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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 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
Leisten versehen sind, die mit hoher Geschwindigkeit aneinander
vorbei bewegt werden. 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 durch Reib- oder 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 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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Die
DE 894 499 zeigt eine Mahlvorrichtung, die
einen umlaufenden Mahlzylinder aufweist, an dessen Innenwand mehrere
Mahlwalzen angedrückt werden,
um Faserstoff zu mahlen. Die Mahlwalzen sind mit speziellen Umfangsnuten
versehen, um eine bestimmte gewünschte
Mahlwirkung erzielen zu können.
Die Mahlvorrichtung ist nicht für
eine kontinuierliche Fahrweise ausgestattet.
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Aus
der
US 4,685,623 ist
ein Mahlverfahren bekannt, das mit weniger Energie auskommen soll. Die
zu mahlende Papierfasersuspension wird in enge Keilspalten ("narrow nips") geführt, die
sich zwischen einer rotierenden Zentralwalze und mehreren außen daran
abrollenden Walzen bilden. Die Keilspalten sind sehr schmal, da
die Zentralwalze mit einer Vielzahl von umlaufenden Nuten oder Rillen
versehen ist. Dabei wird gefordert, dass die Breite der Keilspalte kleiner
ist als die Faserlänge.
Die außen
liegenden Walzen werden mit einer definierten Kraft gegen die Zentralwalze
angedrückt,
so dass im Keilspalt ein Entwässern
und Quetschen der Fasern erfolgt. Dabei wird ein Teil der Suspension
und das in den Keilspalten abgedrückte Wasser quer zur Bewegungsrichtung
ab- und in diesen Rillen am eigentlichen Keilspalt vorbeigeführt, um
später
wieder mit dem bereits gemahlenen eingedickten Faserstoff vermischt
zu werden. Auf diese Weise sollen Probleme bei dem Betrieb einer
solchen Maschine auch bei größerem Durchsatz
vermieden werden. Im Betrieb ist das Gehäuse dieser Apparatur mit Suspension
voll gefüllt, welche
mit einem einstellbaren Volumenstrom hindurchgepumpt wird.
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In
einer speziellen Ausführungsform
sind die die Nuten oder Rillen begrenzenden Stege außen mit Zähnen versehen.
Neben anderen genannten demselben Zweck dienenden Maßnahmen
sollen sie offenbar die Reinigung der Mahlwerkzeuge bewirken oder
verbessern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein kontinuierlich arbeitendes
Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, Zellstoff- oder
Papierfasern so zu mahlen, dass die Festigkeiten des daraus hergestellten
Papiers erhöht
werden. Die dabei auftretende Zunahme des Entwässerungswiderstandes soll zumindest
geringer sein als bei bekannten Mahlverfahren. Das Verfahren soll
geeignet sein, in industriellem Maßstab bei der Produktion von
Papier eingesetzt zu werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das
Mahlverfahren wirkt überwiegend
durch Druckkräfte
und vermeidet große
Relativbewegungen der Mahlwerkzeuge in der Mahlzone.
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Mit
dieser Erfindung ist es leicht möglich,
einen definierten und gleichmäßigen Transport
des Papierfaserstoffes durch die Mahlzonen zu gewährleisten.
Der Einfluss des Zufalls ist gering, die Mahlung wird sehr gleichmäßig, da
alle Fasern annähernd gleich
bearbeitet werden. Das Verfahren kann mit kompakten Mahlvorrichtungen
im industriellen Maßstab
durchgeführt
werden.
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Das
Verfahren arbeitet in der Weise, dass die Fasereigenschaften optimiert
werden, wobei die gewünschten
Festigkeiten entwickelt werden, ohne dass der Mahlgrad wie im üblichen
Verfahren zunimmt. Vergleichsversuche mit Langfaserzellstoff haben
gezeigt, dass zur Erzielung einer Reißlänge von 8 km bei einer Messermahlung
45° SR Mahlgrad
entstand und mit dem neuen Verfahren nur 18° SR. Die benötigte spezifische Mahlarbeit
lag bis zu 50% niedriger.
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Es
ist anzunehmen, dass durch das Mahlverfahren die Struktur der Faserwand
und Oberfläche der
Fasern so verändert
wird, dass sie eine verbesserte Flexibilität und Bindungsfähigkeit
erhält,
ohne dass Fibrillen aus der äußeren Oberfläche der
Fasern herausgelöst
werden müssen.
Auch die Erzeugung von Feinstoff, also Faserbruchstücken, ist
sehr gering.
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Wird
das Verfahren auf rezyklierte Fasern angewendet, können die
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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Die
Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen.
Dabei zeigen:
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1 Prinzip
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Hilfe eines Mahlzylinders mit peripher angeordneten Mahlwalzen;
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2 eine
für das
Verfahren geeignete Mahlvorrichtung in Seitenansicht;
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3 eine
für das
Verfahren geeignete Mahlvorrichtung in Vorderansicht;
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4 Detailansicht
einer Mahlzone;
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5 Detailansicht
einer weiteren möglichen
Mahlzone;
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6 eine
waagerechte Anordnung mehrerer Mahlwalzen;
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7 eine
senkrechte Anordnung mehrerer Mahlwalzen;
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8 eine
weitere senkrechte Anordnung mehrerer unterschiedlich großer Mahlwalzen.
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Die
in 1 exemplarisch gezeigten zwei Mahlwalzen 2 sind
am ganzen Umfang mit einer größeren Anzahl
von Zähnen 5 versehen.
Ebenso der nur zu einem kleinen Teil dargestellte Mahlzylinder 1. Bei
Durchführung
des Verfahrens entsteht zwischen Mahlwalze 2 und Mahlzylinder 1 jeweils
eine Mahlzone, und zwar an der Stelle, an der sich die Außenwand
des Mahlzylinders 1 und die der Mahlwalzen 2 am
nächsten
sind. Dort sind die Zähne 5 der
Mahlwalzen 2 und die Zähne 5' des Mahlzylinders 1 im Eingriff.
Dabei bilden sich die Hohlräume 4,
die die Fasern durch die Mahlzone fördern. Dabei werden sie vorzugsweise
durch die Grenzen der Hohlräume von
allen Seiten eingeschlossen; insbesondere der Transport quer zur
Bewegungsrichtung der Hohlräume
wird weitgehend verhindert. Nach Verlassen der Mahlzone werden die
Fasern aus den Hohlräumen 4 herausgeschleudert
und gelangen in die nächste Mahlzone.
Die Zwischenräume
zwischen den Zähnen 5 der
Mahlwalzen 2 leeren sich also, so dass nicht die Förderwirkung
einer üblichen
Zahnradpumpe entsteht. Um die nötige
Mahlkraft zu erzeugen, werden die Mahlwalzen 2 radial gegen
die Außenwand
des Mahlzylinders 1 angedrückt, was hier allerdings nicht
gezeichnet ist. Dazu können
z.B. ein ansteuerbarer pneumatischer oder hydraulischer Druckzylinder
verwendet werden. Mahlzylinder 1 und Mahlwalzen 2 sind
rotierbar mit raumfesten zueinander parallelen Drehachsen gelagert,
wobei eine geringe Radialbewegung der Mahlwalzen 2 möglich sein
kann, um die Mahlkraft zu verändern.
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Die
in 2 schematisch gezeichnete Mahlvorrichtung weist
ebenfalls einen liegenden Mahlzylinder 1 auf, an dem sich
mehrere überwiegend gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordnete Mahlwalzen 2 befinden, wobei
im Bereich des Stoffabflusses 6 eine Lücke 9 ohne Mahlwalze
gelassen ist. Die Suspension S wird durch einen Zulauf 7 zugegeben.
Das kann über
einen Breitspalt erfolgen oder über
einen Stoffauflauf, ähnlich
wie in den 6, 7 oder 8.
Die Zugabestelle liegt neben dem Stoffabfluss 6 und ist
durch ein Führungsblech 8 von diesem
abgetrennt. So ist eine Zwangsförderung über fast
360° über den
ganzen Umfangsverlauf des Gehäuses 10 gewährleistet.
Der Suspensionsstrom durch diese Mahlvorrichtung ist definiert und
kann leicht und sicher eingestellt werden. Das Gehäuse 10 ist
nicht vollständig
mit Suspension gefüllt,
es kann sich aber ein Suspensionsspiegel am Stoffabfluss 6 bilden.
Das Gehäuse 10 kann,
wie hier gezeichnet, innen zylindrisch oder gemäß 1 mit einer
Kulisse 11 versehen sein, in der die Mahlwalzen 2 mit
geringem Spaltabstand rotieren.
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Auch
die in 3 gezeigte Mahlvorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens ist nur schematisch dargestellt. Man erkennt den zentral
angeordneten Mahlzylinder sowie zwei der Mahlwalzen, die gegen die
Außenfläche des
Mahlzylinders angedrückt
werden. Die Lagerböcke 13 der
Mahlwalzen, die neben der Lagerung auch eine Anpressvorrichtung
enthalten können,
sind nur angedeutet. Der Mahlzylinder wird hier über einen Motor 20 in
Rotation versetzt. Es könnte
auch eine Mahlwalze angetrieben werden. Da Mahlwalzen und Mahlzylinder
ineinander verzahnt sind, können
Antriebe für
die Mahlzylinder 1 entfallen. Die Zähne 5 bzw. 5' auf Mahlzylinder
und Mahlwalzen sind leistenförmig
und erstrecken sich mit Vorteil über
die gesamte Breite der Mahlwerkzeuge. Da sich die suspensionsgefüllten Hohlräume 4 in
der Mahlzone stark verkleinern, baut sich in diesen ein relativ
hoher Druck auf. Der Mahlzylinder 1 weist beidseitig je
eine ringförmig
umlaufende Schulter 12 auf, um ein seitliches Abfließen der
Suspension auf Grund dieses Druckaufbaus zu verhindern. Diese ist so
angeordnet, dass der radiale Außenbereich
der Mahlwalzen jeweils zwischen den Schultern 12 Platz finden,
wobei – wie
die 1 z.B. zeigt – die
Radialerstreckung der Schultern 12 mindestens die Zwischenräume zwischen
den Zähnen 5 in
der Mahlzone abdeckt. Die Schultern 12 können auch
aus einem elastischen Material bestehen, um die Abdichtung zu verbessern.
Konkrete technische Lösungen
zur Abdichtung dieser Bereiche sind dem Fachmann an sich bekannt
und müssen
hier nicht dargestellt werden. Bei relativ breiten Mahlwerkzeugen
wirken sich restliche Undichtigkeiten an den Stirnseiten wenig aus.
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Das
Verfahren kann mit besonderem Vorteil so durchgeführt werden,
dass die ineinandergreifenden Zähne
von Mahlzylinder 1 und Mahlwalze 2 eine Evolventenform
haben. Bekanntlich entsteht an diesen aus dem Getriebebau bekannten
Zähnen
keine oder höchstens
eine minimale Relativbewegung an den Kontaktflächen. Bei der hier vorgenommenen Anwendung
der Evolventenverzahnung ergibt sich der Vorteil einer Mahlbehandlung,
die zu hohen Drücken
und sehr geringer Relativbewegung zwischen den Mahlflächen in
der Mahlzone führt.
Eine andere Möglichkeit,
die aus dem Getriebebau bekannt ist, wäre eine Zykloidverzahnung.
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4 zeigt
eine Alternative zu einer solch aufwändigen Verzahnungsgeometrie,
die darin besteht, dass in den zylindrischen Umfang 14 des
Mahlwerkzeuges Nuten eingefräst
sind, so dass Zähne gebildet
werden, die an ihren Flanken zwar keine optimalen Abrollbedingungen
schaffen, dafür
aber sehr viel preiswerter in der Herstellung sind. Die Zahnhöhe kann
dann so gewählt
werden, dass der entsprechende Teil des zylindrischen Umfangs 14 eines Mahlwerkzeuges
im Nutgrund des anderen Mahlwerkzeuges abrollt. Mahltechnologisch
entstehen dadurch kaum oder keine Nachteile. Um eine solche Verzahnung
gegen Verschleiß zu
schützen,
der sonst möglicherweise
bei Antrieb der Mahlwalzen 2' durch den
Mahlzylinder 1' entstehen
würde,
kann ein separater Antrieb der Mahlwalzen sinnvoll sein, der mit dem
des Mahlzylinders 1' synchronisiert
ist. Ein solcher Antrieb hätte
auch in anderen Anwendungsfällen
den Vorteil einer eindeutig definierten Kinematik beim Abrollen
der Mahlwerkzeuge.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch durchgeführt
werden, wenn – wie
z.B. in 5 gezeigt – der Mahlzylinder 1'' eine glatte zylindrische Oberfläche hat
und nur die Mahlwalzen 3 mit Vertiefungen versehen sind,
die die zur Durchführung
des Verfahrens erforderlichen Hohlräume 4' bilden. Dabei sind in diesem Beispiel
als Vertiefungen abgerundete Nuten gezeigt, die sich mit Vorteil über die
gesamte Breite der Mahlzone erstrecken können. Es sind aber auch andere
Formen denkbar, z.B. eckige Nuten oder Blindbohrungen.
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Auch
wenn die bisher dargestellten Ausführungsformen einer zur Durchführung des
Verfahrens geeigneten Mahlapparatur einen relativ großen zentral
gelegenen Mahlzylinder und peripher angeordnete kleinere Mahlwalzen
aufweisen, könnte – wie 6 schematisch
zeigt – eine
Mahlapparatur auch aus mehreren in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten
Mahlwalzen 2 bestehen, deren Achsen im Wesentlichen auf
zwei zueinander parallelen Ebenen liegen. Dabei kann die zu mahlende
Suspension S, z.B. durch einen Stoffauflauf 17 in den zwischen
zwei Mahlwalzen 2 gebildeten Spalt zugegeben werden. Nachdem
sie die Mahlzone passiert hat, wird sie in der beschriebenen Weise
von den Mahlwalzen abgeschleudert und durch eine Weiterführungseinrichtung 16 in
die nächste
ebenfalls zwischen zwei Mahlwalzen gebildete Mahlzone geführt. Um
den Mahldruck aufzubringen, sind hier Presselemente 15 angedeutet,
die sich bezüglich
zweier zusammenwirkender Mahlwalzen gegenüberstehen. Wie 7 zeigt,
kann dieselbe Vorrichtung mit Vorteil auch senkrecht angeordnet
werden mit oben liegender Zufuhr der zu mahlenden Suspension S.
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Eine
Möglichkeit,
das Verfahren mit mehreren Mahlwalzen durchzuführen, die in Reihe angeordnet
sind und so ineinander greifen, dass die mittleren Walzen jeweils
zwei Mahlzonen bilden können, zeigt
die 8. Dabei ist es im Allgemeinen günstig, wenn
in Strömungsrichtung
gesehen spätere
Mahlwalzen 18 bzw. 19 einen größeren Durchmesser haben als
frühere
Walzen, um das sichere Abschleudern von der kleineren Walze (größere Fliehkräfte bei gleicher
Umfangsgeschwindigkeit) zur größeren Walze
zu gewährleisten.