Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 1

Задачи и способы окорки древесины

Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 8. Влияние диаметра кряжа на механизм роторной окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 7. Влияние температуры окружающей среды на эффективность роторной окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 6. Моделирование влияния влажности на особенности процесса разрушения коры при роторной окорке
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 5. Анализ методов расчета показателей процесса окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 4. Технологические аспекты расчета параметров процесса окорки
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 3
Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов. Часть 2. Фрезерные окорочные станки и их инструментальное оснащение.

Окорка древесины - одна из наиболее энерго- и трудоемких операций первичной лесопереработки, которая выполняется на всех типах лесопромышленных складов. В результате образуются значительные объемы отходов, которые в настоящее время не находят должного применения.

При современном состоянии технологии окорки древесины в лесной и целлюлозно­бумажной промышленности нашей страны ресурсы коры, пригодной для использования, составляют свыше 6 млн м³, в том числе около 2 млн м³ коры образуется на лесопильно­деревообрабатывающих предприятиях. Однако из этого объема в промышленности используется всего 12,7%. Остальная часть коры свозится на свалки или просто сжигается под открытым небом, засоряя окружающую среду. Можно утверждать, что без возможности полноценной утилизации отходов окорки (особенно это актуально для окорки хвойных пород) процесс окорки не может быть признан эффективным, то есть качественным.

Исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, свидетельствуют о ценности коры как сырья для выработки разного вида продуктов, которые могут быть использованы в качестве компонентов композиции древесно­волокнистых плит, бумаг и формовочных составов; пластификаторов и наполнителей клеев, пластмасс, резины и различных строительных растворов; фильтрующих материалов; добавок к буровым растворам. А также в качестве подслойного материала для уплотнения твердых грунтов при сооружении дорог в заболоченных местностях; изоляционного материала от промерзания грунтов; мульчи для садовых почв; компонента для приготовления компостов; подстилки на животноводческих фермах с последующим использованием ее как гумуса.

Окорка как она есть

В настоящее время окорка круг­лых лесоматериалов выполняется на лесопромышленных складах различного назначения и принадлежности - нижних складах лесозаготовительных предприятий, лесоперевалочных базах, биржах сырья потребителей. Окорка лесоматериалов в условиях лесосеки и верхних складов не нашла распространения в связи с отсутствием мобильных технических средств, позволяющих качественно и с высокой производительностью выполнять эту технологическую операцию, а также в связи со значительным сокращением плотового лесосплава и полным прекращением молевого лесосплава.

Окорке подвергаются все основные сортименты - пиловочник, балансы, рудничная стойка, шпальные, фанерные и другие бревна. При этом к качеству окорки предъявляются различные требования, у некоторых видов сортиментов необходимо удалять с поверхности не только кору, но и часть заболони. Нужно учитывать, что после удаления коры и луба у балансовой древесины камбиальный слой становится хорошей питательной средой для микроорганизмов, вызывающих плесень и изменение окраски поверхностных слоев древесины (грибы синевы). На пораженные или поверхностные слои заболони обычно заселяются дереворазрушающие грибы, что существенно ухудшает качество вырабатываемой целлюлозы и бумаги. Однако в технологическом потоке, исключающем длительное хранение древесины, наличие камбия в ней допускается даже при выработке высококачественных сортов целлюлозы и бумаги.

В древесине, поставляемой потребителям рудничной стойки, луб оставляют либо полностью (что наиболее целесообразно при сухом хранении), либо частично. Луб предохраняет древесину от проникновения грибов и в случае быстрого подсыхания образует прочную сухую корочку. Он также защищает древесину от образования трещин (особенно первые два месяца хранения) и почти не препятствует подсыханию бревен.

При окорке березовых стоек на обоих концах каждой стойки оставляют «манжеты» шириной 10 см.

Во время окорки балансов и пиловочных бревен кору удаляют полностью, но допускается и частичное (в форме пятен) оставление луба. Для производства высококачественных целлюлоз допускается оставлять не более 5% луба, для производства газетной бумаги - 10-15%.

Различают три вида окорки: чистую, грубую и пролыску. При чистой окорке лесоматериалы полностью очищают от всех слоев коры, удаляется и камбиальный слой. При грубой окорке допускается полное или частичное сохранение лубяного слоя. При пролыске удаляют кору в виде отдельных полос или участков в направлении продольной оси круглых лесоматериалов.

Чистой окорке подвергают балансы, используемые в целлюлозно­бумажном производстве и поставляемые на экспорт, а также все материалы, подлежащие пропитке (шпалы, столбы линий связи и т. д.). Грубой окорке подвергают пиловочник, рудничную стойку, лесоматериалы, применяемые в круглом виде без пропитки и используемые для получения некоторых видов щепы. Окорка пиловочника, шпального кряжа и тарного сырья перед продольной распиловкой дает возможность использовать отходы для получения технологической щепы, оптимизировать раскрой, замедлить затупление режущего инструмента.

Пролыске подвергают тонкомерные лесоматериалы, подлежащие сплаву. За счет пролыски древесина без растрескивания подсушивается на берегу, уменьшается ее объемный вес, что позволяет значительно снизить процент утопа при сплаве.

Для лесоматериалов, поставляемых потребителям, наряду с качеством окорки (степенью удаления коры) большое значение имеет товарный вид, то есть качество окоренной поверхности. Поверхность лесоматериалов должна быть гладкой, без мшистости и вырывов волокон, сучья должны быть срезаны заподлицо с поверхностью бревна.

Несмотря на то что ГОСТ на окорку не регламентирует механические повреждения поверхности лесоматериалов (кроме отдельных требований для балансов чистой окорки на экспорт), они имеют определенное значение. Во­первых, механические повреждения снижают товарный вид лесоматериалов. Во­вторых, они отрицательно влияют на хранение окоренных бревен ввиду легкого поражения древесины дерево­окрашивающими грибами, способствуют интенсивному загрязнению поверхности, которое может потребовать дополнительных затрат на их очистку при обработке, а также уменьшают плотную массу древесины.

В силу того что к качеству окорки лесоматериалов предъявляются широкие требования, производительность окорочных станков необходимо рассматривать с учетом требуемого качества окорки тех или иных лесоматериалов в связи с условиями их хранения, транспортировки, переработки, а в ряде случаев и для сохранения товарного вида. Кроме того, на производительность окорочного оборудования существенное влияние оказывают физико­механические свойства обрабатываемых лесоматериалов.

С повышением требований к качеству окорки (максимальное удаление коры и минимальное разрушение поверхности древесины) производительность окорочного оборудования снижается. Эта тенденция усугубляется неблагоприятными физико­механическими свойствами лесоматериалов, среди которых отрицательная температура, низкая влажность, высокая прочность связи коры с древесиной и слоев коры между собой, свойственная некоторым древесным породам. В связи с этим окорка некоторых видов сортиментов с высоким качеством (особенно при неблагоприятных условиях) становится экономически нецелесообразной из­за резкого снижения производительности окорочного оборудования или высокой стоимости операций по предварительной подготовке лесоматериалов, например, гидротермической обработки.

Анализ производительности вновь создаваемого или модернизируемого окорочного оборудования необходимо производить с учетом требований к качеству окорки тех или иных видов лесоматериалов.

Способы окорки круглых лесоматериалов

Существующие способы окорки лесоматериалов различаются по характеру воздействия на кору с целью ее удаления. Полное или частичное удаление коры с поверхности лесоматериалов может осуществляться следующими способами: механическим воздействием, воздействием струи жидкости или газа; воздействием химикатов, разрушающих сцепление коры с древесиной, а также при использовании электрогидравлического эффекта.

Подавляющее большинство окорочных установок, применяемых в настоящее время на лесопромышленных складах, работает по принципу механического воздействия на кору. Остальные вышеуказанные способы используются мало.

Сущность гидравлической окорки заключается в том, что кора удаляется с поверхности вращающихся бревен, которые двигаются вдоль ряда сопел, под воздействием струи воды, подаваемой под большим давлением.

Гидравлические окорочные установки позволяют достигать высокого качества окорки при значительной производительности. Однако они отличаются сложным устройством и очень высокими требованиями по предварительной подготовке (очистке от примесей) воды, поэтому энергетический КПД этих установок низок, и они потребляют много электроэнергии. Так, при производительности гидравлической окорочной установки 30-90 м³/ч потребляемая ею мощность составляет 300-900 кВт.

Принцип работы пневматических окорочных установок основан на воздействии на кору энергией воздушной струи с твердым наполнителем (обычно - опилками), а иногда и без него. Воздушная струя, разогнанная до звуковой скорости, обладает определенными энергетическими свойствами и при воздействии на кору разрушает ее и отделяет от древесины. Устройство пневматической окорочной установки во многом аналогично гидроокорочной установке. Как и при гидравлической окорке, процесс требует больших энергозатрат и характеризуется низким КПД.

При химической окорке с предкорневой части ствола растущего дерева в вегетационный период снимают кольцо коры шириной 0,15-0,2 м, а на обнаженную поверхность древесины наносят раствор ядохимиката, который вместе с древесными соками расходится по стволу. При этом клетки камбия отмирают и разлагаются, что разрушает связь коры со стволом. Дерево усыхает, а кора под действием природных факторов (ветра, насекомых) отпадает. Для ослабления связи коры с древесиной требуется выдержка дерева на корню на менее трех теплых месяцев. Отпадание коры начинается, как правило, лишь после годичной выдержки обработанного химикатом дерева на корню. За это время в древесине появляются дереворазрушающие грибы и насекомые­вредители. Ввиду большого экологического вреда этот способ сейчас запрещен.

Электрогидравлический метод окорки основан на использовании механического воздействия ударной волны расходящегося потока жидкости и других факторов, возникающих при высоковольтном импульсном разряде в воде. Установка представляет собой заполненную водой ванну, в которую погружаются подлежащие окорке лесоматериалы. Вдоль бревен двигается каретка с электродами, к которым подводится постоянный ток от конденсаторов емкостью 2 мкФ каждый. Напряжение может регулироваться в диапазоне от 0 до 70 кВ. Расход электроэнергии на окорку свежесрубленной древесины при положительной температуре для березы и осины составляет 1080-2340 кДж/м³, для ели - 1680-2880 кДж/м³, на окорку мерзлой и сухой древесины - 7200-9000 кДж/м³. Ряд научных работ указывает, что этот способ целесо­образно использовать для окорки лиственных пород на фанерном и спичечном производствах, а также для обработки низкокачественной древесины бревен неправильной формы. Но пока этот способ промышленного распространения не нашел.

При механической окорке принято выделять следующие методы разрушения и отделения коры: резание древесины острым резцом; сдвиг коры по камбиальному слою тупым резцом; трение бревен или трение бревна и тупого предмета; соударение бревен между собой или с твердым предметом. Классификация механических способов окорки приведена на рис. 1.

Механическая окорка лесоматериалов резанием имеет ряд достоинств: стабильность и надежность окорки, то есть возможность гарантированного получения окоренной поверхности требуемого качества; управляемость процесса, то есть возможность регулировки толщины снимаемого слоя; возможность окорки лесоматериалов в любом состоянии - сухих, сплавных, мерзлых и т. д.; возможность одновременной зачистки остатков сучьев. Однако при окорке резанием неизбежны значительные потери древесины.

Механическая окорка тупыми короснимателями отличается от окорки резанием тем, что траектория движения рабочего органа окорочного станка зависит от профиля обрабатываемой поверхности. Этот способ окорки основан на различии механической прочности коры и древесины. Затупленный резец снимает кору по камбиальному слою, не внедряясь в древесину, что позволяет значительно сократить потери древесины. Сравнительно небольшое удельное сопротивление сдвигу коры по камбиальному слою обеспечивает возможность создавать высокопроизводительные станки небольшой энергоемкости. Однако сила сцепления коры с древесиной варьируется в широком диапазоне, в вегетационный период она в 8-10 раз меньше, чем в холодный период года. При понижении температуры до -6°С прочность коры возрастает до величин, близких к прочности древесины. Это означает, что гарантированное получение окоренной поверхности требуемого качества при использовании этого способа окорки возможно только в условиях обработки свежесрубленных и сплавных лесоматериалов при положительной температуре. Окорка мерзлых и подсушенных бревен возможна только до определенных пределов (лесоматериалы хорошо окариваются при влажности коры не менее 50-55%; при влажности ниже 40-45% окорку проводить трудно) и неизбежно сопровождается понижением производительности станков и низким качеством окоренной поверхности.

Классификация окорочного инструмента для поштучной окорки круглых лесоматериалов приведена на рис. 2.

Принцип трения и соударения бревен между собой или с твердыми предметами воплощен в конструкции окорочных барабанов, которые используются для групповой окорки лесоматериалов. Наиболее эффективен этот метод при окорке лесоматериалов с шероховатой, в трещинах корой. Установки для групповой окорки отличаются высокой производительностью и применяются для окорки лесоматериалов малой длины и неправильной формы. Однако при отрицательных температурах, вследствие значительного увеличения сил сцепления древесины с корой, процесс окорки затрудняется, падает производительность оборудования, качество окоренной поверхности снижается, а потери древесины достигают 13-17%. С целью обеспечения нормальной работы установок для групповой окорки в зимних условиях требуется предварительный подогрев лесоматериалов в бассейнах с теплой водой.

Состояние коры и параметры окорки

Таблица. Объем коры различных
пород

Кора является естественным защитным покрытием растущего дерева. Строение коры различно по длине ствола, а также у деревьев разных пород. Кора растущего дерева формируется из двух зон: наружной, называемой коркой, и внутренней - лубом. У каждой специфическая структура и химический состав, каждая играет свою биологическую роль. Соотношение этих зон разное у разных пород, к тому же очень большие отличия почти по всем показателям обнаруживаются у деревьев одной породы, произрастающих в разных местах. Доля корки в коре - от 20 до 45%.

Между корой и лубом находится слой паренхимных клеток, наружный слой которых образует пробковый камбий. При делении клеток этого камбия в сторону луба откладываются клетки лубяной паренхимы, а в сторону корки - пробковые клетки. Оболочки этих клеток не имеют пор и пропитаны суберином, делающим их непроницаемыми для воды и воздуха. Механическими элементами коры являются лубяные волокна и каменистые клетки. Пробковые клетки выполняют функцию покровных.

В общем объеме древесины ствола кора составляет от 6 до 25% (см. табл.).

Величины возникающих в процессе окорки сопротивлений, характер разрушения и отделения слоев коры друг от друга и от древесины определяются механической прочностью древесины и связями слоев с древесиной и между собой. Механическая прочность слоев коры зависит от ее структуры и физического состояния в момент окорки, как показано на рис. 4.

Кора хвойных пород состоит из чередующихся участков перидермы, разделенных рыхлой корковой паренхимой с вкраплением темных каменистых клеток. Слоистое строение корки сосны и лиственницы благоприятствует ее разрушению как вдоль, так и поперек волокон. Несколько большие сопротивления разрушению корки возникают при окорке ели, что может быть объяснено чечевицеобразной формой нарастающих элементов коры; кроме того, пробковый слой коры ели, в отличие от сосновой, содержит значительно больше каменистых клеток, которые придают ей твердость и повышают механическую прочность. Корковый слой хвойных пород характеризуется низкой и сравнительно постоянной влажностью (W=15-25%), не зависящей от времени года.

Между коркой и заболонной древесиной расположен лубяной слой, переходящий с внешней стороны в пробковый камбий, а с внутренней - в камбиальную зону, которая формирует клетки луба и древесины. Луб у ели развит лучше, чем у сосны. Луб имеет волокнистое строение с расположением волокон вдоль ствола дерева. У сосны внутренние клетки луба мало отличаются по строению от клеток камбия и носят название камбиформа. Наличие этих клеток определяет незаметный переход от камбия к лубу, вместе с тем переход в сторону древесины резкий. Соотношение механических связей клеток камбиформа с лубом и камбия с древесиной определяет условия окорки с полным или частичным отделением камбия от древесины.

Объемное соотношение корки и луба вдоль ствола меняется. В комлевой части сосны, где значительно развита покровная ткань, корка составляет основную долю объема коры. У ели расхождение по строению и объемное соотношение корки и луба по длине ствола незначительно.

Сопротивление отрыву коры от древесины зависит от времени года (вегетационного периода), у хвойных пород оно уменьшается в конце апреля и возрастает в конце сентября - начале октября. Также у хвойных пород большое количество трахеид последнего годичного кольца в течение нескольких месяцев после периода вегетации остаются живыми, наполненными протоплазмой. У сосны живые трахеиды наблюдаются даже в декабре. Сила сцепления коры с древесиной зависит от наличия живых клеток и твердости древесины последнего годичного кольца.

При отрицательных температурах влага, содержащаяся в полостях клеток луба и камбиальной зоны, замерзает, повышая прочность коры и ее связь с древесиной. Интенсивность замерзания зависит от величины клеточных полостей, содержащих воду, а также от наличия растворенных в ней веществ. Область фазового превращения свободной влаги древесных пород находится в температурном интервале от 0 до -3°С. При понижении температуры ниже 0°С происходит замерзание связанной воды, прочность камбиального слоя возрастает и силы сцепления коры с древесиной увеличиваются в несколько раз. Это связано с тем, что при замерзании влага, увеличиваясь в объеме на 9%, деформирует клеточные оболочки, что ведет к упрочнению структуры. При более низких температурах кристаллы льда образуют решетку, в результате чего внешняя нагрузка начинает восприниматься волокнами материала совместно с кристаллами льда.

При механической окорке большое значение имеют строение и толщина коры, ее механические свойства и физическое состояние в момент обработки. Определению толщины коры посвящено большое количество исследований, результатом этих исследований являются корреляционные уравнения, показывающие связь толщины коры и диаметра бревна. Результаты расчетов толщины коры по этим уравнениям близки, однако наиболее точным следует признать дифференцированный способ определения толщины коры с выделением комлевой и серединной части ствола:

где h_к - толщина коры, мм; d - диаметр бревна, мм.

Графически зависимости толщины коры от диаметра бревна представлена на рис. 5.

В корке много лигнина и мало целлюлозы, в лубе и того и другого немного, но зато в лубе больше гемицеллюлоз и экстрактивных веществ.

При сопоставлении группового состав липидов луба и корки выявлено, что содержание липидов в лубе, по сути, одинаково по всей длине ствола и составляет 7,1%; количество липидов в корке возрастает с высотой и равно соответственно 1,39% в комлевых, 4,35% - в серединных и 6,75% - в вершинных сортиментах.  Следовательно, добывать липиды из луба коры гораздо выгоднее.

Сравнение химического состава луба и древесины показывает, что целлюлозы в лубе в 1,5 раза меньше, чем в древесине, но в исследованиях ученых отмечается отсутствие принципиальной разницы в качестве целлюлозы, содержащейся в коре и в древесине. Луб содержит немалое количество дубильных веществ, кроме того, меньше целлюлозы и лигнина по сравнению с древесиной, но значительно больше веществ, экстрагируемых органическими растворителями и водой.

Соответственно, способы получения целлюлозы из древесины и волокнистого полуфабриката из луба должны быть разными, то есть целесообразно раздельно использовать лубяную и корково­древесную части отходов окорки.

Из всего сказанного можно заключить, что для повышения качества окорки необходимо разработать и внедрить в производство новый, высокоэффективный способ, который позволил бы удалять кору с хвойных и лиственных пород древесины послойно, разделяя пробковый и лубяной слои, то есть способ селективной окорки.

Такой способ, помимо критерия утилизации отходов, благоприятно скажется и на традиционном показателе качества окорки - степени удаления коры с поверхности бревен.

Игорь ГРИГОРЬЕВ, д-р техн. наук, проф. кафедры технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТА,
Антон ГУЛЬКО, аспирант кафедры технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТА

Следующая статья