中起到了核心的作用，通過調(diào)節(jié)磨漿強度及磨區(qū)漿料流動，實現(xiàn)磨漿效率的提升。

圖9磨漿過程纖維細(xì)纖維化與切斷的平衡關(guān)系 Fig.9Equilibrium relationship between fiber fibrillation and fiber cutting in pulp refining

2.3基于纖維形貌分析的磨漿過程量化表征方法

2.3.1 紙張微觀形貌定性表征

低濃磨漿過程中由于纖維切斷及細(xì)纖維化等作用使得纖維與纖維間的交織越發(fā)復(fù)雜，因此紙張的性能發(fā)生改變。纖維間的結(jié)合強度與磨漿程度有直接關(guān)系，過度磨漿會降低纖維間的結(jié)合強度。圖10為不同磨漿時間下紙張的SEM圖。由圖10可知，隨著磨漿程度的提高，紙張纖維間孔隙率逐漸降低、孔隙逐漸變小，結(jié)構(gòu)更加致密。

2.3.2紙張微觀形貌二值化及定量表征

紙張是由纖維組成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維在紙張全域的分布及交織形態(tài)不盡相同。然而，SEM圖僅能定性、直觀地分析特定表面的形貌及大致的纖維形態(tài)，難以直接分辨磨漿程度及紙張的性能。因此，本研究提出了一種基于SEM圖二值化處理的紙張抄片的微觀形貌表征方法。通過對圖像歸一化、灰度及二值化處理后得到相應(yīng)圖像。其中，黑色斑塊表征纖維交織孔隙，運用黑色斑塊像素值表征斑塊的大小。

紙張微觀形貌的定量表征體現(xiàn)在以下3個方面：① 黑色斑塊總面積（像素）占二值化圖像總面積（像素）的比例； ② 不同面積（像素）黑色斑塊數(shù)量占黑色斑塊總數(shù)的比例及斑塊分布； ③ 所有黑色斑塊的平均面積（像素）、黑色斑塊面積（像素）標(biāo)準(zhǔn)差。

圖11（a）為磨漿 2min 所得漿料抄造紙張微觀形貌的二值化處理圖像，能夠整體反映紙張的結(jié)合性能及磨漿的程度。由圖11（a可知，黑色斑塊越大代表紙張的結(jié)合越差、孔隙大，進(jìn)而反映磨漿程度低。圖11（b）為不同面積大小的黑色斑塊數(shù)量占比，反映紙張SEM圖中黑色斑塊的組成情況。由圖11（b）可知，像素 lt;50px 的黑色斑塊占比最高，而像素較大的斑塊占比較低。

2.3.3基于紙張微觀形貌定量表征的磨漿優(yōu)化

2.3.3.1 兩極黑色斑塊占比

兩極黑色斑塊指像素 lt;100px （小面積斑塊組分）及像素 gt;300px （大面積斑塊組分）的2組斑塊類別，占比情況可用于類比磨槳過程中對纖維的切斷作用，如圖12所示。低濃磨漿過程中對長纖維組分的切斷實現(xiàn)各纖維組分的再平衡5。由圖12可知，大面積黑色斑塊組分會隨著磨漿的進(jìn)行逐漸降低，而小面積黑色斑塊組分逐漸增加。與纖維切斷（圖6（a））類似，大面積黑色斑塊組分占比降低（或小面積黑色斑塊組分占比增加）的速率隨磨漿時間的增加逐漸降低，從而使得黑色斑塊總面積（像素）占比下降速率減少。此外，黑色斑塊總面積（像素）占比的下降也表明磨漿過程中纖維間的結(jié)合更加充分。

圖10不同磨漿時間下紙張的SEM圖

Fig.10SEM images of paper at different refining times

圖11SEM圖的量化表征

Fig.11Quantitative characterization of SEMimages

2.3.3.2磨漿極限程度的確定

黑色斑塊占比的變化可用于表征磨漿過程中的動態(tài)變化，但難以確定適宜的磨槳程度。而斑塊平均像素及像素標(biāo)準(zhǔn)差可共同表征磨漿過程中黑色斑塊的總體大小及分布情況，二者數(shù)值越低表明磨漿充分，纖維結(jié)合好。圖13為黑色斑塊平均面積（像素）和黑色斑塊面積（像素）標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)隨磨漿時間的變化。由圖13可知，斑塊平均像素及像素標(biāo)準(zhǔn)差均隨磨槳時間的增加而降低，且變化速率逐漸降低并最終穩(wěn)定在一極限數(shù)值。黑色斑塊平均面積（像素）和黑色斑塊面積（像素）標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)變化趨于穩(wěn)定的磨漿時間（磨漿極限時間，約 9min ），表明當(dāng)磨漿時間 gt; 極限時間時，二者不再發(fā)生變化。通過分析紙張抗張、撕裂指數(shù)隨磨漿時間的變化[10]，發(fā)現(xiàn)黑色斑塊平均面積（像素）和黑色斑塊面積（像素）標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)處于最大值時的磨漿時間為 8～ 10min ，大于磨漿極限時間，紙張強度會逐漸下降，達(dá)到過度磨漿。

因此，磨槳極限程度的確定對于磨漿過程的優(yōu)化節(jié)能至關(guān)重要，結(jié)合圖7及圖8可知，磨漿過程應(yīng)盡量在打漿度隨纖維長度變化快速上升的階段內(nèi)完成。對于恒間隙循環(huán)磨漿過程，漿料的處理時間應(yīng)lt;極限時間；而對于恒功率磨漿過程，應(yīng)嚴(yán)格控制磨漿強度及磨漿比能耗。

圖13黑色斑塊平均面積（像素）和黑色斑塊面積（像素）標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)隨磨漿時間的變化

Fig.13Variationof theaverage area（pixels）ofblack patches andthe standard deviation indexof the area（pixels）of black patches with refining time

3結(jié)論

本研究運用等距直齒磨盤對闊葉木漿低濃恒間隙循環(huán)磨漿過程展開了探討。3.1在磨齒對漿料循環(huán)剪切及漿料的流變作用下，低濃恒間隙（ 0.1mm ）循環(huán)磨漿過程中的總功率、磨漿強度及磨漿效率隨著磨漿的進(jìn)行逐漸降低。3.2磨漿過程中漿料打漿度與纖維平均長度相對變化平衡點是過程設(shè)計及磨片優(yōu)化的重要依據(jù)，二者協(xié)同變化趨勢是衡量磨漿細(xì)纖維化及切斷作用為主的關(guān)鍵。3.3基于紙張的微觀形貌定量表征的磨槳優(yōu)化方法，有利于實現(xiàn)低濃磨漿過程極限磨漿程度的確定，實現(xiàn)磨漿時間及比能耗等最優(yōu)磨漿控制參數(shù)的確定，其核心參數(shù)主要包括兩極黑色斑塊占比、黑色斑塊平均面積（像素）及標(biāo)準(zhǔn)差等。

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（責(zé)任編輯：呂子露）