Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований 7
1.1 Современное состояние производства древесноволокнистых плит 7
1.2 Оборудование для подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов 11
1.3 Анализ процессов и явлений, имеющих место при размоле в ножевых машинах 21
1.4 Особенности связеобразования в плитных материалах 29
Глава 2 Теоретическая часть 37
2.1 Теоретические аспекты процесса подготовки древесноволокнистых отходов сухим способом размола 37
2.1.1 Подготовка вторичных древесноволокнистых полуфабрикатов с использованием различного размольного оборудования 37
2.1.2 Теоретические основы процесса подготовки вторичного древесного волокна в воздушной среде 45
2.2 Связеобразование в плитных материалов с учетом использования вторичного древесного волокна 65
2.2.1 Структура древесноволокнистых плит с учетом использования вторичного древесного волокна 65
2.3 Общая схема исследования процесса подготовки вторичного древесного волокна в производстве ДВП 69
2.3.1 Выбор направлений и методов исследований 69
2.3.2 Выбор основных характеристик моделей 74
Глава 3 Экспериментальная часть 81
3.1 Промышленные и лабораторные установки для проведения исследований
3.2 Применяемое сырье и материалы 88
3.3 Определение качественных показателей вторичного древесного волокна, физико-механических свойств плит и удельного расхода электроэнергии 91
3.4 Последовательность проведения экспериментов 96
3.5 Результаты предварительных исследований 101
3.6 Результаты исследований размерно-качественных и морфологических характеристик вторичных древесных волокон в производстве ДВП 108
3.7 Результаты исследований физико-механических свойств готовых древесноволокнистых плит с учетом использования вторичных древесных волокон 121
Глава 4 Практическая реализация результатов работы 133
4.1 Оценка энергозатрат на процесс подготовки древесноволокнистых отходов от ФОС в производстве древесноволокнистых плит мокрым и сухим способом 133
4.2 Моделирование промышленной роторно-ножевой мельницы 138
4.3 Оценка экономической эффективности способа и системы подготовки сухим способом размола древесноволокнистых отходов в
4.4 Эколого-экономическая оценка использования древесноволокнистых отходов в производстве ДВП 145
Заключение 151
Библиографический список 153
- Оборудование для подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов
- Подготовка вторичных древесноволокнистых полуфабрикатов с использованием различного размольного оборудования
- Определение качественных показателей вторичного древесного волокна, физико-механических свойств плит и удельного расхода электроэнергии
- Моделирование промышленной роторно-ножевой мельницы
Оборудование для подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов
Существуют различные мнения ученых на процессы и явления, имеющие место при размоле в ножевых машинах, такие, как: И. Чавериной[25], Б. Стинберга [26], С.Н. Иванова [27], Г. Кросса и Е. Бивена [16], Т. Керра [28], Г. Юнга и Б. Роулэнда [29], Ф. Симондса [30], Н. Зотовой и Р. Грингауза [31], Д. Стречена [32], В. Кемпбела и М. Пиджина [33], Ж. Кларка [34, 35], Я.Г. Хинчина, Ж. Эллиса и Ж. Баасаф [36]. Практически все исследования основаны на теоретических исследованиях, так как процесс размола сложен и мало доступен для практического исследования.
Обработанная в процессе размола волокнистая масса должна обеспечивать прочные межволокнистые связи в процессе формирования плит. Виды межволоконных связей у древесноволокнистых плит аналогичны видам связей между волокнами натуральной древесины. Древесные волокна представляют собой высокомолекулярные соединения - полимеры, межволоконные связи у которых характеризуются разнообразием форм [37]. Энергия этих связей тем больше, чем меньше расстояние между молекулярными цепями волокон древесины. Большему сцеплению между волокнами способствует увеличение поверхности соприкасающихся частиц древесины и повышение их пластичности. Это достигается термовлагообработкой и размолом древесных частиц.
По мнению А. Фрей-Висслинга и О.И. Ястребова, «при термовлагообработке происходит частичный гидролиз и ослабление структуры древесины, снижается упругость волокон, эфирные комплексы расщепляются, и появляются новые спиртовые гидроксилы, которые, в свою очередь, повышают гидрофильность волокон и связанную с ней пластичность» [38,39].
Размягчение межклеточной серединной пластинки создает благоприятные условия для размола и дальнейшей углубленной разработки древесных частиц. В процессе размола пучки волокон расщепляются, раздавливаются и разрезаются. Сочетание термовлагообработки и ударного воздействия размольной гарнитуры на волокно создает условия для изменения качественной характеристики древесных частиц. Волокна впитывают воду и увеличивают свой объем: они набухают, происходят изменения их размеров и свойств. Вместе с тем волокна при размоле уменьшаются, отчасти укорачиваются, то есть разделяются в поперечном и продольном направлениях. Волокна при размоле становятся более гибкими, пластичными и жирными на ощупь, они труднее отдают воду на сетке машины при отливе. Весь комплекс изменений волокон в процессе размола сложен и многообразен. Это привело к возникновению нескольких теорий размола.
Современная теория размола объясняет изменения, происходящие с волокном в процессе размола волокнистой массы, и показывает влияние этих изменений на бумагообразующие и плитнообразующие свойства. Следует отметить, что морфологическое строение и химический состав волокна оказывает влияние на способность растительных волокон размалываться. Для каждого вида волокон их способность размалываться и развивать механические свойства могут изменяться в широких пределах в процессе размола. Многие авторы считают [19,20,40], что различные факторы в разной степени влияют на способность целлюлозных волокон к размолу. Так, известно, что размалываемость, в частности, определяется соотношением альфацеллюлозы и гемице ллю лозы. По мере удаления гемицеллюлоз и повышения содержания альфацеллюлозы увеличивается сопротивление к размолу [41]. И наоборот, присутствие гемицеллюлоз ускоряет размол и способствует повышению механических свойств готовой продукции [42,43]. В работах [44,45] также показано, что упруговязкие свойства набухшей целлюлозы имеют прямую качественную связь со способностью её к размолу.
X. Экспенмиллер [46], базируясь на работах С. Смита [47] и Л. Брехта [48], предложил гипотезу о пяти стадиях размола между ножами мельницы:
В первой стадии происходит сближение ножей с нависшими на их кромках волокнистыми наслойками.
Вторая стадия. Ножи начинают проходить друг над другом. X. Эспенмиллер считает, что в этот момент устанавливается очень высокое механическое давление порядка 6,0-30,0 МПа, действующее на волокна. Если прослойка сжата давлением, которое не превышает сил упругости, волокна восстановятся обратно без изменения структуры. Однако в случае, если будет превзойден предел упругости, физические характеристики волокна изменятся.
Третья стадия. Сжатые волокна проходят между поверхностями ножей ротора и статора. Теоретически подсчитано, что в этой стадии осуществляется только 10 % рафинирующего действия. Волокна расщепляются, прокатываются между рабочими поверхностями ножей.
Четвертая стадия. В этой стадии, когда поверхности ножей сходят с друг друга, рафинирующее действие на волокна прекращается. Сжатые перед этим волокнистые прослойки освобождаются от механического действия.
Пятая стадия. Волокна диспергируются. Пучки волокон с повышенной концентрацией очень быстро впитывают воду и быстро достигают первоначальной концентрации интенсивным гидродинамическим перемешиванием, производимым вращающимися ножами [49]. Механические воздействия на волокна в процессе размола проявляются в рубке волокон, их раздавливании, расчесывании с отделением пучков фибрилл и образованием на поверхности волокон своеобразного ворса из отдельных фибрилл (внешние фибриллирование).
Гидродинамические воздействия выражаются, прежде всего, в ударах волокнистой суспензии о размалывающие органы и стенки размалывающего аппарата. Эти гидродинамические удары дополняют механические воздействия на волокна. Одновременно при этом имеет место трение волокон друг о друга в зоне размола и пульсации гидродинамического давления в узком зазоре между ножами ротора и статора при их набегании и сходе в процессе вращения ротора.
В быстроходных ножевых размалывающих машинах при обработке волокнистых материалов происходят силовые воздействия на волокна, приводящие к различным типам их деформации и разрушению (рисунок 1.8) [50].
В чистом виде каждый из перечисленных видов силового воздействия в реальных размалывающих машинах отсутствует: все они действуют только в комплексе. Характер обработки волокна в значительной степени зависит от того, какой вид (или виды) силового воздействия и его интенсивность являются превалирующими. Например, интенсивные воздействия типа 2 и 5 приводят к разрыву (укорачиванию) волокон без их существенного фибриллирования. Многократные воздействия типа 3 совместно с незначительными по величине (по отношению к поперечной прочности волокна) воздействиями типа 1 способствуют фибриллированию волокон без их укорочения. Воздействия типа 8 и 9 приводят к скручиванию волокон.
Подготовка вторичных древесноволокнистых полуфабрикатов с использованием различного размольного оборудования
Полная деформация вторичного древесного полуфабриката в единичном секторе размольной камеры установки будет включать в себя: упругую деформацию, обусловленную изменениями валентных углов и расстоянием между химически связанными центрами атомов; остаточную деформацию, отражающую необратимое перемещение центров тяжести молекул и надмолекулярных структур (в волокне). После прохождения ножа ротора над ножом статора значения напряжений резко снижаются, при этом сохраняется остаточная деформация. После снятия напряжений между статором и ротором в древесине возникают обратные упругие
Необратимая часть деформации, еост, не релаксирует и сохраняется без изменений. Когда древесноволокнистый материал попадает под воздействие следующего ножа ротора, полный цикл «напряжение-разгрузка» повторяется. После того, как нож ротора попадает на участок между ножами статора, происходит перемешивание, мятие и трение волокна, сопровождающееся аэродинамическими явлениями при высокой концентрации вторичного древесного волокна.
Таким образом, при попадании древесного материала в следующий единичный сектор размольной камеры цикл воздействия размалывающих органов на вторичный древесноволокнистый полуфабрикат повторяется. При неоднократном прохождении древесного материала секторов размольной камеры происходит накопление остаточных напряжений в волокне, приводящих к полному разделению пятачков на вторичные древесные волокна. При размоле в мельнице обратимые механические деформации, имеющие релаксационный характер, обеспечивают процесс полного разделения древесины на волокно.
Для того, чтобы определить основные факторы, устанавливающие закономерности размола и его эффективность, была составлена расчетная схема распределения сил, возникающих при роспуске древесноволокнистых отходов ФОС в установке, которая показана на рисунке 2.3. Как отмечается в работе М.А. Зырянова, «в результате роспуска преобладают силы резания, мятия, сжатия и сдвига, обуславливающие такие параметры, как: величина касательного напряжения размола, удельная нагрузка на кромку ножа, максимальное удельное давление, действующее в рабочем зазоре, секундная режущая и циклическая элементарная длина» [18].
Величина касательного напряжения размола, 5, будет совпадать с тангентальной составляющей реакции опоры и определяться по формуле (2.3) 8 2Arn[sinfr + V,0)-sing0] l0-y/-Ls-a где - угол сектора, град; p0 - угол наклона ножа ротора, град; а - ширина ножа ротора, м; Ls - секундная режущая длина, м; Nn - полезная мощность, кВт; /0 - величина площадки сжатия, м2. Полезная мощность размола определяется как разница между общей мощностью, потребляемой мельницей при данном режиме размола, и мощностью холостого хода при работе размалывающей машины с разведенными ножевыми дисками [51].
Вторым фактором, определяющим ход процесса размола и являющимся мерой интенсивности воздействия на волокно [50, 51], считается удельная нагрузка на кромку ножа Bs, которая определяется В8= , (2.4) где Ls - секундная режущая длина, м; Nn - полезная мощность, кВт.
Как видно из формул (2.3) и (2.4), в отличие от удельной нагрузки на кромку ножа, касательное напряжение размола более полно отражает связь геометрических параметров размалывающих органов с интенсивностью воздействия на волокна, что подтверждается в дальнейшем результатами экспериментальных исследований, представленными в третьей главе диссертационной работы.
Таким образом, варьируя расчетные значения удельной нагрузки на кромки ножа и касательное напряжение можно спроектировать различные виды размольной гарнитуры для роспуска древесноволокнистых материалов различного состава. Так, при уменьшении ширины ножа ротора до значения а 10 при Nn=const, оба фактора (Bs, 8) уменьшаются. При дальнейшем уменьшении ширины ножа ротора (а 10) удельная нагрузка на его кромку будет уменьшаться, касательное напряжение размола, напротив, будет увеличиваться при а 10. При одинаковых значениях производительности мельницы и полезной мощности размола равные удельные нагрузки на кромку ножа ротора могут быть получены при одних и тех же значениях шага ножей ротора гарнитуры. В этом случае удельная нагрузка на кромки ножей ротора и удельный расход полезной энергии будут одинаковы, но касательные напряжения различны. Таким образом, изменяя геометрические характеристики ножа ротора, можно достигнуть равные значения удельной нагрузки на кромку ножа ротора и разные значения касательного напряжения.
По результатам анализа распределения сил, возникающих при размоле на поверхности ножа ротора, построена эпюра изменения усилий, сжимающих древесное волокно в рабочем зазоре, которая представлена на рисунке 2.4. Эпюра построена в рамках рассматриваемого единичного сектора и, на наш взгляд, позволяет более полно объяснить характер воздействия ножей ротора и ножа статора на древесноволокнистый материал.
Определение качественных показателей вторичного древесного волокна, физико-механических свойств плит и удельного расхода электроэнергии
Из анализа результатов статистической обработки параметров исследований следует, что наименее стабильными входными факторами данного процесса являются: зазор между ножами ротора и статора и угол встречи ножа статора с сырьем. Следовательно, они оказывают существенное влияние на все качественные характеристики плит и расход электроэнергии на роспуск древесноволокнистых отходов ФОС.
При математическом описании сложного многомерного объекта, такого, как размол, в первую очередь, выбирались наиболее важные выходные параметры исследуемого процесса, которые должны войти в данное описание. Из анализа, что все факторы являются мало стабильными, поэтому все приведенные выходные факторы являются важнейшими в исследовании.
По мнению авторов, сделан вывод, что «в общем случае математическое описание процесса размола должно содержать также зависимость качественных характеристик ДВП от породного состава сырья, который имеет наименьший коэффициент вариации» [4,22]. Но так как эксперименты проводились с использованием древесноволокнистой прессмассы, применяемой на действующих предприятиях, где для производства древесноволокнистых плит мокрым способом используют фиксированные составы (90 % хвойных пород (в основном, ангарская сосна), а для сухого способа породный состав древесины составлял 75 % лиственных, то и рассматривать данные показатели в дальнейших исследованиях не было необходимости.
Соответственно, статистическо-математические уравнения, описывающие процесс подготовки сухим способом размола древесноволокнистых отходов ФОС в производствах ДВП мокрым и сухим способами, должны одновременно устанавливать зависимость фракционного показателя качества помола массы, отношения длины волокна к его диаметру и процентного содержания различных фракций волокна в общей массе, прочности, плотности и водопоглощения готовой плиты, удельного расхода электроэнергии от технологических и конструктивных параметров размалывающей машины.
Главным направлением исследований данной работы явилась разработка научных основ подготовки сухим способом размола древесноволокнистых отходов ФОС в производствах ДВП мокрым и сухим способами, на основе анализа механизма исследуемого процесса и полученных статистическо-математических уравнений.
Методы исследований. Для получения уравнений статистическо-математического описания исследуемого процесса нами был применен экспериментальный метод, поскольку именно экспериментальные методы получения математических моделей применяют для сложных многофакторных процессов. В свою очередь, экспериментальные методы подразделяются на активные и пассивные. Но полученное при пассивном эксперименте уравнение регрессии справедливо только в том узком диапазоне изменений входных параметров, какой существовал во время проведения эксперимента. Поэтому нами был выбран активный эксперимент, при котором объекту наносятся искусственные возмущения и изучаются реакции на эти воздействия. Возмущения вводятся в объект в соответствии с некоторым оптимальным планом, позволяющим быстро обнаруживать нужные эффекты, а также строить модели, адекватные результатам эксперимента [79, 80, 81].
Рассматриваемый процесс сухого способа размола является непростым и специфическим, с многомерным входным и выходным вектором, причем размерность и того и другого довольно высокая и ожидать того, что в разумное время возможно представить содержательную физическую модель такого процесса, было бы слишком оптимистично, а промышленный объект требует решения задачи совершенствования уже сегодня. Таким образом, мы имеем единственную возможность количественно описать исследуемый процесс только с помощью данного подхода, который использован в работе. Это черный ящик с хорошо разработанным математическим аппаратом описания и поиск оптимальных решений данного процесса. Другие варианты для решения такого рода задач на сегодняшний день не эффективны, так как конечная цель - поиск оптимальных решений функционирования исследуемого объекта - важна и представляет несомненный интерес. Такой подход для решения поставленной в работе задачи в данном случае единственный и необходимый.
Таким образом, для построения статистическо-математических уравнений, описывающих процесс подготовки древесноволокнистых отходов ФОС в производствах ДВП мокрым и сухим способами путем сухого роспуска, нами был выбран активный многофакторный эксперимент.
Для успешного решения условий функционирования процесса сухого роспуска в производствах ДВП мокрым и сухим способами, необходимо получить систему уравнений, устанавливающих количественную зависимость качественных характеристик вторичных древесных волокон и готовых плит с учетом использования вторичного древесного волокна от входных технологических и конструктивных параметров размольного оборудования. Данная система уравнений будет определять математическую модель процесса подготовки в целом, решая поставленные в работе задачи. С целью построения регрессионных моделей, адекватно описывающих исследуемые процессы, осуществлен выбор основных характеристик моделей, согласно программе экспериментальных исследований, в соответствии с теорией математической статистики.
Обоснование выбора планов экспериментов. Согласно теории эксперимента, наилучшими планами будут те, которые позволят получить регрессионную модель с минимальными значениями дисперсий и ковариаций коэффициентов регрессии, а также с минимальной дисперсией предсказанных значений отклика, то есть модель должна отвечать критериям оптимальности [78 - 82]. Уравнение регрессии представлено в приложении Б.
Моделирование промышленной роторно-ножевой мельницы
Исследования показали (рисунок 3.7), что в процессе сухого способа подготовки древесноволокнистых отходов периодическим способом размола, в лабораторных условиях, частота вращения ротора не оказывает значительного влияния на прирост градуса помола.
Несомненно, что частота вращения ротора в размольной установке непрерывного действия, в производственных условиях, будет оказывать значительное влияние на эффективность процесса размола, производительность и пропускную способность размольной установки. Таким образом, при использовании сухого способа роспуска древесноволокнистых отходов в лабораторных условиях нет необходимости оценивать влияние частоты вращения ротора на качество подготавливаемого древесноволокнистого полуфабриката. Исследования проводились при всех прочих равных условиях.
В результате исследований установлено, что в процессе размола различных видов древесного сырья (вторичных древесных волокон, технологической щепы, опилок и дробленки) изменяя технологические факторы процесса размола, вы 130 ходные размерно-качественных характеристики древесноволокнистых полуфабрикатов и эффективности процесса их подготовки имеют похожую закономерность. Поэтому в эксперименте, в качестве примера, предложены результаты только некоторых факторов.
Реализация предварительных исследований подтвердила, что степень помола массы зависит от состава подготовительных операций, качества исходного сырья, технологических и конструктивных параметров размольной установки.
Результаты многочисленных предварительных исследований позволили научно обосновать выбор технологических и конструктивных параметров размольной установки с целью их дальнейшего использования в основном эксперименте настоящей работы, определить количественные и качественные взаимосвязи между исследуемыми факторами и их влияние на физико-механические свойства готовых плит. В качестве исследуемых факторов были использованы: величина угла встречи ножа статора с сырьем (е), величина зазора между ножом ротора и статора (г), различные исполнения геометрии ножевой гарнитуры (п).
Кроме того, реализация предварительных исследований позволила научно обосновать интервалы и уровни варьирования исследуемых факторов.
Таким образом, на основании результатов предварительных экспериментов были решены следующие задачи: - подтверждена правильность выбора основных направлений и методов исследований; - установлены факторы, в наибольшей степени оказывающие влияние на исследуемые процессы, найдены интервалы и уровни их варьирования; - определено количество параллельных опытов; - определен порядок проведения опытов в ходе реализации основного эксперимента настоящей работы. Ввиду различия технологических процессов получения древесноволокнистых плит мокрым и сухим способами, разницы в характеристиках вторичной древесноволокнистой массы данных производств, в дальнейшем при реализации основного эксперимента настоящей работы были реализованы исследования по роспуску древесноволокнистых отходов ФОС и получения готовых древесноволокнистых плит с учетом их использования для каждого производства отдельно.
Для установления закономерностей влияния технологических параметров размольной лабораторной установки на качественные показатели и морфологические характеристики подготовленного вторичного древесного волокна, а также физико-механические свойства готовой плиты был спланирован и реализован двухфакторный эксперимент. Это позволит в дальнейшем осуществить проектирование промышленной размольной машины, работающей по сухому способу размола, для получения высококачественных древесноволокнистых полуфабрикатов.
Исследования оценки качественных характеристик древесноволокнистых полуфабрикатов и физико-механических свойств с учетом использования вторичных древесных волокон проводились отдельно для производства ДВП мокрым и сухим способами.
Для осуществления поставленных задач для многофакторного эксперимента был реализован В-план второго порядка. Результаты многофакторного эксперимента обрабатывались в пакете программ «8TATI8TICAL».
Несмотря на сравнительно небольшое число опытов, необходимых для реализации В-плана, он позволяет получать раздельные оценки парных взаимодействий параметров, линейных и квадратных эффектов. Полученное с помощью В-плана уравнение регрессии дает одинаковую погрешность выходного параметра на одном и том же расстоянии от центра эксперимента независимо от сочетания входных факторов [8].
Согласно плану эксперимента в ходе реализации экспериментальных исследований, как для мокрого, так и сухого способа производства ДВП использовали размольную гарнитуру двух геометрических исполнений.
В качестве входных факторов были выбраны: геометрическое исполнение размольной гарнитуры (п1, п2), зазор между ножами ротора и статора (zM zc), угол встречи ножа статора с сырьем (еМу вс). В таблице Б.1 и Б.2 приложения Б представлены входные и выходные параметры исследований.
Реализация экспериментальных исследований проводилась согласно выбранным интервалам и уровням варьирования входных факторов, представленным в разделе 2.3, таблица 2.2, которые варьировали в следующих диапазонах: для мокрого способа производства ДВП: (3) zM (9) мм; (135±1) ем (225±1); для сухого способа производства ДВП (2) zc (8) мм; (135±1) ес (225±1).
С целью подтверждения теоретических исследований в диссертационной работе реализованы экспериментальные исследования сухим способом подготовки древесноволокнистых отходов ФОС в производстве ДВП мокрым и сухим способами представлены в приложений В в таблицах В.1, В.2 и В.3.
В настоящем разделе диссертационной работы приведены результаты экспериментальных исследований в виде статистическо-математических уравнений, адекватно описывающих исследуемый процесс, с целью установления взаимосвязей исследуемых факторов и их влияния на выходные параметры эксперимента.
Статистическо-математические уравнения, описывающие процесс подготовки древесноволокнистых отходов от форматно-обрезных станков в производстве ДВП мокрым и сухим способами, позволяют установить количественные зависимости качественных характеристик вторичного древесного волокна, полученного сухим способом размола (фракционный показателя качества помола, удельная поверхность древесных волокон), морфологических характеристик вторичных древесных волокон (массовая доля в общей массе мелкого волокна и мелочи) от технологических конструктивных параметров размалывающей машины МР-4 (зазор между ножом ротора и статора, угол встречи ножа статора с сырьем, размольная гарнитура различного геометрического исполнения). Все уравнения настоящей работы проверены на адекватность с помощью Р- критерия Фишера, оценка значимости коэффициентов по проводилась в соответствии с методикой, с помощью 1-критерия Стьюдента [77, 79].