《中国造纸学报》2024年增刊发表的《高浓磨浆过程强度表征研究现状及展望》由陕西科技大学刘欢、蒲永平、董继先等联合法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Roux Jean-Claude团队共同完成。该论文系统综述了高浓磨浆（high-consistency refining）领域的关键科学问题，聚焦磨浆强度（refining intensity）这一核心表征参数，旨在为制浆造纸及纤维板行业的节能降耗与纤维性能调控提供理论支撑。

研究背景与学术价值

高浓磨浆（浆料浓度10%-30%）是热磨机械浆（TMP）、化学机械浆（CTMP/CMP）生产的关键工序，其能耗占TMP总能耗的80%-95%（1900-2900 kWh/t）。随着我国化学机械浆产能预计在2025年达到1606.95万吨（较2022年增长59%），高浓磨浆过程的优化控制成为行业迫切需求。然而，高浓磨区存在蒸汽-浆料两相流、磨齿动态冲击、纤维停留时间（residence time）差异等复杂现象，传统低浓磨浆强度模型难以直接适用。本文通过解析磨区蒸汽运动机制、浆料停留时间计算方法、冲击频次（impact frequency）量化模型三大核心问题，构建了高浓磨浆强度表征体系。

主要学术观点与论据

1. 高浓磨区蒸汽运动机制

磨区蒸汽产生于纤维摩擦导致的相变，其运动以滞止点（stagnation point）为界形成内外回流（图1）。理论模型表明： - 压力分布：Dana模型（1975）假设蒸汽均匀产生，预测压力呈抛物线分布，但实测最大压力位于近入口1/3处（图2），与理论偏差源于未考虑浆料孔隙率。 - 速度场：Miles模型（2003）引入Navier-Stokes方程和Kozeny-Carman方程，预测蒸汽速度梯度（式1-2），其压力预测值与实验吻合度较高（图3），但未解决动态工况下能量分布不均的问题。 - 实验验证：Murton等通过示踪法发现外流蒸汽占比70%-80%，比能耗增加会显著提升外流速度（图5-6），而浆浓提高会增强回流效应。

2. 浆料停留时间计算方法

停留时间是磨浆强度计算的关键变量，其影响因素包括： - 理论模型：Fan公式（式7）首次引入径向速度积分，Miles简化模型（式8）忽略蒸汽项导致预测偏差，Ouellet修正模型（图10）证明蒸汽曳力可使浆料速度提升30%。 - 实验测量：光纤探针法（图12）测得CTMP浆料停留时间为0.1-2.8秒，放射性示踪剂显示破碎区停留时间达2.5-7秒（Harkonen, 2015）。 - 参数影响：转速从1200 rpm升至1800 rpm可使停留时间从1.24秒降至0.37秒；比能耗从800 kWh/adt增至1900 kWh/adt时，停留时间延长至1.08秒（Murton, 2018）。

3. 磨浆强度量化模型

May（2000）提出单次冲击平均能耗（specific energy per impact, I）和比磨浆功率（E）双参数模型（式15-16）： - 齿型参数：等距直齿磨片冲击频次计算需同时考虑动盘/定盘齿数（式11-14），传统放射型磨片模型（式9-10）存在局限性。 - 工艺调控：相同比能耗下，转速提升会降低冲击频次而增大I值（图13）；浆浓从15%提至25%可使I值下降50%（Miles, 2004）。 - 质量关联：最佳I值与浆种相关，CTMP的适宜I值范围较硫酸盐浆更窄，通过调节磨盘间隙可优化纤维长度和游离度。

研究创新与行业价值

1. 理论突破：首次系统整合蒸汽动力学、浆料运动学与磨齿力学，建立多参数耦合的高浓磨浆强度模型。
2. 方法创新：提出基于磨齿交错区域净力的冲击频次算法（式14），解决了传统模型仅考虑单盘齿数的缺陷。
3. 应用指导：指出直径1270 mm磨机的滞止点位置调控可节能12%，为ANDRIZ TX68等大型磨浆机优化提供依据。

未来展望

作者建议重点突破三个方向： 1. 多尺度建模：融合热力学-流体力学-控制理论，开发动态磨区仿真系统。 2. 智能监测：基于压电传感器（Senger, 2017）开发停留时间在线检测技术。 3. 磨片设计：通过齿倾角优化（花军, 2015）和挡坝参数匹配降低比能耗。

该综述为高浓磨浆机理研究提供了系统性框架，其提出的强度表征方法已被证实可指导化学机械浆生产中的能耗降低8%-15%（刘欢, 2023），对推动我国高端磨浆装备国产化具有战略意义。