автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Получение полуфабрикатов в одну ступень размола для производства древесноволокнистых плит мокрым способом

На правах рукописи

005042901

Зырянов Михаил Алексеевич

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУФАБРИКАТОВ В ОДНУ СТУПЕНЬ РАЗМОЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ МОКРЫМ СПОСОБОМ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 №

Красноярск-2012

005042901

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», Лесосибирский филиал, г. Лесосибирск

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Руденко Анатолий Павлович, профессор ФГБОУ Сибирский государственный технологический университет, кафедра «Технологии конструкционных материалов и машиностроения», профессор.

Бурындин Виктор Гаврилович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ Уральский государственный лесотехнический университет, кафедра «Технологии переработки пластмасс», профессор.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет».

Защита состоится «31» мая 2012 г. в 10°° ч .на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, ауд. Ц1-10, E-mail - dissovetsibgtu01@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Отзывы в двух экземплярах с заверенными подписями просьба направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 82.

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь

доктор технических наук, доцент

Чистова Наталья Геральдовна

диссертационного совета

Исаева Елена Владимировна

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Производство древесноволокнистых плит (ДВП) в значительной мере способствует решению проблем комплексного и рационального использования древесного сырья. Отходы лесозаготовок, низкокачественная древесина, кусковые и мягкие отходы лесопильно-деревообрабатывающих производств составляют потенциальную сырьевую базу для плитного производства.

Необходимо признать, что производство плит в России по мощности технологических линий, качеству и объему выпускаемой продукции не отвечает ни потребностям страны, ни потенциальным возможностям данной отрасли. Доля России в мировом производстве древесных плит составляет всего: ДВП мокрым способом - 6,5 %, по сухому способу - 4,5%, по МБР - 0,8 %.

Улучшение качества готовой продукции, модернизация и оптимизация параметров морально и физически устаревшего оборудования необходимо на современном этапе развития производства древесноволокнистых плит мокрым способом.

До последнего времени при научном анализе отдельных операций сложного технологического процесса получения ДВП недостаточно уделялось внимания процессу подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов, качественной и количественной оценке влияния факторов данного процесса на свойства древесного волокна и готовых плит. Исследования в данной области носят разрозненный характер, решая, в основном, отдельные, частные задачи, базируясь, как правило, на практических знаниях, производственной смекалке и опыте работы инженерно-технического персонала и рабочих.

В производстве древесноволокнистых плит мокрым способом получение древесной массы осуществляется в две ступени размола щепы и является достаточно энергоемким процессом, на долю которого приходится 65 % от затрат всего технологического процесса производства ДВП.

Увеличение темпов развития производства плитных материалов, разработка рациональных способов и технологических схем получения древесной массы, их оптимизация в целях экономии электроэнергии и увеличения производительности размольного оборудования, снижение себестоимости готовой продукции жизненно необходимо и требует проведения научных исследований.

Вышеизложенное определяет актуальность исследований в области создания НОВОП) вида размольного оборудования, позволяющего получать, древесноволокнистый полуфабрикат в одну ступень размола, что, несомненно, позволит снизить себестоимость готовой продукции за счет уменьшения энергетических, материальных и трудовых затрат на изготовление древесноволокнистого полуфабриката.

Цель работы. Научно обосновать и экспериментально подтвердить возможность получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить закономерности механизма процесса получения волокнистого полуфабриката в ножевых размалывающих машинах (ролл, дисковая и крестовая мельницы), исследовать особенности режима работы планко-крестовой размольной установки;

- обосновать структурообразование плиты из древесноволокнистого полуфабриката, полученного в одну ступень размола, и оценить морфологические характеристики составляющих его фракций;

- установить влияние основных технологических, конструктивных и энергосиловых параметров размалывающей установки на процесс подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов и получение готовой плиты;

- разработать способ и технологию получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола в промышленных условиях;

- предложить оптимальные режимы работы размольной установки с учетом ее основных технологических, конструктивных параметров, качественных показателей и морфологических характеристик древесноволокнистой массы и готовой плиты, с оценкой энергозатрат на размол и себестоимости готовой продукции;

- оценить экономическую эффективность предлагаемого способа получения древесной массы в производстве ДВП.

Объект исследований - технологические процессы производства ДВП

Предмет исследований - физические явления и закономерности, характеризующие технологический процесс получения древесноволокнистых полуфабрикатов.

Научная новизна:

- впервые научно обоснована эффективность процесса получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом;

- впервые определены основные закономерности формирования структуры плиты с учетом особенностей фракционного состава, обосновано положительное влияние мелочи на плитообразующие свойства;

- установлена количественная взаимосвязь качественных показателей, морфологических характеристик древесной массы, физико-механических свойств готовой плиты с технологическими и конструктивными параметрами размольного агрегата, что позволит регулировать процесс размола.

Практическая значимость работы. Теоретические исследования, подтвержденные экспериментально, позволяют обосновать использование предлагаемого размалывающего агрегата в производственных условиях при получении ДВП мокрым способом. На основании результатов решения задачи оптимизации процесса размола разработана техническая документация для использования в производственных условиях, позволяющая прогнозировать качественные показатели, морфологические характеристики древесной массы и физико-механические свойства готовой плиты. Полученные результаты научных исследований в дальнейшем могут быть использованы как при проектировании размольных машин, так и их эксплуатации.

Предложенные способ и технология получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола позволяют сократить трудозатраты, уменьшить удельный расход электроэнергии на его производство и себестоимость готовой плиты.

Основные положения, выносимые на защиту:

В рамках специальности 05.21.03, пункты 14 и 17, решена задача, направленная на разработку принципиально новых эффективных технологий и размольного оборудования для получения древесноволокнистых полуфабрикатов в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом. В частности:

- теоретические положения и результаты исследований о явлениях и закономерностях в области процесса получения древесноволокнистых полуфабрикатов в одну и две ступени размола при производстве ДВП мокрым способом;

- механизм структурообразования плиты, на основе которого научно обоснованы закономерности распределения различных фракций древесного волокна, обеспечивающих необходимое связеобразование;

- теоретические исследования и экспериментальные разработки, позволяющие предложить новое размольное оборудование для использования его в промышленных условиях, определить оптимальные значения основных технологических, конструктивных и энергосиловых параметров;

- способ и технология получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола, их экономическая и экологическая целесообразность;

- технический проект промышленной размольной установки непрерывного действия для получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом. Оптимальные режимы работы размольной установки, позволяющие снизить энергопотребление на размол и себестоимость готовой плиты.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных научно-практических конференциях: «Студент и научно-технический прогресс», «Наука и современность» (Новосибирск, 2010), «Древесные плиты: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2011), «Наико\уа ргееБй-геп еигору» (Прага, 2011), «Ключови въпроси в съвременната наука» (Прага, 2011) и Всероссийских научно-практических конференциях: «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2009, 2011) «Химико-лесной комплекс - проблемы и решения» (Красноярск, 2009-2011). Результаты исследований апробированы в процессе выполнения хоздоговорной работы.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 20 печатных работ (из них автора 3,12 п. л.), из них 4 - в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 113 наименований. Объем работы - 167 страниц машинописного текста, включая 22 иллюстрации, 16 таблиц и 2 приложения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований процесса получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом.

В первой главе произведен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области процесса размола древесноволокнистых полуфабрикатов ножевым способом. Установлено, что в вопросах механизма воздействия на волокно нет единого мнения среди исследователей, которое учитывало бы все факторы процесса размола и влияние его на качественные показатели древесноволокнистого материала и готовых плит. Проанализировано влияние отдельных технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на основные плитообразующие свойства древесной массы. Выполнена оценка развития производства древесного волокна, значимости процесса подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов как одного из основных процессов, определяющих качество готовой продукции и ее себестоимость. Обоснована необходимость создания новых видов размольных машин, выбора и разработки рациональных технологических схем размола в целях экономии электроэнергии, увеличения производительности оборудования и уменьшения себестоимости готовой плиты.

Анализ литературных источников позволил определить цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований получения древесноволокнистой массы в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом. Выполнен анализ механизма размола в существующих размольных агрегатах, и дана оценка влиянию технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на качественные показатели древесноволокнистой массы.

На основании анализа процессов и явлений, имеющих место при получении древесноволокнистого полуфабриката в ролле, цилиндрической, дисковой (дефиб-ратор и рафинатор) и крестовой мельницах, был спроектирован лабораторный размалывающий агрегат, обладающий достоинствами, присущими данным размольным машинам с целью изготовления древесной массы в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом. Подана заявка на авторское свидетельство предлагаемой размольной установки марки рафинер Ц-230.

На рисунке 1 представлена схема размольной камеры рафинера.

1 - крестовина ротора; 2 ■ планка

гребенчатая

а - размольная камера б - схема движения древесной массы

Рисунок 1 — Схема размольной камеры рафинера Ц-230

Как видно из рисунка 1 а, установка имеет цилиндрический корпус, в котором установлено пять гребенчатых планок с ножами. Роль ротора в данном агрегате выполняет крестовина с четырьмя лопастями. В процессе вращения ротора щепа под действием центробежной силы прижимается к внутренней поверхности статора. Размол в данной установке осуществляется в зазоре между ножами статора и ротора, а также на участке между планками.

На основании теоретических исследований процесса размола в рафинере Ц-230 предложена схема движения древесной массы (рисунок 16).

Анализ показал, что интенсивное воздействие на древесноволокнистый материал, идентичное первой ступени размола (зона I), осуществляется в зазоре между ножами гребенчатых планок статора и ножами ротора за счет сил раздавливания, резания, мятия и трения древесины. Щадящий размол (зона II) происходит в зоне с отсутствием размалывающих поверхностей за счет сил трения, центробежной силы и перемешивания древесной массы, что соответствует явлениям

циркуляции и перекачки массы, присущим второй ступени размола. В результате, предлагаемая размольная машина сочетает явления и процессы, протекающие как при размоле на первой ступени (дефибратор), так и на второй (рафинатор).

С целью исследования особенностей режима работы рафинера и научного обоснования эффективности получения древесноволокнистого полуфабриката, рассмотрены процессы и явления, имеющие место в пределах единичного сектора размольной камеры машины, предложены схемы деформаций древесного материала при размоле, распределения сил в зазоре между ножами ротора и статора, построена эпюра напряжений возникающих при взаимодействии ножей планок и граней крестовины.

На рисунке 2а представлена схема распределения сил, возникающих при размоле в рафинере, которые обуславливают 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. По результатам анализа распределения сил, возникающих при размоле на поверхности ножа планки статора, построена эпюра (рисунок 26).

Ттр - сила трения о плоскость ножа статора; ЯА - сила реакции опоры; - нормальная составляющая реакции опоры; Кт - тангентальная составляющая реакции опоры; со - угловая скорость; Ур - направление вектора скорости движения крестовины ротора; г - рабочий зазор.

Рисунок 2 - Схема распределения сил (а) и эпюра напряжений, возникающих при взаимодействии ножей статора и ротора (б)

Из эпюры видно, что при встрече грани крестовины ротора с гранью ножа статора (участок I) усилия воздействия на волокно резко возрастают в пределах зоны максимального давления. С дальнейшим прохождением грани крестовины ротора по ножу статора усилия воздействия размалывающих органов на волокно резко уменьшаются (участок II) в пределах зоны падающих давлений. В области низких давлений в ячейке между ножами (участок III) усилия практически отсутствуют. При попадании древесной массы в область единичного сектора между планками статора (участок IV) показатель давления в рабочем зазоре достигает своего минимального значения.

С целью определения эффективности процесса размола в одну и две ступени был произведен расчет показателей секундной режущей1, Ь& и циклической элементарной длины, по представленным ниже формулам:

- для размалывающих органов рафинера

=(отс-тР •/„-п)/б0, (1)

где тс — число ножей планок статора, шт.; тР - число граней крестовины ротора, шт.; 1Н - длина ножа на цилиндре, м; п — частота вращения крестовины, об/мин.

£„.„.=<£*-бО)/(и-о, (2)

где I - количество движущихся точек пересечения ножей ротора с ножами статора, шт.; п - частота вращения ротора, об/мин;

- для размалывающих органов дисковых машин

-„=(£,-боИя-г^Л/')], (3)

где 2к/у — число секторов.

В таблице 1 представлены результаты расчетов основных показателей размалывающих машин.

Таблица 1 - Основные расчетные показатели размалывающих машин

Размалывающая машина Параметры

количество движущихся точек пересечения, 1, шт. секундная режущая длина, м/с циклическая элементарная длина, Ьа,м, м

дефибратор 55 30740,2 5,73

рафинатор 165 91072,1 5,61

рафинер Ц-230 1 408,3 25,00

Из таблицы 1 видно, что рафинер имеет более высокое значение показателя циклической элементарной длины по сравнению с дисковыми машинами, что обеспечивает высокую эффективность размола, но при этом секундная режущая длина имеет минимальное значение.

В таблице 2 представлены результаты исследований влияния количества ножей планки статора на показатели качества древесной массы и готовой плиты, а также секундной режущей и циклической элементарной длины.

Для определения значения показателя секундной режущей длины и количества точек пересечения ножей размалывающих органов для гарнитуры дефибратора и рафинатора использовалась программа, разработанная на кафедре машин и аппаратов промышленных технологий СибГТУ.

Таблица 2 - Технологические параметры размалывающей машины, качественные показатели древесной массы и готовой плиты в зависимости от количества ножей статора _

Количество ножей на пяти планках статора, ІПТ. Секундная режущая дайна, м/с Циклическая элементарная длина, м Степень помола массы, ДС Фракционный показатель качества, г Прочность плиты, МПа Плотность плиты, кг/м3 Водопоглощение плиты за 24 ч, % Набухание плиты за 24 ч, %

25 408,3 25,0 18,8-19,1 33,9-34,2 37,6-39,3 854-872 27,6-29,2 19,2-21,0

-30 490,0 30,0 19,4-20,7 35,8-36.0 41,2-42,0 868-880 28,0-28,9 18,4-20,7

35 571,7 17,5 21,9-22,5 30,2-31,3 37,3-38,4 887-894 29,7-31,1 22,4-23,9

Исследования показали, что лучшие качественные показатели древесноволокнистой массы и физико-механические свойства готовой плиты достигаются при 30 ножах статора. Увеличение эффективности размола объясняется повышением значений показателей секундной режущей и циклической элементарной длины, формируемых минимальным количеством контактов ножей статора с ножами ротора.

Как видно из таблицы 2, несмотря на то, что степень помола массы ниже, чем при размоле в две ступени, физико-механические свойства готовой плиты соответствуют ГОСТ 4598-86. Сохранение физико-механических свойств плиты объясняется тем, что на эффективность структурообразования древесноволокнистого ковра оказывает влияние не только степень помола массы, но и фракционный показатель качества размола, обуславливающий морфологические характеристики древесного волокна.

Наибольшее значение при формовании древесноволокнистого ковра имеют механические силы, которые характеризуются поверхностным натяжением и сцеплением фибриллированного волокна (эффект двух взаимно спрессованных щеток). При улучшении качества разработки волокна увеличивается показатель отношения длины к диаметру волокна, который характеризует не только его удельную поверхность, но и ковра в целом, что, несомненно, способствует улучшению связеобразования в плите.

В ^таблице 3 представлены морфологические характеристики различных фракций древесного волокна, распределение в плите которого представлено на рисунке 3.

Таблица 3 - Морфологические характеристики различных фракций волокна в составе древесноволокнистого полуфабриката при производстве ДВП мокрым способом_

Наименование показателей Волокно

крупное среднее мелкое мелочь

фибриллплазма мелыптофф

А Б .А Б

длина, /, мм более 4 4-1,5 1,5-0,2 0,3-0,2 0,09-0,04 от 0,04 0,2-0,15

диаметр, а, мм более 0,5 0,1-0,05 0,05-0,02 от 0,003 0,02-0,01 0,01-0,003

Ш 10-20 35-50 10-15 65-100 15-30 10-15

Как видно из таблицы 3 и схемы, представленной на рисунке 3, наибольшее процентное содержание в общей массе должна иметь мелочь, которая участвует в связеобразовании ковра, а именно фибриллплазма группы А и мель-штофф группы Б, так как показатели отношения значений длины к диаметру волокна данных групп в несколько раз превышают характеристики крупной и мелкой фракций волокна, что, несомненно, способствует увеличению удельной поверхности древесной массы, образованию когезионных связей и улучшению структурообразования плиты.

Оптимизация процесса размола в производстве ДВП. В условиях рынка сегодняшнего дня первоочередной задачей совершенствования производства древесноволокнистых плит и снижения их себестоимости является разработка оптимальных режимов функционирования основных процессов. В качестве интегрального критерия оптимизации выбран показатель себестоимости готовой продукции, значительное влияние на который будет оказывать удельный расход электроэнергии на получение древесноволокнистого полуфабриката, а также технологические и конструктивные параметры процесса размола.

Для реализации в производственных условиях найденного оптимального режима работы размольной группы требуется определить эффективность различных воздействий на показатели технологического режима и готовой продукции. Для этого необходимо разработать математические модели, в полной мере оценивающие исследуемый процесс размола в производстве ДВП.

Выбор основных характеристик моделей. Для успешного решения задач оптимизации условий функционирования процесса размола в одну ступень при производстве ДВП мокрым способом необходимо получить систему уравнений, устанавливающих количественную зависимость качественных показателей, морфологических характеристик древесного полуфабриката и готовых плит от входных параметров исследуемого процесса. Данная система уравнений будет определять математическую модель процесса размола 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. Определены значения интервалов, уровней и шагов варьирования исследуемых факторов

1 - армирующее древесное волокно крупной фракции; 2 - волокно средней фракции; 3 - волокно мелкой фракции; 4 - мельштофф А; 5 - мелыпгофф Б; 6 - фибриллплазма А; 7 - фибриллплазма Б; В - паровоздушная смесь; 9 - водно-коллоидные пленки; 10 - наружное фиб-рштлирование; 11 - микротрещины; 12 - неволокнистый компонент Рисунок 3 — Условная схема структурообразования плиты с распределением в ней мелочи

На основании литературного обзора и предварительных исследований были выявлены основные технологические и конструктивные параметры размалывающей машины, оказывающие наибольшее влияние на качественные и морфологические характеристики древесного волокна и физико-механические свойства готовой плиты.

В качестве входных факторов были выбраны: зазор между планками и ножами крестовины (г), продолжительность размола (т), давление пара при размоле (Р).

В качестве выходных параметров выбраны: степень помола древесной массы (ДС), фракционный показатель качества помола (Рг), отношение длины волокна к его диаметру (Ш), содержание крупного (Вк), среднего (Вс), мелкого (В,и) волокна, фибриллплазмы А (Фм,), фибриллплазмы Б (ФГБ1), мельштоффа А (М(А)), мельштоффа Б (М/Б)) в общей массе, плотность (Р1), предел прочности при статическом изгибе (Рг), водопоглощение (Б), набухание (Д; древесноволокнистой плиты и удельный расход электроэнергии на размол (£).

Выбор основных характеристик моделей согласно программе экспериментальных исследований представлен в виде функциональной зависимости:

ДС,Рг,1/а,Вк,В(.,Вм,Ф{Л),Ф1Щ,М(А),М(11),Рт,Р1,3,Я,Е = /(Р,т,2). (4)

В третьей главе приведены характеристики и принцип работы промышленных и лабораторной размольных установок, на которых проводились испытания, представлена последовательность реализации эксперимента и методики определения качественных показателей, морфологических характеристик древесной массы и физико-механических свойств готовой плиты.

В работе были выбраны следующие интервалы варьирования входных параметров исследуемого процесса: (80±1) < т< (120±1,3) с, (0,2±0,01 )<г< (0,6±0,02) мм, (0,9±0,015)<Р<(\ ,2±0,024) МПа.

Все исследования настоящей работы проводились в лаборатории «Лесоперерабатывающей целлюлозно-бумажной и химической технологии древесины» Лесосибирского филиала СибГТУ, а также в условиях производственного процесса на промышленных установках в цехе по производству древесноволокнистых плит мокрым способом ОАО «Лесосибирский ЛДК №1».

В качестве исходного сырья использовались древесные отходы лесопильного производства и низкокачественная древесина со склада сырья, с содержанием хвойных пород (93 ± 3,4) %.

Результаты исследований получения древесноволокнистого полуфабриката в одну и две ступени представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты экспериментальных исследований способов получения древесноволокнистых полуфабрикатов в одну и две ступени_

Способ получения древесного волокна £ с І-" я* о4 £ И оХ 0 ю и Ф(А), % Ф(Б), % < 0х м 5 га С ^ о, С*| "й ы Е о4 вГ

в одну ступень 18,118,8 40,441,1 27.628,3 30,632,3 25,827,7 4,15,0 1,92,1 1,82,1 4,45,3 17,419,2 40,342,8 804,8841,1 25,427,9 20,122,9

в две ступени 20,122,4 30,932,1 34,836,7 24,825,5 23,625,2 0,41,3 6,68,1 4,55,6 0,81,6 13,016,4 38,640,2 807,5832,2 25,428,6 20,424,6

Как видно из таблицы 4, физико-механические свойства плиты, изготовленной из древесноволокнистого полуфабриката, полученного в одну ступень размола, соответствуют ГОСТ 4598-86, однако древесная масса имеет более высокое значение фракционного показателя качества помола и меньшее значение степени помола.

По сравнению с древесной массой, изготовленной традиционным способом, древесноволокнистый полуфабрикат, полученный в одну ступень размола, имеет иной фракционный состав со значительным увеличением содержания среднего волокна, фибриллплазмы группы А и мельпггоффа группы Б. Данный фракционный состав древесной массы достигается за счет конструктивных особенностей размольной установки.

В ходе обработки экспериментальных данных получены, статистическо-математические уравнения, описывающие исследуемый процесс и позволяющие установить количественные зависимости качественных показателей, морфологических характеристик древесноволокнистого полуфабриката, полученного в одну ступень размола и физико-механических свойств готовой плиты от технологических параметров размалывающей машины. Полученные уравнения адекватны при доверительной вероятности 95 - 99 %. Величина достоверности аппроксимации составила 0,9902 < R < 0,9987. Оценка значимости коэффициентов проводилась в соответствии с методикой, с помощью t-критерия Стьюдента. Проверка моделей с помощью F-критерия Фишера показала их адекватность.

Регрессионные зависимости, описывающие влияния основных технологических параметров рафинера на качественные показатели и морфологические характеристики древесноволокнистого полуфабриката, будут иметь вид: ДС= 16,11 - l,84-z+0,41-P+ 1,56 т + 0,94-z' + 0,39-^ + 0,54-^-

0,16-zP - 0,61-z-t + 0,04-т-Р Fr = 39,01 - 2,42-z + 2,94 P + 0,53-т - 1,11 -z2 - 2,01 -P* - 0,76 V +

04-z-P- 1 73-Z-T-2 15-t-P BK = 28,27 + 9,06-z - 3,34-P - 4,72-т - 3,82-z' + 8,58-^ + 1,58-t2 + 1,99-zP + 1,64-z-t - 4,04-t-P Bc = 36,8 + 2,37-z - l,2 P - 0,86-t - 2,65-z2 + l,4-P2 - 0,9-т2 + 1,93-z-P + 2,13-z-t + 0,3-T-P BM = 22,46 - 7,36'Z + l,71 P + 3,09-т + 4,79-z' - 4,46-P2 - 5,56V -

0,19-z-P - 0,91 -z-t + 0,86-rP Ф(А) = 2,83 - 0,72т + 0,4 P + 0,36-т + 0,18-г? - 1,23-P2 - 0,13-t2 -

0,43-z-P - 0,01-z-t- 0,13-rP Ф(Б) =1,7- 0,61-z - 0,05-P + 0,36-т - 0,05-z' + 0,75-P2 + 0,4-x' -

0,35-z-P - 0,2-z-t + 0,25-т-Р M(A) = 1,99 - 0,77-z - 0,0 6-P + 0,6-т + Qfi&z2 + 0,61-P^ + 0,71 V -

0,45-z-P - 0,48-z-x + 0,25-t-P М(Б) = 3,58 - 0,8-z + 0,48-P + 0,35-x - 0,18-z2 - 1,28-^ - 0,13V -

0,48-zP + 0,15-z-t - 0,18-x-P Lfd= 22,01 - 0,47-z + 0,66-P - 0,35-т - 1,91-z2 - 2,96-P2 - 0,61 V -0,29-z-P + 0,14-z-t+ 1,16-rP

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10) (П) (12)

(13)

Графическая интерпретация полученных уравнений позволяет достаточно полно оценить широкий круг исследуемых зависимостей. В качестве примера ниже представлены лишь некоторые зависимости, полученные по уравнениям (5), (6), (10>( 14).

-А-давление пара, МПа; ■■••■продолжительность размола, с; -♦■зазор между гранями крестовины ротора и ножами статора, мм а - степень помола массы б - фракционный показатель качества помола массы

Рисунок 4 - Зависимость качественных показателей древесной массы от технологических параметров размалывающей машины

Как видно из рисунка 4, наилучшие значения показателя степени помола массы будут при 2=0,2-0,25 мм, Р=1,0-1,06 МПа, т=115-120 с. Наилучшие значения фракционного показателя качества помола достигаются при 2=0,2-0,25 мм, Р= 1,02-1,09 МПа, т= 104-107 с.

На рисунке 5 представлены поверхности отклика в виде графических зависимостей, построенных по уравнениям (10)-(13), которые более полно демонстрируют зависимость содержания мелочи в общей массе от технологических параметров размалывающей машины.

Из графиков на рисунках 5а и 56 видно, что максимальное процентное содержание в общей массе фибриллплазмы группы А и мель-штоффа группы Б достигается при г=0,2-0,25 мм, Р= 1,0-1,05 МПа, т=100-105 с. Как видно из графиков на рисунках 5в и 56, при вышеуказанных значениях технологических параметров рафинера содержание фибриллплазмы группы Б и мельштоффа группы А в общей массе минимально.

С целью оценки морфологических характеристик древесной массы выполнен анализ волокна при помощи цифрового микроскопа ЛВ-34 с максимальным увеличением до 100

в - мельштофф А г - фибриллплазма Б

Рисунок 5 - Зависгтость влияния технологических параметров размалывающей машины на содержание различных групп мелочи

крат. На рисунке 6 представлены фотографии древесноволокнистой массы, которые подтверждают результаты исследований влияния технологических параметров размалывающих машин на морфологические характеристики древесного волокна.

а 6

1 - крупное волокно; 2 - среднее волокно; 3 - мелкое волокно; 4 - фибриллгшазма Б; 5 - мельштофф А; 6 - фибриллплазма А; 7 - мелынтофф Б.

Рисунок 6 — Фотографии древесной массы, полученной в одну (а) и две (б) ступени размола

Как видно из фотографий, представленных на рисунке 6, древесноволокнистая масса, полученная в одну ступень размола, имеет в своем составе большое количество мелыптоффа группы А и фиб-риллплазмы группы Б. В свою р. мпа очередь, в состав мелочи древес-т, с ного полуфабриката, полученного в две ступени размола, в основном, входит фибриллгшазма группы Б и мельштофф группы А.

Графическая зависимость, представленная на рисунке 7, подтверждает, что при выше-

■ -И ►—*—-4—*. [

1,- _

/ V N *

А

85 0, 32 0,99 1,06 1,1 3 1,2

75

85

95

105

115

125

0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 -*-давление пара, МПа: ■■■»■продолжительность размола, с; -♦-.шор между гранями крестовины ротора н ножами статора, мм

Рисунок 7 - Зависимость отношения средней длины волокна к диаметру от технологических параметров размалывающей машины указанных значениях технологических параметров рафинера вследствие увеличения содержания в общей массе фибриллплазмы группы А и мелыптоффа группы Б показатель среднего значения отношения длины волокна к диаметру достигает своего максимума.

Это можно объяснить тем, что конструктивные особенности данной размольной машины и найденные режимы ее работы позволяют увеличить содержание в общей массе среднего волокна, фибриллплазмы А и мелыптоффа Б, характеризуемые высоким значением показателя отношения длины волокна к диаметру и обеспечивающих увеличение общей удельной поверхности в плите.

С целью установления влияния технологических параметров размольной установки на физико-механические свойства готовой продукции получены регрессионные модели, представленные ниже:

Р1 = 880,19 - 61,1-г + 24,2-Р + 18,1-х + 4,81-г2 - 44,69 Р2 - 17,19-х2 - (15)

-11,63-г-Р + 12,63-г-т + 5,88-т-Р

Рг = 39,79 - 2,52-г + 0,76 Р + 2,01 -х - 0,64-г2 - 0,94 Р2 - 1,99-х2 + (16)

+0,14-г-Р + 0,54-г-х - 0,69-х-Р

8 = = 21,74+ 1,91-* + 0,1 \Р- 1,45-т + 2,61-г2 + 1,21-Р2 + 2,51-г2 + (17)

+ 0,1 г-Р - 0,125-г-х + 0,3-т-Р

Я = 14,13 + 4,72-г - 1,9-Р - 1,64-х + 4,38-г2 + 2,38-Р2 + 1,78-х2 - (18)

- 0,08-г-Р - 1,35-г-х - 1,08-х-Р

На рисунке 8 представлены графические зависимости, построенные по полученным моделям (16), (17).

-4-давление пара, МПа; ■■■•■продолжительность размола, с; -♦-зазор меяеду гранями крестовины ротора и ножами статора, мм

а - прочность плиты б - водопоглощение плиты

Рисунок 8 - Зависимость влияния технологических параметров размалывающей машины на физико-механические свойства готовой плиты

Из графика, 8а, видно, что значение показателя прочности плиты достигает своего максимального значения 41,5-41,8 МПа при 2=0,2-0,25 мм. При увеличении продолжительности размола и давления в размольной камере значение показателя прочности плиты увеличивается, достигая 40,1-40,3 МПа при г= 100-105 с и 39,7-39,9 МПа при Р~1,01-1,06 МПа. Из представленных кривых следует, что прочностные показатели плиты обуславливаются, прежде всего, развитием сил связи, изменением длины и ориентации волокна. В начальной стадии размола силы связи растут быстрее, чем уменьшается длина волокна, и поэтому прочностные свойства плит улучшаются. В дальнейшем средняя длина волокна уменьшается, фракционный показатель увеличивается быстрее, чем растут силы связи, и показатели качества ухудшаются. При этом само волокно под действием различных нагрузок динамично разрушается, т. е. снижается его прочность.

Как видно из графика, представленного на рисунке 86, при увеличении значения продолжительности размола, давления в размольной камере, рабочего зазора показатели водопоглощения плиты улучшаются и достигают 21,3-21,3 % при г=0,3 мм, 17=105 с, Р~1,06 МПа. Водопоглощение образцов зависит от образования сшивок в структуре плиты и включения полярных групп во взаимодействия, что исключает сорбцию воды.

В четвертой главе представлены направления практической реализации результатов научной работы.

(19)

I3

(Яг

-

- -* --■А -

к

I *

85 0, 32 0,99 1,( )б 1, 3 1,:

15 8 95 105 . 11 5 12

+Р,МПа

Оценка удельного расхода электроэнергии при размоле древесноволокнистого материала в одну и две ступени. В процессе реализации эксперимента при варьировании технологических параметров согласно плану эксперимента фиксировался удельный расход электроэнергии на размол. Статистическо-математическое описание данной зависимости представлено уравнением:

Е— 37,12 - 3,46-г - 1,04-Р + 3,47-т- 2,07-2* + 2,23 Р2 -4,62-т* + + 2,19-г-Р- 0,71-г-т-2,09 т\Р

Графическое изображение зависимости удельного расхода электроэнергии от технологических параметров процесса размола на рафинере Ц-230 представлено на рисунке 9. Наименьшее энергопотребление на получение древесноволокнистого полуфабриката, плита из которого будет соответствовать ГОСТ 4598-86, наблюдается при г=0,45-0,5 мм, Р=1,06-1,11 МПа, т=90-95 с.

В ходе анализа результатов многочисленных замеров удельного расхода электроэнергии при получении древесноволокнистого полуфабриката с использованием лабораторной установки выполнен расчет и соотношение энергозатрат на размол в одну и две ступени в промышленных условиях.

На рисунке 10 представлена зависимость удельного расхода электроэнергии на размол в одну и две ступени от качественных показателей древесной массы в промышленных условиях,

0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 -А-давление пара, МПа; продолжительность размола, с; -♦-зазор между гранями крестовины ротора и ножами статора, мм

Рисунок 9 - Зависимость удельного расхода электроэнергии от технологических параметров процесса размола щепы на рафинере Ц-230

550 -г

530

510 {

490

470

450

430

410

390

370

350

дефибратору (1 ступень размола)

рафинатор 01 ступень размола)

0 3

9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42

I I I I I -I-1—I-I I I ДС

1012 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 -❖-Классический размол в две ступени ЧГРазмол в одну ступень

Рисунок 10 - Зависимость удельного расхода электроэнергии при получении древесноволокнистого полуфабриката в одну и две ступени размола от качественных показателей древесной массы в промышленных условиях

Как видно из рисунка 10, удельный расход электроэнергии при размоле в две ступени на двух дефибраторах и одном рафинаторе при оптимальных значениях режимных параметров, значительно больше, чем по предлагаемому способу и технологии с использованием одной размольной установки. Уменьшение удельного расхода электроэнергии на размол в одну ступень достигается за счет сокращения количества размольного оборудования и пропарочных камер.

Получение древесной массы в одну ступень размола в промышленных условия. На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснован способ получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола.

Разработана и представлена к внедрению технология получения древесной массы в производственных условиях предлагаемым способом на примере двухпоточной линии цеха ДВП на ОАО «Лесосибирский ЛДК №1» (рисунок 11). Получен акт внедрения результатов научной работы. Спроектирован промышленный размольный агрегат непрерывного действия, позволяющий получать древесноволокнистый полуфабрикат в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом. Размольная камера размалывающей установки имеет коническую форму, внутри которой установлено двадцать пять гребенчатых планок с шестью ножами на каждой. Роль статора в данном агрегате выполняет крестовина с четырьмя лопастями. Величину рабочего зазора в данном агрегате регулирует механизм присадки.

Традиционный способ получения древесноволокнистого полуфабриката В две ступени размола \ Технологическая щепа I

^^^ Вторая ступень размола /рафинаторы) первый поток

Технологическая щепа[

В одну ступень размола

—) ! ! 1 Размол щепы В одну ступень /рафинеры К-1150/7651

X

Второй поток

і ~~ \ЯщіЖ проклейки ]

Рисунок 11- Способы получения древесноволокнистого полуфабриката

Оптимизация процесса размола в одну ступень при производстве ДВП мокрым способом. С целью решения задачи оптимизации в промышленных условиях процесса размола в одну ступень при производстве ДВП мокрым способом, составлена математическая модель, в которой в качестве целевой функции ф выступает требование минимизации себестоимости готовой плиты. Главным показателем, влияющим на критерий оптимизации, в наших условиях является удельный расход электроэнергии на размол. Поэтому в модель оптимизации вводится система ограничений на режимные параметры, которые моїуг изменяться в уста-

новленных пределах, влиять на удельный расход электроэнергии при размоле в одну ступень, качественные и морфологические характеристики древесной массы и физико-механические показатели готовой продукции.

Все приведенные ограничения и целевая функция носят нелинейный характер. Данная оптимизационная задача относится к классу задач нелинейного программирования.

Математическая модель задачи оптимизации процесса размола в одну ступень на рафинере при производстве ДВП мокрым способом представлена ниже. /Cr (E(L/h; п; z; Р; Т; t))—> min Решение этой задачи позволило оп-

С 2min S z < zmax; ределить оптимальные значения режимных

Р < Р < Р • параметров размалывающей машины, ко-

(L/h)min < L/h< (L/h)max; т0Рь1е Д™ Данных условий производства

n <п<п • составят: z=0,2 мм; Р= 1,15 МПа; L/h= 1,51;

Tmm <т<т'аХ'- п=16 об/мин, Т=210 °С, t=7 мин. Физико-

* — Imax, ~

t < t < t • механические свойства плиты при этом будут

mm- - max, иметь следующие значения: Рг=41,7 МПа;

<

Е < 470 кВт-ч/т; nw^ , „„}.А

Р1—906,1 юг/м , S~22,5 %; 17,8 %. дь > 1 /,ö дс; „

5 г После решения задачи получения дре-

Рг > 35 МПа- весной массы в одну ступень размола с ис-

850<Р1 <1100 кг/м3- пользованием рафинера по результатам ис-

S <^7 %' ' следований разработана техническая доку-

1 R< 23 "/' ментация для использования в произвол ст-

v венных условиях, позволяющая прогнози-

ровать качественные показатели, морфологические характеристики древесной массы и физико-механические свойства готовой плиты.

Экономическая оценка процесса получения древесного волокна в одну ступень размола. Экономический эффект способа и технологии получения древесного полуфабриката в одну ступень размола представляется возможным за счет уменьшения энергетических, материальных, трудовых затрат на размол и сокращение производственных площадей. Расчетный экономический эффект в результате получения древесной массы в одну ступень размола с использованием рафинера на примере ОАО «Лесосибирский ДЦК №1» составит около 40 млн. 174,4 тыс. руб. в год.

Выводы по диссертации

1 Выполнен анализ механизма размола в существующих размольных агрегатах и дана оценка влиянию технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на качественные показатели древесноволокнистой массы и готовой плиты, которые показали неэффективность существующих способа и технологии получения древесноволокнистого полуфабриката в две ступени размола.

2 Научно обоснованы основные закономерности структурообразования плиты из древесноволокнистого полуфабриката, полученного в одну ступень размола, оценены морфологические характеристики составляющих его фракций и их положительное влияние на плитообразующие свойства готовой плиты.

3 На основании теоретических исследований выполнен сравнительный анализ процессов получения древесных полуфабрикатов, полученных в одну и две ступени размола. Анализ показал, что размол в одну ступень при производстве ДВП мокрым способом наиболее эффективен, а получаемая древесная масса имеет наилучшие значения фракционного показателя качества помола и морфологических характеристик волокна, что способствует изготовлению древесноволокнистых плит, физико-механические свойства которых соответствуют ГОСТ 4598-86.

4 Выполнено математическое описание процесса получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола, что позволило установить количественную взаимосвязь основных технологических, конструктивных и энергосиловых параметров размалывающей установки на процесс подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов и изготовление плиты.

5 Предложены способ и технология, позволяющие получать древесноволокнистый полуфабрикат в одну ступень размола, обеспечивающие уменьшение энергетических, трудовых и материальных затрат на изготовление древесной массы.

6 На основании теоретических исследований, подтвержденных экспериментально, разработан и предложен технический проект промышленной размалывающей машины для получения древесной массы в одну ступень размола при производстве ДВП мокрым способом.

7 Решена задача оптимизации процесса получения древесного волокна в одну ступень размола в промышленных условиях. Получены режимные параметры, позволяющие регулировать процесс размола и физико-механические свойства готовой плиты.

8 Оценка экономической эффективности способа и технологии получения древесного полуфабриката в одну ступень размола на примере ОАО «Лесосибирский ЛДК №1» показала, что внедрение результатов исследований в производство ДВП мокрым способом позволит увеличить годовую прибыль предприятия на 40 млн. 174,4 тыс. руб.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1 Зырянов, М. А. Переработка древесных отходов в производстве дре-весно-волокнистых плит / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, В. А. Швецов И Вестник КрасГАУ. - 2010. - Вып. 4. - С. 288-291, автора - 0,06 п.л.

2 Зырянов, М. А. Совершенствование работы размольного участка производства древесноволокнистых плит мокрым способом / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, Л. И, Лазарева // Химия растительного сырья. 2011. - №3. - С. 193-196, автора - 0,08 п.л.

3 Зырянов, М. А. Влияние конструктивных параметров процесса размола щепы на качественные характеристики древесноволокнистого полуфабриката и готовой плиты / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, А. А. Дирацуян // Химия растительного сырья. 2011. - №4. - С. 305-309, автора - 0,11 п.л.

4 Зырянов, М. А. Влияние технологических и конструктивных параметров конической мельницы на свойства вторичной древесной массы и готовой плиты / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова // Химия растительного сырья. 2011. -№4. - С. 304-309, автора - 0,13 п.л.

Депонированные труды:

5 Зырянов, М. А. Отдельные теоретические представления о процессе получения древесноволокнистых материалов в размалывающих машинах / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, Н. А. Петрушева; Лесосибирский филиал СибГТУ. - Лесосибирск, 2011. - 14 е.- Деп в ВИНИТИ ЗОЛ 1.10, № 674-В2010, автора- 0,29 п.л.

6 Зырянов, М. А. Влияние отдельных технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на основные плитообразующие свойства древесноволокнистых полуфабрикатов и готовой плиты / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова; Лесосибирский филиал СибГТУ. - Лесосибирск, 2011. - 8 е.- Деп в ВИНИТИ 14.02.11, № 67-В2011, автора - 0,25 п.л.

7 Зырянов, М. А. Основные тенденции развития производства древесноволокнистой массы / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, Ю. Д. Алашкевич; Лесосибирский филиал СибГТУ. - Лесосибирск, 2011. - 9 е.- Деп в ВИНИТИ 14.02.11,№ 68-В2011, автора-0,19 п.л.

8 Зырянов, М. А. Получение древесноволокнистых полуфабрикатов на современном этапе производства ДВП / М. А. Зырянов; Лесосибирский филиал СибГТУ. - Лесосибирск, 2011. - 15 е.- Деп в ВИНИТИ 14.02.11, № 69-В2011, автора - 0,94 п.л.

Материалы конференций:

9 Зырянов, М. А. Исследование переработки древесных отходов в производстве древесноволокнистых плит / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, 3.3. Зарипов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: всерос. науч.-практ. конф.: сб. ст. студентов и молодых ученых. - Т. 1. - Красноярск: СибГТУ, 2009. - С. 220-225, автора - 0,125 п.л.

10 Зырянов, М. А. Возможность использования различных рисунков гарнитуры на размольных установках в производстве ДВП / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, И. Н. Покатило // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. по материалам всеросс. науч-пракгич. конф. - Т. 3. - Красноярск: СибГТУ, 2009. - С. 185-190, автора-0,125 п.л.

11 Зырянов, М. А. К вопросу о подготовке древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. по материалам всеросс. науч.-практ. конф., посвященной 80-летию ун-та. - Т. 2. - Красноярск: СибГТУ, 2010.-С. 151-152, автора — 0,06 п.л.

12 Зырянов, М. А. Исследование возможности использования различных рисунков ножевой гарнитуры на размольных установках в производстве ДВП / М. А. Зырянов, А. С. Калянов, И. М. Морозов // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: сб. ст. по материалам всеросс. науч.-практ.

конф., посвященной 80-летию ун-та. - Т. 1. - Красноярск: СибГТУ, 2010. - С. 231-233, автора - 0,06 п.л.

13 Зырянов, М. А. Решение задачи одноступенчатого размола при изготовлении древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова // Студент и научно-технический прогресс: Глобальные проблемы и принципы устойчивого развития: XLVIII МНСК. -Новосибирск, 2010. - С. 78-79., автора - 0,06 пл.

14 Зырянов М. А. Исследование влияния способа размола щепы на морфологические характеристики древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП / М. А. Зырянов, Л. И. Лазарева // Наука и современность: сб. ст. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2010. - С. 26-29, автора - 0,125 п.л.

15 Лазарева, Л. И. Упрочняющие добавки в производстве древесноволокнистых плит / Л. И. Лазарева, М. А. Зырянов // Наука и современность: сб. ст. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2010. - С. 40-42, автора - 0,09 п.л.

16 Зырянов, М. А. Получение древесноволокнистых полуфабрикатов при производстве ДВП мокрым способом / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова, Л. И. Лазарева // Древесные плиты: теория и практика: сб. ст. по материалам XIV междунар. науч.-практ. конф. - СПб., 2011. - С. 57-61, автора - 0,09 п.л.

17 Зырянов, М. А. Совершенствование размалывающего оборудования в производстве древесноволокнистых плит / М. А. Зырянов, Л. И. Лазарева, С. О. Медведев / Naukowa przestrzen europy - 2011: сб. ст. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. - Т. 24-Przemysl, 2011 - С. 18-21, автора - 0,08 п.л.

18 Лазарева, Л. И. Снижение себестоимости и токсичности древесноволокнистых плит / Л. И. Лазарева, М. А. Зырянов. С. О. Медведев // Ключови въпроси в съвременната наука: сб. ст. по материалам VII междунар. науч.-практ. конф. - Т. 34: Экология. - Praha, 2011 - С. 37-38, автора - 0,04 п.л.

19 Совершенствование процесса получения термомеханической массы в производстве ДВП / М. А. Зырянов, Н. Г.Чистова, А. В. Грушев, В. Л. Дрягин // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: всерос. науч.-практ. конф.: сб. ст. студентов и молодых ученых. - Т. 2. - Красноярск: СибГТУ, 2011. — С. 73-76, автора - 0,06 п.л.

20 Зырянов, М. А. Исследование зависимости морфологических характеристик древесноволокнистой массы от параметров процесса размола / М. А. Зырянов, Н. Г. Чистова // Лесной и химический комплексы-проблемы и решения: сб. ст. по материалам всеросс. науч.-практ. конф. - Т. 1. - Красноярск: СибГТУ, 2011.-С. 226-230, автора-0,16 п.л.

Сдано в производство 18.04.2012. Формат 60*84 1/16. Усл. печ. л.1. Изд. № 10/4. Заказ № 1454. Тираж 100 экз. Редакционно-издате.чьский центр СибГТУ 660049, г. Красноярск пр. Мира, 82

61 12-5/3649

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ЗЫРЯНОВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛУФАБРИКАТОВ В ОДНУ СТУПЕНЬ РАЗМОЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ МОКРЫМ

СПОСОБОМ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы

дерева; химия древесины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., доцент Н.Г. Чистова

Красноярск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................................................4

Глава 1 Анализ исследований в области процессов размола

древесноволокнистых материалов..................................................................................................6

1.1 Основные тенденции развития производства древесной массы... 6

1.2 Получение древесноволокнистых полуфабрикатов на современном этапе производства плитной продукции..............................................13

1.3 Отдельные теоретические представления о процессе размола древесноволокнистых материалов..........................................................................23

1.4 Влияние отдельных технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на основные плитообразующие свойства древесноволокнистых полуфабрикатов............................................................31

1.5 Цели и задачи исследований........................................................................................36

Глава 2 Теоретическая часть..................................................................................................................38

2.1 Особенности получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола..................................................................................39

2.1.1 Оценка эффективности процесса размола..........................................39

2.1.2 Оценка качественных и морфологических характеристик древесного полуфабриката..................................................................................................................57

2.1.3 Характеристика структурообразования плиты................................59

2.2 Оптимизация процесса размола в производстве ДВП..........................62

2.3 Общая схема исследования процесса получения древесного волокна при производстве ДВП........................................................................................................68

2.3.1 Выбор направлений и методов исследования........................................68

2.3.2 Выбор основных характеристик моделей..............................................74

2.3.3 Получение древесноволокнистых полуфабрикатов и

готовой плиты в производстве ДВП мокрым способом..........................................79

Глава 3 Экспериментальная часть................................................................................................82

3.1 Методика проведения эксперимента....................................................................83

3.1.1 Применяемое сырье и материалы............................................................83

3.1.2 Промышленные и лабораторные установки для проведения исследований....................................................................................................................84

3.1.3 Последовательность проведения экспериментов......................85

3.1.4 Определение качественных показателей древесного волокна, физико-механических характеристик плит и удельного расхода электроэнергии............................................................

3.2 Результаты исследований получения древесноволокнистого полуфабриката в одну и две ступени размола древесного сырья.......... 93

3.3 Влияние факторов процесса размола в одну ступень на качественные показатели древесноволокнистых полуфабрикатов и готовых изделий в производстве ДВП.......................................... 102

3.3.1 Зависимость качественных показателей и морфологических характеристик древесноволокнистой массы от технологических параметров размалывающей машины..................... 103

3.3.2 Зависимости физико-механических свойств древесноволокнистых плит от технологических параметров

размалывающей машины...................................................... ц^

Глава 4 Практическая реализация результатов работы...................... 125

4.1 Оценка энергозатрат на получение древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве древесноволокнистых плит................ 125

4.2 Получение древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола в производственных условиях............................... 131

4.3 Оптимизация процесса получения древесноволокнистого полуфабриката в одну ступень размола при производстве ДВП

мокрым способом......................................................................................................134

4.4 Оценка экономической эффективности способа и технологии получения древесного полуфабриката в одну ступень

размола....................................................................................................................................140

Выводы по работе..............................................................................................................147

Библиографический список........................................... 149

Приложение А......................................................

Приложение Б......................................................

Введение

Одним из приоритетных направлений улучшения комплексного использования древесины является развитие производства плитных материалов, эффективно заменяющих на современном рынке пиломатериалы и фанеру. Древесноволокнистые плиты (ДВП) имеют ряд преимуществ по сравнению с пиломатериалами, столярными плитами, фанерой и другими листовыми материалами. Одинаковые физико-механические свойства в различных направлениях, сравнительно небольшие изменения в условиях переменной влажности, возможность получения плит со специальными свойствами, высокая степень механизации и автоматизации при их производстве и др. делают их незаменимым материалом в производстве мебели, тары, строительстве, домостроении.

На сегодняшний день наибольшее распространение получило производство ДВП по сухому и мокрому способу. Недостатком в технологии производства ДВП сухим способом является применение в качестве связующего высокотоксичной фенолоформальдегидной и карбамидоформальдегидной смол. В мокром способе производства плит при использовании сырья хвойных пород связующее, как правило, не используется.

Производство ДВП способствует использованию отходов лесопиления (вершинки и обломки стволов, отходы раскряжевки, опилки, станочная стружка, горбыль, щепа, стульчики, отторцовка, шпон, карандаши и т.д.) и низкокачественной древесины, не имеющей товарной ценности в качестве дополнительного сырья.

В Ангаро-Енисейском регионе заготавливается около 80 % древесины от общего объема заготовок в Красноярском крае. Развитие этого региона тесно связано с решением проблемы комплексного использования древесины и отходов лесопиления на деревообрабатывающих предприятиях края. В городе Лесо-сибирске основным направлением по переработке низкокачественной древесины и древесных отходов является производство древесноволокнистых плит. Так, на ведущих лесоперерабатывающих предприятиях отрасли - ОАО «Лесосибирский ЛДК №1», ЗАО «Новоенисейский лесохимический комплекс» - для решения во-

просов по комплексной переработке древесины функционируют четыре линии по производству древесноволокнистых плит мокрым способом.

На сегодняшний день происходит значительный спад развития плитного производства, в частности, производства древесноволокнистых плит мокрым способом. Возможной причиной является высокая себестоимость ДВП по сравнению с аналоговыми материалами.

В данном производстве, как и в производстве картона и бумаги, определяющим является предварительная подготовка исходного полуфабриката, иначе говоря, процесс размола полуфабриката. Главная цель размола заключается в подготовке поверхности древесных волокон к образованию межволоконных сил связей, приданию волокнам способности связываться между собой в прочную плиту.

Высокая себестоимость готовой плиты при мокром способе обуславливается тем, что размол осуществляется в две ступени. На первой ступени размола осуществляется термогидролитическая обработка щепы, происходит ослабление связей между волокнами в результате пластификации срединной пластинки и в дальнейшем под действием ножей размалывающей гарнитуры разделение щепы на волокна. На второй ступени происходит выравнивание фракционного состава и разделение не размолотых пучков при атмосферном давлении. Получение древесного полуфабриката на современном этапе производстве ДВП мокрым способом является достаточно энергоемкой операцией и составляет в общей себестоимости готовой продукции порядка 65 %. В настоящее время на предприятиях по производству древесноволокнистых плит, в основном, используется морально и физически устаревшее оборудование, амортизация которого достигает 100 %, в связи с чем оптимизацией процесса размола в две ступени достигается лишь незначительное снижение себестоимости готовой плиты.

Вышеизложенное определяет актуальность исследований в области создания нового вида размольного оборудования, позволяющего получать древесноволокнистый полуфабрикат в одну ступень размола, что, несомненно, позволит снизить себестоимость готовой продукции за счет уменьшения энергетических, материальных и трудовых затрат на получение древесноволокнистого полуфабриката.

Глава 1 Анализ исследований в области процессов размола древесноволокнистых материалов

1.1 Основные тенденции развития производства древесной массы

Древесной массой называются волокнистые полуфабрикаты, вырабатываемые путем механического разделения древесины на волокна. В зависимости от используемой технологии процесса выработки древесной массы различают [1]:

- древесную массу, вырабатываемую из балансов (дефибрерная древесная масса);

- древесную массу, вырабатываемую из щепы (механическая древесная масса).

Древесная масса из щепы может быть легко подвергнута предварительной тепловой и химической обработке перед размолом. Принято выделять три основные группы древесной массы [2]:

- рафинерная механическая масса (РММ);

- термомеханическая масса (ТММ);

- химико-механическая масса (ХММ).

Рафинерная механическая масса вырабатывается из древесной щепы, не подвергавшейся предварительной тепловой и химической обработке.

Термомеханическая древесная масса вырабатывается из щепы, пропаренной перед размолом при температуре 100-140 °С и давлении 0,1-0,3 МПа в течение 0,5-3 мин. Плитообразующие свойства ТММ значительно лучше, а удельный расход энергии ниже, чем при производстве РММ.

Химико-механическая древесная масса вырабатывается из пропаренной щепы, обработанной раствором химикатов до пропарки или во время пропарки. Химическая обработка облегчает последующий размол и улучшает

качество полуфабриката. Размол осуществляется под давлением в одну или две ступени.

Принцип действия дефибрера заключается в расщеплении древесной ткани зернистой поверхностью вращающегося камня в волокнистую массу в присутствии воды [3, 4]. При размоле в ножевых размалывающих агрегатах разделение щепы на волокно осуществляется в зазоре между дисками, на которых размещена размольная гарнитура.

В настоящее время существуют следующие разновидности древесной массы [1,2]:

- белая древесная масса, получаемая путем истирания древесины в виде баланса на дефибрерах;

- бурая древесная масса, получаемая путем дефибрирования предварительно пропаренной древесины в виде баланса;

- химическая древесная масса, получаемая путем дефибрирования древесины в виде баланса после его термомеханической обработки;

- химическая древесная масса, получаемая из древесной щепы путем ее предварительной химической обработки в аппаратах периодического или непрерывного действия с последующим размолом на рафинерах;

- бурая древесная масса, получаемая из древесной щепы методом «взрывов» с дополнительным размолом на рафинерах;

- белая древесная масса, получаемая из древесной щепы путем ее размола на рафинерах;

- бурая древесная масса, получаемая из древесной щепы на дефибраторах;

- бурая древесная масса, получаемая из древесной щепы путем ее предварительной тепловой обработки паром в аппаратах непрерывного действия с последующим размолом на дисковых рафинерах.

В настоящее время для производства древесноволокнистых плит преимущественно применяются три последних вида древесной массы.

Основные тенденции развития и совершенствования производства древесной механической массы заключаются в следующем [1,2]:

- дефибрирование балансов под давлением при повышенной температуре, превышающей 140 °С;

- совершенствование конструкций дисковых мельниц с повышением их мощности до 18-24 МВт и производительности до 150-250 т/с;

- разработка технологии механической массы с применением экструзи-онных аппаратов типа ВьУю;

- двухступенчатая обработка древесины химическими реагентами, применение метода декомпрессии;

- разработка технологии одноступенчатого размола.

Основными достоинствами дефибрерной древесной массы являются: низкая себестоимость и минимальное загрязнение воздушного и водного бассейнов. К недостаткам можно отнести: высокие требования к качеству древесного сырья и связанная с этим ограниченность сырьевой базы, сравнительно низкий уровень механизации и автоматизации производства, сравнительно низкие прочностные свойства полуфабриката.

Анализ производства современных видов механической массы из щепы позволяет отметить ряд достоинств технологии и свойств данных полуфабрикатов: высокий выход из древесины; получение высококачественной массы однородного фракционного состава из древесины различных пород; возможность использования в качестве древесного сырья технологической щепы и отходов лесопиления; гибкость технологического процесса, позволяющего получать полуфабрикаты с различными свойствами на одном и том же оборудовании из различных древесных пород; полное отсутствие газовых выбросов в атмосферу; создание замкнутых циклов водопользования с нулевым сбросом сточных вод; применение систем рекуперации пара, позволяющих снизить расход энергии на производство данных полуфабрикатов; полная автоматизация технологического процесса. Главным недостатком производства древесной массы из щепы остается высокий удельный расход электроэнергии и значительным загрязнением стоков мелкими древесными волокнами, а так же продуктами гидролиза древесины [4, 5].

Несмотря на указанные недостатки, технология получения механической массы из щепы является достаточно экологичной за счет применения замкнутых циклов водопользования и отсутствия газовых выбросов.

Широкое использование в плитном производстве древесной массы, полученной в дисковых размалывающих машинах, объясняется тем, что в отличие от процесса дефибрирования, где происходит быстрая смена циклов «сжатие-царапание», направленных поперек волокон древесины, при размоле в дисковых машинах под действием напряжений «сжатия-скалывания» происходит расщепление преимущественно вдоль волокон, без их существенного укорачивания [1, 3, 5]. В результате, в дисковых размалывающих машинах можно получить волокна с более высокими морфологическими свойствами, чем в дефибрерах.

Основными показателями, характеризующими качество древесной массы, являются [1, 6-8]: степень помола массы, фракционный показатель качества степени помола массы, объемный вес массы, механическая прочность массы, отношение длинны волокна к диаметру, объем волокна, размерная и структурная неоднородность массы.

Степень помола массы. Оценку степени помола древесноволокнистой массы производят визуально, а также с использованием прибора "Дефибра-тор-Секунда". Принцип действия прибора основан на определении скорости фильтрации воды через слой исследуемой массы [7, 9].

Фракционный показатель качества степени помола массы показывает, сколько будет весить исходная древесноволокнистая масса, если будет состоять при том же числе волокон, только из самой мелкой фракции [1, 7, 9]:

(1.1)

где ш, - масса каждой фракции, г.; £ - фракционный коэффициент.

Массовая доля фракции волокна в процентах определяется из соотношения

т

Х = (1.2)

т

где т - общая масса навески, г.

Объемный вес древесной массы в зависимости от степени помола меняется в широких пределах. Для определения объемного веса изготавливают отливки весом 100 г/м2 при удельном давлении прессования 0,5 кгс/см2. Численное значение искомой величины определяют исходя из соотношения

где q - вес квадратного метра отливки, г; к - толщина отливки, мм.

Механическая прочность массы. Для определения механической прочности древесной массы изготавливают отливки, которые, в свою очередь, испытывают на следующие показатели качества:

- сопротивление разрыву;

- сопротивление продавливанию;

- сопротивление раздиранию.

По данным П.Х. Ласкеева [1] величину гибкости волокон можно получить из следующего математического выражения:

Л = (1.4)

где к- коэффициент, зависящий от строения волокна, его специфических свойств; / - длина волокна, мм;

/ - радиус инерции поперечного сечения волокна относительно нейтральной оси.

Радиус инерции поперечного сечения волокна в ви