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Dokumentenidentifikation DE102004039986A1 20.12.2007
Titel Verfahren zur Mahlung von Fasern, insbesondere Papierfasern
Anmelder Voith Patent GmbH, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Kramer, Michael, 88250 Weingarten, DE
DE-Anmeldedatum 18.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004039986
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse D21D 1/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse D21D 1/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   D21D 1/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Das Verfahren dient der Mahlung von Fasern, insbesondere von wässrig suspendierten Papierfasern (F) für die Papiererzeugung, bei dem die Fasern in einer Mahlzone zwischen unter Aufbringung von Mahlkräften gegeneinander gedrückten Mahlwerkzeugen bearbeitet werden. Bei diesem Verfahren wird die zu mahlende Suspension durch die Mahlwerkzeuge hindurch in die Mahlzone geführt, wozu Leitungen (6) in der Rotorgarnitur (2) und/oder Leitungen (7) in der Statorgarnitur (3) vorgesehen sind. Das Mahlergebnis wird homogen und die Energiewirtschaftlichkeit erhöht. Das Verfahren kann an Scheiben-, Kegel- und Trommelrefinern durchgeführt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mahlung von Fasern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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.

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 sich die Mahlwerkzeuge (in der Regel lösbar befestigte Garnituren) befinden. Zwischen diesen Mahlwerkzeugen 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 auch Mahlwerkzeuge, bei denen die dem Stoffstrom zugewandten Mahlflächen eine harte porige Struktur mit einer Rautiefe von einem Zehntel bis etwa drei Millimetern haben.

Bei Mahlverfahren dieser Art wird die gewünschte Mahlwirkung dadurch erzielt, dass die Mahlwerkzeuge mit einer relativ hohen Mahlkraft gegeneinander gedrückt werden, wobei in der Mahlzone eine Relativbewegung zwischen den zusammenwirkenden Mahlwerkzeugen stattfindet. 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 pumpfähige Suspension handelt (Konsistenz meist 3–6 %, maximal 10 %), kann dieser Transport mit hydraulischen Mitteln vollzogen werden, eventuell unterstützt durch die anliegenden Fliehkräfte. Die Transportwege liegen dabei überwiegend in den Nuten zwischen den Stegen, die also als Strömungskanäle dienen. Die Möglichkeiten, den internen Transport zwischen den Mahlwerkzeugen zu beeinflussen, sind im Allgemeinen gering. Auf Grund der Druckverhältnisse ist damit zu rechnen, dass eine schwer kontrollierbare Rückströmung von Fasersuspension, insbesondere durch die stillstehenden Nuten der Statorgarnituren auftritt. Es lässt sich daher in der Regel nicht verhindern, dass verschiedene Fasern unterschiedlich oft eine Mahlzone passieren, die an zwei sich begegnenden Messerkanten gebildet wird. Dadurch kann das Mahlergebnis uneinheitlich werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Mahlverfahren für Papierfasern zu schaffen, mit dem es möglich ist, alle Papierfasern sicherer auf bestimmte gewünschte Eigenschaften hin zu mahlen, also eine gleichmäßigere Mahlwirkung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird bei Verfahren dieser Art durch die im Anspruch 1 sowie im Anspruch 2 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Strömungsführung führt dazu, dass die zu mahlende Fasersuspension optimal in die Mahlzonen gelangen kann. Dabei können die Leitungen Öffnungen sein, die die Rückseite des Mahlwerkzeuges mit der Mahlseite verbinden und die vorzugsweise in eine Nut münden, die sich auf der Mahlseite zwischen Mahlleisten befindet. In einer solchen Anwendung muss die Rückseite des Mahlwerkzeuges von der Fasersuspension angeströmt werden, also entweder mit dem Zulauf oder dem Ablauf für die Fasersuspension in hydraulischer Verbindung stehen. Eine besonders gut definierte Strömung ergibt sich dann, wenn, sowohl für die Zuführung der Fasersuspension in die Mahlzone, als auch für die Abführung der Fasersuspension aus der Mahlzone heraus, Mahlwerkzeuge verwendet werden, die mit den genannten Leitungen ausgestattet sind.

Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung an Refinern durchführen, die z.B. der Mahlung von Papierfasern dienen und deren Mahlwerkzeuge eine konische Form aufweisen. Solche sogenannten Kegelrefiner sind an sich bekannt, sie haben oft einen Kegelwinkel von ca. 15° bis 45°. Wird nun die Versorgung der Mahlzonen mit Fasersuspension in der erfinderischen Weise durchgeführt, unterstützen Zentrifugalkräfte den Durchlauf zur Mahlzone hin und von dieser wieder weg. Die im Stand der Technik übliche axiale Strömungsführung der Fasersuspension durch die sich zwischen den Mahlleisten befindenden Nuten ist hier nicht erforderlich. Günstig am Kegelrefiner ist, dass sich die Mahlspaltverstellung, also die Bewegung der zusammen wirkenden Mahlwerkzeuge zueinander bzw. voneinander weg einfach durch Axialverschiebung erzielen lässt. Bei einem zylindrischen Refiner hingegen sind hierzu andere Mittel notwendig. Z.B. sind im Stand der Technik radial verschiebbare am Umfang des Zylinders verteilte Schalen bekannt, um nur dieses Beispiel zu nennen. Auch wenn das einen vermehrten Aufwand bedeutet, haben zylindrische Refiner unter Umständen größere Vorteile, da die Verteilung der Fasersuspension mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens noch gleichmäßiger erfolgt. Das ist darauf zurück zu führen, dass die Zentrifugalkräfte keine Komponenten längs der Leitungen bzw. Mahlleisten haben. Der Transport der Fasersuspension erfolgt also gleichmäßig über die ganze Mahlfläche verteilt und wird dabei durch Zentrifugalkräfte optimal unterstützt.

Die Erfindung wird erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 Anwendung des Verfahrens bei einem zylindrischen Refiner;

2 Anwendung des Verfahrens bei einem konischen Refiner;

3 perspektivische Teilansicht einer für das Verfahren geeigneten Messergarnitur für einen zylindrischen Refiner;

4+5 weitere Details von zylindrischen Messergarnituren mit Blick in Umfangsrichtung;

6 eine für das Verfahren geeignete Scheibenrefinergarnitur;

7 eine spezielle Strömungsführung am Beispiel eines Doppelscheibenrefiners.

1 zeigt am Beispiel eines zylindrischen Refiners, in welcher Weise das erfinderische Verfahren durchgeführt werden kann. Üblicherweise ist ein solcher Refiner mit einem im Wesentlichen zylindrischen Rotor 1 versehen, auf dem sich die Rotorgarnitur 2 in Form eines Zylinders befindet, die die Funktion des einen Mahlwerkzeuges übernimmt. Es ist auch möglich, die Rotorgarnitur 2 aus mehreren Schalen zusammen zu setzen. Dabei liegen die Trennflächen solcher Schalen vorzugsweise in axialer Richtung. Die Rotorgarnitur 2 wirkt mit einer oder mehreren an seinem Umfang radial dagegen gedrückten Statorgarnituren 3 zusammen. Rotorgarnitur 2 und Statorgarnitur 3 haben jeweils eine Mahlseite, auf der sich hier Mahlleisten 11 bzw. 12 befinden. Der Rotor 1 wird von einer Welle 22 angetrieben.

Das Besondere an der Erfindung liegt darin, dass die durch einen Zulauf 10 eingetretene Suspension mit den zu mahlenden Fasern F in den Innenraum 5 des Rotors eingeleitet wird und von dort durch Leitungen 6 zur zwischen Rotorgarnitur 2 und Statorgarnitur 3 gebildeten Mahlfläche gelangen kann. Nach der Mahlung fließt sie durch weitere in der Statorgarnitur 3 vorhandene Leitungen 7 in den äußeren Ringraum 8 ab und wird dann über den Ablauf 9 weitergeführt. Rotor 1 und Stator 4 weisen ebenfalls Mittel zur Führung der Fasersuspension auf. Die Form der Leitungen 6 bzw. 7 ist so gewählt, dass sie den strömungstechnischen Erfordernissen genügt. Sie können z.B. rund oder oval sein. Es ist auch möglich, die Rückseite der Garnituren mit offenen Aussparungen zu versehen, die ihrerseits durch die Leitungen mit der Mahlfläche der entsprechenden Garnitur verbunden sind. Entscheidend ist, dass durch diese Art der Strömungsführung eine kontrollierte Durchleitung der zu mahlenden Fasersuspension durch die Mahlflächen möglich ist, und zwar mit einer Strömungsrichtung, die vorzugsweise senkrecht zur Mahlfläche liegt. Dabei ist bei einem solchen zylindrischen Refiner der radiale Weg von innen nach außen besonders begünstigt, da er durch Fliehkräfte unterstützt wird. Bei einem zylindrischen Refiner herrschen auf der ganzen Mahlfläche gleiche Zentrifugalkräfte, was wiederum der Gleichmäßigkeit der Strömung und damit der Gleichmäßigkeit der Ausmahlung besonders förderlich ist. Bei dieser rein schematischen Darstellung sind die Mittel 18 zum Halten und Anpressen der Statorgarnitur 3 gegen die Rotorgarnitur 2 nur angedeutet. Die konstruktive Ausführung solcher Mittel 18 ist dem Fachmann geläufig.

Prinzipiell wird das Verfahren an einem konischen Refiner (s. 2) ähnlich durchgeführt wie bei einem zylindrischen. Die 2 zeigt nur einen kleinen Teil eines konischen Refiners und den auch nur sehr schematisch. Der Hauptunterschied liegt darin, dass in Folge der konischen Form der Rotorgarnitur 2' und der Statorgarnitur 3' die Mahlfläche, die sich zwischen diesen beiden Garnituren bildet, in axialer Richtung betrachtet, nicht überall den gleichen Abstand von der Drehachse des Rotors 1' hat. Das führt dazu, dass die Zentrifugalkräfte unterschiedlich sind, die auf die Fasersuspension in der Mahlzone wirken, was aber z.B. durch die Anzahl, Form oder Größe der Leitungen wieder ausgeglichen werden kann, wenn es sich als störend erweisen sollte. So ist es nämlich leicht möglich, die Drosselwirkung dieser Leitungen zu beeinflussen.

Bekanntlich werden als Mahlgarnituren oft solche Mahlwerkzeuge verwendet, die mit einer Vielzahl von Mahlleisten 11 und dazwischen liegenden Nuten 14 versehen sind (siehe 3, die als Beispiel eine Rotorgarnitur für einen zylindrischen Refiner zeigt). Im Zusammenwirken mit einer Statorgarnitur ergibt sich durch die Relativbewegung beider Garnituren zueinander eine Schnitt- und Quetschwirkung, die zur Behandlung der Fasern benötigt wird. Eine besonders gute Verteilung der Fasersuspension auf die Mahlzone lässt sich dadurch erreichen, dass die Leitungen als Durchbrüche 17 (siehe 4 und 5) in den Nuten 14 oder zumindest in einem Teil der Nuten 14 gebildet werden. Um den Zusammenhalt der Mahlleisten 11 und die Festigkeit der Garnitur zu gewährleisten, sind Stützringe 15 vorgesehen, die auch der Befestigung auf dem Garniturträger, also Rotor 1 oder Stator 4, dienen. Sie können in die Mahlleisten 11 eingelassen sein, so dass die Garnitur eine gute Auflagefläche auf den Garniturträger erhält. Eine solche Lösung zeigt die 4, während gemäß 5 die Mahlleisten 13 in bestimmten Abständen auf den Stützringen 15 direkt befestigt sind. Solche Garnituren können in einem Stück hergestellt (z.B. gegossen) oder aus mehreren Einzelteilen zusammengebaut sein. Die Verbindung zwischen Mahlleisten 11 und Stützringen 15 kann dann z.B. durch Hochtemperaturlöten oder Schweißen erfolgt sein.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Scheibenrefiner durchgeführt, kann eine Garnitur verwendet werden, wie sie exemplarisch in 6 gezeigt ist. Dabei handelt es sich um ein 90°-Ringsegment, von dem also vier zu einer geschlossenen Garnitur zusammengesetzt werden können, sei es nun als Rotor- oder als Statorgarnitur. Doppelscheibenrefiner sind in der Technik bekannt und werden hier nicht im Einzelnen dargestellt. Die in 6 gezeigte Garnitur ist, ähnlich wie die in 3, so aufgebaut, dass die Nuten 14 zwischen den Mahlleisten 13 Durchbrüche 17 aufweisen, so dass sich hier die erwähnten Leitungen bilden können. Dadurch kann die Fasersuspension von der Rückseite der Garnitur zur Mahlseite oder von der Mahlseite zur Rückseite gefördert werden, je nach dem, an welcher Stelle im Scheibenrefiner die Garnitur eingesetzt wird. Auch hier sind die Mahlleisten 13 auf Stützringen 15' befestigt. Man erkennt auch die Schraublöcher 16, durch die hindurch ein Stützring 15' mit dem Garniturträger, also Rotor oder Stator, verschraubt werden kann.

Bei einem Doppelscheibenrefiner können die Statorgarnituren so eingesetzt sein, dass sie die Fasersuspension axial in Richtung zum Rotor führen, der zwischen ihnen angeordnet ist und der auf beiden Seiten mit Rotorgarnituren versehen ist. Nachdem die Suspension die zwischen Rotor- und Statorgarnitur liegende Mahlzone passiert hat, wird sie durch die Leitungen der Rotorgarnitur hindurch und radial nach außen abgeführt. In bestimmten Fällen kann es auch genügen, die Rotorgarnituren konventionell, also ohne durchgehende Leitungen zu bauen. Dann würde die Suspension durch die Nuten im Stator axial zugeführt und nach der Mahlung durch den Rotor radial wieder abgeführt. Auch beim Scheibenrefiner ist es aber denkbar, die Fasersuspension im Rotor zu- und im Stator wieder abzuführen.

Eine weitere Möglichkeit zeigt die 7. Der Doppelscheibenrefiner weist hier einen ersten Stator 19 auf mit einer seitlichen Versorgungskammer 18 sowie einen zweiten Stator 20 mit einer ebenfalls seitlichen Sammelkammer 21. Der Rotor 1'' und die auf ihm angebrachten Rotorgarnituren 2'' können von der suspendierten Faser F durch entsprechende Leitungen 6'' axial durchströmt werden. Ähnliches gilt für die Leitungen 7'' in den Statorgarnituren 3''. Die hydraulischen Impulse, die vom Rotor 1'' ausgehen, können helfen, ein Verstopfen der Leitungen 7'' zu verhindern. Insgesamt entsteht so eine definierte axiale Stoffströmung durch zwei Mahlzonen nacheinander. Ein solcher für das Verfahren benutzbarer Doppelscheibenrefiner ist relativ einfach im Aufbau. Er kann insbesondere auch durch Abänderung von bekannten Doppelscheibenrefinern für das erfindungsgemäße Verfahren umgerüstet werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Mahlung von flüssig suspendierten Fasern (F), insbesondere von wässrig suspendierten Papierfasern, bei dem die Fasern in einer Mahlzone zwischen gegeneinander gedrückten Mahlwerkzeugen mechanisch so bearbeitet werden, dass dadurch die Eigenschaften der Fasern verändert werden,

wobei jedes Mahlwerkzeug mindestens eine Mahlseite aufweist mit einer zur Mahlung geeigneten Ausgestaltung,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Flüssigkeitsstrom der suspendierten Fasern (F) mittels mehrerer durch mindestens ein Mahlwerkzeug hindurch führende Leitungen (6, 6', 6'') zur Mahlseite geführt wird.
Verfahren zur Mahlung von flüssig suspendierten Fasern (F), insbesondere von wässrig suspendierten Papierfasern, bei dem die Fasern in einer Mahlzone zwischen gegeneinander gedrückten Mahlwerkzeugen mechanisch so bearbeitet werden, dass dadurch die Eigenschaften der Fasern verändert werden,

wobei jedes Mahlwerkzeug mindestens eine Mahlseite aufweist mit einer zur Mahlung geeigneten Ausgestaltung,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Flüssigkeitsstrom der suspendierten Fasern (F) mittels mehrerer durch mindestens ein Mahlwerkzeug hindurch führende Leitungen (7, 7', 7'') von der Mahlseite abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrom der suspendierten Fasern (F) mittels mehrerer durch mindestens ein Mahlwerkzeug hindurch führende Leitungen zur Mahlseite zugeführt und mittels mehrerer durch ein anderes Mahlwerkzeug hindurch führende Leitungen (6, 6', 6'', 7, 7', 7'') wieder abgeführt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer pumpfähigen wässrigen Papierfasersuspension durchgeführt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer wässrigen Papierfaser durchgeführt wird, deren Konsistenz zwischen 1 % und 12 %, vorzugsweise 3 bis 6 %, liegt. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (6, 6', 6'', 7, 7', 7'') in gleichmäßig über die jeweilige Mahlseite verteilte Öffnungen münden. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leitungen (6, 6', 6'', 7, 7', 7'') Durchbrüche (17) dienen, die die Mahlseite des Mahlwerkzeuges mit seiner Rückseite hydraulisch verbinden und dass die Rückseite entweder mit dem Zulauf (10) der Fasersuspension oder mit deren Ablauf (9) in Verbindung steht. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlwerkzeuge mit Mahlleisten (11, 12, 13) und dazwischen liegenden Nuten (14) verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (17) in den Nuten (14) münden. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (17) zumindest teilweise den Nutgrund der Nuten (14) ersetzen. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle verwendeten Mahlwerkzeuge auf der Mahlseite mit Mahlleisten (11, 12, 13) versehen sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der zusammenwirkenden Mahlwerkzeuge ohne Leisten ist. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffberührte Oberfläche des Mahlwerkzeuges glatt ist. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffberührte Oberfläche des Mahlwerkzeuges porös ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlwerkzeuge relativ zueinander bewegt werden. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rotorgarnitur (2, 2', 2'') mit einer Statorgarnitur (3, 3', 3'') zusammen wirkt. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlung in einem Scheibenrefiner durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlung in einem konischen Refiner durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlung in einem zylindrischen Refiner durchgeführt wird.






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