3.2.1. Lựa chọn vât liệu chế tạo đĩa
Đĩa nghiền phải làm việc trong môi trƣờng khắc nghiệt do vậy hiện tƣợng mòn đĩa là hiện tƣợng phổ biến xảy ra sau một quá trình làm việc. Để nâng cao độ bền mòn cơ học, khả năng chống lại biến dạng dẻo khi làm việc ở môi trƣờng có nhiệt độ khoảng 150 ÷ 200 oC, vật liệu chế tạo đĩa nghiền nhập ngoại có các thành phần sau: C = 0,14% ÷ 0.22%; Mn = 0,5%; Cr = 12,7% ÷ 14,2%; Ni = 0,59%; Mo = 0,9%; V = 0,06%; W = 0,036%; Si = 0,05%; S = 0,3%; P = 0,035%.
Vậy để chế tạo đĩa nghiền, vật liệu yêu cầu độ dẻo cao, chịu va đập mạnh, làm việc trong môi trƣờng ẩm có tác động hóa học của các muối gốc axit hữu cơ. Vật liệu
phù hợp với yêu cầu này có thể là thép không gỉ. Thép không gỉ có các thành phần hóa học là Mn ≥ 0,80 – 1,00%, Si ≥ 0,50 – 0,80%, Cr ≥ 0,50 – 0,80%, Ni ≥ 0,50 – 0,80%, W ≥ 0,10 – 0,50%, Mo ≥ 0,05 – 0,20%, Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30, B ≥ 0,0005% nên có thể làm việc trong môi trƣờng ăn mòn hóa học trung bình, song chúng chịu tải trọng và chịu mòn tốt. Từ những phân tích trên, đề tài chọn thép không gỉ để chế tạo đĩa nghiền.
3.2.2. Lựa chọn dạng đĩa và các thông số hình học của đĩa
Trên thế giới có rất nhiều mẫu đĩa nghiền khác nhau. Sau đây sẽ giới thiệu một số dạng bố trí răng đĩa nghiền bột giấy.
Hình 3.2 biểu diễn dạng đĩa có răng không song song, các răng tạo với phƣơng hƣớng kính một góc bằng hằng số.
Dạng đĩa nghiền hình 3.3 là dạng đĩa nghiền có các răng đƣợc bố trí trên từng múi răng và các răng song song với nhau.
Hình 3.2. Dạng đĩa nghiền có các răng không song song
Hình dạng bề mặt đĩa nghiền là yếu tố quan trọng liên quan đền chiều dài sợi. Khi các răng nghiền chủ yếu đƣợc hƣớng theo phƣơng hƣớng kính trên bề mặt đĩa nghiền sẽ thu đƣợc bột giấy với chiều dài sợi và sợi đƣợc chổi hóa lớn. Điều này có thể đƣợc giải thích qua thực tế nhƣ sau: Khi sợi bột giấy ở trong khe hở giữa hai đĩa nghiền chúng sẽ đƣợc phân luồng phƣơng song song với các mép răng nghiền. Sợi bột giấy về cơ bản bị cuộn lại giữa các bề mặt răng nghiền đối diện nhau do đó các sợi đƣợc cắt và đƣợc phân tơ trên toàn bộ chiều dài của chúng. Loại đĩa này khi nghiền sẽ tạo cho sợi có sự đan kết tốt do đó bột nghiền có độ bền cao. Tuy nhiên, khi sử dụng đĩa nghiền này đòi hỏi phải tiêu thụ năng lƣợng cao để tạo ra đƣợc mômen chống đƣợc lại sức cản ma sát giữa các bề mặt răng nghiền khi chúng chuyển động qua nhau. Loại đĩa nghiền này thƣờng đƣợc sử dụng cho giấy in báo.
Khi các răng nghiền đƣợc đặt xiên so với phƣơng bán kính thì tƣơng ứng với nó chiều dài sợi thƣờng giảm vì mép răng nghiền trong trƣờng hợp này có tác động cắt sợi. Hiệu quả phân tơ sợi giảm đồng thời xảy ra khi tác động cắt sợi tăng. Loại đĩa này cho bột có độ bền thấp nhƣng có thể phù hợp cho quá trình sản xuất bột giấy mịn hơn nhƣ là giấy in với khả năng tạo hình, khả năng in và độ chắn sáng có giá trị cao hơn.
Góc răng cũng là yếu tố quan trọng ảnh hƣởng tới việc nạp liệu vào khe hở hẹp giữa hai bề mặt nghiền. Khi các răng nghiền có góc xiên theo phƣơng bán kính, phần răng phía chu vi đĩa tác động chủ yếu vận chuyển bột, phần răng ở phía tâm đĩa chủ yếu là giữ bột trong buồng nghiền. Do đó, thời gian bột giấy đƣợc giữ lại trong buồng nghiền chịu ảnh hƣởng lớn của góc nghiêng răng nghiền.
Các mảnh nghiền đƣợc thiết kế tùy theo yêu cầu của sản phẩm bột. Nghĩa là bề mặt nghiền phải tạo ra sự cân bằng giữa sự phân tơ sợi và sự cắt sợi tƣơng ứng với sự cấp liệu và giữ nguyên liệu trong buồng nghiền.
Các mảnh nghiền có thể đƣợc thiết kế sao cho vừa tối ƣu bột và tiêu thụ năng lƣợng nhỏ nhất có thể. Theo phát minh này, mảnh đĩa nghiền gồm các đặc trƣng sau: Mảnh đĩa nghiền đƣợc dùng cho máy nghiền đĩa cho quá trình nghiền sợi lignocellulose. Đĩa nghiền có bề mặt nghiền đƣợc chia ra thành ba vùng bán kính (A,B,C). Vùng A gần tâm đĩa, vùng B là vùng trung gian và vùng C là vùng gần chu vi đĩa. Mỗi một vùng gồm một số răng trong đó các răng chủ yếu là song song với nhau và tạo với phƣơng bán kính một góc xiên nhất định. Ở vùng A, góc nghiêng răng khoảng 20-450
và khe hở giữa hai bề mặt nghiền lớn nên vùng này chủ yếu có chức năng nạp và phân phối nguyên liệu. Lúc này sợi không đƣợc cắt và cũng không đƣợc phân tơ. Ở vùng B, góc nghiêng răng thƣờng là 10-300. Các răng vẫn có tác dụng nạp liệu nhƣng không nhiều nhƣ vùng A. Khe hở giữa hai bề mặt đĩa nhỏ hơn và do đó khi đĩa quay, sợi sẽ bị cuốn vào vùng nghiền và bắt đầu đƣợc nghiền. Ở vùng C, các góc nghiêng răng đƣợc thay đổi giữa -100
và +200, trong đó góc âm là góc đƣợc tạo thành khi phƣơng của răng nghiền ngƣợc với phƣơng bán kính. Tùy thuộc vào tính chất bột yêu cầu mà các góc nghiền có thể đƣợc lựa chọn sử dụng khác nhau. Góc nhỏ chủ yếu là phân tơ sợi và góc lớn chủ yếu là cắt sợi.
Theo cách bố trí đĩa nhƣ vậy, góc của các răng sẽ lớn nhất ở gần tâm đĩa và sau đó giảm dần theo phƣơng chu vi đĩa, do đó bề mặt nghiền đƣợc sử dụng phù hợp nhất. Quá trình sử dụng đĩa nghiền này cho phép thu đƣợc chất lƣợng bột nhƣ đĩa nghiền có răng nghiền liền nhau với năng lƣợng nghiền nhỏ. Tuy nhiên, việc xác định các góc nghiêng răng cho mỗi vùng A,B,C và tƣơng ứng với một loại nguyên liệu cụ thể là rất khó khăn, việc chế tạo đĩa nghiền phức tạp sẽ làm tăng giá thành đĩa nghiền. Vì vậy, dạng đĩa nghiền này ít đƣợc sử dụng trong thực tế sản xuất.
Dạng đĩa nghiền đƣợc minh họa ở hình 3.5 là dạng đĩa nghiền đƣợc chia ra ba vùng nghiền cơ bản. Các răng trên mỗi vùng nghiền là răng có dạng đƣờng cong lôgarit và mỗi vùng nghiền có dạng đƣờng zíc zắc. Dạng đĩa này cho diện tích nghiền lớn, góc giao nhau giữa hai đĩa là hằng số và do đó khối bột thu đƣợc đồng đều. Tuy nhiên, dạng đĩa này sẽ đòi hỏi năng lƣợng nghiền lớn và công nghệ chế tạo đĩa khó khăn hơn dạng đĩa nghiền răng thẳng và các răng song song với nhau.
Theo [24], cƣờng độ nghiền thấp cho phép xử lý sợi tốt. Cách tốt nhất để đạt đƣợc cƣờng độ nghiền thấp là cấu tạo đĩa nghiền phải đƣợc thiết kế để tạo ra nhiều răng nghiền mà vẫn có khả năng chịu tác động thủy lực và chịu phá vỡ răng trong quá trình nghiền [16]. Do đó, trong hai kiểu thiết kế răng đĩa nghiền trên, dạng răng cho phép tạo nhiều răng nghiền sẽ làm tăng chiều dài nghiền và cƣờng độ nghiền thấp nên là mẫu đĩa dạng đĩa nghiền răng thẳng và các răng song song với nhau là phù hợp hơn. Mặt khác, theo bảng 3.2 và theo nguyên lý nghiền bột giấy (mục 1.6.3 - chƣơng 1) và với mục tiêu nghiền là chổi hóa xơ sợi ở giai đoạn nghiền tứ cấp nên bộ thông số đĩa nghiền thí nghiệm đƣợc xác định nhƣ bảng 3.4.
Bảng 3.4: Các thông số đĩa nghiền thí nghiệm ĐN Đƣờng kính (d) Vận tốc dài v (m/s) Rộng răng a (mm) Rộng rãnh b (mm) Cao răng c (mm) Góc nghiền α (độ) Góc quạt răng β (độ) dtrong (mm) dngoài (mm) BĐ1 80 240 20 2,5 4 5 10 24 BĐ2 80 240 20 3 4 5 10 24 BĐ3 80 240 20 3,5 4 5 10 24 BĐ4 80 240 20 4 4 5 10 24 BĐ5 80 240 20 4,5 4 5 10 24
3.2.3. Thiết kế chế tạo đĩa nghiền
Quy trình công nghệ chế tạo đĩa nghiền:
1. Rèn phôi đạt kích thƣớc 245x20 (mm)
2. Tiện khoả mặt đầu, tiện khoan lỗ 70 để gá kẹp cho nguyên công sau. 3. Tiện đạt kích thƣớc 240, 85, tiện các rãnh đạt kích thƣớc bản vẽ. 4. Tiện lỗ côn 1020
đảm bảo kích thƣớc 110, tiện lấy dấu đƣờng tâm cho khoan các lỗ 10.
5. Khoan + tarô 6 lỗ M8 để gá kẹp khi phay. 6. Phay đạt biên dạng răng.
7. Sửa bavia.
8. Khoan khoét 6 lỗ côn đạt kích thƣớc 18x600. 9. Mài phẳng 2 mặt.
a) b)
Hình 3.7. Cụm đĩa nghiền a) Cụm đĩa cố định b) Cụm đĩa quay
Kết luận chƣơng 3
Từ những phân tích của chƣơng I có thể thấy rằng: Trong quá trình nghiền, tính năng kỹ thuật của máy, đặc điểm cấu tạo của đĩa nghiền là nhân tố quyết định đến chất lƣợng nghiền. Theo chƣơng II, đối tƣợng nghiên cứu là nâng cao chất lƣợng nghiền, giảm chi phí năng lƣợng riêng khi nghiền bột gỗ thông bằng việc thay đổi các thông số hình học của đĩa nghiền. Sau khi phân tích, tính toán, máy nghiền và đĩa nghiền đƣợc lựa chọn dùng trong quá trình thí nghiệm có đặc điểm sau:
- Máy nghiền thí nghiệm là máy nghiền dạng đĩa đơn với một đĩa quay và một đĩa cố định. Máy có đặc điểm:
+ Kết cấu máy gọn, nhẹ, giá thành chế tạo thấp;
+ Thuận lợi khi sử dụng, tháo lắp, sửa chữa và thay thế các bộ phận trong quá trình thí nghiệm: Thay đổi đĩa nghiền, thay đổi tốc độ trục máy, thay đổi khe hở giữa hai đĩa nghiền;
+ Máy làm việc với độ tin cậy và tuổi thọ cao; khả năng chịu mòn của các bộ phận công tác tốt;
- Vật liệu chế tạo đĩa nghiền thí nghiệm là thép không gỉ cho phép làm việc trong môi trƣờng nghiền có sự ăn mòn hóa học cao;
- Đĩa nghiền dùng cho giai đoạn nghiền thứ hai với yêu cầu ƣu tiên sự phân tơ và chổi hóa xơ sợi, vì vậy các thông số hình học đƣợc lựa chọn nhƣ bảng 3.4.
Chƣơng 4
THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
Thiết bị thực nghiệm, thiết bị đo, kỹ thuật đo, kết quả đo đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng 4 nhƣ sau:
4.1. Nghiên cứu thực nghiệm máy nghiền bột giấy dạng đĩa 4.1.1 Mục đích 4.1.1 Mục đích
- Xác định các yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến tiêu thụ năng lƣợng và chất lƣợng bột giấy sau quá trình nghiền trên máy nghiền bột giấy dạng đĩa;
- Lựa chọn đƣợc bộ thông số chế tạo hợp lý nhằm giảm năng lƣợng tiêu thụ và tăng chất lƣợng sản phẩm bột giấy;
- Xác định các quan hệ và tính chất trong quá trình nghiền bằng thực nghiệm (những đại lƣợng này khó hoặc thậm chí không thể xác định đƣợc bằng phƣơng pháp tính toán lý thuyết);
4.1.2 Các đặc tính thực nghiệm cần xây dựng
- Năng lƣợng tiêu thụ.
- Đặc tính độ nghiền (0SR) của bột giấy .
4.1.3 Các thông số, chỉ tiêu cần xác định bằng thực nghiệm Thông số đầu vào Thông số đầu vào
- Chiều rộng răng nghiền a [mm] - Tốc độ n [v/ph]
Thông số đầu ra:
- Công suất tiêu thụ N, [kwh] - Độ nghiền S, [0SR].
4.2. Thiết bị thực nghiệm
Hình 4.1. Máy nghiền bột giấy dạng đĩa dùng trong thực nghiệm
Hình 4.2. Đĩa nghiền bột giấy dùng trong thực nghiệm
4.3. Thiết bị đo và phƣơng pháp đo thông số thực nghiệm đầu ra 4.3.1 Thiết bị đo và phƣơng pháp đo công suất tiêu thụ N 4.3.1 Thiết bị đo và phƣơng pháp đo công suất tiêu thụ N
Để đo công suất tiêu thụ N, cần biết công suất tiêu thụ P trong khoảng thời gian t. Việc xác định công suất động cơ có thể thực hiện bằng hai cách: Cách một là gián tiếp công suất tiêu thụ qua việc đo mô men xoắn M trên trục máy nghiền với mối quan hệ giữa chúng đƣợc biểu hiện thông qua biểu thức:
30 . . n M P , w trong đó:
P: Công suất động cơ, w; M: Mô men xoắn, Nm;
n: Tốc độ quay của trục dẫn động, v/ph.
và cách hai là đo trực tiếp công suất tiêu thụ qua công suất dẫn động đĩa nghiền theo công thức:
N = W/t với
t: Thời gian nghiền.
W: Năng lƣợng hao phí cho quá trình nghiền.
Trong thí nghiệm nghiền bột giấy, tác giả sử dụng phƣơng pháp đo trực tiếp theo cách hai.
Theo đó, mức tiêu thụ điện năng riêng Wr đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo điện thông dụng:
- Công tơ điện tử đƣợc kết nối với máy tính và cho ta các thông số chính của động cơ bao gồm: Thời gian nghiền; hệ số Cosφ, công suất điện kháng Ptt, công suất trở kháng Qtt, hiệu điện thế hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng và điện năng tiêu thụ.
Việc đo công suất đƣợc thực hiện tại Trƣờng đại học Giao thông vận tải - Hà Nội với thiết bị đƣợc minh họa ở hình 4.3.
Quá trình đo đƣợc tiến hành theo sơ đồ hình 4.4.
NGUỒN ĐIỆN BA PHA
ĐIỆN KẾ ĐIỆN TỬ
ĐỘNG CƠ BA PHA
MÁY NGHIỀN ĐĨA
MÁY TÍNH
4.3.2. Thiết bị đo và phƣơng pháp đo độ nghiền (0SR) 4.3.2.1 Thiết bị đo
- Máy đo độ nghiền (Hình 4.9)
4.3.2.2. Phƣơng pháp đo
a. Chuẩn bị
- Mẫu bột cần đo (bột giấy) - Thiết bị đo độ nghiền - Ống đong 1000ml. b. Kiểm tra thiết bị
- Kiểm tra độ sạch của lƣới - Kiểm tra độ sạch của ống. c. Cách thực hiện
Bƣớc 1: Xác nhận nồng độ % của bột.
Bƣớc 2: Kiểm tra khối lƣợng bột cần đo đạt 2g khô tuyệt đối;
Bƣớc 3: Vệ sinh thật sạch khung lƣới và đặt khung lƣới lên thiết bị; Bƣớc 4: Đổ nƣớc và bột vào ống khuấy đều;
Bƣớc 5: Hạ chụp nón. Vừa khuấy vừa đổ 1000ml ± 5ml huyền phù bột vào trong ống đong sạch. Trộn mẫu thử bằng cách dùng tay bịt đầu trên của ống đong và lật đi lật lại hai vòng. Trong khi làm tránh để không khí vào. Đổ mẫu thử nhanh nhƣng phải nhẹ nhàng vào phần thoát nƣớc của thiết bị trong thời gian không quá 5 giây.
Bƣớc 6: Thả chụp nón. Nƣớc tự động thấm qua lƣới.
Bƣớc 7: Đợi nƣớc không chảy nữa, đọc giá trị độ nghiền trên ống đong.
Khi thực hiện đo độ nghiền đƣợc tiến hành hai lần thử song song cho mỗi phép thử và kết quả đƣợc chấp nhận khi chúng lệch nhau không quá 4%. Thang đo trị số SR có ghi lƣu lƣợng 1000ml tƣơng ứng với trị số SR bằng 100 và lƣu lƣợng bằng 0ml tƣơng ứng với trị số SR bằng 0, dải đo SR từ 0 – 100.
4.4. Tổ chức thực nghiệm
Theo chƣơng 2, các thông số thực nghiệm đƣợc xác định nhƣ sau:
Thông số đầu vào Thông số đầu ra
X1 = n, [v/ph] X2 = a, [mm]
YN: Chi phí năng lƣợng riêng [wh/t] YK: Độ nghiền, [0
SR]
4.4.1. Thực nghiệm đơn yếu tố
4.4.1.1. Xác định ảnh hƣởng của tốc độ nghiền X1 tới chất lƣợng nghiền YS và chi phí năng lƣợng riêng YN phí năng lƣợng riêng YN
a. Xác định ảnh hƣởng của tốc độ nghiền X1 tới chất lƣợng nghiền YS
Các yếu tố dƣợc chọn cố định ở các mức sau: + Chiều rộng răng nghiền X2 = 3 mm + Khe hở đĩa: 0.2 mm
+ Lƣu lƣợng huyền phù bột giấy Q = 10 lít/phút + Chiều cao răng: 5 mm
+ Góc nghiêng của răng nghiền α = 100
+ Góc quạt răng β = 240
+ Khoảng biến thiên tốc độ 100 vòng/phút + Mức biến thiên k = 5
Bảng 4.1: Ma trận thí nghiệm ảnh hưởng của tốc độ nghiền X1 tới chất lượng nghiền Ys