盘磨机的研究现状与发展趋势

王佳辉 王 平

(天津科技大学机械工程学院，天津，300222)

盘磨机是目前广泛使用的磨浆设备，在磨浆中的使用量占绝对优势。但当前，盘磨机在使用过程中仍存在能耗大、磨片使用寿命较短等问题，深入研究盘磨机磨浆技术具有一定实际价值。本文针对国内外盘磨机研究进展、新型盘磨机的研制，以及关于盘磨机出现的一些新技术和新的研究成果等方面进行了综述，并对盘磨机的发展趋势作了一定预测，以期为我国盘磨机设计、应用提供一定的参考。

1 国内外盘磨机研究发展概况

1.1 盘磨机理论研究进展

国内对盘磨机相关理论的认识及研究始于对引进盘磨机零部件的改造。关于盘磨机的研究主要从以下几方面展开:①对盘磨机磨片 (包括磨片齿形、尺寸、磨损机理、使用寿命)的研究;②对盘磨机结构优化、系统控制、研磨区实际运行状态并与能耗等结合起来研究;③对盘磨机过程控制中操作参数间的关系以及过程控制原理与方法的研究;④对盘磨机在线状态监测、故障诊断技术、在线传感器的研究。

国内有关盘磨机的研究机构主要集中在一些轻工院校，如华南理工大学的刘士亮等人［1］提出了中浓磨浆理论并对中浓盘磨机系列进行了研发，陕西科技大学的董继先等人［2］对双锥形磨浆机进行了研究，南京林业大学的张飞超等人［3］对盘磨机现场动平衡技术的研究等。国外有关盘磨机的研究主要集中在安德里茨、维美德等公司，这些公司将部分理论研究项目委托欧洲的一些高校协助进行，产学研结合较好，两大公司也兼并了美国和加拿大的一些著名的盘磨机制造企业，几十年来一直致力于盘磨机的研发。

1.2 国产盘磨机的发展现状

虽然国产ZDPM系列盘磨机有了很大的进步，直径可达1320 mm，生产能力可达100～250 t/d，但能耗较高、可靠性较低。华南理工大学刘士亮［4］一直从事磨浆机的研制，从早期的小功率发展到大功率、高自动化的中浓液压单盘盘磨机，以及最新研制成功的大功率中浓液压双盘磨浆机，成为新一代高效节能的打浆设备。山东晨钟机械股份有限公司创新研制出的高效节能产品DD-900双盘磨浆机，通过近几年的推广应用，已被行业证实为国产设备节能减排研究的应用案例［5］。

2 最新研究成果

2.1 细齿纹磨片的研究

比刀缘负荷理论认为，磨片齿宽越细、齿数越多、齿边总长度越长，切断长越高，纤维在单位时间内受挤压、释放的次数越多。利用细齿纹设计将齿槽宽度变小，从而增加刀刃长度，降低比边缘负荷。基于此理论，新研制的38-S10型磨片经实践证明打浆帚化作用增强，有抑制纤维被切断的倾向，能够有效保持纤维长度，使纤维在磨区得到更充分的磨解。

图1 Parason细密齿磨片示意图

Parason细密齿磨片 (见图1)使刀刃长度增加，比刀缘负荷降低，比能耗降低，纤维分丝帚化，适合阔叶木化学浆、TMP浆和废纸浆的磨浆［6］。

2.2 新型盘磨机的研制

(1)新一代圆柱形盘磨机。这种盘磨机采用双向流式，浆料从机体空心主轴中心进入，流向磨浆区中间，受离心力作用分别在盘磨机体两端出去。这种磨浆流为对称式设计，不仅克服了轴单向受力，同时无需额外添加轴向推浆叶轮。因此，可节约能耗，降低空载能耗［7］。

(2)OptiFiner Pro磨浆机。美卓公司研制的新型OptiFiner Pro磨浆机，采用更小的转子，使空载能耗降低了50%左右。由于使用锥形设计，通过新型的控制系统，可以更方便、快速、准确地调整磨盘间距，并控制磨浆功率。可以用1台新型磨浆机替代2台传统磨浆机，还可再减少40%左右的电耗［8］。

(4)节能式双盘磨浆机。与传统磨浆机同向转动不同，节能式双盘磨浆机的主要特点是逆向输出主轴 (逆向被动磨盘)和顺向输出主轴 (顺向转动磨盘)的旋转方向相反，这样对物料的研磨更加完全，从而提高了磨浆效率，大大减小了电能消耗［9］。

(5)压力控制盘磨机。根据浆料流量调节主电机功率，轴套端部设有弹性套筒，弹性套筒内设置弹性体，弹性体与液压单元组成压力调节系统。通过弹性体来控制浆料流量的微小变化和磨盘间隙的稳定，实现定压打浆。建立打浆质量与磨片压力间的比例关系，使打浆质量更可控，质量稳定性提高30%以上。通过调节主电机功率，打浆电耗平均下降5%以上［10］。

(6)中浓液压双盘磨浆机。胡庆喜等人［11］研制的大型中浓液压双盘磨浆机已经在国内一些造纸企业中应用，打浆浓度提高至10%左右，具有较好的节能、提高产品质量的效果。

(7)中浓纸浆盘磨机。冯式忠［12］提出了一种中浓纸浆盘磨机，将定盘固定安装在侧盖上，动盘穿过环形壳体设置在磨浆室内，当动盘发生磨损时，磨浆室壳体的拆装更方便。将容易发生故障的调压系统设置在机体外，有利于对液压系统进行检测和维修。

(8)高浓液压盘磨机。胡庆喜等人［13］提出一种高浓液压盘磨机，克服现有的由蜗轮蜗杆调节磨盘间隙、磨浆适应性差的缺点。通过设有保压回路的液压调节单元，调节进退刀和磨浆比压来实现定比压磨浆。与现有高浓磨浆设备相比，可根据磨浆原料和磨浆质量工艺要求调节磨浆比压，同时兼顾了纤维的切断及纤维的内磨擦，使纤维分丝帚化，起到了稳定高浓磨浆的质量与节能效果。

(9)恒定打浆强度的盘磨机。雷利荣等人［14］提出了一种恒定打浆强度的盘磨机。通过液压缸中的活塞带动滑动座，使定盘进行轴向移动，调节定盘与动盘之间的间隙，从而避免主轴进行轴向移动，简化了盘磨机的结构，同时减缓了主轴的磨损，能避免因浆料输送突然中断而引起定盘与动盘之间的摩擦碰撞。

3 盘磨机发展趋势

目前盘磨机开始向大型化、高速化、高浓化、低能耗及自动化等方向发展［15］，近年来国外侧重于盘磨机设备节能降耗方面的研究，以进一步改善打浆质量、降低能耗。

3.1 向高浓打浆发展

低浓打浆由于浆料浓度低，纤维所受到的打浆作用不均匀，部分纤维可能未受到打浆作用即被甩出，而有的纤维则被过度切断，不适应我国短纤维原料占主体的原料现状［16］。低浓打浆时，只有当磨盘间隙比较小时，才能获得一定的打浆效果，但这也可能会引起动定磨盘的局部接触，导致噪音大、磨片使用寿命短、电耗高等不良后果。

高浓打浆在一定程度上避免了打浆设备刀刃对纤维的切断作用，与低浓打浆相比，能较好地保留纤维长度和强度。李世扬等人［17］自主设计研制的增浓进浆器，将3%～4%浓度的浆料提高到6%～7%后直接进入盘磨机磨区磨浆，结果表明纤维切断减少，帚化程度增加，纸张物理强度普遍提高，磨浆能耗较大幅度地降低，取得了较好的经济效益。

沈葵忠等人［18］对不同浓度浆料的磨浆性能进行了研究，认为随着磨浆浓度的增加，纸浆各项强度指标均大幅度提高。对于相同的磨浆能耗输入，在获得强度性能相同的纸浆时，高浓磨浆的能量输入速率较快，可以大大缩短磨浆过程。该研究还表明，适当提高打浆浓度，在保证打浆质量的前提下，可以提高磨浆效率，降低磨浆能耗;或者在相同磨浆能耗的条件下，可以获得性能更好的纸浆。Jansson I［19］的研究指出从磨浆能耗和磨浆质量看，磨浆浓度应保持在有关设备所限制的尽可能高的状态。综上可知，从纸浆质量及设备损耗等方面考虑，中高浓度打浆取代低浓打浆是现代打浆的发展趋势。

3.2 发展新型磨盘间隙传感器

磨盘间隙直接影响纤维分离的质量和产量，其尺寸通常为0.2～0.5 mm，精度要求达到0.01 mm。目前国产盘磨机的磨盘间隙测量主要采用间接测量方法，而国外已经实现磨盘间隙实时自动测量，利用磨盘间隙传感器 (AGS)对磨盘间隙自动校准，以确保更高的浆料质量和设备利用率［20］。国内也有研究利用电涡流式位移传感器和超声波测厚仪组合测量磨盘真实间隙，经过实践证明可行且具有创新性［21］。

3.3 盘磨机磨片的新发展

3.3.1 磨片材料

不同磨片对打浆质量和能耗有较大的影响。如磨片寿命短，更换频繁，电耗增加，打浆质量产生波动，直接影响整个造纸系统的生产。近年我国新研制的JZM型磨片，采用不锈钢或合金铸铁为原料，寿命比一般的磨片长得多，而国外磨片大多使用合金钢，寿命是半年到1年。据最新报导国外出现使用陶磁烧结磨片，寿命长达2年。

3.3.2 新型磨片的研发

(1)高耐磨磨片。采用工作表面硬化的方法来提高磨片耐磨性，基体金属利用低合金灰口铸铁，耐磨层采用较高含量的铬铸铁，添加适量特殊的稀土元素，进行孕育处理，使得磨片的工作齿面形成高硬度、高耐磨的金相组织 (M3C+M7C3结构的共晶碳化物)，铸造出新型高耐磨磨片。磨片表现出较强的耐磨性能，使用寿命延长到原来的2倍多，销售价格却仅仅比冷硬铸铁磨片高，性价比较高［22］。

(2)圆钉结构型磨片。破碎区采用按圆周排列的小圆钉取代传统磨盘中的放射形磨齿，增加了纤维在破碎区的停留时间及纤维的碰撞次数，更多的能量被消耗在对浆料的压缩上，用于纤维研磨的能量相对减少，从而降低了磨齿对纤维的切断作用。与采用传统磨片磨浆相比，虽然磨浆能耗有所增加，但由于纤维长度和强度都有所增加，为后续环节节省了能耗，从而使总体能耗降低，纤维特性和成纸质量都得到极大的改善［23］。

(3)渐开式梯形磨片。选用的截面为梯形磨齿，增加了纤维与齿面摩擦的接触面积，减弱了磨齿刀缘对纤维的切断作用，加强了对纤维的帚化作用。同时梯形齿形结构及齿槽倒梯形结构减小了磨区内纤维与流体间的速度梯度，减弱了由速度差导致的切断和损伤。该新型磨片主要处理废纸原料，磨浆后的纤维质量有所提高，经实践验证具有良好的使用效果［24］。

3.4 盘磨机控制方式的发展趋势

盘磨机过程控制技术的发展分为3个阶段。第一阶段为手动或电动的以盘磨机电流为主参数的控制与调节磨盘间隙;第二阶段为以单位打浆功率为主参数的系统控制与调节;第三阶段为以磨浆区的温度与研磨压力为主参数来调节系统工艺参数。目前，广泛运用的为第二阶段的技术控制打浆过程［25］。

最近研究人员发明了一种不同于传统的直接式控制方法和装置。该装置主要是在磨盘表面安装一组传感器获取最直接的磨浆信号，反馈控制系统调节进浆流量、进浆浓度。例如 Floden［26］提出了控制方式，通过连续检测温度沿磨盘径向的分布状态，实时调节浆料的水分含量和动定磨盘的磨盘间隙。

刘焕彬等人［27］提出了一种盘磨机微调控制系统与方法，该系统包括温度监测模块、设备运行模块和与此连接的打浆质量控制模块、电流检测模块、位移控制模块、微调伺服控制模块、进退刀控制模块。该方法实现了对盘磨机的打浆自动控制，减少了人工操作，提高了磨片组件间距的调节精度，也提高了打浆质量和效率。

由于影响打浆质量的因素很多，所以如何根据表征打浆质量的多个参数来实现打浆过程的优化控制至关重要。目前国外的打浆过程控制系统一般根据原料等工况，考虑各种控制方式的优缺点并将它们合理地结合起来。国内可以借鉴国外的结合方式，利用专家系统等高级算法的优化方法，建立一种适合国内打浆的多操作变量的控制系统。

3.5 发展高转速大直径盘磨机

盘磨机回转速度高速化是磨浆高速化的研究方向。据报道将盘磨的转速从1200 r/min提高到1800 r/min，在纸浆质量相同的情况下，可节能20%～25%。随着磨盘转速的增加，单位绝干浆料消耗的磨浆总能耗和有用能耗均减少［28］。因此，当生产相同数量的纸浆，高速磨浆比低速磨浆所需的磨浆时间更短，所以总能耗也相应减少。这就是调高磨盘转速就可以减少磨浆能耗的原因［29］。刘秉钺［30］研究了盘磨机的动盘转速对磨浆质量的影响，当254 mm(10英寸)盘磨机的线速度在1200 m/min时，主要是对纤维起切断作用，帚化作用很少;330 mm(13英寸)盘磨机当其线速度为1500 m/min时，纤维被切断与被帚化的量相当;当381 mm(15英寸)盘磨机线速度达到1800 m/min时，主要是对纤维起帚化作用，切断的纤维很少;当457 mm(18英寸)盘磨机线速度达到2100 m/min时，对纤维有良好的疏解作用。因此提高磨盘转速，既能保证磨浆质量和效率，又能在一定程度上降低磨浆能耗。

盘磨机磨浆作用功耗、泵送作用功耗和摩擦作用功耗均与磨盘直径有关，增加磨盘直径，上述三部分的功耗依次按磨盘外径的5次方、2次方和4次方增大［30］。磨盘外径增大，线速度提高，有利于提高磨浆效率。盘磨机直径变大，磨浆的功耗 (P)增大，磨浆的产量 (Q)(绝干浆料)增大，但二者的增大幅度可能不一致，由于单位能耗E=P/Q，所以比值E不一定增大，这些还有待进一步研究。

3.6 单、双、三盘磨浆机的对比及应用趋势

与单盘磨浆机相比，三盘磨浆机在不提高转速及增大磨盘直径的情况下，磨浆面积增加2倍，增强了磨浆能力，既有利于提高产量，也有利于改进磨浆质量，同时便于热能回收［31］。双盘磨浆机由两个电机驱动，相对转速是单盘磨浆机的2倍，所以磨浆产量及效率提高;但同时由于转速高、发热量大、磨片磨损相对较快，能耗随之成倍增加。综合来看，国内双盘磨浆机使用得不多，单盘磨浆机由于结构简单，主要用于高浓和中浓磨浆。与单、双盘磨浆机相比，三盘磨浆机磨浆面积成倍增加，但磨浆能耗并未成倍提高，所以三盘磨浆机单位浆料所消耗的能耗较小。目前，绝大多数低浓盘磨机都是三盘磨浆机，中浓盘磨机已经开发出了三盘磨浆机，可能很快取代单盘中浓盘磨机;而高浓三盘磨浆机由于结构复杂 (如Twin 50)，目前实际应用的不多［32］。

4 结语

经过30多年的快速发展，国内在大直径、低能耗的盘磨机研制方面积累了一定经验，考虑到国内中浓打浆已取得一定成绩，所以要加强对中浓盘磨机的研发力度，研究与开发新结构节能磨浆机。关于盘磨机控制方面，如何将控制模型和打浆理论有机结合，是需要着手解决的问题。研究人员要研发功能更强大的在线传感器，采用在线测量技术，实时调整磨盘间隙，建立多操作变量的打浆过程优化控制系统。研发更适合我国原料的磨片，并优化磨片的齿型参数，以进一步降低磨浆能耗、改善打浆质量。

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