TWI447282B - 具有高強度高性能磨條的精磨機板 - Google Patents

Description

具有高强度高性能磨條的精磨機板

本發明涉及磨盤和用於磨盤的板節段，更具體地，涉及形成磨盤研磨元件或節段的磨條和凹槽的形狀。板節段可用於例如分散(disperging)、高頻疏解(deflaking)(在網路上查到的deflaking似乎是指”碎紙的動作”)精磨機中，並且用於研磨所有密度範圍(高密度、低密度和中密硬度(HiCo,LoCo and MC))的木素纖維材料。而且，本發明可應用到各種幾何結構的精磨機中，例如盤狀精磨機、圓錐形精磨機、雙盤精磨機、雙圓錐精磨機、圓柱形精磨機和雙圓柱精磨機。

利用將纖維從形成材料的纖維網路中分離出來的機械精磨機對例如木屑、鋸末和其他木或植物纖維材料等的木素纖維材料進行研磨。用於木素纖維材料的盤狀精磨機安裝有磨盤或佈置來形成磨盤的盤節段。磨盤也稱為“磨板”。精磨機設置有兩個相對的磨盤，以使一個磨盤相對於另一個磨盤旋轉。待研磨的纖維材料從一個磨盤的中心入口流過進入兩個磨盤之間的間隙中。當一個或兩個磨盤旋轉時，離心力使所述材料徑向向外移動經過間隙並且從磨盤的徑向外周移出。

磨盤的相對表面包括具有磨條和凹槽的環形部分。材料經過所述通道在磨盤表面之間的徑向平面中移動形成該凹槽上一通 道。材料也從凹槽及磨條上方移出所述徑向平面。當所述材料在磨條上方移動時，所述材料進入相對磨盤交叉磨條之間的研磨間隙中。磨條的交叉向研磨間隙中的材料施加力，用於將該材料中的纖維分離並且在所述纖維的壁中產生塑性變形。在研磨間隙中反復施加力將該材料研磨成分離且磨細的纖維漿。

當磨條的前邊緣交叉時，材料被“釘紮”在所述磨條之間。釘紮指當前表面和邊緣重疊時，由相對交叉磨條的前表面和邊緣向纖維材料施加力。當相對盤交叉磨條交叉時，交叉磨條的前表面之間暫態重疊。該重疊形成暫態交叉角，該磨條的邊緣對材料釘紮和/或磨條前邊緣的覆蓋能力具有重要影響。

圖1以截面顯示了傳統的高性能低密度精磨機板14的幾個磨條10和凹槽12。這些磨條10通常具有磨條高度對磨條寬度的高比率的特徵，並且具有零或接近零度的拔模角度(draft angle)。拔模角度為磨條前或後表面(側壁)16和平行於精磨機板軸線的直線18之間的角度。精磨機板14可由一種合金形成，例如來自17-4PH不銹鋼合金組。由17-4PH合金形成的精磨機板傾向於比由其他金屬合金形成的精磨機板具有更大的磨條高度對磨條寬度的比率。這些大的比率導致窄的磨條和磨條根部處急轉的拐角。由17-4PH合金形成的精磨機板傾向於具有高強度，並且磨條不易破壞。

傳統高性能精磨機板的零度拔模角度、窄磨條和深凹槽可導致磨條根部20處過多且不能承受的應力。可導致磨條破壞，例 如磨條在根部處剪斷，尤其是如果精磨機板由17-4PH合金組之外的材料形成。由高強17-4PH合金形成的精磨機板在研磨劑研磨情況下時傾向於具有過多的磨損和短的工作壽命。由17-4PH之外的合金形成的精磨機板由於所採用合金材料的脆性，使磨條和凹槽樣式設計受到限制。

由於高且窄的磨條上的過多應力，具有傳統高性能磨條和凹槽樣式的精磨機板可能實際上不是由高抗磨損的不銹鋼材料形成。具有良好磨損性能的不銹鋼已經用來形成較小需求的精磨機板設計。雖然已經嘗試開發結合17-4PH合金硬度和其他不銹鋼合金抗磨性的合金，但是還不成功。儘管努力來發現或開發合適的合金，但是當由具有不充分能量吸收勢的材料(17-4PH之外)形成時，高性能精磨機板樣式仍然斷裂。

圖2是另一種傳統高性能低密度精磨機板22的截面圖。該截面顯示了精磨機板22的磨條24和凹槽26。拔模角度28例如為五(5)度，其被認為是大的拔模角度。大拔模角度的磨條與具有例如拔模角度小於5度的淺拔模角度的磨條相比，其由更多量的材料形成。更多量的材料位於磨條的寬底部中。

大拔模角度磨條中的更多量的磨條材料增加了磨條的轉動慣量。增加的磨條材料和更大的慣量提高了磨條的抗斷裂性能。寬的拔模角度也降低了可適用的磨條高度對寬度的比率，並且因而導致更低的磨條邊緣長度勢能。更低的磨條高度對寬度的比率和更低的邊緣長度的結果通常為：更低的能量效率、 未達最佳標準的纖維品質開發以及在精磨機板使用壽命過程中由於大拔模角度造成的凹槽中開放面積的非線性減少而導致的液壓能力的降低。大拔模角度還減小了磨條前邊緣的銳度，這可能在精磨機板的使用壽命中對品質的一致性具有負面影響。

基於上述背景技術之敘述，長久以來迫切需要除了17-4PH合金之外的其他金屬合金製造高性能精磨機板的設計與技術，其他較大範圍的金屬合金現在通常僅用於形成傳統的精磨機板；而且，長久以來迫切需要這樣的精磨機板：不僅提供高研磨特性的精磨機板，且提高抗磨性以具有較長的使用壽命。

本發明之技術特徵在於本案之精磨機板包括一研磨表面，該研磨表面包括複數磨條和複數凹槽，其中所述每一個磨條具有包括前邊緣的上部分和包括精磨機板基底處之根部的下部分，再者，該磨條的上部分具有窄的寬度和小於5度的拔模角度，以及該磨條的下部分的寬度較該上部分寬，該磨條的至少一個側壁具有至少5度的拔模角度藉此形成不同形態之凹槽與磨條，而達到具有高研磨性能與抗磨性之目的。

已經研發出一種新穎的設計技術，用於實現提高強度(例如通常在高性能精磨機板中發現的)且由高抗磨材料形成的具有磨條的精磨機板。雖然高抗磨材料通常用於精磨機板中，但是由17-4PH合金形成的傳統高性能精磨機板中往往不具有這些特徵。本文公開的用於高性能精磨機板的設計技術適用於由 17-4PH合金之外的合金形成的精磨機板。通過使用本文公開的設計技術，精磨機板可能設計具有高抗磨性，並且與上面討論的傳統精磨機板相比，更不易於磨條斷裂。

該設計技術將精磨機板的磨條設置為具有上部分和下部分。磨條的上部分提供研磨作用。磨條的下部分形成具有通道的凹槽，纖維質材料通過所述通道在精磨機板之間傳送。磨條上部分的設計目的是提供高性能的研磨。磨條下部分的設計目的是給磨條提供強度。磨條的上部分應傾向模擬高性能精磨機板的磨條設計，以獲得這樣的精磨機板的性能，例如窄的並且具有零度或小拔模角度的磨條。為了實現上部分的設計目的，磨條的頂部處區域和上部可能具有窄的磨條寬度、淺或零拔模角度和急轉的上邊緣，例如拐角。為了實現磨條下部區域的設計目的，磨條的寬度可以增加，例如通過寬的拔模角度和磨條根部處拐角中大的半徑，來避免磨條根部處急轉的拐角。磨條的下部優選設計來提供抵抗磨條斷裂的充分抵抗力，例如通過在精磨機板基底處具有更大的厚度和寬大彎曲的根部。

圖3和4分別顯示了精磨機板30的四個磨條和三個凹槽截面中的入口和出口，所述精磨機板30使用這樣的技術設計：其中磨條31、32上部分的目的與磨條31、32下部分的目的截然不同，因而形成複數凹槽3，上述之複數凹槽3分為深凹槽34與淺凹槽36。磨條31、32上和下部分的設計目的如上所述。通到圖3中所示的磨條31、32和深、淺凹槽34、36的入口位於 精磨機板30上該磨條31、32和該深、淺凹槽34、36節段的徑向向內部分。圖4中所示的磨條31、32和深、淺凹槽34、36的出口位於該磨條31、32和該深、淺凹槽34、36節段的徑向外部。每一個精磨機板30可能具有佈置在精磨機板30表面上同心研磨環部分中的一個或多個磨條31、32和深、淺凹槽34、36節段。磨條31、32可能具有相同的截面形狀，並且一個磨條31可以如鏡像與另一個磨條32對稱。

每一個磨條31、32具有兩個完全不同的部分，它們是：(i)上研磨部分42和(ii)下強度部分44。該磨條31、32的上部分42位於該磨條31、32上端處的直線KS之間。該磨條31、32的下部分44位於直線KS下面。該磨條31、32一側(鄰近深凹槽34)上的深度比相對側上鄰近淺凹槽36的深度更深。上磨條部分42通常對於所有的磨條31、32都是相同的，並且截面可以是矩形。例如，每一個磨條31、32的上部分較佳的態樣的是窄的，具有例如一度或兩度或更小的小拔模角度，和急轉的上邊緣52。每一個磨條31、32的下部分44(直線KS的下面)相對較寬，尤其在根部50處(鄰近深凹槽34)，具有例如0.030英寸或更大的根部拐角半徑，並且在鄰近淺凹槽36的至少一個側壁48上具有例如五度或更大的大拔模角度。

該磨條31、32的下部份44形成相間的較寬之淺凹槽36和較窄之深凹槽34。圖3和4中所示的磨條31、32具有在轉變點(KS)下方不對稱的側壁48。每一個磨條31、32包括具有大拔 模角度的側壁48，其與相鄰磨條31、32上的相似側壁48相對。而且，每一個磨條31、32具有小拔模角度的側壁48，其與具有相似側壁48的相鄰磨條31、32相對。相鄰的磨條31、32可以彼此互為鏡像般對稱。

下面的公式顯示了上述設計目的和技術怎樣應用來限制精磨機板30磨條31、32根部處的應力。下面的公式可以在整個磨條31、32高度上用來計算施加到該磨條31、32的相對應力：

其中M為力矩，例如沿垂直於該磨條31、32垂直軸線且平行於精磨機板30的方向施加到該磨條31、32的扭矩。當施加到該磨條31、32上邊緣52時，力(F)用於計算該磨條31、32上的應力，其中該磨條深度(zz)為零。力矩(M)為力(F，設置為恒量)和該磨條深度(zz)的函數，其中該磨條深度zz在該磨條31、32的頂部為零，並且在該磨條31、32的根部處最大。參數(y)為該磨條31、32的中部(沿該磨條31、32的深度)，並且與該磨條31、32的軸線對準。參數(w)為該磨條31、32的寬度。參數I為整塊磨條慣量(第二慣性力矩)的面積矩。參數σ為由力(F)施加到該磨條31、32的彎曲應力。

對標準的磨條和新的磨條31、32設計進行了應力的比較， 來證明設計目的的概念。用以比對的兩種磨條如下：(i)具有5度拔模角度的矩形磨條形狀，和(ii)具有小拔模角度(zz=0到zs)的磨條上部分42和具有大拔模角度(zz=zs到z(root))的磨條下部分44(見圖3和4)。

下面的計算顯示了圖3和4中顯示的磨條31、32和深、淺凹槽34、36設計的耐久性：

參數Wnew用於決定該磨條31、32的寬度(w)，並且上面的 方程中用於決定Wnew，其中參數wo為該磨條31、32頂部處的寬度。另外，σ₁代表傳統磨條設計(見圖2)中根部處的應力；σ₂代表圖3和4中顯示的磨條31、32設計研磨部分中的應力；並且σ₃代表具有恒定應力的磨條設計(見下面討論)中沿磨條深度(下面所述)的應力。上面的計算得出三種刀片類型中的最大應力比率。σ 2/σ 1和σ 3/σ 1的比率小於1，並且因而表明最大應力等於或低於圖3和4中所示的磨條31、32設計，並且比標準拔模角度磨條設計具有理想的磨條截面形狀。

出於該討論的目的，本案之磨條31、32的理想狀態為從磨條頂部到底部或至少從轉變點(KS)到底部具有恒定的應力。理想狀態的磨條31、32具有彎曲形狀的側壁48，其增加磨條31、32的寬度，以使磨條31、32中的應力對於(zz>zs)保持恒定。理想的磨條31、32形狀可以由下面的公式限定。

上面的方程為決定理想情況下磨條31、32下部寬度的方式的示例，理想情況中磨條31、32的應力沿深度(zz)或至少從ZS到磨條31、32根部保持恒定。在上面的示例中，ZS出現在 ZZ=1.4b處，其中b為在磨條31、32頂部處的寬度。上部分和下部分之間的磨條31、32上較佳的分界線(ZS平均值)位於距離磨條31、32頂部的距離在1.4倍磨條31、32寬度的20%內，並且優選在5%內。由於製造差異，特別是鑄造差異，磨條31、32樣式中任何特定點處的實際ZS大致上可變動大於20%。平均ZS是基於研磨部分中用於所有磨條31、32在鑄造後進行加工之後的平均量。同樣的，圖3和4中顯示的磨條31、32在頂部處具有0.065單位的磨條寬度(b)，並且KS在磨條31、32頂部下面0.091單位處，從而KS為1.4倍的b。

所有磨條設計中自磨條31、32頂部到超過zs距離的應力可如下算式計算：

將所有未知常數因數設為一個，則可獲得提出的磨條31、32設計整個深度上的相對應力，其顯示在圖5的曲線中。

圖5是提供上上述磨條31、32設計比較所得的曲線，其中σ₁ 62代表傳統磨條設計(見圖2)中傳統磨條沿其深度(從zz1.5 到4，其中zz為磨條深度對寬度的比率)的應力；σ₃ 64代表圖3和4中所示設計的磨條31、32中的應力，σ₅ 66代表理想狀態下具有恒定應力的磨條31、32形狀沿磨條31、32深度的應力。理想狀態下本案磨條31、32的應力為虛線，並且從KS到根部為恒定值。圖3和4中所示的磨條31、32應力相對均勻。傳統磨條中靠近KS的應力小，並且朝向根部(zz=4)以指數級增加，使傳統磨條偏向於在其根部損壞。理想狀況下圖3和4中所示的磨條31、32在根部處的應力基本小於傳統磨條中的應力σ₁。

圖5的曲線顯示出，以上述目的設計的磨條31、32，特別是以下部分出於強度設計並且上部分出於研磨性能設計，不超過標準磨條設計(習知)的最大應力(σ₁ 62)，同時使本案磨條31、32從zz=0到zz=zs為高性能研磨部分。所提出的磨條31、32設計結合了高性能與高抗磨損的特徵，由此允許使用更脆的合金。

凹槽3面積中的損失(下面方程中的Aloss)按照下述公式決定： 损失面积：

通過增加深、寬凹槽34、36的深度和寬度，可調整所有凹槽3組合的面積來補償磨條31、32更寬的下部分並且使深凹槽34變換為較窄之淺凹槽36。在圖3和4所示的示例中，較寬之深凹槽34深度增加到0.325單位，並且該深凹槽34寬度在入口處減小到0.109單位，在出口處減小到0.139單位(由於精磨機板的入口與出口的比例增加，使凹槽3從入口到出口寬度增加)。相間的淺凹槽36寬且淺，例如，在入口處深度(z)為0.219單位，在出口處深度為0.260單位，在入口處寬度(在上部分中)為0.120單位，在出口處寬度為0.154單位。磨條31、32在較寬之淺凹槽36的下部中變得相對寬，以增加磨條31、32強度。在較寬之淺凹槽36底部下面，磨條31、32由整個精磨機板支撐在至少一側上。深凹槽34可以延伸得相對遠，超過較寬之淺凹槽36的底部深度，以給精磨機板提供液壓能力。

圖6為示例性精磨機板70的立體視圖，所述示例性精磨機板70具有實現本文公開的設計目的和技術的磨條31、32和凹槽3樣式。該精磨機板70可以是環形金屬片或與其他扇形片部 分組合形成完整的研磨同心環。該精磨機板70可以安裝在傳統的機械精磨機的盤上。磨條31、32和凹槽3的樣式以同心環形研磨部分72、74和76佈置。在每一個環形部分中，深凹槽34和淺凹槽36之間交替。深凹槽34可由磨條31、32的側壁48形成，即，一個磨條31、32的前表面和相鄰磨條31、32的後表面，其中側壁48具有小拔模角度，並且凹槽3具有基本為矩形的截面。淺凹槽36可以具有由相鄰磨條31、32的寬的厚度形成的通常彎曲的下部分。來自一個環形部分的淺凹槽36可以通常與來自徑向相鄰研磨部分的淺凹槽36對準。類似地，來自一個環形部分的深凹槽34可以通常與徑向相鄰研磨部分的深凹槽34對準。而且，深凹槽34可以比傳統高性能精磨機板中的凹槽更寬和更深。在加寬磨條31、32下部分的厚度中，磨條31、32之間的凹槽3開放面積減小。開放面積中的該損失可潛在地減小凹槽傳送漿料的液壓能力。但是，至少一部分因磨條31、32加寬導致的開放面積中的損失可藉由具有相間的深、淺凹槽34、36來補償。

研磨供給材料，例如木屑和其他木素纖維材料，通過具有一對安裝在磨盤上的相對精磨機板的精磨機進行，至少一個所述磨盤旋轉。這些精磨機板的相對表面具有研磨區，研磨區具有凹槽3和磨條31、32，例如圖6中所示。當供給材料在相對表面之間移動時，纖維通過在研磨部分中進行的研磨作用分離。材料在研精磨機板之間移動並且經過中心研磨部分76、74 和72，從磨盤的徑向外周排出。

雖然本發明已經關於目前被認為是最實際且較佳的實施例進行了描述，但是應可理解，本發明並不限制於上述公開的實施例，而是旨在保護權利要求所述範圍內的各種改進和等同裝置。

10‧‧‧磨條

12‧‧‧凹槽

14‧‧‧精磨機板

16‧‧‧後表面(側壁)

18‧‧‧軸線的直線

20‧‧‧磨條根部

22‧‧‧精磨機板

24‧‧‧磨條

26‧‧‧凹槽

28‧‧‧拔模角度

3‧‧‧凹槽

30‧‧‧精磨機板

31‧‧‧磨條

32‧‧‧磨條

34‧‧‧深凹槽

36‧‧‧淺凹槽

42‧‧‧上研磨部分

44‧‧‧下強度部分

48‧‧‧側壁

50‧‧‧根部

52‧‧‧上邊緣

70‧‧‧精磨機板

72‧‧‧同心環形研磨部分

74‧‧‧同心環形研磨部分

76‧‧‧同心環形研磨部分

圖1為傳統高性能精磨機板的磨條和凹槽的截面圖。

圖2為磨條上具有大拔模角度的傳統精磨機板的磨條和凹槽的截面圖。

圖3和4分別顯示了精磨機板設計的四個磨條和三個凹槽截面中的入口和出口，所述精磨機板設計使用這樣的技術形成：其中磨條上部分的目標與磨條下部分的目標截然不同。

圖5為圖示出本文所討論的精磨機板磨條中沿磨條設計深度的應力圖。

圖6為體現出圖3和4中示出的設計目標和技術的示例性精磨機板樣式的立體視圖。

3‧‧‧凹槽

30‧‧‧精磨機板

31‧‧‧磨條

32‧‧‧磨條

34‧‧‧深凹槽

36‧‧‧淺凹槽

42‧‧‧上研磨部分

44‧‧‧下強度部分

48‧‧‧側壁

50‧‧‧根部

52‧‧‧上邊緣

Claims (18)

1. 一種具有高强度高性能磨條的精磨機板，包括：一研磨表面，該研磨表面包括複數磨條和複數凹槽，其中所述每一個磨條具有包括前邊緣的上部分和包括精磨機板基底處之根部的下部分；所述該磨條的上部分具有窄的寬度和小於5度的拔模角度，以及所述該磨條的下部分的寬度較該上部分寬，以及該磨條的至少一個側壁具有至少5度的拔模角度。
2. 根據權利要求1所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述磨條還包括所述上部分和所述下部分之間的分界線，其中該磨條上部分到所述分界線的距離為該磨條前邊緣的磨條寬度的1.2到1.6倍。
3. 根據權利要求1所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述凹槽包括淺凹槽和與所述淺凹槽相間的深凹槽。
4. 根據權利要求3所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述深凹槽具有基本矩形的截面。
5. 根據權利要求1所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中每一個磨條具有第一側壁，該第一側壁較該磨條的相對側壁上的第二側壁延伸到所述精磨機板內更深。
6. 根據權利要求1所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述第一側壁在所述下部分中具有小於2度的拔模角度。
7. 根據權利要求1所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述下部分包括第二側壁，其具有小於5度的拔模角度。
8. 根據權利要求1所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述磨條具有相對的側壁，並且所述磨條的上部分在兩個側壁上具有小於1度的拔模角度，所述磨條的下部分在第一側壁上具有至少5度的拔模角度，在第二相對側壁上具有小於2度的拔模角度。
9. 一種具有高强度高性能磨條的精磨機板，包括：一研磨部分，包括複數磨條和複數凹槽，其中每一個所述磨條具有一第一側壁和與所述第一側壁相對的第二側壁，並且每一個磨條具有包括前邊緣的上部分和包括該精磨機板基底處根部的下部分，其中每一個磨條的上部分具有窄的寬度和在每一個所述側壁上小於1度的拔模角度，和所述磨條的所述下部分，具有大於該上部分的寬度，和在該第一側壁上至少5度的拔模角度和在該第二側壁上不大於2度的拔模角度。
10. 根據權利要求9所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述磨條還包括在所述上部分和所述下部分之間的分界線，其中該磨條上表面到該分界線的距離為該磨條前邊緣的磨條寬度的1.2到1.6倍。
11. 根據權利要求9所述具有高强度高性能磨條的精磨機板， 其中所述凹槽包括淺凹槽和與所述淺凹槽相間的深凹槽。
12. 根據權利要求11所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述深凹槽具有基本矩形的截面。
13. 根據權利要求9所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中每一個磨條上的所述第一側壁比所述第二側壁延伸到所述精磨機板內更深。
14. 根據權利要求9所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述研磨部分為所述精磨機板上多個研磨同心環研磨部分中的一個。
15. 根據權利要求9所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中在每一個磨條中，所述第一側壁鄰近第一相鄰磨條的所述第一側壁，並且所述第二側壁鄰近第二相鄰磨條的所述第二側壁。
16. 根據權利要求15所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述磨條還包括所述上部分和所述下部分之間的分界線，其中該磨條上表面到所述分界線的距離範圍為該磨條前邊緣的所述磨條寬度的1.2到1.6倍。
17. 根據權利要求15所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述凹槽包括相鄰磨條的所述第一側壁之間的淺凹槽和鄰近相鄰磨條所述第二側壁的深凹槽。
18. 根據權利要求17所述具有高强度高性能磨條的精磨機板，其中所述深凹槽比所述淺凹槽更窄。