CN103806322A - 具有弯曲磨条和锯齿状前缘的定子精炼机板元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用特别设计的定子精炼机板的精炼系统和方法，定子精炼机板包括主要精炼表面，该主要精炼表面包括一系列磨条和凹槽，磨条包括前沿表面和后沿表面，前沿表面包括不规则表面，该不规则表面具有沿着磨条延伸的一系列突起，与前沿表面相比，后沿表面相对光滑并且没有不规则表面。

Description

具有弯曲磨条和锯齿状前缘的定子精炼机板元件

相关申请

本申请要求2012年11月9日申请的美国临时专利申请第61/724,516号的权益，其全部内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及用于木质纤维素材料的盘式精炼机，例如用于生产机械纸浆、热磨机械纸浆、中密度纤维板（MDF）的制造、纸浆用刨花板、化学纸浆、浆料制备和各种化学-热磨机械纸浆（共同称为机械纸浆和机械制浆方法）以及高稠度、中稠度和低稠度精炼的盘式精炼机。

背景技术

在用在机械制浆方法中的精炼机中，原材料，典型地木材或其它木质纤维素材料（统称为木屑）通过其中一个精炼机圆盘的中部被进给，并且通过由一个或两个转子圆盘的旋转所产生的强离心力被向外推进。这些精炼机可以是高稠度、中稠度或低稠度精炼机。精炼机板安装在精炼机圆盘的相对面的每个面上。木屑通常在从板和圆盘的内部周界到外部周界的径向方向上在相对的精炼机板之间移动。

当用于高稠度精炼时，精炼机圆盘可以以每分钟900至2300转（RPM）的旋转速度运行，并且当用于低稠度精炼时，以低至每分钟400转的旋转速度运行。当木屑在圆盘之间时，能量经由附着到圆盘的精炼机板传递到材料。

精炼机板通常以磨条（bars）和凹槽以及隔断（dam）的模式为特征，磨条、凹槽和隔断一起对木质纤维素材料施加重复的压缩和剪切动作。作用在材料上的压缩和剪切动作使木质纤维素纤维与原材料分离，提供一定量的材料的进化（development）或纤维化，并且产生了通常不期望的某些切断纤维。对于将原木屑转变成合适的纸板或造纸纤维成分来说，纤维分离和进化是必要的。

在机械法制浆方法中，会发生大量摩擦，例如在木屑和精炼机板之间。该摩擦降低了方法的能量效率。

开发可在较高能量效率例如较低磨损下运行的精炼机板的努力已经实现，主要涉及减小圆盘之间的操作间隙。已知的提高能量效率的技术主要涉及精炼机板节段的前面上的设计特征，其通常加速越过精炼机板上精炼区的木屑进给。这些技术会导致降低由在精炼机板之间流动的木屑所形成的纤维垫的厚度。当能量通过精炼机板施加到较薄的纤维垫上时，对于给定能量输入，施加到木屑上的压缩率可以变大，并且可以导致精炼木屑中的更有效的能量使用。

降低纤维垫的厚度允许较小的操作间隙，例如相对的精炼机板之间的空隙。减小间隙可能导致木屑纤维切割的增加、由圆盘所生产的纸浆的强度性能降低、精炼机板的磨损率增加、以及精炼机板操作寿命的降低。

据信，能量效率在朝向精炼机盘的周边时最大。精炼机板的相对速度在板的周边区域中最大。精炼机板上的精炼磨条在精炼机板的周边区域中以较高速度在相对板上越过彼此。据信，精炼磨条较高的越过速度增加了板的周边区域中的精炼效率。

木质纤维趋向于快速流动通过精炼机板的周边区域。在周边区域中纤维的流动性增加是因为强离心力以及由圆盘之间产生的蒸汽流的向前流动所产生的力。在周边区域中较短的停留时间限制了能够在精炼表面的最有效部分中完成的工作量。

在美国专利第8,157,195号中描述的锯齿状或参差不齐的精炼机板的几何结构的发展据信可以提供高能效精炼。这种观念使用各种相对的板，这取决于所期望的方法和纸浆性能。

已知的精炼机板和构造包括在美国专利第8,157,195号和第7,900,862号以及美国专利申请第13/547,144号中描述的那些，其每一个的全部内容通过引用明确地结合在此。

发明内容

在一方面，本发明提供一种用于木质纤维素材料的机械精炼机的精炼机板。所述精炼机板包括固定至基本上不动的基板上的定子精炼表面。定子精炼表面包括位于定子精炼表面上的多个磨条和凹槽，而且每个磨条包括前沿侧壁和与前沿侧壁相对的后沿侧壁。前沿侧壁具有不规则表面，该不规则表面包括从不规则表面朝向相邻磨条上的后沿侧壁延伸出的多个突起。后沿侧壁具有光滑表面并且在后沿侧壁上没有不规则表面。

在另一方面，本发明提供一种在具有相对的精炼机板的精炼机中机械精炼木质纤维素材料的方法，所述相对的精炼机板包括转子精炼机板和定子精炼机板。

所述方法包括下述步骤：将木质纤维素材料引入两个相对的精炼机板中的一个精炼机板上的入口，相对的精炼机板包括转子精炼机板和定子精炼机板；旋转转子精炼机板并保持定子精炼机板基本上静止，以使得由于旋转所产生的离心力，材料径向地向外移动通过板之间的间隙；当材料移动通过间隙时，使材料越过定子精炼机板的精炼部分上的磨条并且通过磨条之间的凹槽，磨条包括前沿侧壁和与前沿侧壁相对的后沿侧壁；通过纤维材料和与凹槽相邻的磨条的前沿侧壁上的不规则表面的相互作用抑制纤维材料移动通过凹槽，但是，与前沿侧壁相对的后沿表面没有不规则表面；以及在精炼机板的外部周边从间隙排出材料。

附图说明

图1是现有技术定子精炼机板节段；

图2示意性地图示了根据本发明实施例的定子板节段；

图3示意性地图示了根据本发明实施例的精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的“7”形的不规则表面的轮廓；

图4示意性地图示了根据本发明实施例的精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的“锯齿”形的不规则表面的轮廓；

图5示意性地图示了根据本发明实施例的精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的凹形的不规则表面的轮廓；

图6示意性地图示了根据本发明实施例的精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的“牙齿”形的不规则表面的轮廓；

图7示意性地图示了根据本发明实施例的精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的“7”形的不规则表面的横截面；

图8示意性地图示了根据本发明实施例的精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的“7”形的不规则表面的前视图；

图9是在精炼机板节段上的磨条的不规则侧壁的一示例的放大视图；及

图10是具有内部和外部精炼区域的精炼机板节段的前视图，所述内部和外部精炼区域包括磨条前沿侧壁上的不规则表面。

具体实施方式

在精炼机中，设置两个相对的精炼表面（精炼机板）可以布置成使得至少一个精炼机板相对于另一个精炼机板旋转。在这方面，可能存在一个精炼机板基本保持静止；这个精炼机板通常被称为“定子”。旋转的另一精炼机板通常被称为“转子”。

据信，当使用进给定子元件面向以强力保持角（holding angle）和锯齿状边缘为特征的转子元件时，磨损是不均匀的，会导致进给定子元件的快速磨损，并且会限制精炼机板组合的使用寿命。

将美国专利第8,157,195号的转子的锯齿状边缘与使用类似特征的定子元件组合可以提供节能特点，其归因于板组合，并且可以明显地改善精炼机板的使用寿命。

本发明因此提出了特定的定子精炼机板几何结构，从而在精炼过程中提供低能量消耗，同时明显地降低转子与定子板之间的不均匀磨损，因此增加了精炼机板的使用寿命。

精炼过程将周期性的压缩施加到在机械精炼机的圆盘之间的操作间隙中移动的由木屑形成的纤维垫。通过增加纤维垫的压缩率并降低在较低压缩率例如在精炼区域的径向向内部分时施加的精炼能量的百分比，精炼过程的能量效率可以得到改进。用在此公开的板设计可以实现提高的压缩率，而不需要将操作间隙降低至与常规较高的能量效率精炼机板相同的程度。

在精炼机中转子与定子板之间的相对宽的操作间隙（与高能量效率精炼机中的窄间隙比较）可以导致在板之间形成的较厚纸浆垫。与用在相似高能量效率应用中的常规板相比，用使用明显粗糙的精炼机板的厚纸浆垫，可以实现高压缩率。

与在精炼机中典型使用的精细精炼机板相比，粗糙的精炼机板具有相对少的磨条。当转子上的磨条横越定子上的磨条时，粗糙的精炼机板中的较少数量的磨条可以降低所应用的压缩周期。传递到较少压缩周期的能量可以增加每个压缩和剪切活动的强度，并且可以提高能量效率。

如美国专利第8,157,195号中所述的，转子元件据信在进给材料上产生非常强的保持效果。磨条的顶部及其前沿边缘被大量纤维垫覆盖。在另一方面，定子元件通常使用具有光滑前沿边缘的强进给磨条布置，其可以允许纤维垫容易地沿着其表面并越过其表面滑动。与转子板相比，这可能导致定子板的更快磨损，转子板被认为是被实质的纤维层保护。

在一个实施例中，精炼机板是定子精炼机板节段的组件，所述定子精炼机板节段具有带有磨条的外部精炼区域，所述磨条至少具有径向的外部部分，该外部部分具有弯曲的纵向形状和前沿侧壁，该前沿侧壁具有参差不齐的、锯齿状的或其它不规则形状的壁表面。弯曲磨条和磨条之间产生的弯曲凹槽朝向外部区域进给木屑进给材料。

在另一个实施例中，精炼板被设计为具有面向第二精炼板的精炼表面。所述精炼表面包括从表面上直立的多个磨条。磨条朝向板的外部周边向外延伸，并且至少在磨条的前沿侧壁上具有参差不齐的或不规则的表面。磨条也是弯曲的，例如具有指数或渐开线弧形。

在优选实施例中，精炼机板是定子，其在操作期间基本上被保持恒定而不旋转。

设计用于木质纤维素材料的机械精炼机的典型精炼板节段可以在基板上包括精炼表面。精炼表面可以适合于面向相对的精炼机板的精炼表面，并且精炼表面包括磨条和位于磨条之间的凹槽。

每个磨条相对于对应于磨条的径线的角度可以沿着径向向外方向增加至少10至15度。每个磨条的角度是精炼表面周边处的进给角度，并且可以在5至70度、10至65度以及15至60度的任何一个范围内（并且任何和所有的进给角度大于5度并直到70度）。每个磨条包括具有不规则表面的前沿侧壁，其中，不规则表面包括从侧壁朝向相邻磨条上的侧壁向外延伸的突起，并且不规则表面从精炼表面的外部周边或从外部周边附近朝向径向向内方向沿着磨条延伸，没有到达精炼表面的入口。

每个磨条可以具有相对于板的径向的弯曲纵向形状，纵向形状延伸通过磨条的长度。角度可以沿着磨条上的径向向外的方向连续且逐渐地增加，或者可以沿着径向向外的方向逐步地增加。在精炼表面的径向向内入口处，每个磨条可以以对应于磨条的径线的10度、15度或20度之内的角度布置。此外，精炼板节段可以适合于用作静止的精炼盘，并且当安装在精炼机中时面向旋转的精炼盘。

精炼表面可以包括多个精炼区域，例如第一精炼区域和第二精炼区域。第一精炼区域可以具有相对宽的磨条和宽的凹槽，并且相比之下，第二精炼区域可以具有相对窄的磨条和窄的凹槽。第二精炼区域可以位于自第一精炼区域的板节段上的径向外部部分，并且用于第二精炼区域的进给角度可以在5至70度、10至65度以及15至60度的任何一个范围内。

磨条的前沿侧壁上的不规则表面可以包括一系列坡道，每个坡道在每个凹槽的基板处具有下边缘，并至少部分地沿着前沿侧壁向上延伸。

在这一方面，本发明涉及在定子元件上增加锯齿状的前沿边缘，其特征为进给角度。与横越精炼机板节段的径线相比，定子元件具有至少5度的平均进给角度。进给角度可以是至少10或15度，并且进给角度可以从精炼区域的内径到精炼区域的外径（排放）增加。大于0度且直至并包括70度的进给角度可以适用于某些实施例。

沿着定子磨条的前沿边缘，在其至少25%的表面上，并且多达其表面的95%，磨条以某种锯齿边缘设计的形式为特征来帮助防止纤维沿着所述定子磨条容易地滑动并横越定子磨条。锯齿状的边缘可以是曲折的、具有7字、Z字，V字、C字形状或者甚至矩形切口或部分的凹口或突起的组合。凹口可以从顶部表面（磨条的顶部）一直延伸到底部表面（凹槽的底部）、部分地（part ofthe way）、或者在其延伸到底部表面时可以增加或减小轮廓深度。板节段还可以以坡道或隔断为特征，坡道或隔断可以或不可以部分地或全部地延伸越过凹槽宽度。

每个突起或每个凹处之间的距离可以从3mm至18mm，优选地从4mm至12mm变化。

在一方面，本发明可以涉及定子精炼机板设计，其以进给角度为特征，进给角度产生了向前泵送效果（朝向精炼机板节段的周边）。定子精炼机板还可以以精炼表面的至少一部分上的锯齿状前沿边缘为特征，以使得纤维不会容易地沿着所述精炼机板磨条的前沿边缘滑动并横越该前沿边缘，因此降低了磨损。

图1是现有技术转子板节段80的前视图，该转子板节段80具有内部精炼区域82和外部精炼区域84。外部精炼区域84中的外部磨条（bars）86每个与各自的径线（radial line）平行布置或者以小的进给角度布置，例如径线的10度或5度之内。外部磨条86是弯曲的使得它们在它们的外部径向端部形成10至70度的进给角度。

内部精炼区域82的内部磨条88具有0度至高达50度的入口角度。内部磨条88可以是直的或弯曲的以在内部精炼区域与外部精炼区域之间的过渡处逐渐地形成小的进给角度，例如5度至15度的进给角度。如所图示的，现有技术定子具有光滑的磨条，例如美国专利第8,157,195中所描述的。

图2图示了定子板节段10的实施例。板节段具有内部周边12和外部周边13。在定子机板节段10的主要表面上，具有一系列磨条（bars）20和凹槽16。凹槽16位于磨条之间，并由后沿侧壁30和前沿侧壁28限定。前沿侧壁28可以是从磨条的脊部26的锥形边缘，因此，参差不齐的特征（jagged feature）在磨条的上部拐角边缘处最显著，大部分精炼在此完成，并且参差不齐的特征沿着磨条的深度变得没有那么明显，特别是在凹槽深处。

前沿侧壁28的不规则表面特征可以限于磨条的外部径向部分，但是可以延伸通过精炼板节段10的主要表面上的最外部精炼区域或整个精炼区域的整个长度。

图3-6各自示意性地图示了典型的脊部126的俯视图，特别是精炼机板节段的外部精炼区域中的磨条的前沿侧壁上的不规则表面的轮廓。每个磨条120的上脊部126包括前沿侧壁128和后沿侧壁130的上部拐角的轮廓。前沿侧壁128具有不规则表面，例如锯齿状特征，其可以在前沿侧壁128的上部拐角处最显著。不规则表面包括一系列突起176，其限定前沿侧壁128上的锯齿状特征。

不规则表面特征可以具有各种形状，包括图3中所示的“7”字系列、图4中所示的锯齿特征、图5中所示的前沿侧壁中的凹槽系列以及图6中所示的例如矩形齿的齿系列。不规则特征的形状的是设计偏好的问题，将使用的形状取决于进给材料、精炼机板节段组成、制造和成型考虑。

图7以横截面示出了磨条120，该磨条具有光滑的后沿侧壁130以及前沿侧壁128上的不规则表面，例如“7”字系列。图8示出了与图7中所示的磨条前沿侧壁上的相同不规则表面特征的前视图，从突起176的角度。不规则表面特征可以在靠近磨条脊部126的磨条侧壁上更明显，大部分精炼发生在此。不规则表面特征和突起176在板基板122的方向上在前沿侧壁128上可以逐渐变得不明显。不规则表面的突起176倾向于阻止进给材料移动通过凹槽，并且因此增加进给材料在板的精炼区域中的停留时间。突起176可以从脊部126到基板122逐渐成锥形。靠近板的基板122，突起176可以融入前沿侧壁128的光滑下表面178。图7和图8均示出了不规则表面特征从脊部126和突起176的尖端到基板122逐渐减少的过程，形成了光滑的下表面178。

图9示出了磨条20的前沿侧壁128上的不规则表面的实施例。不规则表面可以由重复的突起形成，该突起具有第一直侧壁164、第二直侧壁166以及第一直侧壁164与第二直侧壁166之间的弯曲侧壁168。一倾斜坡道172可以从基板122（在凹槽16的底部处）向上延伸到第二侧壁166的底部边缘。第二侧壁166的顶部边缘、内部拐角可以由弯曲侧壁168形成，并且第一侧壁164在磨条20顶部的脊部26处。第一侧壁164和第二侧壁166可以基本彼此垂直，或者可以形成45度至120度范围内的角度。替代坡道172的方案包括：延伸到磨条20的脊部26的坡道172，坡道172可以具有在凹槽16底部处的基板122之上的下边缘，或者设计可以不包括坡道172。

从基板122延伸的倾斜坡道172可以将纤维提高或提升出凹槽16并且将纤维移动到磨条20的上部区域，在该处据信可以完成大量精炼。倾斜表面172的长度和角度可以取决于不规则表面尺寸的预期延伸，并且还可以取决于为倾斜表面所选择的角度和长度。

图10示出了具有内部精炼区域92和外部精炼区域90的典型的板节段10的前视图。在外部精炼区域90中的磨条20可以平行于各自的径线，或者以小的进给角度或抑制角度（holdback angle）布置，例如径线的10度或5度之内。磨条20可以是弯曲的以使得在它们的外部径向端部它们形成10至45度的抑制角度。到外部精炼区域90中的磨条20的入口可以形成Z模式并且前沿侧壁128上的每个不规则表面的径向向内部分可以形成三个磨条组的台阶模式。

内部精炼区域92的磨条20可以具有0度的入口角度，并且可以是直的或弯曲的以在内部精炼区域92与外部精炼区域90之间的过渡处逐渐地形成小的抑制角度，例如5度至15度。内部精炼区域92中的磨条20的前沿侧壁128上的不规则表面是可选择的，并且可以大体上比外部精炼区域90中的磨条20的径向向外部分上的不规则表面粗糙。供选择地，不规则表面的粗糙度在整个板上可以是一致的。此外，不规则表面在外部精炼区域90中可以比在内部精炼区域92中更加精细。可以在内部精炼区域92的凹槽16中，或者在外部精炼区域90的凹槽16中设置半高度的隔断18。

虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但应该理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖包含在随附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (24)

1.一种用于木质纤维素材料的机械精炼机的精炼机板，所述精炼机板包括：

固定到基板的定子精炼表面；

位于定子精炼表面上的多个磨条和凹槽，而且每个磨条包括前沿侧壁和与前沿侧壁相对的后沿侧壁；

在至少一个磨条的前沿侧壁上的不规则表面；以及

从至少一个磨条的前沿侧壁的不规则表面朝向相邻磨条上的后沿侧壁延伸的多个突起；

其中，后沿侧壁具有光滑表面并且没有不规则表面。

2.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，定子精炼表面适合于面向为转子的相对的精炼机板的转子精炼表面。

3.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，定子精炼机板是由包括主要精炼表面的至少一个精炼机板节段组成。

4.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，磨条和凹槽具有相对于板的径向的弯曲纵向形状，纵向形状延伸通过磨条的长度。

5.根据权利要求4所述的精炼机板，其中，磨条至少具有径向外部部分，所述径向外部部分在磨条的外部周边处具有5至70度范围内的任何进给角度。

6.根据权利要求4所述的精炼机板，其中，磨条包括径向向外部分，在其中，后沿侧壁具有光滑表面并且没有不规则表面。

7.根据权利要求4所述的精炼机板，其中，每个磨条的相对于对应于磨条的径线的角度沿着径向向外的方向增加至少10至15度。

8.根据权利要求4所述的精炼机板，其中，在精炼表面的径向向内入口处的磨条中的每一个以对应于磨条的径线的20度之内的角度布置。

9.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，不规则表面的突起是7字形、锯齿形、凹面形和齿形中的至少一个的系列。

10.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，不规则表面包括从前沿侧壁朝向相邻磨条上的后沿侧壁向外延伸的突起，并且不规则表面从精炼表面的外部周边处或从外部周边附近沿着磨条延伸，没有到达精炼表面的入口。

11.根据权利要求10所述的精炼机板，其中，不规则表面上的突起之间的距离在3mm至18mm的范围内。

12.根据权利要求1所述的精炼机板，其还包括前沿侧壁上的不规则表面上的一系列坡道，每个坡道具有位于每个凹槽的基板处的下边缘，并且至少部分地沿着前沿侧壁向上延伸。

13.根据权利要求1所述的精炼机板，其还包括第一精炼区域和第二精炼区域，其中，与具有相对窄的磨条和窄的凹槽的第二精炼区域相比，第一精炼区域具有相对宽的磨条和宽的凹槽。

14.根据权利要求13所述的精炼机板，其中，与第一精炼区域相比，第二精炼区域可以位于板节段的径向外部部分，并且用于第二精炼区域的进给角度是5至70度范围内的任何角度。

15.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，定子精炼表面的至少25%至95%具有磨条，该磨条以具有不规则表面的前沿侧壁为特征，该不规则表面包括突起。

16.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，精炼表面包括外部精炼表面，外部精炼表面具有的磨条密度比内部精炼部分中的磨条密度高。

17.根据权利要求1所述的精炼机板，其中，不规则表面包括至少一个突起，该突起包括：

第一侧壁，第二侧壁，以及第一侧壁与第二侧壁之间的弯曲侧壁；

从凹槽的底部向上延伸到第二侧壁的底部边缘的倾斜坡道；以及

第二侧壁的顶部边缘，由弯曲侧壁形成的内部拐角，而且第一侧壁位于磨条顶部处的脊部。

18.根据权利要求17所述的精炼机板，其中，第一侧壁和第二侧壁基本上彼此垂直。

19.根据权利要求17所述的精炼机板，其中，第一侧壁和第二侧壁形成45度至120度范围内的角度。

20.一种在具有相对的精炼机板的精炼机中机械精炼木质纤维素材料的方法，所述相对的精炼机板包括转子精炼机板和定子精炼机板，所述方法包括：

将木质纤维素材料引入至少一个相对的精炼机板的入口，相对的精炼机板包括转子精炼机板和定子精炼机板；

旋转转子精炼机板并保持定子精炼机板相对静止，以使得由于转子旋转所产生的离心力，材料径向地向外移动通过板之间的间隙；

使材料越过定子精炼机板的精炼部分中的磨条并且通过磨条之间的凹槽，磨条包括前沿侧壁和与前沿侧壁相对的后沿侧壁；

通过纤维材料和与凹槽相邻的磨条的前沿侧壁上的不规则表面的相互作用抑制纤维材料移动通过凹槽，其中，与前沿侧壁相对的后沿表面没有不规则表面；以及

在精炼机板的外部周边从间隙排出材料。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，材料越过磨条在定子精炼板的外部部分中发生。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，不规则表面包括突起，该突起从前沿侧壁朝向相邻磨条的后沿侧壁延伸。

23.根据权利要求20所述的方法，其中，磨条至少具有径向外部部分，该径向外部部分具有5至70度范围内的任何进给角度。

24.根据权利要求20所述的方法，其还包括使用一系列坡道进给木质纤维素材料，所述坡道导致精炼区域中的磨条的前沿壁上的不规则表面上的突起。

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