CC BY
26
УДК 676.1.054.1
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ
© Н.А. Петрушева1, Ю.Д. Алашкевич1, Н.Г. Чистова2
1 Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: sibstu@sibstu.kts.ru
2Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия)
Проведены исследования процесса обработки вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит. С использованием опыта обработки вторичного волокна в целлюлозно-бумажной промышленности был предложен способ приготовления вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит. С помощью методов математического моделирования получена математическая модель процесса обработки вторичного волокна. Установлено влияние технологических параметров используемого оборудования на качество вторичной массы.
Введение
Во всех странах мира важным направлением природоохранной деятельности лесохимического производства является развитие ресурсосберегающих технологий, позволяющих использовать в качестве сырья отходы производства. В настоящее время рациональное потребление материальных ресурсов предполагает принципиально новый подход к воспроизводству вещественных факторов производства. Одностороннее использование вовлекаемых в хозяйственный оборот ресурсов изжило себя экономически, технологически и экологически. Практическое решение этой проблемы особенной актуально для лесохимической промышленности (производство бумаги и картона, древесноволокнистых плит), характеризующихся значительными резервами в области рационального использования сырья, энергии и утилизации производственных отходов [1-3].
Основным сырьем при производстве волокнистых материалов продолжает оставаться древесина хвойных пород. Однако при растущем дефиците данного сырья актуальным становится и использование вторичного волокна. В целлюлозно-бумажной промышленности и в производстве древесноволокнистых плит источником вторичного волокна являются сухие и мокрые отходы производства.
В направлении более полного использования вторичных ресурсов и увеличения производства продукции из них в целлюлозно-бумажной промышленности были достигнуты определенные успехи. По литературным данным [4] мировой уровень использования макулатуры поднялся с 40% в 1992 году (в сорока двух обследованных странах) до 43% в 1997 году, практически предел регенерации достиг 50%. В России расчетный ресурс макулатуры составляет около 4 млн т, что составляет около 30% потребляемой бумаги. Около 80% макулатуры направляется на выпуск картона, около 20% - на выпуск бумаги [5].
В то же время вопрос использования вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит (ДВП) изучен недостаточно. Работ, посвященных данному вопросу, крайне мало, а существующие уделяют основное внимание удалению клейких загрязнений из основного потока. Вопросу обработки вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит не уделено должного внимания. Процесс
* Автор, с которым следует вести переписку.
предварительной обработки волокнистого материала при использовании его в производстве очень важен и оказывает большое влияние на физико-механические характеристики готовой продукции. Основная цель предварительной обработки вторичного волокна заключается в создании условий для полноценного его использования. При соответствующей механической обработке волокон можно частично улучшить механические свойства массы путем создания новых участков межволоконных связей вместо разрушенных, за счет дополнительной фибрилляция волокон [6]. Между тем, для производства древесноволокнистых плит мокрым способом проблема утилизации отходов стоит очень остро: объем отходов производства древесноволокнистых плит составляет около 20% от объема основного сырья, при этом захоронение на полигонах или сжигание их на местных ТЭЦ очень пагубно сказывается как на экологии прилегающих территорий, так и на экономике предприятий по производству ДВП. Отсутствие технологий по обработке вторичного волокна для использования его в основном производстве - вот, по нашему мнению, главная причина действительного положения дел.
Экспериментальная часть
В исследуемом нами Лесосибирском лесопромышленном узле основным сырьем для производства древесноволокнистых плит является древесина хвойных пород. Древесноволокнистую массу для производства ДВП получают с применением ножевых размалывающих машин в две ступени: первая ступень - дефибратор и вторая ступень - рафинатор. Обработку вторичной массы традиционно пытаются осуществить с помощью ножевых размалывающих машин - конической или дисковой мельниц. По наблюдениям специалистов предприятий по выпуску ДВП, присутствие вторичной массы в основной композиции способствует снижению физико-механических свойств готовых древесноволокнистых плит, что подтвердилось проведенными нами исследованиями по определению способа обработки вторичного волокна, с использованием опыта целлюлозно-бумажной промышленности. Для приготовления вторичного волокна в ЦБП используют гидроразбиватели различных типов [4, 6].
Исследования проводились на промышленном оборудовании (коническая мельница МКЛ-01) и в лаборатории (дисковая мельница) завода ДВП Лесосибирского ЛДК-1, а также в лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий» СибГТУ (гидроразбиватель).
Целью первого этапа эксперимента являлось выявление наиболее эффективного оборудования для обработки вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит. В результате выяснено, что использование гидроразбивателя является наиболее эффективным с точки зрения физико-механических характеристик готовых древесноволокнистых плит. Также применение гидроразбивателя позволяет увеличить процент возвращаемого в производство волокна с 11-13% в настоящее время до 20%, т.е. применение гидроразбивателя позволяет возвращать в производство весь объем волокна без значительного ущерба для физико-механических характеристик готовых древесноволокнистых плит.
На следующем этапе была решена задача построения математической модели, адекватно описывающей процесс обработки вторичного волокна в гидроразбивателе для производства древесноволокнистых плит. Для построения математической модели процесса, проверки ее адекватности и для оценки влияния на процесс каждого учитываемого технологического фактора используем регрессионный анализ - метод, который позволяет устанавливать значения факторов и диапазоны их варьирования по своему усмотрению, согласно технологическому процессу [7].
Для получения регрессионных зависимостей был реализован В-план второго порядка [8]. Его достоинства:
- для его реализации необходимо сравнительно небольшое число опытов, которое определяется следующим образом:
N = 2К + 2К , (1)
где К - количество факторов.
Тем не менее, он позволяет получать раздельные оценки парных взаимодействий параметров, линейных и квадратичных эффектов:
- коэффициенты регрессии вычисляются по простым формулам, независимо друг от друга и с одинаковыми минимальными дисперсиями;
- полученное с его помощью уравнение регрессии дает одинаковую погрешность выходного параметра на одном и том же расстоянии от центра эксперимента независимо от сочетания входных факторов.
В общем случае, когда число варьируемых факторов равно к, модель имеет вид
У = В + £ В,Х, + £ В„X? + £ В, XX, , (2)
,=1 1=1 1,,=1
где У - исследуемый выходной параметр; Х1 и X] - независимые переменные факторы в условном (нормализованном) масштабе (1 и ] принимают от 1 до 3, но 1 Ф ] ); к - число независимых переменных (к = 1; к = 3); В0 - свободный член уравнения регрессии, характеризующий средний уровень выходного параметра; В1 - коэффициенты регрессии, характеризующие влияние входных факторов Х1 на выходной параметр У; В 1 ] - коэффициенты регрессии, характеризующие эффективность парных взаимодействий входных параметров.
На основании литературных данных [9, 10] и по результатам предварительного эксперимента в качестве входных (управляемых) факторов эксперимента были выбраны следующие технологические параметры процесса: / - продолжительность обработки вторичного волокна, с; Т - температура воды в процессе роспуска вторичного волокна, °С; с - концентрация волокнистой массы, %. Уровни и интервалы варьирования этих факторов представлены в таблице 1.
Контролируемым фактором эксперимента был выбран основной показатель качества волокнистой массы - степень помола (ДС)
Таблица 1. Основные факторы и уровни их варьирования
Обозначения Интервал варьирования фактора Уровень варьирования фактора
Наименование фактора Натур. Нормал. нижний (-1) основной (0) верхний (+1)
Продолжительность разработки 1 Х1 9102 6102 15102 24-102
вторичного волокна, с Температура вторичной массы, 0С Т Х2 20 10 30 50
Концентрация вторичной массы, % с Хз 1 1 2 3
Обсуждение результатов
В результате реализации схемы регрессионного анализа и оценки степени влияния каждого входного технологического фактора на выходную величину была получена следующая математическая модель:
ДС = 12,1 + 0,0021 + 0,033Т + 1,8с + 0,000002412 + 0,0007Т2 + с2 + 0,000045Т + 0,000451, + 0,034Тс.
Наглядное представление о влиянии факторов и взаимодействий на отклик дает изучение графиков, построенных по полученной модели (рисунок а, б, в). Проанализируем влияние на отклик факторов ґ и Т и взаимодействия Тґ. Для этого зафиксируем фактор с и построим поверхность отклика (рисунок а). Как мы видим, с ростом значений продолжительности обработки величина степени помола массы также увеличивается. При этом с увеличением значений фактора Т - температуры степень помола массы увеличивается практически линейно. Отсюда следует, что при больших значениях температуры продолжительность обработки будет оказывать более сильное влияние на степень помола вторичной массы.
Аналогично рассмотрим влияние факторов ґ и си их взаимодействия. Построим поверхность отклика, зафиксировав фактор Т (рисунок б). Влияние фактора ґ - продолжительности обработки - сохраняет свой вид, но чем больше значения фактора с - концентрации, тем более возрастает влияние продолжительности обработки на значения степени помола. Также очевидно, что и при больших значениях продолжительности обработки влияние как температуры, так и концентрации массы на степень помола возрастает.
-
□ 14,893
□ 15,593
□ 16,293 I I 16,993
□ 17,693 I I 18,393
□ 19,093 I I 19,793
□ 20,493
□ 21,193 I I аЬоуе
а - при фиксированных значениях концентрации
□ 13,762
□ 14,773
□ 15,784
□ 16,795
□ 17,806
□ 18,817
□ 19,828
□ 20,839
□ 21,850
□ 22,861 I I аЬоуе
б - при фиксированных значениях температуры
...г-т--..
I—I 17,072 I—I 17,610 I—I 18,148 I—I 18,686 I—I 19,224 I—I 19,762 I—I 20,300 I—I 20,838 I—I 21,376 I—I 21,914 I I аЬоуе
в - при фиксированных значениях продолжительности обработки
Зависимость степени помола вторичной массы от технологических параметров гидроразбивателя
График на рисунке в дает возможность проанализировать и взаимодействие факторов Т и с. Очевидно, что как с увеличением значений фактора Т влияние концентрации (с) на степень помола вторичной массы усиливается, так и при увеличении значений фактора с усиливается влияние температуры на степень помола массы.
Анализ полученных математической модели и графиков позволит определить параметры оборудования для обработки вторичной массы с целью получения необходимого качества массы (степени помола).
Выводы
В связи с малой изученностью проблемы использования вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит проведение исследований в этой области необходимо продолжать. Необходимо исследовать влияние конструктивных и технологических параметров оборудования для обработки вторичной массы на физико-механические характеристики готовых отливок. Это позволит более эффективно использовать сырье в производстве древесноволокнистых плит.
Список литературы
1. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности (Образование и использование): Справочник. М., 1983. 224 с.
2. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Зарипов З.З. Возможность использования вторичного сырья при производстве древесноволокнистых плит // Вестник СибГТУ. 2001. №2. С. 128-131.
3. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Чистова Н.Г., Зарипов З.З. Расширение сырьевой базы при использовании вторичной массы при производстве древесноволокнистых плит // Проблемы экологии и развития городов. Красноярск, 2001. С. 227-232.
4. Целлюлоза, бумага, картон. ВНИПИЭИлеспром. Вып.11. М., 1998.
5. Черенков В.Ф. Технология и оборудование для переработки макулатуры // Целлюлоза, бумага, картон. М., 1995. №1-2. С. 29-31.
6. Смоляницкий Б.З. Переработка макулатуры. М., 1980. 176 с.
7. Чистова Н.Г., Смирнов И.В., Алашкевич Ю.Д., Петрушева Н.А. Математическое описание процесса размола первой ступени размола при производстве ДВП // Машины и аппараты целлюлозно-бумажной промышленности. СПб., 2000. С. 42-46.
8. Пижурин А.А. Современные методы исследования технологических процессов в деревообработке. М., 1972. 248 с.
9. Легоцкий С.С., Гончаров В.Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М., 1990. 224 с.
10. Гаузе А.А., Гончаров В.Н., Кугушев И.Д. Оборудование для подготовки бумажной массы. М, 1992. 352 с.
Поступило в редакцию 17 декабря 2002 г.
