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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Seit langem ist bekannt, dass Zellstofffasern, d. h. Frischzellstoff- oder Altpapierfasern, gemahlen werden, damit das später daraus hergestellte Papier die gewünschten Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, Formation und Oberfläche, aufweist. Mahlverfahren der hier betrachteten Art benutzen Mahlwerkzeuge, die mit als Messer bezeichneten Leisten versehen sind. Die entsprechenden Maschinen werden zumeist Mahlrefiner genannt. Bei den Mahlwerkzeugen spricht man von Garnituren.
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Refinergarnituren zur Mahlung von Zellstofffasern mit Mahlleisten und dazwischen liegende Nuten sind z. B. aus der
DE 10 2005 004 344 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Zellstoffmahlung zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Mahlung ökonomisch, insbesondere mit geringerem Energiebedarf und geringem Verschleiß an den Mahlwerkzeugen durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 genannten Merkmale gelöst.
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Die Ansprüche 6 bis 20 beschreiben jeweils für das Verfahren besonders geeignete Mahlgarnituren.
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Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, die Suspension mit weniger hydraulischen Verlusten durch den Mahlbereich der Mahlvorrichtung (Refiner) zu führen. Insbesondere werden die Mahlflächen der verwendeten Mahlgarnituren sowohl bezüglich der Mahltechnologie als auch bezüglich ihrer hydraulischen Eigenschaften optimiert. Die Mahlfläche ist der Bereich einer Mahlgarnitur, auf dem sich die Mahlleisten und Nuten befinden, wobei oft ein Teil der Garniturfläche für die Anbringung von Befestigungsmitteln, zumeist Schrauben, freigehalten wird. In diesen also nicht zur Mahlfläche gerechneten Teilen müssen die erfindungsgemäßen Merkmale nicht unbedingt erfüllt sein. Bei der Mahlung dienen die zwischen den Mahlleisten liegenden Nuten als Strömungskanäle für den Transport der Fasersuspension. Die Nutbreite ist dabei der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten Mahlleisten, liegt also etwa senkrecht zur Längserstreckung der Nut.
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Wenn die Nuten auf den Mahlflächen vom Suspensionseintritt bis zum Suspensionsaustritt ununterbrochen, ohne sprunghafte Änderung der Nutrichtung sowie ohne sprunghafte Änderung der Nutbreite verlaufen, so kann die Strömung der zu mahlenden Fasersuspension mit geringen hydraulischen Verlusten geführt werden.
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Durch die Erfindung lässt sich die zur Verfügung stehende Mahlfläche optimal ausnutzen, das heißt eine maximale Anzahl von Mahlleisten kann auf der Mahlfläche untergebracht werden.
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Es ist bekannt, dass Länge und Anzahl der Mahlleisten („Messer”) sowie die Geschwindigkeit, mit der diese aneinander vorbei bewegt werden, einen großen Einfluss auf die Mahlwirkung haben, da diese Parameter die sekundliche Kantenlänge bestimmen. Diese wird z. B. in Ws/km angegeben. Bei gleicher mit einer Mahlvorrichtung (Refiner) übertragener Mahlleistung führt eine höhere sekundliche Kantenlänge zu einer geringeren spezifischen Kantenbelastung und umgekehrt. Die spezifische Kantenbelastung beeinflusst die Mahltechnologie dahingehend, dass bei geringerer spezifischer Kantenbelastung die Mahlung schonender wird, was in vielen Fällen, insbesondere bei der bei der Herstellung von Karton und Verpackungspapieren angestrebt wird. Eine hohe sekundliche Kantenlänge ergibt sich, wenn Mahlgarnituren verwendet werden, die möglichst viele und möglichst lange Mahlleisten aufweisen. Eine solche Maßnahme lässt sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besonders günstig durchführen.
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Bekanntlich besteht auch ein Zusammenhang zwischen dem Schnittwinkel und der erreichten Mahlwirkung. Der Schnittwinkel ist der Winkel in dem sich die gegeneinander bewegten Mahlkanten (also von Rotor und Stator) begegnen. Dabei führt im Allgemeinen ein größerer Schnittwinkel zu einer schonenderen Mahlung als ein kleinerer. Werden Garnituren verwendet, bei denen sich der Schnittwinkel von radial innen nach radial außen vergrößert, so kann dieser dem Mahlzustand des sich an dieser Stelle befindenden Faserstoffes angepasst werden. Das Verfahren kann daher mit Vorteil so gestaltet werden, dass bereits stärker ausgemahlener Faserstoff mit einem größeren Schnittwinkel gemahlen wird, als weniger ausgemahlener. Darüberhinaus sorgt dieser Verlauf des Schnittwinkels dafür, dass mit nach radial außen hin zunehmender Begegnungsgeschwindigkeit der Mahlleisten auch der Schnittwinkel größer ist.
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Durch weitere Ausgestaltungen der verwendeten Mahlgarnituren lassen sich also mahltechnologische Vorteile erzielen, insbesondere was die Nutzung des Festigkeitspotenzials der Fasern durch schonende Mahlung betrifft.
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Die Erfindung wird erläutert an Hand von schematischen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1: die Durchführung des Verfahrens am Beispiel eines Scheibenrefiners;
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2: eine typische Mahlgarnitur aus dem Stand der Technik;
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3–8: jeweils eine spezielle Ausgestaltung von erfindungsgemäßen Mahlgarnituren;
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9: einen aus vier Mahlsegmenten zusammengesetzten Garniturring;
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10: Teile benachbarter Mahlsegmente in perspektivischer Ansicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Mahlvorrichtung durchgeführt werden, wie sie in 1 schematisch im Schnitt dargestellt ist. Auf einem Stator 8 ist eine Mahlgarnitur 1 und auf einem Rotor 9 eine Mahlgarnitur 2 lösbar mit Hilfe von Schrauben 12 befestigt. Für die Schrauben 12 weisen die Garnituren 1 und 2 Schraubenlöcher 10 auf. Bei den Mahlgarnituren 1 und 2 handelt es sich um Messergarnituren, welche mit Mahlleisten 3 versehen sind, die z. B. in den 3, 7 und 8 in Draufsicht zu sehen sind. Die zu mahlende Suspension S gelangt bei dem hier gezeigten Beispiel durch das Zentrum des Stators 8 in und zwischen die Mahlgarnituren 1 und 2. Bei dieser Darstellung ist der axiale Abstand, den die Mahlgarnituren 1 und 2 voneinander haben, stark übertrieben dargestellt. Im Betrieb beträgt er nur Bruchteile von Millimetern. Die Suspension S passiert die zusammenwirkenden Mahlgarnituren 1 und 2, tritt an der Ablaufseite wieder aus, sammelt sich im Ringraum 15 und verlässt diesen als gemahlene Suspension S' über einen entsprechenden Stutzen. Der Rotor 9 wird durch eine Welle 11 angetrieben, auf deren Drehachse die Mittelpunkte M der Mahlgarnituren 1 bzw. 2 liegen. Nicht dargestellt sind die an sich bekannten Mittel, mit denen eine Kraft erzeugt wird, um die beiden Mahlgarnituren gegeneinander zu drücken.
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Eine typische Mahlgarnitur aus dem Stand der Technik ist in 2 dargestellt. Die Mahlleisten 4, 4' und 4'' und Nuten 7' verlaufen gerade und haben eine konstante Breite. Der Anstellwinkel α liegt zwischen der Mahlkante und dem durch den Mittelpunkt M gelegten Radius R. Er ist für den Schnittwinkel wichtig. Benachbarte Mahlleisten 4 sind sektorweise zueinander parallel, wodurch sich der Anstellwinkel α von Mahlleiste zu Mahlleiste ändert. Um das wenigstens teilweise auszugleichen, sind die Mahlleisten 4' im benachbarten (links gezeichneten) Sektor nicht parallel zu den Mahlleisten 4 des rechts gezeichneten Sektors sondern stehen schräg zu diesen. Dadurch ändert sich die Nutrichtung an den Sektorengrenzen sprunghaft. Die Schrägstellung der Sektoren zueinander entspricht etwa dem Versatzwinkel γ, um den benachbarte Sektoren um den Mittelpunkt M gedreht angeordnet sind. Damit zwischen benachbarten Abschnitten keine zu großen mahlleistenfreie Zwischenräume entstehen, sind dort verkürzte Mahlleisten 4'' eingefügt.
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3 zeigt eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Mahlgarnitur ohne dass eine maßstäbliche Zeichnung vorliegt. Dabei sind hier die Mahlleisten 3 in einer gebogenen Form ausgeführt, und benachbarte Mahlleisten 3 durch den Versatzwinkel γ um den Mittelpunkt M gegeneinander gedreht. Zwischen den durchweg gleich langen Mahlleisten 3 befinden sich Nuten 7, die als Strömungskanäle für die Suspension S dienen. Sie verlaufen hier auf der Mahlfläche mit besonderem Vorteil ohne Unterbrechung und ohne Querverbindung zu benachbarten Nuten vom Zulauf 5 bis zum Auslauf 6, sowie ohne sprunghafte Änderung der Nutrichtung oder sprunghafte Änderung der Nutbreite.
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Nuten 7 und Mahlleisten 3 können auf folgende Art gestaltet werden:
- 1. Die Nutbreite N1, N2 und N3 ist über die ganze Länge konstant, so dass ein Strömungskanal mit gleichbleibendem Strömungsquerschnitt entsteht. Dabei sind die Mahlleisten 3 über ihre Länge unterschiedlich breit.
- 2. Die Nutbreiten variieren über die Nutlänge, insbesondere so, dass die Nutbreite N1 am Zulauf 5 gleich der Nutbreite N3 am Auslauf 6 ist, während die Nutbreiten N2 an den dazwischen liegenden Stellen größer sind. Dadurch kann die Strömung dort verlangsamt werden. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Nuten 7 auf der Mahlfläche eine Nutbreite N1 bzw. N2 bzw. N3 zwischen 2 und 8 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm haben. Im Beispiel der 3 betragen die Nutbreite N1 am Zulauf 5 und die Nutbreite N3 am Auslauf 6 jeweils ca. 2,5 mm, während an einer Stelle dazwischen die Nutbreite N2 mit ca. 3,5 mm den größten Wert hat. Die Leistenbreite B1 ist gleich groß wie die Leistenbreite B2, ebenso die dazwischen liegenden Werte.
- 3. Mischformen aus 1. und 2., also Variation von Nutbreite und Mahlleistenbreite über die Länge.
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Die Nuttiefe T beträgt mit Vorteil zwischen 2 und 20 mm (s. 1). Der Querschnitt der Mahlleisten 3 und Nuten 7 ist im Allgemeinen rechteckig, wobei es auch andere Formen gibt. Zur besseren Klarheit sind einige Mahlleisten 3 geschnitten, also mit einer Schraffur gezeichnet.
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Wird die in 3 gezeichnete Mahlgarnitur auf einem Rotor verwendet, ist in der Regel die Drehrichtung 14 wie hier eingezeichnet. Die Mahlkanten (Schnittkanten) liegen dann bei dieser Darstellung auf der linken Seite der Mahlleisten 3.
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Wie bereits erwähnt wurde, ist der Schnittwinkel bei Mahlverfahren dieser Art ein wesentlicher Parameter. 4 zeigt exemplarisch eine kreisbogenförmige Mahlleiste 3, deren Mahlkante am Zulauf 5 tangential zum durch den Mittelpunkt M gelegten Radius R verläuft, was an dieser Stelle bei gleich geformter Gegengarnitur zu einem Null-Grad-Schnittwinkel führt. Am Auslauf 6 hingegen liegt der Anstellwinkel α3 bei 65 Grad, wodurch hier der Schnittwinkel (gleich zweimal α3 bei gleich geformter Gegengarnitur) also 130 Grad beträgt. Dabei erhöht sich zwischen Zulauf 5 und Auslauf 6 der Anstellwinkel α2 stetig. Benachbarte Mahlleisten 3 (eine weitere Mahlleiste 3 ist nur teilweise gezeichnet) stehen nicht parallel zueinander sondern sind rotatorisch um den Mittelpunkt M in einem Winkel angeordnet, der idealerweise gleich dem Versatzwinkel γ benachbarter Mahlleisten 3 in Umfangsrichtung ist. Dadurch ist die Anstellwinkel und damit die Schnittwinkel auf einer Umfangslinie konstant, was gegenüber dem Stand der Technik gemäß 1 ein großer Vorteil ist. In bestimmten Fällen kann eine geringe Abweichung zugelassen werden, das heißt, dass dann der Winkel der rotatorischen Anordnung bis um maximal 3 Grad, vorzugsweise maximal 1 Grad vom jeweiligen Versatzwinkel γ abweicht,
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Wenn auch am Zulauf 5 ein Schnittwinkel größer als 0 Grad günstiger ist, kann gemäß 5 konstruiert werden. Darin betragen der zulaufseitige Anstellwinkel α1 = 15 Grad und der auslaufseitige Anstellwinkel α3 wiederum 65 Grad. Auch das ist nur ein Beispiel und schließt andere Winkelkombinationen nicht aus.
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Die Form der Mahlleiste 3 ist in 3 bis 5 ist als Kreisbogen gewählt. Es sind auch andere Bogenformen zweckmäßig, wodurch die Variation des Schnittwinkels einen weiteren Freiheitsgrad erhält. So kann z. B. eine elliptische Form der Mahlleisten 3' gemäß 6 Vorteile bieten, insbesondere weil eine längere Mahlkante möglich ist, auch bei jeweils gleichen Anstellwinkeln α1 und α3 (s. 5) im Zulauf 5 bzw. Auslauf 6. Längere Mahlkanten können erwünscht sein, um die sekundliche Kantenlänge zu erhöhen. Die verwendete Ellipse (Mittellinie ME) liegt dabei mit ihrem kleineren Krümmungsradius in der Nähe des Zulaufs 5.
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Meistens werden Mahlgarnituren als Segmente hergestellt und erst im Refiner zu Kreisringen zusammengesetzt. Bekannt sind 45-Grad-Segmente, 60-Grad-Segmente und 90-Grad-Segmente, bei denen die Segmentgrenzen (also Trennfugen im zusammengesetzten Zustand) radial verlaufen. Das führt bei Schrägmessergarnituren dazu, dass zumindest einige Mahlleisten durch die Segmentgrenzen geschnitten werden. Um die dadurch beim Betrieb durch Wirbel auftretenden hydraulischen Verluste zu vermeiden, können die Segmentgrenzen 13 und 13' wie in 3, 7, 8 und 9 gezeigt ist, mit Vorteil an die jeweils nächst liegenden Mahlleisten 3 bzw. Nuten 7 angepasst werden, so dass sie in gleicher Richtung wie diese verlaufen. 9 stellt einen Garnitur-Ring dar, der sich aus vier 90-Grad-Segmenten zusammensetzt, wobei deren Segmentgrenzen 13 und 13' in der beschriebenen Weise ausgestaltet sind. In dieser Figur sind die Mahlleisten und Nuten nur angedeutet.
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Zumeist sind die Mahlgarnituren wie in den 7, 8 und 9 gezeigt, mit Schraubenlöchern 10 versehen, welche die nutzbare Mahlfläche etwas verkleinern. Die nutzbare Mahlfläche liegt zwischen dem Außenkreis mit Durchmesser D2 und dem Innenkreis mit Durchmesser D1 abzüglich der Fläche der Schraubenlöcher 10.
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8 zeigt, dass sich die Vorteile von an die Nuten oder Mahlleisten angepassten Sektorengrenzen 13 bzw. 13' auch dann bei Mahlgarnituren mit geraden Mahlleisten 3'' und Nuten 7' realisieren lassen, wenn deren Anstellwinkel α größer als Null, hier z. B. 45 Grad ist. Benachbarte Mahlleisten 3'' sind jeweils um den Versatzwinkel γ zueinander gedreht. Das gezeigte Beispiel hat durchgehende Nuten 7', hier mit konstanter Nutbreite.
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10 ist eine perspektivische Darstellung von Teilen zweier benachbarter Mahlsegmente im Bereich des Zulaufes 5 eines Garnitur-Ringes. Mahlleisten 3, Nuten 7 und Segmentgrenzen 13 und 13' sind kreisbogenförmig ausgestaltet. Das links gezeichnete Segment schließt an der hier sichtbaren Segmentgrenze 13' mit einem Vorsprung ab, der zur Bildung einer Nut 7 dient, wobei dessen Breite 15 auch kleiner sein kann als die gewünschte Nutbreite N1. Das kann seinen Sinn darin haben, dass z. B. auch das benachbarte Mahlsegment mit einem nutbildenden Vorsprung abschließt (hier nicht realisiert), oder dass die Mahlsegmente mit einem Abstand 16 montiert werden sollen. Dieser Abstand 16, der hier zur besseren Klarheit stark übertrieben gezeichnet ist, hat den Vorteil, dass die Flächen an den Segmentgrenzen 13 und 13' weniger aufwändig zu bearbeiten sind, da sie nicht passgenau sein müssen.
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Bei den in 7, 9 und 10 gezeigten Mahlsegmenten reichen die Mahlleisten 3 und Nuten 7 bis an den Innenrand der Garnitur heran, um die Mahlfläche so weit wie möglich zu nutzen. Allerdings ist hier die Umfangsgeschwindigkeit am geringsten.
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Die für das Verfahren geeigneten Garnituren bzw. Mahlsegmente sind z. B. aus legiertem Chromstahl hergestellt. Sie können gegossen sein. Die Nuten können auch gefräst sein, insbesondere bei kleinen Nutbreiten. Die Oberfläche ist in der Regel glatt, es sind aber auch aufgeraute Oberflächen denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005004344 A1 [0003]
