DE10258324A1

DE10258324A1 - Verfahren zur Herstellung von Garnituren für das mechanische Bearbeiten von wasserhaltigem Papierfaserstoff

Info

Publication number: DE10258324A1
Application number: DE10258324A
Authority: DE
Inventors: Werner Lange
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-14
Also published as: BR0306877A; JP2006509922A; US20040128817A1; KR20050085527A; EP1572366A2; CN100455719C; CA2509843A1; WO2004054717A2; EP1572366B1; US7263755B2; DE50311951D1; PL375723A1; DE10258324B4; WO2004054717A3; CN1726314A; NO20053308L; AU2003288115A1; ATE443573T1; RU2005122028A; RU2329343C2

Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung von Garnituren, wie sie z. B. in Refinern für das Mahlen von Papierfaserstoff eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß hergestellte Garnitur besteht aus einem Grundkörper (1), einer darauf aufliegenden Maske (3) sowie den zur eigentlichen Bearbeitung dienenden Bearbeitungselementen (5). Die Bearbeitungselemente (5), z. B. leistenförmige Messer, werden in die mit entsprechenden Öffnungen (4) versehene Maske (3) eingesetzt. Anschließend kann z. B. durch Hochtemperatur-Löten ein fester Verbund hergestellt werden. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass optimale Materialien für die Bearbeitungselemente gewählt werden können und dass das Herstellungsverfahren flexibel und, gemessen an der Qualität der hergestellten Garnituren, besonders wirtschaftlich ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Garnituren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derart hergestellte Garnituren dienen vor allem dem Mahlen von Papierfasern, dem Dispergieren von Verunreinigungen im Papierfaserstoff oder dem Entstippen, also dem Auflösen von Papierfaseragglomeraten. Sie werden dann in Mahlmaschinen (Refinern), Entstippern oder Dispergern verwendet. Solche Maschinen haben mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator mit entweder scheibenförmigen oder kegelförmigen Flächen, auf denen die Garnituren angebracht werden, so dass sich zwischen ihnen Spalte ausbilden können. Viele Garnituren weisen an den Arbeitsflächen Stege und Nuten auf, weshalb man auch von "Messer-Garnituren" spricht. Andere Garnituren, z.B. als Einsätze in Dispergern, haben die Form von Zahnringen. In der DE 195 23 704 A1 sind Dispergergarnituren gezeigt und beschrieben. Es ist bekannt, dass neben der Form der Stege, Nuten und Zähne auch das Material, aus dem sie bestehen, Auswirkungen auf die Bearbeitung des Faserstoffs hat.
Bei der mechanischen Bearbeitung mit Hilfe solcher Garnituren liegen die Papierfasern in einer pumpfähigen Suspension, also mit einem Feststoffgehalt von etwa 2–8% vor oder als zäher Stoff mit einem darüber liegenden Feststoffgehalt. Disperger arbeiten in der Regel bei einem Feststoffgehalt zwischen 15 und 25%.
Die Garnituren sind einem Verschleiß ausgesetzt und müssen daher in bestimmten Intervallen ersetzt werden. Der Verschleiß kann aber auch schon vorher dazu führen, dass sich die Bearbeitungswirkung ändert. Form, insbesondere Kantenform, und Oberfläche der Garnituren haben nämlich einen überragenden Einfluss auf den Bearbeitungseffekt. Diese Veränderungen haben den Nachteil, dass von einem bestimmten Zeitpunkt an mit derselben Maschine nicht mehr optimal gearbeitet werden kann.
Es ist daher verständlich, dass für die Entwicklung von Garnituren ein beträchtlicher Aufwand getrieben wird, der sich in der Gestaltung ihrer Form und in der Auswahl des Materials niederschlägt. Dabei hat es sich gezeigt, dass Materialien, die für die Bearbeitungselemente besonders geeignet sind, Eigenschaften haben, die bei ihrer Verwendung für den Grundkörper der Garnitur sehr problematisch sein können. Insbesondere betrifft das Materialien, die sehr hart und spröde sind und daher nicht die für den Grundkörper notwendige Zähigkeit aufweisen. Ferner sind solche Materialien relativ teuer und aufwändig in der Herstellung und lassen sich im Vergleich zu normalen metallischen Werkstoffen nur mit großem Aufwand bearbeiten.
Der Grundkörper eines Bearbeitungswerkzeuges stellt die Verbindung der Bearbeitungselemente zu den übrigen Bauteilen, z.B. denen einer Mahlmaschine, her. Wegen der hohen Kräfte, die in einer solchen Mahlmaschine auftreten, werden an den Grundkörper hohe Festigkeitsanforderungen gestellt. Es muss auch möglich sein, ihn sicher mit der Mahlmaschine zu befestigen, wozu z.B. hochverspannte Schrauben erforderlich sind. Wegen dieser Anforderungen ist ein besonders festes und zähes Material erforderlich.
Aus der DE 196 03 548 A1 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Garnituren bekannt, bei dem diese aus getrennt hergestellten Teilen zusammengefügt werden. Gemäß dieser Publikation kann dazu ein Hochtemperaturlötverfahren unter Vakuum verwendet werden. Diese an sich gut geeigneten Verfahren sind jedoch aufwändig in der Durchführung und führen zu nicht immer ausreichenden Festigkeiten.
In der WO 99/37402 A 1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Refinergarnituren beschrieben, mit dem es zwar auch möglich ist, für die Messer ein anderes Material zu wählen als für die Grundplatte, es ist aber sehr aufwändig und kompliziert wegen der Vielzahl von Einzelteilen, die exakt zusammenzufügen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verfahren zur Herstellung von Garnituren so zu gestalten, dass die Herstellung wesentlich vereinfacht wird und dennoch besonders geeignete harte Materialien für hoch beanspruchte Bearbeitungselemente verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Die für das Verfahren verwendete Maske kann aus einem Blech von gleichmäßiger Dicke bestehen, in das die Öffnungen durch Laserschneiden eingebracht worden sind. Dabei ist es leicht möglich, je nach Bedarf unterschiedliche Öffnungen für Garnituren mit unterschiedlicher Mahlwirkung anzufertigen. Der Umriss der Maske kann etwas kleiner sein als die des zugehörigen Grundkörpers. Die Maske lässt sich vor Einsetzen der Elemente leicht mit dem Grundkörper, z.B. durch Schweißnähte verbinden. Da die Bearbeitungselemente zunächst separat hergestellt werden, ist es möglich, für diese optimale Werkstoffe zu verwenden und dabei die Form der Garnitur relativ einfach zu erzeugen. Mit Hilfe der Maske besteht nämlich die Möglichkeit, die Bearbeitungselemente präzise und sicher an den richtigen Stellen auf dem Grundkörper zu positionieren und während des anschließenden Arbeitsvorganges dort zu halten. Da in der Regel für eine Garnitur eine größere Anzahl von Bearbeitungselementen benötigt wird, ist es sinnvoll, das Einsetzen der Elemente in die Maske mit Hilfe einer automatisch arbeitenden Vorrichtung durchzuführen. Das Verfahren hat nicht nur den Vorteil der schnellen Durchführbarkeit und der guten Automatisierbarkeit, sondern bietet auch sehr gute Festigkeit, da die Bearbeitungselemente sowohl mit dem Grundkörper als auch mit der Maske verbunden werden können. Besonders geeignet ist dazu ein Hochtemperaturlötverfahren, mit dem sich ohne weiteres alle zu einer Bearbeitungeinheit gehörenden Verbindungen gleichzeitig herstellen lassen. Solche Verfahren werden zumeist bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt, z.B. über 1000° C, vorzugsweise ca. 1050°C. Dabei wird mit Vorteil eine Schutzgasatmosphäre , z.B. Argon, verwendet; auch ein Vakuum ist denkbar, allerdings aufwändiger.
Es ist auch möglich, nicht nur Bearbeitungselemente und Maske miteinander zu verlöten, sondern im selben Arbeitsgang auch die Maske mit dem Grundkörper, was zu noch höherer Festigkeit der ganzen Garnitur führt.
Die aufwändige Bearbeitung der harten Strukturen an den Bearbeitungselementen kann oft entfallen, da die Präzision der so hergestellten Garnituren höher ist als z.B. bei konventionellen, also komplett gegossenen.
Die Erfindung wird erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 Teil einer Mahlgarnitur im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren;
2 Teil einer Mahlgarnitur nach Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;
3 eine besondere Form der Bearbeitungselemente;
4 90°-Segment einer Mahlgarnitur für Scheibenrefiner;
5 Teil eines mit einer Mahlgarnitur versehenen Kegelrefiners;
6 Teil einer erfindungsgemäß hergestellten Disperger- oder Entstippergarnitur;
7 eine Variante der in 6 gezeigten Garnitur.
1 zeigt einen Teil eines Grundkörpers 1, der mit einer Maske 3 belegt ist, wobei die Verbindung hier durch Schweißnähte 7 hergestellt wird. Die Maske 3 ist mit einer größeren Anzahl von durchgehenden Öffnungen 4 versehen. Dabei ist in die ganz links gezeichnete Öffnung bereits ein Bearbeitungselement 5 eingesetzt. Die Bearbeitungselemente 5 sind leistenförmig und können z.B. aus gewalzten Profilen hergestellt sein. Sie haben eine über die Höhe konstante Fläche, die also auch der des Fußes 6 entspricht. Die Öffnungen 4 und die Form des Fußes 6 sind so aufeinander abgestimmt, dass sich das Bearbeitungselement 5 spielfrei in die Öffnung 4 einsetzen lässt. In den typischen Fällen, in denen ein Hochtemperaturlötverfahren durchgeführt wird, kann das Lot vor dem Einsetzen auf die entsprechenden Flächen bereits aufgetragen werden. Dabei können mit Vorteil Lötdepots in Form kleiner Vertiefungen oder Nuten in den zu verbindenden Bauteilen angelegt weden (hier nicht gezeichnet).
Die Maske 3 kann auch in einem entsprechend geformten Grundkörper eingelassen, also eingebettet sein.
Die 2, die eine fertige Garnitur 2 perspektivisch und geschnitten darstellt, zeigt, dass die Lötfläche 9 ( als verdickte Linien gezeichnet) die Bearbeitungselemente 5 sowohl mit dem Grundkörper 1 als auch mit der Maske 3 verbindet. Da die Beanspruchung der Garnitur im Betrieb relativ hoch sein kann, ist diese großflächige Verbindung ein besonderer Vorteil. Die Lötfläche 9' erstreckt sich hier auch noch über die Kontaktflächen zwischen Maske 3 und Grundkörper 1, was aber nicht immer erforderlich ist und den Bearbeitungsaufwand erhöht. Die Dicke c der Maske 3 ist in der Regel zwischen 2 und 10 mm groß. Die in 2 teilweise gezeigte Garnitur 2 kann z.B. als Mahlsegment (s. 4) für einen Scheibenrefiner verstanden werden, das bekanntlich eine Vielzahl von leistenförmigen Bearbeitungselementen 5 enthält. Solche Garnituren werden auch Messer-Garnituren genannt. Sie sind mit Schraubenlöchern 10 versehen und werden auf den Rotor oder den Stator eines Scheibenrefiners aufgeschraubt. Bekanntlich handelt es sich dabei um Verschleißteile, die also in bestimmten Abständen erneuert werden müssen.
3 zeigt eine Möglichkeit, die Form der Bearbeitungselemente 5' speziell zu gestalten, was durch das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert wird. Die z.B. beim Rotor in Bewegungsrichtung (Pfeil 18) vorn liegende Schnittkante hat an der Oberseite gegenüber der der Bewegungsrichtung parallelen Ebene einen Winkel α zwischen 0 und 10° und an der Vorderseite gegenüber der dazu senkrechten Ebene einen Winkel γ von ebenfalls zwischen 0 und 10°. Das beugt der unerwünschten Kantenabrundung vor.
Es ist auch ohne weiteres möglich, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden, wenn eine Garnitur für einen Kegelrefiner gefertigt werden soll. Dann hat der Grundkörper 1' – wie 5 zeigt – die Form eines Kegelstumpfes oder eines Teils davon. Auch dieser kann mit einer Maske 3 versehen werden, in die dann in der bereits beschriebenen Weise die Bearbeitungselemente 5 einzusetzen und zu befestigen sind. An der 5 ist auch erkennbar, dass die nach dem beschriebenen Verfahren gefertigten Garnituren sowohl zum Rotor 11 als auch zum Stator 12 gehören können. Bei den meisten Refinern werden bekanntlich Rotor und Stator mit Messergarnituren versehen. Die zu mahlende Suspension 14 wird zwischen den Messern durch die Maschine hindurchgeführt. Der Rotor 11 wird durch die Welle 13 angetrieben.
Es gibt auch Anwendungsfälle im Bereich der Dispergierung und Entstippung von Papierfaserstoff, bei dem Garnituren verwendet werden, die mit hoch beanspruchten zahnförmigen Bearbeitungselementen versehen sind . Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden. So zeigen die 6 und 7 je einen Grundkörper 1 mit einer aufgelegten Maske 3 und eine Anzahl von bereits eingesetzten Bearbeitungselementen. Dabei sind exemplarisch einige verschiedene Zahnformen dargestellt, z.B. einfache kubische Zähne 15 oder abgeschrägte Zähne 16, die als Bearbeitungselemente im Sinne der Erfindung dienen. Eventuell ist abzuwägen, ob eine größere Anzahl von einfach geformten, leicht zu fertigenden Einzelzähnen verwendet wird oder ob mehrere Zähne in größeren oder kleineren Zahngruppen 17, 17' zusammengefasst und dann in die Maske 3 eingesetzt werden sollen. Die Herstellung einer solchen Garnitur ist ähnlich, wie bereits beschrieben, d.h. die Füße der Bearbeitungselemente 5', also der Zähne oder Zahngruppen, und die Öffnungen in der Maske 3 haben etwa die gleiche Form, so dass ein Einsetzen der Bearbeitungselemente 5' erfolgen kann. Anschließend erfolgt wieder die endgültige Fixierung der Bearbeitungselemente mit der Maske 3 und dem Grundkörper 1.
Als Material für die Bearbeitungselemente können harte spröde Metalllegierungen verwendet werden, die für Faserbearbeitung optimiert wurden. Sie können auch nach dem Hochtemperaturlöten oder währenddessen gehärtet werden. Zum Beispiel kann nach dem Hochtemperaturlöten die Abkühlung so schnell vorgenommen werden, dass bei Verwendung von Kohlenstoffstählen die Bearbeitungselemente thermisch aushärten.
Der Grundkörper kann aus relativ zähem Cr-Ni-Stahl bestehen. Da er zur Faserstoffsuspension hin durch Maske und Bearbeitungselemente abgedeckt wird, kann er auch aus nicht korrosionsbeständigem Stahl hergestellt werden, was die Kosten weiter reduziert. Eine weitere Möglichkeit ist die Beschichtung des Grundkörpers mit korrosionsbeständigem Material.
Die Maske kann mit Vorteil aus relativ zähem Cr-Ni-Stahlblech hergestellt werden, in das die Öffnungen durch Laser eingeschnitten wurden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Garnituren (2) für das mechanische Bearbeiten, insbesondere Mahlen von wasserhaltigem Papierfaserstoff, die sich zusammensetzen aus – mindestens einem Grundkörper (1, 1') und – mindestens einer bei der betriebsmäßigen Benutzung der Garnitur (2) vom Faserstoffmaterial berührten Bearbeitungseinheit, welche eine Mehrzahl von durch Bearbeitungselemente (5, 5') gebildete Vorsprünge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungselemente (5, 5') separat hergestellt werden, dass eine Maske (3) hergestellt wird, die mit Öffnungen (4) versehen ist, deren Form der des Fußes (6) der Bearbeitungslemente (5, 5') entspricht, dass die Maske (3) mit dem Grundkörper (1, 1') verbunden wird, dass die Bearbeitungselemente (5, 5') in die Öffnungen (4) der Maske (3) eingesetzt werden und dass anschließend Bearbeitungselemente (5, 5') und Maske (3) fest miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4) durchgehend sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Verbindungen der Bearbeitungselemente (5, 5') mit der Maske (3) durch einen Verfahrensschritt hergestellt werden, bei dem die Bearbeitungselemente (5, 5') auch mit dem Grundkörper (1, 1') verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Verbindungen durch ein Hochtemperaturlötverfahren hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperaturlötverfahren bei einer Temperatur über 1000° C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperaturlötverfahren unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Arbeitsgang, bei dem Bearbeitungselemente (5, 5') und Maske (3) miteinander verbunden werden, gleichzeitig eine Verbindung von Maske (3) und Grundkörper (1, 1') an deren Kontaktflächen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Verbindungen der Bearbeitungselemente (5, 5') durch Schweißen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungselemente (5, 5') beim Abkühlen nach dem Hochtemperaturlöten gehärtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei betriebsmäßiger Benutzung der Garnitur (2) vom Faserstoff berührten Flächen der Bearbeitungselemente (5, 5') bei oder unmittelbar nach dem Hochtemperaturlöten oberflächenbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung die Härte und/oder Verschleißfestigkeit der Bearbeitungselemente (5, 5') erhöht.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Hochtemperaturlötung und Oberflächenbehandlung im selben Ofen durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bearbeitungselemente (5, 5') und Grundkörper (1, 1') aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Grundkörper (1, 1') und Maske (3) aus Materialien hergestellt werden, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten mit einer Toleranz von ±10 % gleich sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (3) aus einem Blech hergestellt wird und dass die Öffnungen (4) durch Laserschneiden eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Bleches so gewählt wird, dass sie im Wesentlichen der Außenkontur des Grundkörpers (1, 1') entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (3) in den Grundkörper (1, 1') eingebettet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (3) aus einer Cr-Ni-Stahl-Legierung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungselemente (5, 5') sich senkrecht zum Grundkörper (1, 1') erstreckende, leistenförmige Erhebungen sind, zwischen denen sich Nuten (8) befinden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand der leistenförmigen Erhebungen über der Maske (3) zwischen 2 und 20 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der leistenförmigen Erhebungen zwischen 2 und 30 mm, vorzugseise 2 und 10 mm, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungselemente Zähne (15, 16) sind, die sich senkrecht zum Grundkörper (1, 1') erstrecken.