9.4. Горячее прессование плит

9.4.1. Общие положения. Прессование – основная операция технологического процесса, определяющая качество выпускаемых плит и производительность оборудования. Во время прессования влажное древесноволокнистое полотно подвергается большому давлению при высокой температуре и превращается в древесноволокнистую плиту. Это превращение происходит вследствие физических, химических и морфологических изменений насыщенного влагой древесного волокна.

Процессы, возникающие при прессовании, можно объяснить следующим образом. В начальной фазе прессования из влаж­ного полотна отжимается около 1/3 содержащейся в нем воды; сухость полотна доводится до 55%. Затем вода, оставшаяся в капиллярах и стенках клеток, выпаривается. Давление, ока­зываемое на прессуемые переплетенные между собой волокна, передается не по всей поверхности, и поэтому в местах пере­крещивания волокон создается давление, которое значительно больше номинального. Под воздействием давления пластифици­рованные водой разбухшие волокна сближаются. Вода испа­ряется прежде всего из крупных пор без видимых изменений в структуре полотна. Температура полотна не поднимается выше точки кипения воды до тех пор, пока влажность не упа­дет до точки насыщения волокна. Далее испарение воды проис­ходит в пространствах между фибриллами, что требует боль­шого расхода тепловой энергии и сопровождается повышением внутреннего давления. Удаление воды приводит к сокращению (стягиванию) микропространств. Сближение поверхностей дре­весных частиц создает возможность образования водородных связей. При конечной фазе прессования, когда вода полностью испарилась, сухость полотна достигла 99%, а температура близка к температуре плит пресса, начинают действовать силы Ван дер Ваальса. Кроме того, в процессе прессования происхо­дят пластифицирование древесных волокон и химические преоб­разования компонентов древесины, вследствие чего полотно склеивается.

Существуют также гипотезы о клеевых свойствах лигнина, о решающей роли гемицеллюлоз и др. Химизм процесса прес­сования рассмотрен в научных работах. В процессе прессова­ния происходят изменения целлюлозной части древесного ком­плекса. Уменьшаются размеры элементарной кристаллической решетки, идет укрупнение кристаллических участков. Упорядо­чение структуры делает возможным сближение целлюлозных молекул и сегментов макромолекул на расстояния, необходимые для образования химических связей между древесными волок­нами. При повышенном давлении и высокой температуре на­блюдаются термогидролитические превращения гемицеллюлоз, что вызывает увеличение содержания водорастворимых продук­тов в прессуемом материале, окисление первичных гидроксильных групп сахаров с образованием карбоксильных групп, уста­новление простых и сложноэфирных связей в результате реак­ций дегидратации и этерификации. Этим объясняется, что прочность и водостойкость плит находятся в соответствии с коли­чественными изменениями экстрактивных веществ, изменениями функциональных групп, водородных связей, свободных радика­лов и подвижностью углеводного скелета древесного волокна.

Прочность плит определяется прочностью волокон и межво­локонных связей. Прочность волокон на разрыв зависит от по­роды древесины. В образовании межволоконных связей уча­ствуют все основные компоненты углеводлигнинного комплекса, значительная часть которых находится в размягченном, пласти­фицированном состоянии. Наличие низкомолекулярных веществ, некоторое снижение степени полимеризации целлюлозы, раз­мягчение лигнина, повышение гибкости цепей макромолекул при пьезотермообработке способствует увеличению поверхности контакта между волокнами и адгезионному взаимодействию между ними.

Проведенные эксперименты показали, что в процессе из­готовления древесноволокнистых плит лигнин претерпевает из­менения за счет возникновения новых химических связей и обра­зования конденсированных структур. Течение конденсации лиг­нина с образованием новых углерод-углеродных связей приводит к укрупнению структурных образований. Интенсивное течение конденсационного процесса наблюдается на стадии прессова­ния, на основе чего высказано мнение, что лигнину может быть отведена особая роль как полимеру, обладающему высо­кой реакционной способностью.

В зависимости от сырья и способов ведения технологиче­ского процесса можно получить требуемые физико-механиче­ские свойства плит. Для выбора параметров и режима прессо­вания необходимо учитывать следующие исходные факторы: породный состав и качество исходного сырья; способ и качество приготовления массы; характеристику проклеивающих материа­лов и способ их введения; технические возможности пресса.

9.4.2. Конструкция прессовой установки. Прессовая установка включает в себя пресс, загрузочно-разгрузочное устройство, на­сосную станцию, гидросистему, аккумулятор для приготовления горячей воды, пульт управления, электрооборудование и кон­трольно-измерительные приборы.

Пресс. Современный пресс 25–30-этажный, гидравличе­ский, вертикальный, 4- или 10-цилиндровый, 8- или 10-колонный (рис. 9.15). На раме 1, прикрепленной к фундаменту 2, установ­лены цилиндры 3. В цилиндры вставлены плунжеры 4, которые соединены с нижней подвижной траверсой 5. Подвижная тра­верса в своем нижнем

положении упирается на опоры 6, при­крепленные к цилиндрам. Цилиндры соединены с верхней, не­подвижной траверсой 7 колоннами 8.

К верхней и нижней траверсам крепят охлаждающие 9 и на­гревательные 10 плиты. Между этими плитами подвешены на­ гревательные плиты 11, которые образуют промежутки (этажи).

К каждой нагревательной плите прикреплены по четыре зацепа, которые во время размыкания пресса оседают на специальных каскадных упорах (гребенках), обеспечивая после полного от­крытия пресса, расположение нагревательных плит на равных расстояниях друг от друга. Нагревательные плиты имеют за­жимы для крепления глянцевых листов и специальную продоль­ную систему нагревательных каналов (отверстий). У каждой плиты один вход и один выход.

Разница температур в любой точке поверхности плиты не должна превышать 6°С. Подвод горячей воды к нагревательным плитам осуществляется труб­чатой шарнирной системой, котораяобеспечивает полный рабо­чий ход пресса и возможность отвода воды из плит самотеком.

В охлаждаемых плитах циркулирует холодная вода. Они слу­жат для предотвращения нагрева всей конструкции пресса.

Загрузочно-разгрузочное устройство. Пред­назначено для загрузки в пресс влажных полотен и выгрузки из него готовых плит. Устройство состоит из двух этажерок, на­правляющих рам и приводов.

Загрузочная и разгрузочная этажерки представляют собой сварную металлоконструкцию, имеющую число двойных рядов роликов, соответствующее числу этажей пресса. По каждому двойному ряду роликов перемещаются транспортные листы (под­доны) с древесноволокнистыми полотнами (плитами).

Рис. 9.15. Конструкция 25-этажной прессовой установки

В средней части каждой этажерки по всей рабочей высоте предусмотрен проем для свободного прохода загрузчика (раз­грузчика). Он служит для одновременной загрузки пресса влаж­ными полотнами и выгрузки из пресса прессованных плит. Эта­жерка может опускаться и подниматься. При движении она направляется по четырем вертикальным стойкам роликами, расположенными вертикально по пять роликов на каждой стойке.

Крайние верхние и нижние положения этажерок ограничивают регулировочными болтами и амортизирующими стаканами. Эта­жерки поднимаются четырьмя гидравлическими цилиндрами (по два на каждую).

Движение загрузчика происходит по двум горизонтальным балкам, один конец которых крепится к верхней траверсе пресса. Зажим и разжим захватов разгрузчика при выгрузке поддонов из пресса осуществляют в конечных положениях.

Насосная станция и гидросистема. Гидравлический привод пресса состоит из приводов низкого давления и высокого давления, бака рабочей жидкости, распре­делительной и контрольной аппаратуры.

Привод низкого давления служит для быстрого смыкания нагревательных плит пресса и подъема этажерок на заданную величину хода. Привод высокого давления – для получения за­данного удельного давления прессования.

Распределительная аппаратура обеспечивает подачу рабо­чей жидкости (эмульсии) в рабочие полости цилиндров, слив эмульсии с соответствующим дросселированием, заданное вклю­чение и выключение систем высокого и низкого давления.

Электроконтактные манометры в сочетании с реле времени обеспечивают выполнение заданного графика режима прессо­вания. Основные агрегаты привода низкого давления: водно-воздушный наполнитель, насосы, компрессоры.

Аккумулятор для приготовления горячей воды. Аккумуляторная установка обеспечивает приготовление горячей воды с температурой свыше 200°С, ее подачу к плитам пресса и к камерам термообработки.

Установка состоит из ре­зервуара (аккумулятора), рассчитанного на принятое рабочее давление теплоносителя и удовлетворяющего требованиям котлонадзора (рис. 9.16).

В одно-воздушный наполнитель с рабочим давлением 6,3 МПа и рабочим объемом 3800 л состоит из двух напорных баков (гидрофоров), из которых один водно-воздушный, другой – воз­душный. Воздушные пространства обоих баков соединены тру­бопроводом. Нагнетание воздуха осуществляется компрессором с максимальным давлением 6,3 МПа и производительностью 75 л/мин. Водно-воздушный наполнитель в короткое время обес­печивает подачу эмульсии в цилиндры пресса.

Низкое давление создается двумя насосами производитель­ностью 360 л/мин и номинальным давлением 6,3 МПа. Высокое давление прессования создается тремя гидронасосами произво­дительностью 67 л/мин и номинальным давлением 31,6 МПа.

Подача эмульсии от насосов высокого давления к цилиндрам пресса или в бак рабочей жидкости регулируется так же, как и от насосов низкого давления, распределительным устройством. Бак рабочей жидкости предназначен для приема эмульсии, из цилиндров пресса и этажерок, а также для питания эмульсией насосов. Он оборудован указателем уровня жидкости, фильтром, наружной и внутренней лестницей. Рабочая вместимость его – 11000 л.

Распределительная аппаратура состоит из переливных ус­тройств и клапанных распределителей. Схема работы гидроси­стемы пресса приведена на рис. 9.17.

Сверху в резервуаре расположен нагреваю­щий каскад, через трубопровод в который подается пар из ко­тельной. В рабочем состоянии аккумулятор почти полностью заполнен водой и циркуляционный насос перегоняет ее из ниж­ней части в верхнюю на нагревающий каскад. Здесь вода, пере­мешиваясь с паром, нагревается до температуры пара. Горячая вода для обогрева оборудования поступает из верхней зоны и уже отработанной возвращается в нижнюю зону аккумулятора.

Рис. 9.17. Схема работы гидросистемы пресса РН-р-5325/25В:

1 – гидравлический пресс; 2 – гидравлический насос; 3 – переливной клапан; 4 – воз­душный компрессор; 5 – многоступенчатый центробежный насос; 6 – гидрофор; 7 –за­крывающий клапан; 8 – обратные клапаны; 9 – заливной клапан; 10 – бак рабочей жидкости; 11 – переходная муфта; 12 – обратный клапан с переходной муфтой; 13 – обратный клапан с дросселирующим отверстием; 14 – игольчатый клапан, регулирую­щий давление; 15 – распределитель; 16 – контактные манометры; 17 – контрольные манометры

Пульт управления, электрооборудование и контрольно-измерительные приборы. Устройства системы управле­ния пресса позволяют вести работу вручную, полуавтома­тически и автоматически. Про­должительность прессования и величина давления могут быть заданы произвольно в за­висимости от прессуемого ма­териала.

Загрузка, разгрузка и транспортировка плит, а также возврат поддонов автоматизированы. Пресс и устройства, транспортирующие древесноволок­нистые плиты, обслуживаются оператором с рабочего места, предназначенного для управления.

9.4.3. Режимы прессования. Ре­жим прессования зависит от многих факторов: качества сырья и массы, влажности и толщины древесноволокнистых полотен, технологических параметров пресса, состояния пресса и его одежды. Весь период (цикл) прессования разделяется на три технологические фазы: отжим, сушку, закалку. Циклограмма работы гидравлического пресса приведена на рис.9.18.

Рис. 9.18. Циклограмма прессования:

t_заг – продолжительность загрузки пресса; t_с – продолжительность смыкания плит пресса до начала подъема давления; t₁ – продолжительность подъема давления до максимального значения (заданного по режиму); t₂ – выдержка при максимальном давлении; t₃ – сброс давления с максимального до давления фазы сушки; t₄ – выдерж­ка при давлении, установленном для фазы сушки; t₅ – продолжительность подъема дав­ления; t₆ – выдержка при давлении, установленном для фазы закалки; t₇ – продолжи­тельность снижения давления до 0;

t_р–продолжительность размыкания плит пресса (от нулевого давления);

t_в – выдержка под давлением; t_ц–продолжительность одного цикла прессования; p₁ – давление отжима; p₂ – давление сушки; p₃ – давление за­калки

Время загрузки пресса зависит от конструкции этажерок и толщины загружаемых полотен. Для прессовых установок со­временной конструкции t_заг=1 мин. Время смыкания плит (мин) пресса можно определить по формуле

(9.4)

где п – число промежутков в прессе; H – просвет между пли­тами пресса, мм; h – толщина волокнистого полотна, поступив­шего в пресс, мм (подбирают опытным путем, в зависимости от качества массы и характеристики изготовляемых плит, принимая равной 6–7-кратной толщине готовой плиты); a – сум­марная толщина глянцевого, противоизносного, транспортного листов, а также транспортной и подкладных сеток; v_c – ско­рость смыкания плит пресса, мм/с.

Время подъема давления до максимального t₁ обусловли­вается техническими параметрами и состоянием гидросистемы пресса. У прессов для мокрого способа производства плит об­щее время смыкания и подъема давления составляет не более 1,5 мин.

Время выдержки при максимальном давлении t₂ под­бирают таким, чтобы общее время первой фазы было возможно ко­ротким и в то же время обеспечивало удаление свободной влаги из ковра. Продолжительность первой фазы составляет 50–90 с. Влаж­ность волокнистых полотен доводят до 45–50%. Продолжитель­ность выдержки при максимальном давлении устанавливают опытным путем, исходя из конкретных условий производ­ства (не более 30 с). Экспериментально доказано, что интен­сивное удаление воды наблюдается по мере нарастания давле­ния до 2,0–2,5 МПа. С повышением давления улучшается также качество изготовляемых плит. Установлено, что оптимальное максимальное удельное давление составляет 5,0–5,5 МПа.

Короткий цикл первой фазы определяется технологическими со­ображениями. При быстром подъеме давления до максималь­ной величины влажные полотна имеют меньше времени для нагревания, и вода не успевает превратиться в пар. Повышение же температуры воды вызывает понижение ее вязкости и спо­собствует лучшему удалению.

При медленном подъеме давления верхние слои волокни­стых полотен нагреваются до температуры 100°С и влага на­ружного слоя в течение нескольких секунд превращается в пар. Объем пара занимает пространство во много раз большее, чем исходное количество воды. Таким образом, в воздушных пусто­тах поверхностного слоя возникает избыточное давление. В ре­зультате создавшегося перепада давления пар интенсивно движется от поверхностных слоев к центру плиты. Неравномер­ность влажности полотна приведет к тому, что верхний слой поступит в фазу закалки пересушенным, это вызовет сниже­ние прочности плит и образование пятен на их лицевой поверх­ности.

Уменьшение длительности первой фазы целесообразно и по эконо­мическим соображениям. Интенсивный отжим воды сокращает расход тепловой энергии. Теплопотери на этой стадии должны составлять 3–4% общего количества тепла, выделяемого за весь цикл прессования.

По паспортным данным пресса Р-Нр-7400/30, ориентировоч­ный расход тепла при изготовлении 5 мм плит и 7 циклах (за­прессовках) в час составляет 29 750 мДж.

Скорость механического обезвоживания в прессе зависит не только от давления и температуры, но и от характеристики прессуемых полотен: влажности, толщины и степени размола массы.

Влажность древесноволокнистых полотен определяется сте­пенью обезвоживания в отливной машине. Относительная влаж­ность полотен перед запрессовкой составляет 68–72%. При низкой влажности (меньше 65%) наблюдается ухудшение каче­ства плит и иногда даже расслоение. Это явление находит различные объяснения. Отсутствие достаточной влаги на первой фазе прессования отрицательно сказывается на гидропластических свойствах волокон. Вода и образуемый пар воздействуют на волокна. Между набухшими волокнами происходит более тесный контакт. По мере удаления воды усиливается связь между волокнами, и эта связь тем большая, чем продолжитель­ней процесс отвода воды. Однако длительность этого процесса должна быть оптимальной, поскольку слишком глубокий гидролиз древесины может вызвать усиленное выделение углево­дов и сахаристых веществ, образующих пятна на плитах.

На рис. 9.19 и 9.20 приведены диаграммы зависимости удельного давления прессования и влажности прессуемых полотен при различных параметрах.

Толщина древесноволокнистых полотен и степень размола массы обратно пропорциональны скорости обезвоживания.

Чем толще полотно и чем выше степень размола массы, тем труд­нее осуществить обезвоживание.

После первой фазы прессования (отжима) переходят ко второй фазе – сушке плит, так как дальнейшее удаление воды возможно только ее испарением. Для ведения процесса сушки снижают удельное давление прессования, чтобы создать благоприятные условия удаления пара из полотен.

Рис. 9.19. Диаграмма обезвоживания плиты в зависимости от толщины

отливки из дефибраторной массы (градус помола 9,2 °ШР)

при массе 1 м², кг: 1 – 7,4; 2 – 5,6; 3 – 3,7

Рис. 9.20. Диаграмма обезвоживания плиты в зависимости от степени размола (масса отливки 5–6 кг), °ШР: 1 – 6; 2 – 9,2; 3 – 16

Время сброса давления составляет около 15 с. Его поддерживают на уровне 0,8 МПа, что несколько ниже давления выходящего пара. Для обеспече­ния равномерного выделения пара из влажного волокнистого полотна давление в период сушки сохраняют постоянным.

Сушку можно проводить и при большем давлении. При этом улучшаются физико-механические свойства плит, однако сушкапроходит медленно и возникает опасность образования пятен и пригаров. При более низком давлении увеличивается его раз­ность с давлением выходящего пара, и это приводит к повреж­дению внутренней структуры плит, а затем к их расслоению.

Снижение давления перед фазой сушки для получения плиты с нужной плотностью не оказывает влияния на последнюю. Плотность плиты определяется на первой фазе прессования. Кроме того, для получения твердой плиты с плотностью 0,9 г/см^3, до­статочно удельного давления 0,4 МПа (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Диаграмма зависимости плотности от удельного давления прессо­вания

Большое влияние на ход ведения процесса прессования ока­зывает также температура плит пресса. При мокром способе производства древесноволокнистых плит температура прессова­ния составляет 200–215°С. Однако эта температура может быть повышена при определенных условиях до 230°С, что предусмо­трено в прессовых установках последних моделей. Повышение температуры прессования вызвано стремлением ускорить про­цесс выпаривания воды из древесноволокнистого полотна. Од­нако при температурах выше 230°С усиливается процесс рас­пада органических соединений, сопровождающийся ухудшением качества волокон, в результате чего плиты получаются хруп­кими и слабыми.

Фирма «Дефибратор», исследуя диапазон температур 187–210°С, установила, что повышение температуры прессования приводит к улучшению качества физико-механических свойств плит. Рост прочности на статический изгиб плит наблюдался при увеличении температуры с 200 до 210 °С. Прирост прочности при этом перепаде температур составил ~12–14%.

На продолжительность сушки влияют и степень размола массы и толщина прессуемых полотен. Чем выше степень раз­мола массы и больше толщина плиты, тем период сушки про­должительней. Время ее в зависимости от конкретных условий составляет 3,5–7 мин.

Во время II фазы прессования вода удаляется де тех пор, пока относительная влажность древесноволокнистой плиты не составит 7%. Эта влажность необходима для проведения реак­ций конденсации в заключительной фазе прессования.

Практически момент окончания фазы сушки определяют по прекращению выделения из плит пара. При этом к нагреватель­ным плитам пресса подводится полированная стальная пла­стинка или зеркальце, на которых хорошо видны следы пара.

Большей же частью время сушки устанавливают подбором при работе по автоматическому режиму.

Последовательность процесса обезвоживания древесново­локнистого полотна показана на рис. 9.22.

Рис. 9.22. График обезвоживания массы в процессе изготовления плиты

В третьей фазе прессования (закалке) плиты подвергают тепло­вой обработке при повышенном давлении, доводя влажность до 0,5–1,5%. Давление прессования – максимальное или не­сколько ниже. Переход к фазе закалки при повышенной влаж­ности древесноволокнистых плит (выше 10%) недопустим, так как возникает опасность образования пятен и пузырей. Также недопустима и пониженная влажность (менее 5%), так как древесноволокнистая плита не будет иметь достаточной пла­стичности и при повышенном давлении может произойти нару­шение ее структуры. Большое значение при закалке древесноволокнистых плит имеет температура плит пресса. Более высокая температура понижает водопоглощение и набухание плит.

Однако существует граница, до которой можно принимать температуру прессова­ния. Польские специалисты рекомендуют температуру до 230°С. При более высокой температуре появляется опасность образо­вания пригаров.

Продолжительность третьей фазы подбирается опытным путем и обычно не превышает 3 мин. Для сокращения общего цикла прессования при использовании в производстве плит качествен­ного хвойного сырья фазу закалки полностью или частично ис­ключают.

В технологической инструкции, разработанной ВНИИдревом, рекомендованы следующие режимы прессования: влаж­ность (относительная) древесноволокнистых полотен, поступаю­щих в пресс, 72±3%; влажность плит после пресса 0,8–1,2%; удельное давление прессования на фазе отжим 4,2–5,5 МПа (при содержании лиственных пород более 70% – 5,5 МПа), на фазе сушка 0,65–0,85 МПа, на фазе закалка 4,2–5,5 МПа (при содержании лиственных пород более 70% – 5,5 МПа). Температура плит пресса (теплоносителя на входе) в зависимо­сти от породного состава используемого древесного сырья, °С приведена в табл. 9.3:

Продолжительность цикла горячего прессования установлена с учетом породного состава сырья, ширины нагревательных плит пресса и толщины готовых плит.

Таблица 9.3