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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mahlung von Papierfasern
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Verfahren
dieser Art werden seit langer Zeit eingesetzt, da die zur Papierherstellung
benötigten Zellstofffasern
erst durch eine Mahlbehandlung die gewünschten Eigenschaften erhalten.
Auch aus Altpapier gewonnene Fasern müssen oft vor dem Wiedereinsatz
gemahlen werden.
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Die
meisten zur Mahlung eingesetzten Maschinen – sogenannte Refiner – haben
mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator mit entweder
scheiben-, zylinder- oder kegelstumpfförmigen Flächen, auf denen die Mahlwerkzeuge
oder Garnituren angebracht werden. Dazwischen können sich Mahlspalte ausbilden,
in denen die Fasern intensiv gemahlen werden. Weisen Mahlwerkzeuge
an den Arbeitsflächen
Stege und Nuten auf, spricht man von "Messer-Garnituren". Es gibt aber auch Mahlwerkzeuge, bei
denen die dem Stoffstrom zugewandten Mahlflächen eine harte porige Struktur
mit einer Rautiefe von einem Zehntel bis etwa drei Millimetern haben.
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Bekanntlich
wird die gewünschte
Mahlwirkung dadurch erzielt, dass die Mahlwerkzeuge mit einer relativ
hohen Mahlkraft gegeneinander gedrückt werden. Zumeist findet
in der Mahlzone auch eine Relativbewegung zwischen den zusammenwirkenden
Mahlwerkzeugen statt. Außerdem
muss für
einen Transport des Mahlgutes in die Mahlzone, durch die Mahlzone
und wieder heraus gesorgt werden. Da es sich bei dem zu mahlenden
Stoff um eine fließfähige Suspension
handelt, wird dieser Transport mit hydraulischen Mitteln und/oder
durch die anliegenden Fliehkräfte
bewirkt. Die Größe der Mahlkraft
bestimmt wesentlich die benötigte
Antriebsleistung der Mahlmaschine und wird oft so geregelt, dass
die Mahlleistung einem gewünschten
Wert entspricht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Mahlverfahren für Papierfasern
zu schaffen, mit dem es möglich
ist, die Papierfasern noch besser auf bestimmte gewünschte Eigenschaften
hin zu mahlen.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch
diese Maßnahmen
ist es möglich,
die zu mahlenden Papierfasern nicht nur durch Scheren, Schneiden
oder Reiben zu mahlen, sondern zusätzlich oder eventuell ausschließlich durch
wechselnde Druckkräfte.
Solche Druckkräfte
haben nämlich
den Vorteil, dass die Faserhülle
durch das Mahlen nicht so hoch beansprucht wird wie in Verfahren
des Standes der Technik und dass durch die Druckimpulse ein besonderes
Mahlergebnis möglich
wird. Z.B. kann ein intensives, mechanisch aber schonendes Imprägnieren
der Fasern mit dem umgebenden Wasser und/oder die Bildung von inneren
Fibrillen erfolgen. Für
sich allein genommen oder in Kombination mit Mahlvorgängen, die
zwischen aneinander vorbei laufenden Mahlwerkzeugen erzielt werden,
eröffnet
sich für
die Mahlung von Papier- und Zellstofffasern ein völlig neuer
Freiheitsgrad. Das erfindungsgemäße Verfahren
hat darüber
hinaus den Vorteil, technisch und ökonomisch besonders vorteilhaft
realisierbar zu sein. Damit ist gemeint, dass der apparative Aufwand zur
Behandlung größerer Mengen
von Faserstoff für die
Papiererzeugung nicht wesentlich größer sein muss als es bisher
schon der Fall ist. Bei einer besonders einfachen Realisierung kann
ein an sich bekannter Refiner so verändert werden, dass mit dem ohnehin
vorhandenen Belastungssystem, also den Mitteln zur Aufbringung der
Mahlkräfte,
eine Vibration erzeugt wird.
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Soll
ausschließlich
mit Druckkräften
auf die Fasern eingewirkt werden, können die Mahlwerkzeuge im Wesentlichen
still stehen. Relativ zueinander bewegen sie sich dann nur in Richtung
der Mahlkräfte,
wofür nur
geringe Wege nötig
sind, da mit dieser Bewegung lediglich die Vibrationskräfte auf
die Fasern übertragen
werden sollen. In anderen etwas aufwändigeren Apparaten zur Realisierung
des Verfahrens können
alle verwendeten Mahlwerkzeuge in Rotation versetzt werden.
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Die
Mahlfläche,
die sich auf den Mahlwerkzeugen befinden, können je nach Anforderungen
an das Verfahren unterschiedlich sein. Möglichkeiten sind:
- 1. Mahlleisten auf allen Mahlwerkzeugen, die radial nach außen führende Kanäle bilden,
also Garniturmuster, wie sie aus üblichen Messerrefinern bekannt
sind (s. z.B. 3);
- 2. nur einseitige Mahlleisten, die gegen eine durchgehende Mahlfläche (des
anderen Mahlwerkzeuges) gedrückt
werden;
- 3. Mahlleisten mit Sondermustern ohne radial durchgehende Kanäle;
- 4. auf allen Mahlwerkzeugen durchgehende Oberflächen.
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Die
Mahlwerkzeuge können
aus üblichem Material
(z.B. gehärtetem
Chromstahlguss) oder aus porösem
Material (z.B. gesintertem Chromstahl) hergestellt sein.
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Das
Verfahren kann grundsätzlich
mit scheibenförmigen,
konischen und zylindrischen Mahlwerkzeugen durchgeführt werden.
Die hierzu erforderlichen konstruktiven Maßnahmen sind ohne weiteres lösbar, so
dass sie hier nicht im Detail aufgeführt werden müssen.
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Die
Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von schematischen
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 Anwendung
des Verfahrens mit einem Doppelscheibenrefiner;
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2 Diagramm
mit dem zeitlichen Verlauf der Mahlkräfte;
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3 mögliches
Garniturmuster zur Durchführung
des Verfahrens;
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4 eine
Variante mit axial vibrierendem Rotor;
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5 eine
Variante mit zwei Rotoren;
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6 Anwendung
des Verfahrens mit einem zylindrischen Refiner.
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1 zeigt,
wie das Verfahren an einem abgewandelten, an sich bekannten Doppelscheibenrefiner
durchgeführt
werden kann. Dieser weist insgesamt vier scheibenförmige Mahlwerkzeuge
auf, von denen zwei Mahlwerkzeuge 2 und 3 an einem
Rotor 5 befestigt sind, während die zwei anderen Mahlwerkzeuge 1 und 4 jeweils
von einem Stator 6 und 7 gehalten werden. Ein
Strom von wässrig
suspendierten Papierfasern F (gekennzeichnet durch hohlköpfige Pfeile)
wird von einer Seite in den zentralen Innenraum des Doppelscheibenrefiners
eingeführt
und auf die beiden Mahlzonen verteilt, in denen jeweils zwei Mahlwerkzeuge 1 und 2,
bzw. 3 und 4 zusammenwirken. Nach der Mahlung
treten die Fasern als gemahlene wässrig suspendierte Papierfasern
F' an der Peripherie
wieder aus. Um die zur Mahlung erforderlichen Mahlkräfte K zu übertragen,
ist ein Stator 6 (links in der Figur) mit einem Belastungssystem 9 versehen,
das nur angedeutet ist. Das Belastungssystem 9 drückt den
Stator 6 mit der Mahlkraft K gegen die Mahlwerkzeuge 1, 2, 3 und 4.
Am rechts gezeichneten Stator 7 entsteht eine Gegenkraft
in derselben Größe. Der
Rotor kann sich axial frei einstellen, so dass in beiden Mahlzonen
die gleichen Mahlkräfte
K herrschen. Das Belastungssystem 9 ist an ein Stützelement 10,
das z.B. zum Gehäuse
des Doppelscheibenrefiners gehören
kann, raumfest abgestützt.
Diese Figur zeigt keine konstruktiven Details, sondern lediglich
die an sich bekannten Funktionen eines erfindungsgemäß betriebenen
Doppelscheibenrefiners. Dazu ist dieser Doppelscheibenrefiner so
ausgeführt,
dass das Belastungssystem 9 nicht nur statische Mahlkräfte aufbringt,
sondern Vibrationskräfte.
Diese können
z.B. durch hydraulische Zylinder, ein pneumatisches System, durch
mechanische Anregung (z.B. Kurvenscheiben) oder durch elektrische
Schwingungsgeber erzeugt werden.
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Den
möglichen
zeitlichen Verlauf solcher Vibrationskräfte V zeigt das Diagramm in 2,
bei dem die Mahlkräfte
K über
der Zeit aufgetragen sind. Die durchgehende Linie hat einen sinusförmigen Verlauf.
Abweichungen davon sind möglich
und gegebenenfalls auch sinnvoll, wie z.B. eine trapezförmige Kurve
(gestrichelt gezeichnet). Bei dem hier gezeigten Beispiel ist der
Mittelwert M der Vibrationskraft V etwas größer als ihre halbe Amplitude
A. Dadurch bleibt auch die minimale Mahlkraft K positiv. In speziellen
Ausführungsformen
kann angestrebt werden, dass die minimale Mahlkraft K möglichst
gegen Null strebt, um eine Entlastung der Papierfasern zur besseren
Hydratisierung zu ermöglichen.
Es kann auch von Vorteil sein, eine negative minimale Mahlkraft
zu erzeugen, also die Mahlwerkzeuge auseinander zu ziehen. Die Frequenz
der Vibrationskräfte
kann gering sein, um ein langsames Pulsieren zu erzeugen, oft wird
aber auch eine höhere
Frequenz, z.B. 10 Hz – 50
Hz die besten Ergebnisse liefern.
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Ein
für Messerrefiner
typisches Mahlwerkzeug 1 zeigt 3. Man erkennt
in Draufsicht die Mahlleisten 11, zwischen denen hier radial
durchgehende Kanäle 12 gebildet
werden. Das Verfahren lässt
sich aber auch mit Mahlwerkzeugen ohne Mahlleisten realisieren.
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Gemäß 4 könnte man
einen Doppelscheibenrefiner auch so ausführen, dass die Vibrationskräfte durch
axiales Hin- und Herdrücken
des Rotors erzeugt werden. Dann wäre das Belastungssystem 9 an
der Rotorwelle 8 anzubringen und der linke Stator 6 axial
festzusetzen.
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In
den Fällen,
in denen eine Relativbewegung der Mahlwerkzeuge zueinander nur in
Mahlkraftrichtung gewünscht
wird, können
alle Mahlwerkzeuge in Umfangsrichtung fixiert, also nicht rotierend befestigt
sein. Der Transport der Papierfasern durch die Mahlzone erfolgt
dann z.B. durch eine angelegte Druckdifferenz zwischen Einlauf und
Auslauf der Mahlmaschine. Eine weitere Möglichkeit zeigt 5, bei
der die Mahlwerkzeuge 1 und 2 jeweils auf den Rotoren 11 und 12 befestigt
sind. Sie können
dann z.B. im gleichen Sinne und mit gleicher Geschwindigkeit rotieren.
Das kann den radialen Transport durch die Mahlzonen entscheidend
verbessern.
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Wie
bereits erwähnt,
kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei konischen oder zylindrischen Refinern angewendet werden,
wobei in 6 das Beispiel eines zylindrischen
Refiners schematisch dargestellt ist. An einem zentralen zylindrischen Rotor 15 mit
Mahlwerkzeugen 17 auf seinem Umfang, werden fünf Statorschalen 16 von
außen
angedrückt
(nur vier gezeichnet). Die Statorschalen 16 sind innen
ebenfalls mit Mahlwerkzeugen 18 versehen, die mit denen
des Rotors 15 zusammenwirken. Die wässrig suspendierten Papierfasern
werden mit einer axialen Strömungskomponente
zwischen den Mahlwerkzeugen hindurchgeführt, z.B. auf Grund einer angelegten
Druckdifferenz: Das wiederum nur angedeutete Belastungssystem 19 erzeugt
die zur Durchführung
des Verfahrens benötigten
Vibrationskräfte
und überträgt sie auf
die Statorschalen 16.