Ударный эффект при воздействии ножевой гарнитуры как фактор повышения качества размола

УДК 676.1.054.1

В. А. Кожухов, В. И. Ковалев, Ю. Д. Алашкевич

УДАРНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НОЖЕВОЙ ГАРНИТУРЫ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАЗМОЛА

Приведен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области процесса размола волокнистых материалов ножевым способом.

Размол бумажной массы является исключительно важным этапом технологии производства бумаги, в процессе которого волокнистому материалу придается необходимый фракционный состав с тем, чтобы при отливе на бумагоделательной машине обеспечить требуемую структуру и плотность бумажного листа. В частности, волокнистый материал должен обладать такими физико-химическими свойствами, полученными при изменении степени дисперсности волокнистой суспензии, расщеплении волокон и обработки их поверхности, от которых будет зависеть образование межволоконных сил связей и, следовательно, механическая прочность и многие другие свойства бумажного полотна [1].

Первые технологии производства бумаги были разработаны более четырех тысяч лет назад в Китае. В кустарных мастерских волокнистые материалы разбивали в ступах. За счет того что волокно обрабатывалось между тупым пестом и дном ступы, происходило не укорачивание, а лишь их разделение, а получаемая масса была хорошего качества, фибриллированной, длинноволокнистой, но производительность труда была очень низкой. В 1670 г. появились роллы, основной принцип которых заключался в ножевом размоле бумажной массы. Но качество размола волокнистой массы при этом значительно снизилось. Изобретенная в 1737 г. в Парижской академии наук коническая мельница не нашла практического применения, так как в конструкции мельницы был использован принцип ударного воздействия на волокно - принцип ступы. И до сих пор предпринимается множество попыток использовать эффект ударного воздействия на волокно при его размоле в современных высокопроизводительных ножевых размалывающих машинах [2].

Сущность процесса размола в ножевых размалывающих машинах в полной мере до настоящего времени не выяснена. Объясняется это сложностью процесса размола, зависящего от многих факторов и недостаточностью проведенных в этой области исследований. Главными управляемыми факторами данного процесса являются продолжительность размола и удельное давление, вспомогательными управляемыми — концентрация массы. Остальные факторы остаются практически неуправляемыми [3].

Объектом исследования для авторов явились волокнистые суспензии низкой и умеренной кон-

центрации. Несмотря на широкое применение таких суспензий в промышленности и обилие экспериментального материала, теоретического обоснования выбора геометрии ножевой гарнитуры с учетом изменения бумагообразующих и физико-механических свойств готовой продукции пока нет.

Угол скрещивания ножей гарнитуры ротора и статора является параметром, с помощью которого можно варьировать соотношение гидратирующего и укорачивающего воздействия на волокнистый материал, а также изменять удельный расход электроэнергии на размол. А для увеличения внешней удельной поверхности волокна и прочности межволоконных связей следует создавать нагрузки, работающие на растяжение волокон, и уменьшать режущее воздействие ножевой гарнитуры.

Наибольшее воздействие на флокулярную массу происходит при движении волокнистой массы в стесненном межножевом пространстве ножевых размалывающих машин. При этом силовые воздействия могут развиваться по двум направлениям: за счет резания флокена острыми кромками скрещивающихся ножей, когда основная часть волокон не попадает в межножевой зазор, и путем вязко-пластичной деформации фло-кена между рабочими поверхностями ножей [1].

Процесс механического разрезания флокена, сопровождающийся рубкой волокон, легко осуществляется на ножевой гарнитуре и не требует больших затрат энергии. Провести же обработку массы с доминированием фибриллирующих воздействий значительно сложнее. Обычно для этой цели увеличивают межножевой зазор, скорость рабочих органов и концентрацию массы. Но увеличение зазора снижает удельное давление размола, растягивая процесс во времени, в результате чего расход энергии значительно увеличивается. Повышение окружной скорости также вызывает неоправданно большие затраты энергии на преодоление потерь на трение и гидравлические сопротивления, одновременно с этим увеличивается износ аппаратуры. Размол при высокой концентрации (10...30 %) тоже требует повышенных энергозатрат. Кроме того, возникают дополнительные трудности при сгущении и транспортировке высококонцентрированной массы [4].

В связи с вышесказанным становится понятна необходимость выбора оптимального режима

размола, при котором будет преобладать фибрил-лирующее воздействие на волокно, а не рубящее. Спроектированная и изготовленная ножевая гарнитура с оригинальным рисунком (гарнитура с ударным эффектом) (рис. 1) позволяет свести к минимуму рубящий эффект, что достигается при одновременном контакте всех кромок ножей ротора с кромками ножей статора при отсутствии углов скрещивания.

Для экспериментального подтверждения предложенных авторами теоретических положений в лаборатории кафедры машин и аппаратов промышленных технологий Сибирского государственного технологического университета была проведена серия опытов, в которой размолу подвергалась сульфитная небеленая целлюлоза Енисейского ЦБК, а сам размол производился в дисковой полупромышленной мельнице при частоте вращения ротора 1 000, 1 500 и 2 000 об/мин.

Для оценки полученных результатов было приведено их сравнение с данными размола на традиционной восьмисекторной ножевой гарнитуре с углом перекрещивания ножей 45° [3].

Большой интерес вызывает исследование влияния прироста градуса помола по ШР в зависимости от времени для различных значений частоты вращения ротора (рис. 2).

Анализ данных показывает, что с увеличением частоты вращения ротора наблюдается тенденция прироста градуса помола по ШР. Та же картина характерна и для традиционной ножевой гарнитуры. Одновременно с этим нужно отметить, что прирост градуса помола для гарнитуры с ударным эффектом несколько ниже, чем для традиционной. Тот факт что для размола до определенного градуса помола на гарнитуре с ударным эффектом требуется затратить несколько большее количество времени, объясняется значительным преобладанием фибриллирующего воздействия над рубящим.

Вместе с тем размол на исследуемой гарнитуре повышает большинство физико-механических характеристик полученного продукта. Качественные зависимости имеют одинаковый характер, однако количественные показатели существенно отличаются (рис. 3). Так, например, сопротивление продавливанию у гарнитуры с ударным эффектом при 50° ШР имеет значение 355 кПа, а у рубящей - 295 кПа. Из этого следует, что гарнитура с ударным воздействием имеет более высокие показатели сопротивления продавливанию, чем традиционная.

Рис. 1. Ножевая гарнитура для размола волокнистых полуфабрикатов с ударным эффектом

Время размола, мин

Рис. 2. Прирост градуса помола в зависимости от частоты вращения ротора

380 с 360 “ 340 I 320 *300

ш

^280

т 260

^240 ^220 С 200

20

40

60

Градус помола, ШР

Рис. 3. Зависимость сопротивления продавливанию от градуса помола:  - традиционная гарнитура;

- гарнитура с ударным эффектом

Аналогичная картина увеличения качественных показателей при размоле волокнистой массы на гарнитуре с ударным эффектом наблюдается для таких показателей, как разрывная длина (рис. 4) и число двойных перегибов. В частности, для гарнитуры с ударным эффектом величина разрывной длины по сравнению с традиционной гарнитурой возрастает на 16 % (см. рис. 4).

Градус помола, 0 ШР

Рис. 4. Зависимость разрывной длины от градуса помола:  - традиционная гарнитура;  - гарнитура с ударным эффектом

А фракционный состав и, следовательно, средняя длина волокна существенно влияют как на физико-механические характеристики готовых отливок, так и на их бумагообразующие свойства (риа 5).

Градус помола, ШР

Рис. 5. Зависимость числа двойных перегибов от градуса помола:  - традиционная гарнитура;

- гарнитура с ударным эффектом

Что касается изменения средней длины волокна от градуса помола при различных зазорах между ножами ротора и статора, то качественные зависимости для различных зазоров практически не отличаются друг от друга, а количественные

показатели имеют тенденцию к снижению и носят характер, близкий к линейному (рис. 6).

2

u 0 20 40 60 80

Градус помола, ШР

Рис. 6. Зависимость средней длины волокна от градуса помола

Таким образом, сделаем следующие выводы:

- эффект ударного воздействия, получаемый при размоле волокнистой массы в ступе, удалось перенести в конструкцию высокоскоростной дисковой мельницы, что позволит повысить качество размола волокнистой массы за счет ударного эффекта, подобного эффекту песта в ступе, и увеличить производительность размола благодаря использованию высокоскоростной современной дисковой мельницы;

- исследования подтверждают значительное повышение физико-механических характеристик бумажных отливок, улучшение бумагообразующих свойств волокнистой массы при использовании гарнитуры с ударным эффектом по сравнению с традиционной гарнитурой, используемой в дисковых мельницах.

Библиографический список

1. Алашкевич, Ю. Д. Основы теории гидродинамической обработки волокнистых материалов в размольных машинах : дис. ... д-ра техн. наук : опубл. 05.21.03 : защищена 14.04.87 / Ю. Д. Алашкевич. Красноярск, 1987. 376 с.

2. Лумиайнен, И. Новая теория может улучшить практику / И. Лумиайнен // Pulp and paper international. Бум. пром-сть. 1991. № 11. С. 26-28.

3. Набиева, А. А. Оценка влияния и совершенствование основных технологических параметров ножевых размалывающих машин : дис. . канд. техн. наук : опубл. 05.21.03 : защищена 14.09.04 /

A. А. Набиева. Красноярск, 2004. 182 с.

4. Легоцкий, С. С. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы / С. С. Легоцкий,

B. Н. Гончаров. М. : Лесн. пром-сть, 1990. 224 с.

V. A. Kozhukhov, V. I. Kovalev, J. D. Alashkevich

SHOCK EFFECT AT INFLUENCE OF KNIFE GARNITURE AS A FACTOR OF UPGRADING GRINDING

The analysis of theoretical and experimental researches in the area of fibred materials grinding by a knife method is examined.