Производство щепы для целлюлозы

Эффективность работы рубительных машин напрямую зависит от плотности древесины, ее влажности, механической прочности в различных направлениях, коэффициента трения древесины о древесину и металл. Во многом эти характеристики зависят от температуры подаваемой в переработку древесины.

Уровень влажности поступившей на рубку древесины колеблется в широких пределах в зависимости от способа ее транспортировки, хранения и времени года. Древесина, доставляемая железнодорожным транспортом, имеет относительную влажность 20–30%. Тогда как у сплавленных и пролежавших несколько месяцев на бирже сырья бревен она может быть от 18–20% до 40–45%. Древесина, поступившая непосредственно из воды, обычно имеет влажность 50–55%. Для различных пород модули упругости и прочности древесины снижаются с увеличением ее влажности. Это приводит к тому, что удельная работа и мощность, необходимая для рубки, уменьшаются. Поэтому целесообразно подавать древесину на рубку непосредственно из воды. Однако при отрицательной температуре влага образует в древесине ледяной скелет, который приводит к повышению ее прочностных свойств и, как следствие, ускоренному износу ножей рубительных машин.

Наиболее важными размерами щепы являются ее длина и толщина. Нужное соотношение этих параметров определяется скоростью проникновения варочного раствора в соответствующих направлениях. При сульфатной варке диффузия варочного раствора в продольном, тангенциальном и радиальном направлениях происходит примерно с одинаковой скоростью. Поэтому наибольшее влияние на равномерность провара оказывает толщина щепы, а ее длина влияет в значительно меньшей степени.

При сульфитной варке варочный раствор проникает в щепу в продольном направлении в несколько раз быстрее, чем в других направлениях. Поэтому важно, чтобы отношение длины щепы к ее толщине не превышало отношения скоростей диффузии раствора в этих направлениях.

Чтобы ускорить процессы пропитки и варки, щепа должна быть как можно меньших размеров. Однако при этом неизбежно заметное укорочение волокна древесины, из-за чего в дальнейшем снижается качество сваренной целлюлозы.

Срез щепы должен быть чистым, под углом 30–60°, без смятых и ломаных кромок. Смятие кромок ведет к закрытию капилляров, ухудшает пропитку, снижает качество и выход целлюлозы. В районе срезов происходит перерубание и повреждение волокон, что снижает прочность целлюлозы.

При рубке балансов геометрические размеры щепы варьируются в широких пределах: длина 5–50 мм, толщина 1–12 мм и ширина 0,5–60 мм.

Оптимальными размерами технологической щепы для ЦБП считаются: длина вдоль волокна 15–20 мм, толщина 3–5 мм. Ширина щепы не играет существенной роли, но устанавливается в пределах 2–20 мм по условиям сортирования. Оптимальная длина щепы при рубке лиственных балансов – 10–15 мм.

Геометрические размеры щепы, а также процентное содержание кондиционной и некондиционной (крупной и мелкой) фракций во многом зависят от настроек и оптимальности работы рубительной машины.

Еще одной важной характеристикой щепы, обеспечивающей равномерность варки целлюлозы, является ее однородность. В зависимости от вида и размеров перерабатываемого древесного сырья, условий осуществления процесса и требований к качеству технологической щепы рубительные машины имеют различные конструктивные исполнения. Они разнятся по мобильности, типу рабочего органа и профилю его поверхности, виду и количеству используемого режущего инструмента, способу и направлению подачи древесного сырья на переработку, форме загрузочных устройств, способу отбора щепы, а также виду энергии, используемой для привода рабочего органа.

Учитывая, что важнейшие показатели процесса переработки древесины на технологическую щепу формируются механизмом резания рубительной машины, в качестве основного классификационного признака обычно принимается конструктивная схема механизма резания машины. По этому признаку рубительные машины можно разделить на три основных класса – дисковые, барабанные и конические.

В дисковых рубительных машинах механизмом резания является вращающийся диск с расположенными на нем режущими элементами. Сам диск может быть плоским или профилированным.

Дисковые рубительные машины делятся на малоножевые и многоножевые. Отличие их состоит не только в количестве режущих ножей, установленных на диске, но и в особенностях процесса резания древесины. В малоножевых рубительных машинах он характеризуется прерывистостью. Многоножевые машины работают по принципу непрерывного резания, при котором очередной режущий нож входит в контакт с древесиной раньше, чем выходит из соприкосновения с древесиной предыдущий нож.

В дисковых рубительных машинах применяют два способа установки режущих ножей: периферийный и внутренний. В первом случае режущий нож располагают на лицевой (рабочей) поверхности диска в специальном посадочном месте и крепят сквозными болтами с потайными головками, а передней гранью резца является скошенная фаска.

При внутреннем способе крепления режущий нож устанавливают в радиальной сквозной щели диска, на рабочей поверхности диска выступает лишь режущая часть ножа. Скошенная фаска ножа при такой установке выполняет роль задней грани ножа.

Внутреннее крепление ножей чаще всего используют в многоножевых рубительных машинах, что позволяет разместить на диске необходимое количество ножей. Преимущество такого способа заключается в высокой безопасности крепления. Периферийный же способ позволяет поддерживать более стабильным угол заострения, так как заточка ножей производится по передней грани, имеющей наибольший износ.

У дисковых рубительных машин подача древесины может быть горизонтальной или наклонной. В первом случае возможно нижнее относительно оси вращения диска и верхнее расположение загрузочного патрона.

Дисковые рубительные машины с торцево-продольно-поперечным резанием отличаются простотой и надежностью конструкции, обеспечивают одинаковые условия резания независимо от диаметра балансов.

При работе дисковой рубительной машины балансы подаются к ножам диска. Каждый нож отрубает шайбу толщиной, равной выпуску режущих ножей над плоскостью диска. Отрубаемая древесина распадается на отдельные элементы, которые проходят через подножевые щели на приводную сторону диска и удаляются из машины.

В последнее время были разработаны так называемые резцовые рубительные машины. Поэтому, помимо приведенных классификационных признаков, рубительные машины каждого из трех классов могут быть ножевыми или резцовыми. В традиционных ножевых рубительных машинах в качестве режущего инструмента применяются плоские ножи с односторонней заточкой. Длина их режущей кромки соответствует ширине рабочей поверхности ножевого диска (барабана, конуса), что предопределяет воздействие ножа одновременно на всю ширину сечения перерабатываемой древесины. У резцовых рубительных машин на рабочей поверхности диска установлены резцы, режущие кромки которых в несколько раз короче ширины рабочей поверхности. Эта особенность существенно изменяет процесс резания. В данном случае на ширине сечения перерабатываемой древесины последовательно срезаются полосы шириной, соответствующей длине режущей кромки резцов.

При выборе модели рубительной машины необходимо учитывать их конструктивные и технологические особенности. В машинах с наклонным загрузочным патроном несколько улучшаются условия подачи сырья на ножевой диск за счет влияния массы перерабатываемой древесины. По сравнению с машинами, имеющими горизонтальный загрузочный патрон, рубительные машины с наклонной подачей сырья обеспечивают некоторое повышение выхода кондиционной фракции щепы, они менее чувствительны к затуплению режущих кромок. Однако наклонное расположение загрузочного патрона усложняет размещение машины в цехе, так как для этого требуется более высокое помещение. Кроме того, перед патроном необходимо направляющее устройство (воронка), форма и конструкция которого влияют на работу машины.

При горизонтальном загрузочном патроне упрощается технологическая привязка машины. Ее можно установить как на первом, так и на втором этаже цеха. Загрузка отходов в патрон происходит непосредственно с ленточного транспортера, подающего, например, рейки и горбыли от лесопильных рам и обрезных станков. В машинах с горизонтальной подачей сырья несколько затруднена переработка короткомерных отходов древесины. В этом случае необходимо обеспечить согласованную скорость загрузочного конвейера со скоростью затягивания древесины режущими ножами диска. Поэтому машины с горизонтальной подачей целесообразно использовать для переработки длинномерных отходов от 1,5 м и более.

Выбор типа подачи определяется в зависимости от вида оборудования для окорки древесины и общей компоновки древесно-подготовительного цеха.

По способу удаления щепы из рубительной машины различают машины с верхним и нижним выбросом. При верхнем выбросе щепа удаляется лопастями, установленными на периферии диска, в циклон. При нижнем выбросе щепа под действием собственного веса подается на транспортер и далее направляется на сортирование. Нижний выброс предпочтителен при выработке высококачественных видов целлюлозы, где нежелательно повреждение щепы. Достоинством этого метода является снижение на 15–20% необходимой мощности по сравнению с машинами для верхнего выброса. Недостатком является большая запыленность помещения. При нижнем выбросе необходим глубокий приямок для транспортера щепы и дополнительный транспортер для ее подачи к сортировкам.

Известны также рубительные машины с безударным удалением щепы (прямоточного типа), в которых повреждаемость щепы значительно снижается. Углы резания задаются расположением ножей и патрона по отношению к диску.

Из большого числа типов рубильных машин, выпускаемых зарубежными фирмами, наибольшее распространение получили машины фирмы Nicholson (Канада), японской фирмы «Чугоку Кикай» (модели «Ультра – Ц», машины CKS – K – 8 N – 1300), а также Sumner Iron Works (США).

Производительность дисковых рубительных машин зависит от размеров перерабатываемой древесины, длины щепы, числа режущих ножей и частоты вращения диска. В рубительную машину могут поступать балансы самого различного диаметра. В связи с этим при расчете ее производительности вводят понятие «эквивалентный диаметр древесины», который определяется как средняя квадратичная величина диаметров балансов в данной партии поставки.

В рубительных машинах с плоской поверхностью диска в результате несовпадения поверхностей ножей и межножевых секторов с плоскостью резания наблюдается явление срыва в подаче. В особенности это заметно на балансах большого диаметра, в которых резание происходит на сильно различающихся диаметрах резания. Наблюдается также смятие торца баланса из-за несовпадения плоскости отруба с поверхностью ножей и диска. При рубке толстых балансов, при прочих равных условиях, ухудшается фракционный состав щепы.

Мощность, необходимая для работы рубительной машины, складывается из мощности на преодоление сопротивления резанию древесины, мощности на создание вентиляционного напора и трения вращающегося диска о воздух, мощности механических потерь в уплотнениях и подшипниках, мощности на ускорение щепы для ее удаления из рубительной машины при верхнем выбросе.

Двигатель привода рубительной машины работает в условиях переменной нагрузки: периоды интенсивного нагружения двигателя, особенно в момент рубки балансов максимального диаметра, сменяются периодами пауз. Мощность, необходимая на рубку, зависит от квадрата диаметра баланса.

Для привода стационарных рубительных машин используются двигатели переменного тока двух типов: асинхронные и синхронные (для рубительных машин большой производительности). Для асинхронного привода предпочтительно выбирать электродвигатели с большим искусственным скольжением и мягкой механической характеристикой, допускающие значительное снижение частоты вращения. В этом отношении предпочтительными являются асинхронные электродвигатели с фазным ротором.

При использовании асинхронных двигателей важную роль играют моменты инерции диска рубительной машины. Их значение состоит в том, что в период рубки баланса в результате снижения частоты вращения вала используется часть кинетической энергии, накопленной маховыми массами. Во время пауз происходит восстановление частоты вращения и повторное накопление кинетической энергии. Таким образом, маховые массы позволяют для случая подачи балансов с паузами применять двигатели меньшей мощности.

Недостатками асинхронных двигателей являются: низкое значение коэффициента использования мощности (cosφ), особенно при недоиспользовании мощности двигателя, и высокий пусковой ток, это обстоятельство частично устраняется при использовании асинхронных двигателей с фазным ротором.

Для привода рубительных машин применяют и синхронные двигатели. Их основным достоинством является способность работать с cosφ=1 или даже с опережающим cosφ, что улучшает cosφ всего древесно-подготовительного цеха. Применение синхронных двигателей целесообразно в рубительных машинах, которые часто работают с недогрузкой, так как в это время он может быть использован для получения реактивной мощности. Синхронные двигатели позволяют работать с кратковременной перегрузкой, которая превышает номинальную мощность в два-три раза. В силу того, что частота вращения вала рубительной машины, приводимой синхронным двигателем, не снижается при повышении нагрузки, величина момента инерции не имеет существенного значения. В этом случае рубка балансов большого диаметра осуществляется использованием двигателя увеличенной мощности трехкратной кратковременной перегрузкой.

Максимальная длина перерабатываемых балансов зависит от технологической схемы древесно-подготовительного цеха и типа рубительной машины. Для машин с наклонной подачей длина баланса обычно составляет 2,2 м и 3 м. Для машин с горизонтальной подачей – до 6 м.

Помимо конструктивных особенностей рубительных машин, энергоэффективность процесса производства и качество получаемой технологической щепы во многом зависят от качества и своевременности обслуживания ножей. Участниками научной школы Якутской государственной сельскохозяйственной академии «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства», под руководством д.т.н., профессора И.В. Григорьева разработано устройство определения степени затупления ножей рубительных машин для линии производства технологической щепы (Патент на полезную модель №117347). Оно позволяет оперативно определять степень затупления ножей рубительных машин, что обеспечит повышение качества получаемой технологической щепы за счет увеличения полезного выхода кондиционной щепы. А также повысит производительность производства технологической щепы за счет сокращения простоев рубительных машин, необходимых для проверки ножей.