Научная статья на тему 'Разработка и внедрение технологии варки полуфабриката для тарного картона'

Разработка и внедрение технологии варки полуфабриката для тарного картона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
256
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВОЛОКНИСТЫЕ ПОЛУФАБРИКАТЫ / КАРТОН-ЛАЙНЕР / БУМАГА ДЛЯ ГОФРИРОВАНИЯ / НЕЙТРАЛЬНО-СУЛЬФИТНАЯ ПОЛУЦЕЛЛЮЛОЗА / ВАРКА / СТЕПЕНЬ ЗАМЕЩЕНИЯ / ГОФРИРОВАННЫЙ КАРТОН / МОНОСУЛЬФИТНЫЙ ЩЕЛОК / БЕЛЫЙ ЩЕЛОК

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Дьякова Елена Валентиновна, Комаров Валерий Иванович, Гурьев Александр Владиславович, Елькин Владимир Павлович, Горшков В. И.

Разработана технология производства тарного картона с использованием в композиции модифицировавнных видов полуцеллюлозы

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Дьякова Елена Валентиновна, Комаров Валерий Иванович, Гурьев Александр Владиславович, Елькин Владимир Павлович, Горшков В. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development and Introduction of Semi-finished Product Cooking Technology for Containerboard

Technology of producing containerboard using modified types of semichemical pulp in composition has been developed

Текст научной работы на тему «Разработка и внедрение технологии варки полуфабриката для тарного картона»

УДК 676.1.022

Е.В. Дьякова, В.И. Комаров, А.В. Гурьев, В.П. Елькин, В.И. Горшков, Н.А. Каунихин

Дьякова Елена Валентиновна родилась в 1977 г., окончила в 1999 г. Архангельский государственный технический университет, аспирант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства. Имеет 6 печатных работ в области исследования свойств полуфабрикатов для производства тарного картона.

Комаров Валерий Иванович родился в 1946 г., окончил в 1969 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета. Имеет более 270 печатных трудов в области исследования свойств деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов.

Гурьев Александр Владиславович родился в 1965 г., окончил в 1990 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета. Имеет более 30 печатных трудов в области исследования свойств и разработки технологии производства и переработки тарного картона.

Елькин Владимир Павлович родился в 1947 г., окончил в 1975 г. Архангельский лесотехнический институт, директор по качеству ОАО «Архангельский ЦБК». Имеет 10 печатных работ в области технологии производства целлюлозы и картона.

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАРКИ ПОЛУФАБРИКАТА ДЛЯ ТАРНОГО КАРТОНА

Разработана технология производства тарного картона с использованием в композиции модифицировавнных видов полуцеллюлозы.

Ключевые слова: волокнистые полуфабрикаты, картон-лайнер, бумага для гофрирования, нейтрально-сульфитная полуцеллюлоза, варка, степень замещения, гофрированный картон, моносульфитный щелок, белый щелок.

За последние годы возросла как конкуренция среди производителей картона-лайнера различных марок и флютинга, так и требования к их качеству и стабильности. Качество картона становится все более весомым аргументом при выборе поставщика продукции. Это побуждает производителей к модернизации действующих картоноделательных машин, внедрению современных технологий, средств автоматизации и контроля качества.

Архангельский ЦБК, являясь крупнейшим производителем картона для плоских слоев гофрокартона (крафт-лайнер и картон универсальный) и обладая двумя самыми мощными в России КДМ, производит качественную продукцию, признанную многими потребителями.

Однако из-за значительного различия в цвете сульфатной целлюлозы и нейтрально-сульфитной полуцеллюлозы (НСПЦ) при производстве картона универсального постоянно возникала проблема внешнего вида. При выработке картона универсального на КДМ-2 сквозь коричневый покровный слой виден более светлый основной слой. Чаще всего это проявляется в виде дефекта «светлых полос». Существующий напорный ящик покровного слоя не позволяет подавать более 10 ... 12 % волокна от общей массы картона. Это вызывало необходимость уменьшения количества более дешевого полуфабриката, коим является НСПЦ, в основном слое картона и, как следствие, удорожание продукции.

Для решения данной проблемы было предложено изменить технологию варки полуцеллюлозы. Цель модификации - изменение цвета полуцеллюлозы для улучшения внешнего вида картона и повышения доли полуцеллюлозы в композиции с сохранением качественных показателей продукции.

Известно, что более темную полуцеллюлозу можно получить путем изменения характера хромофорных групп лигнина при смещении рН варочного раствора в щелочную область (рН 8,5 ... 9,5) за счет добавки к моносульфитному щелоку определенного количества щелочного реагента - белого щелока [2, 3].

Основные задачи, стоявшие перед нами - получение полуфабриката, пригодного для использования в композициях картона-лайнера и бумаги для гофрирования, с максимальным (до 100 %) замещением моносульфита в варочном щелоке на белый щелок; оценка влияния факторов варки на смеси щелоков на физико-механические свойства полуцеллюлозы.

Варки проводили периодическим способом в лаборатории АГТУ с использованием сырья и варочных реагентов, отобранных на производстве.

Эксперимент осуществлен с использованием ротатабельного композиционного униформ плана второго порядка. В качестве варьируемых факторов приняли продолжительность стоянки на конечной температуре и процент замещения моносульфита натрия белым щелоком (БЩ). Полная характеристика варьируемых параметров представлена в табл. 1.

Постоянные условия варки: гидромодуль 4,5; соотношение моносульфита натрия и соды 5:1; начальная температура варки 150 °С; максимальная температура варки 175 °С; расход общей щелочи на варку 20%

Таблица 1

Вариант Варьируемые параметры Состав белого щелока, г/л (в ед. Ш^) Состав моносульфитного щелока, г/л (в ед. №2Ш3) Выход, % Число Каппа Продолжительность размола до 30 ° ШР, мин

Замеще- Продолжи- общ.

ние на тельность А Na2S Na2SOз/Na2COз

БЩ, % стоянки, мин

1 57,3 30 104,5 32,2 88,5/17,5 106 86 118 22,0

2 57,3 60 104,5 32,2 88,5/17,5 106 80 154 22,0

3 92,6 30 106,0 32,6 87,5/18,6 106 76 134 22,0

4 92,6 60 106,0 32,6 87,5/18,7 106 88 120 22,0

5 75,0 24 111,0 32,2 91,2/19,1 110 76 84 21,5

6 75,0 66 111,0 32,2 91,2/19,2 110 83 80 22,0

7 50,0 45 112,5 32,6 94,9/19,1 114 67 110 22,0

8 100,0 45 102,6 29,8 - - 91 184 30,0

9 75,0 45 114,7 33,8 90,6/17,0 108 85 132 22,5

10 75,0 45 114,7 33,8 90,6/17,1 108 88 127 22,0

11 75,0 45 112,5 32,6 94,9/19,1 114 89 110 17,0

12 75,0 45 112,5 32,6 94,9/19,2 114 87 125 23,0

13 75,0 45 112,5 32,6 94,9/19,3 114 86 108 17,0

(в ед. Na2CO3); продолжительность подъема до максимальной температуры 45 мин.

В качестве параметров для оценки свойств полученной полуцеллюлозы приняты выход и число Каппа, а также комплекс физико-механических показателей: стандартные физико-механические характеристики прочности и жесткости (разрывная длина Ь, сопротивление продавливанию П, сопротивление плоскостному сжатию СМТ, сопротивление сжатию кольца RCT, сопротивление сжатию короткого образца БСТ), характеристики деформа-тивности (жесткость при изгибе Е1, начальный модуль упругости Л'/. энергия, поглощаемая при растяжении ТЕА, деформация разрушения ер, жесткость при растяжении показатель трещиностойкости ./ц-. силы связи по Иванову /<'с|;. плотность р, прочность волокна ¿о)-

В результате реализации плана эксперимента были получены образцы полуфабриката массой 1 м2 125 г, имеющие степень помола волокна 30 °ШР, с выходом 67 ... 91 % и степенью делигнификации 80 ... 184 ед. Каппа. Указанные значения соответствуют крайним, граничным условиям. Средний диапазон варьирования существенно меньше: выход - 80 ... 88 %, степень делигнификации - 110 ... 135 ед. Каппа. Практически все полученные образцы обладают насыщенным коричневым цветом. Следует отметить некоторое увеличение продолжительности размола до 30 °ШР (в среднем на 5-6 мин) по сравнению с классической моносульфитной варкой. Свойства полученных полуфабрикатов представлены в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты определения стандартных физико-механических характеристик полуцеллюлозы. Данные показывают, что во всех исследуемых вариантах значения основных показателей превышают

Таблица 2

Вариант Варьируемые параметры Физико-механические характеристики

Замещение Продолжитель- ь, П, СМТ30 ЯСТ БСТ,

на БЩ, % ность стоянки, мин м кПа Н кН/м

1 57,3 30 9 850 710 300 330 5,9

2 57,3 60 10 100 725 310 360 5,9

3 92,6 30 9 500 775 285 350 6,0

4 92,6 60 10 800 740 300 340 5,6

5 75,0 24 9 650 780 315 345 6,0

6 75,0 66 9 500 760 260 295 5,3

7 50,0 45 9 800 700 280 320 5,5

8 100,0 45 8 500 610 280 280 5,3

9 75,0 45 9 900 700 310 325 5,6

10 75,0 45 9 600 690 255 305 5,4

11 75,0 45 9 950 755 275 310 5,7

12 75,0 45 10 650 750 285 320 5,7

13 75,0 45 11 300 735 235 305 5,2

Таблица 3

Вариант Замещение на БЩ, % Продолжительность стоянки, мин Р, г/см3 1 сБ5 МПа м Е1, мН-см2 Ей МПа ТЕА, Дж/м2 ер, % Ьс, кДж Н/мм

1 57,3 30,0 0,87 1,264 9 000 502 7068 185 2,43 601 1010

2 57,3 60,0 0,92 1,273 8 100 527 6274 217 2,69 709 917

3 92,6 30,0 0,85 0,928 9 550 661 6590 239 2,88 753 1046

4 92,6 60,0 0,88 1,301 9 150 508 6599 255 2,94 783 953

5 75,0 23,8 0,94 1,209 8 500 322 6972 161 2,46 603 854

6 75,0 66,2 0,85 1,163 9 350 445 6619 204 2,77 839 945

7 50,0 45,0 0,79 0,760 7 600 548 7087 222 2,78 766 1008

8 100,0 45,0 0,90 1,001 8 000 536 6475 160 2,27 676 974

9 75,0 45,0 0,88 1,316 8 500 546 6306 221 2,73 683 937

10 75,0 45,0 0,91 1,429 9 000 570 6298 217 2,73 - 920

11 75,0 45,0 0,91 1,423 8 750 519 6106 223 2,76 812 897

12 75,0 45,0 0,93 0,885 8 550 522 6316 277 3,21 782 915

13 75,0 45,0 0,88 1,311 8 900 349 6926 247 3,05 770 911

требования существующего технологического регламента производства НСПЦ.

Как следует из табл. 3, полученная полуцеллюлоза по деформационным характеристикам сопоставима с сульфатной лиственной целлюлозой.

Математическая модель реализации двухфакторного ротатабельного композиционного униформ плана второго порядка имеет следующий вид:

У = Ьо + Ь\Х\ + ЬХ2 + £12X1X2 + Ъц X2 + ¿22 X2 .

Значения коэффициентов уравнения регрессии аппроксимирующего полинома, адекватно описывающего процесс (/'р;1С,, < /,'|;|г1|). для стандартных

Таблица 4

Коэффициенты Значения коэффициентов уравнения для стандартных характеристик полуцеллюлозы

Выход Число L, П, RCT СМТ SCT,

ЦВВ Каппа м кПа Н кН/м

b0 87,00 120,0 10300 726,00 313,10 272,07 5,52

Ъ\ 1,99 2,0 166 -6,04 -6,34 -6,60 -0,17

b2 3,99 10,8 -201 -5,91 -7,10 -3,12 -0,06

Ь\2 4,50 -12,5 260 -12,50 -10,00 1,25 -0,10

bu -2,88 -14,9 -176 28,70 12,45 11,67 0,15

b22 -3,14 17,6 -372 -28,80 2,45 7,93 0,03

Статистические показатели

rmr 0,33 0,94 0,99 0,85 0,79 0,75 -

-^табл 6,59 6,59 6,59 6,59 6,59 6,59 6,59

F 1 расч 12,31 3,69 0,68 1,28 7,84 0,38 0,91

Таблица 5

Коэффициенты Значения коэффициентов уравнения для деформационных характеристик полуцеллюлозы

р, г/см3 F - св EI Е1 ТЕА Ер JiC S, L0

b0 0,903 1,270 501,21 6392 236,8 2,900 609,5 916,03 8745,0

b1 -0,003 0,040 5,6372 -160 13,6 0,100 59,1 -7,18 -10,3

b2 0,012 0,004 15,50 -127 0,4 -0,003 12,2 3,40 276,0

b12 -0,005 0,090 -44,75 201 -4,3 -0,050 -19,4 -0,20 126,0

b11 -0,001 -0,003 -36,84 168 -17,6 -0,100 54,0 1,47 247,4

b22 -0,026 -0,160 42,41 160 -13,5 -0,140 53,9 47,08 -321,0

Rm

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Fp

Статистические показатели

6,59 4,55

6,59 0,42

0,97 6,59 0,64

0,98 6,59 0,21

0,95 6,59 1,80

6,59 1,05

0,95 6,59 6,11

0,91 6,59 13,34

0,99 6,59 5,45

и деформационных характеристик полуцеллюлозы представлены в табл. 4, 5. Высокие численные значения коэффициентов множественной корреляции Дмн свидетельствуют о достаточной точности аппроксимации.

Для характеристик жесткости коэффициенты при квадратичных эффектах положительны, для характеристик прочности - отрицательны. Это свидетельствует о наличии минимума или максимума, т. е. подтверждается известный факт, что чрезмерное повышение продолжительности варки и увеличение добавки белого щелока нежелательно. Необходимо использовать оптимальный вариант.

Усиление интенсивности варки несколько снижает показатели прочности (L, П) и жесткости (СМТ, SCT), которые не выходят за пределы, регламентированные для классической моносульфитной варки.

Повышение значений варьируемых параметров отрицательно влияет на характеристики жесткости при растяжении и изгибе (St, EI).

Увеличение продолжительности варки приводит к росту значений показателей, характеризующих растяжимость материала (sp, TEA). В то же

время варьирование степени замещения моносульфита натрия белым щелоком практически не оказывает влияния на растяжимость образцов полуцеллюлозы.

Для показателей р и FCB коэффициенты при Хц2 имеют низкие значения, что предопределяет линейный характер зависимости.

Таким образом, по выходу лабораторные образцы соответствуют классической НСПЦ, а их физико-механические характеристики не ниже, чем у полуцеллюлозы, полученной в реальных производственных условиях.

Следующая задача данной работы - промышленные варки модифицированной полуцеллюлозы в производстве картона ОАО «Архангельский ЦБК».

Первый этап производственных испытаний был проведен в марте 2001 г. На одном из двух технологических потоков по производству полуцеллюлозы на установках «Пандия» применили модифицированный режим; второй поток работал по обычному режиму.

Выработка полуцеллюлозы на обоих потоках была одинаковой и составила 26,0 кг на один оборот дозатора. После замены моносульфитного варочного щелока на смесь крепкого и слабого белого щелоков при сохранении соотношения объемов 1 : 2 и рН 8,6 ... 8,8 объем жидкости, подаваемой в варочный аппарат, на первом потоке возрос на 0,5 м3/т. Показатели щелоков, используемых на обоих потоках, во время испытаний были практически постоянными. Температура варки по потокам изменялась в интервале 177 ... 180 °С при среднем значении для обоих потоков 178 °С. Показатели механической прочности модифицированного полуфабриката по сравнению с полуцеллюлозой классического способа варки снизились незначительно - на 3 ... 6 %.

Результаты, достигнутые на первом этапе производственных испытаний по модификации варки НСПЦ, доказали возможность затемнения массы предложенным способом без существенного изменения механических показателей полуцеллюлозы.

В мае 2001 г. (в период производства на КДМ-2 картона универсального) была запланирована повторная выработка на двух потоках полуцеллюлозы с целью окончательной оценки качества полуцеллюлозы и картона. При этом использовали варочный раствор с замещением 50 % моносульфита натрия на смесь крепкого и слабого белого щелока. Результаты определения физико-механических и деформационных характеристик картона, производимого во время выработки, представлены в табл. 6. Анализ свойств полученной полуцеллюлозы показал, что величина непровара после установки горячего размола для обоих потоков была практически одинаковой при близких значениях Каппа. Расход химикатов на обоих потоках был практически одинаковым и составил: моносульфит натрия - 0,51 м3/т, крепкий белый щелок - 0,18 м3/т, слабый белый щелок - 0,48 м3/т. Характеристики механической прочности полуцеллюлозы модифицированной варки

Таблица 6

Значение характеристики для различного времени отбора

Характеристика 14.05 15.05 16.05 17.05 среднее за выработку

Масса 1 м2, г 148 150 146 145 147

Содержание НСПЦ, % 60,7 63,0 70,0 75,4 67,3

П, кПа 560 580 540 530 550

ШСГ, Н 252 286 257 242 259

Ь, м 9 630 9 870 10 000 9 390 9 720

3 880 4 190 4 030 3 960 4 015

Еь МПа 3 313 4 302 4 329 4 606 4 138

1 804 1 959 1 945 1 946 1 914

Н/м 1 034 442 1 047 477 1 002 448 959 409 1 011 444

£7, мНсм2 863 296 836 353 679 298 509 192 722 285

со % о4 2,15 2,20 2,23 1,95 2,13

3,31 3,25 3,19 3,09 3,21

Примечание. В числителе приведены данные для образцов, испытанных в машинном направлении, в знаменателе - в поперечном.

по сравнению с классическим способом практически не ухудшились, а в конце периода выработки даже повысились: разрывная длина - 7750 м (против 7300 м по обычному способу), сопротивление продавливанию

- 490 кПа (445 кПа), СМТ - 325 Н (290 Н), сопротивление раздиранию

- 860 мН (810 мН).

При дальнейшем увеличении степени замещения моносульфита натрия белым щелоком (до 75 %) наблюдалось еще большее потемнение массы и улучшение механических свойств картона массой 160 г/м2 с содержанием 55 ... 56 % полуцеллюлозы. Однако при варке с 75 %-м замещением моносульфита натрия наблюдалось увеличение выбросов летучих сернистых соединений, которое не удалось снизить без дополнительных инженерно-технических мероприятий. Также отмечено снижение баланса щелочи в связи со снижением расхода соды на варку полуцеллюлозы.

С сентября 2001 г. варка с замещением 50 . 60 % моносульфита натрия смесью слабого и крепкого белого щелока используется на двух установках «Пандия» постоянно.

Таким образом, в ходе опытно-промышленной выработки была достигнута основная цель модификации варки полуцеллюлозы - потемнение массы при замещении не менее 50 %

100

во ИД Л.И |111 I |гИ I IИI (Я .г

/23* 5 6 7 8 9 10

месяц

Рис. 1. Изменение качества бумаги для гофрирования марки Б-0 до (□) и после (□) модификации варки (цифрами с 1 по 10 обозначены месяцы с июня по март)

Рис. 2. Использование полуцеллюлозы в композиции бумаги для гофрирования (а) и картона (б) универсального (см. обозначения на рис. 1)

моносульфита смесью крепкого и слабого белого щелока без существенного изменения показателей полуцеллюлозы и ухудшения физико-механических свойств картона универсального и бумаги для гофрирования. Кроме того, выпуск бумаги для гофрирования марки Б-0 увеличился в среднем с 88,9 до

95.1 % (рис. 1). Отмечено снижение в несколько раз отбраковки по сопротивлению плоскостному сжатию и светлым полосам. Выход полуцеллюлозы из древесины практически не изменился и в среднем составил 78 %.

Использование полуцеллюлозы в композиции бумаги для гофрирования увеличилось в среднем с 52,3 до 57,6 %, картона универсального - с

44.2 до 50,2 % (рис. 2). Затемнение полуцеллюлозы позволило повысить ее долю и в композиции картона на КДМ-1 без ухудшения внешнего вида.

Таким образом, использование картона и бумаги для гофрирования с содержанием в композиции до 55 ... 60 % модифицированного полуфабриката для производства гофрокартона и тары не вызвало ухудшения их качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богданович Н.И. Расчеты в планировании эксперимента: Учеб. пособие. -Л.: РИО ЛТА, 1978. - 80 с.

2. Влияние различных модификаций нейтрально-сульфитной варки на физико-механические свойства полуцеллюлозы / Е.В. Дьякова, Л.А. Миловидова, В.И. Комаров и др. // Лесн. журн. - 2002. - № 6. - С. 116-121. - (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Галеева Н. А. Производство полуцеллюлозы и целлюлозы высокого выхода. - М.: Лесн. пром-сть, 1970. - 320 с.

4. Пен Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства: Учеб. пособие. - Красноярск: Изд-во КГУ, 1982. - 192 с.

Архангельский государственный технический университет

ОАО «Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат»

Поступила 21.11.02

E. V. Dyakova, V.I. Komarov, A. V. Gurjev, V.P. Elkin, V.I. Gorshkov, N.A. Kaunikhin

Development and Introduction of Semi-finished Product Cooking Technology for Containerboard

Technology of producing containerboard using modified types of semichemical pulp in composition has been developed.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.