王瓊生

(福建師范大學化學與材料學院,福建福州,350108)

造紙用氧化鋁陶瓷錐形除渣器的研制與磨損行為

王瓊生

(福建師范大學化學與材料學院,福建福州,350108)

用氧化鋁陶瓷制作造紙工業(yè)錐形除渣器中關鍵且最易磨損的錐體部件,其高耐磨蝕性和低摩擦光滑內壁使其在正常運行時壽命可達7～9年。在協調除渣系統各部件使用壽命、穩(wěn)定整個除渣系統工作效率和降低動力能耗方面它起到決定性作用。磨損分析結果表明:經4年除渣運行后,陶瓷錐體內面上段開始出現魚鱗狀磨蝕凹坑、下段出現螺旋線磨痕麻點和錐體出口輕度變形。錐體內面的磨損主要是渣粒沖刷切削摩擦、紙漿腐蝕和疲勞等3種磨損機理共同作用的結果,其中引發(fā)磨損和嚴重磨損的地方位于耐磨蝕性較差的晶界玻璃相和有應力集中現象的孔隙處。

錐形除渣器;紙漿;氧化鋁陶瓷;磨損

造紙廠為提高紙張質量和保證造紙機的順利運轉,紙漿上成形網前應做進一步的除渣、除氣和篩選以達到凈化的目的。除渣器就是用來篩去紙漿中各種密度比纖維大得多的渣物(如打漿調料時混進的砂粒與鐵渣、樹皮、漿團和纖維束等)[1]。國內外現多采用錐形除渣器,因為它的半徑是逐漸縮小,即使圓周速度下降也可以使離心力不致下降,所以這種形狀的除渣器高效節(jié)能[2]。錐體是除渣設備的核心,也是最易受磨損的部位,其尺寸穩(wěn)定性和壽命直接影響到紙張質量和產量。從國內各紙廠使用的錐形除渣器錐體材質看,它主要有3類:聚合物及其復合材料(硬橡膠、尼龍和聚氨酯等工程塑料)、金屬及其合金(灰鑄鐵、不銹鋼)和無機材料(玻璃、精細陶瓷)[3]。實踐表明,前兩類材料都因耐磨性差使其錐體壽命很難超過6個月,玻璃錐體壽命也不到1年,不僅影響除渣效果、造成紙漿流失,還需經常維修或更換,減少紙機作業(yè)時間。精細陶瓷的高硬度、高強度、抗腐蝕和耐磨等優(yōu)良品質可使這類材質的錐體壽命高出前者12倍以上。因此,精細陶瓷錐形除渣器已在歐美日等國的紙漿凈化設備上得到廣泛應用。

福建南平造紙廠曾引進過日本三菱公司B IRD-7型氧化鋁陶瓷錐形除渣器,該陶瓷錐體在不同的除渣工段的正常使用壽命不低于7年,而且高效節(jié)能、除渣設備結構緊湊占地面積小、工作環(huán)境清潔,在改善紙張質量和提高產量方面都表現出良好效果。這表明精細陶瓷是目前制造除渣器錐體的最佳材質。當然,國內只有大型龍頭紙廠在引進國外成套紙漿凈化設備時使用到這類材質的除渣器,中小型紙業(yè)公司則大多通過引進消化后才開始使用國產陶瓷錐形除渣器。但國產陶瓷錐形除渣器在尺寸精度、耐磨性和質量穩(wěn)定性方面與國外同類產品相比仍存在諸多問題。

本研究以日本三菱公司B IRD-7型高效節(jié)能型陶瓷錐形除渣器為原型(J92A),研制了氧化鋁陶瓷錐形除渣器(99A),并在福建南平造紙廠長網新聞紙機紙漿凈化工段進行試運行和磨損行為分析,希望對造紙廠紙漿凈化設備技改和生產各種規(guī)格的陶瓷錐形除渣器提供可供參考的工藝路線、技術參數和使用經驗。

1 實 驗

1.1 原料與設備

氧化鋁陶瓷主原料是鄭州鋁廠生產的α型工業(yè)級氧化鋁(純度99%、粒度≤5μm)。MgO和稀土氧化物(均為分析純)等為燒結促進劑和晶粒成長抑制劑。PVA為成形黏結劑(配成含25%PVA水溶液),它是改善坯體完整性和可加工性所必需的。

三筒振動球磨機為研磨和混料設備。冷等靜壓機為成形設備。高溫窯爐為燒結設備。上海機床廠M1432A型萬能外圓磨床和鉆床(配金剛石砂輪和定制錐體鉆頭)為陶瓷錐形外、內面加工和研磨機加工設備。陶瓷錐體的力學性能和材料使用前后的顯微結構在長春第二試驗機廠WD-1C型試驗機、洛氏硬度計、金相顯微鏡和掃描電鏡(PH IL IPS XL30 ESE M)上測試分析。

1.2 氧化鋁陶瓷錐形除渣器制備與加工

氧化鋁陶瓷錐體制造工序和工藝參數為:96%氧化鋁粉,1%MgO、T iO2和Y2O3的混合物和3% PVA溶液,進球磨機進行濕法混合研磨20 h,烘干造粒后等靜壓成形(200 MPa下保壓5 m in),錐體生坯按放尺要求粗加工后進窯爐高溫燒結(1780℃保溫8 h),最后按設計尺寸要求精加工錐體并研磨拋光錐體內面。錐體尺寸規(guī)格和成品實物見圖1。

考慮到該錐體屬特大異型體,不僅錐體中空、錐度大,而且錐體上下端有多層大小不等的臺階面,因此選用等靜壓成形法。錐體內壁的光潤度直接影響漿流渦旋流動的穩(wěn)定性,如果內壁表面太粗糙,對渦旋流動就會產生擾動,出現紊流,降低分離效率,因此對錐體內壁進行了研磨拋光。

1.3 氧化鋁陶瓷錐體的理化性能與顯微結構

對影響錐體耐磨性的化學成分、體積密度、硬度和顯微結構等化學與物理性能做了分析測定,結果見表1和圖2。圖2中反光片是99A和J92A錐內面拋光工作面經磷酸腐蝕過的金相光學顯微鏡觀測圖,黑色點或小塊為氣孔或空隙,灰白色柱狀或不規(guī)則粒狀為剛玉晶相,剛玉晶相間深灰細或粗的線為晶界結合相。電鏡圖為觀測相應樣品斷面的顯微結構。玻璃相含量則采用HF酸腐蝕法測量。

結構分析結果表明,99A錐體礦物組成為剛玉,呈不規(guī)則粒狀,平均粒徑8μm,最大12μm。剛玉晶粒間以直接結合為主,晶界有少量不連續(xù)分布的玻璃相(5%左右),形成密堆積結構。晶間有約10%小孔隙。J92A錐體主礦物為剛玉,以短柱狀為主、粒狀為輔,平均尺寸3μm×6μm,最大6μm×15μm。副礦物為莫來石,呈板柱狀,平均尺寸6μm×20μm。以20%連續(xù)分布的晶界玻璃相為剛玉晶粒間結合相,形成密堆積結構。晶間有約15%大孔隙和多晶粒不規(guī)則松散團聚體。J92A產品因助燒劑中含6.4%氧化硅,產生了柱狀莫來石礦相和晶間玻璃相,而剛玉和莫來石晶粒高溫下在玻璃相中很容易異常長大或溶解后析出短柱狀剛玉和特大的板狀莫來石,結果使晶粒結構不均勻,并導致多晶堆砌生成較大空隙(見圖2 (b))。不過低硬度的莫來石和玻璃相、結構孔隙將成為紙漿除渣凈化過程引發(fā)摩擦磨損、腐蝕和疲勞破壞的發(fā)源地[4-5]。從表1結果看,提高氧化鋁含量,控制燒結助劑中SiO2含量達到了減少材料中易磨蝕的玻璃質結合相、提高錐體材質密度和硬度的目的。這對錐體是否耐磨、以何種方式發(fā)生磨損將起關鍵作用[6]。

1.4 氧化鋁陶瓷錐形除渣器運行試驗

南平造紙廠二抄4#紙機除渣設備按一級三段方式布置,第一段有13×2只仿Bird7型不銹鋼錐形除渣器,除渣器下端噴頭為硬橡膠錐形噴嘴(直徑5～10 mm)。本試驗將同規(guī)格氧化鋁陶瓷錐體研制品安裝到該段上進行實地生產運行考察,運行環(huán)境與參數見圖3。

根據錐形除渣器工作原理(見圖4),當一定壓力和流速的紙漿沿切線方向進入除渣器上部進漿口后,便沿著內壁產生向下的強力旋轉。而旋轉運動所產生的離心力使紙漿中密度大的渣粒不斷拋向內壁,并在重力作用下沿錐體內壁下旋至排渣口沖刷排出。密度小的纖維進入由離心力在除渣器中心軸產生的低壓區(qū),并沿中心軸向上以螺旋線軌跡旋轉而不斷地自頂端出漿口排出,最終達到分離雜物凈化紙漿的目的,而且離排渣口越近渣粒濃度越高,渣粒對錐體內壁的沖刷磨損越強烈。因此,把耐磨陶瓷錐體安置到渣粒濃度最高、離心沖刷力最大的部位可保證整套錐形除渣系統處在高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)并使各部件使用壽命相匹配。當然,陶瓷錐體內壁始終在約50℃酸性紙漿侵泡下與硬質渣粒之間按一定軌跡發(fā)生剪切沖刷,內壁磨損不可避免。

圖3 99A安裝在南紙二抄4#紙機除渣一段運行現場照片

圖4 錐形除渣器工作原理

2 結果與討論

2.1 氧化鋁陶瓷錐形除渣器運行情況

從生產運行跟蹤測定數據看,經4年除渣運行后,99A和J92A陶瓷錐體內表層開始出現不同程度的磨損,但工作性能穩(wěn)定,壽命遠高于同型號不銹鋼錐體。運行1年后,99A錐體內壁仍光滑無磨損, J92A內壁總體光滑,但內壁上段有零星分布的直徑小于0.3 mm的麻點,不銹鋼錐體內壁則出現向下走勢的螺旋線磨痕和密集分布的直徑1 mm以上、深1～2 mm的磨蝕凹坑,而且壁厚度減薄3～5 mm,下錐口嚴重變形,除渣效能明顯下降,已接近使用壽命。運行4年后,99A錐體內壁總體光滑,錐下口形狀無變化,只在接近出口段內壁有呈向下螺旋線走勢的輕微磨痕和零星分布的直徑小于0.3 mm的麻點,預計壽命有9年。J92A錐體上至中段內壁沿圓周則已出現了連續(xù)分布、大小和深度不等的魚鱗狀凹磨蝕坑,下段內面粗糙、有呈向下螺旋線走勢的輕度磨痕和零星分布的直徑小于0.5 mm黑色麻點,錐下口徑輕度變形變大,預計壽命7年。

值得注意的是,渣粒種類及其大小與噴嘴堵塞不僅對錐形除渣器磨損和壽命影響大,也影響到成紙質量和成形網壽命。福建南平造紙廠用馬尾松機制紙漿生產新聞紙,紙漿中的渣主要來自機漿系統帶入的粒徑為0.1～2.0 mm的無機硬質粒子,如磨木機上磨盤、磨齒和磨輪因磨損掉下來的碳化硅、石英砂磨料和鐵砂,還有工業(yè)用水中的泥沙、煙囪飄來的煤灰和空氣中的塵埃,甚至有施工中遺漏的直徑最大可達12 mm的水泥塊、木片或樹皮等,其次來自機制漿料中不可避免的漿團和纖維束等軟質雜物(見圖3)。

圖5 J92A錐體內壁宏觀磨損特征

圖6 J92A和99A氧化鋁陶瓷錐體內面運行4年后的微觀磨損特征

因此,除渣器噴嘴堵塞頻率較高,1臺紙機大概每天會發(fā)生1～2個錐形除渣器噴嘴堵塞現象。堵塞是漿料中較大的樹皮、木片、漿團和纖維束與細砂等雜物共同交織作用的結果,通常是先有大塊水泥塊或樹皮掐卡在橡膠噴嘴內,有效口徑變小使?jié){流受阻,隨后漿團、纖維束與細砂等雜物共同交織逐漸沉積直至堵塞。一旦噴嘴堵塞又沒及時疏通,就會造成兩種后果:一是渣回吸到紙漿進入紙機造成紙張斑點、網耗明顯上升和脫水板磨損加重;二是錐體內壓、振動頻率幅度和渣粒濃度上升,導致沉降于錐體中的渣粒一直高速旋轉于錐體內壁而加速其磨損。磨損后凹凸不平和粗糙的內壁使渣流軌跡混亂并引發(fā)纖維團聚,不僅除渣效果下降、動力消耗增加,錐體壽命也銳減。即使是氧化鋁陶瓷錐體,4～5個月內也會導致錐體破裂或錐內壁變形而失去除渣效能?？梢姳O(jiān)控除渣設備工作參數、定期檢查排渣嘴口徑和即時疏通堵塞的工作不可忽視。

2.2 氧化鋁陶瓷錐體內壁的磨損行為

對除渣運行4年的J92A內壁磨損現象的宏觀分析結果(見圖5)表明,錐內壁上段形成了與渣在錐體內運行軌跡一致的、有序且連續(xù)分布的扁長形魚鱗狀沖蝕凹坑,下段主要形成了輕微的螺旋線磨蝕溝痕和眾多大小深淺不等的麻坑,并使該段面顯得較為粗糙,錐下端口徑也輕度變大變形。這說明錐體自上而下,隨渣流運行軌跡、沖刷速度與角度和渣粒濃度漸變,內壁磨損形式、磨損量和相應的磨損機理也在發(fā)生漸變。而且,與以玻璃相結合為主的J92A相比,直接結合為主且結構孔隙小而少的99A表層磨損程度較輕。

進一步的微觀分析結果(見圖6)表明,從渣流在錐體中的運行軌跡看,錐內壁幾乎受到從平行到垂直各角度的高速渣流持續(xù)作用,造成摩擦至沖擊的侵蝕性磨損(第一類磨損機理)。這種摩擦至沖擊作用在脆性表層產生的切向應力及壓應力引起表層晶粒、晶界結合相和表面缺陷(孔隙和裂紋)四周產生應力集中,不斷導致晶粒脆斷或晶界結合相開裂,并在接觸表面及亞表層持續(xù)產生不同走向微裂紋。當這些微裂紋沿著材料的薄弱環(huán)節(jié)晶界和晶間孔隙發(fā)生擴展和相互連通網絡化后,即持續(xù)發(fā)生晶粒的相繼剝落,最終在表層形成了宏觀上深淺、大小不等的凹坑和麻點。這種磨損機理在錐內壁上段占主導,因為該位置渣粒濃度相對低,渣粒在內壁上沖刷行程長、沖量大,導致沿渣流螺旋運行軌跡生成該磨損機理典型的、有序且連續(xù)分布的扁長形魚鱗狀磨蝕凹坑;在下段位置渣粒濃度相對高,渣粒在內壁上沖刷行程短、沖量小,導致輕微的螺旋線摩擦溝痕和麻點。而且,渣粒容易填入表層原生孔隙和后生剝落形成的麻坑和裂縫等凹形缺陷里起磨料作用,加速缺陷周邊晶界損傷開裂和晶粒粹裂脫落形成接觸性滑動研磨磨損[7]。

此外,運行后的錐內表面由光滑變粗糙,已沒有清晰的晶粒外形和晶界。取而代之的是侵蝕、疏松和有裂紋的晶粒和晶界,以及充滿碎屑的晶間空隙和晶粒剝落后的凹坑。這表明親水性的晶粒、晶界玻璃結合相、孔隙和裂紋處長期浸泡在50℃酸性紙漿里,同時發(fā)生了腐蝕性化學反應與應力腐蝕[8-9](第二類磨損機理),導致了晶間玻璃結合相、甚至剛玉晶粒表層變得疏松開裂。在渣流持續(xù)沖刷下,該內壁變質層中的晶粒容易脆斷或剝落在內壁形成更大更多的凹坑和麻點。不僅如此,錐內壁在持續(xù)渣流接觸沖擊和前兩種磨損機理共同作用下,表層乃至次層晶粒和晶界必然進一步損傷與累積,加速晶粒、結合相和孔隙處裂紋萌生、擴展和交聯,形成表面接觸疲勞磨損[10-11]。而且腐蝕與疲勞磨損在以玻璃相結合為主和含孔隙較多較大的J92A錐內壁上尤為顯著(見圖6(a))?？梢?氧化鋁陶瓷錐形除渣器在紙漿渣流持續(xù)沖刷運行下,錐內壁磨損是相繼通過摩擦沖擊、腐蝕和疲勞等3種機理,并在相互促進和循環(huán)下完成的,其結果導致大面積的晶粒脆斷和崩落,于內壁形成較大且邊緣輪廓分明的魚鱗片狀凹蝕坑和伴隨裂紋的麻坑。在常規(guī)氧化鋁陶瓷錐體生成工藝條件下,應當控制助燒劑類型和用量,避免剛玉晶粒間形成過多的玻璃結合相,調控氧化鋁原料粒度配比,防止造粒和成形過程形成假顆粒和晶間過多過大的空隙。

3 結 論

3.1 用氧化鋁陶瓷制作的錐形除渣器中關鍵卻最易磨損部位的錐體,其高耐磨蝕性和低摩擦光滑內壁使其在正常運行時的壽命可達7～9年,在協調除渣系統各部件使用壽命、穩(wěn)定整個除渣系統工作效率和降低動力能耗方面起到了決定性作用。在安裝時要特別防止磕碰,開啟和關閉操作時一定要按規(guī)范程序進行,一旦堵塞必須及時停用并疏通后再用。

3.2 紙漿經氧化鋁陶瓷錐體除渣凈化后,錐體工作面上段會磨蝕成連續(xù)分布的魚鱗狀凹坑,下段磨蝕成螺旋線軌跡的磨痕和大小深淺不等的麻坑,錐口變大變形。它們的磨損主要是渣流沖刷切削摩擦、腐蝕和疲勞等3種磨損機理共同作用的結果。其中,耐磨蝕性較差的晶間玻璃相和孔隙是引發(fā)磨損的薄弱環(huán)節(jié)。要獲得高性價比的氧化鋁陶瓷錐體,生產中宜考慮部分使用納米級氧化鋁原料來調控粒度配比,防止假顆粒形成導致燒結體晶間出現過多過大的空隙;擇優(yōu)選擇助燒劑種類和用量以實現低溫燒成,在抑制晶粒異常長大形成精細結構的同時,減少晶間玻璃相量和孔隙率。

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Abstract:The manufacture ofAl2O3ceramic cone used for centricleaner in pulp and paper industry and itswear behavior in stock cleaning system were investigated.The ceramic cone is the key partof the centricleanerwhich receives themostwear,and has 7～9 years service life due to its very high qualitypolished inside surface and specialwear resistance and corrosion resistance.It has definitive effecton har monizing the service life of various componentpartsof the centricleaner,keeping the stable efficiencyof impurities removing,and reducing energy consumption.The results ofwearing analysis showed that the wear is found on the inside surface of the cone after operating under proper conditions for 4 years.The upside shows scale-like hollow,the downside shows spiral track pit,and the nozzle shows defor mation.The insidewear is the result of three kinds ofwearmechanism of shear friction,corrosion,and fatigue during the impurities removing from the pulp.The positions of heavywear locate at the intergranular glass phase,which is poorwear and corrosion resistance,and the intergranularporositywhere the stress concentration occurs.

Keywords:centricleaner;pulp;cleaning;Al2O3ceramic;wear

(責任編輯:常 青)

Preparation andW ear Behavior of the A l2O3Ceram ic Centricleaner

WANGQiong-sheng

(College of Chem istry and M aterial Science,Fujian Nor mal University,Fuzhou,Fujian Province,350108)
(E-mail:wangqs@fjnu.edu.cn)

TS733

A

1000-6842(2010)03-0052-06

2010-04-09(修改稿)

福建省自然科學基金資助項目(2006J0251/U0650007;ZD513009);福建省教育廳資助項目(JB05313)。

王瓊生,男,1961年生;碩士,高級工程師;主要從事無機材料工業(yè)應用的科研和教學工作。

E-mail:wangqs@fjnu.edu.cn