Исследование влияния спиральной размольной гарнитуры на свойства волокнистых полуфабрикатов, используемых в композиции высококачественной бумаги (стр. 1 )

На правах рукописи

Шуралев Максим Витальевич

Исследование влияния

спиральной размольной гарнитуры

на свойства волокнистых полуфабрикатов,

используемых в композиции

высококачественной бумаги

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Архагельск - 2011

Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства Северного (Арктического) федерального университета.

Научный руководитель – Доктор технических наук

Официальные оппоненты – Доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация – научно-исследовательский институт бумаги» ()

Защита состоится " 18 " февраля 2011 года

в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 2

в Северном (Арктическом) федеральном университете г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северного (Арктического) федерального университета.

Автореферат разослан "_17_" _января_2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

__________________

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На российских предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности парк размольного оборудования в значительной степени представлен дисковыми рафинерами. Одним из эффективных путей повышения качества готовой продукции без модернизации технологического потока и, как следствие, без повышения себестоимости продукции является усовершенствование процесса размола за счет использования принципиально новых видов гарнитуры. Развитие современной технологии и оборудования для размола волокнистых полуфабрикатов, появление новых модификаций размалывающей гарнитуры, в свою очередь, требуют уточнения влияния технологических параметров размола на свойства волокнистых полуфабрикатов и готовой продукции. В последнее время наибольший интерес у производителей высококачественных видов бумаги вызывает гарнитура со спиральным расположением ножей. Имеющиеся в литературных источниках сведения о влиянии данной гарнитуры на волокна противоречивы и носят описательный характер.

В связи с этим весьма актуальным представляется проведение дополнительных исследований и уточнение механизмов воздействия спиральной гарнитуры на волокнистые полуфабрикаты. Новые данные могут быть получены лишь путем сочетания лабораторных и производственных исследований на предприятиях ЦБП.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было исследование влияния размольной гарнитуры со спиральным расположением ножей на изменение свойств волокнистых полуфабрикатов.

Для реализации данной цели были поставлены и реализованы следующие задачи:

1. Получить сравнительную характеристику по влиянию размольной гарнитуры с традиционным (прямым) и спиральным расположением ножей на свойства волокнистых полуфабрикатов.

2. Исследовать влияние спиральной гарнитуры на фундаментальные свойства волокон беленых хвойной и лиственной сульфатных целлюлоз.

3. Оценить закономерность изменения физико-механических свойств беленых хвойной и лиственной сульфатных целлюлоз в процессе размола с использованием спиральной гарнитуры при варьировании удельной нагрузки.

4. Установить закономерности изменения свойств отдельных фракций беленых хвойной и лиственной сульфатных целлюлоз полученных при использовании спиральной гарнитуры.

5. Проанализировать результаты и дать рекомендации по использованию спиральной гарнитуры в технологическом потоке.

Научная новизна. Обоснован механизм воздействия спиральной гарнитуры на волокно, заключающийся в снижении касательных напряжений при одновременном увеличении количества воздействий за счет изменения геометрии рисунка гарнитуры. Установлена возможность повышения более чем на 15 % показателей физико-механических свойств размалываемых на спиральной гарнитуре волокнистых полуфабрикатов при вариации степени помола 4..5 °ШР за счет внутреннего фибриллирования волокон. Получены новые сведения о свойствах отдельных фракций беленых лиственной и хвойной сульфатных целлюлоз, обусловленных воздействием спиральной гарнитуры, и оценен их вклад в физико-механические свойства высококачественной бумаги. Экспериментально подтверждено влияние спиральной гарнитуры на образование фибриллярных коротковолокнистых пространственных структур, отличающихся высокой прочностью.

Практическая ценность. Разработаны и внедрены рекомендации по оптимизации технологических параметров работы размольно-подготовительного отдела (РПО) для получения высококачественной бумаги на одной из бумагоделательных машин Сыктывкарский ЛПК».

Производственные испытания позволили усовершенствовать процесс размола за счет использования спиральной гарнитуры на дисковых рафинерах хвойного и лиственного потоков. Акт внедрения представлен в приложении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на ежегодных международных научно-технических конференциях (г. Караваево, 2008–2010 гг.), Международной научно-практической конференции (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Международном симпозиуме «Процессы в области целлюлозы, бумаги и картона» (Сербия, г. Златибор, 2009 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского государственного технического университета (2008 – 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор литературных источников; объекты и методы исследования; экспериментальную часть из пяти разделов; общие выводы; приложение (акт внедрения). Содержание работы изложено на _140_ страницах, включая _53_ рисунка и _33_ таблицы, библиография содержит 137 наименований.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

– сравнительный анализ свойств волокнистых полуфабрикатов с использованием размольной гарнитуры как с прямым, так и со спиральным расположением ножей;

– основные закономерности влияния спиральной гарнитуры на свойства сульфатных лиственной и хвойной беленых целлюлоз;

– результаты исследования свойств отдельных фракций сульфатных лиственной и хвойной беленых целлюлоз, обусловленных воздействием спиральной гарнитуры;

– рекомендации по внедрению и использованию спиральной гарнитуры в технологическом потоке.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. В этом разделе диссертационной работы обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, выделены положения, выносимые на защиту.

Аналитический обзор литературы. Представлен обзор технологических параметров размольно-подготовительного отдела (РПО) и рассмотрено их влияние на процесс размола волокнистых полуфабрикатов. Проведен анализ процессов, происходящих при размоле. Показано недостаточность и противоречивость имеющихся данных о влиянии размольной гарнитуры со спиральным расположением ножей на процесс размола. Приведены сведения о современных видах размалывающих гарнитур и размалывающем оборудовании. Сформулированы общие выводы по обзору литературы.

Объекты и методы исследования. В работе использовались беленые лиственная и хвойная целлюлозы, образцы бумаги лабораторного и промышленного изготовления.

В процессе исследования применялись как стандартные, так и оригинальные методы, в том числе определение характеристик волокна на анализаторе Fibertester, способность к обезвоживанию волокнистых полуфабрикатов, фракционирование проб на лабораторной установке Bauer McNett, микрофотографии волокон на электронном микроскопе Merlin фирмы Zeiss, комплексная оценка бумаги лабораторного и производственного изготовления (характеристики структуры с помощью анализатора «Анфор», механическое поведение бумаги при приложении растягивающих и изгибающих нагрузок и т. д.). Для оценки стабильности и точности характеристик прочности, деформативности и бумагообразующих свойств были использованы методы статической обработки результатов исследований.

Экспериментальная часть состоит из 5 разделов.

1. Сравнительная характеристика размольной гарнитуры с прямым и спиральным расположением ножей

В данном разделе представлены результаты исследований, подтверждающих эффективность использования спиральной гарнитуры при размоле волокнистых полуфабрикатов по сравнению с традиционной размольной гарнитурой с прямым расположением ножей. Исследования проводились на российских предприятиях. В ходе исследований оценивались бумагообразующие и физико-механические свойства размолотых беленых хвойной и лиственной целлюлоз, а также их смесей. Пробы для сравнительного анализа отбирали с параллельно работающих рафинеров. Один из рафинеров был оснащен гарнитурой с прямым, а другой – со спиральным расположением ножей. В таблице 1 представлены результаты сравнительного анализа на примере лиственной беленой целлюлозы используемой в одном из технологических потоков.

Таблица 1 – Влияние типа размалывающей гарнитуры на изменение свойств лиственной беленой целлюлозы

Параметр	Точки отбора проб
Поступающая на размол масса	После мельницы 1 (спиральная гарнитура)	После мельницы 2 (гарнитура с прямыми ножами)
Физические и бумагообразующие свойства
Степень помола, ºШР	18	30	28
Толщина отливки, мкм	157	138	147
Межволоконные силы связи (по Иванову), МПа	1,10	1,85	1,37
Средневзвешенная длина волокон, мм	0,99	0,97	0,85
Содержание волокон с длиной не более 0,5 мм, %	2,38	2,72	4,80
Средняя ширина волокна, мкм	21,0	20,95	21,96
Фактор формы	90,6	92,2	91,5
Механические свойства
Разрывная длина, м	5300	8700	6200
Разрушающее напряжение, МПа	35,09	64,71	42,86
ТЕА (энергия необходимая для разрушения образца), Дж/м2	94,0	193,8	128,6
Жесткость при растяжении, кН/м	540	705	495
Жесткость при изгибе, H·м	1,33	1,26	1,16
Сопротивление продавливанию, кПа	340	500	340

Результаты, представленные в таблице, свидетельствуют о явном преимуществе волокнистого полуфабриката размолотого на спиральной гарнитуре.

В процессе размола на мельницах поддерживали одинаковые нагрузки (400 кВт) и расход массы (69 м3/час). Анализируя полученные данные, можно утверждать о преимущественном фибриллировании волокна, размалываемого на мельнице 1. Так, при сохранении средней длины и ширины волокна наблюдается прирост межволоконных сил связи более чем на 60 %, в то время как после прохождения мельницы 2 целлюлозное волокно укорачивается на 14 %, а прирост межволоконных сил связей не превышает 25 %. Несмотря на то, что количество мелочи в обоих случаях не более 5 %, ее содержание после размола на мельнице 2 увеличивается в два раза по сравнению с поступающей на размол массой.

Улучшение бумагообразующих свойств лиственной целлюлозы после прохождения мельницы со спиральной гарнитурой, можно объяснить лучшей разработкой поверхности волокна, способствующей образованию большего количества свободных гидроксильных групп и, как следствие, повышению межволоконных сил связи без снижения средней длины волокна.

Совокупность изменения фактора формы при сохранении средней длины волокна позволяет говорить о внутренней фибрилляции, что наряду с повышенными бумагообразующими свойствами дает улучшение физико-механических характеристик размалываемого полуфабриката. Данное предположение подтверждено результатами механических испытаний образцов бумаги (масса бумаги 100 г/м2) изготовленных из размолотой целлюлозы, таблица 1. Все характеристики образцов, полученных из массы, отобранной после прохождения гарнитуры с прямыми ножами, почти в 1,5 раза уступают спиральной.

Эффективность использования многозонной спиральной гарнитуры с узкими ножами доказана аналогичными исследованиями, проведенными на других предприятиях отрасли при размоле беленых хвойной и лиственной целлюлоз, а также их смесей. Анализ результатов исследований, подтверждающих преимущество спиральной гарнитуры при воздействии на разные волокнистые полуфабрикаты, и имеющихся литературных данных послужил основанием для выдвижения следующей гипотезы.

Особенности геометрического рисунка расположения ножей на спиральной гарнитуре приводят к снижению интенсивности касательных напряжений на волокнах и стабилизации процесса размола за счет увеличения количества воздействий. Снижение интенсивности касательных напряжений спиральной гарнитуры достигается за счет сохранения постоянства угла пересечения ножей статора и ротора по всей размольной поверхности, а рост количества воздействий на волокно – за счет снижения ширины ножей, что позволяет увеличить их число на единицу площади размольной поверхности. Как следствие, особенности геометрического рисунка приводят к направленному изменению механизмов воздействия спиральной гарнитуры на волокнистые полуфабрикаты в сторону не только внешней, но и внутренней фибрилляции.

2. Исследование влияния спиральной гарнитуры на фундаментальные свойства волокон беленых лиственной и хвойной сульфатных целлюлоз

В качестве объекта исследований было выбрано одно из российских предприятий, специализирующихся на выпуске высококачественной бумаги. В ходе исследований оценивалось влияние спиральной гарнитуры на фундаментальные свойства волокон беленых хвойной и лиственной сульфатных целлюлоз при направленном регулировании процесса размола. Интенсивность процесса размола регулировали изменением удельной нагрузки. Отбор проб осуществляли после мельниц II ступени размола потоков лиственной и хвойной сульфатных целлюлоз. Для оценки динамики свойств контролировали качество: неразмолотой целлюлозы (отобранной из бака высокой концентрации (БВК)), бумажной массы из напорного ящика, а также образцов готовой продукции с соответствующего тамбура.

На потоке лиственной целлюлозы удельную нагрузку увеличивали от минимальной 6 кВт·ч/т до максимальной возможной 28 кВт·ч/т с шагом варьирования 5…9 кВт·ч/т, таблица 2. Другие технологические параметры работы массоподготовительного отдела поддерживали на одном уровне.

Таблица 2 – Влияние изменения удельной нагрузки на фундаментальные свойства лиственной целлюлозы

Точка отбора проб	Размол	Бумагообразующие свойства
Удельная нагрузка, кВт∙ч/т	СП, °ШР	Обезвожи- вание 700 мл, с	lср. взв, мм	bв, мкм	Фактор формы, %	L0, м	Fсв, МПа
БВК	–	14,5	8,0	0,833	21,5	89,5	12500	0,75
Бассейн листвы	–	16,0	8,7	0,814	21,4	90,0	12550	1,19
после II cтупени	6	21,0	15,5	0,823	21,5	90,5	11300	1,76
Напорный ящик		26,5	26,0	1,030	22,6	88,5	9900	0,50
после II cтупени	15	22,0	21,1	0,810	21,7	90,8	11400	2,38
Напорный ящик		30,0	32,7	0,903	22,1	86,7	10900	0,64
после II cтупени	23	23,0	19,3	0,801	22,5	86,3	11400	2,21
Напорный ящик		26,5	32,7	0,920	22,5	88,2	10600	0,51
после II cтупени	28	25,5	18,7	0,810	22,5	90,1	11200	2,25
Напорный ящик		28,5	34,6	0,963	22,6	88,9	10900	0,97

В ходе эксперимента было установлено, что, несмотря на широкий диапазон изменения удельной нагрузки, прирост степени помола (СП) не превышал 4…5 °ШР. Увеличение интенсивности размола при использовании спиральной гарнитуры не оказывает значимого влияние на изменение собственной прочности волокна. Значения нулевой разрывной длины (L0) после II ступени размола колебались в диапазоне 11200…11400 м независимо от условий размола. Полученная динамика полностью согласуется с выдвинутой гипотезой – причиной небольшого прироста степени помола в широком диапазоне удельной нагрузки является изменение механизмов воздействия на волокно, основным из которых служит незначительное увеличение поверхности волокна за счет преимущественно внутреннего фибриллирования. Данные, представленные в таблице 2 свидетельствуют о значительных изменениях фундаментальных свойств лиственной целлюлозы.