鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机

摘要

本发明公开了一种鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机，包括槽体和安装于槽体底部的转子，所述槽体呈鼓形，包括上椭球体部和下倒锥体部，所述槽体的内壁具有呈上升螺旋线排列的返流板，所述返流板的旋向与转子的转向相反。本发明的槽体结构在碎浆时对纸料具备很好的循环、搅动、剪切和聚拢功能，而且具有能量损失少、碎浆效率高、运行平稳等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于机械处理造纸纤维原料的碎浆机，具体涉及一种鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机。

背景技术

水力碎浆机的基本功能是将纸浆板、废纸（纸板）等在浸泡水的条件下，通过水力和机械力等作用碎解成纸浆。碎解的目的是使浆板或废纸（纸板）等离解成浆料纤维悬浮液，即使原先交织成纸页的纤维层最大限度地离解成单根纤维或纤维束类而又最大限度地保持纤维的原有形态和强度。碎解操作能使重、大的杂质与纤维分离。在处理需要脱墨的废纸时，通过加入一定量的脱墨化学品并通汽加热，使纤维与油墨分离。

现有O形水力碎浆机的结构如图1所示，由O形槽体、转子、筛板、传动部件、支撑架等组成。在槽体的顶端设有落料口和喷水管，粗渣出口位于槽体底部、筛板之上，良浆出口位于筛板下方。其中槽体的作用非常重要，一方面提供碎浆容器（体积大小影响产能）和工作场所，另一方面与转子配合形成废纸（或浆板）、浆水系统的流动状态；转子的作用是产生动能，促使废纸（或浆板）碎解和推动系统的循环流动，如图2所示。

为了改善物料水系统的移动路径和碎浆流动状态，可以在O形槽体内壁设置垂直向△形挡板，如图3和图4所示；也可以改进槽体的形状，如图5的D形、图6的σ形以及图7的G形槽体；另外，还可以在槽体内壁上设有助升推式导流板，如图8和图9所示。传统式水力碎浆机的转子位于槽体底部的中心；也有转子不在中心，位于筒形槽的偏心位置，如图10所示。

工作原理：

1．物料流动与流向。由于槽体底部转子（或称刀盘）高速旋转的作用，被转子接触的物料由底部中心区甩向周边区，然后沿槽壁自下向上流动，再从上部的周边区流向中心区，自中心区下沉至刀盘，形成一个立面方向的循环流；同时，因转子的旋转驱动，槽体内上中下各水平面的物料形成水平向旋转流。总体上，物料在槽体内的流动与流向是上述立面环流和水平旋流的合成，即如图2中的旋涡流。

2．碎浆。浆板或废纸在浆槽稀释水中得到充分润涨而结合强度迅速下降，转子（又称飞刀）输出的能量大部分传送给水，通过水力产生非常强烈的搅动、剪切，转子直接作用于浆板或废纸上对其冲击、撕裂或摩擦，以及纸料片（块）之间相互摩擦、搓揉，从而快速地完成碎浆功能。在连续操作的碎浆机中，废纸原料或浆板和稀释水连续不断地加入，已碎解成的纤维浆料则穿过筛板连续地排出槽外；间歇操作的碎浆机操作程序为：注水、投料、碎浆、放浆、排出粗渣。

传统式立式碎浆机主要技术问题和缺点：

1. 在槽体的形状方面，碎浆机槽体标准型为圆形，也称O形。处理较大的OCC纸捆和混合废纸时，物料都有一个上浮的趋势；在圆形槽体中，当物料较大、沿着槽内作稳定水平旋转流动时，料块间不易松散而需要较长的时间才能浸入液面向下至刀盘处散浆。为了促进料块间松散和改善其在槽中的移动路径，采用D形、σ形或G形槽体。D形槽体虽区别于O形槽体，因D形作用使物料水平向旋流为非稳定的D形湍流，一定程度上产生松散物料块作用，使得转子和纸料的接触更迅速、频率更高，可缩短纸料加入后碎浆处理的时间；但D形槽体与O形槽相比存在着容积利用率小、有死角的缺点，更为不足的是转子传递给浆料的动能因D形流（不对称流）有一部分在物料撞击槽壁时造成能量浪费，同时从机械角度来看D形流使槽体产生的振动较大以及转子受力的不对称性会影响机械部件的寿命。σ形和G形槽体与D形具有类似的优点和缺点。

2. 在挡浆板的设置方面，已有设计在槽体内壁设置垂直向△形挡板，可以对浆料的圆周向流动进行阻挠，只是依靠△形挡板发挥部分松散料块和将局部物料导向水平向中心区作用，不能导向中心底部方向作用，从而使物料容易浮在浆池表面而减少与转子的接触，最终导致碎浆效率低下。

3. 挡板除了垂直于槽底设置外，国外已有专利在槽壁内设置流线形导流板，如图8和图9所示，流线形的导流板叶片安置于槽体内壁工作液面以下。导流板呈45°顺着纸料的漩涡方向排布，帮助纸料抬升从而加速纸料的周期循环运动。导流板分布于不同的高度以满足不同工作液面的需求。其不足在于：这种顺着纸料漩涡运动方向排布的导流板对于纸料只起到了导流、升流作用，而不能直接产生使纸料向中心槽底聚拢的动力，碎浆效率低下。

4．在槽体的总体结构方面，传统的水力碎浆机槽壁与槽底垂直，这样的结构使得水力碎浆机的容积得到充分利用；但另一方面，位于槽体上部物料远离转子的剪切和湍动，只是做单一的水平旋涡运动，纤维之间摩擦作用降低，从而影响碎解效率。同时，上部的物料由于动能损失形成的旋流运动相对动力不足，向心力大大降低。

5. 图10所示的福伊特公司最新设计的Intensa pulper中转子位于筒形槽的偏心位置，使槽内物料流更加湍流化，实现了更有效的纤维分离作用。缺陷是这种不对称结构使得槽体受力不均，从而产生振动和噪音；另外，转子（含轴承）受力不对称，造成了设备部件容易损伤，维护成本提高。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种运行平稳、效率高、能耗低的鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机，包括槽体和安装于槽体底部的转子，所述槽体呈鼓形，包括上椭球体部和下倒锥体部，所述槽体的内壁具有呈上升螺旋线排列的返流板，所述返流板的旋向与转子的转向相反。

作为优选，所述上椭球体部从上到下直径逐渐变大，其下部端面为直径最大处；所述下倒锥体部从上到下直径逐渐变小，其上部端面与椭球体的下部端面相互连接。

作为优选，所述槽体高度为其最大端面直径的1.0～1.2倍。

作为优选，所述上椭球体部的中心处竖剖面为椭圆弧线，所述椭圆的短轴等于上椭球体最大端面处的直径，长轴位于槽体轴线上，长轴与短轴之比为2:1；所述下倒锥体高度占槽体高度的20%～30%，所述倒锥体的母线与槽底平面的夹角为40°～60°。

作为优选，所述槽体的顶部还具有竖直的上沿直体部，所述上沿直体部的高度占槽体高度的16%~20%。

作为优选，所述螺旋线的螺距为40～50cm。

作为优选，所述返流板呈非连续的间断排布，间断返流板的相邻间隔为18～20cm，即相邻返流板的端部之间在螺旋线上的距离为18～20cm。

作为优选，所述螺旋线排列的多层返流板中，每层返流板的数量为4～6段，相邻的层间返流板间隔交错。

作为优选，所述返流板与槽体底平面的夹角为40~50°，最好为45°。

作为优选，所述返流板的横截面为梯形，所述梯形的底边、顶边两斜边分别对应返流板的底面、顶面、斜面和返料面，所述底面与斜面的夹角为40°，底面与返料面的夹角为75°，所述顶面上具有锯齿形结构。

工作原理：纸料由碎浆机顶部和稀释水一同进入水力碎浆机后随浆流潜入槽体底部，与槽底旋转的飞刀盘接触。快速旋转的转子对物料块团施以搅动、撕拉和剪切，被分散的纸料由于离心作用沿槽底径向被快速推送至槽壁。槽壁下部的倒锥形结构使纸料的流动得以转向向上，倾斜的角度也减少了纸料与槽壁撞击时损失的能量。随后浆料沿槽壁向上爬升，通过不断撞击沿槽内壁反流向、45°螺旋线、间断排布的返流板而产生的湍动，有利于纸料块团的松散以及纸料纤维之间产生摩擦和搓揉；同时返流板顶部的凹槽也对浆料进一步产生剪切和搅动作用，使得浆团进一步分散；由于返流板的结构和反旋流向排列将浆料更好地反力推动导向槽内中心和底部的转子部位，增加了转子与纸料接触碎浆机会。在浆料沿槽壁向上的爬升过程中，由于槽体内壁上部为椭球体形，无论是沿壁上升的、还是来自于各水平层中心的纸料流，均有被这种椭球体形壁的反力作用而导向槽内中心和底部的转子部位的推动，增加了转子与纸料接触碎浆机会。

在上述过程中，纸料块（团）往返于转子、槽体轴线与槽壁之间，一边不断发生湍动和剪切，一边沿槽壁向上爬升。浆料爬升到槽体上部椭球体部分与槽壁撞击，又被朝向槽体中心和槽底推送。纸料在槽体内形成对称的涡旋运动，不断往复，直至被分散成单根纤维或者合适尺寸纤维束状浆料，后经过底部筛板进入良浆出口。

有益效果：本发明由于采用了鼓形结构和槽壁上焊有反流向、45°螺旋线、间断排布、带凹槽的梯形截面返流板，导致以下几个关键性优点：

1、碎浆机底部到槽壁的过渡段采用一个倒锥体底部进行了流动优化。与传统的垂直壁面相比，这种倒锥体底部结构使得碎浆机转子产生的纸料流动易于转向，同时降低了浆料沿槽底径向撞击壁面的能量损失；

2、碎浆槽体上部采用椭球弧形收口，弥补了传统碎浆机碎浆效果沿浆槽高度分布不均匀的缺陷，改变浆料移动路径，将浆料同时向槽体中心和槽底转子区域推送，减少碎纸片或纸料块上浮在表面的量，也在纸料内部产生搅动促进纤维分散。另外，传统碎浆机中上升到槽内上部的纸料由于动能损失形成的旋流运动相对动力不足而向心力大大降低；此时，椭球弧形收口结构使浆流圆周运动半径减小，增加浆流向心反作用力，同时也节约了空间和能耗，提高碎浆效率；

3、槽体内壁的返流板方向与转子转动方向相反且与槽底平面形成45°角，在圆周方向和竖直方向都给予纸料流动以反向阻扰力，增加纸料流的湍动；同时推送纸料向槽体中心和槽底转子区域推送，加强碎浆机会和效果。返流板分层交错间断排布，导致邻近浆团分层湍动，不至于再次聚集在一起；

4、槽体内壁上的返流板为梯形截面钢结构，其A面为斜面设计，有利于纸料下滑、不易堆积在返流板上；B面为返料面，由于纸料的冲刷，返流面会逐渐磨损，故返流面的设计与槽体底面呈一角度，反而能够更好地将浆料向转子中心聚拢，有效地延长使用期限。返流板顶面等间距加工若干凹槽，进一步对浆料产生剪切和搅动作用；

5、本发明的槽体呈对称结构，既克服了传统O形槽体的“当物料较大、沿着槽内作稳定水平旋转流动时，料块间不易松散而需要较长的时间才能浸入液面向下至刀盘处散浆，导致碎浆效率低”的不足；又克服了其它类槽体的“不对称流”使部分物料在撞击槽壁时造成能量浪费，同时从机械角度使槽体产生较大振动以及转子受力的对称性而影响机械部件的寿命”的不足；

总之，“D形、σ形、G形槽体和槽体底部转子偏心布置等结构”是为克服传统O形槽体的不足而发明发展起来的，但本身又没有继承O形槽体对称结构之优点而带来了不足。本发明既又克服了传统O形槽体的不足、又克服了“D形、σ形、G形槽体和槽体底部转子偏心布置等结构”之‘不对称流’不足。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是现有O形水力碎浆机的结构示意图；

图2是图1的使用状态示意图；

图3是图1设三角形挡板后的结构示意图；

图4是图3的改进结构示意图；

图5是D形水力碎浆机的结构示意图；

图6是σ形水力碎浆机的结构示意图；

图7是G形水力碎浆机的结构示意图；

图8是图1设流线形导流板的结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是Intensa pulper槽体内转子偏心安置示意图；

图11是本发明实施例的结构示意图；

图12是图11中A-A部的剖视图；

图13是图11中B向的局部示意图；

图14是不同槽体碎浆效率的对比折线图；

图15是不同槽体能耗的对比折线图；

图16是本发明实施例鼓形槽体相对平面的振动波形图；

图17是偏心转子的Intensa pulper相对平面的振动波形图；

图18是σ形槽体相对平面的振动波形图；

图19是G形槽体相对平面的振动波形图；

图20是D形槽体相对平面的振动波形图。

具体实施方式

实施例：

本实施例的鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机如图11所示，其槽体呈中间大、上下部位直径小的鼓形，包括依次连接的上沿直体部1、上椭球体部2和下倒锥体部3。槽体高度为其最大端面直径的1.0～1.2倍，最大端面直径位于上椭球体部2和下倒锥体部3的结合处。

其中上沿直体部1位于槽体顶部，其槽壁与槽体底面垂直，其高度大约占槽体高度的18%，工作液面位于垂直壁面以下。

上椭球体部2从上到下直径逐渐变大，从其中心竖剖面上看是一个椭圆弧线，该椭圆的短轴位于槽体最大直径处、且大小与最大端面的直径相等，长轴位于槽体轴线上，长轴与短轴之比为2:1。

下倒锥体部3自上而下直径由大变小，呈现倒锥体形，倒锥体高度是槽体高度的20%～30%，该锥体母线与槽底平面的夹角θ在40°～60°之间。

转子安装于槽体底部，包括相互连接的转子轴承10和转子刀盘6，并在转子刀盘6上安装有转子飞刀组5。转子刀盘6下安装有筛板，筛板上方和下方的槽体上分别开设有排渣口7和出浆口8。在整个槽体的底部安装有支撑架9。

在槽体内壁设有螺旋排列的返流板4，集中分布在转子的水平位置以上、料液工作面以下，并呈上升螺旋线式、非连续的间断排布，螺旋线的旋向与转子的转动方向相反。返流板4与槽体底平面形成的角度取值45°；根据槽体的高度，返流板分为若干层，返流板相邻螺旋的间距t取40～50cm，间断返流板的相邻间隔S取18～20cm，单层的数量为4～6段，根据槽体的直径确定每段返流板的长度；相邻层间返流板以间隔交错的形式分布，即任意三个间隔都不在同一直线上。

如图12所示，返流板采用梯形截面的钢结构，焊于槽壁上的底面D约30cm长，底面D与斜面C的夹角α约40°左右，返料面B与底面D的夹角β约75°左右。

如图13所示，在返流板约5cm长的顶面A上等间距加工若干凹槽，进一步对物料产生剪切和搅动作用；凹槽加工槽口宽m约为5～10cm，槽口间距n约为15～20cm，槽底夹角γ为90°。

使用时，碎浆过程如下：

①纸料由碎浆机顶部和稀释水一同进入水力碎浆机后随浆流潜入槽体底部，与槽底的转子（飞刀盘）接触。快速旋转的转子对物料块团施以搅动、撕拉和剪切，被分散的纸料由于离心作用沿槽底径向被快速推送至槽壁。槽壁下部的倒锥形结构使纸料的流动易于转向向上，倾斜的角度也减少了纸料与槽壁撞击时损失的能量。

②浆料沿槽壁向上爬升，通过不断撞击沿槽内壁反流向、45°螺旋线、间断排布的返流板而产生的湍动，有利于纸料块（团）的松散以及纸料纤维之间产生摩擦和搓揉；同时返流板顶部的凹槽也对浆料进一步产生剪切和搅动作用，使得浆团进一步分散；由于返流板的结构和反旋流向排列将浆料更好地反力推动导向槽内中心和底部的转子部位，增加了转子与纸料接触碎浆机会。

③浆料沿槽壁向上爬升过程，由于槽体内壁上部为椭球体形，无论是沿壁上升的、还是来自于各水平层中心的纸料流，均有被这种椭球体形壁的反力作用而导向槽内中心和底部的转子部位的推动，增加了转子与纸料接触碎浆机会。

如上所述，纸料块（团）往返于转子、槽体轴线与槽壁之间，一边不断发生湍动和剪切，一边沿槽壁向上爬升。浆料爬升到槽体上部椭球体部分与槽壁撞击，又被朝向槽体中心和槽底推送。纸料在槽体内形成对称的涡旋运动，不断往复，直至被分散成单根纤维或者合适尺寸纤维束状浆料，后经过底部筛板进入良浆出口。

发明人根据长期以来对纸料（废纸或浆板）水力碎浆机的结构和碎浆机理研究，首次提出“槽体采用鼓形结构和槽壁上焊有反流向、45°螺旋线、间断排布、带凹槽的梯形截面返流板”应用到造纸用水力碎浆机结构改进上，并用ICEM软件对其模型划分混合结构网格，通过Fluent软件对其内部3～5%浓度纸浆悬浮液进行数值模拟；分析了其内部纸料浆流流场分布、运行轨迹和速度分布特征；同时建立小型实验装置，槽体主要加工2种（O形和鼓形槽体结构2种；O形槽体加设活动隔板即为D形、σ形、G形槽体），进行碎浆实验比较如下：

如图14所示，在同样槽体体积情形下，不同槽体单位时间产能（碎浆效率）的对比折线图可看出鼓形槽与D形、σ形、G形槽体接近。

由于鼓槽体螺旋返流板立式水力碎浆机内部流场具有对称性，碎浆效率高，与传统O形槽体比碎浆效率高25～35%（即达到同等碎浆效果下时间缩短），与D形、σ形、G形槽体碎浆效率相当。

如图15所示，鼓形槽在能耗上比传统的O形槽节约15%～20%，略高于转子偏心的Intensa pulper。

从图16、17、18、19和20中不同槽体振动波形的对比可知，本实施例鼓形槽体的碎浆运行过程与“Intensa pulper、D形、σ形、G形槽体”相比更加平稳，振动小，使得本发明结构的转子轴承等部件因运行时振动小和受力对称平衡而寿命明显延长。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。