Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗМОЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ МОКРЫМ СПОСОБОМ

Чистова Н.Г., Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Трофимук В.Н.

Производство древесных плит является одним из перспективных направлений переработки низкокачественной древесины и отходов лесопиления, так как они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими изделиями из древесины. Это одинаковые физико-механические свойства, небольшие изменения в условиях переменной влажности, получение плит со специальными свойствами, высокая степень механизации и автоматизации их производства.

В Ангаро-Енисейском регионе работают несколько линий по производству древесноволокнистых плит, как сухим, так и мокрым способом. Практически большинство из работающего оборудования данного производства устарело, что вызывает необходимость внедрять современное высокопроизводительное оборудование и прогрессивные технологические процессы. При этом, важное значение имеет дальнейшее проведение реконструкции и технического перевооружения цехов по производству древесноволокнистых плит, повышение их мощности и улучшение качества выпускаемой продукции, что не всегда выполнимо из-за нехватки финансовых средств на предприятиях.

Поэтому необходимо дальнейшее изучение вопросов производства древесноволокнистых плит.  

Широкая популяризация этого производства, появление новых разработок - всё это способствует быстрейшему созданию и освоению новых мощностей, сокращению сроков модернизации действующих предприятий, рациональному использованию сырья.

Целью настоящей работы является исследование оптимальных условий размола древесноволокнистой массы на промышленных установках при производстве ДВП.

В производстве древесноволокнистых плит определяющим является предварительная подготовка исходного полуфабриката (щепа, древесная масса), то есть процесс размола полуфабриката. Это один из наиболее энергоёмких этапов производства ДВП, при котором потребляется 65% всех затрат электроэнергии для производства ДВП. Размол на данном производстве осуществляется в две ступени. Первая ступень - это размол щепы на волокно в дефибраторе. Вторая ступень - это размол древесной массы в рафинаторе.

При приготовлении древесноволокнистой массы на энергозатраты размольных машин оказывают существенное влияние следующие факторы: концентрация массы (с), продолжительность работы размалывающих сегментов (степень износа сегментов (L/h)), зазор между ротором и статором (σ), обороты подающего шнека дефибратора (n).

Параллельно с исследованиями зависимости качества помола (ДС) и физико-механических показателей плит от конструктивных параметров машин (L/h, σ, n, c) проводились исследования этих же параметров машин и, соответственно, степени помола массы, в зависимости от энергозатрат установок (E). В работе анализировались такие качественные показатели древесноволокнистых плит, как прочность плиты (Pr), плотность (Pl), водопоглощение (S) и толщина плит (Tl).

В результате исследований были получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимости степени помола и уд ельного расхода электроэнергии от основных конструктивных параметров размалывающих машин. Выведена математическая зависимость физико-механических свойств готовой плиты от степени помола, которая позволяет влиять на основные прочностные показатели плиты независимо от конструктивных параметров дисковых мельниц. Получены математические модели, которые устанавливают зависимость прочности, плотности, водопоглощения и толщины готовых древесноволокнистых плит от основных конструктивных параметров дисковых мельниц. Представлено математическое описание влияния степени помола древесноволокнистой массы на удельный расход электроэнергии. Это позволяет, варьируя данным показателем, знать расход электроэнергии и влиять на него.

В мировой практике большое внимание уделяется исследованию процесса размола, совершенствованию его технологии. Однако отсутствие системного подхода зачастую приводит к тому, что улучшение одного из режимных параметров, без учёта его взаимодействия с другими, приводит к ухудшению конечных показателей, к которым относятся производительность производственного участка, себестоимость и качество продукции.

В реальных условиях действующего предприятия, с учётом его технологии, оборудования и других показателей производства, целесообразно выбрать доминирующий (определяющий) критерий и определить значения режимных параметров, при которых он достигнет экстремума. Производство всего технологического процесса производства ДВП определяется не только участком размола, но и работой прессового отделения. Поэтому, стремление повысить производительность размольного участка может привести к лишнему расходу сырья, электроэнергии и увеличению вредных выбросов в воду.

Качественные показатели готовой продукции регламентируются государственными стандартами. По этим причинам в качестве критерия оптимизации нами выбран расход электроэнергии, в значительной степени определяющий себестоимость готовой продукции. Для экономии электроэнергии и улучшения качества готовых плит необходимо вносить коррективы в технологию, то есть оперативно перестраивать производственный процесс в соответствии с изменениями технологических параметров, требованиями заказчика к качеству плиты, размерным характеристикам и физико-механическим показателям.

Для решения данной задачи составлена математическая модель, в которой в качестве целевой функции (f) выступает требование минимизации расхода электроэнергии. Система ограничений состоит из ограничений на режимные параметры и ограничений на качественные показатели готовой продукции согласно ГОСТ 4598-74.

Таким образом, математическая модель задачи оптимизации для первой ступени размола (дефибратор) будет иметь вид:

f - удельный расход электроэнергии → min;

2 мм ≤ износ сегментов ≤ 6 мм;

0,05 мм ≤ зазор между дисками ≤ 0,15 мм;

12 мин-1 ≤ число оборотов нижнего шнека ≤ 15,4 мин-1;

Pr ≥ 35 Па;

Pl ≥ 830 кг/см3;

S ≤ 36%;

Tl ≤ 2,8 мм.

Математическая модель задачи оптимизации для второй ступени размола (рафинатор) будет иметь вид:

f - удельный расход электроэнергии → min;

2 мм ≤ износ сегментов ≤ 6 мм;

0,05 мм ≤ зазор между дисками ≤ 0,15 мм;

2,5% ≤ концентрация массы перед рафинатором ≤ 3,5%;

Pr ≥ 35 Па;

Pl ≥ 830 кг/см3;

S ≤ 36%;

Tl ≤ 2,8 мм.

Все приведённые ограничения и целевая функция носят нелинейный характер. Следовательно, данная оптимизационная задача относится к классу задач нелинейного программирования. Она решалась Квази-Ньютоновским методом с использованием пакета прикладных программ STATISTIKA. Решение этой задачи позволило определить оптимальные значения режимных параметров, которые для данных условий производства составят:

Для дефибратора  

L/h = 1,17; σ = 0,15 мм; n = 12 об/мин.

При этих значениях режимных параметров древесноволокнистые плиты будут иметь следующие физико-механические показатели:

Pr = 39,2 Па; Pl = 805 кг/см3; S = 35,6%; Tl = 2,7 мм.

Для рафинатора

L/h = 1,17; σ = 0,15 мм; c = 2,5%.

При этих значениях режимных параметров древесноволокнистые плиты будут иметь следующие физико-механические показатели:

Pr = 39,4 Па; Pl = 810 кг/см3; S = 35,5%; Tl = 2,6 мм.

Это позволит обеспечить минимальный расход электроэнергии, который составит:

для дефибратора Eд = 210 кВт • ч/т,

для рафинатора Eр = 240 кВт • ч/т.

Испытания показали, что при оптимальных условиях работы ножевого оборудования, при всех прочих равных условиях наблюдается стабилизация всех технологических параметров древесной массы. Это приводит, в свою очередь, к улучшению физико-механических показателей готовой плиты. Происходит увеличение прочности, водопоглощения, стабилизация плотности и толщины плиты. Что в конечном итоге способствует улучшению качества выпускаемой продукции при минимальных расходах электроэнергии на участке размола.

Таким образом, после обработки щепы и древесноволокнистой массы на ножевых размольных установках с установленными оптимальными режимами работы снижаются энергозатраты на размол по сравнению с заводскими условиями работы.

Итогом проведённой работы явилась возможность решения задач по обобщению основных конструктивных и технологических параметров размалывающих машин, определению качественных показателей размола и физико-механических, геометрических свойств древесноволокнистой плиты с учётом энергозатрат на размол. Это позволяет целенаправленно регулировать процесс получения ДВП, прогнозировать основные показатели при проектировании новых размольных машин с учётом заданных характеристик древесноволокнистой плиты.

Работа представлена на IV научную конференцию с международным участием «Производственные технологии», 9-16 сентября 2006, г.Римини (Италия). Поступила в редакцию 01.09.2006г.


Библиографическая ссылка

Чистова Н.Г., Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Трофимук В.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАЗМОЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ МОКРЫМ СПОСОБОМ // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 11. – С. 38-40;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=6519 (дата обращения: 23.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074