盤磨機

盤磨機是目前廣泛使用的磨漿設備，在磨漿中的使用量佔絕對優勢。但當前，盤磨機在使用過程中仍存在能耗大、磨片使用壽命較短等問題，深入研究盤磨機磨漿技術具有一定實際價值。針對國內外盤磨機研究進展、新型盤磨機的研製，以及關於盤磨機出現的一些新技術和新的研究成果等方面進行了綜述，並對盤磨機的發展趨勢作了一定預測，以期為我國盤磨機設計、應用提供一定的參考 ^[1]  。

國內對盤磨機相關理論的認識及研究始於對引進盤磨機零部件的改造。關於盤磨機的研究主要從以下幾方面展開:

① 對盤磨機磨片( 包括磨片齒形、尺寸、磨損機理、使用壽命) 的研究;

② 對盤磨機結構優化、系統控制、研磨區實際運行狀態並與能耗等結合起來研究;

③ 對盤磨機過程控制中操作參數間的關係以及過程控制原理與方法的研究;

④對盤磨機在線狀態監測、故障診斷技術、在線傳感器的研究。

國內有關盤磨機的研究機構主要集中在一些輕工院校，如華南理工大學的劉士亮等人提出了中濃磨漿理論並對中濃盤磨機系列進行了研發，陝西科技大學的董繼先等人對雙錐形磨漿機進行了研究，南京林業大學的張飛超等人對盤磨機現場動平衡技術的研究等。國外有關盤磨機的研究主要集中在安德里茨、維美德等公司，這些公司將部分理論研究項目委託歐洲的一些高校協助進行，產學研結合較好，兩大公司也兼併了美國和加拿大的一些著名的盤磨機制造企業，幾十年來一直致力於盤磨機的研發。

雖然國產ZDPM 系列盤磨機有了很大的進步，直徑可達1320 mm，生產能力可達100 ～ 250 t /d，但能耗較高、可靠性較低。華南理工大學劉士亮一直從事磨漿機的研製，從早期的小功率發展到大功率、高自動化的中濃液壓單盤盤磨機，以及最新研製成功的大功率中濃液壓雙盤磨漿機，成為新一代高效節能的打漿設備。山東晨鐘機械股份有限公司創新研製出的高效節能產品DD-900 雙盤磨漿機，通過近幾年的推廣應用，已被行業證實為國產設備節能減排研究的應用案例 ^[2]  。

比刀緣負荷理論認為，磨片齒寬越細、齒數越多、齒邊總長度越長，切斷長越高，纖維在單位時間內受擠壓、釋放的次數越多。利用細齒紋設計將齒槽寬度變小，從而增加刀刃長度，降低比邊緣負荷。基於此理論，新研製的38-S10 型磨片經實踐證明打漿帚化作用增強，有抑制纖維被切斷的傾向，能夠有效保持纖維長度，使纖維在磨區得到更充分的磨解。

Parason 細密齒磨片使刀刃長度增加，比刀緣負荷降低，比能耗降低，纖維分絲帚化，適合闊葉木化學漿、TMP 漿和廢紙漿的磨漿。

(1) 新一代圓柱形盤磨機。這種盤磨機採用雙向流式，漿料從機體空心主軸中心進入，流向磨漿區中間，受離心力作用分別在盤磨機體兩端出去。這種磨漿流為對稱式設計，不僅克服了軸單向受力，同時無需額外添加軸向推漿葉輪。因此，可節約能耗，降低空載能耗。

(2) OptiFiner Pro 磨漿機。美卓公司研製的新型OptiFiner Pro 磨漿機，採用更小的轉子，使空載能耗降低了50% 左右。由於使用錐形設計，通過新型的控制系統，可以更方便、快速、準確地調整磨盤間距，並控制磨漿功率。可以用1 台新型磨漿機替代2台傳統磨漿機，還可再減少40%左右的電耗。

(3) 節能式雙盤磨漿機。與傳統磨漿機同向轉動不同，節能式雙盤磨漿機的主要特點是逆向輸出主軸(逆向被動磨盤) 和順向輸出主軸( 順向轉動磨盤) 的旋轉方向相反，這樣對物料的研磨更加完全，從而提高了磨漿效率，大大減小了電能消耗。

(4) 壓力控制盤磨機。根據漿料流量調節主電機功率，軸套端部設有彈性套筒，彈性套筒內設置彈性體，彈性體與液壓單元組成壓力調節系統。通過彈性體來控制漿料流量的微小變化和磨盤間隙的穩定，實現定壓打漿。建立打漿質量與磨片壓力間的比例關係，使打漿質量更可控，質量穩定性提高30%以上。通過調節主電機功率，打漿電耗平均下降5%以上。

(5) 中濃液壓雙盤磨漿機。胡慶喜等人研製的大型中濃液壓雙盤磨漿機已經在國內一些造紙企業中應用，打漿濃度提高至10% 左右，具有較好的節能、提高產品質量的效果。

(6) 中濃紙漿盤磨機。馮式忠提出了一種中濃紙漿盤磨機，將定盤固定安裝在側蓋上，動盤穿過環形殼體設置在磨漿室內，當動盤發生磨損時，磨漿室殼體的拆裝更方便。將容易發生故障的調壓系統設置在機體外，有利於對液壓系統進行檢測和維修。

(7) 高濃液壓盤磨機。胡慶喜等人提出一種高濃液壓盤磨機，克服現有的由蝸輪蝸桿調節磨盤間隙、磨漿適應性差的缺點。通過設有保壓回路的液壓調節單元，調節進退刀和磨漿比壓來實現定比壓磨漿。與現有高濃磨漿設備相比，可根據磨漿原料和磨漿質量工藝要求調節磨漿比壓，同時兼顧了纖維的切斷及纖維的內磨擦，使纖維分絲帚化，起到了穩定高濃磨漿的質量與節能效果。

(8) 恆定打漿強度的盤磨機。雷利榮等人提出了一種恆定打漿強度的盤磨機。通過液壓缸中的活塞帶動滑動座，使定盤進行軸向移動，調節定盤與動盤之間的間隙，從而避免主軸進行軸向移動，簡化了盤磨機的結構，同時減緩了主軸的磨損，能避免因漿料輸送突然中斷而引起定盤與動盤之間的摩擦碰撞 ^[3]  。

目前盤磨機開始向大型化、高速化、高濃化、低能耗及自動化等方向發展，近年來國外側重於盤磨機設備節能降耗方面的研究，以進一步改善打漿質量、降低能耗。

低濃打漿由於漿料濃度低，纖維所受到的打漿作用不均勻，部分纖維可能未受到打漿作用即被甩出，而有的纖維則被過度切斷，不適應我國短纖維原料佔主體的原料現狀。低濃打漿時，只有當磨盤間隙比較小時，才能獲得一定的打漿效果，但這也可能會引起動定磨盤的局部接觸，導致噪音大、磨片使用壽命短、電耗高等不良後果。

高濃打漿在一定程度上避免了打漿設備刀刃對纖維的切斷作用，與低濃打漿相比，能較好地保留纖維長度和強度。李世揚等人自主設計研製的增濃進漿器，將3% ～ 4% 濃度的漿料提高到6% ～ 7% 後直接進入盤磨機磨區磨漿，結果表明纖維切斷減少，帚化程度增加，紙張物理強度普遍提高，磨漿能耗較大幅度地降低，取得了較好的經濟效益。

沈葵忠等人對不同濃度漿料的磨漿性能進行了研究，認為隨着磨漿濃度的增加，紙漿各項強度指標均大幅度提高。對於相同的磨漿能耗輸入，在獲得強度性能相同的紙漿時，高濃磨漿的能量輸入速率較快，可以大大縮短磨漿過程。該研究還表明，適當提高打漿濃度，在保證打漿質量的前提下，可以提高磨漿效率，降低磨漿能耗; 或者在相同磨漿能耗的條件下，可以獲得性能更好的紙漿。Jansson I的研究指出從磨漿能耗和磨漿質量看，磨漿濃度應保持在有關設備所限制的儘可能高的狀態。綜上可知，從紙漿質量及設備損耗等方面考慮，中高濃度打漿取代低濃打漿是現代打漿的發展趨勢。

磨盤間隙直接影響纖維分離的質量和產量，其尺寸通常為0. 2 ～ 0. 5 mm，精度要求達到0. 01 mm。目前國產盤磨機的磨盤間隙測量主要採用間接測量方法，而國外已經實現磨盤間隙實時自動測量，利用磨盤間隙傳感器(AGS) 對磨盤間隙自動校準，以確保更高的漿料質量和設備利用率。

國內也有研究利用電渦流式位移傳感器和超聲波測厚儀組合測量磨盤真實間隙，經過實踐證明可行且具有創新性。

1 磨片材料

不同磨片對打漿質量和能耗有較大的影響。如磨片壽命短，更換頻繁，電耗增加，打漿質量產生波動，直接影響整個造紙系統的生產。近年我國新研製的JZM 型磨片，採用不鏽鋼或合金鑄鐵為原料，壽命比一般的磨片長得多，而國外磨片大多使用合金鋼，壽命是半年到1 年。據最新報導國外出現使用陶磁燒結磨片，壽命長達2 年。

2 新型磨片的研發

(1) 高耐磨磨片。採用工作表面硬化的方法來提高磨片耐磨性，基體金屬利用低合金灰口鑄鐵，耐磨層採用較高含量的鉻鑄鐵，添加適量特殊的稀土元素，進行孕育處理，使得磨片的工作齒面形成高硬度、高耐磨的金相組織(M3C + M7C3結構的共晶碳化物)，鑄造出新型高耐磨磨片。磨片表現出較強的耐磨性能，使用壽命延長到原來的2 倍多，銷售價格卻僅僅比冷硬鑄鐵磨片高，性價比較高。

(2) 圓釘結構型磨片。破碎區採用按圓周排列的小圓釘取代傳統磨盤中的放射形磨齒，增加了纖維在破碎區的停留時間及纖維的碰撞次數，更多的能量被消耗在對漿料的壓縮上，用於纖維研磨的能量相對減少，從而降低了磨齒對纖維的切斷作用。與採用傳統磨片磨漿相比，雖然磨漿能耗有所增加，但由於纖維長度和強度都有所增加，為後續環節節省了能耗，從而使總體能耗降低，纖維特性和成紙質量都得到極大的改善。

(3) 漸開式梯形磨片。選用的截面為梯形磨齒，增加了纖維與齒面摩擦的接觸面積，減弱了磨齒刀緣對纖維的切斷作用，加強了對纖維的帚化作用。同時梯形齒形結構及齒槽倒梯形結構減小了磨區內纖維與流體間的速度梯度，減弱了由速度差導致的切斷和損傷。該新型磨片主要處理廢紙原料，磨漿後的纖維質量有所提高，經實踐驗證具有良好的使用效果。

盤磨機過程控制技術的發展分為3 個階段。第一階段為手動或電動的以盤磨機電流為主參數的控制與調節磨盤間隙; 第二階段為以單位打漿功率為主參數的系統控制與調節; 第三階段為以磨漿區的温度與研磨壓力為主參數來調節系統工藝參數。目前，廣泛運用的為第二階段的技術控制打漿過程。

最近研究人員發明了一種不同於傳統的直接式控制方法和裝置。該裝置主要是在磨盤表面安裝一組傳感器獲取最直接的磨漿信號，反饋控制系統調節進漿流量、進漿濃度。例如Floden提出了控制方式，通過連續檢測温度沿磨盤徑向的分佈狀態，實時調節漿料的水分含量和動定磨盤的磨盤間隙。

劉煥彬等人提出了一種盤磨機微調控制系統與方法，該系統包括温度監測模塊、設備運行模塊和與此連接的打漿質量控制模塊、電流檢測模塊、位移控制模塊、微調伺服控制模塊、進退刀控制模塊。該方法實現了對盤磨機的打漿自動控制，減少了人工操作，提高了磨片組件間距的調節精度，也提高了打漿質量和效率。

由於影響打漿質量的因素很多，所以如何根據表徵打漿質量的多個參數來實現打漿過程的優化控制至關重要。目前國外的打漿過程控制系統一般根據原料等工況，考慮各種控制方式的優缺點並將它們合理地結合起來。國內可以借鑑國外的結合方式，利用專家系統等高級算法的優化方法，建立一種適合國內打漿的多操作變量的控制系統。

盤磨機迴轉速度高速化是磨漿高速化的研究方向。據報道將盤磨的轉速從1200 r /min 提高到1800 r /min，在紙漿質量相同的情況下，可節能20% ～ 25%。隨着磨盤轉速的增加，單位絕幹漿料消耗的磨漿總能耗和有用能耗均減少。因此，當生產相同數量的紙漿，高速磨漿比低速磨漿所需的磨漿時間更短，所以總能耗也相應減少。這就是調高磨盤轉速就可以減少磨漿能耗的原因。劉秉鉞研究了盤磨機的動盤轉速對磨漿質量的影響，當254 mm (10 英寸) 盤磨機的線速度在1200 m/min 時，主要是對纖維起切斷作用，帚化作用很少; 330 mm (13 英寸) 盤磨機當其線速度為1500 m/min 時，纖維被切斷與被帚化的量相當; 當381 mm (15 英寸) 盤磨機線速度達到1800 m/min 時，主要是對纖維起帚化作用，切斷的纖維很少; 當457 mm (18 英寸) 盤磨機線速度達到2100 m/min 時，對纖維有良好的疏解作用。因此提高磨盤轉速，既能保證磨漿質量和效率，又能在一定程度上降低磨漿能耗。

盤磨機磨漿作用功耗、泵送作用功耗和摩擦作用功耗均與磨盤直徑有關，增加磨盤直徑，上述三部分的功耗依次按磨盤外徑的5 次方、2 次方和4 次方增大。磨盤外徑增大，線速度提高，有利於提高磨漿效率。盤磨機直徑變大，磨漿的功耗(P) 增大，磨漿的產量(Q) (絕幹漿料) 增大，但二者的增大幅度可能不一致，由於單位能耗E = P /Q，所以比值E 不一定增大，這些還有待進一步研究。

與單盤磨漿機相比，三盤磨漿機在不提高轉速及增大磨盤直徑的情況下，磨漿面積增加2 倍，增強了磨漿能力，既有利於提高產量，也有利於改進磨漿質量，同時便於熱能回收。雙盤磨漿機由兩個電機驅動，相對轉速是單盤磨漿機的2 倍，所以磨漿產量及效率提高; 但同時由於轉速高、發熱量大、磨片磨損相對較快，能耗隨之成倍增加。綜合來看，國內雙盤磨漿機使用得不多，單盤磨漿機由於結構簡單，主要用於高濃和中濃磨漿。與單、雙盤磨漿機相比，三盤磨漿機磨漿面積成倍增加，但磨漿能耗並未成倍提高，所以三盤磨漿機單位漿料所消耗的能耗較小。目前，絕大多數低濃盤磨機都是三盤磨漿機，中濃盤磨機已經開發出了三盤磨漿機，可能很快取代單盤中濃盤磨機; 而高濃三盤磨漿機由於結構複雜( 如Twin50)，目前實際應用的不多 ^[2]  。

經過30 多年的快速發展，國內在大直徑、低能耗的盤磨機研製方面積累了一定經驗，考慮到國內中濃打漿已取得一定成績，所以要加強對中濃盤磨機的研發力度，研究與開發新結構節能磨漿機。關於盤磨機控制方面，如何將控制模型和打漿理論有機結合，是需要着手解決的問題。研究人員要研發功能更強大的在線傳感器，採用在線測量技術，實時調整磨盤間隙，建立多操作變量的打漿過程優化控制系統。研發更適合我國原料的磨片，並優化磨片的齒型參數，以進一步降低磨漿能耗、改善打漿質量 ^[1]  。