автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Способ изготовления специальных картонов методом напыления

О 91

ленинградский ордена трудового красною знамени

ТШОЛОГИЧЕСЮЙ институт цшшозно-бумажной дгашшшшости

На правах рукописи

добрынин андреи александрович

удк 676.27.026.2

способ изготовления специальных картонов методом напыления

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; хишя древесины

автореферат, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности.

Научный руководитель . - ' засл.деятель науки и техники"

РСФСР, доктор технических наук, .профессор Кугушев И.Д.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Новиков ]!.К

Часов на заседании специализированного Совета Д 063.24.01 при Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности по адресу: 198092, Ленинград, ул.Ивана Черных, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности.

кандидат технических наук, доцент Голубев Л.1.1.

Ведущее предприятие - Ленинградская картонная

фабрика Госснаба СССР

Защита состоится " 1990г. в

Защита состоится

Автореферат разослан

/»-¿^¿г^-У1. 1990Г.

Ученый секретарь / /

специализированного Совета Швецов Ю.Н.

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года, принятых ХХУ11 съездом КПСС, предусмотрено; увеличить производство картона примерно в 1,3 раза, значительно расширить вшуск картона для упаковки и расфасовки товаров, картона для бытовых нудц, обеспечить рост производства картонной тары примерно в 1,7 раза. При этом необходимо полнее использовать вторичные ресурсы, и в первую очередь, макулатуру. Достижение этих показателей должно осуществляться за счет ускорения научно-технического прогресса, создания и внедрения новейших достижений техники и технологии производства.

Проблемы качества выпускаемой продукции, экономии и рационального использования сырьевых, энергетических, материальных ресурсов являются определяющими в целлюлозно-бумажном производстве.

В настоящее время одной из наиболее важных проблем, стоящих перед картонным производством, является формование многослойного картона пониженной массоемкости без снижения его прочностных свойств. Решение этой проблемы возможно за счет получения более пухлого внутреннего слоя листа с уплотненными, прочными наружными слоями. Такой картон приобретает повышенную прочность на изгиб, причем жесткость его не уступает жесткости однослойного картона о более высокой массой 1м2.

Снижение массоемкости позволяет добиться значительной экономии волокна. Таким образом, разработка принципиально нового способа получения картона с повышенной пухлостью (низкой объемной массой) является целесообразной.

Настоящая работа проводилась в соответствии с региональной программой Межведомственного Координационного Совета АН СССР в Ленинграде в области фундаментальных, и прикладных научных исследований по проблеме комплексного использования и воспроизводства лесных ресурсов на 1986-1990

ми.»

.С {¿А Л .э ;ши ертаций

г.г., задание 2.6.3.2 - Исследование и разработка новых видов оборудования для производства бумаги, картона и технологии его изготовления и носила поисковый характер.

Цель работы.

1. Разработать модель процесса формования полотна Методом напыления на установке "Кивач".

2. Разработать способ получения внутреннего слоя-картона, имеющего повышенную пухлость.

3. Разработать способ получения полотна, имеющего повышенную шероховатость поверхности.

4. Установить влияние технологических и конструктивных параметров установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности формуемого полотна.

5. Определить рабочие параметры и выбрать наилучший режим работы установки "Кивач" для формования пухлого внутреннего слоя картона' - режим наибольшей пухлости и наименьшей шероховатости поверхности полотна.

Основные положения Методики исследований.

Значительная часть исследований выполнялась на экспериментальной установке "Кивач" (рис.1), установленной в лаборатории кафедры "Машины автоматизированных систем" Ленинградс-. кого ордена Трудового Красного Знамени технологического института целлюложно-бумажной промышленности. Исследовалось влияние технологических и конструктивных параметров установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности формуемого полотна. Был найден наилучший режим формования, после чего в лабораторных условиях осуществлялось получение картона.

В данной работе получали многослойный коробочный картон марки А ГОСТ 7933-75, массой 350 г/м2 с внутренним слоем изготовленным на установке "Кивач", а также для сравнения, на сеточном столе лабораторной Щ1 "Л1И-01" и листоотливном аппарате "ЛОА-1". Покровные слои картона и подслой отливались на листоотливном аппарате.

Для формования внутреннего слоя картона использовались следующие композиции:

- 60% белая древмасоа и Л0% сульфатная небелёная хвойная целлюлоза;

Схема установки "Кивач" 2.

сл I

I - .напускное устройство; 2 - отжитой вал; 3 - сбраскващдй вал; 4 - сеткоправаль-ный вал; 5 - сеткодатяаной вал; 6 — лоток оборотной воды; 7 - приводной вал; 8 - факел распиленной волокнистой массы; 9 - тин дзианешя наклона сетчатого экрана; 10 - от-.саснвашие ящики; II - съемный валик; 12 - водяной сщшск; 13 - сетка; 14 - шабер; 15 - "отсекатель - ловушка" фдокул.

-Еис.1

-6- 100$ макулатура марки МС-2.

После прессования, сушки и каландрирования картона проводились его физико-механические испытания. Испытания полученного картона выполнялись в лаборатории картона Центрального научно-исследовательского института бумаги.

Научная новизна.

1. Разработана модель процесса формования полотна методом напыления на установке "Кивач". .

2. Разработан способ получения внутреннего слоя картона, имеющего повышенную пухлость.

3. Разработан способ получения полотна, имеющего повышенную шероховатость поверхности.

4. Установлено влияние технологических и конструктивных параметров установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности формуемого полотна.

5. Определены рабочие параметры и выбран наилучший режим работы установки "Кивач" для формования пухлого внутреннего слоя картона - режим наибольшей пухлости и наименьшей шероховатости поверхности полотна.

Практическая ценность. Проведенные исследования показали пригодность установки "Кивач" для выработки картона с повышенной пухлостью внутреннего слоя.

НаИденные зависимости могут быть использованы при проектировании ВДМ для выработки картона пониженной массоемкости.

. Полотно с повышенной шероховатостью поверхности может Найти широкое применение в народном хозяйстве.

Реализация работа в промышленности.

Результаты работы использованы в проблемной научно-исследовательской лаборатории технологии целлюлозно-бумажного производства ЛИ ЦЕП при разработке формующего устройства.

Апробация га боты. Результаты работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников ЛТй ЦШ а 1988 году й получили положительную оценку.

Публикация таботы. По материалам диссертационной работы опубликовано две статьи и получено авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертационная работа представлена на 182 страницах машинописного текста» содержит 12 таблиц, 50 хйсунков.

Структура работ». Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии, содержащей 78 наименований.

Автор защищает;

1. Модель процесса формования полотна методом напыления на установке "Кивач".

2. Способ получения внутреннего слоя картона, имеющего повышенную пухлость.

3.-Способ получения полотна, имеющего повышенную шероховатость поверхности.

4. Установленное влияние технологических и конструктивных параметров- установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности формуемого полотна.

5. Найденные рабочие параметры и наилучший режим работы установки "Кивач" -дня формования пухлого внутреннего слоя картона - режим наибольшей пухлости и наименьшей шероховатости по-# верхности полотна.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАЫШ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, .сформулированы основные положения, выносимые да защиту.

В первой главе рассмотрены проблемы производства коробочного картона, его основные качественные показатели и факторы влияющие на них. Проведен анализ литературы по вопросам обезвоживания и формования полотка методом напыления на установке "Кивач".

Одной из наиболее важных проблем при производстве коробочного картона является снижение его массоемкости и увеличение доли низкосортных полуфабрикатов в композиции при сохранении качественных показателей в пределах ГОСТа. Решение этой задачи возможно за счет получения пухлого внутреннего слоя листа, изготовленного из низкосортных полуфабрикатов, с уплотненными, прочными наружными слоями, изготовленными из высокосортных полуфабрикатов. Снижение массы м2 позволяет добиться значительной экономии волокна, а увеличение доли низкосортных цолуфабрикатов в композиции картона позволяет экономить дорогостоящее сырье.

Определяющим показателем качества для всех марок коробочного картона является жесткость при статическом изгибе.

Величина жесткости определяет каркасность и жесткость коробки - ее способность сохранять прочность и конструкционную устойчивость. С ростом толщины полотна картона возрастает его жесткость. При одной и той же массе м2, у более пухлого полотна, толщина, а следовательно и жесткость, вышеПухлость коробочного картона сформованного традиционным способом колеблется в пределах (1,29+1,57)'Ю-3 м3/кг. Поэтому разработка способа формования полотна, имеющего более высокую пухлость является актуальной задачей.

Предвдущие исследователи основное внимание уделяли вопросам обезвоживания волокнистой суспензии на центробежно-отжимной части машины, сепарации и фракционирования ее в факеле распыления. Процесс формования полотна на движущемся сетчатом экране формующей части машины остался не исследованным.

В связи с вышеизложенным сформулированы задачи исследований:

1. Разработать модель процесса формования полотна методом напыления на установке "Кивач".

2. Разработать способ получения внутреннего слоя карто-ва, имеющего повышенную пухлость.

3. Разработать способ получения полотна, имеющего повышенную шероховатость поверхности.

4. Установить влияние технологических и конструктивных параметров установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности формуемого полотна.

5. Определить рабочие параметры и выбрать наилучпий режим работы установки "Кивач" д^я формования пухлого внутреннего слоя картона - режим наибольшей пухлости и наименьшей шероховатости Поверхности полотна.

Вторая глава посвящена теории формования полотна методом напыления на установке "Кивач".

В первом разделе дано краткое описание процессов, протекающих на установке "Кивач": в клиновом зазоре, на участке огибания сеткой отжимного вала, в факеле {аопыленной волокнистой шссы. Приводится доказательство образования турбулентных вихрей в факеле и резкого усиления вихревого процесса при ударе факела о формующую сетку.

Во втором разделе, предлагается модель процесса формования полотна методом напыления на установке "Кивач". Данная модель объясняет образование повышенной шероховатости поверхности и пухлой структуры полотна.

При движении факела распыленной массы параллельно формующей сетке, когда угол «6 равен 5Г/2 (рис.2),, нормальная составляющая средней скорости факела 1/л =0. При этом, интенсивность турбулентности в факеле невелика, суспензия "плавно" ложится на сетку и шероховатость поверхности формуемого полотна определяется,в основном, продольными волнами от пульсаций расхода (вследствие акустических колебаний вызываемых массным насосом) и продольными волнами, образующимися в результате движения волокон по формующей сетке (из литературы известно, что массовое движение твердых частиц по дну потока происходит в виде волн). При меньше 5Т/2 происходит соударение фа-

кела распиленной массы с формующей сеткой. С одной стороны, имеет место торможение факела, что приводит к сближению . гребней волн. С другой стороны, увеличивается интенсивность турбулентности вблизи осевшего слоя волокон (то есть происходит резкое усиление вихревого процесса), что способствует интенсивному дроблению гребней воли. Процесс размыва осевшего слоя турбулентными вихрями представляется следующим образом.

Под действием осредненной скорости фильтрации ( 1Гф ), определяющейся по формуле: ^

у+^ъ'Ч' е~ * (1)

где ^о/и- £ - коэффициенты, характеризующие вид во-'¿о локнистой массы;

2ГЛ - нормальная составляющая средней скорости

факела; £ - сила тяжести; волокна осаждаются на сетку и уплотняются там под действием напора Н — 1Гп"/Я , образуя слой осадка с концентрацией „„ „

лс. С л О Я ' V 0с» СЛ.

С ' , характеризующегося предельным напряжением С .

В это время в него внедряются турбулентные вихри, вызываемые наличием составляющей скорости 1Гп • Условие, при котором вихрь того или иного масштаба (размера) сможет захватить

- 10 - ■

Часть осевшего слоя, то естй размыть его, запишется в следующем виде. При энергонесущих вихрях размера L :

PL= » Г'"6"- (2)

При наиболее мелких вихрях размера £ :

где Р(, и. P<i - напряжения, вносимые вихрями размера L и размера £ в сло^ осевших волокон; f - плотность среды (плотность осевшего слоя); £(Aj ~ энергия турбулентности; Ц - волновое число;

Предельиое напряжение•сдвига в осевшем слое. Если энергия какого либо вихря достаточно высока, чтобы выполнялось соотношение (2) или (3), то эти вихри при сдвиге вырывают часть образовавшегося слоя и уносят его,' образуя ямку.'Образованная ямка'заполняется суспензией с концентрацией поступаю-

ÇifCIJ. "

щей суспензии С меньшей, чем концентрация осевшего слоя

Если энергия вихря недостаточно высока, чтобы выполнялось соотношение (2) или (3), то его составляющие скорости в направлении оси х (вдоль сетки) или у (поперек сетки) в плоскости параллельной сетке гасятся вязкостью осевшего слоя и его импульс вызывает только пульсацию скорости ^Зильтрации согласно соотношению: . .,- <Г Îjl

где - составляющая путаьсационной скорости турбулент-

ного вихря в направлении перпендикулярном плоскости сетки;

Силы при ударе факела массы'о формующую сетку •

Рис.2.

Из литературы известно, что количество больших энерго-

- п -

содержащих вихрей составляет 20*30% от. общего числа пульсаций, что обуславливает не более 20+30$ наиболее больших "ямок" по площади отлива. Образованные большие ямки могут заполняться поступающей суспензией, а также вырванными большими и малыш частичками осевшего слоя. Однако, поскольку количество больших шок составляет всего'20+30$ по площади отлива,, то вероятность попадания крупных частиц осевшего слоя в соседнюю большую ямку не велика и они в большей степени опускаются мимо ямок, образуя бугорки. Схема образования неровностей поверхности полотна изо- « бражена на рис.3.

Пухлая структура полотна, формуемого методом напыления на установке "Кивач", определяется во-первых: интенсивностью процесса, обезвоживания при ударе факела распыленной массы о формующую сетку, что способствует ориентации волокон в направлении скорости фильтрации (перпендикулярно плоскости листа); во-вторых: интенсивностью турбулентности. Если турбулентные вихри, имеющие наибольший масштаб и энергию (энергосодержащие или низкочастотные вихри) участвуют в формировании шероховатой поверхности полотна, то вихри с малым масштабом и энергией, которые не в состоянии вырвать частицы осеЕиего слоя (диссипатив-ные или высокочастотные вихри) дассанируют в осевшем слое, отдавая свою энергию на его разрыхление и способствуют развороту волокон под углом и вертикально к сетке. Разрыхление улучшает фильтрационные свойства массы, что приводит к более интенсивной фильтрации. С уменьшением угла <£> (увеличением угла наклона формующей сетки jl ) (pic.2) растет нормальная составляющая скорости факела, в результате чего возрастают интенсивность турбулентности и интенсивность обезвоживания. Таким образом, с увеличением наклона формующей сетки шероховатость поверхности полотна уменьшается, а пухлость полотна - растет.

В третьей главе обосновывается выбор типа суспензий для отлива слоев многослойного коробочного картона, приводятся их характеристики. Дается описание экспериментальной установки "Кивач", методики проведения экспериментов и измерений, выбираются режимы формования и последовательность проведения экспериментов. Приводятся методики оценки пухлости и шероховатости полотна. Все экспериментальные данные, полученные с помощью прямых измерений статистически обработаны с целью выявления систематических ошибок и оценки относительной погоешности.

Схема образования неровностей, поверхности полотна

I - факел распыленной массы; 2 - слой осевших волокон; 3 - часть осевшего слоя, вырванная турбулентным вихрем; 4 - формулцая сетка; 5 - отсаснвапшй ящик; 6 - валы регулировки угла наклона форыушей сетки.

I

»-1 м

Рис.3

- 13 -

Четвертая глава посвящена анализу полученных результатов.

Определена производительность формующего устройства "Кивач" (экспериментальным путем найдена зависимость массы м2 формуемого полотна от скорости формующей части установки). Исследовано влияние угла наклона сетки формующей дасти установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности полотна. Исследовано влияние количества древесной массы в композиции а степени помола целлюлозы на показатель пухлости полотна. Исследовано влияние скорости сетки формующей части установки "Кивач" на пухлость полотна. Определен рабочий диапазон установки "Кивач" для формования качественного полотна. Найден наилучший режим работы установки "Кивач" - режим наибольшей пухлости и наименьшей шероховатости поверхности полотна (для формования внутреннего слоя коробочного картона). Исследовано изменение показателя пухлости в процессе прессования, сушки и Каландрирования получаемого коробочного картона.

Установлено, что наибольшее влйяние на пухлость полотна, формуемого на установке "Кивач"- оказывает угол наклона сетки формующей части установки. Пухлость полотна растет с увеличениеМ угла наклона сетки. Так, при изменении утла наклона сетки от 30° до 60°, пухлость полотна меняется: от 6,9Ч0"^ М3/кг до 12,5'Ю-3 м3/кг - для композиция, состоящей из 100$ макулатуры марки МС-2, со степенью помола 42° ШР; от 5,4'10 м3/кг до 9,2'Ю-3 м3/кг - для композиции, состоящей из 60$ белой древмассы и 40$ небеленой сульфатной хвойной целлюлозы по степенью помола 50°ШР; от 4'10~^ м3/кг до 7,1'Ю-3 м3/ ter - для композиции, состоящей из 20$ белой древмассы и 80%. сульфатной небелёной хвойной целлюлозы, со степенью помола 50° ШР; от 3,2'Ю""3 м3/кг до б'Ю-3 м3/кг -для композиции, состоящей из 100$ сульфатной небелёной хвойной целлюлозы.

Обнаружено, что полотно сформованное на установке "Кивач" имеет пухлость гораздо большую, чем полотно, сформованное традиционным способом.

Существенное влияние на пухлость полотна оказывают . количество древмассы й композиции и степень помола целлшо-

— ЛА-

ЗЫ. Установлено, что пухлость полотна пропорциональна количеству древмассы в композиции. При увеличении степени помола целлюлозы пухлость полотна снижается, причем заметное падение пухлости полотш наблюдается при увеличении степени помола целлюлозы свыше 27-28° ШР.

Заметного влияния скорости сетки формующей части установки "Кивач" на пухлость полотна не обнаружено.

Установлено, что шероховатость поверхности полотна, формуемого на установке "Кивач" убывает с увеличением угла наклона сетки формующей части установки. Предложены объяснения данному и вышеизложенным явлениям.

В таблице приведены основные показатели полученного коробочного картона.

Таблица

Основные показатели полученного коробочного картона массой 350 г/м^

Вид формующего устройства для внутреннего слоя Показатели

толщина, пухлость, го-з м3/кг В поперечном направлении Предел прочнос-

Ю"3м прочность на излом, ч.д.п. жесткость при статич. изгибе, н.см ти при расслаивании , кПа

I 2 3 4 . 5 6

листоотлив-ной аппарат. 0,53х 075" 1.51 ТдЗ 2 7 1.1? ТТОТ 124 ТГО~

сеточный стол лабораторный 5ДМ *Л1И-01" 0,56 0753 1,60 ТГЙ 18 ТВ" 112 107

установка,,,, "Кивач" ** 0.65 СТ759 1,86 ттш 14 Ч~ 1.92 Т753 109 ЮТ

установка Кивач" *** 0.65 0757 1,86 Т753 13 п 1,98 хт4в 117 ГШ

Приме чаше:

Масса м2: покровных слоев - по 70г;

подслоя ■- ЗОг;

внутреннего слйя - 180г (один слой); (90+90)г-■ два слоя •

^числитель - композиция внутреннего слоя:-

60% белая древмасса и 40% СФА нб.хвойная целлюлоза;

знаменатель- композиция внутреннего слоя: 100/5 макулатура МС-2;

^количество внутренних слоев - I;

Количество внутренних слоев - 2 (шероховатой поверхностью внутрь).

Из таблицы следует, что определяющий показатель коробочного картона - жесткость на статический изгиб, у картона с внутренним слоем, изготовленных на установке "Кивач" - выше. Это объясняется тек,- что пухлость его больше, а следовательно при одинаковой массе м2, больше толщина и в конечном итоге момент инерции картона.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ РАБОТЫ

1. Разработана модель процесса формования полотна методом напыления на установке "Кивач".

2. Разработан способ получения внутреннего слоя картона, имеющего повышенную пухлость.

3. Разработан способ получения полотна, имеющего повышенную шероховатость поверхности.

4. Установлено влияние технологических и конструктивных параметров установки "Кивач" на пухлость и шероховатость поверхности формуемого полотна.

5. Определены рабочие параметры и выбран наилучший режим работы установки "Кивач" для формования пухлого внутреннего слоя картона - режим наибольшей пухлости и наименьшей шероховатости поверхности полотна.

6. Результаты диссертационной работы использованы при разработке формующего устройства в ЛТИ ЦШ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Добрынин A.A. Преимущества и недостатки производства бумаги методом напыления // Машины и аппараты целлюлозно-бумая ного производства: Межвуз.сб.научн.тр. - Л., 1987. - С. 59-62,

2. Добрынин A.A., Кугушев ИД. Установка, позволяйся управлять пухлостью формуемого полотна. - Л., I98J. - 5с. -Деп. в ВШШШлеспром 27.07.88, № 2299 - лб 88.

3. A.c. I46I804 СССР, МКИ4$ 21 р . 1/00. Устройство для формования полотна из волокнистой суспензии / Добрынин A.A., Кугушев И.Д., Заусов A.B. (СССР). - Зс.:ил.

Сдано в производство 7.05.90 Подписано к печати 4.05.90 Н - 30121 Тира* 100 &кз. Объем I п.л. Заказ 51 Бесплатно

Ротапринт ЛТИ ЦБП, 196092, Ленинград, ул.. Ивана Черных, 4