专利名称：用于磨片的磨条和凹槽模式和用于挤压研磨的方法本发明适用于各种类型磨片的磨条和凹槽设计，包括但不限于圆盘研磨 机、对转圆盘研磨机、单动三盘和双流研磨机、圆柱状研磨机、锥形研磨机和 锥形磨盘研磨机。磨片通常布置在研磨机中，以具有由间隙分隔开的相面对表面。磨片相对 于彼此旋转。纤维材料通常通过流经磨片之一中的中心入口引入磨片之间的间 隙中。纤维材料在磨片之间的间隙中流动，并且在流动中横跨磨片的相面对表 面上的磨条移动。当纤维材料在磨条上方移动时，磨条向材料施加力，例如挤 压脉冲和碰撞力。这些力倾向于当相对磨片上的磨条在彼此上方交叉时最大。 施加到纤维材料上的力作用在材料中的纤维网上，以将单纤维从纤维网分离， 并且进一步开发这些纤维。单纤维的分离和纤维块的重复挤压导致纤维材料的 研磨。传统的磨片具有由布置在磨片表面上的凹槽分隔的磨条。当纤维材料、蒸 汽、水和其他材料在磨片之间径向向外移动时，这些材料流经凹槽，并且在磨 条上方流动。纤维材料的研磨倾向于不在凹槽中进行。研磨主要发生在纤维材 料在磨条的顶部脊上方移动时。凹槽可包括阻碍物或阻塞物，以防止或限制纤 维和流体经过所述凹槽的流动。磨条通常包括沿磨条的面向前的顶部边缘的尖锐前边缘。磨条的传统尖锐 前边缘角被认为促进在磨条上方经过的纤维材料的剪切。当相对磨片上的磨条 彼此经过时，其碰撞和剪切在磨条之间被捕获的纤维材料。纤维材料与磨条的 剪切碰撞是磨条交叉的副产物。纤维材料的剪切是不期望的。传统观点认为，期望尖锐前边缘角来提供具有陡峭坡度凹槽，以使凹槽的 横截面容积提供足够的流量来使纤维材料在磨片之间移动。钝角前边缘及其相 应的带坡度前面，即前侧壁将形成具有相对窄横截面积的传统凹槽，所述相对 窄的横截面积不足以容纳将经过所述凹槽的纤维材料和一起的蒸汽和水的流动。名称为"Refiner Element Pattern Achieving Successive Compression Before Implact "的美国专利5， 039， 022和名称为"Pumped Flow Attrition Disk Zone"的美国专利4， 678， 127中显示了磨条上各种类型的前边缘。相对磨条的交叉形成挤压力脉冲，其挤压磨条之间的纤维材料。挤压脉冲 将促进纤维材料研磨的机械力施加到纤维材料。挤压脉冲被认为通过产生高强 度纤维材料来提供期望的研磨作用。长久以来存在对最小化纤维材料的碰撞力和由此引起的剪切并且最大化 用于研磨材料的挤压脉冲的磨片的需要。

为了减小传送到纤维材料的剪切碰撞能量， 一对相对研磨部件的至少一个 包括具有钝角磨条边缘的磨条。为了减小磨条前边缘上的尖锐边缘剪切纤维材 料的程度，磨条的前边缘角度应优选为钝角，例如在150度和175度之间。磨 条上的钝角前边缘将减小由传统磨片的尖锐前磨条边缘产生的磨条和纤维材 料之间的碰撞。最小化碰撞将减小纤维材料的剪切，由此最大化通过重复的挤 压研磨分离的纤维的强度。
本发明的一个实施例是一种用于机械研磨系统的磨片，例如定子磨片或转 子磨片，所述磨片包括研磨表面，包括磨条和凹槽，其中，所述磨条具有由 在150度到175度之间的内角限定的前边缘。所述磨条可每一个包括从所述前 边缘延伸到相邻磨条的后面的前面。所述磨片可包括前面，所述前面具有关于 所述磨条的上部脊形成在150度到175度之间的角度的上部侧壁部分和基本上
6垂直于所述磨条的基底的下部侧壁部分。而且，所述磨条的前面可以是凹入或
凸出。另外，所述磨条的后边缘可具有在80度到140度之间的内角。磨条之
间的凹槽可每一个具有通过磨条的所述前面和后面相交形成的凹槽底部。
本发明的另一个实施例是用于机械研磨系统的磨片，所述磨片包括研磨 表面，包括磨条和凹槽；每一个所述凹槽具有在相邻的磨条的上部脊之间延伸 的宽度；所述磨条每一个具有前面、上部脊表面和由所述前面和所述上部脊表
面相交形成的前边缘，其中，所述前边缘具有在所述前面和所述上部脊表面之
间的在150度到175度之间的内角，并且其中，每一个磨条的所述上部脊表面 的宽度在所述脊表面和凹槽宽度的总宽度的30%到75%的范围中。
本发明的又一个实施例是在具有相对的磨片的研磨机中机械研磨木质纤 维材料的方法，所述方法包括将材料引入所述相对的磨片之一中的入口；相 对于另一个磨片旋转至少一个磨片，其中，由于通过旋转产生的离心力，所述 材料径向向外移动穿过所述磨片之间的间隙；当所述材料移动穿过所述间隙 时，将所述材料传送到第一磨片的研磨区中的磨条上方，其中，所述磨片的至 少一个上的磨条具有由在150度到175度之间的内角限定的前边缘，和将所述 材料从在所述磨片的外围处的间隙排出。


图1是例如转子和定子磨片的传统磨片一部分的剖视图，显示了磨条和凹 槽的传统几何横截面形状。
图2显示了相对磨片的传统磨条的交叉，其中，所述磨条以横截面显示。
图3是施加到图2中所示交叉磨条之间纤维材料的力的曲线图。
图4是例如定子磨片的磨片一部分的剖视图，显示了磨条和凹槽的新颖的 几何横截面形状。
图5显示了相对磨片的一个磨片的传统磨条与相对磨片的新颖磨条的交 叉，其中，所述磨条以横截面显示。
图6是与施加到图2和3中所示的交叉磨条之间的纤维材料的力(虚线) 相比较时，施加到图5中所示交叉磨条之间纤维材料的力(实线)的曲线图。图7显示了相对磨片的都具有新颖齿外形的磨条的交叉，其中所述磨条以横截面显示。
图8a和8b以横截面显示了具有平直前侧壁(8a)和弯曲前侧壁(8b)的磨条。
图9为例如定子磨片的磨片一部分的放大剖视图，显示了磨条和凹槽的新颖几何横截面形状。
图10是例如定子磨片的磨片一部分的放大剖视图，显示了磨条和凹槽的另一种新颖几何横截面形状。
图11是显示了具有用于环状转子磨盘和磨片组件以及环状定子磨盘和磨片组件的研磨机壳体的研磨机的剖视图。
图12是图11中所示的环状定子磨盘的主视图。

图1是例如转子或定子磨片的传统磨片10的一部分的剖视图，显示了磨条14和凹槽12的传统几何横截面形状。磨条具有由磨条的前面18和磨条的上表面处的脊20的相交形成的相对尖锐的前边缘16。如果在转子磨片上，前面18是磨条面向旋转方向的侧壁，如果在定子磨片上，前面18是磨条的面向靠近的转子磨条的侧壁。
前边缘的角度限定为磨条的前面和脊20之间的内角21。传统的前边缘角尖锐，例如在90度到100度的范围中，并且可包括如75度小的前边缘角。磨条上的尖锐的前边缘，例如具有75到IOO度的前边缘角，易于在磨片之一或两者旋转过程中当相对磨片上的磨条交叉时剪切捕获在相对磨条之间的纤维材料。
传统磨条的尖锐前边缘提供几乎关于磨片基底22垂直的陡峭前面18。磨条的后面在磨条的关于前面的相对侧上。后面24陡峭，并且通常与脊20形成80到IOO度之间的内角。磨条的陡峭的前和后面形成凹槽12，其从顶部到基底22的高度处的凹槽的底部25相对宽。凹槽通常在相邻磨条的前和后面的下部拐角之间具有大体平直的表面底部25。宽凹槽12具有大的横截面积，这允许通过凹槽的相对大体积的例如蒸汽和水的材料流。用于通过大材料体积的宽凹槽的容积提高磨片设备的容量，以处理在磨片之间移动的大纤维材料流。
图2显示了相对磨片的传统磨条26和30的交叉，其中磨条以横截面显示。磨片可以是转子磨片26，它相对于静止的定子磨片30沿旋转方向(箭头28)移动的。转子和定子磨片彼此相对，以使相对磨片上的磨条的脊20彼此以脊之间相对小的研磨间隙32，例如0. 5到4毫米经过。交叉磨条之间的研磨间隙32用来进行更多的研磨作用来将纤维从纤维素材料分离的区域。施加到研磨间隙中的纤维材料的压力和力大于凹槽和磨条之间或相对的凹槽之间的区域中的压力和力。研磨间隙32中的较高的压力和力使纤维从纤维材料中的纤维网分离。
由磨片研磨的纤维材料34可在磨片之间的间隙32中剪切。传统磨条的尖锐前边缘16可直接碰撞和剪切纤维材料34。木纤维材料的剪切是不期望的。剪切可使纤维断开，减小通过研磨制备的纸桨中的纤维长度，并且减小基于使用所述纸浆制备产品的纤维的可能强度。当相对磨条的前边缘16交叉时，被剪切的纤维材料被认为在间隙32中最尖锐。磨条的尖锐的前边缘和前面的陡峭斜坡倾向于碰撞磨片之间的纤维材料。碰撞剪切纤维材料。
图3是由发明人根据理解图示的施加到图2中所示的交叉磨条之间纤维材料的力(F)的曲线图36。曲线图36的水平轴40图示了沿箭头28的方向移动经过距离(d)的磨条的运动。曲线38代表施加到磨片之间的材料的力。当一个磨片上的磨条的脊在相对磨片的凹槽(由距离dl图示)上方移动时，非常低的力40施加到磨条和凹槽之间的纤维材料。
当传统磨条的尖锐前边缘和陡峭前面靠近相对传统磨条的尖锐前边缘和陡峭前面时，施加到磨条之间的纤维材料的力显著增加，如由力曲线38的快速升高部分42所示。当相对磨条的前边缘交叉时，由于前磨条边缘激烈碰撞纤维材料，力象钉子一样升高至峰值46。力峰值46处于可剪切纤维材料，使材料中的纤维断开，并且对材料造成其他损害的极高的高度48。
相对的磨条的脊在图2的距离d2过程中交叉。在相对的磨条的前边缘16交叉并且磨条的脊彼此相对之后，力快速减小到相对高的力水平50。该高的力水平50由磨条的脊20的交叉施加的压力脉冲产生。力50的高水平足够研磨纤维材料，例如使纤维从木质材料的纤维网分离。力50的高水平被认为基本上剪切纤维材料或对材料造成与在力峰值46过程中过大的压力水平48的施加产生的相同程度的损害。力峰值46是很多传统磨片不期望并且不需要的特性。
图4是具有磨条54和凹槽56的磨片的剖视图。磨条具有前面58，前面58具有相对于磨条的脊平面约5到40度的坡度。坡度可应用到从脊到基底的整个前面。可选地，坡度可应用到与脊相邻的前面的上部，而前面的下部更陡峭，例如具有45到90度的坡度。
前边缘60在磨条的前面58和脊62的交叉处形成。前边缘的内角61为钝角，并且可在140度到175度范围中，并且优选在155度到175度范围中，最优选在160度。
前面58具有由钝前边缘角产生的浅坡度。由于其浅坡度，每一个磨条的前面基本上延伸凹槽56的整个宽度。由于其浅坡度和钝前边缘，当前面靠近相对磨片上的磨条时，前面58逐渐将增加的压力施加到磨片之间的纤维材料。磨条54的后面64可基本上关于磨片的轴66平行，例如90度到100度的内角。磨条54和凹槽56成形为提供压力磨条和凹槽模式。
磨条之间的凹槽56由相邻的磨条的前面和后面形成。磨条的前面58的坡度逐渐沿靠近磨条的前边缘60的方向减小凹槽的深度。由于前面58的坡度，凹槽可具有三角形横截面形状，其中前面58和后面64在凹槽的底部62处交
叉。凹槽的横截面积应足够允许纤维材料中的水、蒸汽和其他流体流经磨片的凹槽而不会抑制相对磨片之间的纤维材料的流动。
凹槽56较浅，特别是靠近磨条的前边缘60处。浅凹槽促进纤维材料光滑移动经过交叉磨条之间的研磨间隙。浅凹槽倾向于将纤维材料移动到交叉磨条之间的研磨间隙中。图4中所示的钝角前边缘和具有坡度的前面倾向于增加磨条的脊之间研磨间隙的挤压位置中的纤维材料浓度，并且由此增加挤压研磨中可使用的能量。作为对照，传统的凹槽倾向于碰撞纤维材料，在前边缘上方和磨条相对脊之间的间隙中不提供平滑的过渡，并且倾向于允许纤维材料聚集在凹槽中。图4中所示的凹槽56与例如图1中所示的传统的凹槽相比较具有减小的横截面积。由于凹槽56中可获得的有限的容积，具有减小横截面积凹槽的磨片最适于(但不是必须的)下述之一(1) 一个磨片上的挤压(compression)磨条边缘设计和相对磨片上的传统磨条边缘设计；(2)在相对磨片上的研磨环形区之间交替的挤压磨条边缘设计和传统磨条边缘设计；(3)两个磨片上挤压磨条边缘设计，结合增强流量的设计结构，例如汽袋(如美国专利5，863，000中所示)、蒸汽凹槽(美国专利4，676，440)、泵送/供给凹槽或(4)提高关于纤维材料、水和蒸汽的容量的其他改进。
图5以横截面显示了磨条54， 12的交叉，其中磨条54之一具有图4中所示的前边缘，并且相对磨条具有例如图1中所示的传统尖锐前边缘。在该示例中，磨条的交叉以具有磨条12的转子磨片26显示，磨条12具有带尖锐前边缘16的前面18。定子磨片52的磨条具有带钝角前边缘60的具有坡度的前面58。转子磨片沿由箭头68所示的旋转方向移动。
纤维材料70在转子和定子磨片上的相对磨条之间的间隙中研磨，更具体地，当相对磨条交叉时通过施加到材料的压力。施加到纤维材料的力由磨条12，54的交叉产生，这减小磨片之间的间隙，并且由此增加间隙中和在间隙中施加到纤维材料70的压力。
当转子的磨条12在定子磨片中的凹槽56上方经过时，定子磨条54的前面58的浅坡度逐渐增加施加到纤维材料70的压力，并且靠近定子磨条54的前边缘60。定子磨条的前面58的浅坡度减小纤维材料由交叉磨条的前边缘激烈碰撞的倾向。由于磨条的外形，由定子磨条带坡度的前面58和钝角前边缘60产生的逐渐的压力增加较不倾向于材料的碰撞和剪切。由于纤维材料不在相对磨条的相对尖锐前边缘之间挤压，因此图5中转子磨条12的尖锐的前边缘16被认为较不倾向于碰撞和剪切木屑材料。
图6是图示发明人理解的施加到图5和图2中所示相对磨条交叉之间的纤维材料的力(F)的曲线图。实线力曲线74图示施加到图5中所示的转子和定子磨片26， 52之间的例如木屑的纤维材料的感知力。虚线曲线76显示了施加到图2中所示的转子和定子磨片26， 30之间的纤维材料34的感知力。
ii虚线曲线76类似于图3的曲线图36中所示的曲线38。虚线曲线76在图 6中通过比较显示，以示出与其中至少一个磨条具有带坡度的前面和钝角前边 缘(挤压磨条设计)的磨条的交叉产生的力(由实线曲线74所示)相比较的 由具有传统尖锐前边缘的磨条的交叉产生的压力峰值。
实线力曲线74显示了当转子磨条12的前边缘16在定子磨条54的凹槽上 方经过时，施加到纤维材料的力中的逐渐增加78。力中的逐渐增加与力中的快 速升高(参见图3中的曲线部分42)形成对照，其被认为当具有尖锐前边缘的 传统磨条如图6中由虚线曲线76显示靠近时发生。定子挤压磨条54的前面58 的浅坡度被认为使力逐渐增加到由力曲线74的顶点所示的最大力。
实线力曲线74显示出在由挤压磨条的钝角前边缘和转子磨条的尖锐前边 缘的交叉施加到纤维材料的碰撞力中基本上没有峰值。传统磨条外形中的相对 尖锐前边缘交叉时的碰撞力的峰值(参见曲线76中的峰值)被认为在至少一 个磨片具有例如图5中所示的磨条54的挤压磨条时被避免。
施加到磨条交叉的挤压步骤中的纤维材料的高水平的力80对于研磨材料 是足够的。当相对磨条的前边缘交叉时，定子磨条的前面的浅坡度被认为避免 了力峰值。避免施加到纤维材料的力中的峰值减小了当相对磨条的前边缘交叉 时纤维材料的剪切。当相对磨条的脊交叉时出现最大力水平80。在磨条交叉之 后，当磨条经过相对凹槽的上方时，施加于木屑材料上的力减小。当转子磨条 与定子磨条交叉时，图6中所示的力重复施加到纤维材料。
图7以横截面显示了转子磨片82和定子磨片84，其都具有磨条86，所述 磨条86具有带浅坡度和钝角前边缘的前面88。当转子磨片沿由箭头标示的旋 转方向移动，当磨条交叉时，纤维材料90受到重复的挤压脉冲。由交叉的磨 条86施加到纤维材料的力倾向于全部或至少大部分由施加到材料的挤压力产 生。交叉磨条具有在磨条交叉时最小化施加的碰撞力的横截面外形，例如带坡 度的前面和钝角前边缘。碰撞力的最小化应减小或消除由于相对磨条的前边缘 的交叉产生的纤维剪切。
如图4和7中所示，具有钝角前边缘和具有浅坡度的前面的挤压磨条可布 置在一对相对磨片之一或两者上。优选地，这些磨条布置在至少定子磨片上(参见图5)，但是可只布置在转子磨片上，或两个相对磨片上，例如转子-转子对 磨片和转子-定子对磨片(图7)。
图8A和8B每一个以横截面显示了具有磨条54， 92的磨片的一部分，所 述磨条54， 92具有钝角前边缘和带有浅坡度的前面。图8A中所示的磨条54 基本上与图4中所示的磨条54基本上相同。特别地，磨条54的前面58基本 上为平面，并且在横截面中形成直线。图8B中所示的磨条92具有凸出的前而 94，其合并到磨条的脊98中而在磨条92的前边缘96处没有任何的增加或其 他突变。图8a中所示的平面前面58可利于磨片的制造，例如模铸。图8b中 所示的磨条92的凸出的前面94和弯曲的前边缘96部分可最小化由于相对磨 片中的磨条的前边缘的交叉施加到纤维材料的力的碰撞和峰值。
图9是例如定子磨片的磨片100的一部分的放大剖视图，显示了磨条102 和凹槽104的新颖几何横截面形状。磨条具有带坡度的前面106和钝角前边缘 108。优选磨条的脊110的宽度(c)基本上等于凹槽104的宽度(b)。例如， 凹槽和磨条的宽度可每一个在2到8毫米(mm)的范围中，并且优选在2到4 毫米(mm)的范围中。磨条宽度对磨条和凹槽的结合宽度(d)的比例应在30% 到75%的范围中，并且优选在40%到60%的范围中。
磨条102的前边缘108的角度应在150度到175度的范围中。后磨条边缘 112的角度应优选在约90度，例如在80度到100度之间。后边缘上的锐角提 供具有陡峭坡度的后面，并且允许具有相对大横截面积的深凹槽。可选地，后 边缘角(e)可较宽，例如150度到175度，特别是如果磨片将沿任一旋转方 向运转。
凹槽横截面积应足够允许纤维材料、蒸汽和水在磨片之间经过。另外，凹 槽应具有足够允许磨条已经交叉之后的挤压释放。太浅的凹槽可能不足以提供 磨条交叉之后的挤压释放。没有充分的挤压释放，传送到纤维的能量效率可降 低。
凹槽的形状和磨条的侧壁可设计来提供用于凹槽的充分横截面积和对于 纤维材料的挤压释放。优选地，如上所述，前侧壁的上部具有坡度，并且前边 缘为钝角，以最小化磨条交叉时由前边缘在纤维材料上的碰撞。前侧壁的下部可具有陡峭的坡度或基本上垂直于基底，以增加磨片的横截面积。
图10是例如定子磨片的磨片的一部分的放大剖视图，显示了磨条115和
凹槽116的另一种新颖的几何横截面形状。磨条包括通常平直的上部脊117和 具有带坡度上部侧壁部分118、当所述侧壁结合到所述上部脊中时具有弯曲前 边缘119的前侧壁。前侧壁还包括基本上竖直的下部侧壁部分120，以增加凹 槽的深度和横截面积。
前侧壁和后侧壁64的下侧壁部分120可具有例如距离垂直于磨片基底22 的线的小于1或2度并且基本上垂直于磨片114的基底22的角度的拔模斜度。 上侧壁部分118和下侧壁部分120之间的转换可确定来提供凹槽的期望横截面 积，并且优选约在上部脊117和基底22之间的磨条的中部。
图11是显示具有研磨机壳体122的研磨机121的剖视图，所述研磨机壳 体122封装环状转子磨盘124和环状定子磨盘126。每一个磨盘分别支撑环状 转子磨片128 (其也可以是磨片节段的环状组件)和环状定子磨片130 (其也 可以是磨片节段的环状组件)。转子磨盘124安装在轴132上，所述轴132由 马达134旋转(参见半圆上的箭头)。机械调节，例如螺钉，将轴沿轴向(参 见双头箭头)移动来使转子磨盘和磨片相对于定子磨片和磨片沿轴向移动。轴 向调节确定磨片相对表面之间的间隙136。
未研磨的纤维材料通过定子磨盘的中心入口 138引入，并且进入磨片之间 的间隙136。由于由转子磨片的旋转施加的离心力，材料向外径向移动穿过所 述间隙。当材料在磨片之间移动时，材料经过相对磨片的交叉磨条之间，并且 由此研磨成具有分离纤维的纸浆。研磨的纸衆在磨片的外周排出间隙136，并 且通过出口 140从研磨机排出。每一个磨片141可包括多个环状且同心的研磨 区142、 144、 146和148。每一个研磨区具有布置在磨片表面上的磨条和凹槽 的模式。通常，相对的磨片具有类似的环状研磨区，其在放置在研磨机中时对 准。定子磨片130可例如包括内环状部分142和外环状部分144，内环状部分 142具有带钝角前边缘和浅前面的磨条，外环状部144具有尖锐的前边缘和陡 峭的带坡度前面。转子磨片128可具有内环状部分148和外环状研磨部分146， 内环状部分148具有带尖锐前边缘和陡峭前面的磨条，外环状研磨部分146具有带钝角前边缘和浅前面的磨条。
图12是通常显示了可以是转子磨盘或定子磨盘的磨盘131的主视图。磨 片141的环状阵列布置在磨盘131上。磨盘通常包括两个或多个环状研磨区 150、 152和154。每一个研磨区通常具有磨条和凹槽的统一模式。
优选具有钝角前边缘和浅坡度前面的磨条在用于每一个环状研磨部分的 一对相对磨片的至少一个磨片上。但是，相对成对的磨片可布置成使所述环状 研磨区150， 152的一个或多个具有在两个磨片上的带尖锐前边缘和陡峭前面 的磨条，并且至少一个环状研磨区154在至少一个磨片上具有带钝角前边缘和 浅坡度前面的磨条。
虽然本发明已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例进行了描述，但 是应可理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在所附 权利要求的精神和范围内的各种改进和等同布置。
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一种用于机械研磨系统的磨片，所述磨片包括研磨表面，所述研磨表面包括磨条和凹槽，其中，所述磨条具有由在140度到175度之间的内角限定的前边缘。