CC BY
82
Химия растительного сырья. 2012. №1. С. 191-198.
Технологии
УДК 676.024.6
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАЗМОЛА ПРИ НОЖЕВОМ И БЕЗНОЖЕВОМ СПОСОБАХ
© P.A. Марченко , Н.С. Решетова, Ю.Д. Алашкевич
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: r.a.marchenko@mail.ru
Проанализированы способы разработки первичных и вторичных волокнистых полуфабрикатов и экспериментально подтверждена целесообразность использования для размола вторичного волокнистого сырья безножевых способов размола на примере сравнения качественных показателей волокнистой массы после дисковой мельницы и после установки типа «струя-преграда».
Ключевые слова: безножевой размол, кавитация, турбина, вторичное волокнистое сырье, целлюлоза, макулатура, волокнистые материалы.
Введение
Одним из экологически перспективных и экономически привлекательных путей наращивания производства бумаги является использование в ее композициях вторичных волокон (оборотный брак, макулатура). Использование вторичного волокнистого сырья для производства бумаги и картона приводит к расширению сырьевой базы и уменьшению зависимости промышленных предприятий от обеспечения первичным волокнистым сырьем.
Свойства волокон оборотного брака при вторичном применении отличаются от присущих им первоначальных свойств, так как они в свое время уже подвергались ножевому размолу и в некоторых случаях претерпевали процесс более или менее значительного старения. Все это существенным образом сказалось на их свойствах, т.е. произошли некоторые необратимые изменения: потеря их эластичности, ороговение поверхности и увеличение вследствие этого хрупкости волокон.
Главное следствие повторной переработки оборотного брака - это снижение физико-механических характеристик за счет нарастания жесткости волокон и пониженной способности волокна к набуханию. Учитывая необратимость этих явлений, развитие или восстановление бумагообразующих свойств и физико-механических характеристик требует дополнительных затрат. Поэтому необходимо применять наиболее рациональные технологии по переработке вторичного сырья [1].
Большое влияние на физико-механические характеристики готовой продукции оказывают такие бума-гообразующие показатели, как длина волокна, степень помола, а также межволоконные силы связи, которые обусловливают не только механическую прочность, но и почти все остальные физические свойства бумаги: объемный вес, непрозрачность, воздухопроницаемость, впитывающую способность, деформацию и др.
Механическая прочность бумаги из оборотного брака является функцией от свойств волокнистой суспензии. Исходная волокнистая суспензия, изменяющая свои свойства в процессе размола, может характеризоваться следующими показателями: средняя длина волокна, внешняя удельная поверхность и межволоконные силы связи, оказывающие наиболее существенное влияние на прочность бумаги [2].
Свойства изготавливаемой бумаги зависят как от вида исходных волокон, так и от способов их обработки на всех стадиях производства бумаги, а также процесса размола.
Размалывающее оборудование предназначено для разделения различных полуфабрикатов на волокна, измельчение волокон и сообщения им определенных свойств. В зависимости от способов производства
* Автор, с которым следует вести переписку.
волокнистых полуфабрикатов, исходного состояния сырья и с учетом переработки вторичного сырья при -меняются различные виды ножевого и безножевого размалывающего оборудования.
Наибольшее распространение в настоящее время получили ножевые размалывающие машины, такие как конические и дисковые мельницы [3]. Однако в таких машинах волокна подвергаются сильным рубящим воздействиям и раздавливанию, что в конечном итоге приводит к снижению прочностных показателей готовой продукции и значительно затрудняет использование в производстве коротковолокнистых лиственных пород древесины и оборотного брака.
Безножевой же размол по сравнению с ножевым обеспечивает более мягкий, щадящий режим обработки, что особенно важно для волокнистой суспензии из оборотного брака, которая уже однажды претерпевала стадию размола. При ножевом размоле оборотного брака ввиду повышенной жесткости волокон и пониженной способности их к набуханию снижаются бумагообразующие и физико-механические свойства, и применять ножевой размол нецелесообразно [4]. Поэтому эффективного ведения процесса размола, а именно повышения качественных показателей волокнистой суспензии можно добиться с использованием безножевого гидродинамического воздействия на волокно, в частности, на гидродинамической установке безножевого размола типа «струя - преграда». По данным исследователей [2, 4], размол в данной установке будет происходить только при наличии преграды.
Постоянное совершенствование процесса размола и оборудования обусловлено прежде всего необ-ходимостью обеспечения требуемого качества готовой продукции; при снижении качества волокнистого сырья и полуфабрикатов, а также постоянным стремлением к снижению чрезмерно большого расхода энергии на размол.
До настоящего времени исследовано, а часто и испытано в производственных условиях большое число размалывающих машин, которые в зависимости от характера воздействия на волокна могут быть классифицированы на две большие группы: машины с механическим и гидродинамическим воздействием (хотя в обоих типах действуют различные механические факторы) [5].
В машинах с механическим воздействием передача энергии волокнам осуществляется за счет прямого силового контакта противолежащих жестких рабочих элементов на защемленный между ними деформируемый слой волокнистого материала.
В машинах второго типа передача энергии осуществляется за счет силового воздействия на свободно движущиеся в жидкой среде (незащемленные) волокна. К силовым факторам подобного типа воздействия можно отнести: усилия сдвига в градиентом потоке, кавитацию, пульсации гидродинамического давления, удары и трения волокон друг о друга и о твердые элементы машин, турбулентные напряжения.
Следует отметить, что названные виды гидродинамического воздействия присутствуют в той или иной степени и в машинах механического воздействия, работающих с массой низкой концентрации (до 3-6%).
Теоретический анализ работы гидродинамических машин показывает, что энергоемкость самых совершенных из них (энтштипперов, пульсационных мельниц, кавитационных аппаратов и др.) по крайней мере в 3-4 раза выше энергоемкости ножевых размалывающих машин [5].
Однако эти машины обладают несомненным достоинством: мягкое воздействие на волокна обеспечивает высококачественный размол без укорочения, хорошее диспергирование пучков волокон на отдельные волокна. Поэтому основная производственная ниша этих машин - дороспуск волокнистых материалов после гидроразбивателей, т.е. там, где требуется преодоление сравнительно слабых межволоконных связей.
Получение из макулатуры волокнистой суспензии с максимальным удалением посторонних включений является определяющим фактором для построения последующей схемы получения макулатурной массы [6].
От качества роспуска зависят как последующие материальные затраты производства, так и качество готовой макулатурной массы. При этом следует учитывать сложившуюся у нас в стране специфику сбора макулатуры без ее предварительного сортирования.
Часто обработка макулатурной массы в гидродинамических мельницах оказывается достаточной, чтобы полученная волокнистая суспензия была пригодна для отлива и формования бумаги (картона) на бумагоделательной машине. Условия обработки волокон в безножевых (гидродинамических) аппаратах обеспечивают глубокую степень фибрилляции практически без укорочения волокон [7].
Эти машины имеют принцип действия, основанный на пульсации давления и высокого градиента скоростей потока волокнистой суспензии.
С переходом на непрерывный размол массы применяются машины, предназначенные для выполнения определенной, узкоспециализированной функции.
Степень роспуска в значительной степени влияет на режим работы ножевой мельницы, стоящей после гидроразбивателя. Поэтому для окончательного роспуска пучков волокон макулатуры или оборотного брака после гидроразбивателя, а также легкой обработки целлюлозы без укорочения волокон применяется оборудование, в котором осуществляется воздействие гидродинамических ударов на бумажную массу (например, энтштиппер, центробежно-пульсационные, кавитационные, ультразвуковые аппараты, аппараты типа «струя - преграда», аппараты с использованием ферромагнитных тел) [8].
При разработке волокнистой суспензии в установках данного типа волокнистая суспензия получается более длинноволокнистой (по сравнению с ножевой обработкой), обладает более высокими бумагообра-зующими свойствами и физико-механическими характеристиками готовой бумаги.
Экспериментальная часть
В лаборатории кафедры «Машины и аппараты промышленных технологий» Сибирского государственного технологического университета решаются вопросы размола вторичного волокнистого сырья с целью повышения доли использования оборотного брака и макулатуры при производстве различных видов бумаг.
Основной задачей данной работы является сравнительный анализ влияния безножевого и ножевого способов размола на изменение бумагообразующих показателей волокнистой массы и физико-механических свойств готовых отливок из первичного и вторичного волокнистых полуфабрикатов.
В качестве первичного волокнистого сырья использовалась бисульфитная небеленая целлюлоза -полуфабрикат ООО «Енисейский ЦБК», а вторичного - макулатура марки МС-1А - полуфабрикат ООО «Сибирская бумага». Концентрация волокнистых суспензий менялась в следующих пределах: 0,5; 1; 1,5; 2%.
При безножевом способе размола использовали установку «струя - преграда», а ножевого - полупромышленную дисковую мельницу.
Установка «струя-преграда» состоит из гидродинамической установки и узла комбинированного размола (1), которые сообщаются между собой через раструб (3) и трубопровод возврата (2). Общий вид установки показан на рисунке 1, техническая характеристика представлена в таблице 1.
Гидродинамическая установка представляет собой систему из рабочего цилиндра (8), жестко связанного с приводным (9) по типу мультипликатора (диаметр рабочего цилиндра 0,091 м, а приводного -0,01 м). Привод осуществляется насосной станцией, которая на схеме условно не показана. Рабочий цилиндр соединяется с емкостью (5) через всасывающий клапан (6). К отверстию в торце цилиндра посредством резьбы крепится выпускной клапан (7) с удлинителем и насадкой (4). Все узлы монтируются на раме (10). Для проведения экспериментов с неподвижной преградой перед насадкой устанавливается специальная камера.
Рис. 1. Схемаэкспериментальной установки «струя-преграда». 1 - камера гидродинамического размола; 2 - трубопровод возврата; 3 - раструб; 4 - насадка; 5 - емкость; 6 - всасывающий клапан; 7 - выпускной клапан; 8 - рабочий цилиндр; 9 - приводной цилиндр; 10 - рама
Таблица 1. Техническая характеристика экспериментальной Узел комбинированного раз -
установки «струя - преграда» мола представляет собой двухкамер-
ную конструкцию вертикального типа. Основными узлами ее являются камера гидродинамического размола и камера ножевого размола. В камере гидродинамического размола находится турбина типа Пельтона, которая жестко связана с валом. Для обеспечения подвода суспензии в ножевую камеру предусматривается конус. Камера ножевого размола для обеспечения перекачки суспензий в емкость установки выполнена в виде улитки. В ней расположены диски ножевой гарнитуры. Регулировка зазора между ножами осуществляется при помощи наборных шайб, помещенных между ступицей подвижного диска ножевой гарнитуры и подвижным диском ножевой гарнитуры.
Учитывая, что данная установка включает в себя два способа размола (ножевой и безножевой), мы имеем возможность регулировать долю воздействия того или иного способа и таким образом обеспечивать необходимое качество обработки волокна.
В качестве подвижной преграды использовалась турбина Пельтона, работа проводилась при скорости истечения струи суспензии 115,4 м/с, диаметре насадки 0,002 м и расстоянии от насадки до преграды 0,1 м.
Общий вид лабораторной установки «Дисковая мельница» показан на рисунке 2, техническая характеристика представлена в таблице 2. Установка состоит из полупромышленной дисковой мельницы; гид-роразбивателя; привода дисковой мельницы и системы циркуляционных труб и шлангов.
Основными элементами дисковой мельницы являются: размольная камера с гарнитурой; механизм присадки, с помощью которого изменялся зазор между ножами ротора и статора от 0,1 до 1,1 мм.
Механизм присадки представляет собой соединение винт - гайка с шагом 2 мм. Установка межножевого зазора осуществляется винтовым приспособлением следующим образом: с помощью механизма присадки диск ротора подводился к статору до упора. Затем вращением маховика механизма присадки против часовой стрелки осуществлялось осевое перемещение вала ротора. Контроль перемещения вала ротора осуществлялся с помощью индикатора часового типа, который установлен на специальной стойке. Точность установки зазора при использовании универсального индикатора часового типа - 0,01 мм.
Показатели Значение показателей
Габаритные размеры установки:
(длинах ширинах высота) 4,3x1,6x2,0 м
Гидроцилиндр приводной, тип - поршневой
внутренний диаметр 0,1 м
ход штока 1,2 м
Насосная станция
гидронасос шестеренчатый НШ-2 2
производительность 0,77х10-3 м3/с
рабочее давление 0-16 МПа
рабочая среда масло дизельное ДП-11
электродвигатель А0-51-4-02, 2шт
частота вращения ротора 24,3 с-1
Узел комбинированного размола
(диаметр х высота) 0,45 х 0,65 м
Турбина типа Пельтона
диаметр 0,35 м
количество лопастей 24 шт
Ножевая гарнитура
диаметр внутренний 0,12 м
диаметр наружный 0,3 м
Рис. 2. Общий вид лабораторной установки «Дисковая мельница»: 1 - дисковая мельница; 2 - гидроразбиватель; 3 - привод мельницы; 4 - насос; 5 - система циркуляционных труб и шлангов
Таблица 2. Техническая характеристика дисковой мельницы
Показатели Значение показателей
Дисковая мельница
Габаритные размеры 0,95x0,6x0,8 м
Межножевой зазор 0-6 мм
Частота вращения ротора 1500-2000 об/мин
Гарнитура мельницы
Материал Ст - 3
Диаметр наружный 300 мм
Диаметр внутренний 120 мм
Число ножей диска 40-144 шт
Ширина ножей 4 мм
Привод мельницы
Номинальная мощность 24 кВт
Число оборотов 750 об/мин
Процесс размола вели в дисковой мельнице при зазоре ме^ду дисками ротора и статора 5 = 0,3 мм; частота вращения ротора n = 2000 об/мин. Ножевая гарнитура традиционного типа (когда диски статора и ротора выполнены одинаково с углами установки ножей к радиусу 45° и при их установке при размоле, мы получаем постоянно пересекающиеся ножи).
Для предварительной подготовки суспензии перед экспериментами использовался лабораторный гидроразбиватель с мешалками вертикального и наклонного типа.
Обсуждениерезультатов
Полученные экспериментальные данные показывают, что на продолжительность размола большое влияние оказывают вид волокнистого полуфабриката (небеленая целлюлоза или оборотный брак), а также способ воздействия на волокно.
На основании экспериментальных данных построена графическая зависимость прироста степени помола по шкале Шоппер Риглера от времени размола волокнистого полуфабриката при различных спосо -бах размола (рис. 3).
Как видно из рисунка 3 качественные показатели прироста степени помола зависят от вида воздействия на волокно при размоле и не зависят от вида обрабатываемого полуфабриката. Для ножевого размола кривые носят параболический характер, при безножевом размоле характер кривых можно описать в виде половины синусоиды. Количественные значения изменения степени помола зависят от вида обрабатываемого материала и в малой степени наблюдается зависимость от вида воздействия на волокно (ножевое и безножевое).
Это положительный эффект, так как мы знаем, что обычно время, затрачиваемое на обработку ножевым способом, меньше, чем при безножевом. Этого эффекта мы достигли, подобрав режимы работы безножевой установки (скорость истечения струи, расстояние от насадки до преграды и др.), позволившие приблизиться к ножевым установкам по производительности и приросту градуса помола.
Межволоконные силы связи - важный качественный показатель, который обусловливает не только механическую прочность, но и почти все физические свойства (объемный вес, непрозрачность, воздухопроницаемость, впитывающая способность, деформация) и физико-механические характеристики (разрывная длина, сопротивление бумаги излому и продавливанию) готовой бумаги [2].
Из рисунка 4 видно, что качественные изменения межволоконных сил связи вне зависимости от вида волокнистого материала и способа обработки имеют идентичный характер в виде параболических кривых. При размоле рассматриваемых волокнистых полуфабрикатов межволоконные силы связи для первичного волокнистого сырья значительно выше, чем для вторичного. Так, при градусе помола 55° ШР этот показатель в два-три раза выше у первичного волокнистого сырья в сравнении с вторичным, как при безножевом, так и ножевом способах размола. Существенное влияние оказывает способ обработки. Так, при размоле в безножевой установке наблюдается рост межволоконных сил связи, а при ножевом способе размола рост наблюдается только до 60° ШР, а потом происходит падение этого показателя.
Это объясняется тем, что в ножевых размалывающих машинах волокна подвергаются рубке и вследствие этого значительному укорочению без существенного фибриллирования, а в безножевых машинах получается более длинноволокнистая масса с хорошо разработанной поверхностью.
Показатель сопротивления бумаги разрыву является одним из важнейших показателей качества. Как видно из графика (рис. 5), качественные зависимости изменения разрывной длины при размоле первичного и вторичного волокнистого сырья при ножевом и безножевом способах обработки имеют тенденцию роста с увеличением степени помола до 50 °ШР, дальнейшая ножевая обработка приводит к снижение разрывной длины, а при безножевом размоле продолжается повышение данного показателя независимо от вида обра -батываемого материала.
Из графика, представленного на рисунке 6, видно, что при идентичных качественных зависимостях количественные значения сопротивления продавливанию значительно отличаются друг от друга как при размоле различного волокнистого материала, так и при разном способе обработки. Более высокие показатели достигаются при разработке вторичного волокнистого сырья в безножевой установке «струя - преграда».
Показатель сопротивления бумаги продавливанию является одним из существенных показателей, характеризующих механическую прочность бумаги, и наиболее важен для бумаг, которые при использовании подвергаются частому изгибающему усилию, например денежная, картографическая, оберточная бумага и др. Этот показатель зависит от длины волокна, из которых образована бумага, их прочности, гибкости и сил связи между волокнами [2].
90
о.
3
О
го 60
4 о £ о с
£ 30 с
05
Р о
1 Ь 1
А Г ♦ -1 ■ -2
: А-3 @-4 -*
500
3000 Время размола, с.
1500
0,145
% 0,125
! 0,105
и 0,085
; 0,065
га 0,045
2000
0,025
♦ -1
Ш-2 4 -3 •
®-4 •/
/
т------•■ .
♦— . -»
15
35
55
75
Степень помола, ;ТиР
Рис. 3. Зависимость степени помола от времени размола: 1 - размол вторичного волокнистого сырья в ножевой установке; 2 - размол вторичного волокнистого сырья в безножевой установке; 3 - размол первичного волокнистого сырья в ножевой установке; 4 - размол первичного волокнистого сырья в безножевой установке
Рис. 4. Зависимость межволоконных сил связи от степени помола: 1 - размол вторичного волокнистого сырья в ножевой установке; 2 - размол вторичного волокнистого сырья в безножевой установке; 3 - размол первичного волокнистого сырья в ножевой установке; 4 - размол первичного волокнистого сырья в безножевой установке
9500 7500 5500 3500 1500
> __._________©
$ - ♦ -1
а-2 V. -3
©-4 -В -' Т
-
15
35 55
Степень помол а; °ШР
75
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
15
к -" ф ■-------- @
...' -----А- —_____
-1 ш
Ш-2
-3 —•
®-4 -►
35 55
/Степень помола, ШР
75
Рис. 5. Зависимость разрывной длины от степени помола: 1 - размол вторичного волокнистого сырья в ножевой установке; 2 - размол вторичного волокнистого сырья в безножевой установке; 3 - размол первичного волокнистого сырья в ножевой установке; 4 - размол первичного волокнистого сырья в безножевой установке
Рис. 6. Зависимость сопротивления продавливания от степени помола: 1 - размол вторичного волокнистого сырья в ножевой установке; 2 - размол вторичного волокнистого сырья в безножевой установке; 3 - размол первичного волокнистого сырья в ножевой установке; 4 - размол первичного волокнистого сырья в безножевой установке
Из рисунков 7 и 8 видно, что при размоле различного волокнистого материала качественные зависимости сопротивления излому имеют одинаковую тенденцию изменения, характерную для типичных зависимостей приведенных в специальной литературе. Количественные зависимости сопротивления бумаги излому при размоле первичного и вторичного волокнистых материалов различными способами, при прочих равных условиях, значительно отличаются друг от друга.
Так же из рисунка 7 видно, что бумажные отливки, полученные при размоле вторичного сырья безножевым способом, имеют более высокие показатели сопротивления излому (число двойных перегибов составляет 6), чем при разработке ножевым (число двойных перегибов равно 2). Такие небольшие значения можно объяснить тем, что при увеличении степени помола волокнистой суспензии на показатель сопротивления бумажных отливок излому одновременно в отрицательном направлении действуют два фактора: повышение хрупкости и снижение средней длины волокон, а у вторичного волокнистого сырья они изначально низкие.
На рисунке 9 представлен график зависимости сопротивления бумаги раздиранию от степени помола. Из рисунка видно, что качественные зависимости сопротивления раздиранию одинаковы при размоле различного волокнистого материала и при разном способе воздействия на волокно. Несмотря на незначительное увеличение сопротивления раздиранию в начале размола, общей тенденцией является снижение этого показателя в процессе размола.
Количественные зависимости сопротивления раздиранию отличаются друг от друга. Из этого следует, что более высокие показатели получаются при безножевом способе воздействия на вторичное волокни -стое сырье, чем при ножевом.
ч:
о
900
700
500
300
100
к - -
У А -1
• -2
35 55
Степень помолг, ШР
75
Рис. 7. Зависимость сопротивления излому вторичного волокнистого сырья от степени помола:
1 - размол в ножевой установке;
2 - размол в безножевой установке
Рис. 8. Зависимость сопротивления излому первичного волокнистого сырья от степени помола.
1 - размол в ножевой установке;
2 - размол в безножевой установке
Рис. 9. Зависимость сопротивления на раздирание от степени помола: 1 - размол вторичного волокнистого сырья в ножевой установке; 2 - размол вторичного волокнистого сырья в безножевой установке; 3 - размол первичного волокнистого сырья в ножевой установке; 4 - размол первичного волокнистого сырья в безножевой установке
♦ -1
Я-2
А-3
О-4 Ч
15 35 55 75
Выводы
1. Продолжительность размола вторичного волокнистого сырья безножевым способом при прочих равных условиях сравнима с временем, затрачиваемым на размол ножевым способом. Это объясняется подбором оптимальных параметров работы безножевой установки (скорость истечения струи, расстояние от насадки до преграды и др.), позволившим приблизиться к ножевым установкам по производительности и приросту градуса помола.
2. Качественные показатели процесса размола (межволоконные силы связи, разрывная длина, сопротивление продавливанию и др.) при безножевом способе размола более высокие по сравнению с размолом ножевым способом. В ножевых размалывающих машинах волокна подвергаются сильному рубящему воздействию без значительного фибриллирования, что в конечном итоге приводит к снижению прочностных показателей готовой продукции.
3. При определенных параметрах работы безножевой размольной установки (скорость истечения струи, расстояние от насадки до преграды, диаметр насадки, вид и форма преграды и др.) удельный расход электроэнергии может быть приближен к ножевому размолу.
Список литературы
1. Фляте Д.М. Технология бумаги : учебник для вузов. М., 1988. 440 с.
2. Кутовая Л.В., Алашкевич Ю.Д. Обобщающий параметр безножевого способа обработки волокнистых полуфабрикатов : монография. Красноярск, 2001. 130 с.
3. Алашкевич Ю.Д. Оборудование для подготовки бумажной массы : курс лекций для студентов специальностей 170404, 030528 и 260304 всех форм обучения. Красноярск, 2000. 248 с.
4. Алашкевич Ю.Д. Гидродинамические явления при безножевой обработке волокнистых материалов. Красноярск, 2004. 80 с.
5. Исследование композиции писчепечатных видов бумаги, содержащей макулатуру // Целлюлоза. Бумага. Картон. Экспрессинформ. 2000. №5. С. 32-34.
6. Легоцкий С.С., Гончаров В.Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М., 1990. 224 с.
7. Смоляницкий Б.З. Переработка макулатуры. М., 1980. 176 с.
8. Мазарский С.Н., Машинский И.З., Эпштейн К.Ю. Оборудование целлюлозно-бумажного производства. М., 1968. 456 с.
Поступило вредакцию 9 февраля 2012 г.
