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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerkleinerung, Zerstückeln, Zerreiben oder Entfaserung in Scheibenmühlen, Scheibenstippern und Scheiben/Kegelrefinern.
Refiner haben die Aufgabe Holzschnitzel zu zerkleinern, in Fasern zu zerlegen und in Fibrillen aufzulösen.
Diese Vorgänge erfolgen zwischen rasch rotierender Mahiflächen, die mit verschleissfesten austauschbaren Segmenten bestückt sind. Der Mahlspalt wird klein gehalten und die Mahlsegmente sind mit Rillen und länglichen Stegen versehen. Die Stoffzufuhr erfolgt in der Mitte und die Zerreibung nimmt mit nach aussen enger werdendem Mahlspalt zu. Durch die hohe Energieeinbringung wird die restliche Feuchtigkeit als Dampf austreten und muss im Gleich- oder Gegenstrom aus diesem Spalt austreten. Im allgemeinen wird die Qualität des Holzstoffes von der Verweilzeit, der Spaltkonstanz und der Form der Mahisegmentmusterung, sowie der Mahiplattenanpresskraft und der darausfolgenden Spaltweite und Energieeinbringung bestimmt.
Möglichst lange und vollständig gelöste Fibrillen geben die gewünschte Festigkeit und Formbeständigkeit.
Häufigste Anwendung dieser Vorrichtung erfolgt in der mechanischen Zellstofferzeugung. Da diese Verfahren gegenüber den chemischen Verfahren den Vorteil geringerer Umweltbelastung mit sich bringen, ergeben sich zunehmend steigende Anwendungen.
Anlagen mit bis zu 1700mm Durchmesser bei 1500 Umdrehungen pro Minute benötigen 15 MW Leistung.
Dieser hohe Leistungsbedarf ist Gegenstand zahlreicher Massnahmen wie zum Beispiel die Mahisegmentgestaltung, Ausbildung der Rillen und Stege, sogenannter Schwellen unterhalb der Mahleben, mit dem Ziele der Qualitätsverbesserung und der Energieeinsparung.
Ein weiterer Kostenfaktor Ist die Standzeit der Mahlsegment, da durch Verschleiss die Mahlwirkung nachlässt, der Energieverbrauch steigt und die Qualität des Holzstoffes sinkt.
Trotz grosser Anstrengungen in der Erforschung der Vorgänge und Erkennen der Ursachen betreffend Energieverbrauch, Verschleiss und Qualitätseinflüsse ist man im Allgemeinen auf empirische Versuche angewiesen.
Auf folgende Zusammenhänge und Folgen der Weiterentwicklung sei hier im Hinblick auf die vorliegende Verbesserung des Verfahrens hingewiesen : Neue Gusstechnik (sandmolding - shellmolding - investment casting) hat die Veränderung der Neigungswin- kel der Stege von 83 auf 88 Grad ermöglicht und wesentlich glattere Stegoberflächen ergeben und schmälere Rillen und genauere Ausformung gebracht.
Die darausfolgenden Verbesserungen betreffen die längere Standzeit und den geringeren spezifischen Energieverbrauch.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Gestaltung der Refiner- bzw. Mahiplatten nach aerodynamischen Gesichtspunkten durchzuführen. Die Form der Kanäle, die sich aus dem Querschnitt der Stege und Rillen der Mahiplatten ergibt, setzt sich aus kreis-bzw. kreisförmigen Geometrien zusammen, sodass ein zyklonähnliche Nut gebildet wird. Vorteilhaft für die aerodynamischen Abläufe ist auch die vorgeschlagene Ausbildung der leicht ansteigenden Auflauffläche die von der Stegkante ab ausgeht.
Der Zyklonähnliche Kanal wird insbesondere durch den Verschneidungswinkel zwischen Mahlebene und Austrittsebene des Kanals eben dann verstärkt, wenn dieser weniger als 90 Grad beträgt.
Die Mahlelemente sind insbesondere an den Stegkanten besonders durch Abrieb belastet. Die vorliegende Erfindung sieht, zwecks Verbesserung des Verschleissverhaltens dieser besonders verschleissgefährdeten Stellen, eine Ausstattung dieser Stellen von besondere Härte und besondere Glätte, vor Die Verbesserung der Gas- bzw. Dampfableitung durch ein grösseres Verhältnis von Kanalquerschnitt zu Mahifläche wird durch die Ableitung von Gas- bzw. Dampf aus den Rillen in einen hinter der Mahlebene liegenden Sammelkanal verbessert. Vorteilhaft werden die zyklonförmigen Kanäle durch Auflöten, bzw. Kleben von profilgeformten Stegen (die Insbesondere einen Doppel T-förmigen Querschnitt aufweisen) auf die Grundplatte hergestellt.
Besonders geeignet für diese vorgefomten Stege sind Sintermaterialien mit Grosskristallen aus Nitriden, Carbiden oder CBN, PKD. Das Material ist besonders geeignet hohen Abnutzungen zu widerstehen und das Herstellverfahren lässt die Möglichkeit der Gestaltung der Oberflächenlandschaft wie z. B. Absenkungen, Sägezahn-Schuppen, und ansteigende Auflaufflächen zu.
Durch die vorliegenden Gestaltungen der Mahlvornchtung werden Verbesserung des Verfahrens, geringerer Energiebedarf und verringerter Verschleiss erzielt.
Die Gestaltung der Mahlplattenoberfläche mittels Hinterschneldungen der Stege (Neigungswinkel grösser 90 Grad), sowie die dach-bzw. sattelförmige Ausbildung der Stegflächen wurden Im Patent US 180, 599 von 1906 von A. J. Robinson angeführt. Die Gründe hiefür liegen In der besseren Nachschleifbarkeit und der längeren Standzeit. Es wurde erkannt, dass das Anpacken von Mahlmaterial in der sattelförmigen Vertiefung zu Erhöhung der Reibung und Verminderung der Leistung führt. Ein sattelförmiges Zurücksetzen der Stegoberfläche führt zu einer bleibenden Schärfe des Steges.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der Zyklon-Kanal in FIG. 1 c.
Besonders deutlich wird der vergrösserte Kanalquerschnitt (6), obwohl die Kanalbreite (5) in der Mahlgutebene (10) gleich gross wie bei den vorangegangenen Abbildungen ist. Der zyklonförmige Kanal wird durch die Kontur (7) des Steges ausgeformt.
In FIG. 2 wird deutlich welchen Einfluss die Neigungsebene (3) des Steges (1) auf das Verfahren des Mahlens und Refinern ausübt. Mit (8) ist ein Mahlsegment in ruhender Stellung als Stator (8) dargestellt.
Das Mahlgut (10), bzw. der Holzstoff wird relativ zu dieser Mahlplatte bewegt. Gas- bzw. Dampf und manche Kleinteilchen werden mit hoher Geschwindigkeit (11) aus dem Mahlspalt (9) gegen die Kante des Steges (1) prallen.
Mit (3a, 3b, 3c) Ist die Stegneigung der verschiedenen in den FIG. 1 a, 1 b, 1 c gezeigten Ausführungsarten dargestellt.
Mit der Neigung (3a) ist die Neigung für ein konventionelles Giessverfahren mit ca. 88 dargestellt, die Neigung (3b) beträgt beim"vertorenem Wachskern-Guss" (investment casting) ca. 2 8. die Neigung (3c) für den Zyklon-Kanal ist mit einer Hinterschneidung von-45'0 dargestellt.
Die Vorteile der Hinterschneidung (3c) gegenüber der herkömmlichen Stegneigung (3a, 3b) werden in Hinblick auf Verschleiss (geringere Aufprallenergie), Energieverbrauch (aerodynamische Verwirbelungen), Stoffqualität (geringerer Feinanteil) und Verbesserung der Impulsenergie durch günstigere Gas- bzw.
Dampf Trennung vom Holzstoff in den FIG. 3 bis 9 gezeigt.
In FIG. 3 wird der konventionelle Mahl- und Refinervorgang dargestellt. Mit (8) wird die feststehende Mahlscheibe, mit (9) der Mahlspalt, mit (10) der Stoff (Holzstoff, Mahlgut usw), mit (12) die bewegten Mahlsegmente, die mit der Geschwindigkeit (13) vorbeigeführt werden, dargestellt. Der Stoff (10) wird sich aus Gleichgewichtsgründen mit ca. der halben Rotorgeschwindigkeit (13), also der Stoffgeschwindigkeit (11) bewegen.
Bei Hochgeschwindigkeit-Refinern, -Mühlen, -Stippern wird der Gas- bzw. Dampfstrom, der aus dem Mahigut austritt, mitgerissen und es wird sich ein in FIG. 4 dargestellter Ablauf einstellen : Aus der Differenzgeschwindigkeit von Stator (8) und Mahlgut (10) wird sich ein Gas- bzw. Dampfpolster (15) statorseitig zwischen den unterschiedlich schnell bewegten Systemen ausbilden. Ebenso wird dies zwischen Rotor (12), der sich mit der Geschwindigkeit (13) bewegt und Holzstoff (10) zu einem Gas- bzw.
Dampfpolster (16) führen.
In den Kanalräumen wird nun je nach Grösse und Geschwindigkeit der aerodynamischen Bewegungen ein rechtsdrehender Wirbel (14) statorseltig und ein rechtsdrehender Wirbel (17) rotorseltig entstehen.
Der Gas- bzw. Dampfpolster (15) und (16) wird von der Druckdifferenz (Funktion der Gas- bzw. Dampfableitung) und der Mahlspaltweite abhängen (FIG. 4). Weiters wird je nach Lebensdauer der Mahlplatten auch die Verschleisserscheinung an den Stegoberflächen einen wesentlichen Einfluss aus- üben, da eine zusätzliche Neigung einen aerodynamischen Luftkeil zwischen Steg (1) und das Mahlgut (10) entstehen lässt (Aerodynamischer Trageffekt). In der Praxis wird in diesem Fall eine höhere Plattenanpresskraft erforderlich sein. Der höhere Energieverbrauch geht jedoch in Wärme über und nicht, wie notwendig, in die Defibrillierung.
Eine beabsichtigte Herbeiführung dieses zusätzlichen Trageffektes und zur Ausbildung des Gas- bzw. Dampfpolsters zwischen Holzstoff-Fliessbett und Mahlsteg wird durch eine an den Enden des Steges gebildeten Auflauffläche, beginnend von der Steg kante In Richtung der Holzstoffbewegeung, erzielt. Ausserdem wird eine Trennung von Holzstoff und Gas bzw. Dampf (in Abhängigkeit von der Geometrie der Auflauffläche 53) erreicht. Siehe auch FIG 33.
In den FIG. 5a, 5b, 5c wird der Effekt der Impuls-Druckwellen-Belastung des Holzstoffes dargestellt. Bei den Hochleistungsrefinern treten hierbei Frequenzen bis 20 kHz auf.
In FIG. 5a wird ein beobachtetes Holzstoffteilchen (18) von der Druckwelle des rotorseltigen Mahlsteges In Richtung Stator gedrückt. Vice versa wird das Teilchen (19) in Rotorrichtung gestossen.
Dasselbe Teilchen, früher (18) jetzt (20) wird in FIG. 5b zwischen den Kanälen des Rotors und des Stators zu liegen kommen und somit durch Entfall der aerodynamischen Druckwelle eine Dekompres- sionsphase durchlaufen. Das Teilchen (21), früher (19) wird zwischen zwei Stegen zu liegen kommen und den vollen Kompressionsdruck ausgesetzt sein.
In der FIG. 5c wird das Teilchen, früher (18) und jetzt (22) entgegengesetzt zur FIG. 5a in Rotomchtung gedrückt.
Eine ständig wechselnde Biegebelastung und eine ständige Druckänderung sind die Folge Es wird klar, dass die Intensität des Verfahrens von diesen Grössen und vor allem von der Effektivität dieser Grössen, wie Druckdifferenz, Nähe der Druckerreger, Durchbiegung und vor allem von dem Flächenverhältnis Stegbreite zu Kanalbreite stark abhängt.
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In FIG. 6 wird der aerodynamische Durchmesser (23) (eingeschriebener Kreis) doppelt so gross-bei gleicher Kanalöffnung (5) bzw. (24) in der Mahlebene - sein wie bei dem erfindungsgemässen Zyklondurchmesser (25) des Kanals in FIG. 7 ; der aerodynamische Strömungsquerschnitt beträgt das Vierfache.
Die Auswirkungen des vierfachen Gas- bzw. Dampfaustrittes beim erfindungsgemässen Zyklon-Kanal gegenüber der konventionellen Steg-Kanal-Geometrie wird an Hand der FIG. 8 und 9 beschrieben.
Die grösseren Gas- bzw. Dampf- Abströmquerschnitte bewirken geringere Druckverluste und somit einen niederer Kanal- und Mahlspalt- Innendruck. Eine geringere Gas- bzw. Dampfschwindigkeit bewirken einen geringeren Innendruck und somit grössere Nähe des Stoff-Fliessbettes, was die Steigerung der Intensität des Verfahrens und vor allem die Effektivität der Druckwechsel durch höhere Druckdifferenz erhöht. Durch die grössere Stegbreite (26) im Verhältnis zur Kanaiöffnungsbreite (27) wird vor allem das Flächenverhältnis Druckbereich zu Entspannungsbereich vergrössert. Ebenso wird durch die kreisförmige Kanalausbildung der Gasaustausch zwischen Mahlebene und Gaswirbel (28) verbessert.
In FIG. 9 wird deutlich, dass beim Zyklon-Kanal eine völlige Abdeckung der Kanalöffnungsbreite (29) durch den gegenüberliegenden Steg (30) denkbar wird, was bei konventioneller Steg-Kanal-Geometrie zu sehr engen Kanalquerschnitten führt.
In FIG. 10a ist eine perspektivische Darstellung eines asymetrischen Zyklon-Kanals mit Schwellen unterhalb der Mahlebene. Diese Schwellen führen die Feinanteile in das Stoff-Fliessbett zurück.
In FIG. 10b ist der volle Zyklon-Kanal mit Schwellen unterhalb der Mahleben perspektivisch dargestellt.
Die verschiedenen Möglichkleiten des Zyklon-Kanals sind von FIG. 11 bis 15 gezeigt.
FIG. 11 zeigt den asymetnschen Zyklon-Kanal. Werkzeuge können Eln- und Ausfahren, da nur eine Hinterschneidung vorliegt.
FIG. 12 zeigt einen Zyklon-Kanal mit 30. Hinterschneidung.
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Siehe auch FIG. 33.
FIG. 14 stellt den 30. Zyklon-Kanal aus, auf der Refiner- bzw. Mahlplatte, aufgebrachten Hartmetallste- gen dar. Hierbei ist angedeutet, dass die Stegfläche aus eigenen besonders harten und grossen Kristallen (56) besteht.
FIG. 15 stellt den 45* Zyklon-Kanal aus Hartmetall mit abriebsfester Krone (56) dar.
Zur verbesserten Gas- bzw. Dampfabführung ist es denkbar die Zyklonkanäle (31) an ein Bohrungs- system mit eigener Ableitung (32) anzuschliessen FIG. 16.
Die Herstellung der zyklonförmigen Kanäle auf der Refeinerplatte erfolgt durch Aneinanderlegen von vorgeformten Stegen (49), beispielsweise aus Hartmetall auf die Refinerplatte (55) und Verbindung von
Refinerplatte und Stegen mittels Verkleben (54), Löten oder Schweissen. FIG. 17
FIG. 18 bis 20 stellt den Hartmetallsteg (49) mit aufgesinterter Abrasionschicht (48) mit intensitätserhö- henden Oberflächenlandschaften dar.
Diese Oberflächen werden beispielsweise aus Sintermetallen mit Grosskristallen, aus Nitriden oder
Wolframkarbiden beschichtet oder mit CBN (cubical bor nitrid) oder PKD (poiykristaihner Diamant) bestückt.
Diese Oberflächen dienen zur Intensitätserhöhung der Druckwechselbelastung des Stoff-Fliessbettes.
FIG. 18 Absenkung der Stegoberfläche (50)
FIG. 19 Sägezahnartige Schuppen (51) gegen und in Laufrichtung denkbar.
FIG. 20 Absetzungen mit Dampfableitungsnuten (52).
In FIG. 21 Ist die Auflauffläche (53) in die Sinterschicht eingearbeitet. Diese dient zum Aufbau des Tragpolsters des Holzstoff-Fliessbettes und zur besseren Trennung von Holzstoff und Gas- bzw. Dampf.
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