Мировой опыт показывает, что характерной чертой развития деревообрабатывающей промышленности является неуклонно возрастающий дефицит сырья для производства пиломатериалов и клееной фанеры. Вместе с тем отмечается постоянный рост потребительского спроса на материалы, используемые в производстве мебели и строительстве. Поэтому быстрыми темпами, до 3 % ежегодно, увеличивается производство древесных плит.

Древесностружечная плита - листовой композиционный материал, изготовленный путем горячего прессования древесных частиц, преимущественно стружки, смешанных со связующим неминерального происхождения с введением при необходимости специальных добавок (6-18 % от массы стружек) на одно- и многоэтажных периодических прессах (0,2-5 МПа, 100-140 °С) или в непрерывных ленточных, гусеничных либо экструзионных агрегатах.

Впервые в 1940-х годах в США появились древесностружечные плиты. Изначально они использовались в качестве материала для временной мебели американских беженцев. В России до настоящего времени находит широкое применение как в быту, так и в бюджетных организациях и является наиболее широко распространенным конструкционным материалом мебели.

Для обозначения этих плит используются аббревиатуры ДСП и ДСтП - первый вариант встречается гораздо чаще, хотя в нормативных документах используется аббревиатура ДСтП (поскольку аббревиатура ДСП к тому времени уже использовалась для обозначения древесно-слоистых пластиков - Фанера) [3].

Целью данного курсового проекта является проектирование цеха по производству древесностружечных плит. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать исходные технологические данные;

- произвести расчет производительности цеха;

- произвести расход сырья и материалов;

- выполнить пооперационный расчет перерабатываемого материала;

- подобрать и рассчитать количество основного технологического оборудования;

- описать технологический процесс производства ДСтП.

Для производства ДСтП применяют дровяную древесину, щепу технологическую, отходы лесопиления и деревообработки, а также лесосечные отходы.

Отходы деревообработки. Эти отходы образуются в различных технологических процессах переработки древесины. Так, в лесопилении при разделке бревен на лесопильных рамах, обрезке досок и их раскрое получают отходы в виде горбылей (5-10% от объема сырья), реек (3-8%), а также опилок (8-12%).

При производстве фанеры отходы получаются в процессе оцилиндровки и лущения чураков, рубки шпона на ножницах, обрезки фанеры по формату и т.д. Основные виды отходов: шпон-рванина (28-32% от объема перерабатываемого сырья), карандаши (12-15%), срезки фанеры (3,5-4,5%) и прочие отходы (3-3,5%).

В производстве мебели отходы образуются при раскрое заготовок деталей из пиломатериалов, столярных плит и фанеры, а также в процессе придания деталям правильной формы и при их окончательной обработке. При изготовлении корпусной мебели образуются следующие отходы: обрезки (32-40% от объема сырья), стружка (14-17%), опилки и пыль (12-14%).

В соответствие с заданием на курсовое проектирование, и руководствуясь данными технической литературы, приводится характеристика сырья, представленная в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Характеристика сырья

При расчете расхода сырья на изготовление древесностружечных плит необходимо знать средневзвешенную условную плотность древесного сырья и средневзвешенную условную плотность древесного сырья при определенной влажности.

Определяется средневзвешенная условная плотность древесного сырья, кг/м³. Если для производства плит используется одна порода древесины, то расчеты производятся по формуле:

(1.1)

где - средневзвешенная условная плотность одной породы, кг/м³;

- соответственно условная плотность здоровой древесины, коры, гнили (с_гн=0,65· с_др), кг/м³ [1, таблица А2];

- соответственно условная плотность здоровой древесины, кг/м³;

Подставляя числовые значения в формулу 1.1, получим:

кг/м³;

кг/м³;

Средневзвешенная плотность всего используемого сырья, кг/м3, определяется по формуле:

(1.2)

где - доля древесного сырья данной породы в общей массе, %.

Подставляя числовые значения в формулу 1.2, получим:

кг/м³;

Определяется средневзвешенная плотность древесного сырья при определенной влажности. Расчет производится по следующей формуле:

(1.3)

где сⁿ_щ - средневзвешенная плотность одной породы при определенной влажности, кг/м³;

с^щ_др, с^щ_к, с^щ_гн, - соответственно плотность здоровой древесины, гнили (с_гн=0,65· с_др) при определенной влажности, кг/м³ [1, таблица А1, таблица А2].

Подставляя числовые значения в формулу 1.3, получим:

кг/м³;

кг/м³;

Средневзвешенная плотность всего сырья, кг/м³, определяется по формуле:

(1.4)

Подставляя числовые значения в формулу 1.4, получим:

кг/м³;

1.3 Виды связующих и требования к ним

В производстве плит используют два основных вида синтетических связующих: карбамидо- и фенолоформальдегидные смолы. Подробно рассмотрим карбамидоформальдегидные смолы, так как по заданию на курсовой проект дана смола КФ-МТ-15.

Карбамидоформальдегидные смолы обладают следующими преимуществами по сравнению с другими смолами: быстро отверждаются при нагревании; скорость их желатинизации можно регулировать в значительных пределах (от 15 до 120с); имеют высокую прочность склеивания и светлую окраску; запасы сырья для производства карбамидных смол практически неограничены.

К достоинствам смолы КФ-МТ-15 относится повышение формо-устойчивости и транспортной прочности стружечного ковра, что объясняется низкой смешиваемостью смолы КФ-МТ-15 с водой. В то же время -- это свойство затрудняет мойку оборудования, трудопроводов, форсунок. Кроме того, из-за низкой смешиваемости смолы с водой стружечно-клеевая масса налипает на скребковые и винтовые конвейеры, что приводит к повышенному образованию пылесмояных пятен на поверхности плит.

С применением малотоксичных смол КФ-0,15 и КФ-МТ-15 содержание свободного формальдегида в плитах уменьшается до 20 мг на 100г плиты.

Для производства ДСтП применяют малотоксичные смолы марок КФ-МТ-15 по ТУ 6-05-12-88 и КФ-0,15 по ТУ 13-914-86, физико-химические показатели которых приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Физико-химические показатели карбамидо-формальдегидных смол для производства ДСтП

Норма расхода связующего устанавливаются в зависимости от породного состава сырья, слоя и конструкции плиты. При использовании смеси древесных пород норма расхода смолы определяется как средневзвешенная величина, %:

,(1.5)

где - норма расхода связующего для данной древесной породы,%; принимаем [1, таблица 3.6];

- доля сырья данной породы сырья.

Подставляя значения в формулу (1.5), получим:

1.4 Химические добавки, используемые для придания ДСтП специальных свойств

Введением в стружечную массу специальных химических веществ (добавок) плитам можно придать повышенную водо, био- и огнестойкость.

Гидрофобные добавки. Недостатками ДСтП на основе карбамидоформальдегидных смол являются их низкая водостойкость и формоизменяемость в условиях воздействия воды и влажности. Водостойкость плит повышают введением в стружечную массу гидрофобных веществ, например парафина, в расплавленном виде или в виде эмульсии.

Наиболее легко вводить в стружечную массу расплавленный парафин. Введение 0,5...1 % парафина от массы стружки обеспечивает значительное уменьшение водопоглощения и разбухания. Дальнейшее увеличение количества парафина практически не повышает водостойкости, а механические показатели плит снижаются.

Введение расплавленного парафина связано с необходимостью обогревать емкости для плавления парафина, трубопроводы и распылители. Поэтому для гидрофобизации ДСтП более приемлемы гидрофобные эмульсии (таблица 1.5).

Таблица 1.5 - Составы парафиновых эмульсий в массовых частях

ЦНИИФ* - организация, разработавшие эмульсии.

Антисептические добавки. Без введения специальных веществ ДСтП на основе карбамидоформальдегидных смол не являются биостойким материалом и при определенных условиях поражаются грибками и насекомыми. Потеря массы плит после выдержки в контакте с домовым грибом в течение 3 мес. составляет 31...48%. Плиты на основе фенолоформальдегидных смол, содержащих некоторое количество свободного фенола, обладающего большой токсичностью, отличаются более высокой биостойкостью, однако также могут поражаться грибками и насекомыми.

С целью придания плитам биостойкости в стружечную массу вводят антисептики, действие которых заключается в разрушении микроорганизмов, поражающих древесину, или в сообщении древесинному веществу свойств, при которых оно не является питательной средой для грибков и. насекомых.

Наиболее дешевы и эффективны такие антисептики, как кремнефтористый натрий (Na2SiF6) (ГОСТ 87--77) и фтористый натрий (NaF) (ГОСТ 2871--75), введение которых в количестве 0,5. . . 1 % к массе стружки надежно защищает плиты от поражения грибками и микроорганизмами. При введении такого количества антисептика потеря массы плиты под действием домового гриба в течение 3 мес. составляет 0,7%. Присутствие антисептика несколько ухудшает физикомеханические свойства плит: прочность на изгиб снижается на 12%, а разбухание по толщине увеличивается на 5...9 %.

Эффективным антисептиком является медный купорос или сернокислая медь CuSO45H2O (ГОСТ 4115-68), который почти полностью (на 90 %) защищает плиты от поражения домовым грибом.

К биостойким плитам почти всегда предъявляют высокие требования и по водостойкости (гидрофобности). При одновременном введении антисептиков и гидрофобизаторов необходимо, чтобы они совмещались между собой. Медный купорос может быть совмещен только с гидрофобной эмульсией на основе моющего средства ОП-7, другие эмульсии медный купорос разлагает. Совместное введение гидрофобной эмульсии и антисептика в количестве 0,75 % к массе абсолютно сухой стружки или 6 % к массе смолы (в сухом виде) позволяет получить био- и водостойкие ДСтП.

Антипирены. Известно большое число огнезащитных средств для защиты древесных материалов от огня, однако не все они могут быть использованы для придания огнестойкости плитам. Важным требованием при изготовлении огнестойких плит является создание условий, при которых антипирены не только не оказывали бы отрицательного влияния на желатинизацию связующего, но были бы нейтральными или даже способствовали этому процессу. Совместное введение в стружечную массу связующего и антипиренов возможно только при их совместимости. Желатинизация связующего на основе карбамидоформальдегидных смол происходит в кислой среде, поэтому такие антипирены, как борная кислота, сернокислый аммоний, введенные со смолой в стружечную массу, ускоряют процесс желатинизации. Соли же со щелочными свойствами (бура, соли фосфорной кислоты и металлов) замедляют процесс желатинизации, что увеличивает продолжительность прессования и ухудшает физико-механические свойства плит.

Введение 5...10% гранулированной борной кислоты или смеси ортофосфорной кислоты (Н3РО4) и хлористого цинка (ZnCl2) в соотношении от 2 : 5 до 5 : 2 (в процентах от массы смолы) придает плитам на основе карбамидоформальдегидных смол огнестойкость, отвечающую требованиям к трудносгораемым материалам без снижения физикомеханических свойств. Хорошим антипиреном является смесь буры и борной кислоты. Однако этот антипирен дорог, и применять его экономически невыгодно. При введении в стружечную массу буры и борной кислоты в количестве 8 %, хлористого цинка 6 % и смолы 14 % (по сухому остатку) от массы сухой стружки получают плиты с хорошими показателями огнестойкости. Но введение такого антипирена в стружечную массу снижает водостойкость и прочность плит. Чтобы не снижать показатели физико-механических свойств, в стружечную массу необходимо одновременно вводить гидрофобные вещества (парафиновую эмульсию).

2. Расчет производственной программы цеха

2.1 Годовой фонд рабочего времени

Наибольшая эффективность в использовании оборудования, а, следовательно, и максимальная производительность цеха достигается при непрерывной работе основных его отделений по скользящему четырехбригадному графику по 8 часов в смену без перерыва между сменами и без остановки в выходные дни. По этому графику все четыре смены работают пять дней в неделю по 8 часов. Так как технологический процесс производства древесностружечных плит непрерывный, целесообразно круглосуточный режим работы цеха без выходных дней. Это обусловлено тем, что, как показывает опыт предприятий, после каждой остановки цеха требуется одна смена для пуска его в работу и одна смена для достижения требуемого ритма работы. Кроме того, пока будут достигнуты требуемые режимы на каждой технологической операции, первые несколько запрессовок плит имеют весьма низкое качество и по существу не пригодны для использования.

В лесной и деревообрабатывающей промышленности РФ принят следующий режим работы цехов с непрерывным циклом:

Число рабочих часов в году, ч/год определяется по формуле:

,(2.1)

где - фонд рабочего времени, дней;

- число рабочих смен в сутки (принимаем 3 смены);

- продолжительность рабочей смены, ч (8 ч).

Подставляя значения в формулу (2.1), получим:

2.2 Характеристика параметров режима горячего прессования

Производительность пресса зависит от многих факторов: конструкции пресса, плотности плиты, марки клея и определяется режимом прессования. Под режимом прессования ДСтП понимают условия, при которых осуществляется процесс прессования и которые обеспечивают требуемое качество плит. Режим прессования ДСтП характеризуется следующими параметрами:

- влажность стружечных пакетов, загруженных в пресс;

- температура прессования (плит пресса);

- продолжительность прессования;

- давление прессования.

Влажность стружечных пакетов. Влажность стружечных пакетов, загружаемых в пресс, оказывает большое влияние на продолжительность прессования и в меньшей степени на механические показатели плит. Чем выше влажность пакетов, тем больше требуется времени на выпаривание влаги из пакетов в период прессования.

С целью сокращения продолжительности прессования, снижения выделения свободного формальдегида рекомендуется влажность осмоленной стружки в пакетах поддерживать на следующем уровне: в однослойных и многослойных плитах -10-12 %; в трехслойных влажность зависит от слоя плиты: наружные слои - 10-14 %, внутренний - 8-10 %; в пятислойных плитах: наружные, промежуточные слои - 10-15 %, внутренний -8-10 %.

Температура прессования (плит пресса). Чем выше температура прессования, тем быстрее идет прогрев по всей толщине пакета и тем меньше продолжительность прессования. В современных цехах по производству плит температуру прессования в многоэтажных гидравлических прессах принимают в пределах 160-190 ^оС, в одноэтажных гидравлических и каландровых прессах 180-220 ^оС.

Цикл прессования плит. Продолжительность горячего прессования плит в прессе определяет не только свойства получаемых плит, но и производительность пресса.

По заданию на курсовой проект типом прессовой установки является пресс фирмы «Беккерван Хюллен», технические характеристики которого представлены в таблице 2.1.

Как известно, время цикла прессования ф_ц, мин, состоит из времени прессования и вспомогательного времени (рисунок 2.1) и может быть определено по формуле:

,(2.2)

где - время прессования, сек;

- вспомогательное время, сек.

Время прессования, мин., необходимо рассчитать, исходя из условий прессования, толщины и плотности плиты:

,(2.3)

где - удельная продолжительность горячего прессования плитмин/мм (принимаем 0,33 мин/мм) [1, таблица 4.1];

- толщина готовой шлифованной плиты, мм (17 мм по заданию);

- припуск на шлифование, мм.

Припуск по толщине плиты на шлифование принимается равным 1,5 мм при поддонном прессовании и до 1 мм при бес поддонном прессовании.

Таблица 2.1 - Технические характеристики прессовой установки фирмы «Беккерван Хюллен»

Вспомогательное время, мин, определяется по формуле:

,(2.4)

где - продолжительность загрузки плит в пресс, с;

- продолжительность смыкания плит в пресса, с;

- продолжительность подъема давления до максимального, с;

- продолжительность размыкания плит пресса, с.

Цикл прессования начинается с загрузки пакетов в промежутки пресса при разомкнутых плитах. Время загрузки можно принять 20 - 30 сек.

Время смыкания плит пресса принимается равным времени размыкания плит пресса и может быть определено по формуле:

,(2.5)

где - количество рабочих промежутков пресса, шт (для прессовой установки фирмы «Беккерван Хюллен») принимаем 8 шт);

- высота рабочего промежутка пресса, мм (для прессовой установки фирмы «Беккерван Хюллен») принимаем 160 мм);

- толщина готовой шлифованной плиты, мм;

- скорость подъема плит пресса, мм/с (для прессовой установки фирмы «ПР-6») принимаем 150 мм/с).

Пресса могут быть оснащены механизмом одновременного смыкания плит (симультанный механизм). Важнейшая особенность прессов с симультанным механизмом - медленное относительное сближение горячих плит пресса при относительно коротком времени смыкания всех плит. Благодаря малым скоростям сближения плит исключается сдувание стружки с поверхности брикетов, которые подвергаются одинаковой термической обработке.

Применение рычажных механизмов позволяет производить смыкание плит за 7 - 10 сек. независимо от числа этажей, что ведет к сокращению общего цикла прессования.

После смыкания плит пресса поднимают давление до максимального. Время подъема, давления зависит от технического состояния гидросистемы и должно составлять 30 - 40 сек.

После достижения заданного удельного давления Р₁ необходимо поддерживать давление постоянным в течение 30 % от продолжительности прессования фпр. Время выдержки плит в прессе во втором и в третьем периодах составляет также 30% от продолжительности прессования фпр.

Понижение давления от одного периода к другому выполняют в течение 30 с. После понижения давления до нуля перед размыканием прессование ведется без давления в течение 10 % от продолжительности прессования ф_пр.

После стабилизации плиты пресса размыкают, и идет выгрузка. Время выгрузки равно времени загрузки пресса, поэтому оно не включается во время цикла, так как загрузка и разгрузка пресса происходит одновременно.

Давление прессования. Величина давления зависит от плотности прессуемых плит, влажности и размеров осмоленной стружки, используемых для изготовления стружки древесных пород, продолжительности прессования и других факторов. В настоящее время величину давления принимают такой, чтобы упрессовка брикетов до заданной толщины плиты завершалась в течение не более 30 секунд.

Максимальное давление в первом периоде прессования зависит от определенных факторов, основными из которых являются плотность и толщина готовых плит, удельное время прессования. Значения максимального давления в первом периоде прессования приведены [1, таблица 4.2];

В процессе прессования имеющаяся в пакете влага превращается в пар и создает значительное давление внутри пакета, зависящее от температуры прессования, поэтому необходимо медленно удалять паровоздушную смесь (ПВС) из плиты (после достижения давления P₁ можно говорить уже о формировании плиты).ПВС удаляется плавным снижением давления или же ступенчато, по периодам. Давление во втором периоде поддерживается на уровне 50% от максимального давления. Давление в третьем периоде поддерживается на уровне 20% от максимального.

После уточнения параметров режима прессования, необходимо построить диаграмму прессования в масштабе. На оси ординат откладывается давление прессования, на оси абсцисс - время прессования.

Подставляя значения в формулу (2.5), получим:

Подставляя значения в формулу (2.4), получим:

Подставляя значения в формулу (2.3), получим:

Подставляя значения в формулу (2.2), получим:

2.3 Расчет производительности пресса горячего прессования

Производительность цеха определяется производительностью пресса для горячего прессования. Все другое технологическое и транспортное оборудование на остальных участках цеха должно быть подчинено производительности цеха.

Техническая характеристика многоэтажных прессов с обогреваемыми плитами [1, таблица 4.3]. Производительность пресса определяется по формулам:

;(2.6)

;(2.7)

где - соответственно часовая и годовая производительность пресса, м³/ч, м³/год;

- длина, ширина и толщина готовой чистообрезной шлифованной плиты, м;

- количество промежутков (этажей) между плитами пресса (по техническим характеристикам пресса фирмы «Беккерван Хюллен»)» принимаем 8 этажей)

- коэффициент использования рабочего времени пресса (для многоэтажных прессов 0,8 - 0,9);

А - число рабочих часов в году (по формуле (2.1) 7296 ч/год);

- время цикла, мин.

Подставляя значения в формулы (2.6) и (2.7), получим

3. Расчет расхода сырья и материалов

3.1 Расчет количества стружки на одну плиту

Масса готовой стружечной плиты, кг, определяется по формуле:

,(3.1)

где - длина, ширина плиты, м (по заданию );

- толщина плиты, мм (по заданию );

- плотность плиты, кг/м³ (по заданию ).

Подставляя значения в формулу (3.1), получим:

.

Расход абсолютно сухих древесных частиц на одну плиту, кг, определяется по формуле:

,(3.2)

где - влажность готовых плит, % (по таблице 1.2 );

- расход связующего, %.

Подставляя значения в формулу (3.2), получим:

Расход стружки с некоторой влажностью на одну плиту, кг, определяется по формуле:

,(3.3)

где - влажность сухой стружки, принимается равной (2-5)%.

Подставляя значения в формулу (3.3), получим:

3.2 Расчет количества стружки на 1 м плит

Количество абсолютно сухой стружки на 1 м плит определяется по формуле:

,(3.4)

где - плотность соответственно наружных и внутреннего слоя плиты, кг/м³;

- влажность готовых плит, %;

- расход связующего, %.

Подставляя значения в формулу (3.4), получим:

Количество стружки с некоторой влажностью на 1 м плит без учета потерь, кг, определяется по формуле:

.(3.5)

Подставляя значения в формулу (3.5), получим:

.

3.3 Расчет расхода древесины на 1 м³ плит