CC BY
33
Химия растительного сырья. 2011. №4. С. 305-309.
УДК 676.1.054.1
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РАЗМОЛА ЩЕПЫ В ОДНУ СТУПЕНЬ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТОГО ПОЛУФАБРИКАТА И ГОТОВОЙ ПЛИТЫ
© М.А. Зырянов , Н.Г. Чистова, A.A. Дирацуян
Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия), e-mail: zuryanov13@mail.ru
Представлено обоснование влияния конструктивных параметров размалывающих органов размольного агрегата на качественные характеристики древесноволокнистой массы и готовой продукции. Выбор оптимальных параметров экспериментальной установки позволил изготовить ДВП мокрым способом производства из древесноволокнистого полуфабриката, полученного в одну ступень размола технологической щепы.
Ключевые слова: щепа, размол, древесноволокнистый полуфабрикат, волокно, фибриллплазма, мельштофф, фракционный показатель качества, степень помола, прочность, древесноволокнистая плита,
Введение
Производство древесноволокнистых плит (ДВП) в значительной мере способствует решению проблемы комплексного использования древесного сырья. Для производства плит используют низкосортную древесину, отходы деревообрабатывающего и целлюлозно-бумажного производства, а получаемая продукция во многих случаях заменяет массивную древесину.
Одним из определяющих этапов производства плит является процесс получения древесноволокнистых полуфабрикатов, т.е. размол. Размол древесины в производстве ДВП является сложнейшим процессом, природа которого изучена еще далеко не полностью.
Как известно, при получении древесноволокнистого полуфабриката в производстве ДВП мокрым способом размол щепы происходит в две ступени. На первой ступени размола осуществляется термогид -ролитическая обработка технологической щепы, ослабление связей ме^ду волокнами в результате пластификации срединной пластинки древесной клетки и в дальнейшем под действием ножей размалывающей гарнитуры разделение щепы на пучки и отдельные волокна. На второй ступени происходит выравнивание фракционного состава волокна и разделение не размолотых пучков при атмосферном давлении [1].
Получение древесноволокнистого полуфабриката в две ступени предполагает значительные производственные площади, трудозатраты и повышенный расход электроэнергии. В связи с этим решение задачи получения древесной массы с заданными качественными свойствами и морфологическими характеристиками древесного волокна из технологической щепы в одну ступень размола является актуальной на сегодняшний день.
В настоящей работе представлены результаты исследований зависимости качественных характеристик древесноволокнистой массы и физико-механических свойств готовой плиты от конструктивных особенностей размалывающих органов размольной установки, позволяющей получать древесноволокнистый полуфабрикат в одну ступень размола щепы, пригодный для производства ДВП мокрым способом соответ-ствующих ГОСТу 4598-86.
* Автор, с которым следует вести переписку,
Экспериментальная часть
Для достижения поставленной цели на базе Лесосибирского филиала СибГТУ была усовершенствована лабораторная установка для размола технологической щепы рафинер Ц-230 (рис. 1а).
Волокнистый материал в таком аппарате, как и в роллах (рис. 16), подвергается размолу в зазоре между ножами статора и ротора, в результате происходит разделение щепы на пучки волокон и отдельные волокна.
Особенностью процесса получения древесноволокнистого полуфабриката на рафинере Ц-230 является размол технологической щепы при высокой концентрации (более 40%). Ввиду конструктивной особенности ротора, имеющего четыре кармана для размещения древесной массы, закручивания волокон согласно теории Д. Пейджа не происходит, а ячейки ножей статора не забиваются благодаря достаточной ширине и глубине, что в свою очередь повышает эффективность размола. Второй отличительной чертой получения древесноволокнистого полуфабриката на рафинере Ц-230 является значительно меньшая релаксация древенсного волокна в процессе размола за счет отсутствия режущих кромок на участке между гребенчатыми планками, что в свою очередь позволяет получить древесноволокнистый полуфабрикат с низкой степенью помола, но более высоким фракционным показателем качества. В результате такого воздействия полученная древесноволокнистая масса имеет более высокое содержание мелочи, состоящей преимущественно из фибриллплазмы А, и мельштоффа Б, характеризуется высоким показателем отношения длины волокна к диаметру.
При производстве древесноволокнистых плит мокрым способом формование древесноволокнистого ковра происходит в водной среде, поэтому большое влияние на способность переплетения волокна имеют его морфологические характеристики. С увеличением длины волокна и уменьшением его диаметра увели -чивается его гибкость и способность к переплетению. Также, на наш взгляд, значительное влияние на качество древесной массы оказывают морфологические характеристики мелочи, характеризуемые средней длинной, средним диаметром, отношением длины к диаметру и удельной поверхностью волокна.
Исследования показали, что наилучшие физико-механические свойства плиты обеспечивают нали-чие в составе древесноволокнистого полуфабриката среднего волокна не менее 30% и мелкого 25-30%. При этом мелкая фракция волокна должна состоять преимущественно из фибриллплазмы группы А и мельштоффа группы Б, так как отношение длинны к диаметру волокна данных групп мелочи в несколько раз превышает аналогичные характеристики крупной и средней фракций волокна, что, несомненно, будет способствовать увеличению удельной поверхности древесной массы и улучшению качественных характеристик древесново -локнисгых полуфабрикатов и структурообразованию плит.
Немаловажное влияние на качественные свойства древесноволокнистой массы и морфологические характеристики древесного волокна оказывает секундно-режущая длина, которая зависит от конструктивных особенностей рафинера Ц-230.
С. Смит связывает эффект укорачивания волокон с ростом секундной режущей длины [2].
Рис. 1. Схемы размольных камер машин для производства древесноволокнистой массы: а) размалывающие органы рафинера Ц-230; б) размалывающие органы ролла
1 - крестовина ротора; 2 - гребенчатая планка
1 - ванна; 2 - роторный барабан; 3 - гребенчатая планка; 4 - отражатель; 5 - горка
Существенным параметром, формирующим величину секундной режущей длины, является количество точек пересечения режущих кромок ножей ротора с ножами статора. Каждая точка пересечения формирует поверхность размола в виде ромба [5]. Однако конструктивные особенности рафинера Ц-230 формируют пересечение режущих поверхностей по всей длине ножа, так как профиль гребенчатых планок статора а1, имеет углы установки режущих кромок, равные углам наклона кромок крестовины ротора а2, и составляют 90° (рис. 2). В результате поверхность размола будет иметь форму прямоугольника. Из схемы, представленной на рисунке 2, видно, что при угле скрещивания равном 0°, точка пересечения режущих кромок сливается в линию направленную по плоскости расположения ножей, что соответствует одному контакту, поэтому в этом случае показатель циклической элементарной длины имеет максимальное значение.
Ввиду вышесказанного был произведен расчет секундной режущей длины прямолинейных ножей рафинер Ц-230 численным методом.
Для исследования влияния конструктивных параметров установки на процесс размола при помощи пакета программ КОМПАС-3ЭУ8 были изготовлены прозрачные графические модели ротора и статора с соблюдением реальных геометрических размеров (рис. 2).
В работах Ю.Д. Алашкевича [3], А.А. Набиевой [4] впервые для оценки качества разработки целлюлозы в процессе размола на дисковых мельницах был предложен технологический параметр «циклическая эле -ментарная длина Ьш эл », характеризующий среднюю длину, «отрезаемую» парой ножей за один оборот ротора, и наиболее эффективно отражающий качество помола, чем секундная режущая длина [2]. Установлено, что с увеличением количества точек контакта циклическая элементарная длина уменьшается, что может снизить качество помола [4]. Экспериментально было установлено, что с увеличением численного значения параметра циклической элементарной длины происходит уменьшение коэффициента укорочения волокна [5].
ь _ Ь •60 (1)
(°'ЭЛ' п • г -(2^/^) ,
где X - количество движущихся точек пересечения ножей ротора с ножами статора, шт.; Ь - секундная режущая длина, м/с; п - частота вращения ротора, об/мин.; 2к/у - число секторов.
Проводя аналогичные умозаключения для повышения эффективности процесса размола технологической щепы в рафинере, необходимо определить параметр «циклической элементарной длины Ьаэл » для гребенчатых планок и крестовины. Установили, что формула для его определения будет иметь иной вид и отличаться от этого же параметра для ножевой гарнитуры дисковой мельницы.
Циклическая элементарная длина для рафинера рассматриваемой конструкции будет вычисляться по следующей формуле:
Ь. • 60
Ь^эл=~^— • (2)
п • г
Рис. 2. Схема углов скрещивания на установке рафинер Ц-230
Секундная режущая длина определяется по традиционной формуле:
шп • шк • 1п • п
Ь =-Л—— > (3)
5 60
где шц - число ножей планок статора, шт.; шБ - число граней крестовины ротора, шт.;. 1ц - длина ножа на цилиндре, м; п - частота вращения крестовины, об./мин.
Подставим в формулу (2) формулу (3), получим
Шц ■ тБ ■ 1Ц ■п 25• 4• 0,25-1500 .
Ь5 = —---------— =----------------= 625 м/с;
5 60 60
Т 625•60
Ьт =---------= 25 М.
®.эл. 1500.1
Таким образом, чтобы повысить эффективность размола на установке рафинер Ц-230, необходимо увеличить значение показателя циклической элементарной длины. Как видно из формул (2) и (3), повышение показателя циклической элементарной длины возможно за счет увеличения количества ножей на гребенчатых планках и количества граней крестовины размалывающей установки, при этом количество движущихся точек пересечения ножей ротора с ножами статора (а в данном случае количество контактов) должно остаться прежним.
Для решения поставленной задачи было увеличено количество ножей гребенчатых планок, оставив без изменения количество граней крестовины, что в противном случае привело бы к повышению металлоемкости конструкции ротора и увеличению движущихся точек пересечения.
После того, как на каждой гребенчатой планке был добавлен нож, циклическая элементарная длина составила ЬШгЭЛ = 30 м.
С целью подтверждения вышеизложенных теоретических предположений был изготовлен комплект гребенчатых планок статора с большим числом ножей и реализован эксперимент с установленными оптимальными технологическими и конструктивными параметрами процесса размола в одну ступень на рафинер Ц-230, а именно: рабочий зазор, х = 0,2(±0,05) мм; продолжительность размола, т = 105(±1,5) сек; давление в размольной камере, Р = 1,05(±0,01) МПа.
При получении древесноволокнистых полуфабрикатов использовалась технологическая щепа, имеющая следующий породный состав: сосна - 94%, лиственница - 4%, береза и осина - 2%.
Термическая обработка щепы осуществлялась при температуре 180 °С и давлении 1,0 МПа в течение 4 мин. Эксперимент проводился при всех прочих равных условиях и дублировании опытов более 10 раз.
Обсуждениерезультатов
Как видно из результатов эксперимента, приведенных в таблице 1, с увеличением числа ножей статора происходит увеличение качественных показателей древесноволокнистой массы и физикомеханических свойств готовой плиты при всех прочих равных условиях.
На наш взгляд, увеличение качественных показателей древесноволокнистой массы и физикомеханических свойств готовой плиты при увеличении числа ножей статора до 30 штук можно объяснить тем, что при росте значения показателя циклической элементарной длины количество движущихся точек пересечения ножей ротора с ножами статора осталось равным единице. В свою очередь, увеличение показателя циклической элементарной длины при минимальном количестве точек пересечения ножей ротора с ножами статора позволило повысить эффективность размола без существенного укорачивания волокон. Также по нашему мнению, дальнейшее увеличение числа ножей гребенчатых планок привело бы к увеличению количества контактов (или точек пересечения ножей ротора и статора), что увеличило бы эффект укорачивания волокна и снизило эффективность размола.
Результаты экспериментальных исследований
Количество ножей на пяти планках статора, шт. Секундная режущая длина, м/с Циклическая элементарная длина, м Степень помола массы, ДС Фракционный показатель качества, г Прочность плиты, МПа Плотность плиты, кг/м3 Водопо-глощение плиты за 24 ч, % Набухание плиты за 24 ч, %
25 625 25 18,8-19,1 33,9-34,2 37,6-39,3 854-872 27,6-29,2 19,2-21,0
30 750 30 21,4-22,1 35,8-36,0 41,2-42,0 868-880 28,0-28,9 18,9-20,7
35 875 17,5 20,1-20,8 33,2-34,1 37,3-38,4 887-894 29,7-31,1 22,4-23,9
Выводы
Таким образом, так как при размоле на рафинере Ц-230 имеет место полное перекрытие единичного ножа ротора ножом статора при его повороте на малый угол dy в некоторый промежуток времени, точка пересечения режущих кромок образует сплошную линию по всей плоскости ножа, формируя максимально возможную поверхность размола при данных конструктивных параметрах, а показатель циклической элементарной длины имеет большое значения для характеристики качественных показателей процесса размола.
Увеличение числа ножей статора рафинера до 30 штук позволило повысить значение показателя циклической элементарной длины до его максимально возможного для данного агрегата значения и, в свою очередь, обеспечило более высокое качество древесной массы и физико-механических свойств плиты при всех прочих равных условиях.
Список литературы
1. Солечник Н.Я. Производство древесноволокнистых плит. 2-е изд., перераб. и доп. М., 1963. 338 с.
2. Smith S. Die rationelle Theorie das Ganzzeughollandar. Otto Emst Verlag. Berlin, 1922. Teil I. 105 p.
3. Алашкевич Ю.Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных машинах : дис. ... д-ра техн. наук. Красноярск, 1986. 170 с.
4. Набиева A.A. Оценка влияния и совершенствования технологических параметров ножевых размалывающих
машин : дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2004. 156 с.
5. Набиева A.A., Алашкевич Ю.Д., Ковалев В.И. Анализ формирования технологических параметров ножевых
размалывающих гарнитур // Химия растительного сырья. 2009. №3. С. 169-172.
Поступило в редакцию 31 октября 2011 г.
