Содержание к диссертации
Введение
1 Размол целлюлозы в ножевых размалывающих машинах как совокупность механического и гидродинамического воздействия на волокно
1.1 Основные теоретические представления о процессе размола волокнистой массы 6
1.2 Оценка влияния основных технологических факторов процесса размола волокнистых материалов в ножевых размалывающих машинах на качество помола
1.3 Обоснование выбора ножевой гарнитуры и ее влияние на качественные показатели отливок 32
1.4 Цель и задачи исследований 48
2 Теоретическая часть
2.1 Определение поверхности размола 50
2.2 Определение секундной режущей длины 54
2.2.1 Определение координат движущейся точки, в общем виде 54
2.2.2 Определение секундной режущей длины с использованием программы численного решения 64
2.3 Программа для расчета секундной режущей длины 69
2.4 Разработка параметра циклической элементарной длины и оценка его влияния на процесс размола 71
3 Экспериментальная часть 82
3.1 Методики проведения эксперимента 83
3.1.1 Определение влияния основных конструктивных и технологических параметров на процесс размола 80
3.1.2 Методика определения секундной режущей длины и поверхности размола ножевой гарнитуры при помощи прозрачной модели 86
3.2 Описание экспериментальной установки 89
3.3 Порядок проведения эксперимента 92
3.4 Обработка результатов эксперимента 93
3.4.1 Определение линейной зависимости 96
3.4.2 Нелинейная аппроксимация 98
3.5 Результаты экспериментальных исследований 100
3.5.1 Определение влияния углов установки ножей на поверхность размола 100
3.5.2 Определение влияния углов установки ножей на величину секундной режущей длины 107
3.5.3 Определение влияния технологического параметра «циклическая элементарная длина» на процесс размола 112
3.5.4 Оценка влияния отдельных конструктивных и технологических параметров на процесс размола 122
3.6 Сопоставление экспериментальных и теоретических исследований
3.6.1 Сопоставление технологических параметров ножевой гарнитуры 130
3.6.2 Оценка качества построенных эмпирических моделей 133
4 Практическая реализация 138
4.1 Методика определения бумагообразующих и физико-механических показателей при помощи модулей 139
4.2 Определение качественных показателей процесса размола в зависимости от конструктивных и технологических параметров 141
4.2.1 Определение по линейной зависимости 141
4.2.2 Определение по нелинейной зависимости. 147
4.3 Оценка экономической эффективности 149
Заключение 157
Библиографический список 159
Приложение А 172
Приложение Б 174
Приложение В 177
- Оценка влияния основных технологических факторов процесса размола волокнистых материалов в ножевых размалывающих машинах на качество помола
- Определение секундной режущей длины
- Определение влияния основных конструктивных и технологических параметров на процесс размола
- Определение качественных показателей процесса размола в зависимости от конструктивных и технологических параметров
Введение к работе
Бумага продолжает играть важную роль в развитии народного образования, науки, в обеспечении растущих материальных и культурных потребностей народа. На сегодняшний день необходимость использования продукции целлюлозно-бумажного производства в различных сферах жизнидеятельности человека трудно переоценить. Для обеспечения развития бумажной промышленности необходимо улучшить технологию использования древесины, направленную на увеличение выхода выпускаемого продукта и степени потребления и регенерации макулатуры, а также расширить применение растительного недревесного сырья и сельскохозяйственных отходов [1]. Важным в процессе производства товарной целлюлозы и бумаги является внедрение передовых технологий с учетом исследований реологических и технологических особенностей размола бумажной массы в конических и дисковых мельницах [2]. Для снижения доли затрат на энергию рекомендовано внедрять энергосберегающие технологии, увеличить потребление вторичных энергетических ресурсов [3].
Сегодня, с появлением новых печатных технологий, к свойствам печатных бумаг предъявляются все более новые и все более диверсифицированные требования. Повышаются также и требования к сырью, для изготовления современных высокосортных бумаг, а также требования к конструкции машин для производства высококачественных бумаг. Анализ современного бумагоделательного процесса показывает, что сегодня, как правило, большая часть отдельных процессов этого производства контролируется и оптимизируется вне связи с другими процессами. Необходимо работать над увеличением экономичности и эффективности всего интегрированного процесса производства целлюлозы и бумаги в целом [4].
В 1997 в Дрездене на симпозиуме по производству волокнистой массы при анализе докладов установлено, что совершенствование качественных показателей волокнистой массы в первую очередь осуществляется за счет процесса размола. Подготовка волокнистой массы должна осуществляться при сниженном потреблении энергоресурсов, свежей воды и минимальном количестве сточных вод, для чего предприятия должны оснащаться замкнутыми циклами водоснабжения [5].
В работе немецких ученых [6] установлено, что на процесс размола оказывает влияние ряд факторов, среди которых немаловажную роль играет и геометрия размалывающей гарнитуры. Реализовать на этапе размола малоотходные и ресурсосберегающие технологии можно посредством проведения ряда технологических и технических мероприятий, включающих использование наиболее эффективных ножевых гарнитур, позволяющих экономить электроэнергию и исходное волокно при его минимальном укорочении и достаточной разработке. Это позволит увеличить выход продукции, уменьшить процент волокнистой массы, уходящей в сток, и создать возможность ее возврата в технологический процесс.
Однако отсутствие теоретических обоснований выбора той или иной ножевой гарнитуры при использовании новых технологий и современного оборудования приводит к отставанию промышленности, ухудшению качества продукции и уменьшению рентабельности предприятий [7].
Оценка влияния основных технологических факторов процесса размола волокнистых материалов в ножевых размалывающих машинах на качество помола
Главными управляемыми факторами процесса размола является продолжительность размола и удельное давление; вспомогательными управляемыми — концентрация массы. Остальные факторы практически остаются постоянными (неуправляемыми).
Одним из важных факторов является время размола, с которым связано изменение основных свойств массы и бумаги. С увеличением времени размола повышается степень помола массы, происходит большее укорочение и расщепление волокон, но при этом снижается производительность размалывающего аппарата. В ролле много времени расходуется на транспортировку массы по обратному каналу и процесс размола протекает большей частью за несколько часов. В аппаратах непрерывного действия этот процесс проходит в течение нескольких секунд. Путем подпора массы на выходе из размалывающего аппарата (дросселирование) можно увеличить время нахождения массы в мельнице, что в свою очередь повышает воздействие размалывающей гарнитуры на волокна. В результате степень помола массы повышается, происходит дальнейшее расщепление и укорачивание волокон. Однако при этом, как и при размоле в ролле, производительность мельницы снижается [44].
Если процесс размола вести энергично при относительно высоком удельном давлении, то обычно применительно к сульфитной целлюлозе уже после 60 ШР заметно разрушаются волокна и уменьшается механическая прочность вырабатываемой бумаги [8].
В зависимости от требуемого характера массы и свойств бумаги устанавливается и соответствующее время размола массы. Для получения массы жирного помола необходимо больше времени, чем для получения массы садкого помола. Если размол производится в роллах периодического действия, увеличение времени размола достигается путем увеличения оборота ролла; если же размол производится в мельницах непрерывного действия, увеличение времени размола может быть достигнуто за счет подпора массы на выходе из мельницы или же за счет включения в работу нескольких мельниц последовательно [45].
Современные исследования продолжительности пребывания массы в корпусе дисковой мельницы, проводимые в университете Ванкувера (Канада), показали, что продолжительность обработки массы в зоне размола дисковой мельницы составляет 0,28-0,4 секунды. Опыты проводились на лабораторной дисковой мельнице Sprout Waldron диаметром 300 мм с двигателем мощностью 37 кВт. Частота вращения ротора - 2570 об/мин. Использованы сегменты размалывающей гарнитуры с ножами шириной и высотой 2,7 мм. При размоле беленой сульфатной целлюлозы концентрацией 8 и 15% зазор между дисками - 0,76 мм. Расход массы - 9,6-18,8 г/с. При этом удельный расход энергии составил 0,11-0,15 МДж/кг. Для измерения длительности обработки окрашенных волокон применяли микровидеокамеру Panasonic WV-CD20 и оптико-волоконную технику со скоростью съемки 1000 кадров в 1 секунду [46]. Обычно процесс размола волокон в начальный период протекает медленно с медленным нарастанием степени помола массы. Далее он заметно ускоряется, а при высокой степени помола массы опять замедляется. В процессе размола происходит непрерывный рост температуры массы, которая при длительном и сильном размоле может достигать более 70С. Повышение температуры массы приводит к увеличению продолжительности размола, отрицательно влияет на характер помола, удлиняет процесс получения жирной массы и способствует образованию садкой массы. Это объясняется тем, что набухание волокон с повышением температуры снижается, они становятся менее пластичными, легче разрезаются и медленнее расщепляются вдоль. Скорость размола замедляется, наблюдается снижение степени гидратации волокон и соответственно увеличивается укорочение их. Бумага, изготовленная из такой массы, имеет пониженную механическую прочность, а впитывающую способность, пухлость и пористость, наоборот, увеличенную [28]. При этом увеличивается удельный расход электроэнергии. Повышенная температура при размоле целлюлозы приводит к увеличению смоляных включений, которые отлагаются на оборудовании, одежде бумагоделательной машины и понижают качество бумаги.
Понижение температуры массы способствует лучшему набуханию волокон, благоприятствуя размолу. Хорошо разработанную массу жирного помола легче получить при пониженной температуре [8,47].
Поэтому для получения жирной массы рекомендуется вести размол с применением холодной воды. Наиболее благоприятная температура для размола - 5 -10С. Низкие температуры, при которых масса замерзает, снижают механические свойства бумаги. Бумага, изготовленная из промороженной массы, имеет повышенные впитывающую способность, пухлость, пористость, пониженную плотность и пониженные механические показатели. Объясняется это тем, что в процессе замораживания кристаллики льда в порах клеточных стенок разрыхляют структуру волокна и уменьшают степень полимеризации целлюлозы [10].
Определение секундной режущей длины
Для определения численного значения секундной режущей длины, с учетом углов установки ножей к радиусу гарнитуры, а также углов встречи ножей, проведем следующие теоретические исследования: 1. Определим координаты точки пересечения пары ножей, установленных под некоторым углом к радиусу гарнитуры до и после поворота ротора относительно статора, против часовой стрелки на малый угол ckp; 2. По найденным координатам вычислим длину отрезка, образованного в результате контакта режущей кромки ротора с режущей кромкой статора; 3. Определим радианную длину; 4. Определим истинную секундную режущую длину с учетом углов установки ножей и основных геометрических параметров ножевой гарнитуры. Рассмотрим общий случай для определения секундной режущей длины методом определения координат точек пересечения ножевых кромок при произвольном угле установки ножей гарнитуры относительно радиуса. Для определения длины, «отрезаемой ножами ротора от ножей статора» зафиксируем положение статора и положение ротора в прямоугольной системе координат (рисунок 2.5), и делаем следующие допущения: 1 - ширина ножа равна ширине канавки 5=L мм; 2 - границы сектора от 0 до —; 3 - наружный радиус ножевой гарнитуры R=0,145 м; внутренний радиус г=0,06 м; 4 - исходя из того, что процесс рубки волокна происходит на передней режущей кромке ножа [10, 24] при расчете секундной режущей длины методом нахождения координат движущейся точки, образованной при контакте пары ножей (ротора и статора), рассматриваем не весь нож, а только режущие ножевые кромки; 5 - ножевая кромка первого сектора статора располагаются под некоторым углом к оси X, обозначим ее прямой l\, а ножевая кромка первого сектора ротора, находятся под другим произвольным углом к оси X, обозначим ее прямой l2. Положение ножей ротора относительно ножей статора до поворота ротора против часовой стрелки в дальнейшем считаем исходным;
Полученная формула (2.34) служит самим определением радианной длины (ЬРАД), но, как показали дальнейшие исследования, она не совсем удобна для характеристики процесса размола, потому что ее величина зависит от угла поворота ножей ротора относительно статора и некоторых других конструктивных особенностей гарнитуры.
Эта зависимость приводит к тому, что исследуемые процессы контакта ножевых кромок отслеживаются нечетко. Поэтому мы нуждаемся в такой величине, которая была бы свободна от указанных недостатков.
Учитывая, что гарнитура содержит большое количество ножей и эффекты от их воздействия усредняются, то естественно ожидать, что исследуемые процессы, происходящие при контакте режущих кромок, будут существенным образом зависеть от усредненной радианной элементарной длины, {ЬРАДЭЛ)- Усреднение здесь проводится по всей области гарнитуры Q. или (учитывая, что рисунок гарнитуры повторяется от сектора к сектору) по области одного сектора.
Формула (2.36) позволяет определить ЬРАДЗЛ- в конкретном положении ротора относительно статора, для произвольного рисунка гарнитуры с параллельным расположением ножей при постоянной ширине ножей и ячеек. Таким образом, впервые получен новый показатель, объективно характеризующий геометрические параметры гарнитуры дисковой мельницы с учетом углов скрещивания ножей.
Представленное выше решение по определению секундной режущей длины позволяет определить ее в некоторый момент времени при повороте ротора относительно статора на малый угол dq и не учитывает динамику изменения отрезаемой длины за полный оборот, а значит, не дает полную картину формирования величины секундной режущей длины.
Поэтому, на основании вышеприведенного расчета, при использовании современных машинных методов вычисления (с использованием пакета программ Matlab) была составлена программа, которая позволила численными методами определить истинное значение секундной режущей длины, формируемой за оборот с учетом заданной скорости вращения ротора, ширины ножа, ширины ячейки и углов установки ножей к радиусу гарнитуры на роторе и статоре. Для этого определяли радианную длину при многократных поворотах ротора относительно статора на малый угол скр.
При разработке программы для вычисления секундной режущей длины с учетом углов установки ножей и основных геометрических размеров гарнитуры использовались формулы (2.32, 2.36).
Определение влияния основных конструктивных и технологических параметров на процесс размола
Причем изменение «циклической элементарной длины» у гарнитуры 2-го типа на 37% дает изменение секундной режущей длины, Ls , также 37%. У гарнитур 1-го типа с изменением углов установки ножей величина абсолютного значения секундной режущей длины может изменяться на 20%, при этом параметр циклической элементарной длины, Lffl.M„ меняет свои значения от 0,7 до 2,3 м, что составляет 69%. Однако для обоих типов гарнитур имеется общая область значений показателя Ью.эл, равного 2.3 метра, «отрезаемые» парой ножей за один оборот. Вместе с тем показатель укорочения волокна на наш взгляд, дает более объективную оценку качеству помола. Но его невозможно определить без проведения процесса размола. И в этом отношении разработанный нами показатель циклической элементарной длины хорошо коррелирует с коэффициентом укорочения (рисунок 2.10).
В соответствии с таблицей 2.1, с увеличением численного значения технологического параметра циклической элементарной длины, L, (О.ЭЛ, происходит уменьшение коэффициента укорочения. Полученный с помощью разработанной нами программы параметр циклической элементарной длины, Хшэл, при сопоставлении с коэффициентом укорочения волокон позволил получить зависимость изменения качества обработки массы от основных геометрических параметров ножевой гарнитуры. 3 к 2#\ 1,9В 1,76 по? 1,7 1 0 9 Это объясняет, почему на я я? з о в S »EX О гарнитурах с близкими значениями секундной Q00 Q006 0,009 Д012 Д015 Q018 Коэффициент укорочения, I1F)"1 режущей длины качество массы получается различное. гу_ Коэффициент укорочении по данным автора Для гарнитур с фибриллирующим воздействием, по данным Е.Е. Савицкого Как видим, до этого времени, без проведения экспериментальных _. Для гарн итур с рубящим воздействием, по данным Е.Е.Савицкого Рисунок 2.10 - Зависимость циклической элементарной длины (Ь эл) от коэффициента укорочения исследовании качества помола как по коэффициенту укорочения, так и по показателю секундной режущей длины было сложно классифицировать ножевую гарнитуру, имеющую иную, отличительную от предложенного в таблице 2.1 [60], геометрию. Можно было лишь, воспользоваться одним из предложенных типов гарнитур, на рисунках 1.5,1.6. Теперь, ножевую гарнитуру можем классифицировать по параметру «циклической элементарной длины», который характеризует среднюю длину, «отрезаемую» парой ножей за один оборот ротора относительно статора, и будет «циклично» повторяться при каждом последующем обороте диска ротора относительно статора.
Таким образом, найден новый технологический параметр ножевой гарнитуры, «циклическая элементарная длина Х ц.эл, м », с помощью которого можно более объективно оценивать возможности получения качественного помола.
1. Теоретически установлено влияние углов установки ножей по отношению к радиусу гарнитуры и углов скрещивания ножей ротора и статора ножевой размольной машины на поверхность размола и секундную режущую длину.
2. Разработан новый технологический параметр «циклической элементарной длины» (1 ,. , м) вместо ранее используемого показателя секундной режущей длины (Ls, м/с), позволяющий оценить влияние конструктивных особенностей гарнитуры, таких как: ширина ножей и ячейки; угол установки ножей относительно радиуса гарнитуры; количество секторов и угол повторяемости рисунка, на качество помола.
3. Предложен численный метод определения секундной режущей длины (Ls), количества одновременно движущихся точек пересечения (t) и циклической элементарной длины (А ,. ,), секторной ножевой гарнитуры с параллельным расположением ножей для любых углов установки ножей ротора и статора относительно радиуса с учетом основных геометрических параметров гарнитуры.
4. При помощи разработанной программы установили зависимость изменения секундной режущей длины ножевой гарнитуры от углов скрещивания, а также зависимость циклической элементарной длины от привычных для характеристики качества помола, параметров секундной режущей длины (Ls, м/с) и коэффициента укорочения волокна (К, (ШР)"1).
Для подтверждения теоретических выводов были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния конструктивных и технологических параметров размольной машины на бумагообразующие свойства волокнистой массы и физико-механические показатели готовых отливок. В задачу экспериментальных исследований входило:
1. Проверить теоретические положения о влиянии углов установки ножей на основные технологические параметры процесса размола.
2. Изучить зависимость основных бумагообразующих свойств целлюлозы и физико-механических характеристик отливок при использовании гарнитуры с различными углами установки ножей ротора и статора по отношению к радиусу.
3. Экспериментально подтвердить влияние нового, теоретически разработанного технологического параметра «циклической элементарной длины, ЬШЗЛі», позволяющего прогнозировать качественные показатели процесса размола волокнистой массы.
4. Исследовать влияние межножевого зазора, концентрации размалываемой массы, частоты вращения ротора и углов установки ножей на основные качественные показатели процесса размола, установить их совместное совокупное влияние.
Определение качественных показателей процесса размола в зависимости от конструктивных и технологических параметров
На основании экспериментальных данных и полученных зависимостей определим прогнозные значения выходных: промежуточных показателей (бумагообразующих свойств) и конечных (физико-механических показателей бумажных отливок), согласно методике, описанной в разделе.
Исходя из того, что по итогам эксперимента длину волокна (ЬЗ), внешнюю удельную поверхность (Ь8) и показатель сопротивления продавливанию (уЗ) можно прогнозировать по линейной зависимости относительно изменения конструктивных и технологических параметров, определим степень влияния входных параметров на качество обработки массы в результате процесса размола и выделим из них наиболее существенные.
Для решения этой задачи используем метод определения коэффициента эластичности, который чаще всего применяют в экономической статистике при изучении динамики изменения выходных параметров, согласно методике, изложенной в разделе 3.4 .
Из полученных экспериментальных зависимостей определим коэффициент эластичности ej показателей ЬЗ, Ь8 и сЗ, от параметра а2 (циклической элементарной длины), от скорости вращения ротора (а4), от параметров qi , q2 (зависящих от исходной длины волокна и межножевого зазора) и концентрации размалываемой массы (а5), согласно формулам (4.3) [116,117].
На основании табличных данных построили гистограмму изменения выходных показателей процесса размола, в зависимости от процентного изменения основных конструктивных и технологических параметров полупромышленной дисковой мельницы .
Однако диапазон изменения этого параметра относительно среднего значения не более 9%. Поэтому прирост абсолютного значения выходной величины в зависимости от ql,q2 будет менее существенным.
Так как коэффициент эластичности показывает, на сколько % увеличится выходной показатель при увеличении входного параметра на 1 %, у каждого конструктивного и технологического (входного) параметра существует свой возможный диапазон изменения данной величины. Тогда для сравнения значимости параметров определим, процент изменения значений конструктивных и технологических параметров относительно своей средней величины (таблица приложения В2).
Величина min ql= 1,61 мм, max ql=l,92 при фиксированной средней исходной длине волокна (аЗ), равной 1,99 мм. Для данного вычисления примем наиболее часто используемый в производстве диапазон варьирования зазоров от 0,1 до 0,6 мм.
Параметр ql изменяет свое значение на 9 %, в то время. как замена ножевой гарнитуры, имеющей циклическую элементарную длину 0,93 метра (с углом установки ножей к радиусу на роторе 0, на статоре 45), на гарнитуру с циклической элементарной длиной 3,5 метра (с углом установки ножей на роторе и статоре 22,5) позволяет увеличить коэффициент эластичности на 276%.
Возможный прирост значений выходных показателей процесса размола, в зависимости от изменений конструктивных и технологических параметров, представлен в таблице приложения ВЗ (рисунок 4.3). Как видим, конструктивный параметр циклической элементарной длины ножевой гарнитуры, от величины которого, зависит качество разработки волокна, является наиболее значимым.. Данный технологический параметр, в сравнении с другими, позволяет в большей мере повысить прочностные свойства бумажных отливок, но при этом с увеличением усредненного значения элементарной радианной длины от 0,93 до 2,29 метра продолжительность процесса размола несколько увеличивается.
Влияние входных - конструктивных и технологических параметров ножевой размольной установки линейно влияющих на выходные показатели разработки волокна, включающие в себя бумагообразующие свойства и физико-механические показатели отливок, следует рассматривать с учетом определения процента отклонения данного фактора от величины его среднего значения. При этом наиболее значимыми параметрами, способными влиять на качество конечного продукта, являются: технологический параметр циклической элементарной длины, определяемый с учетом конструктивных особенностей ножевой гарнитуры, и межножевой зазор; меньшее влияние способны оказывать на разработку волокнисто массы ее концентрация и скорость вращения ротора. Межножевой зазор следует выбирать с учетом исходной длины волокна.
