Влияние конструктивных параметров размольной установки на качество древесного волокна и прочностные показатели MDF Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 674. З17

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗМОЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА КАЧЕСТВО ДРЕВЕСНОГО ВОЛОКНА И ПРОЧНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ MDF

© В.Н. Матыгулина, Н.Г. Чистова , Ю.Д. Алашкевич

Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, Красноярский край, 662543 (Россия) E-mail: [email protected]

В статье рассмотрена проблема производства MDF, как одного из направлений комплексного использования древесины. В работе представлены результаты исследований, проведенных сотрудниками Лесосибирского филиала СибГтУ, на одном из крупнейших предприятий Ангаро-Енисейского региона ЗАО «Новоенисейский ЛХК», эксперименты были проведены на промышленном оборудовании, непосредственно в производственных условиях.

Введение

Ангаро-Енисейский регион - один из крупнейших и богатейших лесных территорий России. Развитие этого региона непрерывно связано с решением проблемы комплексного использования древесины и отходов деревообрабатывающих предприятий [1].

С этой целью в регионе развиваются производства, специализирующиеся на переработке отходов лесопиления, а также отходов лесосек и складов сырья. К производствам такого направления можно отнести заводы по производству древесноволокнистых плит.

Анализ работы заводов древесноволокнистых плит показывает, что даже при наличии одних и тех же систем оборудования технологические режимы производства часто отличаются друг от друга, качество готовой продукции и технико-экономические показатели также различны, наблюдается необоснованный перерасход сырьевых и топливно-энергетических ресурсов. В настоящее время практически все производственные задачи решаются интуитивно, методом проб и ошибок. Без всестороннего изучения и анализа закономерностей протекания основных технологических операций данного производства нецелесообразно устанавливать режимные параметры, оптимизировать процесс и целенаправленно управлять им с учетом получения необходимого качества готовой продукции и повышения эффективности производства.

Производство древесноволокнистых плит - сложный технологический процесс. На качество древесного волокна, а также готовой MDF весьма существенное влияние оказывают различные переменные факторы (породный состав и качество технологической щепы, вид и количество применяемых химических добавок, циклограмма прессования), а также неконтролируемые переменные факторы (изменение давления пара в системах, концентрация массы и т.д.) [2]. Несмотря на то, что в настоящее время существует множество методов контроля технологических параметров, а также качественных характеристик древесного волокна и готовой древесноволокнистой плиты, на предприятиях Ангаро-Енисейского региона, выпускающих плиты различных видов, данные показатели контролируются недостаточно. Поэтому необходимо изучать данную проблему, разрабатывать и внедрять в производственный процесс новые, перспективные способы и методы оценки качественных и количественных показателей. Решение этой задачи весьма актуально.

Одно из крупнейших лесоперерабатывающих предприятий в Лесосибирском промышленном узле - ЗАО «Новоенисейский лесохимическии комплекс». Это предприятие уже более 40 лет успешно работает как на

* Автор, с которым следует вести переписку.

внутреннем, так и на внешних лесных рынках. Для повышения уровня комплексного использования древесины и увеличения прибыли в составе предприятия имеются заводы по производству древесноволокнистых плит мокрым и сухим способами, в нынешнем году планируется ввод в эксплуатацию линии по производству древесноволокнистых плит средней плотности (МБР) .

Экспериментальная часть

В связи с ближайшим пуском строящейся линии по производству МБР специалисты Лесосибирского филиала СибГТУ активно ведут исследования в области процесса получения древесноволокнистой массы, т.е. размола как одного из основных технологических процессов получения МБР. Для чего в настоящей работе исследовалось влияние основных технологических и конструктивных параметров размалывающих машин на качество помола древесноволокнистой массы, а также на физико-механические свойства древесноволокнистых плит средней плотности.

Для решения поставленных в работе задач был проведен ряд экспериментов на ЗАО «Новоенисейский ЛХК» непосредственно в промышленных условиях на промышленном оборудовании предприятия.

На первом этапе наших исследований был проведен анализ теоретических и экспериментальных зависимостей в области процесса размола древесноволокнистых полуфабрикатов. На исследуемом предприятии подготовка древесного волокна для производства плиты осуществляется на быстроходном дисковом рафинере РЯ-42. В результате поисковых экспериментов установлено, что на качество помола древесноволокнистой массы оказывает влияние множество конструктивных и технологических параметров размольной установки. Исследования также показали, что наибольшее влияние на качество помола и физико-механические показатели готовой МБР оказывают износ сегментов (отношение ширины ячейки ножа к его высоте), зазор между размалывающими дисками и число оборотов нижнего шнека, подающего щепу в размольную камеру

[1]. Уровни и интервалы варьирования исследуемых факторов представлены в таблице 1.

Для планов второго порядка, в общем случае, когда число варьируемых факторов равно 3, модель имеет следующий вид [2]

Г = Во + В • *1 + В2 • X2 + Вз • X3 + Вц • X’ + В22 • X22 + В33 • Х32 + В12 • X, • Х2 + В13 • Х • Х3 + В23 • Х2 • Х3,

(1)

где Г - исследуемый выходной параметр; Х1у Х2, Х3 - независимые переменные факторы в условном (нормализованном) масштабе; В0 - свободный член уравнения регрессии, характеризующий средний уровень выходного параметра; Вг, В2, В31 - коэффициенты регрессии, характеризующие влияние входных факторов на выходной параметр; В12, В13, В23 - коэффициенты регрессии, характеризующие эффективности парных взаимодействий входных параметров.

Для более полной оценки качественных показателей древесноволокнистой массы при исследовании нами использовались различные способы: определение градуса помола массы на приборе «Дефибратор-секунда», принцип действия которого основан на определении скорости обезвоживания массы в единицу времени; определение степени помола на лабораторной установке, спроектированной и изготовленной на базе Лесосибирского филиала СибГТУ, принцип действия которой основан на изменении сопротивления навески массы различной степени помола при прохождении через нее потока воздуха с постоянной скоростью фильтрации; определение фракционного состава волокна на лабораторном гирационном фракционаторе.

Исследования физико-механических характеристик МБР (плотности, прочности на изгиб и на растяжение, толщины, водопоглощения и разбухания) проводились по известной методике, согласно ГОСТ 1959280 «Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний».

Таблица 1. Уровни и интервалы варьирования исследуемых факторов

Наименование фактора Обозначение Уровни варьирования факторов

натуральное нормализованное -1,682 -1 0 +1 +1,682

Износ сегментов Ь/И Х1 1,15 1,58 2,2 2,86 3,29

Зазор между дисками, мм а Х2 0,1 0,14 0,2 0,26 0,3

Обороты нижнего шнека, об/мин п Х3 20 28 36 44 50

На исследуемом предприятии при производстве древесноволокнистых плит сухим способом степень помола древесноволокнистой массы не определяется. Качество помола оценивается лишь визуально, в связи с чем показатели готовой плиты в процессе ее производства меняются и их трудно выдержать постоянными.

Из исследуемых толщин плит 10, 16, 20, 25 и 30 мм в настоящей работе представлены результаты исследований фракционного состава древесного волокна и прочности на растяжение МБР толщиной 16 мм.

Программа экспериментальных исследований реализована комплексом активных многофакторных опытов. Результаты многофакторного эксперимента обрабатывались методами, разработанными для получения математических моделей с целью описания объекта и поиска оптимальных условий функционирования исследуемой системы.

Для получения регрессионных зависимостей был спланирован и реализован композиционный униформ-рототабельный план, в основе которого лежит регрессионный анализ, включающий метод наименьших квадратов и статистическую обработку данных. Данный план позволяет построить модель, с одинаковой точностью предсказывающую значение отклика в точках равноудаленных от центра плана и с наибольшей точностью в точках, расположенных в его окрестности. На наш взгляд, реализация такого плана исследований наилучшим образом подходит для обработки результатов представленного эксперимента [3].

Обработка результатов эксперимента осуществлялась в пакете программы «8ТЛТ18Т1СЛ-6». Расчет производился по квази-ньютоновскому методу.

Обсуждение результатов

В результате обработки экспериментальных данных получены математические зависимости показателя размола (Рг) и прочности плиты на разрыв перпендикулярно пласти (РЯг) от конструктивных и технологических параметров размольной установки

Рг=0,386533-0,353264-т+1,416384-7+0,028136-п+0,065508-т2-10,4938-72-0,00125-п2-

(2)

0,103842-т-7+0,003505-т-п+0,083333-7-п v '

РЯг= -0,408277+0,345865-Ь/Ь+3,899951-7+0,015838-п-0,083809-Ь/И2 -11,0823^ -0,000223-п2

+0,195313-Ь/Ь-7 -0,001465-Ь/Ь-п +0,015625^-п (3)

Коэффициенты, стоящие перед факторами, говорят о значимости входных параметров и влиянии их на исследуемые факторы, а также их парное взаимодействие на выходную величину.

Как видно на рисунках 1 и 2 графические зависимости представляют собой поверхности отклика, построенные в трехмерной системе координат для натуральных обозначений факторов. На графиках один из факторов фиксируют и изменяют значения двух других факторов, поэтому поверхности отклика позволяют увидеть не только влияние отдельного фактора на выходную величину, но и их парное взаимодействие. При фиксировании одного из факторов на среднем уровне так как графики на максимальном и минимальном уровнях будут повторять свой рисунок [1].

На графике 1а хорошо видно, как изменяется показатель фракционного состава волокна (Рг) при изменении величины рабочего зазора между сегментами и числа оборотов нижнего шнека, а износ сегментов фиксировался на среднем уровне (Ь/И=сош1=2,22). При увеличении значения зазора до 0,20 мм величина показателя размола максимально увеличивается до значения 0,48 г. При тех же значениях зазора при увеличении числа оборотов нижнего шнека от 20 до 36 об/мин наблюдается тенденция к увеличению показателя размола, соответственно результаты обработки данных показали, что наилучшие показатели достигаются при значениях 7=0,20 мм , п=36 об/мин.

Аналогичным образом можно проанализировать графические зависимости, представленные на рисунках 16 и в.

Проведя анализ графических зависимостей, построенных для прочности МБР на растяжение (рис. 2а-в) с теми же условиями, что и для показателя фракционного состава волокна, т.е. при фиксировании одного из входных параметров на среднем уровне, можно увидеть, как изменяется предел прочности на растяжение с продолжительностью работы сегментов, с изменением рабочего зазора между дисками, а также с изменением скорости вращения нижнего шнека рафинера, подающего щепу в размольную камеру.

а)

в)

Рис. 2. Зависимость прочности на растяжение перпендикулярно пласти МББ от числа оборотов нижнего шнека, износа сегментов и зазора между размалывающими дисками

Исследования показали, что вышеперечисленные факторы оказывают весьма существенное влияние на предел прочности на растяжение МБР. Особое влияние, как видно из графиков, оказывает величина зазора между размалывающими дисками. Так, (рис. 2в), с увеличением величины зазора между размалывающими дисками с 0,1 до 0,3 мм предел прочности на растяжение сначала увеличивается и при при 7=0,22 мм достигает своего максимального значения 0,52 МПа, а затем снижается до 0,40 МПа. С изменением числа оборотов нижнего шнека (от 20 до 50 об/мин) величина предела прочности на растяжение изменяется незначительно, в пределах от 0,42 до 0,5 МПа при 7=0,3 мм, и от 0,32 до 0,4 МПа при 7=0,1 мм. Своего максимального значения предел прочности на растяжение достигнет при п=36 об/мин и при 7=0,22 мм.

Анализ представленных графических зависимостей показывает, как можно влиять на физико-механические показатели готовых плит в технологическом процессе их производства.

Выводы

Таким образом, на основании проведенных исследований найдены зависимости основных качественных характеристик готовой плиты от конструктивных и технологических параметров размольной установки, что позволяет наметить пути улучшения качественных показателей плиты и обеспечить прогнозирование наиболее эффективного способа подготовки волокнистого материала в производстве МБР.

Список литературы

1. Чистова Н.Г. Размол древесноволокнистой массы на промышленных установках при производстве ДВП: Дис.

... канд. техн. наук. Красноярск, 2000. 193 с.

2. Бекетов В. Д. Повышение эффективности производства древесноволокнистых плит. М., 1998. 160 с.

3. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М., 1973. 119 с.

4. Легоцкий С.С., Гончаров В.Н. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы. М., 1990. 229 с.

Поступило в редакцию 28 мая 2007 г.