employee
g. Tver', Tver, Russian Federation
g. Tver', Tver, Russian Federation
g. Tver', Russian Federation
student
g. Kostroma, Russian Federation
employee
g. Moskva, Moscow, Russian Federation
Industrial hemp as a source of fiber is a valuable industrial raw material. In modern conditions, the lines of its primary processing should produce the same type of fiber with different characteristics, depending on the requirements for the properties of the finished fiber. The purpose of the work is to substantiate the scheme for processing industrial hemp based on the characteristics of hemp. Five primary processing lines were compared, including domestic flax equipment (M-110L2 grinding machine, DLV-2 disintegrators, and TG-135L shaker machines with a lower comb field). As raw materials the industrial hemp from Penza region, harvested in the spring, was used. The mass of one handful is 100 g, the loading density is 0.5 kg/m, the twist is three times. Raw materials were loaded into each machine manually. After primary processing by instrumental methods, hemp grade and characteristics were determined according to GOST 9993-2014. The scheme of the line for primary processing of industrial hemp in the form of tangled mass of stems of various lengths, which allows the production of the same type of hemp with different values of technological characteristics, has been developed. For the production of the same type of hemp with an average mass length of fiber 142 ... 144 mm, a mass fraction of bonfire of 1.6 ... 2.2%, a weighted average linear density of 11 ... 12 tex, the line should include a pulping machine, a disintegrator, two shaking machines; with characteristics respectively 235 mm, 7 ... 8% and 12 ... 13 tex - a disintegrator and two shaking machines; 219 mm and 15 ... 16%, 18 ... 19 tex - pulley and two shaking machines. Using the studied set of equipment provides a reduction in capital costs, in comparison with the lines of other manufacturers, by 3 ... 4 times, energy costs - up to 40%
industrial hemp, primary processing, hemp of the same type, production lines, fiber yield, mass fraction of bonfire, average mass length of fiber, linear density
Введение. Пенька из технической конопли – это ценное сырье, востребованное при производстве веревок, канатов, шпагатов, шнуров, сердечников стальных тросов, тканей технического и специального назначения. По гигроскопическим, антистатическим и физико-механическим свойствам техническая конопля близка к льноволокну, поэтому ее используют при изготовлении одежды, постельного белья и композиционных материалов [1, 2].
Благодаря широкому спектру применения конопляного сырья ежегодное увеличение числа перерабатывающих его компаний за рубежом составляет 20 % [3]. В США, где сейчас выращивают не более 5000 га конопли, предполагают увеличить площадь ее посевов до 40000 га [4]. Для России переработка технической конопли – стратегически важное направление экономики [5, 6].
В качестве коноплесырья более 75 % российских предприятий первичной переработки используют массу поломанных стеблей (стеблей неполной длины), перепутанных с волокном из-за частичной механической обработки в поле. Ее убирают зерновыми или специализированными комбайнами, перерабатывают в однотипное (короткое) волокно высокого качества, из которого производят однотипную пеньку – основное сырье для текстильных и технических изделий [7].
Более 80 % российских заводов для переработки технической конопли используют устаревшее оборудование, поскольку современные линии стоят очень дорого. Посевные площади технической конопли ежегодно возрастают и для уменьшения зависимости от импортного оборудования необходимо расширять применение отечественных линий [8, 9]. При этом они должны производить однотипную пеньку с различными характеристиками.
Цель работы – сравнение российских линий первичной переработки льна для подбора оптимальной технологической схемы производства однотипной пеньки из спутанной массы технической конопли.
Условия, материалы и методы исследований. Для первичной переработки коноплесырья в виде спутанной массы поломанных стеблей можно использовать льнооборудование [10, 11]. Это оборудование малозатратно, надежно и эффективно, его уже используют на Украине для переработки технической конопли [12].
Изучали 5 вариантов технологических линий, в состав которых входили разные сочетания таких машин для переработки льна (рисунок 1), как мяльная машина М-110Л2 (М), дезинтегратор ДЛВ-2 (Д), трясильная машина ТГ-135Л с нижним гребенным полем (Т):
I – Д+Т+Т;
II – Д+Д+Т+Т;
III – М+Т+Т;
IV – М+Д+Т+Т;
V – М+Д+Д+Т+Т.
В качестве сырья выступала техническая конопля, собранная в Пензенской области. Влажность коноплесырья перед переработкой должна составлять 12…14 % [13, 14], в наших исследованиях она была равна 12 %. Средний диаметр поломанных стеблей был равен
4,8…5,6 мм, максимальный диаметр – 8,6 мм. На каждой линии перерабатывали коноплесырье массой 100 г при плотности загрузки 0,5 кг/м. Загружали его в машины вручную.
Использовали следующие режимы работы оборудования:
мяльная машина М-110Л2 – стандартный набор вальцов, скорость движения материала – 45 м/мин;
дезинтегратор Д – 1000 об./мин;
трясильная машина ТГ-135Л – частота качаний игольчатых валиков 230 об./мин (стандартный режим).
Сорт и характеристики выработанной пеньки определяли инструментальными методами по ГОСТ 9993-2014.
Исследования проводили в лабораторных условиях в трехкратной повторности. Рассчитывали среднюю арифметическую (S), стандартную ошибку (s), среднеквадратичное отклонение (σ), абсолютную и относительную гарантийные ошибки. На основании величины абсолютной ошибки опыта определяли доверительные интервалы, по которым рассчитывали статистическую значимость различий значений характеристик пеньки, произведенной на разных линиях. Данные обрабатывали с помощью однофакторного дисперсионного анализа в программе Microsoft Office Excel.
Анализ и обсуждение результатов исследований. В ходе исследований было установлено, что по мере увеличения числа машин в составе технологической линии выход волокна, значение которого может изменяться от 26 до 35 %, снижается. Включение в линию I второго дезинтегратора (линия II) снижало выход однотипной пеньки на 9 % (р ≤ 0,05), мяльной машины (линия IV) – на 3 %, мяльной машины и второго дезинтегратора (линия V) – на 5 % (см. табл.).
Меньшее снижение выхода волокна при использовании мяльной машины М-110Л2 объясняется тем, что в ней происходит подготовка сырья к трепанию – разрушение связей волокна с древесиной. Это сокращает потери при последующей переработке. Кроме того, добавление в состав линии мяльной машины уменьшает средневзвешенную линейную плотность волокна на 35 % (р ≤ 0,05) и позволяет производить однотипную пеньку с более низким содержанием костры, по сравнению с линиями I и II.
Однотипная пенька с показателями качества, соответствующими 3 сорту, была изготовлена на линиях III, IV и V. Пенька с линий IV и V была близкой по характеристикам, при этом затраты на приобретение оборудования для линии IV будут ниже, что снизит себестоимость волокна.
В качестве основной для производства однотипной пеньки можно рекомендовать линию IV. Она позволяет получать однотипную пеньку с разрывной нагрузкой 20 кгс, массовой долей костры менее 5 %, средней массодлиной волокна 144 мм, средневзвешенной линейной плотностью 11,6 текс и долей волокон в массе от 125 до 275 мм 40 % (рисунок 2).
Кроме того, процесс переработки технической конопли на линии IV можно менять в зависимости от требуемых характеристик волокна:
для производства однотипной пеньки с высоким содержанием длинных волокон нужно исключить дезинтегратор, фактически получая линию III;
для производства материалов и изделий, не требующих низкой массовой доли костры и (или) высокой разрывной нагрузки, следует убрать мяльную машину. В результате получим линию I.
Таким образом, схема переработки коноплесырья для производства однотипной пеньки с разными технологическими характеристиками может выглядеть следующим образом (рисунок 3).
Для производства однотипной пеньки со средней массодлиной волокна ниже 145 мм лучше всего подходит линия IV, а при необходимости ее увеличения на 75…90 мм – линии I и III. Для выпуска однотипной пеньки со средней линейной плотностью 13 текс целесообразно использовать линии III и IV, а для ее увеличения на 5…7 текс – линию I. Содержание костры будет наименьшим в однотипной пеньке с линии IV, наибольшим – на линии I.
Выход однотипной пеньки на 50 % определяет состав технологической линии и на 50 % другие факторы (режим работы оборудования, сорт, качество сырья и др.). Массовая доля костры в однотипной пеньке зависит от состава технологического оборудования на 90 %, линейная плотность – на 10 %. Предложенная схема позволяет снизить капитальные затраты, по сравнению с линией производства ОАО «Завод им. Г. К. Королева» и линией франко-германского производства Temafa + Charle, в 3…4 раза, затраты на электроэнергию – на 40 %.
Выводы. Для первичной переработки технической конопли в виде спутанной массы стеблей различной длины в однотипную пеньку в качестве основной целесообразно использовать линию (схему) из следующего оборудования российского производства: размотчик рулонов, мяльная машина М-110Л2, дезинтегратор ДЛВ-2 и две трясильные машины ТГ-135Л (ТЛ-135, ТН-112, Т-150 и др.).
Изменяя ее состав – добавляя или убирая мяльную машину или дезинтегратор, можно производить однотипную пеньку с длиной волокна 142…235 мм, линейной плотностью 11…19 текс и массовой долей костры 1,7…16,0 %.
Cведения об источнике финансирования. Работа выполнена по государственному заданию НИОКТР № 0477–2019– 0005 при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
1. A universal line for processing flax and hemp into various types of finished products. [Universalnaya liniya dlya pererabotki lna i penki v razlichnye vidy gotovoy produktsii]. / A.V. Bezbabchenko, E. V. Novikov, M. M. Kovalev and others. // Izvestiya vuzov. Tekhnologiya tekstilnoy promyshlennosti. - News of universities. Technology of the textile industry. 2016. № 1 (361). P. 54–58.
2. Boyko G.A., Tikhosova A.A., Kutasov A.V. Investigation of the physico-mechanical properties of hemp cotonin. [Issledovanie fiziko-mekhanicheskikh svoystv konoplyanogo kotonina]. // Materialy i tekhnologii. - Proceedings and technologies. 2018. № 2 (2). P. 14–17. doi: 10.24411/2617-149X-2018-12002.
3. Naumov O. B. Rozvitok tekstil'noi promislovosti tai sirovinnoi moni. Kherson: Oldi-plyus, 2004. 393 s.
4. Cherney J. H., Small E. Industrial Hemp in North America: Production, Politics and Potential // Agronomy. 2016. Vol. 6. No. 4. P. 58. doi:10.3390/agronomy6040058.
5. Ponazhev V. P., Rozhmina T. A., Pavlova L. N. Vysokoproduktivnye sorta konopli i ikh osobennosti. // Len i konoplya: sorta, tekhnologii, ekonomika: nauchnyye razrabotki VNIIL. [Highly productive hemp varieties and their features. // Flax and hemp: varieties, technologies, economics: scientific developments of VNIIIL). Tver: Tver. gos. un-t. 2015. P. 54–55.
6. Moryganov A. P. Domestic cellulose fiber - a promising raw material for the Russian textile industry. [Otechestvennoe tsellyuloznoe volokno – perspektivnoe syrye dlya rossiyskoy tekstilnoy promyshlennosti]. // Izvestiya vuzov. Tekhnologiya tekstilnoy promyshlennosti. - News of Universities. Technology of the textile industry. 2018. № 4 (376). P. 44–49.
7. Issledovanie liniy dlya pererabotki tekhnicheskoy konopli v odnotipnuyu i shtapelirovannuyu penku. // Maslichnyye kul'tury. Nauchno-tekhnicheskiy byulleten Vserossiyskogo nauchno-issledovatelskogo instituta maslichnykh kultur. (The study of lines for processing industrial hemp in the same type and stapled hemp. / E. N. Koroleva, E. V. Novikov, A. V. Bezbabchenko and others // Oilseeds. Scientific and technical bulletin of the All-Russian Research Institute of Oilseeds). 2018. Issue 3 (175). P. 85–91.
8. Basova N. V., Novikov E. V., Bezbabchenko A. V. Analysis of processing lines for technical hemp. [Analiz liniy pererabotki tekhnicheskoy konopli]. // Innovatsii v selskom khozyaystve. - Innovations in agriculture. 2019. № 4 (33). P. 54–61.
9. About hemp breeding and technical and economic analysis of lines for processing industrial hemp into the same type fiber. [O konoplevodstve i tekhniko-ekonomicheskiy analiz liniy dlya pererabotki promyshlennoy konopli v odnotipnoe volokno]. / N.V. Basova, E.V. Novikov, I.V. Uschapovskiy and others. // Izvestiya vuzov. Tekhnologiya tekstilnoy promyshlennosti. - University proceedings. Technology of the textile industry. 2019. № 2 (380). P. 58–63.
10. Pavlovskiy E.P., Vnukov V.G. Dezintegrator dlya otdeleniya kostry ot otkhodov trepaniya. // Lnyanoe delo. [Disintegrator for separating bonfires from rubbing waste. // Flax business]. 1998. № 3. P. 38–40.
11. Nosov A.G., Vikharev S.M., Drozdov V.G. Vliyanie vlazhnosti na veroyatnostnye parametry raspredeleniya shtapelnoy dliny otkhodov trepaniya pri obrabotke v dezintegratore. // Izvestiya vuzov. Tekhnologiya tekstilnoy promyshlennosti. [Influence of humidity on the probabilistic distribution parameters of staple lengths of scuffing waste during processing in a disintegrator. // News of Universities. Technology of the textile industry]. 2013. № 3. P. 40–42.
12. Lukianenko P. V. Kompleksna ekonomichna ocinka zbirannya ta pererobki tresti konopel, otrimanoi za novoyu tekhnologiieyu [Complex economic assessment of harvesting and processing of hemp trusts obtained by new technology] // Interuniversity collection "Scientific Notes". Lutsk, 2012. № 39. P. 97–101.
13. Pravila tekhnicheskoy ekspluatatsii penkozavodov. [Rules for the technical operation of hedge plants]. Glukhov: VNII lubyanykh kultur, 1991. P. 119.
14. Sumetov V.A. Sushka i uvlazhnenie lubovoloknistykh materialov: uchebnik dlya vuzov. [Drying and moistening of bast-fiber materials: a textbook for universities]. M. Legkaya industriya, 1980. P. 336.
