Факторы размола щепы
Все факторы размола необходимо рассматривать исходя из влияния их на решение трёх задач:
1) получения массы необходимого качества;
рационального расходования энергии;
3) максимальной регенерации энергии, затраченной на образование избыточного тепла.
Порода древесины. На процесс размола оказывают влияние прежде всего плотность древесины и содержание в ней экстрактивных веществ. Чем плотнее древесина, тем больше удельный расход энергии на получение массы (для сосновой древесины больше, чем для еловой, для берёзовой больше, чем для осиновой). Объясняется это тем, что у древесины большей плотности волокна более широкие и имеют более толстую клеточную стенку, в связи с чем требуется больше усилий на разрушение волокна.
Повышенное содержание экстрактивных веществ, обусловливающих более прочное связывание волокон, определяет большие энергетические затраты на производство массы из смолистых пород древесины и, в частности, является одной из причин большего расхода энергии при размоле щепы из сосны.
Влажность древесины. Вода, содержащаяся в исходной щепе, способствует пластификации лигнина и гемицеллюлоз при высокой температуре. Чем выше влажность древесины, тем выше прочность получающегося волокна, меньше обрывков волокон, ниже удельный расход энергии и больше количество получаемого вторичного пара. Влажность щепы перед размолом должна быть выше точки насыщения волокна.
Фракционный состав щепы. Влияние этого фактора на процесс размола рассмотрено в разделе 4.4.
Температура процесса (температура в зоне размола). Древесные волокна при обычной температуре хрупки и легко ломаются, что при размоле уменьшает среднюю их длину. Под воздействием повторяющихся сил сжатия повышается температура и происходит изменение связей внутри волокон, снижается их жёсткость.
При температуре 100 оС лигнин (межклеточный) недостаточно пластифицируются для отделения волокон, что приводит к образованию коротких недеформируемых пучков волокон. При температуре 110 – 135 оС (оптимальная температура) разделение волокон осуществляется по наружным слоям клеточной стенки. В результате на поверхности волокна обнажается слой с большим содержанием целлюлозы и образуется масса, состоящая из фибриллированных легкосвязующихся волокон. При температуре выше 135 оС деструкция происходит по срединной пластинке, в связи с чем поверхность волокна получается покрытой лигнином из срединной пластинки и становится гидрофобной, а это приводит к ослаблению межволоконных связей. При температуре выше 140 оС может наблюдаться распад целлюлозы и потемнение массы. Температура при размоле зависит от того, при каком давлении проводится процесс (повышенном или атмосферном), от условий пропарки щепы и составляет в большинстве случаев 105 – 130 оС.
Давление в зоне размола тесно связано с температурой. Чем выше давление процесса, тем прочнее получаемая масса, но ниже белизна и оптические свойства. Предельно допустимым давлением считается 380 кПа.
Концентрация массы. Размол щепы рационально производить при высокой концентрации массы. С повышением концентрации массы в зоне размола улучшаются качественные показатели получаемой массы, уменьшается удельный расход энергии. Оптимальная концентрация в зоне размола 30 – 40 %. Обычно концентрация массы на первой ступени размола от 20 до 50 %, на второй – от 15 до 40 %.
Удельный расход энергии во многом определяет качество массы. Между удельным расходом энергии и прочностью получаемой массы существует практически линейная зависимость, т.е. чем выше расход энергии, тем больше прочность массы на разрыв при растяжении.
На удельный расход энергии влияют порода древесины и размеры щепы, давление и температура процесса, степень обработки щепы (водой, паром, химикатами), степень полмола массы, конструкция и материал ножевой гарнитуры. Чем плотнее используемое древесное сырьё, тем выше расход энергии (см. выше). Уменьшение размеров щепы снижает расход энергии, но одновременно ухудшает прочностные свойства полуфабриката. Обработка щепы химикатами позволяет получать массу той же степени прочности при меньшем расходе энергии. Увеличение температуры и давления процесса приводит к увеличению удельного расхода энергии. Чем выше степень помола массы, которая характеризует уровень фибриллированности волокон, тем выше расход энергии на размол. Удельный расход энергии на производство ДМ из щепы в дисковых мельницах составляет 1400-3000 кВт·ч/т, что значительно выше, чем при производстве обычной ДДМ.
Расход энергии на производство ТММ со степенью помола 40 – 50 0ШР составляет 1400 – 1700 кВт·ч/т, со степенью помола 65 0ШР для газетной бумаги – 1900 – 2100 кВт·ч/т, со степенью помола 73 – 80 0ШР для журнальной бумаги – 2200 – 2800 кВт·ч/т.
При размоле в две ступени энергия распределяется по ступеням для хвойной древесины в соотношении: 60:40, а для лиственной – 40:60.
Конструкция ножевой гарнитуры рафинёра может изменять удельный расход энергии в пределах 10 – 15 %. Однако модель ножевой гарнитуры, обеспечивающая снижение расхода энергии, одновременно приводит к снижению качества массы или уменьшению производительности рафинёра.
Конструкция размалывающей (размольной) гарнитуры. Используемая в настоящее время размольная гарнитура независимо от типа рафинёра состоит из секторов, имеющих принципиально одинаковую конструкцию. В зависимости от диаметра дисков комплект гарнитуры состоит из 6, 8 или 12 секторов. На рабочей поверхности гарнитуры расположены рифления (ножи), получаемые чаще всего литьём (иногда механической обработкой). Каждый сектор имеет 3 зоны (рис. 23): 1 – зона разбивных ножей, или первичного измельчения; 2 – зона грубого размола (конусная зона), 3 – наружная зона тонкого размола, причём, чем больше ширина этой зоны, тем выше качество получаемой массы.
Рис. 23. Принципиальная конструкция гарнитуры дисковой мельницы: (I, II, III - первая, вторая, третья зоны размола); 1-канавки; 2,5-ножи; 3-перегородки; 4-радиус контакта; 6-гайка.
Каждая зона размалывающего сектора состоит из ножей различных конструкций. Чем меньше расстояние между ножами (или плотнее профиль поверхности гарнитуры), применяемой в одном диапазоне мощности и производительности рафинёра, тем качественнее размол, сопровождающийся увеличением доли длинноволокнистой фракции. Однако чаще важно создать способную к связеобразованию фибриллированную длинноволокнистую фракцию в сочетании с оптимальным содержанием мелкой фракции.
Применение секторов с редким профилем поверхности приводит к режущему режиму размола.
На количество длинноволокнистой фракции (на качество массы) оказывает влияние и рисунок ножевой гарнитуры (используется более 400 рисунков).
Гарнитура рафинёров 2 и 3 ступени размола, а также гарнитура для размола отходов сортирования не имеет дробильных ножей.
Зазор между дисками. Зазор между поверхностями дисков или их присадка имеет исключительно важное значение для процесса размола.
Величина зазора зависят от вида полуфабриката, ступени размола и типа рафинёра. Например, при размоле ТММ в рафинёрах – 0,35 – 1,0 мм, при размоле отходов сортирования – 0,3 – 0,6 мм, при размоле массы низкой концентрации (4-5 %) – 0,1-0,4 мм.
На зазор между дисками влияют концентрация массы, удельный расход энергии, интенсивность размола. Зазор между дисками увеличивается при повышении давления и концентрации и сокращается с увеличением удельного расхода энергии, снижением жёсткости щепы, повышением температуры рафинирования и температуры воды для разбавления. В производстве ХТММ при прочих равных условиях зазор может быть меньше, чем в производстве ТММ.
Рис. 24. Ножевая гарнитура.
Состояние ножевой гарнитуры также оказывает значительное влияние на качество массы. При размоле волокна собираются слоями на передней кромке ножа, где они подвергаются действию сил трения и сжатия.
При установке на рафинёр новой гарнитуры происходит разрыв волокон в процессе размола из-за остроты кромок ножей. В результате температура в зоне размола снижается, уменьшается содержание длинноволокнистой фракции, волокна оказываются жесткими. Этот начальный период обычно длится от 1 до 3 суток, в зависимости от типа и материала ножей.
В процессе износа гарнитуры наблюдается повышение прочностных свойств массы. Это объясняется тем, что при переходе от режущего размола к трущему возрастает образование мелочи в результате закругления острых передних кромок ножа. При чрезмерном закругление кромок увеличивается количество длинных волокон, сокращается доля мелкой фракции и увеличивается содержание костры.
Величина износа ножей на различных установках колеблется от 0,2 – 0,3 до 2,0 – 3,0 мм.
Срок службы размалывающей гарнитуры зависит от качества древесного сырья, содержания в нём посторонних примесей, типа рафинёра, материала гарнитуры и рисунка, степени помола массы, а также системы регулирования зазора между дисками. Параллельность ротора и статора увеличивает активную зону размола, способствует более равномерному износу и увеличению срока службы гарнитуры при повышении качества массы.
Нормальный срок службы ножей из углеродистой стали до 800 ч на первой ступени и до 1500 – 2000 ч на второй. Ножи из чугуна работают 300 – 500 ч.
В Швеции разработаны два сплава для изготовления гарнитуры дисков: кислотоупорная сталь и чугун с высоким содержанием хрома, срок службы которых до 1600 час. Нанесение на поверхность пластины карбида вольфрама увеличивает срок службы гарнитуры на 1-й ступени до 3500 ч. Проводятся исследования по использованию пластин, покрытых карбидом титана.
Обязательная промывка щепы, удаление опилок, использование карбидов металлов для упрочнения поверхности пластин может увеличить срок службы гарнитуры до 5000 ч.
На срок службы гарнитуры влияет и величина рН в зоне размола. Добавка Na2CO3 и Na2SO3 в зону размола для поддержания рН от 4,8 – 6,6 значительно увеличивает срок службы дисков.
Размол протекает более эффективно, если материал ножа имеет высокую шероховатость поверхности, обеспечивающую высокий коэффициент трения между материалом ножа и волокном.