优化打浆磨片 提高纤维与成纸品质

【摘要】：简述了打浆装备及工艺发展史，打浆磨片齿型设计、材质的选择，华严磨片的设计理念与应用案例，为造纸企业选用合适的磨片以达到高效、高质、节能目标提供参考。

关键词：打浆；磨片；齿型优化；分丝帚化；多元合金磨片

1.引言

中国古代，人们使用棍棒等工具来舂捣和捶打丝绵、桑皮、竹、麻等原料，使原料纤维得以分散，来获得所需要的纸浆原料；埃及人曾用捶打纸莎草、芦苇的方法，使纤维表面产生天然半纤维素胶粘剂，以强化纤维结合和类纸物的物理强度。东汉时期，蔡伦发明的制浆造纸工艺流程，用5字诀概括为“剉、沤、煮、捣、抄”。“捣” 这个工序的重要性在两千年前就被得到了充分的重视（见图1），“捣” 用现代造纸的专业术语称为“打浆”， 打浆是造纸过程的重要工序之一，对最终成纸的性质有决定性影响。

造纸术传到欧洲后，打浆技术和装备得到较快发展；

十二世纪，西班牙开始使用水力捣浆机；

十七世纪，荷兰人发明了能够间歇作业的槽式打浆机；

十九世纪，英国人研制了可以实现连续打浆的锥形精磨机，以后在此基础上，圆盘磨浆机得以最广泛的应用。

圆盘磨浆机以磨片（齿盘式转子和定子）为打浆核心元件（见图2），作为打浆中最重要的设备，应用于两个方面，首先是磨浆，比如盘磨机械法制浆，对木片进行机械处理以获得生产纸或人造板所需要的粗浆原料；造纸工厂为了让粗浆原料的纤维分丝、起毛和帚化，并达到一定的打浆度、湿重等指标，使浆料更符合不同成纸的性能要求和抄造适配工艺，再用盘磨对粗浆纤维进行打浆。本身磨浆与打浆并没有实质上的差别，但为了区分其作用的不同，我们把盘磨对粗纤维再处理的过程称为“打浆”，“三分造纸，七分打浆”是现代造纸业对打浆重要性的肯定。

磨片是盘磨机的“心脏”，每个规格的磨片均有数种到数十种不同齿型，不同的浆料、纸种，不同的工艺和不同的指标，均需要选用合适齿型的磨片，磨片齿型设计、选择的合理与否，将直接影响盘磨机的打浆质量和效能。特种纸生产中，对纸浆纤维指标的要求更为多元化，因此，研究磨片的设计和选择，确保打浆质量，充分发挥盘磨的效率，具有十分重要的意义。本文谨对磨片的设计、选型和使用作简单阐述。

2．打浆磨片的设计与种类

磨片设计一直沿袭比刀缘负荷(SEL)理论，现在研究发展表明要充分考虑比表面负荷及流变效应等因素。比刀缘负荷理论是以磨浆机转刀齿与定刀齿齿缘交会单位长度上冲击剪切絮聚纤维的有效负荷来描述和表征打浆特性。具体是由磨浆机的有效功率(净功率)N、转速 n以及磨片每转切断长L三个方面决定的。

磨片齿型经一百年来的沿袭、借鉴与不断改良，使得种类繁多，仅目前国内应用最广泛的Φ450双盘磨齿型就有20多种，常用的有十几种(见图3)；近几年随着纸厂产量的增加大型盘磨越来越多，磨片多为扇形分体磨片（见图4）。 但从总体上来看，磨齿齿纹按分区方式可划归扇块分区和圆环分区两大类；按齿的曲直可分为直形齿和弧形齿两种；按沟槽的形式分为直通型、半封闭型和全封闭型；某些大学教案中按使用功能将磨片齿型分为疏解型和帚化型，在实际使用中应再加入切断型。但以上分类形式又不是孤立存在的，往往根据需要在实际生产中组合出现。

3．磨片齿型、材质选择与案例

3.1磨齿的宽窄和沟槽的宽窄与深浅，直接关系到磨浆的性能。

一般的规律是:磨齿越高、沟槽越深，磨盘的“泵出”能力越强，但沟槽内浆料得不到充分打浆，使磨浆质量不均匀，甚至有的未经研磨即“泵出”造成生浆。磨齿的宽窄直接关系到磨浆面积的大小，一般规律是:齿面宽，沟槽窄，磨浆面积大，磨盘的切断能力差，而压溃、分丝帚化的能力强。相反齿面窄而沟槽宽，磨浆面积小，切断能力强，而压溃和分丝帚化能力弱。

磨齿几何尺寸的选择，要根据浆料的性质和磨浆浓度的大小以及磨浆质量的要求等综合考虑确定。例如:对于处理浆料浓度较高的长纤维浆料，磨齿应选用齿面窄，沟槽浅的齿型，以便减少浆料在沟槽中的沉积与堵塞，有助于浆料的运动，增大磨浆的切断能力。又如:当浆料已经得到良好地疏解时，要求进一步打浆，以提高打浆度，满足成纸强度的要求时，则应选用齿面宽而沟槽窄而浅的齿型。目的是增大磨碎面积和增大沟槽内浆料与齿面上浆料的互换机会，保持齿面上有足够的浆料，可获得充分的磨浆机会，达到精磨的效果。

3.1.1山东海象纸业公司用28吋双盘磨处理欧废生产纱管原纸，打浆磨片齿型调整为宽齿窄槽后（HY28-D#），有效提高了成浆湿重与纤维结合力。

3.1.2云南建星纸业公司实际生产需要获得高游离状浆料，打浆磨片调整为窄齿宽沟槽齿型后，纤维湿重得到适当下降，有力提高匀度和浆料脱水速度。

3.2磨齿倾角度和方向与打浆性能的关系

盘磨磨浆的产量和质量与盘齿倾斜角度、啮合角度和转动方向也有很大关系。当磨片的转动方向与磨齿倾斜方向相同时，磨齿对浆料起着向心“拉入”的作用(见图5-a)。会使浆料在磨片间停留的时间延长。相反当磨盘转动方向与磨齿倾斜方向相反时，则磨齿对浆料起离心“泵出”作用(见图5-b)，浆料在磨内停留时间短。随着啮合角度增大切断能力减弱。当倾斜啮合角为0度时，磨齿对浆料的切断能力最大，设备的噪声也最大。倾斜角度大小的选择，应根据磨浆产量的大小和具体指标去综合考虑。

3.2.1乌鲁木齐某特种纸厂，原浆料打浆度太低，成品匀度也太差，采取压低通过量的措施，效果仍不理想。后来，改用小倾角度齿型并按照“拉入”安装，成浆与成纸质量上各项物理指标普遍提高5-7%。

3.2.2江苏三木绝缘材料公司采用进口针叶木浆，要求打浆中尽量减少切断，并要求较高的分丝帚化，磨齿增大倾角度后，分丝帚化效果明显增强。

3.3浆档与打浆性能的关系

由于盘磨动盘的高速旋转所产生的离心力和供浆系统外加的压力，使浆料迅速泵出。某些工艺中需要提高较高打浆度等有关指标，适当延长浆料在盘磨里的停留时间，通常在磨片上增设封闭环或沟槽内设挡坝。在具体选用中根据指标参数要求，并须统筹考虑流变效应、打浆效率方面的因素。

3.3.1河南银鸽特种纸公司在磨片优化中，为提高阔叶木浆纤维的分丝帚化，保持较高的湿重，设计了一款新型弧线齿加浆档磨片配套于奥地利Andritz和日本Aikawa双盘磨，有效提高纤维结合力和成纸物理指标，且打浆电流得到大幅下降。

3.3.2山东博元纸业公司生活纸打浆后段，采用带浆档磨片后，成纸拉力明显提高。

3.4磨片材质与打浆性能的关系

磨片设计选用合适的齿型以达到既定的打浆参数，还必须具有良好的耐磨性能和抗冲击韧性。纵观100多年来，全球范围的磨片制造和使用的发展中，石材、灰口铁、镍硬白口铁、高铬铸铁、镍铬合金、多元合金、不锈钢、碳化钨、高分子聚乙烯、改性尼龙、陶瓷、金刚砂等材料都得到过采用，鉴于耐磨性和经济性考虑，目前常用的合金铸铁磨片和高铬铸铁磨片仍处于绝对的主导地位。

国内一些烟草薄片和草浆工厂曾在打浆中采用表面粗糙的砂轮磨片，磨齿表面的粗粒可以很好的提高纤维帚化率，但鉴于使用寿命短未能得到广泛应用。国内外众多研究机构对磨片的材质开展过研究工作，华南理工大学曾经研究过稀土改性磨片，大连轻工业学院曾经研究过表面带气孔的金属磨片。南通华严铸造有限公司公司采用多元材料生产一种高硬度、高韧性、表面带粗粒的合金磨片，打浆过程中近似砂轮摩擦作用力，促进了纤维的分丝帚化，提高了其结合力，多元合金磨片经过特殊热处理杜绝了断齿、不耐磨等制约生产的问题，在广泛的使用案例中，大幅度提高了磨片使用寿命，减少了停机更换磨片的次数，为保证打浆工段的正常运行奠定了良好基础，并为纸厂降低了易损件支出成本。

结论：

从古代到现代制浆造纸工艺流程中，打浆一直是最重要的工序之一。通过生产实践案例证明，从磨片的齿宽、沟宽、齿高、倾角度、浆档及材质入手，优化浆料制备中的打浆设备，可以改善纸浆的打浆度、湿重、匀度、帚化率、结合力指标及成纸质量，并能够降低打浆过程中的能耗。

（作者：1.蒋小军 南通华严磨片研究中心，226403；2.赵广锡  山东省造纸工业研究设计院）