磨浆机的穿流磨浆模式及初步分析

王 平 师晋生 刘少岗

(天津科技大学机械工程学院，天津，300222)

·新型磨浆机·

磨浆机的穿流磨浆模式及初步分析

王 平 师晋生 刘少岗

(天津科技大学机械工程学院，天津，300222)

穿流磨浆模式的低浓磨浆机具有良好的节能作用，本文根据相关专利文献，首先介绍了这种穿流磨浆机的结构，然后对穿流磨浆的机理和节能原理进行了初步分析。穿流磨浆是磨浆机节能的重要途径，其应用有待于进一步的深入研究。

磨浆机；穿流磨浆；磨浆；节能

(*E-mail: wp2004@tust.edu.cn)

制浆造纸工业是耗能大户，降低能耗对于保护环境、降低生产成本具有重要的意义，也是制浆造纸企业不断追求的目标。据统计，磨浆机的能耗在备料阶段约占60%，在整个造纸生产过程约占20%。所以，磨浆打浆设备的节能降耗是一个十分重要的问题。

2010年美卓公司(现名维美德公司)推出了一款新型磨浆机——OptiFiner Pro磨浆机，它是一种锥形低浓磨浆机，采用穿流磨浆(flow-through refining)模式，主要用于浆料的精磨和打浆，该机已经进入工业化试用阶段。其主要特点是采用更小的转子(结构紧凑)，可降低空载功率50%，采用穿流磨浆，大幅提高磨浆效率，1台OptiFiner Pro磨浆机替代2台普通磨浆机，可节约电耗20%[1]，可适用于包括阔叶木纤维和低强度回收纤维在内的各种低浓磨浆工艺。由于OptiFiner Pro磨浆机的创新设计，获得2012年法国造纸工业协会(ATIP)颁发的技术发明金奖。笔者在查阅该公司相关专利和文献资料的基础上，对这种新型磨浆机的结构进行介绍，并对其节能原理和性能进行初步分析。

1 新型穿流磨浆机的原型

2009年Kati Lindroos和Jorma Halla等人申报两项美国专利[2-3]，这两项专利在2013年获批。图1和图2是两项专利中均提出的锥形磨浆机结构示意图[2-3]。这是穿流磨浆最早的雏形。与传统的磨浆机不同，图1磨浆机的结构主要是在转子或者定子(或者转子、定子两者)上开孔和设置内部导流通道，使转子或者定子的孔与磨浆机进料口或者出料口连通，浆料可以从转子或者定子的内部通道进入磨浆区域，磨浆之后从内部通道直接排出磨浆机。

图2是穿流模式锥形磨浆机整体式转子磨片，转子的开孔都采用细长孔，且细长孔的长度方向与磨片齿纹方向有一定的夹角。细长孔的长度要能够至少切断两个齿棒，这样进入磨浆区域的浆料可以直接进入几个齿槽，便于均匀分布，快速磨浆，磨浆之后便于迅速排出磨浆区域。

图1 穿流锥形磨浆机轴向截面示意图

由图1和图2可以看出：转子或者定子开孔以后都必须有内导流通道配合，转子的导流通道和进料口连通，定子的导流通道与出料口连通。传统的磨浆机，由于浆料主要是从磨片之间的缝隙(一般考虑到磨浆质量，磨片间隙设置的很小)中通过，进料的阻力较大，浆料通过磨浆机的进出效率低，故磨浆效率低。显然，转子和定子开孔，浆料进出效率提高，磨浆效率明显提高。

穿流磨浆原理是通过在转子、定子或者两者设置内导流通道(包括转子磨片或者定子磨片的开孔)，且内部导流通道与进料口或者出料口连通，使浆料可直接进入磨浆区域(不以从磨片之间的缝隙通过为主)，减少了进浆黏滞阻力，提高了浆料的通过量，在磨片间隙很小(比如：0.2～0.3 mm)的情况下，明显提高了磨浆效率。因此，穿流磨浆是传统磨浆模式的重要创新，将大大提高磨浆效率，降低磨浆能耗。

图2 穿流锥形磨浆机整体式转子磨片

由于转子磨浆面积是一定的，开孔的数量和大小对于进料量和磨浆效果影响很大。确定开孔数量和尺寸是穿流磨浆机设计的关键问题。开孔数量乘以孔的尺寸等于开孔总面积，当磨浆机转子尺寸确定之后，磨浆区域面积随之确定；开孔总面积增大，实际磨浆面积就会减小。文献[2-3]对开孔总面积与磨浆区域面积的比值进行了限定，一般情况为5%～70%，较好的是7%～55%，最好是10%～40%[2]。专利要求在磨浆表面开孔要均匀分布，每个齿棒至少被一个开孔切割，或者被几个开孔切割。开孔总面积至少覆盖60%的磨浆面积，可以到80%的磨浆面积，最好是整个磨浆面积[2]。专利要求细长孔长度方向与齿纹方向的夹角为25°～80°， 50°～70°更好[2]。专利要求细长孔长度至少切割两个齿棒和其间的一个齿槽[3]。

文献[2-3]还给出了穿流磨浆的单盘磨机、圆柱磨浆机的设计方案。磨片开孔也可以仅在转子，或者仅在定子上(开孔必须和转子或定子的内导流通道匹配)，可以把仅在转子或者仅在定子上开孔的穿流磨浆称为“半穿流磨浆”，转子和定子上都开孔的称为“全穿流磨浆”(即“穿流磨浆”)，半穿流模式的磨浆机的结构较为简单。显然，半穿流磨浆浆料通过量没有全穿流磨浆大，其提高磨浆效率的效果不及后者。关于半穿流磨浆的设计方案详见文献[2-3]。

2 双进料口穿流锥形磨浆机的结构

图3所示为双进料口穿流锥形磨浆机的结构[4]。从图3可以看出，由于转子和定子都有开孔，浆料进出磨浆机的通过量很大，图1中所示的一个进料口已经不能满足要求，所以设计了两个进料口，浆料从锥形磨浆机的大端和小端同时进入磨浆机转子的内导流通道，通过转子开孔进入磨浆区域，磨浆之后从定子的开孔和内导流通道、通过设置在锥形机壳中部的出料口排出。图3中的粗实线是浆料在锥形磨浆机内部的流线。因此，图3所示的锥形磨浆机磨浆效率更高。

图4是为图3配套的转子结构设计方案[4]，图4中的转子支架20包括转子内部的导流通道(由转子支架内孔33、转子内隔壁31和内隔壁上的孔32等组成)。穿流模式磨浆机可采用整体式磨片(见图2)，也可采用分片组合式磨片(如图4)。专利[2-3]关于磨浆表面开孔的设置，开孔的形状，开孔的总面积与磨浆面积的比例等都适用于双进料口锥形磨浆机的设计方案。

图3 双进料口穿流锥形磨浆机轴向截面示意图

与专利文献[2]相同，专利文献[5]是在欧洲申请的专利；专利文献[6]与专利文献[4]相同，是在中国申请的中文专利。除了这些专利之外，笔者还查阅了维美德公司的网站及2010年和2013年在国际造纸技术学术会议上的报告，从这些资料可以看出维美德穿流模式磨浆机的产品设计是双进料口的低浓锥形磨浆机，如图5所示，其型号是OptiFiner Pro系列磨浆机。

图5 OptiFiner Pro穿流锥形磨浆机照片

3 穿流锥形磨浆机的产品介绍

图5为OptiFiner Pro穿流锥形磨浆机照片。图5(a)是穿流锥形磨浆机的外观图，图5(b)是图5(a)磨浆机的正俯视图。可以看出两个进料口位于前侧，采用切向进料，减小进料的阻力，一个出料口位于锥形的中部后侧。

图4 双进料口穿流锥形转子及磨片示意图

分析表明，该设计与专利文献[4]的图3相同，内部结构与图4相同。该磨浆机中文翻译叫做“精浆机”[6]，没有采用常规的磨片间隙调整机构(蜗轮蜗杆或者液压油缸机构)，采用主电动机直连

驱动。表1是笔者在维美德公司2016年的资料上查到的OptiFiner Pro穿流模式锥形低浓磨浆机系列产品的技术参数表。可以看出，该参数是在该公司OptiFiner(悬臂式单锥)锥形磨浆机基础上制定的，但其稳定的生产能力比OptiFiner磨浆机有明显的提高。

关于OptiFiner Pro磨浆机的应用效果国内文献都可以查到，本文不再赘述。

4 穿流磨浆的初步分析

为了便于分析，笔者把传统磨浆模式[浆料在磨浆区域(转子和定子相对应的磨浆表面形成的区域；由于该区域尺寸很小，实际上是转子和定子构成的缝隙]中流动，被齿棒叩击、挤压剪切分丝、帚化，磨制成浆)称之为“隙流磨浆(flow-clearance refining)”模式，隙流磨浆是浆料在磨浆机磨制成浆的基本模式。

初步分析“穿流磨浆”机理实际上是“穿流给料+短隙流磨浆”，穿流给料浆料通过转子的内导流通道和磨片表面的多个孔同时进入磨浆区域，提高了浆料在磨浆区域的通过量，使浆料在磨浆区域内均匀分布；短隙流磨浆缩短了浆料在磨浆区域的运动轨迹和停留时间，仅利用部分磨浆区域就将浆料磨制成浆并排出。比如，传统的锥形磨浆机，浆料在磨浆区域的运动轨迹大致是锥形螺旋线，而“穿流磨浆”浆料在磨浆区域内的运动轨迹只是锥形螺旋线的一部分。因此，“穿流磨浆”提高了磨浆效率，是传统磨浆模式的重要创新。同一型号的磨浆机(规格尺寸、电机功耗不变时)，提高磨浆效率实际上就是降低了磨浆能耗。也就是说，“穿流磨浆”模式通过改变磨浆区域的进料、出料方式、缩短浆料流的运动轨迹和停留时间提高了浆料通过量，从而提高了磨浆效率。

表1 OptiFiner Pro系列穿流锥形磨浆机技术参数

表2 传统“隙流磨浆”与新型“穿流磨浆”模式的比较

凡事有利必有弊，“穿流磨浆”通过提高浆料在磨浆机中的通过量，提高了磨浆效率；带来的影响是可能会损失磨浆质量的稳定性。因为浆料在磨浆机中的停留时间对磨浆质量至关重要，停留时间过短，可能使纤维帚化、软化不够，达不到要求的打浆度；停留时间过长，可能会使纤维长度过短，影响磨浆机的效率。“穿流磨浆”可能带来的弊端需要内导流通道和磨片的齿纹、开孔的优化设计进行弥补。因此，“穿流磨浆”的机理还需要进一步理论分析和研究。根据目前的情况来看，OptiFiner Pro穿流模式的磨浆机能够在生产中应用，并且推出系列产品，其磨浆质量是可控的、可以满足生产要求。

表2是传统“隙流磨浆”与新型“穿流磨浆” 模式的比较。通过比较，可以加深对“穿流磨浆”模式的认识。这些认识只是对“穿流磨浆”的初步了解，仅有这些，要设计出符合要求的穿流模式的磨浆机还是很不够的。

5 结 语

通过上述分析，对穿流磨浆原理和OptiFiner Pro磨浆机有一个基本的了解。

(1) 穿流磨浆模式：通过在磨浆机转子、定子或者两者设置内导流通道(包括转子或者定子上的开孔)，磨浆区域直接与进料口/出料口连通，使浆料可直接进入磨浆区域(不以从磨片之间的缝隙通过为主)，减少了进料时的黏滞阻力，提高了浆料的通过量，在磨片间隙很小(0.2～0.3 mm)的情况下，明显提高了磨浆效率。

(2) 穿流磨浆的条件：转子、定子或者两者开设内导流通道(包括转子或者定子上开孔)，使磨浆区域与磨浆机进料口/出料口直接连通。转子或者定子的开孔最好是细长孔，细长孔的长度方向与磨片齿纹(齿棒或者齿槽)方向有一定的夹角(50°～70°)；开孔的总面积与磨片磨浆面积之比最好为10%～40%，开孔应尽可能覆盖整个磨浆区域。

(3) 理论上穿流磨浆模式可以应用到盘磨机、锥形磨浆机、圆柱磨浆机等各种磨浆机，目前开发的产品主要是低浓锥形磨浆机。

(4) OptiFiner Pro磨浆机采用穿流模式的双进料口的低浓锥形磨浆机，双进料口比单进料口具有更高的进料效率，充分发挥了穿流磨浆的优势，该磨浆机主要用做精浆机。

[1] ZHAO Xiao-ling. A Revolution in LC Refining Technology[J]. China Pulp & Paper， 2012， 31(1): 74. 赵小玲. OptiFiner Pro磨浆机及其节能效果[J]. 中国造纸， 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.

(责任编辑：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：制浆造纸机械设备的研究与优化设计。

2017- 04-10(修改稿)

TS734+.1

A

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