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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Faserstoffbehandlung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Verfahren
zur Faserstoffbehandlung der o. g. Art werden im Allgemeinen auch
als Mahlverfahren bezeichnet. Seit langem ist bekannt, dass Zellstofffasern
gemahlen werden müssen, damit das später daraus
hergestellte Papier die gewünschten Eigenschaften, insbesondere
Festigkeiten, Formation und Oberfläche, aufweist. Die weitaus
am häufigsten verwendeten Mahlverfahren benutzen solche
Mahlflächen, die mit als Messer bezeichneten Mahlleisten versehen
sind. Die entsprechenden Maschinen werden zumeist Messerrefiner
genannt. Für Spezialfälle werden auch Mahlverfahren
verwendet, bei denen mindestens eine der Mahlflächen messerlos
ist, so dass die Mahlarbeit allein durch Reib- und Scherkräfte übertragen
wird.
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Die
Wirkung des Verfahrens lässt sich durch Ändern
der Mahlparameter in einem weiten Bereich steuern, wobei neben der
Höhe der Ausmahlung insbesondere auch unterschieden wird,
ob eine stärker schneidende oder stärker fibrillierende
Mahlung gewünscht wird. Werden Zellstofffasern durch die
bekannten Mahlverfahren bearbeitet, so werden sie zwischen den Kanten
der Mahlleisten durch Scherung und/oder Schneiden verändert.
Dabei wird die äußere Wandung der Faser fibrilliert
und/oder die Länge der Faser reduziert. Als Folge dieser
Behandlung steigt ihr Entwässerungswiderstand mit zunehmender
Ausmahlung. Ein übliches Maß für den
Entwässerungswiderstand ist der Mahlgrad nach Schopper-Riegler.
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Die
Erhöhung des Mahlgrades wirkt sich bei der Blattbildung
auf der Papiermaschine ungünstig aus, wird aber hingenommen,
da die bereits genannten Qualitätsmerkmale des Zellstoffes
eine überragende Rolle für dessen Einsetzbarkeit
spielen. In vielen Fällen werden die Mahlparameter so gewählt, dass
der zur Erreichung der geforderten Faserqualität eingetretene
Mahlgradanstieg möglichst gering ist. Diese Einflussmöglichkeit
ist aber sehr begrenzt. Außerdem kann dadurch die Mahlung
kraftwirtschaftlich ungünstiger werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Faserstoffbehandlung
zu schaffen, mit dem es möglich ist, Zellstoff- oder Papierfasern so
zu verändern, dass die gewünschten Eigenschaften,
z. B. Festigkeiten oder Oberflächengüte des daraus
hergestellten Papiers erhöht werden. Die dabei auftretende
Zunahme des Entwässerungswiderstandes soll zumindest geringer
sein als bei bekannten Mahlverfahren. Auch soll der apparative Aufwand
zur Durchführung des Verfahrens möglichst nicht
oder vertretbar höher als bisher üblich sein.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gelöst.
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Bei
Verfahren nach dem Stand der Technik ist davon auszugehen, dass
die Fasern bei der Annäherung und dem aneinander vorbei
Gleiten der Mahlleisten mehr oder weniger stark eingeklemmt werden und
sich also zum Mahlzeitpunkt relativ zu den Mahlleisten nicht bewegen
können. Bekanntlich werden die Mahlwerkzeuge (auch Mahlgarnituren
genannt) dabei mit einer so hohen Kraft gegeneinander gepresst,
dass die Fasern an ihren Oberflächen fibrilliert werden.
Ein wichtiges Maß für die Übertragung
der Mahlarbeit ist die spezifische Mahlkantenbelastung mit der Dimension
z. B. J/m. Je höher diese eingestellt wird, umso stärker
ist die Faserkürzung.
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Das
neue Verfahren arbeitet im Wesentlichen so, dass auch beim eigentlichen
Mahlvorgang in der entsprechenden mit Leisten versehenen Mahlvorrichtung
dafür gesorgt wird, dass zumindest ein großer
Teil der Fasern hauptsächlich mit Druckimpulsen bearbeitet
wird, und zwar unter Vermeidung oder zumindest wesentlicher Reduzierung
von Scherkräften. Hohe Scherkräfte treten dadurch
auf, dass die die Mahlleisten berührenden Fasern an den
Oberflächen der Mahlleisten haften oder dort eingeklemmt werden.
Dann können in Folge der Relativbewegung hohe Scherkräfte
auf die Fasern wirken, die deren Mahlgrad stark erhöhen.
Vorteilhafterweise sollten die Fasern daher auch im Mahlspalt relativ
zu den Mahlleisten so weit beweglich bleiben, dass sie an den Flächen
der Mahlleisten entlang gleiten, ohne dabei einer ausgeprägten
Fibrillierung an ihrer äußeren Oberfläche
unterzogen zu werden. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird eine hohe Scherbeanspruchung der Zellstofffasern
weitestgehend vermieden. Daher werden im Wesentlichen gegenüber den
bekannten Mahlverfahren drei wichtige Vorteile erzielt:
- 1. Die Faserlänge bleibt wesentlich besser erhalten.
- 2. Die Faseroberfläche wird nicht oder bedeutend weniger
fibrilliert.
- 3. Die spezifische Mahlarbeit zur Erreichung der gewünschten
Eigenschaften kann geringer sein.
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Es
ist anzunehmen, dass durch das neue Mahlverfahren die Fasern so
verändert werden, dass sie eine verbesserte Flexibilität
und Bindungsfähigkeit erhalten, ohne dass Fibrillen aus
der äußeren Oberfläche der Fasern herausgelöst
werden müssen. Auch die Erzeugung von Feinstoff, also Faserbruchstücken,
kann stark reduziert werden.
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Wird
das Verfahren auf rezyklierte Fasern angewendet, können
die unter 1. und 2. genannten Vorteile eine besondere Rolle spielen.
Rezyklierte Fasern haben bereits mindestens einen, oft sogar mehrere
Mahlvorgänge hinter sich, so dass jede weitere Zerkleinerung
gerne vermieden wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den entscheidenden
Vorteil, dass es in einem üblichen Mahlrefiner durchgeführt
werden kann, wenn dieser bezüglich Mahlgarnituren und eingestellten Betriebsparametern
an die neue Technologie angepasst wird. Solche Refiner (Scheiben-,
Kegel- oder Zylinderrefiner) sind kompakt, ausgereift und erlauben
die Bearbeitung von großen Faser-Stoffmengenströmen.
Das gilt insbesondere im Vergleich mit sogenannten Kompressionsrefinern,
wie sie z. B. aus der
DE 103
56 377 und der
DE 103
37 921 bekannt sind.
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Die
Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 zwei
zusammenwirkende Mahlwerkzeuge bei der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 Schnitt
durch einen verwendbaren Scheibenrefiner;
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3 Blick
auf ein Mahlwerkzeug;
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4–7 weitere
Formen von für das Verfahren geeigneten Mahlleisten;
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8a–8c vorteilhaft
zusammenwirkende spezielle Mahlleisten;
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9 eine
spezielle Form der Mahlwerkzeuge.
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In 1 ist
das Zusammenwirken zweier Mahlwerkzeuge 1 und 2,
die sich relativ zueinander bewegen, schematisch dargestellt. Dabei
gehört das Mahlwerkzeug 1 z. B. zu einem Rotor,
es rotiert also in Umfangsrichtung U, während das zweite
Mahlwerkzeug 2 als Stator mit dem Gehäuse der
Mahlapparatur drehfest verbunden ist. Die Schnittdarstellung eines
Scheibenrefiners in 2 macht das noch etwas deutlicher.
Die Mahlwerkzeuge 1 und 2 sind jeweils mit einer
größeren Anzahl von Mahlleisten 3 und 4 versehen,
von denen hier nur wenige gezeigt werden. Zwischen diesen befinden
sich die Nuten 5 und 6. Die Relativbewegung zwischen
den beiden Mahlwerkzeugen 1 und 2 hat eine Richtung,
die parallel zu den Hüllflächen 7 und 8 der
Mahlleisten 3 und 4 liegt. Diese Hüllflächen
verbinden die am weitesten vorstehenden Teile der Mahlleisten eines
Mahlwerkzeuges miteinander. Bei einem Scheibenrefiner sind die Hüllflächen
ebene Kreisringe, beim Kegelrefiner Kegelstümpfe und beim
Zylinderrefiner Zylinderflächen.
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Mahlvorrichtungen,
die mit solchen Mahlwerkzeugen 1 und 2 versehen
sind, werden üblicherweise als Messerrefiner bezeichnet.
In deren Betrieb strömt – wie an sich bekannt – die
die Fasern F enthaltende, zu mahlende Suspension durch die Nuten 5 und 6,
die also als Strömungskanäle wirken. In Folge
der Druck- und Strömungsverhältnisse werden die Fasern
unter Druck zwischen die Mahlleisten 3 und 4 von
verschiedenen Mahlwerkzeugen 1 bzw. 2 gebracht.
Dabei erfolgt die eigentliche Behandlung der Fasern erfindungsgemäß so,
dass zumindest der überwiegende Teil der Papier- oder Zellstofffasern zwischen
den zu den verschiedenen Mahlwerkzeugen 1, 2 gehörenden
Mahlleisten 3, 4 überwiegend durch Druckimpulse
bearbeitet wird. Wie bereits ausgeführt, sind diese Druckimpulse
günstig, um die gewünschte Veränderung
der Fasern herbeizuführen, ohne dass sie den Entwässerungswiderstand
wesentlich erhöhen.
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Der
Schnitt durch einen Scheibenrefiner in 2 zeigt
die Mahlwerkzeuge 1 und 2 mit jeweils den Mahlleisten 3 und 4.
Solche Mahlwerkzeuge werden üblicherweise durch Schrauben
mit dem Gehäuse bzw. dem Rotor 9 verbunden. Sie
sind austauschbar, entweder um verschlissene Mahlwerkzeuge zu ersetzen
oder um mit variierten Mahlwerkzeugen die Mahltechnologie einem
anderen Zweck anzupassen. Das Mahlwerkzeug 2 ist am Gehäuse 14 des
Scheibenrefiners drehfest gelagert und dabei axial verschiebbar,
um den Abstand der Mahlleisten 3 und 4 voneinander
verstellen zu können. Üblicherweise wird die Axialverstellung
zur Einstellung der am Antriebsmotor des Rotors 9 gemessenen
Leistung benutzt. Man erkennt ferner in dieser Darstellung, dass die
zu mahlende Fasersuspension S axial in das Zentrum des Refiners
strömt und dann zwischen den Mahlwerkzeugen 1 und 2 nach
außen geführt wird, wobei die gewünschte
Faserbehandlung stattfindet. Radial außen schließt
sich ein Ringraum 10 mit einem Auslauf 11 für
die bearbeitete Fasersuspension S' an.
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Eine
vorteilhafte Möglichkeit, um die gewünschte Wirkung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erhöhen,
liegt in der vom Stand der Technik abweichenden Wahl der Parameter. Üblicherweise wird
eine solche Mahlmaschine im Produktionseinsatz so geregelt, dass
eine vorgegebene Leistung durch den Rotor 9 auf den Faserstoff übertragen wird.
Das kann dazu führen, dass je nach Art der zu bearbeitenden
Fasern der Druck, mit dem die Mahlwerkzeuge 1 und 2 gegeneinander
gepresst werden, so groß wird, dass eine für das
Verfahren unerwünschte Scherkraftsbeanspruchung der Fasern
erfolgt. Um das zu verhindern, kann eine Abstandsmessung der Mahlleisten 3 und 4,
also der Mahlleisten unterschiedlicher Mahlwerkzeuge 1 und 2 mit
in die Mahlwerkzeuge eingesetzten Abstandsmess-Sensoren 12 durchgeführt
werden. Die Werte lassen sich an das Prozessleitsystem PLS übertragen.
Die Prozesssteuerung kann dann so eingestellt werden, dass der Abstand
geregelt wird oder einen Mindestwert nicht unterschreitet.
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3 zeigt
ein Mahlwerkzeug 3 bzw. 5 in Blickrichtung auf
die Oberseiten der Mahlleisten 3, 4, so dass man
Anzahl und Ausrichtung der Mahlleisten 3 bzw. 4 und
der dazwischen liegenden Nuten 5 bzw. 6 erkennen
kann. Selbstverständlich sind auch andere Leistenmuster
für das Verfahren geeignet. In diesem Zusammenhang wird
ein besonderer Vorteil der Erfindung deutlich, der darin liegt,
dass wegen der hohen Anzahl von Leisten auf beiden zusammenwirkenden
Mahlwerkzeugen eine sehr hohe Anzahl von Druckimpulsen pro Zeiteinheit
in einer einzigen Mahlvorrichtung erzeugt werden kann. Das Verfahren
hat besonders gute Ergebnisse, wenn eine relativ hohe Anzahl von
Druckimpulsen auf die Fasern übertragen wird. So ist es
von Vorteil, wenn eine Faser im Mittel mindestens 200 Mal einem
Druckimpuls mit einem Maximaldruck von mindestens 10 bar, vorzugsweise zwischen
10 und 40 bar, ausgesetzt wird.
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Es
ist zu erwarten, dass das Querschnittsprofil der Mahlleisten einen
wesentlichen Einfluss auf die Wirkung des erfindungsgemäßen
Verfahrens hat. So weisen die in 1 gezeigten
Mahlleisten 3 und 4 jeweils Abrundungen an ihren
Kanten auf, die zweckmäßigerweise z. B. einen
Radius mit einem Wert zwischen 1 und 3 mm haben können.
Im Extremfall kann die Oberseite der Mahlleisten vollständig
gerundet sein (siehe 7). Die Oberseiten der in 1 gezeigten
Mahlleisten sind eben, so dass sie etwa parallel zu den Hüllflächen 7 bzw. 8 liegen.
Varianten zu dieser besonders einfachen Profilform zeigen die 4, 5 und 6.
So ist das in 5 grob schematisch gezeigte
Profil beider zusammenwirkenden Mahlleisten an der Oberseite ein
Doppelwellenprofil mit besonders stark abgerundeten Kanten. Eine
weitere Möglichkeit zeigt 6, bei der
die Oberseite der Mahlleisten gegenüber den Hüllflächen
schräg gestellt ist, insbesondere so, dass durch die Relativbewegung
eine allmähliche Verengung des Mahlspaltes eintritt. Gemäß 7 kann
diese Schrägstellung auch bei lediglich einem Mahlwerkzeug
vorhanden sein, entweder beim rotierenden oder nicht rotierenden
(Rotor oder Stator).
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Die
Form der Vorderkanten der Mahlleisten hat einen wesentlichen Einfluss
auf die Wirkungen des Verfahrens. Besonders vorteilhaft kann es
sein, stark abgerundete Vorderkanten 17 der Mahlleisten des
nicht bewegten Mahlwerkzeuges 2 mit wenig abgerundeten
Vorderkanten 18 der bewegten Mahlleisten zusammen wirken
zu lassen. Diesen Fall zeigen die 8a bis 8c.
So ist in 8a skizziert, wie Fasern F an
der scharfen Vorderkante 18 der bewegten Mahlleiste angelagert
und in den Mahlspalt hineingezogen werden (8b). Die
stark abgerundete Vorderkante 17 ermöglicht dabei
das Gleiten auf die Oberseite der Mahlleiste 4. Gemäß 8c wird
dann das so gebildete Faserbündel zwischen den Mahlleisten
durch Druckimpuls bearbeitet.
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Eine
weitere Möglichkeit, die Mahlwerkzeuge speziell für
das erfindungsgemäße Verfahren zu gestalten, besteht
darin, bei einem Mahlwerkzeug 2, die Mahlleisten 3 in
Führungen 15 zu halten, so dass sie in Richtung
zum anderen Mahlwerkzeug 1 verschiebbar sind (siehe 9).
Zur Aufnahme der in von dieser Richtung kommenden Mahlkräfte
sind Federn 16 vorgesehen. Mit einer solchen Mahlvorrichtung
kann gewährleistet werden, dass die Kräfte im Mahlspalt
konstant sind oder zumindest einen bestimmten Wert nicht überschreiten
können. Auch dadurch kann das Auftreten zu hoher Scherkräfte
wirksam verhindert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin, die ganze Garnitur oder den Garniturträger (Rotor,
Stator) in Richtung zum anderen Mahlwerkzeug über Federkräfte
verschiebbar zu führen, wozu neben Stahlfedern z. B. auch
pneumatische Elemente verwendet werden können.
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Bei
Durchführung des Verfahrens ist nicht nur die Geometrie
der Mahlwerkzeuge, sondern auch deren Oberfläche sowie
das Material, aus dem sie hergestellt sind, von Bedeutung. So kann
z. B. eine Oberfläche aus poliertem Chromstahl gewählt
werden mit Kantenabrundungen, um ein gutes Gleiten der Fasern auch
im Mahlspalt zu ermöglichen. Es sind aber auch andere Werkstoffe
mit guten Gleiteigenschaften bekannt, wie z. B. spezielle Kunststoffe, Teflon
oder polierte Keramik. Mahlwerkzeuge aus Keramik hätten
zudem den Vorteil, dass ihr Verschleiß sehr gering ist
und dass daher die gewählte optimale Form der Mahlleisten
sich auch bei längerem Betrieb nicht ändert. Das
kann insbesondere bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren von entscheidendem
Vorteil sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10356377 [0011]
- - DE 10337921 [0011]