AT507724B1 - Vorrichtung für die zerkleinerung eines zellulosehältigen aufgabegutes - Google Patents

Abstract

Vorrichtung für die Zerkleinerung eines zellulosehältigen Aufgabegutes in der Holzverarbeitung, insbesondere in der Zellstoff-, Papier- und Holzplattenherstellung, mithilfe von relativ zueinander in geringfügigem Abstand rotierenden Mahlscheiben (1), sowie einer Förderschnecke (8) für den Transport des Aufgabegutes zu den Mahlscheiben (1). Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass zumindest eine der Mahlscheiben (1) in axialer Richtung einen Schichtaufbau mit zumindest einer Deckschicht (10) und zumindest einer Trägerschicht (11) aufweist, wobei die zumindest eine Deckschicht (10) einen höheren Elastizitätsmodul, sowie eine höhere Dichte aufweist, als die zumindest eine Trägerschicht (11).

Description

österreichisches Patentamt AT 507 724 B1 2011-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Zerkleinerung eines zellulosehältigen Aufgabegutes in der Holzverarbeitung, insbesondere in der Zellstoff-, Papier- und Holzplattenherstellung, mithilfe von relativ zueinander in geringfügigem Abstand rotierenden Mahlscheiben, sowie einer Förderschnecke für den Transport des Aufgabegutes zu den Mahlscheiben, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

[0002] Vorrichtungen dieser Art sind etwa aus der US 4 620 675 und der DE 199 55 009 bekannt.

[0003] Das Aufgabegut kann dabei in unterschiedlicher Form vorliegen, etwa als Hackschnitzel, Furnierreste, Sägespäne, Fasern und dergleichen. Rundholz wird zunächst zu Hackschnitzel verarbeitet, die in weiterer Folge zur weiteren Zerkleinerung einer gattungsgemäßen Vorrichtung als Aufgabegut zugeführt werden können. Die gattungsgemäße Vorrichtung dient dabei der Herstellung von Holzfasern, die etwa zu Zellstoff, Papier, oder zu Holzfaserplatten, etwa zu „MDF-Platten" (mitteldichte Holzfaserplatten) weiter verarbeitet werden. Als Zellstoff bezeichnet man dabei die beim chemischen Aufschluss von Pflanzenfasern, zumeist Holzfasern, entstehende Masse, die vorwiegend aus Zellulose besteht. Im Rahmen der Papierherstellung werden die in der gattungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Holzfasern zu einem Faserbrei weiter verarbeitet, der auch als „Pulpe" bezeichnet wird.

[0004] Die gattungsgemäßen Vorrichtungen sind auch als „Zerfaserer" („Refiner") bekannt. In diesen Vorrichtungen rotieren relativ zueinander zwei gerillte Mahlscheiben in geringfügigem Abstand, wobei zwischen Einscheibenrefinern mit nur einer drehenden Scheibe, und Doppelscheibenrefinern, bei denen sich beide Scheiben drehen, unterschieden wird. Das Aufgabegut wird durch eine Förderschnecke zwischen die beiden Mahlscheiben geschleudert, wo es aufgemahlen wird. Das zerfaserte Aufgabegut wird in weiterer Folge aus dem Refiner durch eine Blasleitung ausgeblasen. Im Refiner entstehen dabei aufgrund der im Aufgabegut enthaltenen Feuchtigkeit und der hohen Reibungswärme üblicher Weise etwa sechs bis zehn bar Dampfdruck. Der Dampf bildet das Transportmittel für die Holzfasern, etwa auf ihrem Weg durch die Blasleitung in einen anschließenden Trockner.

[0005] Die Mahlscheiben tragen einander zugewandte Mahlplatten („refining plates"). Im Falle eines Einscheibenrefiners befindet sich die rotierende Mahlplatte auf einer rotierenden Mahlscheibe, und die statische Mahlplatte auf einem Stator. Die Mahlplatten können flach, konisch, zylindrisch, oder auch als Kombination dieser verschiedenen Geometrien ausgeführt sein. Die Mahlscheiben werden in der Regel aus Stahl gefertigt, da auf die beiden Mahlscheiben große mechanische Belastungen wirken. Einerseits muss etwa die rotierende Mahlscheibe für den Mahlvorgang hohe axiale Kräfte von der Welle der Mahlscheibe auf die Mahlplatte übertragen, und andererseits muss sie auch hohe Drehmomente von der Welle auf die Mahlplatte übertragen. Diese hohen mechanischen Belastungen führen in der Praxis zu erheblichen Schwierigkeiten. Der Spalt zwischen den beiden Mahlplatten sollte nämlich hinreichend konstant gehalten werden, um einen einwandfreien Mahlvorgang sicher zu stellen. Die auf die Mahlscheiben wirkenden Kräfte verursachen aber Verformungen der Mahlscheiben, die somit den Mahlvorgang beeinträchtigen. In bekannten Refinern gemäß dem Stand der Technik kommt es somit immer wieder zu Beeinträchtigungen der Mahlqualität aufgrund von Verformungen der Mahlscheiben.

[0006] Da die Rotationsgeschwindigkeit der Mahlscheiben überdies bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute betragen kann, sind die rotierenden Mahlscheiben und die Mahlplatten auch hohen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Daher sind auch der maximalen Rotationsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt, da ansonsten die Zentrifugalbelastungen auf die Mahlscheibe selbst, sowie auf die Wellenlager zu groß werden würden. Außerdem würde sich bei einem Bruch der Mahlscheibe bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten ein zu hohes Gefährdungspotential ergeben.

[0007] Es ist somit das Ziel der Erfindung, die Nachteile bekannter Vorrichtungen für die Zerkleinerung eines zellulosehältigen Aufgabegutes zu vermeiden. Insbesondere soll trotz der 1/8 österreichisches Patentamt AT 507 724 B1 2011-03-15 hohen mechanischen Belastungen eine einwandfreie Mahlqualität sicher gestellt werden. Des Weiteren sollen bekannte Vorrichtungen so optimiert werden, dass höhere Rotationsgeschwindigkeiten, und somit höherer Materialdurchsatz, ermöglicht werden. Diese Vorteile sollen dabei bei niedrigeren Kosten und höherer Betriebssicherheit erzielt werden.

[0008] Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 verwirklicht. Anspruch 1 bezieht sich dabei auf eine Vorrichtung für die Zerkleinerung eines zellulosehältigen Aufgabegutes in der Holzverarbeitung, insbesondere in der Zellstoff-, Papier- und Holzplattenherstellung, mithilfe von relativ zueinander in geringfügigem Abstand rotierenden Mahlscheiben. Die relative Rotation der Mahlscheiben kann dabei durch Rotation einer Mahlscheibe gegenüber einer ruhenden Mahlscheibe, oder auch beider Mahlscheiben gegeben sein. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass zumindest eine der Mahlscheiben in axialer Richtung einen Schichtaufbau mit zumindest einer Deckschicht und zumindest einer Trägerschicht aufweist, wobei die zumindest eine Deckschicht einen höheren Elastizitätsmodul, sowie eine höhere Dichte aufweist, als die zumindest eine Trägerschicht. Durch den schichtförmigen Aufbau kann eine gezielte Optimierung hinsichtlich der Belastungssituation der Mahlscheiben erfolgen. So weist erfindungsgemäß die zumindest eine Deckschicht einen hohen Elastizitätsmodul auf, also bei vorgegebenem Flächenträgheitsmoment des geometrisch gegebenen Querschnitts eine hohe Biegesteifigkeit, sodass die hohen axialen Belastungen, sowie die hohen Drehmomente aufgenommen werden können. Insbesondere kann die Biegesteifigkeit so optimiert werden, dass kaum Verformungen der Mahlscheiben auftreten, sodass eine gleichmäßige Mahlqualität sicher gestellt werden kann. Andererseits wird der Träger der Mahlscheibe aus einem Werkstoff niedrigerer Dichte gefertigt, was das Gesamtgewicht der Mahlscheibe entsprechend reduziert.

[0009] Dadurch können höhere Rotationsgeschwindigkeiten erzielt werden, was nicht nur die Belastungen auf die Wellenlager verringert, sondern auch einen höheren Materialdurchsatz erlaubt. Das Wellenlager kann daher auch einfacher aufgebaut sein, was die Kosten verringert. Des Weiteren erweist sich der erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbau auch kostengünstiger als konventionelle Mahlscheiben, da billigere Werkstoffe verwendet werden können. Da außerdem durch das geringere Gesamtgewicht die Zentrifugalkräfte reduziert werden, ergibt sich ein verringertes Gefährdungspotential bei einem Bruch der Mahlscheibe.

[0010] Dabei ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Trägerschicht insgesamt eine größere Dicke aufweist, als die zumindest eine Deckschicht, um der geringeren Dichte der Trägerschicht Rechnung zu tragen. Die Trägerschicht überträgt dabei in erster Linie Scherkräfte, und dient als Träger für die zumindest eine Deckschicht.

[0011] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Deckschicht aus glasfaserverstärkten, oder kohlenstofffaserverstärkten Laminaten gefertigt. Die zumindest eine Trägerschicht kann etwa aus einem geschäumten oder wabenförmigen Werkstoffgefertigt sein.

[0012] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen dabei die [0013] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zerfaserers, [0014] Fig. 2a einen Querschnitt durch eine Hälfte einer ersten Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Mahlscheibe mit Schichtaufbau, [0015] Fig. 2b einen Querschnitt durch eine Hälfte einer ersten Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Mahlscheibe mit Schichtaufbau, und die [0016] Fig. 3a-f den Verlauf der Biege- und Zugspannungen in Mahlscheiben mit konventionel lem Aufbau und mit erfindungsgemäßem Aufbau.

[0017] In der Fig. 1 ist schematisch eine Darstellung eines Zerfaserers (Refiners) mit einer rotierenden Mahlscheibe 1 und einem Stator 2 gezeigt. Sowohl Mahlscheibe 1 als auch Stator 2 tragen jeweils Mahlplatten 4, die in der Regel kreisringförmig mit bis zu 20 Segmenten ausgeführt sind und in axialer Richtung geringfügig voneinander beabstandet sind, in der Regel etwa 2/8 österreichisches Patentamt AT 507 724 B1 2011-03-15 0.3 - 0.7 mm. Die rotierende Mahlscheibe 1 ist auf einer Welle 3 angeordnet. In axialer Richtung zur Mahlscheibe 1 ist des Weiteren ein Gehäuse 5 angeordnet, innerhalb dessen eine Förderschnecke 8 rotierbar gelagert ist. Im Bereich der axialen Erstreckung der Förderschnecke 8 befindet sich auch die Zufuhr 6 für das Aufgabegut. Zugeführtes Aufgabegut wird somit von der Förderschnecke 8 in Richtung der rotierenden Mahlscheibe 1 transportiert, wo es zwischen die beiden Mahlplatten 4 gelangt. Das aufgemahlene Aufgabegut verlässt den Zerfaserer auf der dem Gehäuse 5 gegenüberliegenden Seite der Mahlscheibe 1, also in Bezug auf die Fig. 1 auf der rechten Seite der Vorrichtung.

[0018] Im Zuge des Transports des Aufgabegutes und des Mahlvorgangs wird große Reibungswärme frei, sodass aufgrund der im Aufgabegut enthaltenen Feuchtigkeit Dampfdruck von bis zu 23 bar, üblicher Weise ca. 6-10 bar, entsteht. Dieser Dampf wird einerseits als Transportmittel für die Holzfasern, etwa auf ihrem Weg durch die Blasleitung in einen anschließenden Trockner oder Zyklon, verwendet, ein Teil des Dampfes wird aber auch durch die Förderschnecke 8 über den Dampfablass 7 aus dem Zerfaserer abgeführt.

[0019] Wie bereits erwähnt wurde, sind herkömmliche Mahlscheiben 1 aus Stahl gefertigt. Erfindungsgemäß ist stattdessen vorgesehen, dass zumindest eine der Mahlscheiben 1 in axialer Richtung einen Schichtaufbau mit zumindest einer Deckschicht 10 und zumindest einer Trägerschicht 11 aufweist, wobei die zumindest eine Deckschicht 10 einen höheren Elastizitätsmodul, sowie eine höhere Dichte aufweist, als die zumindest eine Trägerschicht 11. In der Fig. 2a ist etwa eine Ausführungsform gezeigt, bei der eine innen liegende Trägerschicht 11 mit einer äußeren Deckschicht 10 ummantelt ist. In der Fig. 2b ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der eine Trägerschicht 11 „sandwichartig" zwischen zwei äußeren Deckschichten 10 angeordnet ist. Bei beiden Varianten ist auch denkbar, auch für Deckschichten 10 und Trägerschicht 11 einen Schichtaufbau aus Zonen unterschiedlicher Dichte und Elastizitätsmodul vorzusehen, etwa durch Verwendung unterschiedlicher Materialien.

[0020] Aufgrund des höheren Elastizitätsmodul, sowie der höheren Dichte weist die zumindest eine Deckschicht 10 somit eine hohe Biegesteifigkeit auf, sodass die hohen axialen Belastungen und die hohen Drehmomente aufgenommen werden können. Andererseits wird die Trägerschicht 11 der Mahlscheibe 1 aus einem Werkstoff niedrigerer Dichte gefertigt, was das Gesamtgewicht der Mahlscheibe 1 entsprechend reduziert. Dadurch können höhere Rotationsgeschwindigkeiten erzielt werden, was nicht nur die Belastungen auf die Wellenlager verringert, sondern auch einen höheren Materialdurchsatz erlaubt.

[0021] Die zumindest eine Deckschicht 10 kann etwa aus glasfaserverstärkten oder kohlenstofffaserverstärkten Laminaten gefertigt sein, oder mithilfe einer Verwendung so genannter „Prepregs" gefertigt sein, bei denen es sich um eine vorkonfektionierte Kombination aus Harz und Fasern handelt. Letztere bieten den Vorteil, dass eine genauere Verteilung zwischen Harz-und Faservolumen erfolgen kann, sodass letztendlich gleichmäßigere Materialwerte erzielbar sind. Als Harzsysteme können Epoxyharze, Cyanesterharze, Bismaleimide (BMI) und Polyurethan verwendet werden. Die zumindest eine Trägerschicht kann aus einem geschäumten oder wabenförmigen Werkstoff gefertigt sein. Verbundwerkstoffe dieser Art weisen einerseits eine hohe Biegesteifigkeit und Zugfestigkeit auf, andererseits aber auch geringes Gewicht, und sind außerdem billiger herzustellen, als die derzeit verwendeten Mahlscheiben aus Stahl. Die Biegesteifigkeit wird dabei in erster Linie von der Deckschicht 10 mit hohem Elastizitätsmodul verursacht, wie aus der Fig. 3b ersichtlich ist. Die Fig. 3b zeigt hierbei den Biegespannungsverlauf entlang eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Mahlscheibe 1, wie sie etwa in den Ausführungsformen der Fig. 2 schematisch dargestellt ist, und ist dem Biegespannungsverlauf in einer konventionellen, aus Stahl gefertigten Mahlscheibe gemäß Fig. 3a gegenüber zu stellen. Biegespannungen sind die in axialer Richtung der Mahlscheibe 1 wirkenden Spannungen. Während der gesamte Querschnitt einer aus Stahl gefertigten Mahlscheibe Biegespannungen aufnimmt, ist dies bei einer erfindungsgemäßen Mahlscheibe 1 nur in der Deckschicht 10 der Fall. Die innen liegende Trägerschicht 11 nimmt hingegen keine Biegespannungen auf. Falls die Deckschicht 10 so ausgelegt wird, dass die maximal verträglichen Biegespannungen höher sind als jene von Stahl, so lassen sich dennoch auch bei den Ausführungsformen gemäß der 3/8

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT 507 724 B1 2011-03-15 Fig. 2 mit Stahl vergleichbare Biegesteifigkeiten verwirklichen. [0022] In der Fig. 3c wird der Zugspannungsverlauf aufgrund radialer Zentrifugalbelastung in einer konventionellen, aus Stahl gefertigten Mahlscheibe dem Zugspannungsverlauf entlang eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Mahlscheibe 1 gemäß Fig. 3d gegenüber gestellt. Zunächst zeigt sich, dass die Zugspannungen bei einer erfindungsgemäßen Mahlscheibe 1 aufgrund des geringeren Gewichts geringer sind, als in konventionellen Mahlscheiben aus Stahl. Des Weiteren zeigt sich wiederum, dass bei einer erfindungsgemäßen Mahlscheibe 1 in der Deckschicht 10 größere Zugspannungen aufgenommen werden, als in der innen liegende Trägerschicht 11. Die Fig. 3e und 3f zeigen gemischte Belastungssituationen für konventionelle Mahlscheiben aus Stahl (Fig. 3e) und für eine erfindungsgemäße Mahlscheibe 1 (Fig. 3f). [0023] Mithilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit trotz der hohen mechanischen Belastungen eine einwandfreie Mahlqualität sicher gestellt werden. Des Weiteren können bekannte Vorrichtungen so optimiert werden, dass höhere Rotationsgeschwindigkeiten, und somit höherer Materialdurchsatz, ermöglicht werden. Dabei sind niedrigere Kosten, sowie höhere Betriebssicherheit erzielbar. Patentansprüche 1. Vorrichtung für die Zerkleinerung eines zellulosehältigen Aufgabegutes in der Holzverarbeitung, insbesondere in der Zellstoff-, Papier- und Holzplattenherstellung, mithilfe von relativ zueinander in geringfügigem Abstand rotierenden Mahlscheiben (1), die einander zugewandte Mahlplatten (4) tragen, sowie einer Förderschnecke (8) für den Transport des Aufgabegutes zu den Mahlscheiben (1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Mahlscheiben (1) in axialer Richtung einen Schichtaufbau mit zumindest einer Deckschicht (10) und zumindest einer Trägerschicht (11) aufweist, wobei die zumindest eine Deckschicht (10) einen höheren Elastizitätsmodul, sowie eine höhere Dichte aufweist, als die zumindest eine Trägerschicht (11).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Trägerschicht (11) insgesamt eine größere Dicke aufweist, als die zumindest eine Deckschicht (10).
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Deckschicht (10) aus glasfaserverstärkten, oder kohlenstofffaserverstärkten Laminaten gefertigt ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Trägerschicht (11) aus einem geschäumten oder wabenförmigen Werkstoff gefertigt ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4/8