Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор по теме диссертационного исследования 10
1.1. Отходы древесно-подготовительного цикла производства целлюлозы 10
1.1.1. Отходы окорки 12
1.1.2. Отходы производства щепы 17
1.1.3. Вероятные способы использования отходов ДПЦ 28
1.2. Контроль качества образцов 32
1.3. Выводы по главе
ГЛАВА 2. Методика изготовления образцов 38
2.1. Фракционный состав отходов древесно-подготовительного цеха ЦБК 38
2.1.1. Анализ коры на крупность частиц 39
2.1.2. Анализ отсева на крупность частиц 42
2.2. Изготовление опалубки 45
2.3. Методика определения пригодности отходов древесно- подготовительного цеха ЦБК для древесно-цементных композитов 47
2.3.1. Методика определения пригодности скопа для древесно- цементных композитов 47
2.3.2. Методика определения пригодности коры для древесно-цементных композитов 51
2.3.3. Методика определения пригодности отсева для древесно цементных композитов 55
2.4.Методика определения прочности образцов методом сжатия со смесью
отходов древесно-подготовительного цеха ЦБК в качестве заполнителя 58
2.4.1. Методика определения прочности образцов с разным процентным соотношением содержания коры в заполнителе 59
2.4.2. Методика определения прочности образцов с разным процентным соотношением содержания отсева в заполнителе 63
2.4.3. Методика определения прочности образцов с разным процентным соотношением содержания скопа в заполнителе 66
2.5. Испытание образцов на прочность методом сжатия 69
2.6. Выводы по главе 71
ГЛАВА 3. Обоснование применимости оптических методов оценки однородности образца 72
3.1. Выводы по главе 95
ГЛАВА 4. Результаты исследований 96
4.1. Результаты определения пригодности отходов древесно- подготовительного цеха ЦБК для древесно-цементных композитов 96
4.1.1. Результаты определения пригодности скопа для древесно-цементных композитов 96
4.1.2. Результаты определения пригодности отсева для древесно-цементных композитов 99
4.1.3. Результаты определения пригодности коры для древесно-цементных композитов 102
4.2. Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси отходов древесно-подготовительного цеха ЦБК на прочность методом сжатия 105
4.2.1. Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси скопа и коры на прочность методом сжатия 105
4.2.2. Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси отсева и скопа на прочность методом сжатия 108
4.2.3. Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси коры и отсева на прочность методом сжатия 111
4.3. Влияние состава заполнителей на прочность образцов 114
4.4. Расчет фрактальной размерности изображений образцов 122
4.5. Сравнение испытанных образцов с арболитом разных классов по прочности 126
4.6. Выводы по главе 130
Выводы и рекомендации 133
Список использованной литературы
- Вероятные способы использования отходов ДПЦ
- Методика определения пригодности коры для древесно-цементных композитов
- Результаты определения пригодности скопа для древесно-цементных композитов
- Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси отсева и скопа на прочность методом сжатия
Вероятные способы использования отходов ДПЦ
Как известно технологический процесс производства целлюлозы и бумаги начинается с цикла операций по подготовке древесного сырья к дальнейшей переработке. Этот цикл осуществляется обычно в древесно-подготовительных цехах (далее ДПЦ) целлюлозно-бумажных комбинатов (далее ЦБК). К основной продукции ДПЦ относятся мерные отрезки бревен (или балансы) и технологическая щепа, которые вырабатываются из бревен, поступающих на предприятие водным, автомобильным и железнодорожным транспортом [11, 18]. Длина этих бревен может колебаться от 1 до 6 м, а диаметр от 16 до 40 см. Качество продукции ЦБК зависит от качества продукции переработки лесоматериалов в ДПЦ, которое, в свою очередь, зависит от качества лесоматериалов, поступающих в производство [30, 123, 144, 151, 168].
Для получения из древесины дефибрерной массы и технологической щепы необходимо раскроить поступающее на ЦБК сырье на балансы, длина которых определяется конструктивными характеристиками загрузочной шахты дефибрера на ЦБК, например, 1,2 м (далее – стандартные балансы) [27, 30, 37, 59]. Операция раскроя производится с помощью слешерных установок. Это приводит к образованию большого количества отрезков бревен длиной менее 0,8 м (далее – короткомеры) [29, 68], т.к. длина обрабатываемого бревна не всегда кратна 1,2 м. Далее короткомеры поступают на дальнейшую переработку вместе со стандартными балансами в оборудование, не предназначенное для их переработки [87, 36].
Стандартные балансы и короткомеры поступают в корообдирочный барабан для очистки от коры. Большое количество технологических параметров и конструктивных особенностей оборудования оказывают влияние на качество окорки. Количество потерь древесины зависит от размерных характеристик поступающего сырья: чем более неоднородна смесь, находящаяся внутри барабана и меньше степень его заполнения сырьем, тем больше образуется отходов в виде обломков и отщепов [48, 121, 139]. Процесс отделения их от коры, вместе с которой они удаляются из барабана, трудоемок. Именно поэтому дальнейшая переработка отходов окорки включает в себя совместное измельчение коры и древесных отходов, их обезвоживание и сжигание [43].
Стандартные балансы после окорки подаются в шахты дефибреров. Короткие отрезки бревен, а также балансы, диаметр которых больше или меньше стандартных, поступают в рубительную машину для измельчения на щепу. Для производства щепы на ЦБК используются дисковые рубительные машины, которые рассчитаны на переработку отрезков брёвен длиной от 0,8 м до 3,0 м. В некоторых случаях доля короткомеров в потоке сырья, загружаемого в рубительную машину, может достигать 60 % [140, 141]. Короткомеры, сильно повреждённые в корообдирочном барабане, не только сами неправильно ориентируются в зоне рубки, но и провоцируют неправильную ориентацию балансов, что приводит к ухудшению фракционного состава щепы, а именно, к снижению доли кондиционной фракции и росту долей крупных и мелких частиц [26, 67, 28, 89, 49, 42, 71, 100, 131]. В производстве целлюлозы крупные частицы не могут быть использованы, так как являются причиной «непровара». Для решения этой проблемы требуется дополнительное оборудование для доизмельчения крупной щепы или использование той же рубительной машины [24, 34]. Использование дополнительного оборудования (например, дезинтегратора) для измельчения некондиционной щепы позволяет получать в лучшем случае до 60% кондиционной щепы из крупной фракции. Все остальное превращается в мелкие частицы. Использование рубительной машины не эффективно.
С рубительной машины все частицы поступают на сортировку щепы. На эффективность этого вида оборудования влияет фракционный состав поступающей на сортирование щепы, интенсивность его подачи и конструктивные параметры [30, 32, 33, 101, 120]. На сортировке все древесные частицы разделяются на сверхкрупные и мелкие частицы, а также кондиционную щепу [39, 31, 44, 109, 143]. Как уже упоминалось, сверхкрупные частицы доизмельчаются с образованием кондиционной щепы и мелких частиц. Так называемый «отсев», а именно мелкие частицы, являются потерями для целлюлозного производства. При их совместной варке с кондиционной щепой происходит перерасход варочного раствора и снижение качества целлюлозы.
Оценивая технологическую последовательность обработки круглых лесоматериалов на древесно-подготовительном производстве ЦБК, можно выделить следующие группы отходов: смесь измельченной древесины и коры, образующаяся в результате окорки, мелкие древесные частицы, образующиеся при раскрое бревен на слешере и при измельчении древесного сырья в рубительной машине. Существуют разнообразные пути использования этих отходов [80, 81, 82, 83, 84, 148, 88, 90]. На сегодняшний день отходы в основном сжигаются с целью получения тепловой энергии, но все большее распространение находит их использование для производства конструкционных материалов для строительства [72,104,102,146].
Методика определения пригодности коры для древесно-цементных композитов
Задачи рационального природопользования требуют изучения вопросов уменьшения количества отходов на стадии древесно-подготовительного цикла целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК), а также экономически эффективного использования этих отходов [144]. Например, для елового сырья, процент отходов составляет до двадцати процентов от общего объема сырья, а доля коры в этой массе достигает восьмидесяти процентов [145]. Следует отметить наличие минеральных составляющих в отходах, происхождение которых весьма разнообразно и требует отдельного анализа.
Использование отходов производства для создания новых материалов представляется достаточно актуальным, особенно с возрастающим ухудшением качества сырья и возрастанием доли отходов, которые в основном сжигаются на ЦБК.
В ряде работ [35, 40, 75, 76], связанных с этой тематикой, изучались процессы сортировки щепы и формирования фракций, а также некоторые механические характеристики, полученные из модельных представлений. В настоящее время в Петрозаводском университете проводятся экспериментальные исследования по поиску оптимальных характеристик композитных материалов на основе цемента и отходов, получаемых на стадии древесно-подготовительного цикла. Для полученных образцов композитов требуется быстрые и адекватные методы оценки механических свойств. Известно [107, 165], что некоторые физические характеристики композитных материалов, зависят от их морфологии, т.е. от размера, формы и пространственной ориентации включений, в данном случае в основном древесных, но также и других отходов древесного производства.
Изменение морфологии композита, за счет изменения фракционного состава включений, может приводить к изменениям их механических, функциональных свойств в достаточно широком диапазоне изучаемых, а также требуемых параметров конечного продукта.
В свою очередь в работах Дж. Серра (J. Serra) и ряда других исследователей [149, 166, 167] получила развитие математическая морфология, которая позволила сформулировать новые алгоритмы обработки изображений, которые в дальнейшем были имплементированы в программные продукты и интегрированные среды, предназначенные для научных исследований.
Далее рассматриваются некоторые цифровые методы обработки изображений, позволяющие оценить характеристики композитов на основе древесины, выделяющие структурные особенности материала, которые, в свою очередь, могут влиять на его механические свойства.
Т.к. размер не кратен степени двух, то на изображении, полученном при различных параметрах освещения, вырезалось окно размером 2048 х 2048 (максимальная степень 2-х, обеспечивающая окно целиком лежащее на изображении. Начальное положение выбиралось из соображений однородности изображения в области окна, степень однородности оценивалась визуально. Далее окно сдвигалось вдоль образца в несколько положений отличных от верхнего левого угла, так чтобы после сдвигов правый нижний угол оставался в пределах изображения. Сдвиг осуществлялся дискретно на 100 пикселов по каждой из координат вдоль диагонали образца – считая, что начало системы координат в графических системах обработки изображений находится в верхнем левом углу, то движение осуществлялось вдоль главной диагонали первого координатного квадранта. Вторая серия получена аналогично, но сдвигами изображения вдоль диагонали перпендикулярной главной из начального положения, при котором правый верхний угол окна совпадал с началом однородной области в правом верхнем углу изображения образца.
Условия освещения – колимированный источник освещения расположен под углом 10 к грани, по нормали к горизонтальной оси образца.
При реализации процедуры получены шестнадцать изображений образца, по восемь изображений вдоль каждой диагонали. На рисунке. 3.1. приведены примеры кадрированных изображений Изображения крайних образов вдоль каждой из диагоналей, т.е. в первом ряду находятся первый и восьмой кадр главной диагонали, во втором первый и последний перпендикулярной диагонали.
Для первоначальной обработки изображений использовалось два пакета GNU/R и GNU/Octave, распространяемых по лицензии GNU/GPL [153, 162]. Система статистического анализа R (R-cran) - бесплатный, активно развивающийся аналог коммерческой системы S+ (GNU S), а GNU Octave это свободно распространяемый язык программирования высокого уровня, ориентированный на проведение численных расчетов, который является альтернативой коммерческому пакету MatLab. Оба пакета, системы имеют кроссплатформенную реализацию, например, для MS Windows и Linux. Оба пакета, начиная с некоторых версий, имеют локализованные интерфейсы. Существуют графические оболочки пакетов, которые, однако, снижают их функциональность. Для более эффективного использования и разработки приложений удобнее использовать консольные интерфейсы. Для реализации некоторых алгоритмов также использовались программная имплементации алгоритмов из библиотек CERNLIB и CPC, известных и широко распространенных пакетов для научных вычислений. Все пакеты и библиотеки верифицированы многолетним применением в научных исследованиях, что повышает достоверность полученных результатов. Достоверность вычислений также следует из применения для оценок обоих пакетов.
В силу некоторых отличий в реализации и в условиях использования лицензий, обработка изображений проводилась как в среде операционной системы Windows 7, так и в среде Linux Debian 7.4.
Результаты определения пригодности скопа для древесно-цементных композитов
По данным исследования установлено, что объем серий полученных образцов варьирует от 0,0003332 до 0,0003430 м (табл. 4.1). У образцов серии 3 определены как наименьшая масса (0,298 - 0,302 кг) образцов, так и их плотность (877,55 - 881,40 кг/м). Образцы 1 серии отличаются наибольшей массой (от 0,324 до 0,327 кг, соответственно и более высокой плотностью (от 953,35 до 972,39 кг/м). Следует отметить, что серии образцов между собой отличались количеством цемента в их составе. При этом в образцах серии 1 количество цемента наименьшее (0,486 кг), в образцах серии 3 – наибольшее (0,600 кг).
На рисунке 4.1. представлена зависимость максимальной силы нагружения от массовой доли скопа в тесте. Установлено, что чем больше содержание скопа в тесте, тем сила максимального нагружения больше.
Первичные результаты испытания образцов-кубов получены в единицах измерения Н, то есть испытательная машина показывает максимальную нагрузку, при которой происходит разрушение образца. Эти значения необходимо перевести в МПа с учетом масштабного коэффициента согласно ГОСТ 10180 «Бетоны. Методы определение прочности по контрольным образцам» по формуле (4.1).
Согласно приложения 11 ГОСТа 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», принимается равным 1, поскольку указанные образцы не относятся к ячеистому бетону. Из таблицы 5 ГОСТа 10180 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» масштабный коэффициент принимается равным 0,85.
По результатам определения пригодности скопа в качестве наполнителя для изготовления древесно-цементных блоков установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из скопа 0,377кг, цемента 0,486 кг, воды 0,241 кг, AL2(SO4)3 0,011 кг, жидкого стекла 0,049 кг.
Анализ данных о полученных образцах, в которых в качестве заполнителя использовался отсев, показал, что объем составляет от 0,0003332 до 0,0003430 м (табл. 4.4). Наибольшие масса (0,310 – 0,316 кг) и плотность (921,28 - 930,37 кг/м) установлены у образцов серии 3. У образцов серии 1 определены наименьшие значения этих показателей (0,268 - 0,274 кг и 792,66 - 798,83 кг/м соответственно).
При этом серии образцов между собой отличались количеством цемента, используемого для теста. В образцах серии 1 количество цемента составляет 0,486 кг, в образцах серии 2 - 0,543 кг, в образцах серии 3 – 0,600 кг.
Полученные образцы аналогично образцам, со скопом в качестве заполнителя, методом сжатия испытывались на прочность. Данные испытаний представлены в таблице 4.5. Образцы серии 3 выдерживают действие максимальной силы, среднее значение которой составляет 15295,91±40,33 Н.
На рисунке 4.3 представлена обратная зависимость максимальной силы нагружения от массовой доли отсева в тесте. Установлено, что чем меньше количество отсева в тесте, тем максимальная сила нагружения больше.
Для всех полученных образцов по формуле (4.1) рассчитана их прочность, значения которой представлены в таблице 4.6. Образцы серии 3 характеризуются наибольшей прочностью (2,64 – 2,66 МПа).
Прямая зависимость прочности образцов от плотности показана на рисунке 4.4. Следовательно, чем больше плотность образцов, тем соответственно больше их прочность.
По результатам определения пригодности отсева в качестве наполнителя для изготовления древесно-цементных блоков установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из отсева 0,234 кг, цемента 0,600 кг, воды 0,530 кг, AL2(SO4)3 0,007 кг, жидкого стекла 0,060 кг.
Результаты определения пригодности коры для древесно-цементных композитов В ходе проведения исследования определено, что объем у полученных образцов, где в качестве заполнителя использовалась кора, варьирует от 0,0003332 до 0,0003430 м (табл. 4.7). Образцы серии 2 отличаются наиболее высокими значениями массы образцов серии 1 масса варьирует от 0,286 до 0,292 кг, плотность – от 851,31 до 858,34 кг/м. Образцы серии 3 характеризуются наименьшими значениями массы (0,275 - 0,278 кг) и плотности (810,50 - 822,24 кг/м). Серии образцов между собой отличаются количеством цемента, используемого для теста. В образцах серии 1 количество цемента 0,486 кг, в образцах серии 2 - 0,543 кг, в образцах серии 3 -0,600 кг.
По данным исследования определено, что чем больше плотность образцов, тем соответственно больше их прочность (рис. 4.6).
Статистическая зависимость, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим образом: По результатам определения пригодности коры в качестве наполнителя для изготовления древесно-цементных блоков установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, состав которых состоит из коры 0,203 кг, цемента 0,486 кг, воды 0,411 кг, AL2(SO4)3 0,006 кг, жидкого стекла 0,049 кг.
Результаты испытания образцов с заполнителем в виде смеси отсева и скопа на прочность методом сжатия
По данным исследования объем образцов составляет от 0,0003332 до 0,0003430 м (табл. 4.16). Образцы с заполнителем в виде смеси коры и отсева в соотношении 25/75 имеют массу от 0,408 до 0,416 кг и плотность от 1206,74 до 1230,49 кг/м. Масса образцов со смесью коры и отсева в соотношении 50/50 колеблется от 0,398 до 0,404 кг, плотность – от 1177,84 до 1194,48 кг/м. Масса образцов со смесью коры и отсева в соотношении 75/25 - от 0,354 до 0,362 кг, плотность – от 1055,39 до 1062,42 кг/м.
По данным испытаний выявлена зависимость максимальной силы нагружения от процентного содержания заполнителей в тесте. Чем процент содержания отсева в смеси заполнителей больше, тем максимальная сила нагружения выше (рис. 4.11).
Зависимость максимальной силы нагружения от процентного соотношения заполнителей в виде коры и отсева в тесте
Для всех полученных образцов по формуле (4.1) рассчитана прочность и данные приведены в таблице 4.18. Для образцов со смесью коры и отсева в соотношении 25/75 отмечена наиболее высокая прочность (3,07 – 3,08).
Зависимость прочности образцов от плотности Статистическая зависимость, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим образом:
По результатам определения прочности образцов со смесью коры и отсева в качестве заполнителя установлено, что наибольшей прочностью обладают образцы, в которых процентное соотношение коры и отсева составляет 25/75.
Влияние состава заполнителей на прочность образцов.
В ходе проведения исследования о влиянии перешивания заполнителей на прочность образцов получены следующие данные. Максимальное значение прочности скопа представлено как начальное (табл. 4.19). При добавлении отсева к заполнителю на основе скопа в соотношении 25/75 наблюдается наиболее высокая прочность образцов (4,48 МПа). При добавлении коры в аналогичном соотношении (75 %) прочность образцов составляет 1,47 МПа (рис. 4.13). Следует отметить, что у образцов заполнителем без добавок прочность достигает 1,46 МПа. С увеличением доли коры и отсева до 75 % прочность образцов значительно
Статистическая зависимость, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим образом: y = -0,3975x3 + 3,3175x2 - 7,285x + 5,856 (4.10) По данным, полученным после обработки уравнения (4.10) с помощью программы «XMaxima» и верификации в web-интерфейсе «Wolframalfa», установлено, что максимальное значение прочности образцов для смеси скопа и отсева в пределах процентного соотношения объемов 23,5/76,5.
При проведении исследования получены и данные о влиянии перешивания заполнителей на прочность образцов, в которых заполнитель на основе отсева (табл. 4.20). Максимальное значение прочности отсева представлено как начальное.
При добавлении скопа к заполнителю в соотношении 75/25 выявлена наиболее высокая прочность образцов (4,48 МПа). При добавлении коры в таком же соотношении (25 %) прочность образцов составляет 3,07 МПа (рис. 4.16). Наименее прочные образцы (0,77 МПа) отмечены при добавлении 100 % коры. У образцов, в которые добавлено 75 % и 100 % скопа, прочность отличается незначительно (1,50 МПа и 1,46 МПа соответственно).
На рисунках 4.17 и 4.18 показаны зависимости прочности образцов по мере изменения процентного соотношения объема отсева, коры и скопа в заполнителе.
Зависимость прочности образцов по мере изменения процентного соотношения объема отсева и коры в заполнителе
Статистическая зависимость, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим образом:
По данным, полученным после обработки уравнения (4.11) с помощью программы «XMaxima» и верификации в web-интерфейсе «Wolframalfa», установлено, что максимальное значение прочности образцов для смеси отсева и коры в пределах процентного соотношения объемов 76,25/23,75.
Зависимость прочности образцов по мере изменения процентного соотношения объема отсева и скопа в заполнителе Статистическая зависимость, полученная методом наименьших квадратов, реализованная в табличном процессоре EXCEL, представлена следующим образом: По данным, полученным после обработки уравнения (4.12) с помощью программы «XMaxima» и верификации в web-интерфейсе «Wolframalfa», установлено, что максимальное значение прочности образцов для смеси отсева и скопа в пределах процентного соотношения объемов 76,50/23,50.
При проведении исследования получены и данные о влиянии перешивания заполнителей на прочность образцов, в которых заполнитель на основе коры (табл. 4.21). Максимальное значение прочности коры представлено как начальное.
При добавлении отсева к заполнителю в соотношении 25/75 определена наибольшая прочность образцов (3,07 МПа). При добавлении отсева в соотношении (25 %) прочность образцов составляет 1,85 МПа (рис. 4.19). При доли отсева 50 % и 100 % прочность образцов изменяется незначительно (2,62 МПа и 2,65 МПа соответственно).
