Разработка и внедрение технологии варки полуфабриката для тарного картона

УДК 676.1.022

Е.В. Дьякова, В.И. Комаров, А.В. Гурьев, В.П. Елькин, В.И. Горшков, Н.А. Каунихин

Дьякова Елена Валентиновна родилась в 1977 г., окончила в 1999 г. Архангельский государственный технический университет, аспирант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства. Имеет 6 печатных работ в области исследования свойств полуфабрикатов для производства тарного картона.

Комаров Валерий Иванович родился в 1946 г., окончил в 1969 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета. Имеет более 270 печатных трудов в области исследования свойств деформативности и прочности целлюлозно-бумажных материалов.

Гурьев Александр Владиславович родился в 1965 г., окончил в 1990 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Архангельского государственного технического университета. Имеет более 30 печатных трудов в области исследования свойств и разработки технологии производства и переработки тарного картона.

Елькин Владимир Павлович родился в 1947 г., окончил в 1975 г. Архангельский лесотехнический институт, директор по качеству ОАО «Архангельский ЦБК». Имеет 10 печатных работ в области технологии производства целлюлозы и картона.

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВАРКИ ПОЛУФАБРИКАТА ДЛЯ ТАРНОГО КАРТОНА

Разработана технология производства тарного картона с использованием в композиции модифицировавнных видов полуцеллюлозы.

Ключевые слова: волокнистые полуфабрикаты, картон-лайнер, бумага для гофрирования, нейтрально-сульфитная полуцеллюлоза, варка, степень замещения, гофрированный картон, моносульфитный щелок, белый щелок.

За последние годы возросла как конкуренция среди производителей картона-лайнера различных марок и флютинга, так и требования к их качеству и стабильности. Качество картона становится все более весомым аргументом при выборе поставщика продукции. Это побуждает производителей к модернизации действующих картоноделательных машин, внедрению современных технологий, средств автоматизации и контроля качества.

Архангельский ЦБК, являясь крупнейшим производителем картона для плоских слоев гофрокартона (крафт-лайнер и картон универсальный) и обладая двумя самыми мощными в России КДМ, производит качественную продукцию, признанную многими потребителями.

Однако из-за значительного различия в цвете сульфатной целлюлозы и нейтрально-сульфитной полуцеллюлозы (НСПЦ) при производстве картона универсального постоянно возникала проблема внешнего вида. При выработке картона универсального на КДМ-2 сквозь коричневый покровный слой виден более светлый основной слой. Чаще всего это проявляется в виде дефекта «светлых полос». Существующий напорный ящик покровного слоя не позволяет подавать более 10 ... 12 % волокна от общей массы картона. Это вызывало необходимость уменьшения количества более дешевого полуфабриката, коим является НСПЦ, в основном слое картона и, как следствие, удорожание продукции.

Для решения данной проблемы было предложено изменить технологию варки полуцеллюлозы. Цель модификации - изменение цвета полуцеллюлозы для улучшения внешнего вида картона и повышения доли полуцеллюлозы в композиции с сохранением качественных показателей продукции.

Известно, что более темную полуцеллюлозу можно получить путем изменения характера хромофорных групп лигнина при смещении рН варочного раствора в щелочную область (рН 8,5 ... 9,5) за счет добавки к моносульфитному щелоку определенного количества щелочного реагента - белого щелока [2, 3].

Основные задачи, стоявшие перед нами - получение полуфабриката, пригодного для использования в композициях картона-лайнера и бумаги для гофрирования, с максимальным (до 100 %) замещением моносульфита в варочном щелоке на белый щелок; оценка влияния факторов варки на смеси щелоков на физико-механические свойства полуцеллюлозы.

Варки проводили периодическим способом в лаборатории АГТУ с использованием сырья и варочных реагентов, отобранных на производстве.

Эксперимент осуществлен с использованием ротатабельного композиционного униформ плана второго порядка. В качестве варьируемых факторов приняли продолжительность стоянки на конечной температуре и процент замещения моносульфита натрия белым щелоком (БЩ). Полная характеристика варьируемых параметров представлена в табл. 1.

Постоянные условия варки: гидромодуль 4,5; соотношение моносульфита натрия и соды 5:1; начальная температура варки 150 °С; максимальная температура варки 175 °С; расход общей щелочи на варку 20%

Таблица 1

Вариант Варьируемые параметры Состав белого щелока, г/л (в ед. Ш^) Состав моносульфитного щелока, г/л (в ед. №2Ш3) Выход, % Число Каппа Продолжительность размола до 30 ° ШР, мин

Замеще- Продолжи- общ.

ние на тельность А Na2S Na2SOз/Na2COз

БЩ, % стоянки, мин

1 57,3 30 104,5 32,2 88,5/17,5 106 86 118 22,0

2 57,3 60 104,5 32,2 88,5/17,5 106 80 154 22,0

3 92,6 30 106,0 32,6 87,5/18,6 106 76 134 22,0

4 92,6 60 106,0 32,6 87,5/18,7 106 88 120 22,0

5 75,0 24 111,0 32,2 91,2/19,1 110 76 84 21,5

6 75,0 66 111,0 32,2 91,2/19,2 110 83 80 22,0

7 50,0 45 112,5 32,6 94,9/19,1 114 67 110 22,0

8 100,0 45 102,6 29,8 - - 91 184 30,0

9 75,0 45 114,7 33,8 90,6/17,0 108 85 132 22,5

10 75,0 45 114,7 33,8 90,6/17,1 108 88 127 22,0

11 75,0 45 112,5 32,6 94,9/19,1 114 89 110 17,0

12 75,0 45 112,5 32,6 94,9/19,2 114 87 125 23,0

13 75,0 45 112,5 32,6 94,9/19,3 114 86 108 17,0

(в ед. Na2CO3); продолжительность подъема до максимальной температуры 45 мин.

В качестве параметров для оценки свойств полученной полуцеллюлозы приняты выход и число Каппа, а также комплекс физико-механических показателей: стандартные физико-механические характеристики прочности и жесткости (разрывная длина Ь, сопротивление продавливанию П, сопротивление плоскостному сжатию СМТ, сопротивление сжатию кольца RCT, сопротивление сжатию короткого образца БСТ), характеристики деформа-тивности (жесткость при изгибе Е1, начальный модуль упругости Л'/. энергия, поглощаемая при растяжении ТЕА, деформация разрушения ер, жесткость при растяжении показатель трещиностойкости ./ц-. силы связи по Иванову /<'с|;. плотность р, прочность волокна ¿о)-

В результате реализации плана эксперимента были получены образцы полуфабриката массой 1 м2 125 г, имеющие степень помола волокна 30 °ШР, с выходом 67 ... 91 % и степенью делигнификации 80 ... 184 ед. Каппа. Указанные значения соответствуют крайним, граничным условиям. Средний диапазон варьирования существенно меньше: выход - 80 ... 88 %, степень делигнификации - 110 ... 135 ед. Каппа. Практически все полученные образцы обладают насыщенным коричневым цветом. Следует отметить некоторое увеличение продолжительности размола до 30 °ШР (в среднем на 5-6 мин) по сравнению с классической моносульфитной варкой. Свойства полученных полуфабрикатов представлены в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты определения стандартных физико-механических характеристик полуцеллюлозы. Данные показывают, что во всех исследуемых вариантах значения основных показателей превышают

Таблица 2

Вариант Варьируемые параметры Физико-механические характеристики

Замещение Продолжитель- ь, П, СМТ30 ЯСТ БСТ,

на БЩ, % ность стоянки, мин м кПа Н кН/м

1 57,3 30 9 850 710 300 330 5,9

2 57,3 60 10 100 725 310 360 5,9

3 92,6 30 9 500 775 285 350 6,0

4 92,6 60 10 800 740 300 340 5,6

5 75,0 24 9 650 780 315 345 6,0

6 75,0 66 9 500 760 260 295 5,3

7 50,0 45 9 800 700 280 320 5,5

8 100,0 45 8 500 610 280 280 5,3

9 75,0 45 9 900 700 310 325 5,6

10 75,0 45 9 600 690 255 305 5,4

11 75,0 45 9 950 755 275 310 5,7

12 75,0 45 10 650 750 285 320 5,7

13 75,0 45 11 300 735 235 305 5,2

Таблица 3

Вариант Замещение на БЩ, % Продолжительность стоянки, мин Р, г/см3 1 сБ5 МПа м Е1, мН-см2 Ей МПа ТЕА, Дж/м2 ер, % Ьс, кДж Н/мм

1 57,3 30,0 0,87 1,264 9 000 502 7068 185 2,43 601 1010

2 57,3 60,0 0,92 1,273 8 100 527 6274 217 2,69 709 917

3 92,6 30,0 0,85 0,928 9 550 661 6590 239 2,88 753 1046

4 92,6 60,0 0,88 1,301 9 150 508 6599 255 2,94 783 953

5 75,0 23,8 0,94 1,209 8 500 322 6972 161 2,46 603 854

6 75,0 66,2 0,85 1,163 9 350 445 6619 204 2,77 839 945

7 50,0 45,0 0,79 0,760 7 600 548 7087 222 2,78 766 1008

8 100,0 45,0 0,90 1,001 8 000 536 6475 160 2,27 676 974

9 75,0 45,0 0,88 1,316 8 500 546 6306 221 2,73 683 937

10 75,0 45,0 0,91 1,429 9 000 570 6298 217 2,73 - 920

11 75,0 45,0 0,91 1,423 8 750 519 6106 223 2,76 812 897

12 75,0 45,0 0,93 0,885 8 550 522 6316 277 3,21 782 915

13 75,0 45,0 0,88 1,311 8 900 349 6926 247 3,05 770 911

требования существующего технологического регламента производства НСПЦ.

Как следует из табл. 3, полученная полуцеллюлоза по деформационным характеристикам сопоставима с сульфатной лиственной целлюлозой.

Математическая модель реализации двухфакторного ротатабельного композиционного униформ плана второго порядка имеет следующий вид:

У = Ьо + Ь\Х\ + ЬХ2 + £12X1X2 + Ъц X2 + ¿22 X2 .

Значения коэффициентов уравнения регрессии аппроксимирующего полинома, адекватно описывающего процесс (/'р;1С,, < /,'|;|г1|). для стандартных

Таблица 4

Коэффициенты Значения коэффициентов уравнения для стандартных характеристик полуцеллюлозы

Выход Число L, П, RCT СМТ SCT,

ЦВВ Каппа м кПа Н кН/м

b0 87,00 120,0 10300 726,00 313,10 272,07 5,52

Ъ\ 1,99 2,0 166 -6,04 -6,34 -6,60 -0,17

b2 3,99 10,8 -201 -5,91 -7,10 -3,12 -0,06

Ь\2 4,50 -12,5 260 -12,50 -10,00 1,25 -0,10

bu -2,88 -14,9 -176 28,70 12,45 11,67 0,15

b22 -3,14 17,6 -372 -28,80 2,45 7,93 0,03

Статистические показатели

rmr 0,33 0,94 0,99 0,85 0,79 0,75 -

-^табл 6,59 6,59 6,59 6,59 6,59 6,59 6,59

F 1 расч 12,31 3,69 0,68 1,28 7,84 0,38 0,91

Таблица 5

Коэффициенты Значения коэффициентов уравнения для деформационных характеристик полуцеллюлозы

р, г/см3 F - св EI Е1 ТЕА Ер JiC S, L0

b0 0,903 1,270 501,21 6392 236,8 2,900 609,5 916,03 8745,0

b1 -0,003 0,040 5,6372 -160 13,6 0,100 59,1 -7,18 -10,3

b2 0,012 0,004 15,50 -127 0,4 -0,003 12,2 3,40 276,0

b12 -0,005 0,090 -44,75 201 -4,3 -0,050 -19,4 -0,20 126,0

b11 -0,001 -0,003 -36,84 168 -17,6 -0,100 54,0 1,47 247,4

b22 -0,026 -0,160 42,41 160 -13,5 -0,140 53,9 47,08 -321,0

Rm

Fp

Статистические показатели

6,59 4,55

6,59 0,42

0,97 6,59 0,64

0,98 6,59 0,21

0,95 6,59 1,80

6,59 1,05

0,95 6,59 6,11

0,91 6,59 13,34

0,99 6,59 5,45

и деформационных характеристик полуцеллюлозы представлены в табл. 4, 5. Высокие численные значения коэффициентов множественной корреляции Дмн свидетельствуют о достаточной точности аппроксимации.

Для характеристик жесткости коэффициенты при квадратичных эффектах положительны, для характеристик прочности - отрицательны. Это свидетельствует о наличии минимума или максимума, т. е. подтверждается известный факт, что чрезмерное повышение продолжительности варки и увеличение добавки белого щелока нежелательно. Необходимо использовать оптимальный вариант.

Усиление интенсивности варки несколько снижает показатели прочности (L, П) и жесткости (СМТ, SCT), которые не выходят за пределы, регламентированные для классической моносульфитной варки.

Повышение значений варьируемых параметров отрицательно влияет на характеристики жесткости при растяжении и изгибе (St, EI).

Увеличение продолжительности варки приводит к росту значений показателей, характеризующих растяжимость материала (sp, TEA). В то же

время варьирование степени замещения моносульфита натрия белым щелоком практически не оказывает влияния на растяжимость образцов полуцеллюлозы.

Для показателей р и FCB коэффициенты при Хц2 имеют низкие значения, что предопределяет линейный характер зависимости.

Таким образом, по выходу лабораторные образцы соответствуют классической НСПЦ, а их физико-механические характеристики не ниже, чем у полуцеллюлозы, полученной в реальных производственных условиях.

Следующая задача данной работы - промышленные варки модифицированной полуцеллюлозы в производстве картона ОАО «Архангельский ЦБК».

Первый этап производственных испытаний был проведен в марте 2001 г. На одном из двух технологических потоков по производству полуцеллюлозы на установках «Пандия» применили модифицированный режим; второй поток работал по обычному режиму.

Выработка полуцеллюлозы на обоих потоках была одинаковой и составила 26,0 кг на один оборот дозатора. После замены моносульфитного варочного щелока на смесь крепкого и слабого белого щелоков при сохранении соотношения объемов 1 : 2 и рН 8,6 ... 8,8 объем жидкости, подаваемой в варочный аппарат, на первом потоке возрос на 0,5 м3/т. Показатели щелоков, используемых на обоих потоках, во время испытаний были практически постоянными. Температура варки по потокам изменялась в интервале 177 ... 180 °С при среднем значении для обоих потоков 178 °С. Показатели механической прочности модифицированного полуфабриката по сравнению с полуцеллюлозой классического способа варки снизились незначительно - на 3 ... 6 %.

Результаты, достигнутые на первом этапе производственных испытаний по модификации варки НСПЦ, доказали возможность затемнения массы предложенным способом без существенного изменения механических показателей полуцеллюлозы.

В мае 2001 г. (в период производства на КДМ-2 картона универсального) была запланирована повторная выработка на двух потоках полуцеллюлозы с целью окончательной оценки качества полуцеллюлозы и картона. При этом использовали варочный раствор с замещением 50 % моносульфита натрия на смесь крепкого и слабого белого щелока. Результаты определения физико-механических и деформационных характеристик картона, производимого во время выработки, представлены в табл. 6. Анализ свойств полученной полуцеллюлозы показал, что величина непровара после установки горячего размола для обоих потоков была практически одинаковой при близких значениях Каппа. Расход химикатов на обоих потоках был практически одинаковым и составил: моносульфит натрия - 0,51 м3/т, крепкий белый щелок - 0,18 м3/т, слабый белый щелок - 0,48 м3/т. Характеристики механической прочности полуцеллюлозы модифицированной варки

Таблица 6

Значение характеристики для различного времени отбора

Характеристика 14.05 15.05 16.05 17.05 среднее за выработку

Масса 1 м2, г 148 150 146 145 147

Содержание НСПЦ, % 60,7 63,0 70,0 75,4 67,3

П, кПа 560 580 540 530 550

ШСГ, Н 252 286 257 242 259

Ь, м 9 630 9 870 10 000 9 390 9 720

3 880 4 190 4 030 3 960 4 015

Еь МПа 3 313 4 302 4 329 4 606 4 138

1 804 1 959 1 945 1 946 1 914

Н/м 1 034 442 1 047 477 1 002 448 959 409 1 011 444

£7, мНсм2 863 296 836 353 679 298 509 192 722 285

со % о4 2,15 2,20 2,23 1,95 2,13

3,31 3,25 3,19 3,09 3,21

Примечание. В числителе приведены данные для образцов, испытанных в машинном направлении, в знаменателе - в поперечном.

по сравнению с классическим способом практически не ухудшились, а в конце периода выработки даже повысились: разрывная длина - 7750 м (против 7300 м по обычному способу), сопротивление продавливанию

- 490 кПа (445 кПа), СМТ - 325 Н (290 Н), сопротивление раздиранию

- 860 мН (810 мН).

При дальнейшем увеличении степени замещения моносульфита натрия белым щелоком (до 75 %) наблюдалось еще большее потемнение массы и улучшение механических свойств картона массой 160 г/м2 с содержанием 55 ... 56 % полуцеллюлозы. Однако при варке с 75 %-м замещением моносульфита натрия наблюдалось увеличение выбросов летучих сернистых соединений, которое не удалось снизить без дополнительных инженерно-технических мероприятий. Также отмечено снижение баланса щелочи в связи со снижением расхода соды на варку полуцеллюлозы.

С сентября 2001 г. варка с замещением 50 . 60 % моносульфита натрия смесью слабого и крепкого белого щелока используется на двух установках «Пандия» постоянно.

Таким образом, в ходе опытно-промышленной выработки была достигнута основная цель модификации варки полуцеллюлозы - потемнение массы при замещении не менее 50 %

100

во ИД Л.И |111 I |гИ I IИI (Я .г

/23* 5 6 7 8 9 10

месяц

Рис. 1. Изменение качества бумаги для гофрирования марки Б-0 до

Рис. 2. Использование полуцеллюлозы в композиции бумаги для гофрирования

моносульфита смесью крепкого и слабого белого щелока без существенного изменения показателей полуцеллюлозы и ухудшения физико-механических свойств картона универсального и бумаги для гофрирования. Кроме того, выпуск бумаги для гофрирования марки Б-0 увеличился в среднем с 88,9 до

95.1 % (рис. 1). Отмечено снижение в несколько раз отбраковки по сопротивлению плоскостному сжатию и светлым полосам. Выход полуцеллюлозы из древесины практически не изменился и в среднем составил 78 %.

Использование полуцеллюлозы в композиции бумаги для гофрирования увеличилось в среднем с 52,3 до 57,6 %, картона универсального - с

44.2 до 50,2 % (рис. 2). Затемнение полуцеллюлозы позволило повысить ее долю и в композиции картона на КДМ-1 без ухудшения внешнего вида.

Таким образом, использование картона и бумаги для гофрирования с содержанием в композиции до 55 ... 60 % модифицированного полуфабриката для производства гофрокартона и тары не вызвало ухудшения их качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Богданович Н.И. Расчеты в планировании эксперимента: Учеб. пособие. -Л.: РИО ЛТА, 1978. - 80 с.

2. Влияние различных модификаций нейтрально-сульфитной варки на физико-механические свойства полуцеллюлозы / Е.В. Дьякова, Л.А. Миловидова, В.И. Комаров и др. // Лесн. журн. - 2002. - № 6. - С. 116-121. - (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Галеева Н. А. Производство полуцеллюлозы и целлюлозы высокого выхода. - М.: Лесн. пром-сть, 1970. - 320 с.

4. Пен Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства: Учеб. пособие. - Красноярск: Изд-во КГУ, 1982. - 192 с.

Архангельский государственный технический университет

ОАО «Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат»

Поступила 21.11.02

E. V. Dyakova, V.I. Komarov, A. V. Gurjev, V.P. Elkin, V.I. Gorshkov, N.A. Kaunikhin

Development and Introduction of Semi-finished Product Cooking Technology for Containerboard

Technology of producing containerboard using modified types of semichemical pulp in composition has been developed.