Изготовление волокна из круглых лесоматериалов

В качестве исходного сырья для производства древесноволокнистых плит применяются круглые лесоматериалы (как правило, низкого качества), отходы деревообработки и технологическая щепа. Однако конечным продуктом процесса подготовки сырья для изготовления плит МДФ является древесное волокно. Предком современных установок для получения древесного волокна является дефибрер, изобретённый в 1930 году доктором Арне Асплундом (Arne Asplund), основателем известной фирмы Sunds Defibrator), позже вошедшей в состав компании Metso Panelboart. За достижения в области разработки технологии и оборудования для реализации этого метода он дважды был отмечен Королевской шведской академией технических наук в 1947 году – золотой медалью, а в 1969 году – большой золотой медалью Академии. Одновременно с ним также занимались разработкой рафинера и братья Бауэр в США. Их продукт был положен в основу хорошо известной в настоящее время конструкции размольной установки австрийской компании Andritz AG. Они же первыми предложили наиболее распространённый в настоящее время термомеханический способ выработки волокна из древесины, который называют также рафинерным методом. Интенсивное увеличение выпуска древесноволокнистых плит (ДВП) и в частности, МДФ побудило ведущих мировых производителе постоянно совершенствовать размольные системы в целях улучшения характеристик волокна, от которого во многом зависит качество плит, а также производительности систем, снижения энергозатрат и т.д. Ниже речь пойдёт о некоторых современных технических решениях, предложенных рядом зарубежных фирм для снятия этих сложностей.

Решение сырьевой проблемы

В последе время в производстве МДФ наряду с круглым лесом всё шире используются отходы деревообработки (опилки, стружка) и вторичная древесина. Применение такого смешанного сырья приводит к заметному повышению риска увеличения абразивного воздействия на элементы размольно установки. В связи с этим ведущие производители настоятельно рекомендуют устанавливать перед линией размола эффективную систему промывки водой и очистки сырья. Примером может служить система PWH фирмы Pallmann. Ещё один известный поставщик систем подготовки сырья фирма Andritz также непрерывно совершенствует технологические процессы, которые позволяют достичь высоко чистоты сырья. Таким образом, обеспечивается не только увеличение срока службы размольной гарнитуры, но и более высокое качество конечного продукта – плит МДФ. Оптимальные свойства волокнистой плиты увеличивают долговечность режущих инструментов, применяемых для её обработки на мебельных предприятиях, что в конечном итоге приводит к конкурентоспособной рыночной цене продукции. Процесс получения волокна начинается в пропарочном бункере. В случае использования древесных отходов изменения в конструкцию линии размола должны быть внесены уже на этом этапе. Фирма Andritz предлагает новую систему подачи древесной массы в пропарочный бункер, которая обеспечивает смешивание различных фракций сырья в строго определённом соотношении и выравнивание это пропорции по всему объёму, загружаемому в бункер. Это необходимо по целому ряду причин. Главным образом потому, что от породного и фракционного состава древесной массы на входе в размольную установку зависят параметры её рабочего режима, в частности зазор между размольными дисками. Эта зависимость контролируется автоматической системой управления линией размола. Кроме того, с изменением характеристик сырья меняются и условия работы самого пропарочного бункера. Для учёта этого обстоятельства ведущие компании предлагают новую на сегодняшний день конструкцию бункера с подвижным дном. Из пропарочного бункера специальными шнековыми питателями масса подаётся в подогреватель. Назначение этого устройства не только в том, чтобы обеспечить непрерывную подачу сырья, но и в том, чтобы поддерживать постоянное давление в подогревателе. После промывки и пропаривания масса имеет избыточную влажность. Ещё одной важной функцией питател я является удаление (отжим) избыточной влаги и выравнивание влажности по объёму потока. Это позволяет сократить подачу пара в подогреватель, а также уменьшить нагрузку на сушилку. В зависимости от сырьевого материала и производительности установки при условии использования современных напорных шнековых питателей может быть достигнуто понижение этой нагрузки на 10-20%. Скорость подачи сырья питателем обусловлена составом материала. Кроме того, для высокопроизводительных линий существует взаимосвязь между характеристиками сырья и формой шнека и корпуса питателя. Регулирование температуры и времени предварительного прогрева в зависимости от характеристик древесной массы возложено на систему управления линией.

И, наконец, ещё один важный аспект обсуждаемой проблемы. От конструкции гарнитуры размольной установки (размольных сегментов) существенно зависит качество получаемого волокна. Ведущие фирмы-производители, такие как Durametal (производит гарнитуры для рафинеров совместно с группой Andritz), рекомендуют согласовывать эту конструкцию с характеристиками местного сырья. Обладая мощной лабораторной базой и большим опытом, при тесном сотрудничестве с заказчиком специалисты имеют возможность в кратчайшие сроки обеспечить оптимальные параметры сегментов.

Главный элемент системы

При создании размольных установок большой мощности приходится решать ряд инженерных задач. Важнейшие из них оптимизация площади рабочих поверхностей, удаление пара, обеспечение параллельности дисков, устройство подшипников, уменьшение центробежных сил. Площадь рабочих поверхностей определяет производительность и мощность размольной установки. Расширение поверхностей может быть достигнуто за счет увеличения диаметра дисков, но при этом растёт разница окружных скоростей центральных и периферических областей гарнитуры, что влияет на качество древесного волокна. При конструировании установок необходимо находить оптимальные соотношения между площадью поверхностей истирания, мощности двигателя, производительностью установки и качеством древесного волокна. Фирме Pallmann в результате целого ряда инновационных решений удалось разработать серию установок размола ЕСО, самая крупная из которых имеет диаметр дисков 1880 мм (74 дюйма) и мощность привода 4 МВт. Этот рафинер впервые был представлен на рынке в 2007 году. Самый большой действующий рафинер для линий высокой производительности введен в работу фирмой Andritz. Этот рафинер с одинарным диском раз мола диаметром 70 дюймов успешно эксплуатируется в составе нескольких действующих линий производящих древесноволокнистые плиты (ДВП), а также в целлюлозно-бумажной промышленности. Очень крупная система размола под давлением заказанная фирмой Duratex (Бразилия) запущена в 2009 году.

Одной из последних разработок фирмы Metso Panelboard являются размольные установки серии EVO. В них наряду с однонаправленными сегментами применяется новая однонаправленная размольная камера. Спиральный ход волокна в камере в сочетании с выпускным клапаном, открывающимся строго в направлении потока, обеспечивает высокое качество волокна и устранение потерь энергии, возникающих при завихрениях в потоке волокна. В результате экономия электроэнергии составляет от 25 до 50 кВт на тонну хвойного волокна (1-2%). Для эффективного размола нужно создать достаточно высокое давление на щепу со стороны дисков. Осевые нагрузки, возникающие в крупных установках, достигают 60 тонн. Для их восприятия применяют сложные опорные подшипники, оснащённые специальными системами смазки и охлаждения. Потери энергии в этом узле могут составить до 5%, от в целом потребляемой установкой. Поэтому другой путь сокращения энергозатрат – модернизация системы подшипников, на которых установлен вал редуктора размольной установки. С этой целью фирмы Pallmann и Andritz применяют в своих установках существенно доработанные роликовые подшипники для принятия радиальных усилий и специальные гидродинамические – для осевых усилий. Это позволяет достичь примерно такой же экономии элктроэнергии, как и в установках EVO.На сегодняшний день все производители рафинеров поставляют свои машины с гидравлическим регулированием подшипникового зазора.

Серия EVO Defibrator оснащена четырьмя роликовыми подшипниками нулевого биения. Центробежная сила, действующая на вращающийся диск, пропорционально радиусу диска и частоте его вращения. Поскольку чрезмерная нагрузка может привести к разрушению диска, конструкция установки должна обеспечивать разумный компромисс между желанием повысить её производительность и требованиями безопасности. В частности, это касается крепления размольной гарнитуры. Разработчикам размольных установок удалось решить чрезвычайно сложную задачу. Операция замены размольных сегментов существенно влияет на эффективность работы размольной установки (в том числе и по времени). С другой точки зрения, как отмечалось выше, крепление сегментов должно быть надежным. Сегодня время их замены сведено к минимуму за счёт особо конструкции крепёжных болтов, их минимального количества и установки их с обратной (нерабочей) стороны дисков. Последнее, помимо всего прочего, положительно влияет на качество волокна. Фирма Andritz предлагает один из наиболее технологических вариантов конструкции корпуса размольной установки. Статор расположен на поворотной «двери» с оригинальной системой уплотнения и фиксации. То есть для доступа к размольным дискам достаточно разблокировать «дверь» и открыть её, а не осуществлять трудоёмкую операцию разборки корпуса установки с применением подъёмно-транспортного оборудования. Эта конструкция позволяет сократить продолжительность простоя для замены гарнитур до рекордно короткого времени. Согласно заводскому опыту, замену гарнитур можно начинать немедленно после остановки рафинера: нет необходимости ждать, пока оборудование остынет.

Ещё одна особенность современного оборудования для получения волокна состоит в том, что размольные установки оснащаются системой рециркуляции пара, образующегося в процессе размола. Этот пар отводится по специальному трубопроводу в подогреватель, обеспечивая при этом улучшение режима размола и сокращение вредных выбросов в атмосферу.

Следующий аспект заключается в том, что регулирование зазора между ротором и статором установки осуществляется за счёт осевого перемещения ротора. Часто это перемещение производится с помощью электромеханического устройства. Системы управления современных размольных установок, кроме регулирования перечисленных выше параметров, осуществляют контроль готового волокна. В качестве примера можно привести измерительную систему Fiber Scan 2000 фирмы Andritz. Она предназначена для точного и непрерывного мониторинга размеров волокна и выполняет измерения через каждые 10 секунд. Оптический сканер прибора регистрирует несколько сотен волокон в секунду и с помощью микропроцессора классифицирует их по дискретным значениям размеров (256 значений (классов) длины и 164 значения (класса) толщины). Минимальная длина, которую может зарегистрировать прибор, 0,028 мм. Цель контроля – оптимизация фракционного состава волокна, т.е. в первую очередь – сокращение доли мелкой фракции, т.к. именно увеличение количества мелких волокон приводит к заметному перерасходу связующего. Современные системы управления, как правило, обеспечивают визуализацию процесса получения волокна для удобства работы оператора.

Материал для сегментов

Гарнитуру размольных плит приходится периодически менять из-за её износа, который существенно влияет на режим работы рафинера, его производительность и качество волокна. Для увеличения ресурса размольных сегментов требуется обеспечить их оптимальную конструкцию, а также выбрать подходящий для конкретных условий работы рафинера материал сегментов. Прежде чем сформулировать требования к этому материалу, необходимо рассмотреть факторы, влияющие на интенсивность износа гарнитуры. Основная причина износа размольных сегментов – абразивное воздействие древесной массы и посторонних включений. Абразивный износ проявляется в виде округления режущих кромок выступов сегмента. Именно затупление приводит к необходимости замены инструмента, поскольку качество (фракционный состав и размеры волокон) в этом случае существенно ухудшается.

Кратко охарактеризуем другие наиболее важные факторы, которые определяют срок службы сегментов.Попадание крупных инородных частиц может привести к местному разрушению выступов или к их выкрашиванию. Оно может произойти также в результате соприкосновения дисков. Высая влажность сырья и активное образование пара в сочетании с повышенным давлением и достаточно большой скоростью потока обуславливает возникновение эрозии на поверхности сегментов. Влажность, высокая температура и низкое значение pH среды в размольной камере способны вызвать коррозию сегментов. В итоге к материалу сегментов предъявляются достаточно противоречивые требования. Он должен хорошо противостоять абразивному износу, т.е. обладать высоко твёрдостью, и в то же время иметь достаточно высокое значение вязкости, чтобы противостоять ударным нагрузкам и эрозии. Из-за больших нагрузок в результате возникновения центробежных сил нельзя забывать о прочности, а также о коррозийной стойкости. Практика использования рафинеров современной конструкции в производстве МДФ показала, что наиболее эффективными материалами для размольной гарнитуры являются износостойкие высоколегированные белые чугуны, выплавленные в соответствии со стандартами ASTM 532 (США) или EN JN2029, EN JN2039, EN JN2049, EN JN3029, EN JN3039, EN JN3049(EC). В таблице 1 приведен химический состав основных типов таких сплавов. Однако исследования в этой области продолжаются. Их целью является повышение износостойкости и коррозионной стойкости, для того чтобы удлинить срок службы размольных сегментов. Лидерами в этой области являются две североамериканские фирмы:J&L Fiber Services и Durametal Corp (входящие в группу Andritz). Эти фирмы поставляют высококачественные гарнитуры для размольных установок, использующихся на плитных производствах и ЦБП. Например, фирма J&L Fiber Services разработала сплав JL 50, который обладает более высоко износостойкостью по сравнению с наиболее широко применяемым стандартным сплавом 20%Cr, обеспеченный без потерь в ударной вязкости и эрозионной стойкости. Ресурс сегментов из предлагаемого сплава превышает аналогичный показатель стандартного на 20-35%. Эффект достигнут в частности за счёт увеличения объёмной доли карбидов на 14% по сравнению с хромистым чугуном 20%Cr.

Возможности модернизации существующих производств

Сегменты не единственные детали размольной установки, подверженные износу. Поток пара и волокна, выходящего из пространства между дисками, обладает достаточно высокой кинетической энергией, для того, чтобы соприкасаясь с корпусом рафинера, вызвать его абразивный и эрозионный износ. Для того, увеличить ресурс размольных установок фирма Metso Panelboard предлагает техническое решение, касающееся конструкции статора. Поток волокна и пара с помощью специального дефлектора отклоняется и частично рассеивается, что существенно снижает интенсивность его воздействия на поверхность корпуса рафинера. Многие из инноваций могут быть реализованы на действующих линиях без дополнительных капитальных затрат и длительной остановки производственного процесса. Приведём несколько наиболее впечатляющих примеров. Фирма Andritz имеет большой опыт модернизации установок подготовки волокна. Такие мероприятия были осуществлены на предприятии Kronospan Samen. Менее чем за 7 дней была проведена полная реконструкция системы размола под давлением с заменой рафинера 50/54 дюймов – ICP на рафинер 54/60 дюймов – ICP с выходом на заявленные показатели. Процесс замены размольной установки М54 Defibrator на новую систему EVO56 занял всего 11 дней, а через 600 часов после запуска от технологов предприятия поступила информация о первых результатах работы системы. Удельный расход электроэнергии для всех степеней помола сократился на 10%, а уменьшение расхода пара составило 25-45%. Эти результаты достигнуты в основном за счёт эффективного снижения влажности сырья. В связи с этим возможна поэтапная реконструкция системы размола. В первую очередь производится модернизация оборудования, предназначенного для подготовки сырья. Имеется в виду установка более современных пропарочных бункеров, шнековых питателей и подогревателей. Далее – оптимальная конструкция гарнитуры размольных установок и применение для них современных сплавов.Однако оптимальным решением, по мнению специалистов, является полная замена оборудования линии.

Заключение

В расчётно-графической работе произведен расчёт расходы сырья и материалов для производства гипсоволокнистых плит. Расчётно-графическая работа также содержит описание технологического процесса производства гипсоволокнистых плит.