Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований в области размола древесноволокнистого материала и изготовления древесноволокнистых плит 8
1.1 Современное производство древесноволокнистых плит сухим способом 8
1.2 Основные теоретические представления о процессе размола волокнистых материалов 16
1.3 Особенности размола волокнистых материалов в ножевых размалывающих машинах
1.4 Процесс получения древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП и MDF 30
1.5 Цели и задачи исследований 39
2 Разработка общей схемы подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП сухим способом 42
2.1 Выбор основных направлений и методов исследования 42
2.2 Обоснование выбора планов экспериментов 48
2.3 Планирование однофакторных экспериментов 49
2.4 Планирование многофакторных экспериментов 51
2.5 Выбор основных характеристик моделей 56
2.6 Получение математических моделей процесса получения древесноволокнистых материалов при производстве ДВП сухим способом... 60
3 Экспериментальная часть 65
3.1 Описание промышленных и экспериментальных установок 65
3.2 Порядок проведения экспериментов 72
3.2.1. Применяемое сырье и материалы 72
3.2.2 Последовательность проведения экспериментов 74
3.3 Методика расчета качественных показателей выходных факторов экспериментов 76
3.4 Результаты экспериментальных исследований 79
3.4.1 Результаты однофакторных экспериментов 80
3.4.2 Зависимости качественных показателей древесноволокнистой массы от конструктивных и технологических параметров рафинера. 87
3.4.3 Зависимости физико-механических свойств твердых древесноволокнистых плит от конструктивных и технологических параметров рафинера 94
3.4.4 Зависимости физико-механических свойств MDF от конструктивных и технологических параметров рафинера 104
4 Практическая реализация результатов исследований 116
4.1 Исследование зависимости удельного расхода электроэнергии и производительности размалывающих установок от их конструктивных и технологических параметров 116
4.2 Оптимизация технологических параметров процесса размола при производстве ДВП сухим способом 122
4.3 Эколого-экономическая оценка исследований в производстве твердых ДВП и MDF сухим способом 131
Основные выводы и результаты по диссертации 140
Библиографический список 142
Приложение А 157
Приложение Б 180
- Основные теоретические представления о процессе размола волокнистых материалов
- Процесс получения древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП и MDF
- Методика расчета качественных показателей выходных факторов экспериментов
- Оптимизация технологических параметров процесса размола при производстве ДВП сухим способом
Введение к работе
Производство древесноволокнистых плит (ДВП) в значительной мере способствует решению проблемы комплексного использования древесного сырья. Для их изготовления используют низкосортную древесину хвойных и лиственных пород, отходы деревообрабатывающего и целлюлозно-бумажного производства [1]. Особое значение приобретает производство ДВП с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами при снижении энергоемкости и себестоимости производства и увеличении в сырьевой базе доли использования лиственных пород древесины, а также отходов лесозаготовок и деревообработки [2].
Древесноволокнистые плиты 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 [3].
В развитии отечественной древесноплитной промышленности с конца 90-х годов наблюдается значительный подъем, предприятия наращивают свои производственные мощности. Тем не менее, нужно признать, что производство древесных плит в России по мощности технологических линий, качеству и объему выпускаемых плит не отвечает ни потребностям страны, ни потенциальным ее возможностям [4]. Лесопромышленный комплекс России обладает более чем 25 % лесных ресурсов мира, а доля страны в мировом производстве древесных плит составляет всего по ДВП мокрым способом -6,5 %, по MDF - 0,8 %, что, разумеется, недостаточно при наличии больших объемов неиспользуемой экономически доступной некондиционной древесины и древесных отходов [5]. Кроме того, современное состояние производ ства не позволяет достаточно удовлетворительно решить поставленные задачи и требует как улучшения используемых в отрасли технологических процессов, так и создания новых, на основе более углубленных теоретических и экспериментальных разработок технологий изготовления ДВП [1]. Однако за последние годы наблюдается рост объемов плитного производства, что служит основанием для уверенности в интенсивности развития древесноплитной подотрасли и вхождения России в число ведущих стран мира [6, 7, 8].
В основном, производство древесноволокнистых плит всех видов базируется на сухом и мокром способах изготовления. Несмотря на то, что мокрый способ наиболее освоен промышленностью, ему присущ ряд недостатков: большое количество сточных вод, ограниченность использования лиственных пород древесины, небольшая номенклатура выпускаемых изделий [9]. Сухой способ в настоящее время получает широкое распространение. Также развитие сухого способа связано с изготовлением древесноволокнистых плит средней плотности (MDF).
Ангаро-Енисейский район является крупным промышленным центром России по переработке древесного сырья. В регионе заготавливается около 80 % древесины от общего объема заготовок в Красноярском крае [10]. Развитие этого региона тесно связано с решением проблемы комплексного использования древесины и отходов лесопиления на деревообрабатывающих предприятиях края. В городе Лесосибирске основным направлением по переработке низкокачественной древесины и древесных отходов является производство древесноволокнистых плит. На одном из крупнейших предприятий отрасли ЗАО «Новоенисейский лесохимический комплекс», которое уже более 45 лет успешно работает на зарубежном и внутреннем рынках, успешно решается проблема комплексной переработки древесины, для этого в состав предприятия в 1962 году был введен завод по производству древесноволокнистых плит мокрым способом шведской фирмы «Дефибратор», в котором в настоящее время функционируют две линии, а в 1994 году введен в эксплуатацию цех по производству ДВП сухим непрерывным способом на базе ка ландровой линии фирмы «Бизон Верке». В настоящее время на предприятии запущена линия по производству древесноволокнистых плит средней плотности периодического сухого способа прессования,
В связи с возрастающим спросом на древесноволокнистые плиты сухого способа производства, в том числе древесноволокнистые плиты средней плотности, наблюдается рост требований к их физико-механическим показателям, которые определяют дальнейшие возможности их использования в различных отраслях промышленности и для хозяйственных нужд [1, 4]. Это обстоятельство требует проведения научных исследований в этом направлении для получения высококачественной продукции при необходимой производительности оборудования.
При производстве древесноволокнистых плит сухим и мокрым способами важное место занимают процессы, связанные с физико-механической обработкой древесных волокон: размол технологической щепы, процессы формирования и прессования древесноволокнистого ковра, закалка и многие другие процессы, влияющие на качественные показатели готовой продукции [11]. Процесс размола представляет собой крупную технико-экономическую проблему производства ДВП. Для поддержания оптимального режима работы оборудования необходимо знать взаимосвязи между показателями технологического режима, качеством древесноволокнистого полуфабриката и готовой продукции. В связи с этим очевидна актуальность исследовательских работ, посвященных созданию новых видов размольного оборудования, модернизации существующих машин, выбору и разработке рациональных технологических схем размола в целях экономии электроэнергии и увеличения производительности существующего оборудования в производстве ДВП [1].
Характерной особенностью MDF является сочетание невысокой плотности и повышенной толщины, поэтому при их производстве приходится сталкиваться с рядом проблем, связанных со сложностью получения материала с высокими физико-механическими показателями. При этом возникает необходимость поиска новых, нестандартных решений проблемы в вопросе улучшения разработки древесных волокон, повышения их пластичности и реакционной способности [12].
Вышесказанное определило цели и задачи проведенных в настоящей работе исследований, которые посвящены исследованию процесса размола при производстве древесноволокнистых плит сухим способом, качественных показателей древесноволокнистого полуфабриката и готовой древесноволокнистой плиты, разработке оптимальных режимов работы размольных установок с целью получения продукции, отвечающей требованиям стандартов и потребителей. При разработке оптимальных режимов работы размольного оборудования, наряду с соображениями по увеличению производительности, снижению энергоемкости и улучшению качества, нами также учитывались ограничения, накладываемые меняющейся сырьевой базой и необходимостью снижения массоемкости изготовляемых плит.
Основные теоретические представления о процессе размола волокнистых материалов
Одной из важнейших операций технологического процесса производства древесноволокнистых плит, как и в целлюлозно-бумажном производстве, является изготовление древесноволокнистого полуфабриката, то есть размол технологической щепы и древесноволокнистой массы, который наряду с другими операциями технологического процесса оказывает определяющее влияние на показатели готовой продукции [38, 39].
Ученые по-разному интерпретируют суть процесса размола, и на сегодняшний день не существует единого мнения на этот счет.
Цель процесса размола, по С.Н. Иванову [40], состоит в том, чтобы:
1) получить древесное волокно как структурный элемент будущего материала с определенными размерами по длине и толщине;
2) сообщить волокнистому материалу определенную степень гидратации - активировать поверхность волокон таким образом, чтобы функциональные группы, расположенные на поверхности, были в состоянии взаимодействовать между собой на расстояниях, необходимых для молекулярного взаимодействия, и обеспечить механическую прочность, способность к разбуханию, объемный вес, воздухопроницаемость и другие свойства.
Б. Стинберг [41] также отмечает, что процесс размола можно рассматривать как частный случай общего процесса «увеличения площади поверхности твердых тел» или «как уменьшение размеров». Такой процесс известен как расчесывание и истирание, или дробление.
И. Чаверина [42] полагает, что процесс размола состоит в развитии внешней поверхности для получения связующей способности; а также в увеличении гибкости волокон за счет изменений в их внутренней структуре.
Авторы единодушны в своей оценке назначения и целей размола. Однако, когда речь идет о процессах, происходящих с волокном при размоле, а также механизмах воздействия на него в ножевых размалывающих машинах, можно встретить самые разнообразные, порой диаметрально противоположные точки зрения среди исследователей [43].
Поскольку в производстве древесноволокнистых плит, как и в бумажном производстве, используется сырье растительного происхождения, а процессы изготовления этих видов продукции во многом сходны, то для более полного представления процесса размола целесообразно проанализировать литературные источники по данному вопросу не только в производстве ДВП, но и в производстве бумаги и картона [14,44].
Сущность процесса размола обусловлена, с одной стороны, строением растительных волокон, а с другой - теми многообразными, еще недостаточно изученными явлениями, которые при этом происходят в водно-волокнистой суспензии [45].
Как известно, изучение природы явлений, происходящих с растительными волокнами при размоле, и их последствий при формировании бумажного полотна или плиты и придание им требуемых свойств, привело к появлению различных гипотез, которые выдвигались разными исследователями. Под понятием «теория размола» подразумевают совокупность теоретических представлений и практических знаний о структуре древесных волокон, их поведении при размоле и формировании бумажного полотна или плиты [46].
Существует несколько теорий размола: химическая, авторами которой являются Г. Кросс, Е. Бивен [47] и X. Швальбе [48, 49]; физическая - авторы Ж. Стрейчен [50] и В. Кемпбелл [51]; объединенная гипотеза Ж. Кларка [52]; современная теория, разработанная Я.Г. Хинчином, Ж. Эллисом, Ж. Бассом и В.Н. Никитиным [51, 53, 54].
Наиболее ранние воззрения по данному вопросу исходили из объяснения причин изменения свойств массы в процессе размола с механической точки зрения. Считалось, что волокна при размоле становятся тоньше и приобретают определенную упругость, что сказывается на улучшении прочностных свойств бумаги в процессе ее формирования.
Представители химической теории размола, выдвинутой Г. Кроссом и Е. Бивеном в двадцатых годах прошлого столетия, придерживались совершенно иной точки зрения. Авторы считали, что возрастание прочности бумажного полотна при размоле древесноволокнистой массы объясняется тем, что поверхностный слой волокон химически реагирует с водой, образуя же-латинообразный гидрат целлюлозы. Данная теория имела много последова 19 телей. Так, X. Швальбе утверждал, что при размоле волокон в водной среде образуются гидро- и оксицеллюлозы в виде клейкой слизи, которые склеивают волокна при сушке бумаги, увеличивая тем самым ее механическую прочность [48, 49, 55, 56].
В результате последующих исследований было установлено, что в процессе размола химический состав и структура волокон не изменяются, имеет место лишь некоторое.уменьшение степени полимеризации целлюлозы при увеличении степени растворимости в щелочи и повышении гидролизного числа. К такому мнению пришли ряд авторов, таких, как Т. Керр [57], Г. Юнг и Б. Роулэнд [58], Ф. Симондс [59], Н. Зотова и Р. Грингауз [60]. На основе работ этих авторов химическая теория размола была отвергнута, как неподтвержденная опытами.
Несмотря на несостоятельность химической теории, ее прогрессивное значение заключается в предопределении положительной роли гидрофильных добавок, использование которых способствует ускорению процесса размола и увеличению механической прочности изготовляемой бумаги [61].
Наряду с химической теорией развивались представления, объяснявшие процесс размола с физической точки зрения. Так, М. Накано [62] полагал, что изменения, возникающие как при набухании целлюлозы во время размола, так и при образовании связей между волокнами при удалении воды, имеют исключительно физический характер. В. Теселл и Д. Минор в 1919 г. пришли к выводу, что процесс гидратации ведет к возникновению электростатического сродства между коллоидными молекулами целлюлозы, в результате чего гидроксильные и водородные ионы адсорбируются целлюлозой. Волокна набухают, и при размоле образуется гель, придающий бумажной массе специфическую жирность и при сушке проявляющий цементирующие свойства, что придает бумаге необходимую прочность [63].
Наиболее полное завершение это направление получило в работе Д. Стречена [64]. Он придавал большое значение процессу фибриллирования и механическую прочность бумаги объяснял переплетением и связью фибрилл, придающих волокнам бархатистую поверхность. Для объяснения явления фибриллирования, Стречен выдвинул электронную теорию, согласно которой отделение фибриллы от поверхности волокна требует определенной затраты энергии, количество которой зависит от величины силы, связывающей кристаллиты целлюлозы.
Другие представители физической теории размола В. Кемпбел и М. Пиджин [65], высказали мнение, что гидраты не являются причиной изменения свойств бумажной массы, а прочность бумажного листа обеспечивается хорошим контактом волокон, который достигается при удалении воды во время сушки за счет сил поверхностного натяжения. Таким образом, они отвергли химическую теорию, доказав, что вышеуказанные изменения вызываются чисто физическими воздействиями.
В то же время Г. Парвик [66] говорил о том, что прочность отливок зависит от величины внешней поверхности волокон и обуславливается адгезионными силами коллоидно-химического характера и, в меньшей степени, зависит от механического переплетения волокон.
Процесс получения древесноволокнистых полуфабрикатов в производстве ДВП и MDF
Производство древесноволокнистых плит является сложным технологическим процессом. На качество древесного волокна, а также готовой плиты весьма существенное влияние оказывают различные переменные факторы (породный состав и качество технологической щепы, параметры размольных установок, вид и количество применяемых химических добавок, циклограмма прессования), а также неконтролируемые переменные факторы (изменение давления пара в системах, концентрация массы и т.д.) [1,9].
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 нецелесообразно устанавливать режимные параметры, оптимизировать процесс и целенаправленно управлять им с учетом получения необходимого качества готовой продукции и повышения эффективности производства [1].
В ряде случаев нестабильность режима и качества продукции можно объяснить несовершенством и механическими неполадками оборудования, недостаточной отлаженностью агрегатов и отсутствием должной культуры обслуживания [2]. Наряду с этим отклонение качественных показателей от нормы и заниженные технико-экономические показатели работы производства являются прямым следствием отсутствия обоснованного оптимального технологического режима и нестабильности существующего режима. Зачастую оператор предпочитает поддерживать режим, гарантирующий выпуск доброкачественной продукции за счет некоторого перерасхода компонентов процесса [1].
Количественная характеристика размола при производстве ДВП определяется совокупностью большого комплекса показателей, основными из которых являются степень помола, характеризующая размол по изменению фильтрационных свойств массы; фракционный состав массы; средняя длина волокна; механические свойства плит (плотность, прочность на изгиб и разрыв, разбухание и водопоглощение) [3,9].
Значительный вклад в теорию и практику изучения процесса получения древесноволокнистой массы внесли ученые Ленинградской лесотехнической академии Н.Я Солечник, П.Х. Ласкеев, Н.В. Липцев и др. [2, 22]. Тем не менее, нельзя отметить, что все явления, происходящие при получении массы, изучены в полной мере, многие исследования выполнены, в основном, в лабораторных условиях, на разном методическом уровне, в разное время, в несопоставимых условиях и не всегда апробированы в производственных условиях, поэтому требуют аналитического обобщения с целью применимости полученных выводов в практической деятельности.
Пластификация древесины осуществляется воздействием на нее тепла и влаги в пропарочной камере размольной установки. На этот процесс влияют различные факторы: продолжительность обработки и давление пара, температура, порода древесины, ее физические и механические свойства и др. По Ф. Коллману [114], при пропарке древесины приращение пластичности пропорционально третьей степени давления пара. Чем выше давление и продолжительнее пропарка, тем быстрее увеличивается пластичность древесины и тем сильнее возрастает ее химическая активность.
При повышении температуры обработки реологические свойства древесины изменяются ступенчато в соответствии с последовательностью перехода в различное состояние ее основных химических элементов [115, 116]. Размягчение соединительного слоя лигнина между клетками волокна ослаб 32 ляет связь между ними, и волокна легко отделяются друг от друга под действием дисков размольной машины.
В работах Н.Я. Солечника, П.Х. Ласкеева и их единомышленников [22, 117] показано, что при пропарке древесины происходит гидролиз легкогид-ролизируемых углеводов, снижающий содержание гемицеллюлозы и сопровождающийся увеличением в остатке продуктов гумификации сахароз; некоторая часть древесины переходит в раствор, происходит частичное расщепление эфирного и углеводолигнинного комплексов древесины, появление новых гидроксилов, повышающих гидрофильность волокон и их пластификацию, наблюдается снижение степени полярности целлюлозы.
По исследованиям Э. Сислера и М. Кеды [118], химический состав продуктов гидролиза влияет на свойства плит, причем гидролизацию древесных волокон можно оценить по количеству содержащихся в них веществ, растворяющихся в воде и по количеству летучих веществ; плиты, изготовленные из слабо гидролизованных волокон, получаются менее монолитными.
Таким образом, тепловая обработка древесины приводит к накоплению низкомолекулярных фракций углеводов, что увеличивает количество реакци-онноспособных функциональных групп, активизирует химические реакции в системе «древесина-вода», оказывающие влияние на свойства получаемой древесноволокнистой массы и качество плит.
Существующие воззрения на размол не составляют единой теории и не дают количественных соотношений между факторами, влияющими на этот процесс. Вместе с тем, положения теории в совокупности с накопленным опытом позволяют сознательно воздействовать на процесс и экспериментально устанавливать технологический режим, обеспечивающий получение плит с заданными свойствами [1].
Проведен большой объем исследований влияния процесса размола на качество получаемой древесноволокнистой массы и готовых ДВП, полученных мокрым способом [1, 2, 9, 14]. В связи с тем, что режимы процесса получения древесноволокнистой массы для древесноволокнистых плит, полученных мокрым и сухим способами различны, нами были рассмотрены результаты исследований, проведенных в области процесса размола при производстве ДВП сухим способом.
При сухом способе изготовления ДВП при влажности волокон 8 % пластичность их недостаточна, силы поверхностного натяжения из-за недостатка воды в момент сушки на стадии прессования развиваются слабо, поэтому межволоконное взаимодействие дополняют склеиванием, вводя в древесноволокнистую массу синтетическое связующее. В момент сжатия греющих плит при прессовании воздух в волокнистом ковре проявляет сопротивление, поскольку он удаляется, в основном, через торцы ковра. Древесные волокна подвергаются сжатию, изгибу, кручению с затратами большей энергии, чем при мокром способе. Это связано с их менее строгой ориентацией [9].
Методика расчета качественных показателей выходных факторов экспериментов
На ЗАО «Новоенисейском ЛХК» при производстве древесноволокнистых плит сухим способом степень помола древесноволокнистой массы не определяется вовсе. Качество массы оценивается лишь визуально, «на глаз», не допускается присутствие крупных палочек и спичек. Так как в данном производстве применяется связующее, должного внимания качеству волокна не уделяется. В настоящее время ввиду удорожания смолы, а также повышения требований к экологичности древесноволокнистых плит ведутся разработки, направленные на снижение содержание связующего. В этой связи больше внимания уделяется качеству разработки древесного волокна.
Вместе с тем, в производстве древесноволокнистых плит сухим способом имеются индивидуальные особенности при анализе качества получаемой древесноволокнистой массы. Как упоминалось ранее, определение степени помола древесноволокнистой массы на приборе Дефибратор-секунда недостаточно характерно отражает его качество. Более полное представление о качественных характеристиках волокна дает исследование на приборе ВНИИдрев, а также фракционный состав волокна.
Исследования степени помола на приборе ВНИИдрев проводились в лаборатории Лесосибирского филиала СибГТУ. По сравнению с прибором Дефибратор-секунда продолжительность определения степени помола массы снижается в 5-6 раз и составляет 5 минут. Прибор ВНИИдрева показал более высокую чувствительность к изменению степени помола по сравнению с прибором Дефибратор-секунда и лучшую воспроизводимость результатов измерений.
Второй важной характеристикой, определяющей качество полученного волокна, является фракционирование - разделение волокон по их размерам. Работа большинства приборов для фракционирования волокна основана на пропуске определенного количества древесного волокна через сита с отверстиями, соответствующими группам качественной оценки [129].
Для оценки качества древесного волокна при проведении эксперимента фракционный состав древесноволокнистой массы определялся в лаборатории Лф СибГТУ посредством прибора «Дефибратор-54». По полученным результатам рассчитывался показатель размола древесноволокнистой массы (Fr), который определял, сколько будет весить исходная масса, если она будет состоять при том же числе волокон, только из волокон самой мелкой фракции. Данный способ оценки древесного волокна определяет гранулометрический состав волокна с оценкой качественных характеристик каждой фракции (длина, толщина).
Физико-механические показатели древесноволокнистых плит определяли стандартными методами, разработанными для контроля качества продукции и проведения производственного процесса. Размерные и физико-механические характеристики готовой плиты (толщина, плотность, предел прочности при изгибе, предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти, водопоглощение за 24 часа, набухание по толщине за 24 часа) определялись по ГОСТ 19592-80 «Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний» [130].
Данные по определению необходимых характеристик явились материалом для обработки эксперимента и построения математических моделей, описывающих исследуемый процесс. В результате проведенных в производственных условиях на промышленных установках в цехе по производству древесноволокнистых плит сухим способом активных однофакторных и многофакторных экспериментов были получены следующие результаты: - определены зависимости качественных показателей древесноволокнистой массы от конструктивных, технологических и энергосиловых параметров размольной установки - быстроходного дискового рафинера;
- найдены зависимости геометрических и физико-механических показателей твердых древесноволокнистых плит сухого способа производства от вышеназванных параметров рафинера;
- определено влияние параметров рафинера на качественные и количественные показатели древесноволокнистых плит средней плотности (MDF).
На первом этапе наших экспериментальных исследований были спланированы и проведены однофакторные эксперименты с целью определения основных факторов процесса размола, оказывающих наибольшее влияние на качественные характеристики древесноволокнистой массы и готовой твердой древесноволокнистой плиты.
На основании анализа литературных источников [1, 2, 9] установлено, что режимы пропарки и размола оказывают существенное влияние на качество получаемого древесного волокна и в дальнейшем готовой древесноволокнистой плиты. В связи с этим нами были выбраны некоторые из них, на наш взгляд, имеющие доминирующее значение. Исследуемые входные и выходные факторы однофакторных экспериментов, их интервалы и шаги варьирования приведены в главе 2 настоящей диссертационной работы. Последовательность проведения однофакторных экспериментов представлена в пп. 3.2.2.
Оптимизация технологических параметров процесса размола при производстве ДВП сухим способом
На основании результатов проведенных исследований с помощью регрессионного анализа были получены математические модели, описывающие зависимость качественных и количественных показателей древесного волокна и готовой твердой древесноволокнистой плиты, удельного расхода электроэнергии, затрачиваемой на размол, производительности размалывающей установки от ее конструктивных и технологических параметров.
Полученные регрессионные модели дают богатую информацию о влиянии отдельных факторов и их взаимодействий на выходную величину. Их можно использовать для поиска таких значений варьируемых факторов внутри заданного диапазона, для которых при заданных значениях качественных и количественных характеристик древесного волокна и готовых древесных плит расход электроэнергии окажется минимальным, а производительность рафинера - максимальной.
Ранее, в п. 3.4 и 4.1, по полученным математическим моделям для наглядного представления о влиянии исследуемых факторов и их взаимодействий на выходные параметры с помощью пакета программ STATISTICA-6 в трехмерной системе координат были построены графические зависимости, представленные на рисунках АЛ 1-А.25.
На основании полученных экспериментальных данных составлена сводная таблица 4.1 основных показателей работы размольной установки при производстве древесноволокнистых плит сухим способом, в ней представлены значения входных и выходных параметров работы рафинера.
Проанализировав системы уравнений, а также сводную таблицу 4.1, были определены оптимальные параметры работы размольной установки в зависимости от основных характеристик древесного волокна, готовой плиты, удельного расхода электроэнергии и производительности рафинера. Таким образом, оказалось возможным решение задачи, поставленной в настоящей работе: варьируя конструктивными и технологическими параметрами работы размольной установки, прогнозировать необходимые показатели готовых ДВП с минимальными затратами электроэнергии и максимальной производительностью размольной установки. Полученные данные, представленные в таблице 4.1, могут быть использованы для удобства пользования при эксплуатации и проектировании размольных установок.
Из представленной таблицы 4.1 видно, какие конструктивные и технологические параметры рафинера необходимо установить, чтобы получить волокно определенного качества и плиту с необходимыми физико-механическими характеристиками. Кроме того, с ее помощью можно определить удельный расход электроэнергии при заданном режиме работы размольной машины и ее производительность.
Например, чтобы получить древесноволокнистую плиту толщиной Т=6,05 мм с прочностью при статическом изгибе aJJ"" = 43,9 МПа, плотно стьюру/д// = 850,10 кг/см , водопоглощением за 24 часа S/iBn = 22,05 % и набуханием по толщине ЯдВц = 10,33 %, необходимо установить на рафинере следующие конструктивные параметры: рабочий зазор между сегментами z = 0,25 мм, частота вращения выносного шнека n = 30 мин"1, при износе сегментов 10 %, что составляет L/h =2,22 (что соответствует 50 % износу). Значения
Анализируя, таким образом, значения параметров, представленных в таблице 4.1, не производя сложных математических расчетов, можно варьировать (улучшать или ухудшать) физико-механическими и геометрическими показателями готовой древесноволокнистой плиты, снижать или увеличивать градус помола размолотой древесноволокнистой массы, удельный расход электроэнергии и производительность рафинера, зная наперед, какие конструктивные и технологические параметры на рафинере при этом необходимо установить.
Исследуя полученные математические модели и построенные по ним графические зависимости, можно сделать вывод, что применив оптимальные режимные параметры процесса размола, затраты электроэнергии можно снизить в среднем на 59 -70 кВтч/т, а производительность размольной установки - повысить в среднем на 0,5 т/ч. Таким образом, в целом, с улучшением отдельных параметров работы размалывающих установок удельный расход электроэнергии имеет тенденцию к существенному снижению (рисунок 4.1), а их производительность - к увеличению (рисунок 4.2).
В качестве таких показателей могут выступать производительность отдельной операции или цеха в целом, расход электроэнергии, снижение расхода исходного сырья, себестоимость продукции, ее качественные показатели. В реальных условиях действующего предприятия, с учетом его специфических условий (технология, применяемое оборудование и пр.) целесообразно выбрать доминирующий (определяющий) критерий и определить такие значения режимных параметров, которые обеспечат достижение им экстремума.
В качестве критериев оптимизации нами выбраны удельный расход электроэнергии, в значительной степени определяющий себестоимость готовой продукции, и производительность размольной установки. Для экономии электрической энергии и улучшения качества готовых плит необходимо вносить коррективы в технологию, т.е. оперативно перестраивать производственный процесс в соответствии с изменениями технологических параметров (например, при изменении породного состава сырья) и согласно с изменяющимися требованиями заказчика к качеству плиты, ее размерным характеристикам и физико-механическим показателям.
Все приведенные ограничения и целевая функция носят нелинейный характер. Следовательно, данная оптимизационная задача относится к классу задач нелинейного программирования, она решалась Квази-Ньютоновским методом с использованием пакета прикладных программ STATISTICA-6 [125]. На первом этапе в электронную таблицу вносятся ограничения по режимным параметрам размольных установок (L/h, z, п). Дополнительно вводятся стандартные ограничения по физико-механическим и геометрическим показателям ДВП. Решение этой задачи позволило определить оптимальные значения режимных параметров работы рафинера, которые для данных условий производства составят: L/h = 2,22; z = 0,25 мм; n = 30 мин 1.
