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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 oft mit als Messer bezeichneten Leisten versehen sind und sich in der Regel mit dem Rotor oder Stator der Mahlvorrichtung verschrauben lassen. Bei den Mahlwerkzeugen spricht man meist von Garnituren. Die entsprechenden Maschinen werden Mahlrefiner genannt. Das Verfahren kann typischerweise in Scheibenrefinern und Kegelrefinern durchgeführt werden.
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Refinergarnituren zur Mahlung von Zellstofffasern mit Mahlleisten und dazwischen liegende Nuten sind z. B. aus der
DE 20 2005 007 551 U1 bekannt.
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In der
DE 37 00 613 A1 werden Scheibenrefiner zum Behandeln einer Faserstoffsuspension zur Papierherstellung beschrieben, bei denen Rotor- und Statorgarnitur mit axial ausgerichteten Öffnungen versehen sind. Dadurch wird die zu mahlende Suspension in viele axiale Teilströme aufgeteilt, gemahlen und aus dem Refiner abgeführt. Ein ähnliches Prinzip wird auch beim Verfahren der
DE 10 2004 039 986 A1 angewendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Zellstoffmahlung zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Mahlung effektiv und gleichzeitig besonders ökonomisch durchzuführen, insbesondere was Energieverbrauch und Garniturverschleiß betrifft.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Anspruch 10 und nachfolgende Unteransprüche beschreiben für das Verfahren besonders geeignete Mahlgarnituren.
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Es ist bereits eine größere Anzahl von verschiedenen Mahlgarnituren entwickelt worden, bei denen das sogenannte Garniturdesign, also insbesondere Messerbreite, Messeranzahl und Schnittwinkel auf die Erfordernisse der angestrebten Mahltechnologie angepasst wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt nun zu einer wesentlichen Verbesserung bei, da die hydraulischen Verluste der Suspensionsströmung während des Mahlprozesses reduziert werden. Dabei werden Möglichkeiten vorgeschlagen, um die Fasersuspension gezielt und direkt an ausgewählte Stellen der Mahlzone zu führen.
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Bei einer üblichen Messergarnitur sind die Nuten 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. Der so erzeugte Überdruck kann zu Wirbeln und Strömungen führen, die zwar Energie verbrauchen, aber nicht der Mahlung dienen. Auch können auf Grund dieser Druckdifferenz in den Nuten, also zwischen den Mahlleisten des Stators Rückströmungen der Suspension von radial außen nach radial innen erzeugt werden mit Energieverlusten auf Grund hydraulischer Wirbel. Mit der Erfindung ist es möglich, energieverzehrende Strömungen, die keinen effektiven Beitrag zur Mahlung leisten, zu reduzieren oder auszuschließen.
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Die Erfindung wird erläutert an Hand von schematischen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1–3: das Prinzip der erfindungsgemäßen Strömungsführung an Hand von drei Beispielen;
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4: die Durchführung des Verfahrens am Beispiel eines Scheibenrefiners;
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5: ein Beispiel einer für das Verfahren verwendbaren Mahlgarnitur (Sektor) in Blickrichtung auf die Rückseite;
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6: einen seitlichen Schnitt durch die Mahlgarnitur der 5:
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7–10: Details zu weiteren Ausgestaltungen von Mahlgarnituren;
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11 + 12: weitere Formen für die Öffnungen in der Mahlgarnitur;
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13: einen Sektor einer vorzugsweise rotorseitig verwendbaren Mahlgarnitur in Draufsicht;
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14: eine spezielle Ausgestaltung der zwischen den Mahlleisten liegenden Nuten an der Ablaufseite.
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Bei allen Figuren sind die Pfeile für die Suspensionsströme mit Hohlspitzen gezeichnet.
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1 zeigt an Hand einer schematischen Skizze die Suspensionsströmungen, die sich bei einer vorteilhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Doppelscheibenrefiner mit einem im Wesentlichen scheibenförmigen Rotor 9 und zwei Statoren 8 und 8' einstellen. Die zu mahlende Suspension S wird von der Seite in den zentralen Bereich des Doppelscheibenrefiners eingepumpt und an der Zulaufseite 5 aufgeteilt. Dabei werden Teilströme S' gebildet, die jeweils an einer Rückseite des Stators 8 bzw. 8' nach radial außen strömen und durch Öffnungen 15 in den Mahlbereich der Mahlgarnituren gelangen, wo sich die Mahlkanten 3 bzw. 3' befinden. Weitere Teilströme S'' werden zwischen die Mahlgarnituren, also direkt in die Mahlbereiche geführt. An der radial außen liegenden Ablaufseite 6 sind alle Teilströme wieder zusammen und fließen als gemahlene Suspension S'''' aus dem Ringraum 17 durch einen Stutzen ab. Optional kann ein Teil der gemahlenen Suspension S'''' vor die Pumpe zurückgeleitet (gestrichelte Linie) und erneut gemahlen werden, um das mahltechnologische Ergebnis zu verbessern. Der Abstand, den die Mahlkanten 3 und 3' voneinander haben, ist übertrieben dargestellt. Die Variante gemäß 2 verwendet einen Rotor 9', der in seinem Inneren einen Teilstrom S''' zu den Mahlkanten 3' der rotorseitigen Mahlgarnituren führt. Dazu sind im Rotor 9' ähnlich wie beim Stator 8 gemäß 1 Kanäle und Öffnungen 15 vorgesehen, die eine hydraulische Verbindung zwischen der Zulaufseite 5 und den Mahlbereichen des Rotors 9' herstellen. Infolge der Rotation ist die Förderwirkung stärker als im Stator.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform kombiniert die Zuführung der Suspension durch die Statoren (s. 1) und durch den Rotor (s. 2) miteinander. Hinzu kommen die zwischen die Mahlgarnituren, also direkt in die Mahlbereiche eingegebenen Teilströme S''. Das Ganze ermöglicht eine sehr gleichmäßige Verteilung der zu mahlenden Suspension S auf die Mahlkanten 3 und 3'.
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Es ist von Vorteil, wenn alle durch die Öffnungen 15 geführten Teilströme mindestens 40%, vorzugsweise mehr als 70% der in die Mahlvorrichtung eingeführten Fasersuspension S bilden, da auch hierdurch eine besonders günstige Verteilung der zu mahlenden Suspension S auf die Mahlkanten 3 und 3' erfolgen kann.
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In 4 ist ein für das Verfahren geeigneter Scheibenrefiner 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 hier nicht dargestellten Schrauben befestigt. Bei den Mahlgarnituren 1 handelt es sich hier um Messergarnituren, welche mit Mahlleisten 7 versehen sind. Die zu mahlende Suspension S gelangt bei dem hier gezeigten Beispiel durch das Zentrum des Stators 8 an die Zulaufseite 5 der Mahlgarnituren 1 und 2. Auch bei dieser Darstellung ist der Abstand, den die Mahlgarnituren 1 und 2 voneinander haben, übertrieben dargestellt. Im Betrieb beträgt er nur Bruchteile von Millimetern. Die Suspension S wird wie schon im Zusammenhang mit der 1 beschrieben, in die Teilströme S' und S'' aufgeteilt und durch die Mahlvorrichtung geführt. Der Teilstrom S' fließt von der Zulaufseite 5 durch einen an der Rückseite 11 der statorseitigen Mahlgarnitur 1 gelegenen Hohlraum 14 und dann durch Öffnungen 15, die sich zwischen dem Hohlraum 14 und den Mahlkanten 3 der statorseitigen Mahlgarnituren 1 befinden, an die Mahlkanten 3 dieser Mahlgarnitur 1. Als Mahlkanten sind solche Flächen anzusehen, die im Zusammenwirken mit Mahlkanten einer Gegengarnitur (in der Regel Rotor- mit Statorgarnitur) die Mahlarbeit auf die Fasern übertragen. Die rotorseitigen Mahlgarnituren 2 sind mit Mahlleisten 7 versehen, die deren Mahlkanten 3' bilden. Der Rotor 9 wird durch eine Welle 13 angetrieben. Nicht dargestellt sind die an sich bekannten Mittel, mit denen eine Kraft erzeugt wird, um die beiden Mahlgarnituren gegeneinander zu drücken. An der Rückseite der Rotorgarnituren 2 findet hier keine Suspensionsströmung statt. Diese Figur stellt also eine Ausführungsform dar, die dem Prinzip der 1 entspricht.
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5 zeigt eine für das Verfahren geeignete statorseitige Mahlgarnitur 1 in Blickrichtung auf die Rückseite 11 und 6 in einem seitlichen Schnitt. Die Öffnungen 15 enthalten auch die Mahlkanten 3 und sind z. B. als schräge Schlitze ausgebildet. Dabei können sie gerade (mittig und rechts gezeichnet) oder geschwungen (links gezeichnet) sein. Zur Stützung der die Öffnungen 15 aufweisenden Mahlplatte 12 dient der Träger 10, der mit der Mahlplatte 12 z. B. verschweißt, verlötet oder lösbar verbunden sein kann. Das wird durch die geschnittene Seitenansicht in 6 verdeutlicht, wobei dort Mahlplatte 12 und Träger 10 aus verschiedenen Bauteilen bestehen. Der Träger kann auch als Teil Mahlplatte 12' ausgebildet sein, wie es z. B. die 7 zeigt. Der Träger 10 ist an seiner radial innen liegenden Seite geöffnet, wobei hier die Stützelemente speichenartig geformt sind und radial außen einen geschlossenen Ring aufweisen. Dazwischen liegen die Hohlräume 14. Die Träger erfüllen nicht nur die erforderliche Stützaufgabe sondern verhindern durch ihre speichenförmige Anordnung energieverzehrende Rotationsströmungen. Sie können zu diesem Zweck auch zahlreicher sein als es zur Stützung der Mahlplatte 12 erforderlich ist. Die Mahlkanten 3 werden in den 5, 6 und 7 durch die Ränder der Öffnungen 15 gebildet.
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8 zeigt ein Beispiel, bei dem die Mahlkanten 3 durch von einer mit Öffnungen 15 versehenen Mahlplatte 12'' hervorstehende Mahlleisten (7) gebildet werden. Das kann Vorteile bieten, da dann ihre Form und Anzahl unter mahltechnologischen Aspekten freier wählbar ist, und z. B. sehr viele Mahlkanten 3 möglich werden. Außerdem lassen sich hervorstehende Mahlleisten (7) eventuell besser gegen Verschleiß schützen.
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Die Mahlplatte 12''' der 9 enthält nicht die zur Zulaufseite 5 hin offenen Hohlräume 14. Stattdessen sind diese Hohlräume 14 in den Stator 8 eingearbeitet. Die Mahlplatte 12''' stellt somit die Mahlgarnitur 1 dar, die mit dem Stator 8 verschraubt werden kann. Wenn durch den Rotor Teilströme S''' fließen sollen, kann ähnlich vorgegangen werden, indem der Rotor mit Hohlräumen versehen wird.
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Mit Vorteil können Maßnahmen getroffen werden, um die Strömung des Teilstromes S' oder S''' zu pflegen, insbesondere um störende Wirbel und Staupunkte zu vermeiden. Dazu sind insbesondere zusätzliche hydraulische Leitelemente und Leitflächen vorzusehen, die auf Grund ihrer Form eine möglichst stetige und verlustfreie Hinführung der Suspension von der Zulaufseite 5 an die Mahlkanten 3 oder 3' ermöglichen. Hierzu sind in 10 mehrere Möglichkeiten gezeigt, die einzeln oder in Kombination miteinander angewendet werden können. So ist hier die radiale Innenseite der Mahlplatte 12'''' mit einem abgerundeten vorstehenden Umlenkelement 18 versehen, das anders als hier gezeigt auch eine unsymmetrische Form haben kann. Weiterhin können die Hohlräume 14 mit Leitelementen 19, 20 und 21 versehen sein, die so gerichtet sind, dass die in den Hohlräumen 14 strömende Flüssigkeit zu den Öffnungen 15 umgelenkt wird. Die Übergänge der Hohlräumen 14 zu den Öffnungen 15 können mit Hilfe von Leitflächen 22, 23 und 24 so abgerundet sein, dass die Strömung abrissfrei umgelenkt wird. Die Darstellung in der 10 zeigt einige Beispiele, wobei nicht die gegebenenfalls vorteilhafte Schrägstellung (Abweichung gegenüber dem Radius) der Öffnungen 15 und ihrer Ränder erkennbar ist. Zu berücksichtigen ist auch dass eine Verschleißzone 25 an den oberen Bereichen der Mahlkanten 3 vorhanden ist, die im Laufe des Betriebes abgetragen wird.
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Das Beispiel in 10 zeigt eine statorseitige Mahlgarnitur 1, die mit Hohlräumen 14 und Öffnungen 15 versehen ist und mit einer hohlraumfreien rotorseitigen Mahlgarnitur 2 zusammenwirkt. Wie an Hand der 2 und 3 bereits erwähnt wurde, gibt es im Rahmen der Erfindung auch andere Möglichkeiten.
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Die Form der zwischen den Mahlkanten liegenden Öffnungen 15 kann wie in 5 schlitzförmig sein, schräg zum Radius oder genau in radialer Richtung. Die 11 und 12 zeigen Beispiele für weitere Formen wie Rundlöcher oder Polygone/Vierecke. Durch weitere Variationen wie Anordnung und Größe der Öffnungen 15 ergeben sich Möglichkeiten, auf die Aufteilung der zuströmenden Suspension S in die Teilströme S' und/oder S'' und/oder S''' Einfluss zu nehmen. Auch die Verteilung auf die verschiedenen Öffnungen 15 innerhalb der Mahlgarnitur lässt sich dadurch einstellen. So können z. B. radial weiter außen liegende Öffnungen größer sein, um den dort geringeren Druck der Strömung auszugleichen.
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13 zeigt den Sektor einer Mahlgarnitur 1 oder 2, die bei der Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden kann in einer Ansicht auf die Vorderseite, wo sich Mahlfläche befindet. Sie enthält eine Vielzahl von Mahlleisten 7, von denen hier nur ein Teil gezeichnet ist. Dazwischen befinden sich Nuten 26 für den Transport der Suspension S von der Zulaufseite 5 zur Ablaufseite 6. Dabei sind hier die Mahlleisten 7 geschwungen und mit relativ großem Schrägwinkel α gegenüber dem Radius angeordnet. Vorteilhaft sind Werte zwischen 20 und 45 Grad. Das bringt den Vorteil einer schonenden Mahlung und bei einer rotorseitigen Mahlgarnitur 2 den eines geringeren Druckaufbaus/Energieverlustes. Der Schrägwinkel α kann mit Vorteil nach radial außen hin größer werden, insbesondere 35 bis 50 Grad. Ferner verlaufen die Mahlleisten 7 durchgehend von der Einlaufseite 5 bis zur Auslaufseite 6, um energieverzehrende Wirbel durch Unterbrechungen der Strömungskanäle möglichst zu vermeiden. Oft sind allerdings Unterbrechungen durch Befestigungslöcher 27 für die Befestigungsschrauben unvermeidbar.
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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 26 der rotorseitigen Mahlgarnitur 2 und/oder statorseitigen Mahlgarnitur 1 durch unterschiedliche Nutbreite und/oder unterschiedliche Nuttiefe verändert wird. Dann nimmt also die Nutbreite und/oder Nuttiefe von innen nach außen zu oder ab. Dadurch lässt sich insbesondere der Druckaufbau durch den Rotor 9 beeinflussen. Auch bei der statorseitigen Mahlgarnitur 1 können die Nuten hydraulisch optimiert werden, z. B. durch Engstellen zur Drosselung oder durch Erweiterungen zur Verbesserung des Abfließens. 14 zeigt als Beispiel eine Ausgestaltung, bei der die Nuten zwischen den Mahlleisten der rotorseitigen Mahlgarnitur 2 an ihrem radial äußeren Ende flacher sind (z. B. mit etwa halber Nuttiefe 28), um dadurch einen Gegendruck zu erzeugen, der ein zu schnelles Abfließen der Suspension verhindert. Ähnlich kann man auch bei der statorseitigen Mahlgarnitur 1 vorgehen (gestrichelte Linie).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005007551 U1 [0003]
- DE 3700613 A1 [0004]
- DE 102004039986 A1 [0004]
