CC BY
75
УДК 674. 817
ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ СУХИМ СПОСОБОМ
© Н.Г. Чистова
Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск (Россия) E-mail: chistova@lfsibgtu.ru
Исследовалось влияние основных технологических и конструктивных параметров размалывающей установки на качество помола древесно-волокнистой массы, физико-механические свойства древесно-волокнистых плит сухого способа производства. Получены расчетные зависимости качества размола и плотности ДВП от доминирующих параметров размалывающих машин.
Ключевые слова: древесно-волокнистое сырье, электроэнергия, вторичная масса, математическая модель, технологический процесс.
Площадь Красноярского края, покрытая лесом, составляет около 70% всей территории края. Лесные запасы оцениваются в 7,3 млрд. м3 древесины, что составляет около 10% общероссийских запасов и 2,5% мировых. В связи с этим одним из основных направлений развития региона является рациональное и комплексное использование лесных ресурсов.
Вопросы утилизации и переработки древесных отходов остро стоят в современной промышленной отрасли. На деревоперерабатывающих предприятиях края основным направлением переработки низкокачественной и тонкомерной древесины, а также отходов лесопиления является производство древесно-волокнистых плит.
В Лесосибирске одним из крупнейших деревоперерабатывающих предприятий является ЗАО «Новоенисейский лесохимический комплекс». Для переработки древесных отходов, в большом количестве образующихся на предприятии, функционируют линии по производству ДВП мокрым и сухим способами.
Древесно-волокнистые плиты имеют ряд преимуществ по сравнению с пиломатериалами, столярными плитами, фанерой и другими листовыми материалами. Одинаковые физико-механические свойства в различных направлениях, сравнительно небольшие изменения в условиях переменной влажности, возможность получения плит со специальными свойствами, высокая степень механизации и автоматизации при их производстве и др., делают их незаменимым материалом в производстве мебели, тары, строительстве, домостроении.
В связи с возрастающим спросом на древесно-волокнистые плиты сухого способа производства наблюдается рост требований к их физико-механическим показателям, которые определяют дальнейшие возможности их использования в различных отраслях промышленности и для хозяйственных нужд. Это обстоятельство требует проведения научных исследований в этом направлении для получения высококачественной продукции при необходимой производительности оборудования.
В связи с этим в настоящей работе исследовалось влияние основных технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на качество помола древесно-волокнистой массы, а также на физикомеханические свойства древесно-волокнистых плит сухого способа производства.
Для этого был проведен ряд экспериментов на промышленном оборудовании ЗАО «Новоенисейский ЛХК».
На первом этапе наших исследований был проведен анализ теоретических и экспериментальных работ в области процесса размола древесно-волокнистых полуфабрикатов. На исследуемом предприятии подготовка древесного волокна для производства плиты осуществляется на быстроходном дисковом рафинере PR-42. В результате поисковых экспериментов установлено, что на качество помола древесно-волокнистой массы оказывает влияние множество конструктивных и технологических параметров размольной установки. Исследования также показали, что наибольшее влияние на эти показатели оказывают износ сегментов (отношение ширины ячейки ножа к его высоте), зазор между размалывающими дисками и число оборотов выносного шнека, подающего щепу в размольную камеру.
На исследуемом предприятии при производстве древесно-волокнистых плит сухим способом степень помола древесноволокнистой массы не определяется. Качество помола оценивается лишь визуально. Тем самым, качественные показатели готовой плиты выдержать постоянными нет возможности.
Поэтому для более полной оценки качественных показателей древесно-волокнистой массы при исследовании нами использовались различные способы: определение градуса помола массы на приборе «Дефибратор-секунда», приборе ВНИИДРЕВ и определение фракционного состава волокна на лабораторном гирационном фракционаторе.
Исследования физико-механических характеристик готовых плит (плотности, прочности на изгиб и на растяжение перпендикулярно пластин, толщины, водопоглощения и разбухания) проводились по известным методикам, согласно ГОСТ 19592-80 «Плиты древесно-волокнистые. Методы испытаний».
В настоящей работе представлены результаты исследований степени размола древесного волокна на приборе ВНИИдрев и плотности плиты толщиной 6 мм.
Программа экспериментальных исследований реализована комплексом активных многофакторных опытов. Результаты многофакторного эксперимента обрабатывались методами, разработанными для получения математических моделей с целью описания объекта и поиска оптимальных условий функционирования исследуемой системы.
Для получения регрессионных зависимостей был спланирован и реализован В-план второго порядка, который, несмотря на сравнительно небольшое число опытов, позволяет получать раздельные оценки парных взаимодействий параметров, линейных и квадратных эффектов. На наш взгляд, реализация такого плана исследований наилучшим образом подходит для обработки результатов представленного эксперимента. Обработка результатов эксперимента осуществлялась в пакете программы «8ТЛТ18Т1СЛ-6».
В результате обработки экспериментальных данных получены расчетные зависимости качества размола, измеренного на приборе ВНИИдрев (ПВ) и плотности ДВП (р, кг/м3) от конструктивных и технологических параметров размольной установки: зазора между размалывающими дисками (7, мм), оборотов выносного шнека рафинера (п, об/мин) и износа сегментов (Ь/И), т.е. отношения ширины ячейки размалывающих сегментов к высоте ножа.
Ниже представлены полученные математические зависимости
ПВ=-17,0104+89,24236-т+544,0431-7+6,866207- п-21,8906-Ь/Ь2-536,111-72-0,075625-
п2+33,49910-Ь/Ь-7+0,245327-Ь/И- п-11,5833^- п. ( )
р =727,4815+55,38928-Ь/ И +418,7679-7+2,455967-п-17,4977-Ь/ И 2-703,917-72-0,053431-п2+54,2134-Ь/ И
•7-0,488435-Ь/ И -п+0,720833-7-п. ( )
Коэффициенты, стоящие перед факторами, говорят о значимости входных параметров и влиянии их на исследуемые факторы, а также их парное взаимодействие на выходную величину.
На рисунках 1 и 2 представлены графические изображения функций отклика по полученным моделям от двух варьируемых факторов при фиксировании третьего на среднем уровне.
Анализ уравнения (1) показывает, что зазор между дисками и износ их поверхности в наибольшей степени определяют степень размола массы.
С увеличением зазора между дисками при минимальном износе сегментов, как видно из рисунка 1а, степень размола уменьшается в диапазоне от 218 до 132 ПВ, т.е. в достаточно больших пределах. Далее при
повышении степени износа сегментов верхняя граница степени размола древесного волокна возрастает до 240 ПВ, максимум достигается при Ь/И=1,8-2,6 (износ 40-70%). Зазор же между размалывающими дисками должен составлять 7=0,2-0,4 мм.
При том же износе, но уже при частоте вращения выносного шнека, равной п=20-28 мин-1, мы имеем возможность получить древесное волокно со степенью размола 230-240 ПВ. Ь/И=1,8-2,6 - это среднее значение износа сегментов и при фиксировании данного фактора на среднем уровне был построен график, приведенный на рисунке 1е.
Малая частота вращения выносного шнека хоть и благоприятно влияет на качество помола древесного волокна, но в то же время снижает производительность размольной установки, поэтому частоту вращения необходимо увеличивать лишь до некоторого предела, учитывая при этом, что при больших скоростях щепа не успевает размалываться, волокна плохо фибриллированы, а в древесно-волокнистой массе обнаруживается большое количество неразмолотых щепочек. Соответственно, для получения необходимых показателей готовой древесно-волокнистой плиты требуется больший расход связующего, что также недопустимо.
б)
а)
І I 240
І I 220
І I 200
І I 180
I 1160
І I 140
І I 240
І I 220
І | 200
І I 180
І I 160
в)
Рис. 1. Зависимость степени размола на приборе ВНИИдрев от исследуемых параметров
Одновременно проанализировав влияние величины зазора между размалывающими сегментами и частоты вращения выносного шнека, можно сделать вывод, что если выдержать расстояние между ротором и статором в пределах 0,2-0,3 мм, то можно добиться стабилизации степени размола при любой частоте вращения выносного шнека в выбранном диапазоне варьирования фактора. При увеличении зазора между дисками до 0,45 мм, требуется снизить частоту вращения выносного шнека и ограничиться значением п=30 мин-1, т.е. увеличить время пребывания древесного волокна в размольной камере. В данном случае можно получить степень размола 230-240 ПВ. Результаты эксперимента подтверждают сущность явлений, происходящих при размоле, так как нагревание размалываемой массы и одновременное механическое воздействие при размоле способствуют присоединению воды к клетчатке, в результате чего волокна набухают, становятся податливыми размолу и меньше подвергаются поперечному перерезанию.
На рисунке 2 представлена графическая зависимость, показывающая, как изменяется плотность ДВП с продолжительностью работы размалывающих сегментов и изменением частоты вращения выносного шнека. Анализ функции отклика показывает, что степень износа дисков оказывает большее влияние на плотность плиты, чем частота вращения выносного шнека, поскольку при изменении качества поверхности размольных дисков плотность плиты изменяется в более широком диапазоне, на что указывают также коэффициенты в математической модели, стоящие перед соответствующим фактором.
Например, при минимальном износе (Ь/И=1,15, 10% износ), при изменении частоты вращения выносного шнека от 20 до 40 мин-1, плотность изменяется от 868 до 840 кг/м3, а при максимальном износе размалывающих сегментов значение плотности значительно ниже и при том же изменении частоты вращения варьируется от 830 до 780 кг/м3, следовательно, с продолжительностью работы сегментов при всех прочих равных условиях плотность плиты будет уменьшаться, что подтверждают и исследования степени помола древесноволокнистой массы: чем больше износ, тем ниже степень помола древесного волокна; соответственно, чем грубее волокно, тем ниже плотность плиты. Максимальное значение плотности - 862 кг/м3 - можно получить при Ь/И=1,4-2,0 и при п=20-26 мин-1. Плиты, плотность которых должна быть больше 810 кг/м3, можно получить при износе сегментов до значения 2,6 мм.
І I 240
І I 220
І I 200
І I 180
І I 160
І I 140
І I 120
а)
б)
□ 840
І I 820
І I 800
І I 780
І I 860
І I 840
І I 820
І I 800
в)
І I 860
І I 840
І I 820
І I 800
Рис. 2. Зависимость плотности твердой древесноволокнистой плиты от исследуемых параметров
Зазор между размалывающими дисками, как видно из графика, представленного на рисунке 2в, и из уравнения (2), оказывает существенное влияние на плотность готовой плиты. При анализе предыдущего графика нами была ограничена степень износа до значения 2,6, то же самое показывает и данный график. Если износ сегментов не будет превышать 2,6, то зазор между размалывающими дисками можно устанавливать в пределах 0,35-0,45 мм, в этом случае плотность плиты будет составлять более 850 кг/м3. Если же износ сегментов менее 50%, то можно увеличить расстояние до значения 0,5 мм.
Таким образом, проанализировав данные графические зависимости, можно сделать вывод, что, согласно выбранным в работе интервалам и уровням варьирования, плиты с плотностью более 850 кг/м3 можно получить при 2=0,3-0,45 мм; п=20-26 мин-1 и Ь/Ь=1,2-2,2; плиты с плотностью не менее 810 кг/м3 - при 2=0,2-0,3 и 0,45-0,55 мм; п=20-38 мин-1; Ь/Ь=1,0-1,2 и от 2,4-2,8, показатели плит будут соответствовать ТУ 133-31-07-99.
Предложенные в работе математические модели, на наш взгляд, позволяют прогнозировать получение качественной древесно-волокнистой массы в зависимости от установленных режимов процесса размола; при известных значениях конструктивных и технологических параметров размалывающих установок определять физико-механические и геометрические показатели твердых древесно-волокнистых плит.
Правильный выбор и регулирование параметров размалывающих машин позволит влиять на технологический процесс получения ДВП в целом. Несомненно, исследования в данной области плитного производства являются актуальными, поэтому необходимы дальнейшие исследования по решению задач оптимизации работы размольного оборудования при производстве ДВП.
Список литературы
1. Алашкевич Ю. Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных машинах: Дис. ... докт. техн. наук. Красноярск, 1990. 361 с.
2. Чистова Н.Г. Размол древесно-волокнистой массы на промышленных установках при производстве ДВП: Дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2000. 193 с.
3. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М., 1973. 119 с.
Поступило в редакцию 4 марта 2009 г.
