DE102008039001A1

DE102008039001A1 - Verfahren zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern sowie Mahlgarnitur zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE102008039001A1
Application number: DE102008039001A
Authority: DE
Inventors: Markus FÜRSATTEL; Paul-Wilhelm Sepke; Herrmann Post; Michael Kramer
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Das Verfahren dient zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern und verwendet mindestens zwei Mahlgarnituren (1, 2), von denen eine auf einem Stator (8) und eine andere auf einem Rotor (9) betrieben wird und die zu mahlende Suspension (S) zwischen den beiden Mahlgarnituren (1, 2) bearbeitet wird. Dabei werden die verwendeten Mahlgarnituren (1, 2) zumindest teilweise mit Mahlleisten (3) ungleichmäßiger Messerbreite (5) und/oder Nuten (4) mit unterschiedlicher Nutbreite (6) verwendet. Dadurch kann insbesondere die spezifische Kantenbelastung optimal auf den Zustand der zu mahlenden Fasern eingestellt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 meist von Garnituren.
Refinergarnituren zur Mahlung von Zellstofffasern mit Mahlleisten und dazwischen liegende Nuten sind z. B. aus der DE 20 2005 007 551 U1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Zellstoffmahlung zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Mahlung ökonomisch und besonders gleichmäßig durchzuführen, d. h. dass die gewünschten mahltechnologischen Veränderungen bei allen Fasern möglichst gleich sind.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 2, 5 und 6 genannten Merkmale gelöst.
Die Ansprüche 14 und 15 beschreiben jeweils für das Verfahren besonders geeignete Mahlgarnituren.
Mit Hilfe dieser beschriebenen Maßnahmen ist es möglich, die Drücke und die Strömungen der Fasersuspension im Mahlbereich einer für das Verfahren eingesetzten Mahlmaschine zu steuern und günstig zu beeinflussen.
Es ist bekannt, dass die Anzahl der Messer sowie die Geschwindigkeiten, mit denen die Messer aneinander vorbei bewegt werden, einen großen Einfluss auf die Mahlwirkung haben, da diese die sekundliche Kantenlänge bestimmen, aus der sich in Abhängigkeit von der übertragenden Mahlleistung die spezifische Kantenbelastung ergibt. Die spezifische Kantenbelastung wird z. B. in Ws/km angegeben. Unter Berücksichtigung dieser Zusammenhänge ist eine größere Anzahl von verschiedenen Mahlgarnituren entwickelt worden, die sich im Wesentlichen durch Messerbreite, Messeranzahl und den Winkel der Messerkanten zum Radius unterscheiden. In vielen Fällen wird eine Mahlgarnitur für Verfahren dieser Art so konstruiert, dass sich eine möglichst große Anzahl von Messern darauf unterbringen lässt, um den Effekt der Mahlung zu optimieren. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt als eine wesentliche Verbesserung vor, dass die Messerbreite und/oder die Nutbreite so verändert werden, dass folgende zusätzliche Einflussmöglichkeiten auf den Betrieb des Refiners genutzt werden können:
1. Spezifische Kantenbelastung
Bekanntlich besteht ein Zusammenhang zwischen Mahlgrad und Belastbarkeit der Papier- oder Zellulosefaser bei der Mahlung. Durch die Erfindung kann berücksichtigt werden, dass stärker ausgemahlener Faserstoff oft empfindlicher gegen eine hohe sekundliche Kantenbelastung ist. Breitere Messer führen bei sonst gleichen geometrischen Verhältnissen zu einer geringeren Kantenzahl und damit zu einer höheren sekundlichen Kantenbelastung. Wird die Breite der Messer am inneren Rand größer, so wird sie also dem Mahlzustand des sich an dieser Stelle befindenden Faserstoffes angepasst.
2. Mahldruck
In den bekannten Mahlrefinern werden die Garnituren so gegeneinander gepresst, dass die gewünschte Leistung übertragen werden kann. Dabei treten relativ hohe Mahldrücke auf, deren Höhe von der Fläche abhängt, die die Mahlleiste an der entsprechenden Stelle der Garnitur hat. Mit Hilfe der Erfindung kann man die auftretenden Mahldrücke den Anforderungen an das Mahlverfahren anpassen, indem die Messerbreite sich über die axiale Erstreckung der Garnitur ändert. Insbesondere kann die Messerbreite an den radial weiter außen liegenden Bereichen größer sein, wodurch dort der Mahldruck geringer wird als in den weiter inneren. Es sind aber auch Fälle vorstellbar, insbesondere bei Mahlung von robusten Fasern, bei denen eine geringere Messerdicke im äußeren Bereich gewünscht wird, z. B. um dort eine stärker faserkürzende Mahlung durchzuführen. So ist es möglich, einen Langfaserstoff in einem einzigen Mahldurchgang zuerst zu kürzen und dann zu fibrillieren.
3. Rückströmungen innerhalb der Garnituren
Aus geometrischen Gründen hängt die Breite der zwischen den Messern liegenden Nuten davon ab, wie die bereits genannten Maßnahmen (ungleichmäßige Messerbreite) durchgeführt werden. Man kann auch sagen, dass die Erfindung eine Abstimmung von Messer- und Nutbreite möglich macht, bei der sowohl die speziellen Anforderungen an Kantenbelastung und Mahldruck als auch an die Strömungsführung innerhalb der Garnitur berücksichtigt werden. Die Nuten sind als Strömungskanäle für die Suspension anzusehen. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass in Folge der Rotationsbewegung des Rotors und der durch ihn mitgeschleppten Faserstoffsuspension ein starker Druckaufbau von den radial innen liegenden nach den radial außen liegenden Bereichen erfolgt. Ähnliche Vorgänge treten auch in Kreiselpumpen auf, natürlich in weit stärkerer Form. Auf Grund dieser Druckdifferenz findet in den nicht rotierenden Nuten, also zwischen den Messern des Stators, zumindest bereichsweise, eine Rückströmung der Suspension von radial außen nach radial innen statt. Diese Rückströmung kann durch die Veränderung der Nutbreite in Strömungsrichtung beeinflusst werden. Auf dem Weg, den die zurückströmende Suspension innerhalb einer Nut zurücklegt, kann ein Übergang aus der offenen Seite der Nut, also in axialer Richtung zur Gegengarnitur, erfolgen. Dieser Effekt wird durch eine in Strömungsrichtung abnehmende Nutbreite verstärkt. So wird der Austritt der Suspension aus den zwischen den Mahlleisten liegenden Nuten in die Mahlzone, also an die Messerkanten gefördert. Durch diese Wiederholung der Mahlvorgänge wird die Mahlung gleichmäßiger, was technisch und energetisch von besonderem Vorteil ist. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann dieser Übergang verstärkt werden.
In vielen Fällen ist davon auszugehen, dass es zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ausreicht, die Nuten mit dem ungleichmäßigen Strömungsquerschnitt nur bei den Mahlgarnituren zu versehen, die auf dem Stator verwendet werden. Es ist aber ebenso gut denkbar, den Strömungsquerschnitt der Nuten auch bei den Rotorgarnituren zu variieren, also auch dort in Strömungsrichtung größer werden zu lassen, um auch die rotorseitigen Strömungskanäle an die gestiegene Rezirkulationsmenge anzupassen. In welchem Maße, das hängt davon ab, ob eine große interne Zirkulation das Mahlergebnis verbessern soll.
Die Erfindung wird erläutert an Hand von schematischen Zeichnungen. Dabei zeigen:
1: die Durchführung des Verfahrens am Beispiel eines Scheibenrefiners;
1a: Abwandlung der in 1 gezeigten Statorgarnitur;
2–4: jeweils einen Teil (Sektor) einer erfindungsgemäß verwendbaren Mahlgarnitur in Draufsicht;
5: die Durchführung des Verfahrens am Beispiel eines Doppelscheibenrefiners.
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. Bei den Mahlgarnituren 1 und 2 handelt es sich um Messergarnituren, welche mit Mahlleisten 3 versehen sind, die z. B. in den 2-4 in Draufsicht zu sehen sind. Die zu mahlende Suspension S gelangt bei dem hier gezeigten Beispiel durch das Zentrum des Stators 8 in 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 7 und verlässt teilweise den Ringraum 7 über einen entsprechenden Stutzen. Ein anderer Anteil der Suspension fließt durch die zwischen den Mahlleisten 3 liegenden Nuten 4 im Stator 8 zumindest durch einen Teil ihrer Länge wieder zurück. In speziellen Fällen kann es von Vorteil sein, wenn die Nuten 4 im Stator 8 an der Innenseite geschlossen sind (s. 1a), weil auch dadurch die Rückströmungen begünstigt werden. Der Rotor 9 wird durch eine Welle 11 angetrieben. Nicht dargestellt sind die an sich bekannten Mittel, mit denen eine Kraft erzeugt wird, um die beiden Mahlgarnituren gegeneinander zu drücken.
Eine übliche Mahlgarnitur hat eine große Anzahl von Mahlleisten. Das wird durch 2 bis 4 an Hand von Sektoren dargestellt, ohne dass hier eine maßstäbliche Zeichnung vorliegt. Viele Garnituren für Scheiben- und Doppelscheibenrefiner sind so aufgebaut, dass auf einer Grundplatte 13 (ringförmig oder sektioniert) leistenförmige Erhebungen, also die Mahlleisten 3, auch „Messer” genannt, vorhanden sind. Der Querschnitt der Mahlleisten 3 ist im Allgemeinen rechteckig, wobei es auch andere Formen gibt. Die Oberseite dieser Mahlleisten 3, also die die Mahlkanten tragenden Flächen, die die Garnitur in Richtung Gegengarnitur abschließen, liegen in einer Radialebene. Zwischen den Mahlleisten 3 befinden sich die Nuten 4, die z. B. ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt haben und die als Strömungskanäle für die Suspension dienen. Ihre Nuttiefe T beträgt mit Vorteil zwischen 2 und 20 mm (s. 1). Zur besseren Klarheit sind die Mahlleisten 3 der Mahlgarnituren 1 bzw. 2 geschnitten gezeichnet, also mit einer Schraffur versehen. Man erkennt in 2 einen 90°-Sektor der Mahlgarnitur, bei dem sich die Mahlleisten 3 bezüglich ihrer Messerbreite 5 von innen nach außen in radialer Richtung gesehen vergrößern. Die gezeigte Garnitur ist so ausgestaltet, dass die zwischen den Mahlleisten 3 liegenden Nuten 4 eine konstante Nutbreite 6 haben.
Die 3 zeigt eine andere ebenfalls für das Verfahren geeignete Garnitur 1 bzw. 2, bei der die Mahlleisten 3 eine konstante Messerbreite 5 aufweisen, während die dazwischen liegenden Nuten 4 radial innen beträchtlich schmaler sind als radial außen. (Nutbreite 6 innen kleiner als außen). Die in 3 gezeigte Garnitur wird mit besonderem Vorteil als Statorgarnitur eingesetzt, z. B. im Zusammenwirken mit einer Rotorgarnitur gemäß 2 oder 4.
Eine andere Möglichkeit besteht gemäß 4 in einer Mahlgarnitur mit Mahlleisten 3, deren Messerbreite 5 konstant ist, während sich die dazwischen liegenden Nuten 4 in radialer Richtung gesehen von innen nach außen verkleinert. (Nutbreite 6 innen größer als außen). Dabei sind hier nicht alle Mahlleisten eingezeichnet. Diese Darstellung zeigt auch Maßnahmen, die erforderlich werden können, wenn ringförmige Mahlgarnituren geometrisch so konstruiert werden, dass sich möglichst viele Mahlleisten unterbringen lassen. Das ist hier durch eine Anzahl kürzerer Mahlleisten 3' im radial äußeren Bereich durchgeführt. Solche Maßnahmen sind dem Detailkonstrukteur solcher Mahlgarnituren geläufig und daher hier nur angedeutet. Garnituren vom Typ gemäß 4 eignen sich besonders gut als Rotorgarnituren.
Ein besonderer Vorteil dieser Lösungen liegt darin, dass bei zunehmendem Verschleiß der Mahlgarnituren die Strömungsquerschnitte in den einzelnen Nuten zwar kleiner werden, aber ihre Größenverhältnisse etwa gleich bleiben. Beispiel: Wenn die Strömungsquerschnittsfläche der Nut 4 im Neuzustand der Garnitur radial innen 50% der radial außen liegenden Querschnittsfläche beträgt, gilt das auch noch, wenn sich die Nuttiefe T durch Abtrag der Mahlleisten 3 halbiert hat.
Das Verfahren kann auch so ausgestaltet werden, dass zusätzlich zu den, insbesondere in Kombination mit den in den Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen der Strömungsquerschnitt in den Nuten 4 durch unterschiedliche Nuttiefe T verändert wird. Dann nimmt also die Nuttiefe von innen nach außen zu oder ab, wobei die Zunahme der Nuttiefe T beim Stator und die Abnahme beim Rotor besonders vorteilhaft ist. Auch dadurch lässt sich die Rückströmung in den Nuten beeinflussen, insbesondere der Übertritt der in den Nuten zurückströmenden Suspension in die Mahlzone fördern.
Soll das Verfahren mit einem Doppelscheibenrefiner durchgeführt werden; dann kann gemäß 5 vorgegangen werden. Man erkennt dort einen zwischen zwei die Garnituren 1 bzw. 1' tragenden Statoren 8 bzw. 8' liegenden Rotor 9, der auf beiden Seiten jeweils Mahlgarnituren 2 bzw. 2' aufweist. Die Stellung von Rotor und Stator ist hier im Betriebszustand dargestellt, d. h. die Mahlleisten werden gegeneinander gedrückt. Doppelscheibenrefiner sind besonders kompakt und leistungsfähig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005007551 U1 [0003]

Claims

Verfahren zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern, bei dem diese Fasern in einer wässrigen Suspension (S) zwischen mit Mahlleisten (3, 3') versehenen Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') geführt werden, die sich entweder auf einem Rotor oder einem Stator befinden und relativ zueinander rotierend bewegt und gegeneinander gedrückt werden, wodurch mechanische Mahlarbeit auf die Zellstofffasern übertragen wird und wobei die Suspension (S) zwischen die Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') zugeführt und von diesen wieder abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') verwendet werden, bei denen zumindest ein Teil der Mahlleisten (3) eine Messerbreite (5) haben, die sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen vergrößert.
Verfahren zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern, bei dem diese Fasern in einer wässrigen Suspension (S) zwischen mit Mahlleisten (3, 3') versehenen Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') geführt werden, die sich entweder auf einem Rotor oder einem Stator befinden und relativ zueinander rotierend bewegt und gegeneinander gedrückt werden, wodurch mechanische Mahlarbeit auf die Zellstofffasern übertragen wird und wobei die Suspension (S) zwischen die Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') zugeführt und von diesen wieder abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') verwendet werden, bei denen zumindest ein Teil der Mahlleisten (3) eine Messerbreite (5) haben, die sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Messerbreite (5) über mindestens 80% ihrer Länge von innen nach außen um mindestens 20% verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Mahlleisten (3, 3') liegenden Nuten mit einer Toleranz von –10% bis +10% eine konstante Nutbreite haben.
Verfahren zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern, bei dem diese Fasern in einer wässrigen Suspension (S) zwischen mit Mahlleisten (3, 3') versehenen Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') geführt werden, die sich entweder auf einem Rotor oder einem Stator befinden und relativ zueinander rotierend bewegt und gegeneinander gedrückt werden, wodurch mechanische Mahlarbeit auf die Zellstofffasern übertragen wird und wobei die Suspension (S) zwischen die Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') zugeführt und von diesen wieder abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') verwendet werden, bei denen zumindest ein Teil der zwischen den Mahlleisten (3, 3') liegenden Nuten (4) eine Nutbreite (6) haben, die sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen vergrößert.
Verfahren zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern, bei dem diese Fasern in einer wässrigen Suspension (S) zwischen mit Mahlleisten (3, 3') versehenen Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') geführt werden, die sich entweder auf einem Rotor oder einem Stator befinden und relativ zueinander rotierend bewegt und gegeneinander gedrückt werden, wodurch mechanische Mahlarbeit auf die Zellstofffasern übertragen wird und wobei die Suspension (S) zwischen die Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') zugeführt und von diesen wieder abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise Mahlgarnituren (1, 1', 2, 2') verwendet werden, bei denen zumindest ein Teil der zwischen den Mahlleisten (3, 3') liegenden Nuten (4) eine Nutbreite (6) haben, die sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nutbreite (6) über mindestens 80% ihrer Länge von innen nach außen um mindestens 20% verändert.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlleisten (3, 3') mit einer Toleranz von –10% bis +10% eine konstante Messerbreite (5) haben.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe (T) der zwischen den Mahlleisten (3, 3') liegenden Nuten (4) zwischen 3 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 10 mm, beträgt.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlleisten (3, 3') eine Messerbreite (5) von mindestens 1 mm und höchstens 30 mm haben.
Verfahren nach einem der voran stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Stator (8, 8') verwendete Mahlgarnitur (1, 1') Nuten (4) aufweist, deren Nutbreite (6) sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen vergrößert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nur die auf dem Stator verwendete Mahlgarnitur (1, 1') Nuten (4) aufweist, deren Nutbreite (6) sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen vergrößert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Rotor (9) verwendete Mahlgarnitur (2, 2') Nuten (4) aufweist, deren Nutbreite (6) sich von innen nach außen in radialer Richtung gesehen vergrößert.
Mahlgarnitur (1, 1', 2, 2') zur Anwendung des Verfahrens nach einem der voran stehenden Ansprüche, welche mit Mahlleisten (3, 3') versehen ist, zwischen denen sich Nuten (4) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mahlgarnitur (1, 1', 2, 2') zumindest ein Teil der Mahlleisten (3, 3') liegenden Nuten (4) eine Messerbreite (5) aufweist, die sich in radialer Richtung von innen nach außen hin verändert.
Mahlgarnitur (1, 1', 2, 2') zur Anwendung des Verfahrens nach einem der voran stehenden Verfahrensansprüche, welche mit Mahlleisten (3, 3') versehen ist, zwischen denen sich Nuten (4) befinden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Mahlgarnitur (1, 1', 2, 2') zumindest ein Teil der zwischen den Mahlleisten (3) liegenden Nuten (4) eine Nutbreite (6) aufweist, die sich in radialer Richtung von innen nach außen hin verändert.