В Лесосибирском промышленном узле основным и практически единственным крупным производством по переработке низкокачественной древесины и отходов лесопиления являются заводы по производству древесноволокнистых плит и, частности, перспективное деревообрабатывающее предприятие ЗАО «Лесосибирский ЛДК-1».
Сырьем для завода ДВП являются отходы от основных производств: обрезки, торцы, горбыли, доски длиной менее 1,5 м, перерабатываемые в технологическую щепу в лесоцехе, обрезки и стружка, получаемые при переработке черновых заготовок в мебельном цехе.
Разнообразие видов низкокачественного древесного сырья в производстве ДВП мокрым способом требует умелой и тщательной предварительной обработки полуфабриката на размольных установках первой и второй ступени размола.
Процесс размола полуфабрикатов в конечном счете определяет геометрические и прочностные показатели готовой плиты, производительность технологического потока и энергозатраты при производстве ДВП.
В отличие от общепринятого понятия измельчения различных материалов, процесс размола растительного сырья в виде древесного полуфабриката носит более сложный физико-химический характер.
Главной целью этого процесса является подготовка поверхности волокон к образованию межволоконных сил связи, приданию волокнам способности связываться между собой в полотно, обладающие необходимыми геометрическими и прочностными свойствами.
Учитывая важность процесса размола полуфабрикатов в общей технологической схеме производства ДВП и одновременно преимущественность энергозатрат на этот процесс (65-95 %), ставится задача найти оптимальные параметры процесса размола с целью получения древесноволокнистой плиты необходимого качества без снижения заданной производительности технологического потока с учетом значительного сокращения энергозатрат.
Для решения поставленной задачи необходимо было изучить влияние основных конструктивных, технологических и энергосиловых параметров действующих на производстве размалывающих машин на:
- качество помола древесной щепы и древесноволокнистой массы;
- физико-механические характеристики готовой плиты и ее геометрические параметры;
- удельный расход электроэнергии, затраченной на размол, как составную часть общих энергозатрат при производстве ДВП.
Все это позволит наряду с решением задач, поставленных ранее, осмысленно и целенаправленно регулировать процесс размола древесной массы при производстве ДВП, а также обеспечить прогнозирование основных показателей размольного оборудования с учетом заданных характеристик древесноволокнистой плиты.
Для решения поставленной задачи разработана общая схема оптимизации процесса размола полуфабрикатов при производстве ДВП. В соответствии с теорией математической статистики проведена статистическая обработка наблюдений - рассчитаны статистические показатели входных и выходных параметров, определены наиболее значимые параметры, влияющие на исследуемый процесс. В качестве основного метода получения математического описания процесса размола древесноволокнистой массы при производстве ДВП и решения задач оптимизации условий функционирования этого процесса был принят активный многофакторный эксперимент.
Программа экспериментальных исследований включала в себя нахождение функциональных зависимостей градуса помола (ДС) и энергозатрат (Е) от конструктивных параметров как дефибратора, так и рафинатора
ДС = f (L/h, σ, n, c), E = f (L/h, σ, n, c), а также прочностных характеристик готовой плиты от градуса помола (ДС) и конструктивных параметров размольных установок (дефибратора и рафинатора):
Pr, Pl, S, Tl = f (ДС), Pr, Pl, S, Tl = f (L/h, σ, n, c),
где Pr - прочность плиты, Н/м2;
Pl - плотность плиты, Н/м3;
S - водопоглощение плиты, %;
Tl - толщина плиты, м;
ДС - градус помола, (дефебратор-секунда);
Е - удельный расход электроэнергии, кВт*ч;
L/h - отношение высоты ячейки к толщине ножа, м/м;
σ - зазор между разламывающими поверхностями, м;
n - частота вращения нижнего шнека (разгрузочного), 1/сек;
с - концентрация размалываемой массы, %.
Математические модели для всех зависимостей однофакторых экспериментов представлены в виде:
,
где h - шаг варьирования фактора X;
В11, В1, В0 - коэффициенты.
Для эксперимента с тремя варьируемыми факторами, модель второго порядка примет вид
,
где Во - свободный член;
В1, В2, В3 - линейные коэффициенты;
В11, В22, В33 - квадратичные коэффициенты;
В12, В13, В23 - коэффициенты при парных взаимодействиях.
Решая математические модели первого и второго порядка с учетом набора фактических экспериментальных данных получены уравнения регрессии. Используя эти уравнения, получены необходимые графические зависимости, объясняющие влияние тех или иных физических зависимостей между собой.
Определено, что:
- Степень помола массы на дефибраторе зависит от величины износа рабочей поверхности гарнитуры (L/h) и частоты вращения нижнего шнека (n). С ростом величины износа рабочих поверхностей гарнитуры степень помола снижается по зависимости близкой к линейной. С увеличением частоты вращения нижнего шнека до n = 14,5 об/мин наблюдается прирост градуса помола, с дальнейшим увеличением частоты вращения шнека величина градуса помола начинает снижаться.
- С ростом величины градуса помола древесной массы на дефибраторе, показатели прочности готовой плиты возрастают. В то же время величина износа рабочих сегментов дефибратора (L/h) отрицательно сказывается на прочностных показателях плиты.
- Влияние величины износа рабочих поверхностей гарнитуры рафинатора на прирост степени помола имеет закономерность общую к дефибратору.
- С увеличением степени помола древесной массы после рафинатора величины прочности и плотности плиты возрастают, водопоглощение ее уменьшается, т.е. качественные показатели плиты в целом улучшаются.
- Увеличение значений концентрации массы перед рафинатором влечет за собой рост показателя прочности плиты до определенных значений, а затем наблюдается их снижение.
Использование полученных уравнений регрессии позволяет решать следующие задачи:
- Возможность прогнозирования физико-механических свойств древесноволокнистых плит по известным значениям степени помола волокнистой массы, а также с учетом основных величин конструктивных и технологических параметров размалывающих машин.
- При определенных значениях конструктивных, технологических и энергосиловых параметров размалывающих машин возможность обеспечить оптимальную степень помола массы и соответственно улучшить прочностные показатели плиты с одновременным снижением энергозатрат.
- В определенных технологических ситуациях осознано не повышать градус помола, получать определенные качественные показатели готовой плиты при сравнительно невысокой величине помола, варьируя при этом технологическими и конструктивными параметрами установок. В результате этого уменьшается износ гарнитуры размольного оборудования, снижается расход электроэнергии, и как следствие снижается себестоимость продукции.