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文档简介
热磨法分离纤维崛起的中密度纤维板 1948年,在原西德小城Braunschwein附近,全世界第一条刨花板生产线投产,当时的日产量仅l 6m3,到l 996年该公司日产量达1500m3。在德国生产技术带动下。二十世纪九十年代后期,全世界刨花板产量7000多万m3,首次超过胶合板而雄居首位。 二十世纪七十年代中密度纤维板在美国问世后,发展速度首屈一指,并给刨花板带来很大冲击。到世纪末,全世界中密度纤维板年产量2700万m3,成为增长最快的板种,与胶合板、刨花板形成鼎立之势。 进入二十一世纪,全世界中密度纤维板增长势头不减。据英国Intermark公司在关于1999年中密度纤维板最新动态一文中指出,二十一世纪前15年,全世界中密度纤维板需求量将继续增长,20l5年总需求将达3700万m34800万m3,欲满足这一预期需求,需新增生产能力lO0O万m32l00万m3。 中密度纤维板之所以持续发展,主要得益于其优异的性能,加工工艺性好、功能增加、使用范围不断扩大、性能逐渐完善,因此为市场广泛接受而具有不可取代的地位。 不断创新也是中密度纤维发展的推动力,如低孔隙度、均质板、防潮、弯曲加工、纤维着色、超轻质、复合门窗、预成型、异形型材、零甲醛、结构材、表面起绒和板坯芯层预热等新技术。 我国中密度纤维板发展速度为世界之最,在l997年中密度纤维板产量106万m3已位居世界第2,至2000年产量329.8万m3已逼近美国。 我国中密度纤维板高速发展重要原因之一是国产化程度不断提高。2000年国产化生产线已有l90多条;生产规模也逐步扩大,目前已能提供年产5万m3的成套生产线,国产10万m3的生产线也已提上议事日程。 国产中密度纤维板生产线生产规模的扩大,主要得益于热磨机技术的成熟和大型化。目前l070mm热磨机已有多家生产,1120mm热磨机即将投放市场。 2 热磨法分离纤维 分离纤维是中密度纤维板区别于其他板种最突出的特点。纤维质量是板材性能优异的关键所在。分离纤维是在高温、高速和高度密封的系统中进行的。它既是中密度纤维板生产中重要的工序,又是最复杂的环节之一。 21 热磨法分离纤维的优点 自1931年瑞典人Asplund博士发明热磨法(TMP)以来,目前已成为纤维板生产最主要的纤维分离方法。热磨法之所以被广泛利用主要在于它有下列优点:适用于多种原料制浆、能获得大量柔韧性和交织性好的完整纤维、得率高达95、生产能力大、占地面积小、噪声小、运行平稳、自动化连续作业、大幅度提高劳动生产率等。 22 热磨法分离纤维机理 木材是一种复合材料,也是十分复杂的生物机体,除去导管和薄壁组织以外的全部狭长木质细胞统称纤维。纤维长度多在25mm之间,极短者约1mm,极长者7.438mm。纤维弦向直径平均O.02一0.04mm。极小者0.01mm,极大者0.08mm。 纤维形态对中密度纤维板影响甚大,纤维完整、细长比大、柔韧和交织性好,板材质量就高。热磨法分离纤维是在加热弱化纤维牢固的结合作用后,通过机械方法而获得纤维。 分离纤维是一个十分复杂的物理力学和化学转化过程,由于其理论十分复杂,加之又难于观察和模拟,分离纤维机理的研究,还很难量化,目前大多处于定性阶段。 蒸煮 纤维原料蒸煮的目的是用最低的能耗获得最优质的纤维。用高温加热(160180)纤维原料,以降低木材细胞壁间力学性能,软化将纤维牢固的胞间层。温度达到150时,纤维胞间层明显软化,温度高于160时,胞间层处于熔溶状态而失去结合力,此时分离纤维,纤维形态好。能耗也仅为常温下的1415。但蒸煮温度并非越高越好,实验表明,超过180后,分离纤维的能耗不再降低,反而使纤维PH值下降,出现纤维颜色变深,脆化和得率低等弊端。 加压搓揉。 经蒸煮后的纤维原料,被强制送入高温、高湿和高压的磨室内两磨片间,受磨片压力和转动的作用。使纤维胞间层承受剪切力。沿磨片径向排列的纤维,由于两端距磨片中心距离不一而存在的速差,使纤维在力偶作用下绕自身轴线产生扭转。如果取纤维横截面作为自由体来观察,自由体边部受剪应力,与剪应力呈45的平面内产生与剪应力大小相等的压应力,与压应力垂直的平面内,产生一个大小与压应力相等的拉应力。剪应力的大小是力偶和纤维截面尺寸的函数,当平行于纤维轴线的剪应力或拉应力超过纤维间的结合力时,纤维则松散分离。 也有不少纤维轴线定向于磨片的切向,当磨齿前沿沿纤维轴线通过时,纤维受压力和沿轴线的剪力作用而使纤维分离,即所谓“纵向”磨浆。正是这种纵向磨浆才得到较高质量的纤维。 然而大量纤维在磨片间既非纯径向分布,也非纯切向分布,而是呈不同角度的随机分布,且分布状态变动不定也无规律可循,还由于纤维间相互磨擦而出现于扰,因此,纤维运动轨迹多变且十分复杂。纤维不仅在磨片间作旋转运动、径向运动和轴向运动还绕其自身轴线旋转或扭转,这些多维复杂的空间运动并无固定不变的函数关系,至今仍难以用数学方程加以表达。 纤维在磨片间所受外力也是十分复杂的变数,前面对纤维受力进行分析时,是逐一进行的,实际上纤维受蒸汽压力和磨片施加的压缩、剪切、拉伸、扭转等外力并非有序施加,也非大小不变和单一进行的。纤维受力是无序、变化和多重的,各外力之间也无恒定的比例关系,但有一点是确定的,即纤维在分离过程中,所受诸力均为动载荷和冲击载荷。 冲击疲劳 木材既具弹性又有塑性,是一种典型的粘弹体。当磨片所施外力较小时,纤维产生纯弹性变形。两磨片齿沟(浆槽)相对时,外力减少,变形消失。当外力超过弹性极限时,纤维产生塑性变形,外力消失后恢复变形时间较长,且有残余塑性变形。外力使纤维产生塑性变形时,即使外力消失,变形也难以恢复从而导致纤维分离。但通过一次受力就使纤维分离实现起来十分困难,甚至是不可能的,这样分离纤维不仅能量消耗非常大,纤维质量也难以达到要求。热磨法采用的是使纤维受小力,多受力、重复受力的模式分离纤维。 热磨机通过磨片对纤维施加的外力,多在纤维高弹性变形范围内,由于磨片的高速旋转,纤维受力频率非常高,每次受力都给纤维留下了微量的但不可逆转的伤痕(残余塑性变形)。多次受力的结果使纤维“疲劳”最终导致分离。“疲劳”分离要比一次性拉、压、应力分离纤维的力小得多。 纤维的“疲劳”是通过受力松弛来实现的。当磨片两齿顶相对时,纤维受力一次,齿沟相对时外力减少或消失。这一张一弛构成了一次受力脉冲,千百次重复的受力脉冲,使纤维产生“疲劳”而分离,热磨机分离纤维是一种典型的纤维“疲劳”现象。 冲击频率 设分离纤维外力为S,则必然有一个冲击次数N。不同的纤维原料和热磨工艺有不同的SN关系曲线。其中影响SN曲线较大的是冲击频率,冲击频率与磨片齿型和转数有关。冲击频率高纤维恢复变形难,纤维容易分离,完整性好。所以磨片转速高,纤维质量好。 由上可知纤维分离机理是纤维原料在受热状态下木素胞间层软化,加之磨片对纤维造成的压缩、拉伸、剪切、扭转和摩擦等高频千百次冲击载荷,使纤维产生“疲劳”,同时在水解和热解多重作用下导致了纤维分离。 功率消耗 在中密度纤维板生产中,热磨工序耗电占3545,之所以如此之高主要是纤维细小,结合牢固。1cm3的木材大约含有近百万根纤维,如此大的纤维分离量,所耗功率可想而知,还有浆液的高速运动,磨片与纤维之间、纤维与纤维之间的摩擦损失,重达几百公斤乃至上吨重高速转动转子的机械损失,使热磨机成为耗电最高的设备。 热磨机分离纤维所需功率。与磨片转速、磨片研磨面积和磨浆阻力系数等有关。磨浆阻力系数与纤维原料的物理力学件能、磨片材质制造质量、齿形设计以及热磨工艺参数、热磨机运行精度等有关。由于影响因素众多,很难列表查对,只有通过试验。才能得到较准确的磨浆阻力系数。 3 现代热磨机 目前Sund2公司生产多年的I。系列热磨机已被新型的M系列磨机取代。M系列热磨机改磨室体径向分离为轴向分离式,使磨盘和磨片装拆简便,还可实现磨片预装,构成一个装配单元。使更换磨片整体化、快捷化。现代热磨机还实现了下列新技术。 侧向进料 由蒸煮罐向磨空运送木片的侧向进料装置为有中空的运输螺旋,可将磨密室过量的蒸汽通过侧向进料装置顶部的排汽口送回煮罐内。一是降低能耗,二是均衡系统蒸汽压力。使木片不受蒸汽涡流干扰,均匀地进入磨室,做到进料、磨浆和排料有序。以保证热磨过程在平稳状态下进行。 压差控制 压差控制是将蒸煮罐与磨室的蒸汽供汽系统独立,由汽动薄膜阀组成的压力变送器相联。根据设定的蒸汽罐蒸汽压力来自动调节磨室内蒸汽压力,并使后者略高于前者,即所谓正压差。稳定的压差使主电机运行平稳。纤维连续均匀地通过磨片并有较长和一致的研磨时间,不需施加外力来平衡蒸汽对动盘产生的推力,防止动盘受力变形,保持的运转精度,排料阀可选择最佳开度做到排料均匀,减少汽耗,纤维质量好。 机械密封 主轴与磨室宝之间的密封,是由装配一体的机械密封盒来实现的。密封盒由镜面铜圈,钨、铬合金的金属环和弹簧等组成。机械密封用水量极少;蒸汽消耗量也有所降低;高压水不会进入磨室故纤维含水率不会增高;停水时,由于来自磨室的蒸汽压力使唇状密封张开,阻止了纤维喷出。机械密封突出的优点是动盘与主轴前轴承间外伸端悬臂距离缩短,减少了主轴与轴承的载荷和振动,提高了主轴与动盘刚性和运转精度,降低主电机能耗。有利于纤维质量的提高和热磨机延长使用周期。 轴承预紧 主轴前后锥柱轴承外环,用多个均布的铬、钨等合金钢弹簧预紧,使轴承任何时候都处于配合适度的无间隙状态下工作,加之轴承座的弹性支撑,减小了振动,提高了动盘的运转精度。 大型化 瑞典Sunds公司最新推出的大型热磨机M 68,磨盘直径1700mm,主轴转速15001800转分,主电机功率11000kw,生产能力l200吨日(绝干)纤维,配套年产35万m3中密度纤维板生产线。大型热磨机的开发。为企业规模化生产提供了装备基础。 生产规模是现代企业竞争的制高点。生产规模是一个工程经济问题,因为生产规模大的企业。往往与科学管理,高技术含量、高劳动生产率、高质量、低成本和强劲的市场竞争力相对应。 最优化 现代热磨机已实现最优化和稳定的热磨工艺参数生产。能做到恒负荷、恒间隙和恒比能耗生产。以最小的运行费用,获得最佳的纤维质量和最高的纤维得率。 自动化 磨浆全过程和所有工艺参数全部实现了计算机控制。包括进、出料量、磨盘压力、蒸汽压力与压差、磨盘间隙、负荷、浆料浓度和PH值,轴承和润滑油温及冷却水温流量等所有工艺参数都由计算机设定、调整和监测。操作人员再也不是在现场管理操作机器,而是机房内“看”仪器(计算机)。 精密化 现代热磨机制造、安装和运行非常精密。磨片间隙稳定在O.Olmm范围内(数显)变动,主轴与主电机同轴度误差00lmm。转动零部件动静平衡精度非常高,相当于我国平衡精度Gl级。整机减振设计要求也很高,磨盘直径l300mm、转速为1500转分、4500 KW主电机的热磨机,满负荷运行时,用手触及几乎无振感。油、汽、水等密封甚佳,做到了滴水不漏,无懈可击。 热磨机高精度的制造与安装要求,使传统的检测仪器已难以胜任,只能借助于激光水平仪、对中仪等才能检测。 安全化 现代热磨机安全技术十分完善,均设有过载保护、过热保护、断电和停水保护、联锁保护、防撞碰(磨片)装置、限位停机、低压和事故极警等装置。 节能化 热磨法分离纤维时机械能的90一95转化为热。现代热磨机建立了高效的热能回收系统。该系统将排
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