Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Лубяное волокно - один из основных видов сырья для отечественной текстильной промышленности. Из них изготавливают изделия, широко применяемые в быту и различных отраслях народного хозяйства: бельевые, одежные, бытовые и технические ткани, веревки, шпагат и другие изделия.

Несмотря на значительное увеличение к настоящему времени объемов выработки химических волокон, дальнейшее развитие производства лубяных волокон остается актуальной задачей. Это связано, прежде всего, с имеющимися возможностями по производству и переработке лубоволокнистых материалов, а также с уникальными свойствами лубяного волокна. Растения льна обеспечивают природное воспроизводство целлюлозы. Лубоволокнистые растения в последнее время привлекают так же внимание и как сельскохозяйственные культуры, обладающие фитосанитарными свойствами, способными очищать земли от радионуклеидов и тяжелых металлов.

Следует отметить повышение заинтересованности к производству льна в России в связи с проблемой импортозамещения хлопкового волокна и шерсти.

Современные заводы по первичной обработке льна и конопли оснащены высокопроизводительным оборудованием: сушильными установками, мяльно-трепальными и куделеприготовительными агрегатами, техническими средствами для углубленной переработки волокна и доведения его в ликвидное состояние. Ведутся работы по совершенствованию их конструкций, повышению уровня автоматизации и производительности. Особое значение приобретает необходимость разработки систем САУ и систем проектирования технологических процессов в целях повышения эффекта переработки с учетом свойств поступающего сырья. Эффективность выделения из стеблей лубяного волокна в виде длинноволокнистых комплексов, пригодных для получения высококачественных текстильных изделий во многом зависит от структуры и свойств поступающего сырья.

Поступающее на льнозаводы сырье имеет очень высокую варьируемость параметров, что приводит к тому, что значительная доля льнотресты обрабатывается при неоптимальных параметрах. Низкий выход длинного волокна обусловлен рядом причин, знание которых помогает оптимизировать технологический процесс переработки тресты. Одним из путей повышения качества получаемого волокна является оптимизация процесса переработки льна. Автоматический контроль параметров слоя льнотресты позволит оперативно получать сведения об их изменении. Создание системы оптимизации режимов обработки льняной тресты позволит решить задачу дифференцированного управления технологическими режимами и обеспечения условий обработки, адекватных изменяющимся свойствам льнотресты.

Для создания системы оптимизации процесса обработки льнотресты необходимо детальное исследование причин, вызывающих потери волокна на различных технологических этапах.

1. Аналитический обзор

1.1 Анализ существующей технологии переработки льна на заводах. Требования к влажности льнотресты

В настоящее время льняную тресту в основном получают путем росяной мочки. Данный способ в отличие от водной мочки характеризуется определенной спецификой протекания микробиологических процессов при получении тресты на льнище и влиянием структуры совокупности стеблей на формирование параметров качества волокна. В зависимости от внешних признаков срок вылежки стеблей льна разный. Тонкие стебли вылеживаются медленнее, чем толстые; вылежка темно-зеленых стеблей протекает более длительное время по сравнению с вылежкой нормальных стеблей; бурые больные стебли вылеживаются неравномерно и значительно медленнее, чем нормальные. Если побурение вызвано перестоем стеблей на корню, от чего значительно усиливается одревеснение волокон и увеличивается содержание лигнина, то вещества, склеивающие волокна, хуже поддаются действию микроорганизмов, вследствие чего вылежка таких стеблей затягивается на значительно больший срок. Если стебли побурели вследствие того, что они после теребления оставались в поле, где подвергались действию осадков, то процесс вылежки их протекает быстрее, чем желтых и зеленых стеблей. Это объясняется тем, что в них уже началось частичное разложение пектиновых веществ [1]. Практикуемый метод расстила имеет ряд недостатков. Основным недостатком является большая зависимость длительности процесса и качества волокна от условий погоды и количества выпадающих атмосферных осадков. Разостланный лен часто подвергается воздействию неблагоприятных метеорологических условий, что влечет за собой большие потери как количества, так и качества льна.

Целлюлоза - основная составная часть льняного волокна. В нем содержатся также гемицеллюлоза, пектиновые вещества, лигнин и минеральные вещества. Целлюлоза придает волокну и тканям из него прочность, гибкость, эластичность, гигроскопичность, мягкость и блеск. В льняном волокне содержится более 80% целлюлозы. Пектиновые вещества, содержащиеся в стеблях льна, заполняют промежутки между клетками, образуя так называемые срединные пластинки, которые склеивают элементарные волокна в волокнистые пучки. По своим свойствам пектиновые вещества, склеивающие элементарные волокна в пучки, отличаются от веществ этой же группы, которые склеивают волокнистые пучки с клетками коры. Эта особенность при правильной обработке соломы льна позволяет ослаблять связь между волокнистыми пучками и окружающими их тканями коровой паренхимы, не разрушая пектиновых веществ (их содержится в волокне в среднем 3,3%). Разрушение лубяных пучков, даже частичное, приводит к резкому снижению выхода длинного волокна и потере прочности. Содержащийся в волокне лигнин (2.. 4,5%) придает ему грубость, что отрицательно сказывается при его переработке. Запаздывание с уборкой льна приводит к повышению содержания лигнина в волокне.

Для ликвидации потерь и получения высококачественной продукции необходимо тщательно контролировать ход вылежки тресты. При недостаточном сроке вылежки (недолежке) тресты волокно получается грубое и закостренное, с низкими технологическими показателями, а при излишнем (перележке) снижаются качество и выход длинного волокна (табл. 1). Кроме того, волокно при перележке становится слабое и «пухлявое».

Таблица 1.1. Влияние степени вылежки тресты на технологические показатели волокна (по данным ВНИИЛ)

Получаемая стланцевая треста обладает повышенным уровнем неоднородности основных технологических свойств, что приводит к ряду негативных последствий. В частности, при механической обработке стеблей снижается выход наиболее ценного длинного волокна, увеличивается его неровнота по линейной плотности, а также повышается процент льняных прядей с закостренностью выше стандартных норм [2].

На льнозаводы лен поступает в виде льнотресты в снопах или рулонах. В последнее время наибольшее распространение получила переработка стланцевой тресты из рулонов. В настоящее время данная технология уборки является основной. Эффективность применения рулонной технологии уборки льна зависит от степени неоднородности таких технологических факторов, как влажность, отделяемость волокна от древесины стебля (показатель отделяемости), растянутости стеблей в слое и средней длины стеблей в слое.

Механизация процесса уборки приводит к существенному росту неоднородности технологических свойств стланцевой льнотресты в рулоне, что является основной причиной снижения технологического качества тресты [3, 4, 5, 6]. Например, влажность слоя льнотресты, поступающей на льнозаводы, может иметь значительную неоднородность по длине рулонов (рис. 1.1).

Являясь одной из основных характеристик технологического качества тресты и сформированного из неё слоя - влажность льнотресты, непосредственно влияет на результат механической переработки стеблевого слоя [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13].

Переработка льнотресты в рулонах построена на применении двух основных процессов - мятья и трепания. На технологическую эффективность каждого из этих процессов существенное влияние оказывает влажность льнотресты как волокна, так и древесины стебля.

Рис. 1.1. Изменение влажности тресты по длине рулона

Материал в процессе его обработки подвергается различного рода механическим воздействиям, заключающимся в выделении из стеблей технического волокна или луба. Это достигается разрушением конструкции стеблей, нарушением связи между волокном и древесиной и их разделением [17]. С изменением влажности стеблей изменяются как их механические свойства, так и напряжения, возникающие в процессах обработки. Поэтому изменение свойств материала с изменением его влажности должно учитываться при подборе режимов обработки.

Современная технология разделения волокна и древесины в процессе механической переработки тресты основана на различии их свойств: волокно имеет высокую прочность и эластичность, а древесина повышенную хрупкость и жесткость [14]. Причем, если химические свойства разделяемых элементов по камбиальному слою стебля сходны между собой, то механические свойства значительно отличаются друг от друга. В стеблях льнотресты доведенных до оптимальной технологической влажности волокно устойчиво к изгибающим воздействиям, а древесина не выдерживает их и легко разрушается [15, 16].

Для разрушения стеблей используют поперечное их сжатие (плющение) и изгиб на мяльной машине. Волокно от древесины отделяют путем трепания промятых стеблей (сырца) на трепальных машинах различных конструкций [17].

В процессе плющения стебли льна прокатывают между вращающимися гладкими вальцами, при этом верхний валец с большой силой прижимается к нижнему [1]. При плющении связь между волокном и древесиной ослабляется, что облегчает их разделение при дальнейшем процессе. Плющение является также необходимой операцией перед мятьем, так как различие между тонкими и толстыми стеблями уменьшается и обрабатываемый материал становится более однородным.

Стебли после плющения поступают в мяльные рифленые вальцы, где происходит изгиб-излом стеблей. При изгибе любого стебля можно добиться отделения волокна от древесины. Длина участков, на которые изламывается стебель и на которых происходит отделение волокна от древесины, называется критической. Если стебель разламывать на участки большей величины, чем критическая длина, то отделения волокна от древесины не произойдет. Критическая длина зависит от влажности стеблей: чем они суше, тем больше критическая длина.

Угол излома обуславливается свойствами стебля. Исследованиями В.В. Маркова установлено, что угол излома резко увеличивается при повышении влажности стеблей, также угол излома для вершинной части стебля больше, чем для комлевой части; для тонких стеблей больше, чем для толстых.

Критическая длина (l_кр) и угол излома (ц) для данного стебля характеризуют его обрабатываемость на мяльной машине: при больших значений l_кр и малых значений ц в процессе мятья древесина хорошо отделяется от волокна, а при малых значениях l_кр и больших значениях ц - плохо (при одних и тех же параметрах мяльного процесса).

Чем больше древесины удаляется в процессе мятья и чем более ослабляется связь с оставшейся на льнотресте кострой при отсутствии повреждения волокна, тем эффективнее процесс мятья. На эффективность процесса мятья, кроме других факторов (качества исходной льнотресты, профиля рифлей мяльных вальцов, шага рифлей и количества вальцов в наборе), существенное влияние оказывает жесткость древесины, во многом зависящая от ее влажности [16, 12]. Чем больше жесткость древесины, тем меньше снижается прочность льнотресты.

Жесткость изломанных участков древесины оказывает также существенное влияние и в процессе трепания. При огибании кромки бильной планки сырцом костринки, находящиеся на внешней поверхности (по отношению к рабочей кромке), легче отделяются от волокна в тех случаях, когда жесткость этих костринок большая (рис. 1.2). Жесткость древесины стеблей льнотресты зависит от влажности.

Рис. 1.2. Схема удаления костры при огибании кромки натянутой прядью сырца в процессе трепания

Трепание происходит в результате воздействия рабочих органов трепальной машины - бильных планок и планок подбильной решетки при их вращении - на обрабатываемый материал, который непрерывно перемещается зажимным транспортером вдоль машины [17].

При трепании один конец пряди сырца удерживается зажимным транспортером, а на свисающий конец ее действуют бильные планки, движущиеся с большой скоростью. При этом из той части стеблей, зажим которой обеспечен в обеих секциях трепальной машины, получается длинное трепаное волокно.

При движении сырца вдоль трепальной секции его свойства сильно изменяются. По мере трепания закостренность, которая вначале составляла 150..200%, к концу трепания снижается до 2..6%, масса уменьшается в 5..7 раз, резко снижается его жесткость. Условия обработки сырца на трепальной машине должны изменяться в соответствии с изменением свойств сырца по мере продвижения его вдоль трепальной секции.

Ипатов А.М. указывает на то, что эффективная обработка сырца на трепальной машине с минимальными потерями длинного волокна в отходы может быть проведена только при соблюдении определенных требований к поступающему слою. И первое требование, на которое он указывает: треста должна быть подсушена до определенной влажности [3].

В настоящее время сушка льнотресты сушильными машинами на многих предприятиях исключена из технологического процесса; большинство сушильных машин снято с производства. Предприятия часто практикуют обработку льнотресты повышенной влажности. В связи с этим представляют интерес вопросы оптимизации режима обработки такой тресты.

Таким образом, эффективная обработка сырца на мяльно-трепальном агрегате с минимальными потерями длинного волокна в отходы может быть проведена только при адаптации параметров режимов работы мяльно-трепального агрегата к поступающему сырью.

Качество льнотресты оценивается согласно существующих стандартов ГОСТ 2975-73 «Треста льняная». Номер сырья определяется в зависимости от горстевой длины, пригодности, прочности и содержания волокна, цвета, диаметра стеблей, отделяемости. В стандартах учитывается также влажность, содержание сорняков. Эти свойства определяют потенциальные возможности получения из данного сырья определенного количества длинного и короткого волокна и его качество. Однако насколько эти возможности будут реализованы при переработке, зависит от многих организационно-технических причин и, прежде всего, от правильной адаптации режимов работы технологического процесса к свойствам сырья.

Конечная влажность льняной тресты перед процессами механической обработки имеет большое значение, так как от нее зависят физико-механические свойства древесины и волокна [16, 18, 17]. Стебли с малой влажностью имеют хрупкую древесину, легко отделяемую от волокна. Однако с уменьшением влажности ухудшаются свойства волокна: оно становится менее прочным, более жестким и хрупким, не выдерживает интенсивных воздействий.

Под оптимальной влажностью тресты принято понимать такую влажность, при которой механическая обработка тресты дает наилучшие результаты [14].

Оптимальные значения влажности моченцовой льнотресты при переработке ее на льноволокно были научно обоснованы В.П. Благовещенским [7, 19]. При переработке льнотресты им была рекомендована следующая оптимальная влажность: для прочной льнотресты с нормальной отделяемостью 8..14%, для сырья средней прочности 8..10%, для ослабленного сырья 7..9%.

Ряд авторов, например, И.М. Фальковский предлагает производить механическую обработку тресты пониженной влажности 8..10% [20].

В.А. Суметов считает, что льняную тресту следует пересушивать до 7..9%, с последующим искусственным увлажнением до технологической влажности [21].

В.В. Марков предлагает разделять льнотресту на четыре типа, для каждого из которых существует своя оптимальная технологическая влажность: недолежалая - влажность 16..20%, нормальной вылежки 12..13%, перележалую 15..17%, пеструю 12..13% [17].

При пониженной влажности (менее 8%) резко уменьшаются гибкость и прочность волокна, наряду с уменьшением этих показателей древесины, что в свою очередь приводит к разрыву волокна и уменьшению его выхода [16].

С увеличением влажности материала выход длинного волокна уменьшается (таблица 2); при этом сырье с более низкими показателями физико-механических свойств будут иметь большие потери длинного волокна, чем прочное [7].

Таблица 1.2. Выход и качество длинного волокна в зависимости от влажности тресты

В.П. Благовещенский указывает, что обескостривание сырца с увеличением его влажности ухудшается. Для достижения определенной закостренности более влажного материала необходимо применять более жесткий режим обработки.

Н.К. Сорокин рекомендует использовать льнотресту с абсолютной влажностью 12..16% для получения максимального выхода и наилучшего качества волокна на типовом технологическом оборудовании [9].

При этом все исследователи сходятся во мнении, что при обработке льнотресты различной влажности, для достижения оптимальных количественно-качественных характеристик выхода длинного льноволокна, следует использовать адекватные режимы обработки. Это возможно лишь при автоматическом контроле влажности на входе в мяльно-трепальный агрегат.

1.2 Анализ влияния влажности на физико-механические свойства льнотресты

Таблица 1.5. Угол излома стеблей льнотресты, град, при различной влажности

С увеличением влажности происходит и значительное возрастание коэффициента трения у стеблей и волокна (табл. 1.6).

Таблица 1.6. Коэффициент трения льнотресты, отн. ед., при различной влажности

С ростом влажности увеличивается гибкость волокна и релаксационные свойства, повышается устойчивость волокна к механическим воздействиям, т.е. снижается концентрация напряжений на дефектах (микротрещинах) в процессе разрушения. Уменьшается жесткость костры (из-за изменения угла излома), что вызывает снижение отделяемости. Необходимо увеличивать интенсивность воздействий. На графике (рис. 1.5) видно, что диапазон варьирования количества воздействий от влажности льнотресты составляет 50..130 воздействий [7, 10].

Рис. 1.5. Зависимость числа воздействий от влажности льнотресты

Зависимость практически линейная, при увеличении влажности на 5% интенсивность воздействий требуется увеличить на 20..25 воздействий.

При оптимизации числа воздействий к изменениям влажности следует также помнить, что приведенный график построен для тресты нормальной вылежки. В случае перележалой, ослабленной тресты снижают интенсивность воздействий за счет понижения частоты вращения или увеличения скорости транспортирования сырца.

Если треста пересушена, то на практике применяется дополнительное увлажнение тресты перед обработкой. Это вызвано тем, что сухой стебель становится очень хрупким, покровные ткани легко ломаются, образуя острые кромки, волокно менее эластично. Все это приводит к возможности излишнего повреждения волокна и к снижению выхода длинного волокна. С увеличением влажности жесткость древесины растет. Поэтому существует максимум выхода волокна от числа воздействий.

а) б)

Рис. 1.6. Зависимость а) - прочности волокна, б) - жесткости древесины от влажности

По графикам зависимостей прочности волокна и жесткости древесины от влажности (рис. 1.6) [7, 8, 10, 28] можно видеть, что с увеличением влажности жесткость древесины уменьшается, а прочность волокна растет, что позволяет увеличить интенсивность воздействий.

Увеличение прочности волокна с ростом влажности на первом участке (рис. 1.6а) можно объяснить тем, что имеет место эффект контракции. Плотность увеличивается и необходимо увеличивать интенсивность воздействий. При влажности выше 10..12% элементарные волокна начинают набухать, плотность снижается, и связывающие силы ослабляются [28].

Тресту влажностью 16% и выше обрабатывать на льнотрепальном агрегате не рекомендуют, так как в этом случае увеличивается гибкость древесины. Для удаления костры приходится увеличивать число оборотов трепальных барабанов, что приводит к уменьшению выхода длинного волокна (рис. 1.7).

Эффект снижения выхода длинного волокна в меньшей степени проявляется на тресте нормальной вылежки с высокой прочностью волокна. При росте влажности от 15 до 20% изменение выхода волокна, относительно максимального, в абсолютных единицах составило не более 2%. При наличии перележалой тресты с низкой прочностью волокна наблюдается резкое снижение выхода длинного волокна уже при влажности 14%. На таком же интервале изменения влажности (до 20%), выход длинного волокна сократился на 8%.

Рис. 1.7. Зависимость выхода длинного волокна от влажности

Обработка тресты влажностью ниже 8% также вызывает снижение выхода длинного волокна и его качества из-за повышенной ломкости стеблей, а также снижения прочности волокон, что вызывает возрастание числа обрывов волокон.

Влажность льнотресты также влияет на скорость обескостривания и величину закостренности волокна (рис. 1.8) [11]. График приведен для постоянного количества воздействий (в данном случае для 70 воздействий).

Рис. 1.8. Зависимость скорости обескостривания и закостренности волокна от влажности

Скорость обескостривания резко снижается с ростом влажности, а при влажности более 17% резко увеличивается закостренность волокна. Это также говорит о необходимости интенсификации процесса трепания для тресты с повышенной влажностью. Снижение скорости обескостривания сырца при увеличении влажности для тресты нормальной вылежки можно компенсировать за счет увеличения частоты вращения трепальных барабанов. Так при росте влажности с 6% до 12% для поддержания скорости обескостривания на одном уровне требуется увеличить частоту вращения трепальных барабанов с 200 до 300 мин^-1 [7].

Пашиным Е.Л. было установлено [29], что с увеличением отделяемости тресты закостренность трепаного волокна уменьшается. Наиболее интенсивно изменение этого параметра наблюдается при трепании со скоростью вращения барабанов 140 мин^-1. Однако наименьшая закостренность выявлена при больших скоростях вращения. Количество воздействий, совершаемых при трепании, менее влияет на изменение закостренности волокна, чем скорость вращения барабанов. При этом установлено, что при большем количестве воздействий вариация по закостренности при обработке стеблей разной степени вылежки снижается в 1,5.. 2,0 раза. Наблюдается также снижение различий в средних значениях закостренности в вариантах с повышенными скоростями вращения барабанов. Изменение выхода длинного волокна в зависимости от отделяемости тресты происходит по параболической кривой, имеющей область оптимума, которая определяется степенью вылежки тресты и режимами ее обработки. Следовательно, при обработке тресты с различной степенью вылежки большое значение имеет правильность выбора скоростных режимов трепальной машины.

Кроме того, как подтверждают полученные результаты, с увеличением скорости, вращения барабанов выход трепаного волокна уменьшается, что особенно заметно при обработке явно недолежалой тресты.

При создании системы оптимизации режимов трепания необходимо принять во внимание, что для перележалой тресты в связи с низкой прочностью волокна интенсификацию процесса следует проводить за счет снижения скорости транспортирования сырца, а не за счет увеличения частоты вращения трепальных барабанов, что имело место для тресты нормальной вылежки.

Кроме того, значительное уменьшение скорости зажимного транспортера трепальной машины нежелательно с экономической точки зрения, так как эта величина определяет пропускную способность мяльно-трепального агрегата в целом. Минимальное значение скорости зажимного транспортера определяется рентабельностью производства. При отсутствии возможности дальнейшего снижения скорости движения зажимного транспортера, интенсификацию процесса трепания следует проводить только за счет увеличения частоты вращения трепальных барабанов.

Большое значение для процесса обработки льнотресты в трепальной машине имеет и распределение влажности по сечению стебля. Процесс сушки тресты в сушильных машинах обеспечивает снижение влажности древесной части стебля на 4..5% по сравнению с влажностью волокна [7]. Это позволяет проводить процесс трепания с наибольшим эффектом и низкими потерями волокна.

1.3 Анализ причин неоднородности слоя и стеблей льнотресты по влажности