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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m3—4800万m3，欲满足这一预期需求，需新增生产能力lO0O万m3—2l00万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。

    2．1 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。

    2．2 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2—5mm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(160—180℃)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1／4—1／5。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S—N关系曲线。其中影响S—N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35—45％，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1500—1800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0．0lmm。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。该系统将排放木浆所带走的蒸汽(包括纤维分离转化的蒸汽)排入高效汽纤分离器，分离后的蒸汽与蒸煮罐过剩的蒸汽，都排入降膜式蒸汽收集器。这些不洁的蒸汽加水净化后，在蒸汽发生器内产生清洁的蒸汽，这些蒸汽通过旋风除雾器与分离器，经压缩机加压后送入低压蒸汽系统回收使用。设置蒸汽回收系统的投入，将从回收的蒸汽中得到补赏，并很快获得收益。

    经历了半个多世纪的发展，现代热磨机已发展成为一种高速、大型、精密、高效、自动、数控和安全的高科技热磨系统。它是中密度纤维板优化生产的关键设备，也是机械行业机械制造能力的标志之一。