CC BY
43
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАСКРОЯ БАЛАНСОВ НА ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ ЩЕПЫ
Л.А. ДЕВЯТНИКОВА, асп. каф. целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ПетрГУ,
С.Б. ВАСИЛЬЕВ, проф. каф. целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ПетрГУ, д-р техн. наук,
Г.Н. КОЛЕСНИКОВ, проф. каф. механики ПетрГУ, д-р техн. наук
lud_dev@mail.ru; servas@psu.karelia.ru; kgn@karelia.ru
Постановка проблемы
Конечной продукцией древесно-подготовительного цикла на целлюлозно-бумажном комбинате (далее ЦБК) является технологическая щепа. Ее характеристики во многом зависят от качества и размерных характеристик измельчаемого сырья [1-3]. Используемые на ЦБК для производства щепы дисковые рубительные машины рассчитаны на переработку отрезков бревен длиной от 0,8 м до 3,0 м.
Поступающие на ЦБК бревна раскраиваются с помощью слешерной установки на мерные отрезки (далее - балансы). Конструктивные особенности слешера обуславливают получение нескольких балансов и остатка. Длина остатка может оказаться меньше минимального значения длины сырья, подаваемого в рубительную машину. Эти короткие остатки (далее - короткомеры) проходят весь цикл переработки в общем потоке сырья. Часть ко-роткомеров раскалывается в барабанах вдоль волокон и превращается в так называемые
Рис. 1. Тракт подачи сырья в рубительную машину
«отщепы». В то же время большая часть из них сохраняет свою форму и попадает вместе с балансами на измельчение в рубительную машину (рис. 1).
Доля (в количественном соотношении) короткомеров в потоке сырья, загружаемого в рубительную машину, в некоторых случаях может достигать 60 %. Сильно механически поврежденные в корообдирочном барабане, они, как показали наблюдения, не только сами неправильно ориентируются в зоне рубки, но провоцируют неправильную ориентацию балансов. Это может приводить к ухудшению фракционного состава щепы, а именно, к снижению доли кондиционной фракции и росту долей крупных и мелких частиц. В то же время необходимо отметить, что в объемном соотношении доля короткоме-ров невелика, поэтому может оказаться, что их отрицательное влияние на фракционный состав щепы практически незначительно.
В связи с изложенным целью проведенного исследования является установление существования корреляции между долей ко-роткомеров в массиве сырья, подаваемого в рубительную машину, и фракционным составом вырабатываемой щепы.
Условия и методика проведения исследования
Исследование проводилось в производственных условиях древесно-подготовительного цеха целлюлозно-бумажного комбината в период с августа по сентябрь. Отбор проб для определения фракционного состава вырабатываемой щепы осуществлялся круглосуточно.
Поступающие на предприятие бревна распиливаются с помощью слешера на ба-
120
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
ДЕРЕВООБРАБОТКА
лансы. Слешер оборудован четырьмя пилами, расположенными таким образом, чтобы обеспечивать получение балансов длиной 1,25 м. Длина подаваемых на раскрой бревен составляла от 3,00 до 6,50 метров. При таком соотношении длин распиливаемых бревен и расстояний между пилами образование ко-роткомеров неизбежно.
Полученные на слешере балансы и ко-роткомеры поступают на один конвейер, которым подаются в корообдирочный барабан. В древесно-подготовительном цехе установлены корообдирочные барабаны со следующими техническими характеристиками: длина - 25 м, внутренний диаметр секций - 3836 мм, частота вращения секций - 6 мин-1, расчетная производительность - 50 м3/час, степень заполнения барабана в ходе исследования поддерживалась на уровне 2/3 от объема. В зоне загрузки в барабан для интенсификации процесса отделения коры вся древесина обрабатывается водой, нагретой до температуры 40° С.
Выгружаемые из корообдирочного барабана балансы и короткомеры ленточным конвейером подаются к тракту загрузки сырья в рубительную машину. Тракт представляет собой роликовый конвейер (рис. 1), призванный ориентировать и разделять подаваемые в рубительную машину балансы.
Измельчение древесины в щепу производится рубительной машиной с техническими характеристиками: диаметр ножевого диска - 2500 мм; количество радиально расположенных на диске ножей - 15 штук; частота вращения диска - 365 мин-1. Конструкция машины рассчитана на переработку древесины длиной от 800 до 3000 мм, диаметром от 60 до 625 мм. Режущий аппарат в период исследований был настроен на производство щепы длиной 20 мм.
При проведении исследования, в различное время суток, производился фракционный анализ щепы, вырабатываемой рубитель-ной машиной. Для анализа отбиралась щепа, поступавшая из циклона на сортировку.
В процессе отбора проб визуально оценивалось содержание короткомеров в потоке сырья на конвейере между корообдирочным
барабаном и рубительной машиной. Этот показатель рассчитывался по формуле ^ = (а / 6)-100 %,
где ^ - доля короткомеров в потоке сырья, %; а - количество короткомеров, шт.; b - общее количество объектов, подаваемых в рубительную машину, шт.
Всего в ходе исследования было выполнено 150 измерений. При анализе данные были сгруппированы по критерию доли короткомеров в общем массиве объектов, подаваемых в рубительную машину. Было сформировано пять групп: «40» - содержание короткомеров от 38 до 42 %; «45» - содержание короткомеров от 43 до 47 %; «50» - содержание короткомеров от 48 до 52 %; «55» -содержание короткомеров от 53 до 57 %; «60» - содержание короткомеров от 58 до 62 %.
Фракционный состав щепы оценивался с помощью анализатора щепы АЛГМ-1 по методике, изложенной в ГОСТ 15815-83 [4]. При описании результатов анализов фракционного состава щепы использованы следующие понятия:
- крупная фракция - остаток на сите с отверстиями диаметром 30 мм;
- кондиционная фракция - сумма остатков на ситах с отверстиями 20 и 10 мм;
- мелкая фракция - остаток на сите с отверстиями диаметром 5 мм;
- отсев - остаток на поддоне анализатора.
При проведении анализов качества щепы фиксировалось содержание в ней коры и гнили. Результаты показали, что во время проведения эксперимента массовые доли коры и гнили в щепе не превышали 0,2 и 0,5 % соответственно.
Результаты экспериментального исследования
Поскольку пробы щепы для определения фракционного состава отбирались круглосуточно, то на первом этапе полученные данные были проанализированы на предмет наличия корреляции между временем отбора и фракционным составом. Это было сделано ввиду того, что дважды в сутки производится замена ножей рубительной машины. Необхо-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2012
121
ДЕРЕВООБРАБОТКА
-л- крупная, %^~ сумма мелкой и отсева, %
Рис. 2. Массовые доли крупной и мелких фракций в щепе в пробах, взятых в разное время суток, для группы содержания короткомеров «55»
Рис. 3. Массовая доля кондиционной фракции в щепе в пробах, взятых в разное время суток, для группы содержания короткомеров «55»
Доля короткомеров в общем массиве балансов (группы), %
3,8т
3,4
3,0:
2,6
2А
-4Г-
4► y2 = 0,036x + 1,3749 : R2 = 0,8913
35
40
45
50
55
60
65
Доля короткомеров в общем массиве балансов (группы), %
Рис. 4. Доля (средние значения для групп) кондиционной (yt) фракции в зависимости от доли короткомеров (x) в сырье
Рис. 5. Доля (средние значения для групп) крупной фракции (y2) в зависимости от доли короткоме-ров (x) в сырье
«
о
о
СЗ
5 4 § 3
& 2
•ей
О4
У3 — 0,0633Х + 0,8492 R2 — 0,9526
35
40 45 50 55 60
Доля короткомеров в общем массиве балансов (группы), %
65
Рис. 6. Доля (средние значения для групп) мелкой фракции (y3) в зависимости от доли короткоме-ров (x) в сырье
Доля короткомеров в общем массиве балансов (группы) ,%
Рис. 7. Доля (средние значения для групп) отсева (y4) в зависимости от доли короткомеров (x) в сырье
димо было установить, влияло ли в ходе проведенного исследования техническое состояние ножей на фракционный состав щепы. Анализ результатов показал отсутствие зна-
чимого влияния времени отбора проб на фракционный состав щепы. На рис. 2 и 3 показано колебание значений массовых долей фракций в щепе в зависимости от времени взятия про-
122
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
ДЕРЕВООБРАБОТКА
бы для анализов группы «55». Похожая картина наблюдалась и для анализов всех других групп. Объяснить это можно тем, что в ходе исследования объемы перерабатываемой древесины были невелики, а ее качество и степень очистки высоки.
Таким образом, исключив фактор влияния технического состояния ножей ру-бительной машины на качество получаемой щепы, приступили к решению второй задачи исследования. На этом этапе полученные результаты фракционного состава анализировались на предмет выявления корреляции между долей короткомеров в потоке сырья и массовой долей различных фракций в щепе.
Средние значения по группам результатов обработки фракционных анализов щепы, полученных в ходе экспериментального исследования, представлены на рис. 4 - 7. Все представленные на рисунках графики демонстрируют наличие определенной зависимости между содержанием в измельчаемом сырье короткомеров и фракционным составом щепы. При этом доля кондиционной фракции с увеличением содержания в сырье короткомеров уменьшается, а доли крупной и мелких фракций растут.
Результаты обработки полученных данных, представленные на рисунках 4 - 7, удовлетворительно аппроксимируются с помощью линейных зависимостей.
Значение массовой доли кондиционной фракции в щепе колебалось от 87,8 до 97,8 % для всех отобранных в ходе исследования проб. Оба экстремальных значения были выявлены в группе «55» по содержанию корот-комеров. При сравнении средних групповых значений установлено, что при увеличении доли короткомеров в общем массиве балансов с 40 до 60 % массовая доля нормальной фракции в щепе снижается на 2,5 %.
Среднее значение массовой доли крупной фракции в щепе по проведенным замерам составило 3,2 %. При этом экстремальные значения были выявлены в группе «50» по содержанию короткомеров, они составили
1,1 и 6,9 %. Сравнение средних групповых значений показывает рост массовой доли крупной фракции в щепе на 0,8 % при увели-
чении содержания короткомеров в сырье от 40 до 60 %.
Среднее значение массовой доли мелкой фракции в щепе при исследовании диапазона доли короткомеров в сырье от 40 до 60 % составило 4,1 %. Экстремальные значения были выявлены в группе «55» по содержанию короткомеров, они составили 0,5 и 6,4 %. Сравнение средних групповых значений показывает рост массовой доли мелкой фракции в щепе на 1,4 % при увеличении содержания короткомеров в сырье от 40 до 60 %.
В диапазоне доли короткомеров в сырье от 40 до 60 % среднее значение массовой доли отсева в щепе составило в 0,5 %. Экстремальные значения были выявлены в группе «55» по содержанию короткомеров, они составили 0,2 и 1,0 %. Сравнение средних групповых значений показывает рост массовой доли отсева в щепе на 0,3 % при увеличении содержания короткомеров в сырье от 40 до 60 %.
Обсуждение результатов эксперимента
Ранее уже было отмечено влияние на фракционный состав щепы механических повреждений древесины, как одной из характеристик сырья. Неоднократно подтвержденный опытом эксплуатации анализ этой проблемы показал, что торцы балансов разрушаются под воздействием ударных нагрузок в корообдирочном барабане. Происходит так называемое их «размочаливание». Чем меньше длина перерабатываемого баланса, тем, соответственно, меньше и длина неповрежденной части, а с увеличением длины баланса увеличивается длина его неповрежденной средней части. Ранее проведенными исследованиями установлено, что повреждения при сжатии вдоль волокон распространяются от торцов на длину, примерно равную диаметру баланса [5]. Указанные повреждения приводят к увеличению доли мелких фракций при измельчении торцевых частей балансов в ру-бительной машине. Стоит отметить, что методика количественной оценки повреждений в виде «размочаливания» торцов, как одного из типов механических повреждений, в на-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
123
ДЕРЕВООБРАБОТКА
стоящее время в известной нам литературе не представлена. Необходимость разработки такой методики объясняется тем, что видимые и скрытые повреждения, как показано в работе [2], оказывают существенное влияние на качество целлюлозы. Вопросы количественной оценки влияния «размочаливания» торцов балансов при их очистке от коры в корообдирочных барабанах, частично затронутые в работах [5], [6], требуют отдельного рассмотрения, выходящего за рамки данной статьи.
Полученные в ходе проведенного исследования результаты косвенным образом подтверждают тот факт, что при групповой очистке от коры корообдирочном барабане короткомеры подвергаются более сильным механическим повреждениям. Поэтому при производстве щепы провоцируют образование повышенной массовой доли мелкой фракции и отсева. Рост доли крупной фракции подтверждает предположение о том, что короткомеры неправильно ориентируются в зоне измельчения. Рассчитанный на подачу к ножевому диску балансов длиной не менее 0,8 м загрузочный патрон не в состоянии правильно расположить короткомеры при подаче. Они разворачиваются, и вместо поперечноторцевого резания происходит продольное и (или) поперечное. Это и вызывает рост доли крупной фракции в щепе при возрастании доли короткомеров в сырье, подаваемом в ру-бительную машину.
Для исключения появления коротко-меров возможны три подхода: 1 - применение предварительного сортирования бревен по длине с учетом расстояния между пилами перед распиловкой; 2 - изменение количества и (или) расположения пил на слешере; 3 - применение такой схемы расположения пил на слешере, когда обеспечивается получение остатка длиной не менее выпиливаемых балансов. В любом случае технологии, исключающие появление короткомеров, позволят снизить потери не только при производстве щепы в рубительной машине, но и при раскрое бревен перед подачей в древесно-подготовительный цех (снизится объем опилок).
Выводы
Установлена зависимость между долей короткомеров в массиве сырья, подаваемого в рубительную машину, и фракционным составом вырабатываемой щепы. Зависимости массовых долей различных фракций щепы с достаточной для практики точностью могут быть аппроксимированы линейными выражениями.
Результаты экспериментального исследования фракционного состава щепы, полученной из отрезков бревен длиной от 0,10 до 1,25 м, показали, что увеличение доли короткомеров в общем объеме балансов от 40 до 60 % ведет к уменьшению выхода кондиционной фракции в технологической щепе на
2,5 %, а также к увеличению долей крупной фракции на 0,8 % и мелких на 1,7 %.
Получение щепы, по фракционному составу отвечающей требованиям, предъявляемым к щепе марке Ц1 по ГОСТ 15815-83, возможно в рубительной машине, оснащенной ножевым диском диаметром 2500 мм, если в подаваемом на рубку сырье содержится не более 45 % отрезков длиной менее
0. 8.м.
Библиографический список
1. Бойков, С.П. Теория процессов очистки древесины от коры / С.П. Бойков. - Л.: ЛГУ, 1980. - 152 с.
2. Вальщиков, Н.М. Рубительные машины: монография / Н.М. Вальщиков, Э.П. Лицман. - М.: Лесная пром-сть, 1980. - 96 с.
3. Никишов, В.Д. О качестве технологической щепы / В.Д. Никишов, М.В. Гомонай // Вестник МГУЛ
- Лесной вестник. - 2001. - № 5. - С. 130-133.
4. ГОСТ 15815-83 Щепа технологическая. Технические условия. - Введ. 1985-01-01. - М.: Госстандарт России: Изд-во станд-в, 1988. - 15 с.
5. Девятникова, Л.А. Комплекс задач по совершенствованию технологии и оборудования древесноподготовительного цикла для производства целлюлозы / Л.А. Девятникова // Материалы пятой международной научно-практической Интернетконференции «Леса России в XXI веке». - СПб.: ЛТА, 2010. - С. 151-158.
6. Никонова, Ю.В. Обоснование конструктивно-технологических параметров корообдирочных барабанов с применением численного моделирования динамического взаимодействия балансов: авто-реф. дисс. ... канд. техн. наук / Ю.В. Никонова.
- Петрозаводск, 2009. - 20 с.
124
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012
