CC BY
41
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 6, 2019
УДК 676.15
Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 6. С. 471^74
РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
В ДИСКОВОЙ МЕЛЬНИЦЕ
А. В. Ушаков, Ю. Д. Алашкевич, В. А. Кожухов, Р. А. Марченко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: al.ushakov2194@mail.ru
Установлено, что различные виды целлюлозы по-разному реагируют на повышение концентрации массы при размоле. В связи с этим требуется дифференцированный подход к решению вопроса о необходимости применения размола при высокой концентрации. В данной работе дан литературный обзор и представлены достоинства и недостатки дисковых мельниц используемых для размола волокнистых полуфабрикатов в целлюлозно-бумажной промышленности и производстве древесноволокнистых плит. Показаны особенности использования дисковых мельниц на технологический процесс размола. Выяснилось, что с появлением новых видов полуфабриката (целлюлоза высокого выхода, полуцеллюлоза) и производства древесной массы из щепы в подавляющем большинстве случаев используют дисковые мельницы. По данным исследователей выяснилось, что при размоле массы высокой концентрации независимо от породы древесины значительно повышается расход электроэнергии затрачиваемой на размол это можно объяснить, по мнению авторов более высокими силами трения в зоне размола. Одновременно наблюдается значительное повышение температуры в зоне массы размола превышающей необходимые параметры, что отрицательно сказывается на качестве помола и производительности размольной установки. Авторы выявили отсутствие некоторых данных влияющих на процесс размола у исследователей, ранее проводивших эксперименты по размолу массы высокой концентрации. Для исследования задач ранее не решенных предыдущими исследователями авторы спроектировали и разработали специальную размольную установку для размола растительного сырья высокой концентрации.
Ключевые слова: массный размол, качество помола, производительность, дисковая мельница, высокая концентрация.
Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 6, P. 471-474 BEATING OF FIBER MATERIALS OF HIGH CONCENTRATION IN DISK CHIPPER A. V. Ushakov, Y. D. Alashkevich, V. A. Kozhukhov, R. A. Marchenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: al.ushakov2194@mail.ru
It has been found that different types of cellulose react differently to increased mass concentration during grinding. A differentiated approach is therefore required to address the need for high concentration grinding. This paper provides a literary overview and presents the advantages and disadvantages of disk mills used for grinding fiber semifinished products in the pulp and paper industry and in the production of fiber boards. Features of using disk mills for grinding process are shown. It has been found that with the emergence of new types of semi-finished products (high yield cellulose, semi-cellulose) and the production of wood pulp from chips (first stage milling), disk mills are used in the vast majority of cases. According to researchers, when grinding a mass of high concentration regardless of wood species, it was found that the consumption of electricity spent on grinding significantly increases, according to the authors, this can be explained by higher friction forces in the grinding zone. At the same time, it was found that there was a significant increase in the temperature in the grinding mass zone exceeding the required parameters, which negatively affects the quality of milling and the productivity of the milling plant. Authors revealed lack of some data influencing process of grind at the researchers who were earlier making experiments on grind of mass of high concentration.
Keywords: mass grinding, grinding quality, performance, disk mill, high concentration.
ВВЕДЕНИЕ ного метра, механическим свойствам, цвету и оттен-
В настоящее время бумажной промышленностью кам. вырабатывается большое количество разнообразных Известно, что качество и характер бумаги зависит видов бумаги и картона, различных по весу квадрат- от свойств приготовленной массы, сырья и оборудо-
Ушаков А. В., Алашкевич Ю. Д., Кожухов В. А., Марченко Р. А. Размол волокнистых материалов высокой концентрации
вания, а также от режимов работы бумагоделательных машин [1].
Основным сырьем для производства бумаги являются растения, из которых путем размола получают волокнистую массу определенного качества для изготовления отдельных видов готовых изделий. Наибольшее значение при использовании растительных материалов имеет древесина, потому что в отличие от других видов сырья она имеет наибольшие объемы и более универсальные качественные показатели [2].
Наиболее важным процессом в производстве бумаги, является процесс размола волокнистой массы. Размол волокнистой массы, предшествующий отливу бумаги, оказывает решающее влияние как на процесс изготовления бумаги, так и на свойства готового продукта. Лист бумаги, отлитый из неразмолотых волокнистых материалов, получается неудовлетворительным по своему строению, внешнему виду и физико-механическим свойствам [2; 3]. Размол волокнистых материалов в бумажную массу производится в настоящее время на размалывающих аппаратах периодического и непрерывного действия - роллах, конических и дисковых мельницах [2].
Независимо от типа размалывающего аппарата, принцип размола волокна в классических ножевых машинах примерно один и тот же. Он заключатся в том, что волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает к ножам рабочего органа машины, состоящего из неподвижно закрепленных ножей статора и вращающихся ножей ротора [2; 3].
Процесс размола волокнистой массы в целлюлозно-бумажном производстве, как указывалось выше, играет основною роль в технологическом процессе получения готовой продукции, а также в производстве древесноволокнистых плит. Причем в производстве древесноволокнистых плит размол древесной массы осуществляется в две ступени, в первой ступени обрабатывается щепа до массы высокой концентрации. Аналогичная картина размола массы высокого выхода и полуцеллюлозы осуществляется в последние годы и в целлюлозно-бумажном производстве в отличии от массы низкой концентрации (3-4 %) размол массы высокой концентрации имеет свои отличия [5; 6].
Перспективы процесса размола массы высокой концентрации с учетом факторов процесса размола, имеет следующие положительные моменты:
1. Повышение качества помола. С увеличением концентрации волокнистой массы качество помола становится выше. Это происходит потому что, при высокой концентрации в процессе размола в межножевом зазоре размалываются не отдельные волокна, а пучок волокон, соответственно при ударе ножей внутренние волокна в пучке разрушаются по слабым связям вдоль волокон, появляется процесс фибрилляции волокон. При увеличении качества помола повышаются физико-механические характеристики готовой продукции.
2. Увеличение производительности. Повышение производительности связано с увеличением в массе процентного содержания воздушно-сухого волокна;
3. Снижение удельного расхода энергии. С увеличением производительности удельный расход энергии будет снижаться. Стоит отметить, что удельный расход энергии снижается не только за счет увеличения производительности, но и за счет снижения процентного содержания количества воды, потери энергии на холостой ход будет меньше.
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВОПРОСАМ
РАЗМОЛА МАССЫ ВЫСОКОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ
Научно-исследовательские работы по вопросам размола волокнистых материалов при высокой концентрации проводились в лабораториях ВНИИБ. Размол на опытной установке, созданной на базе Спро-ут-Вальдрон, осуществлялся при концентрации от 6 до 30 %. В процессе размола отбирались контрольные пробы массы, которые затем подвергались исследованию. Сравнение физико-механических свойств при одной степени помола отливок из сосновой небеленой сульфатной целлюлозы, размолотой при 6%-ной концентрации, и отливок березовой небеленой сульфатной целлюлозы с 30%-ной концентрацией при размоле показывает, что при 30 % концентрации показатели механической прочности березовой целлюлозы не уступают соответствующим показателям сосновой целлюлозы (табл. 1) [4].
Таблица 1
Сравнение физико-механических свойств отливок при низкой и высокой концентрациях
Наименование продукта Концентрация массы при размоле, % Степень помола, °ШР Объемный вес, г/см3 Разрывная длина, м Растяжи мость, % Число двойных перегибов Сопротивление раздиранию, Н Сопротивление про-давлива-нию, кПа
Небеленая березовая сульфатная целлюлоза 6 41 0,678 6540 2,2 1792 124 2,7
Небеленая сосновая сульфатная целлюлоза 6 42 0,640 6650 3,8 6110 192 4,2
Небеленая березовая сульфатная целлюлоза 30 40 0,778 6950 5,1 5591 176 4,8
Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 6,2019
Интересные результаты были получены при размоле лиственной (березовой) целлюлозы. Сравнение свойств волокнистой массы механической прочности при степени помола 40 °ШР в зависимости от концентрации массы при размоле показано в табл. 2 и 3. Видно, что с увеличением концентрации массы при размоле от 6 до 30 % величина средневзвешенной длины волокна постоянно возрастает. Увеличение степени помола в процессе размола при высокой концентрации происходит в основном за счет интенсивной внутренней и внешней фибрилляции волокон, в то время как при низкой концентрации помол растет за счет укорачивания волокон. Это подтверждается тем, что удельная поверхность волокон в процессе размола с увеличением концентрации заметно увеличивается, соответственно, увеличивается степень во-доудержания массы [4].
Таблица 2
Влияние концентрации массы на свойства бумажной массы
Концентрация,% 6 30
Удельная поверхностьх103,м2/кг 20 25
Силы связи, кПа 7,8 11,7
Водоудержание,% 110 110
Нулевая разрывная длина, м 10000 7500
Средневзвешенная длина волок- 35 90
на, дг
Таблица 3
Влияние концентрации массы при размоле (40 °ПТР) на некоторые показатели механической прочности бумаги
Концентрация, % 6 30
Разрывная длина, м 6200 6700
Объемный вес, г/см3 0,680 0,760
Сопротивление продавливанию, кПа 294,1 441,2
Растяжимость, % 2,0 5,0
Число двойных перегибов 1900 5000
Исследования по вопросам удельного расхода энергии при размоле массы высокой концентрации проводились на фабрике мешочной бумаги фирмы Уддехольм (Швеция). На фабрике производительностью 400 т/сутки первая ступень размола осуществлялась на трех дисковых мельницах КЬ-508 (мощность электродвигателя 1 600 кВт) при концентрации 20-30 %, а вторая ступень при низкой (4-5 %) концентрации. Расход электроэнергии на размол составляет 360 кВт-ч/т, из них 240 кВт-ч/т падает на размол при высокой концентрации [4].
Увеличение концентрации волокнистой массы наряду с достоинствами процесса размола имеет серьезный недостаток, связанный с транспортировкой волокнистой массы высокой концентрации для чего в размольной установке должен быть предусмотрен механизм перемещения этой массы в зону размола чаще всего в виде шнекового питателя [5; 6].
Вместе с положительными факторами исследования, в работах представленных ранее, до сих пор не исследовано влияние отдельных факторов на процесс размола:
1) конструкция гарнитуры дисковых мельниц;
2) частота вращения ротора дисковой мельницы;
Не в полной мере учитывались:
- удельное давление в процессе размола и изменение концентрации волокнистой массы;
- повышение температуры массы в процессе размола.
Для решения всех этих вопросов на кафедре машин и аппаратов промышленных технологий СибГУ им. М. Ф. Решетнева разработана установка для размола массы высокой концентрации.
СХЕМА РАЗМОЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
На рисунке представлена схема размольной установки для размола массы высокой концентрации. Размольная установка состоит из следующих элементов: зона размола 1, состоящая из двух дисков один из которых подвижен ротор 2, второй неподвижный статор 3. Присадочное устройство 4, обеспечивающее регулировку зазора между ножами ротора и статора. Шнековый питатель 5, обеспечивающий перемещение массы в зону размола. Вращение диска ротора осуществляется от электродвигателя б. Перемещение массы в зону размола осуществляется шнековым питателем, привод которого производится от электродвигателя 7 через червячный редуктор 8. Привод ротора дисковой мельницы и шнекового питателя обеспечивает регулировку их частоты вращения при помощи частотных преобразователей. Одновременно привод ротора дисковой мельницы позволяет контролировать мощность привода этих элементов.
Для предотвращения нагрева массы в зоне размола до температуры выше 50 °С предусмотрено специальное устройство для охлаждения массы.
Таблица 3
Технические характеристики размалывающей установки
Диаметр дисков, мм, 200
Зазор между размалывающими поверхностями дисков, мм 0,1-1,5
Мощность электродвигателя вращения ротора, кВт 4
Число оборотов диска ротора, об/мин 500-2000
Мощность электродвигателя привода шнекового питателя, кВт 0,55
Передаточное число червяного редуктора 1:30
Число оборотов вала шнекового питателя, об/мин 10^16
Концентрация размалываемой массы, % 1-15
Производительность мельницы, м3/ч 7-15
Принцип и порядок работы размалывающей установки. Волокнистая масса необходимой концентрации из емкости 9 попадает в зону шнекового питателя 5 с помощью последнего, перемещается в зону размола 1 дисковой мельницы, где непосредственно осуществляется размол волокнистого материала. Регулировка зазора между ножами ротора и статора мельницы производится за счет осевого перемещения диска статора при использовании механического присадочного устройства 4.
Ушаков А. В., Алашкевич Ю. Д., Кожухов В. А., Марченко Р. А. Размол волокнистых материалов высокой концентрации ...
Схема размольной установки:
1 - зона размола; 2 - ротор; 3 - статор; 4 - присадочное устройство; 5 - шнековый питатель; 6 - электродвигатель ротора; 7 - электродвигатель привода шнекового питателя; 8 - червячный редуктор привода шнекового питателя; 9 - емкость для волокнистой массы)
На разработанной установке планируется проведение экспериментальных исследований, влияющих на основные факторы процесса размола, среди которых следующие:
1) изменение концентрации волокнистой массы и частоты вращения ротора в процессе размола;
2) выбор оптимального режима подачи волокнистой массы через шнековый питатель;
3) изменение удельного давления в процессе размола;
4) выбор вида размольной гарнитуры.
В рамках государственного задания Минобрнауки России на выполнение коллективом научной лаборатории «Глубокой переработки растительного сырья» проекта «Технология и оборудование химической переработки биомассы растительного сырья» (Номер темы РБРБ-2020-0016).
БИБЛИОГРАФИЧЕКИЕ ССЫЛКИ
1. Корда И., Либнар З., Прокоп И. Размол бумажной массы : учеб. для вузов. М. : Лесная пром-ть, 1967. 421 с.
2. Алашкевич Ю. Д., Решетова Н. С. Теория и конструкция машин и оборудования отрасли : учеб. пособие / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2015. 317 с.
3. Иванов С. Н. Технология бумаги. М.-Л. : Гос-лесбумиздат, 1970. 720 с.
4. Лаптев Л. Н., Халандовский И. Н. Новое в технологии размола массы на дисковых мельницах :
сб. рефератов / ВНИИБ. М. : Лесная пром-ть, 1970. С. 157-171.
5. Сахаров С. М. Размол массы высокой концентрации : сб. рефератов по зарубежным материалам / ВНИИЦБП. М. : Лесная пром-ть, 1971. 64 с.
6. Алашкевеч Ю. Д. Гидродинамические явление при размоле волокнистых полуфабрикатов в ножевых размалывающих машинах : монография / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2000. 248 с.
REFERENCES
1. Korda I., Libhnar Z., Prokop I. Pulp grinding : university textbook. Moscow, Forest Industry, 1971, 64 p.
2. Alashkevich J. D., Reshetova N. S. Theory and design of machinery and equipment industry : tutorial. Krasnoyarsk : SibGTU, 2015, 317 p.
3. Ivanov S. N. Paper technology. Moscow, Leningrad, Goslesbumizdat, 1970, 720 p.
4. Laptev L. N., Khalandovsky I. N. New in disc mill technology : collection of abstracts / VNIIB. Moscow, Forest Industry, 1970, Р. 157-171.
5. Sakharov S. M. Grinding mass of high concentration: a collection of abstracts on foreign materials / VNIICBP. Moscow, Forest Industry, 1971, 64 p.
6. Alashkevech J. D. Hydrodynamic phenomenon during the grinding of fibrous semi-finished products in knife grinding machines : monograph. Krasnoyarsk : SibGTU, 2000, 248 p.
© Ушаков А. В., Алашкевич Ю. Д., Кожухов В. А., Марченко Р. А., 2019
Поступила в редакцию 05.11.2019 Принята к печати 12.12.2019
