淺談揚克烘缸表面修復技術

張 鋒 高致富 魏 濤

(陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術及特種紙品開發重點實驗室，陜西西安，710021)

隨著衛生紙機車速的不斷提升，揚克 (Yankee)烘缸作為衛生紙機最重要、最關鍵的部件之一，對成紙質量的影響越來越大。一方面，為了保證成紙質量，對揚克烘缸結構及性能要求比較高，如機械強度高、表面硬度大 ((220～260)±20 HBS)、精度要求高 (一般要求表面精度達到 ±0.5 mm，粗糙度(Ra)達到0.2 μm以下)、材料耐磨和表面光滑無缺陷等。另一方面，長期處于高溫高濕的工作環境中，揚克烘缸表面很容易發生腐蝕且受損情況復雜［1］;同時，由于刮刀的線壓力過大或者不均勻，也會引起揚克烘缸表面的磨損問題，主要表現為斑點、凹坑、劃痕等缺陷。這些缺陷都會給揚克烘缸的使用帶來巨大影響，首先，表面缺陷會使揚克烘缸的傳熱效率下降，造成紙幅干度不均勻，增加斷紙的可能性;同時，揚克烘缸的安全系數大幅度下降，增大安全事故概率;此外，受損的揚克烘缸表面凹凸不平，嚴重影響成紙質量。因此，對揚克烘缸表面修復技術的研究非常必要。

目前，揚克烘缸的表面修復主要有兩條技術路線:①對于使用時間不長且受損不嚴重的揚克烘缸，因加工磨量很小，并在其安全余量范圍內，常采用先表面檢測后表面磨拋的修復路線;②對于使用時間較長或受損嚴重的揚克烘缸，需保證安全系數，常采用先表面檢測、再表面熱噴涂、最后表面磨拋的修復路線。本文分別對表面檢測技術、表面熱噴涂技術和表面磨拋技術進行闡述。

1 表面檢測技術

由于腐蝕和磨損等原因，造成揚克烘缸表面出現蝕坑、裂痕、劃痕等諸多缺陷，嚴重影響了揚克烘缸的正常工作，從而導致成紙質量惡化，甚至可能引發安全事故。為了改善和提高揚克烘缸表面的工作性能，必須對受損缸面進行高精度的修復，而作為揚克烘缸表面修復的“眼睛”——表面檢測技術，其優劣直接決定著烘缸修復的成敗。一方面，可利用檢測技術測量揚克烘缸表面的原有尺寸，作為安全修復的標準;另一方面，可利用檢測技術檢測揚克烘缸表面的缺陷，作為磨削加工的參考依據。目前用于揚克烘缸表面缺陷的先進檢測手段主要是表面形貌測量技術。

表面形貌測量技術是利用激光傳感器等測距設備采集探頭與旋轉的揚克烘缸表面之間距離的信號數據，借助計算機技術，顯示揚克烘缸表面輪廓的三維立體圖像。表面形貌測量儀主要由探頭、導軌和計算機組成。通過電機的傳動作用，使架在導軌上的探頭做勻速的往復運動，再由探頭向低速旋轉的揚克烘缸表面發射穩定的激光束，并采集部分漫反射光束，然后將信號送給計算機，經過數據處理和圖像技術，就可以得到揚克烘缸表面形貌的三維立體圖像，其結構簡圖如圖1所示［2］。

表面形貌測量儀探頭主要由激光器、光學透鏡、反光鏡和位置敏感器件等組成。激光光源投射一束細光束到被測物表面形成一微小光點，位置敏感器件接收由被測物表面漫反射回來的一部分漫反射光，根據漫反射光在位置敏感器件上的成像位置，經信息處理和計算得到揚克烘缸表面缺陷的深度與烘缸橫向位置、烘缸周向位置 (螺釘個數)形貌位置關系圖，如圖2所示。

表面形貌測量技術與傳統的揚克烘缸表面缺陷檢測技術 (如磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、超聲波檢測)的優缺點比較如表1所示［3］。由于測量結果更加精準、工作效率更高，所以表面形貌測量技術已在其他行業中得以應用，該技術在揚克烘缸表面缺陷檢測方面的應用，國外已經獲得較為成熟的經驗。

圖2 揚克烘缸表面缺陷相對形貌圖

表1 表面形貌檢測技術與傳統檢測技術比較

2 表面熱噴涂技術

表面熱噴涂技術是一種表面處理技術，將金屬絲或金屬粉末加熱熔化，利用高溫、高壓、高速氣流將其霧化成細小顆粒，再以很大的速度噴射到揚克烘缸表面，依靠金屬粉末的物理化學反應，與基體金屬產生原子擴散結合，從而在揚克烘缸表面形成牢固附著并具有特定性能的涂層，其原理示意圖如圖3所示。由于涂層與金屬基體結合強度很大，可達29.4 MPa［4］，所以表面熱噴涂技術往往被用于揚克烘缸表面磨拋前的預處理。根據加熱方式的不同，可分為電弧噴涂、氧乙炔火焰噴涂、等離子體噴涂和爆炸噴涂等。

圖3 表面熱噴涂原理示意圖

表面熱噴涂技術有很多優點:①涂層組織致密均勻，可有效地降低揚克烘缸表面粗糙度，從而達到修復受損烘缸表面的目的。②可噴涂特殊材料，提高揚克烘缸表面特殊性能，延長烘缸壽命，甚至做到無需修復。如國內多以含鉻不銹鋼作為噴涂材料，提高揚克烘缸表面的耐磨抗蝕性能;國外已開發出更為先進的技術，可在揚克烘缸表面噴涂硬質材料，以改善揚克烘缸表面的耐磨等性能，延長使用壽命。③表面熱噴涂技術設備簡單，可現場作業，修復時間短，根據國內經驗，噴涂1個烘缸只需10～12 h(不包括噴前處理和噴后磨削)［5］。

但是，涂層也會給揚克烘缸的正常使用帶來一些問題:①由于不銹鋼的導熱系數比鑄鐵小，噴涂不銹鋼后會降低揚克烘缸的傳熱效率。②過厚的涂層也會降低揚克烘缸的傳熱效率。針對以上問題，國外通常采用加入鉬等金屬材料來提高揚克烘缸的導熱性能。另外，根據國內實踐經驗，涂層厚度一般應小于0.8 mm。

由于具有以上特點，表面熱噴涂技術在揚克烘缸表面修復方面具有很好的修復效果。所以，近10年表面熱噴涂技術被廣泛采用，現在已經比較成熟。其中，由于電弧噴涂的效率是氧乙炔火焰噴涂的3倍，并且具有能耗低，結合強度高等特點，因此，電弧噴涂成為使用最廣泛的噴涂方法，其工作示意圖如圖4所示。

圖4 高速電弧噴涂工作示意圖

3 表面磨拋技術

從設計、制造、生產使用等方面來看，一般通入揚克烘缸高溫蒸汽的壓力比較大，約為1.12 MPa，而且揚克烘缸的工作車速已超過2000 m/min，在這種情況下，揚克烘缸表面的任何缺陷都會成為巨大的安全隱患;同時，揚克烘缸總質量高達上百噸，所以裝卸難度非常大;另外，揚克烘缸修復周期短，一般1年需磨缸1次，在腐蝕嚴重的情況下甚至6個月就需要修復1次。所以采用高效安全的技術對揚克烘缸表面進行修復是非常必要的。

目前國內外的揚克烘缸表面修復技術主要有表面磨拋技術、砂輪磨削技術和電化學磨削技術［6］。其中，最為先進的表面磨拋技術在國外已被廣泛應用。該技術通過高精度的小型化砂帶磨床，對受損的揚克烘缸表面進行在線修磨，使其重新達到使用要求。砂帶磨床的主要部件為砂帶，砂帶磨削是根據揚克烘缸的形狀，以相應的接觸方式，利用高速運動的砂帶對其同時進行磨削和拋光的一種新型高效磨拋工藝。砂帶磨拋技術與傳統砂輪磨削技術的優缺點如表2所示，砂帶磨拋具有很高的工作效率，目前越來越多的專家學者正在積極研究砂帶磨削在揚克烘缸表面修復方面的應用。

表2 砂帶磨拋技術與傳統砂輪磨削技術優缺點的比較

在國外，美卓和福伊特等公司都已經開發出了用于揚克烘缸表面修復的砂帶磨床，如美卓公司開發的Crownmaster系統 (見圖5)和福伊特公司開發的VRG(Virtual Reference Grinding)系統 (見圖6)都是目前全球高性能的揚克烘缸表面在線修磨設備。首先，它們在傳統烘缸研磨機的基礎上采用高精度的現代化控制系統，大幅度提高了揚克烘缸表面修磨的精確度和可靠度;其次，它們都是集磨削和拋光為一體，可對揚克烘缸表面進行高效磨拋;最后，它們都可以完成對帶有中高揚克烘缸的表面修復。此外，福伊特公司的VRG系統還采用雙磨頭設計，進一步提高了磨削效率，使磨削所需時間由原來的3～5天縮短到1天左右，大大降低了企業的停機損失［8］。

圖5 美卓公司的Crownmaster系統

圖6 福伊特公司的VRG系統

4 結語

由于揚克烘缸不僅具有總質量大、修復難度高、維護周期短且所需時間長等特點，而且一旦出現表面磨損問題將嚴重影響成紙質量，所以對揚克烘缸表面修復技術的研究具有非常重要的意義。本文通過表面檢測技術、表面熱噴涂技術和表面磨削技術對近年來國內外揚克烘缸表面修復技術進行了分析，可知現已實現了檢測和磨削技術的一體化。隨著科學技術的不斷發展，為進一步提高揚克烘缸表面的修復效率，減少企業的停機損失，探索集烘缸檢測、表面噴涂和砂帶磨削為一體的揚克烘缸表面修復技術將成為主要發展趨勢，因此，研究開發更先進的揚克烘缸表面修復一體化技術也是亟待解決的重要課題。

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