DE10256856A1

DE10256856A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Faserstoffbehandlung

Info

Publication number: DE10256856A1
Application number: DE2002156856
Authority: DE
Inventors: Axel Dreyer; Axel Gommel; Harald Hess; Tillman Katzenmaier; Michael Kramer; Hermann Kleinschnittger; Volker Niggl; Reimund Rienecker; Paul-Wilhelm Sepke
Original assignee: Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-17
Also published as: EP1573121A1; WO2004050988A1; AU2003288014A1

Abstract

Das Verfahren dient der Veränderung von suspendierten Papier- oder Zellstofffasern, insbesondere um die Festigkeit des aus diesen Fasern hergestellten Papiers zu erhöhen. Dabei werden mit Erhebungen (4) und Vertiefungen (5) versehene Mahlflächen gegeneinander gedrückt und so bewegt, dass in der Mahlzone (3) die Erhebungen (4) einer Mahlfläche in die Vertiefungen (5) einer anderen Mahlfläche hineingedrückt werden. Dadurch erhalten die Zellstoff- oder Papierfasern besonders vorteilhafte Druckimpulse.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Faserstoffbehandlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Verfahren zur Faserstoffbehandlung der o.g. Art werden im Allgemeinen auch als Mahlverfahren bezeichnet. 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 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.
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.
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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Faserstoffbehandlung zu schaffen, mit dem es möglich ist, Zellstoff – oder Papierfasern so zu verändern, dass die Festigkeiten des daraus hergestellten Papiers erhöht werden. Die dabei auftretende Zunahme des Entwässerungswiderstandes soll zumindest geringer sein als bei bekannten Mahlverfahren.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

In den Ansprüchen 8 bis 16 werden Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Das neue Mahlverfahren arbeitet im Wesentlichen so, dass in der Mahlzone die Erhebungen der einen Mahlfläche in die Vertiefungen der anderen Mahlfläche hineingedrückt werden, wobei sich dazwischen die zu bearbeitenden Fasern befinden.

Dadurch werden auf die Fasern Druckimpulse übertragen. Die Kinematik der so geformten und bewegten Mahlflächen verhindert eine hier nicht erwünschte, starke Scherbeanspruchung der Fasern, die bekanntlich zur Fibrillierung der Faseraußenwand zum Abreißen von Fibrillen bis hin zur Faserkürzung führen kann. Hierin liegt ein entscheidender Unterschied zur Mahlung mit Messerrefinern oder mit Zahnscheibendispergern. Gegenüber den bekannten Mahlverfahren werden also im Wesentlichen drei wichtige Vorteile erzielt:

1. – Die Faserlänge bleibt wesentlich besser erhalten.
2. – Die Faseroberfläche wird nicht oder bedeutend weniger fibrilliert.
3. – Die spezifische Mahlarbeit zur Erreichung der gewünschten Festigkeiten ist im Allgemeinen geringer.

Vergleichsversuche mit Langfaserzellstoff haben gezeigt, dass zur Erzielung einer gewünschten Reißlänge mit dem neuen Verfahren im Gegensatz zur auf denselben Wert führenden Refinermessermahlung ein weit geringerer Mahlgradanstieg, gemessen in Schopper-Riegler, aufgetreten ist. Die benötigte spezifische Mahlarbeit lag fast 50 niedriger. Es ist anzunehmen, dass bei Durchführung des erfindungsgemäßen Mahlverfahrens die 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.

Besonders gute Ergebnisse liefert das Verfahren bei nativen Fasern, und zwar sowohl bei Kurz- als auch bei Langfaserstoff. Wird es auf rezyklierte Fasern angewendet, können die unter 1. und 2. genannten Vorteile wichtig sein. Rezyklierte Fasern haben bereits mindestens einen, oft sogar mehrere Mahlvorgänge hinter sich, so dass jede weitere Zerkleinerung gerne vermieden wird.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein einfaches apparatives Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 den Ablauf der Rotation von zwei Rotoren in sieben Positionen über 90° dargestellt;
3 eine Ausführungsform mit sechs Mahlrotoren in schematischer Seitenansicht;
4 die Vorrichtung der 3 in Ansicht von oben;
5 eine Variante der in 1 gezeigten Vorrichtung mit speziellen Seitenabdichtungen;
6 eine Variante des Verfahrens mit Verwendung zweier geriffelter, im Eingriff stehender Walzen;
7 zwei Mahlrotoren mit einer großen Zahl von im Eingriff stehenden Zähnen;
8 ein Beispiel, ähnlich wie das der 1, aber mit gerillter Mahlfläche.
An der in 1 dargestellten einfachen Vorrichtung wird das Verfahren erläutert. Die Vorrichtung ist mit zwei Rotoren 1, 2 versehen, die in einem Gehäuse 6 parallel angeordnet sind. Der Antrieb 7 kann auf einen oder beide Rotoren wirken. Die vom Faserstoff F berührten Oberflächen der Rotoren 1, 2 bilden die Mahlflächen. Sie sind jeweils mit Erhebungen 4 und Vertiefungen 5 versehen und so zueinander angeordnet, dass bei einer gegensinnigen Drehbewegung die Erhebungen 4 des einen Rotors 1 in die Vertiefungen 5 des anderen Rotors 2 hineinragen. Dabei haben die Rotoren 1, 2 über die Axialerstreckung gleiche Querschnitte. Anders als bei einem Rootes-Gebläse oder einer Zahnradpumpe ist der kleinste Abstand 9 zwischen Rotoren und Gehäuseinnenwand nicht in jedem Fall kleinstmöglich, da die Mahlvorrichtung gänzlich andere Aufgaben hat als eine Pumpe. Der Abstand der Rotoren voneinander wird durch eine nur angedeutete Stellvorrichtung 8 eingestellt. Dabei kann entweder die Kraft oder der Abstand als Stellgröße dienen. In der Regel wird eine Berührung der beiden Mahlflächen verhindert. An der Stelle, an der sich die Mahlflächen verschiedener Rotoren am stärksten nähern, befindet sich die Mahlzone 3. Der Faserstoff F, der das Gehäuse 6 vollständig oder fast vollständig ausfüllt, wird in diese Mahlzone gebracht, wobei dessen Transportrichtung hauptsächlich in Bewegungsrichtung der Erhebungen 4 liegt. Es wird in der Mahlzone kurzzeitig komprimiert und enthält dadurch den für die gewünschte Veränderung der Papierfasern erforderlichen Druckimpuls. Nach Durchlaufen der Mahlzone 3 erfolgt eine Druckentlastung des Faserstoffs. Es ist davon auszugehen, dass in vielen Fällen eine mehrfache Wiederholung dieses Mahlvorganges nötig, d.h. dass der Faserstoff mehrmals durch eine Mahlzone 3 zu führen ist. Das kann dadurch erfolgen, dass er zwischen der Innenwand des Gehäuses 6 und den Rotoren wie bei einer Zahnradpumpe gefördert und dadurch innerhalb des Gehäuses so rezirkuliert wird, dass er von Neuem in die Mahlzone 3 gelangen kann. Die Größe des Abstandes 9 beeinflusst die rezirkulierte Menge. Er kann durch entsprechende Einbauten einstellbar sein. Ein zu groß gewählter Abstand 9 kann aber die Passage von ungemahlenem Faserstoff begünstigen.
Die Relativbewegung der Mahlflächen in der Mahlzone 3 zueinander ist zwar gering, aber in der Regel nicht überall gleich Null. Damit ist zwar eine gewisse Scherbeanspruchung der Fasern verbunden, die aber auf Grund der sehr geringen Scherwege nicht vergleichbar ist mit den Vorgängen in einem Messerrefiner oder in einem Zahnscheibendisperger. Die überwiegende Beanspruchung der Fasern ist der Druckimpuls.
Den an sich bekannten kinematischen Ablauf, der durch die Rotation zweier ineinander verzahnender Rotoren (ähnlich wie beim Roots-Gebläse) entsteht, ist in der 2 schematisch dargestellt. Dabei ist ausgehend von der Situation, die links oben dargestellt ist, ein Teil (90°) des Rotationsvorganges gezeigt, bei dem beide Rotoren jeweils um 15° (Winkel α) gegeneinander gedreht worden sind. Die verschiedenen Positionen sind mit Buchstaben a bis g gekennzeichnet.
Bei der betriebsmäßigen Mahlung von Papierfaserstoff kommt es darauf an, mit den Maschineneinheiten einen möglichst großen Durchsatz zu erzielen. Eine Möglichkeit, um dieses Verhalten zu verbessern, ist die in 3 gezeigte Variante, bei der beispielsweise sechs gegeneinander bewegbare Rotoren parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine größere Anzahl von Mahlzonen. Diese Vorrichtung wird in 4 in Ansicht von oben dargestellt. Beide Zeichnungen sind eher als Skizzen zu verstehen, da sie nur das Arbeitsprinzip zeigen.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Pumpenwirkung (Zahnradpumpe) einer solchen Mahlvorrichtung wesentlich zu reduzieren, indem – wie in der 5 gezeigt ist – eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse und den äußeren Konturen der Rotoren vorgenommen wird. Eine solche Abdichtung kann z.B. durch radial bewegbare Schieberplatten 10 erfolgen, die an ihrem vorderen Ende mit Dichtrollen 11 versehen sind. Dabei wälzen sich die Dichtrollen 11 auf den Oberflächen der Rotoren 1 bzw. 2 so ab, dass kein oder nur ein geringer Leckstrom an dieser Stelle entstehen kann. Eventuell sind die Dichtrollen mit Abstreifleisten 13 versehen, um den Spalt zur Schieberplatte 10 abzudichten. Die Schieberplatten 10 können z.B. mit Hilfe von Federn 12 in axialer Richtung gegen die Rotoren gedrückt werden. Es ist auch möglich, die Schieberplatten 10 mit einer relativ großen Kraft anzudrücken, so dass bei entsprechender Verschiebbarkeit der Rotoren 1 und 2 dadurch die Mahlkraft in der Mahlzone 3 erzeugt wird.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es in der Regel günstig, eine Vielzahl von Druckimpulsen auf den Faserstoff zu übertragen, wozu eine Vorrichtung verwendet werden kann, bei der die Rotoren 1', 2' mit einer größeren Anzahl von Erhebungen 4' und Vertiefungen 5' versehen sind, die in der Mahlzone 3 im Eingriff sind, wie es in der 6 angedeutet ist. Die Form kann relativ stark abgerundet oder auch gemäß 7 ähnlich einer Evolventenverzahnung sein, bei der bekanntlich die Relativbewegung zwischen sich berührenden Flächen minimal ist. Die Auswahl dieser Formen hängt von dem gewünschten Mahlergebnis ab. Die Erhebungen 4' und Vertiefungen 5'' können – wie hier gezeigt – achsparallel verlaufen. Sie können aber auch die Form einer Schrägverzahnung haben, wodurch der Mahlvorgang sanfter und der Lauf der Mahlvorrichtung ruhiger wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung des Verfahrens zeigt die 8. Dabei weist ein Rotor 2'' eine größere Anzahl von Rillen 14 auf. Diese haben den Vorteil, Höhe und Anzahl der Druckimpulse zu vergrößern. Sie können auch die lokale Entwässerung des Faserstoffs im Mahlspalt erhöhen. Ihre Tiefe t ist mit Vorteil ca. 2 bis 5 mm und die Erstreckung u in Bewegungsrichtung mit Vorteil größer als 2 mm. Die Rillen 14 können parallel zur Mittelachse des Rotors 2'' verlaufen. Sie können aber auch schräg gestellt sein, z.B. eine axiale Förderwirkung zu erzielen, falls sie gewünscht wird. Es ist zu erwarten, dass die Kombination von Rillen auf einem Rotor 2'' mit einer glatten Mahlfläche auf dem Gegenrotor 1, besonders günstig für die Durchführung des Verfahrens ist. Es ist auch denkbar, statt der Rillen Blindbohrungen auf einem Rotor oder beiden Rotoren anzubringen.

Claims

Verfahren zur Veränderung von wässrig suspendierten Papierfasern oder Zellstofffasern, bei dem der Faserstoff (F) durch mindestens eine Mahlzone (3) geführt wird, die zwischen Mahlflächen liegt, welche Erhebungen (4, 4') und Vertiefungen (5, 5') aufweisen, bei dem die Mahlflächen relativ zueinander bewegt und gegeneinander gedrückt werden, wodurch mechanische Mahlarbeit so auf die Fasern übertragen wird, dass sich die Festigkeiten des daraus hergestellten Papiers ändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4, 4') und Vertiefungen (5, 5') der Mahlflächen so angeordnet sind und in der Mahlzone (3) so bewegt werden, dass in der Mahlzone (3) Erhebungen (4, 4') einer Mahlfläche in die Vertiefungen (5, 5') einer anderen Mahlfläche hineinragen, dass die Transportrichtung des Faserstoffs (F) in der Mahlzone (3) hauptsächlich in Bewegungsrichtung der Erhebungen (4, 4') liegt und dass die Papier- oder Zellstofffasern in der Mahlzone (3) komprimiert und nach Durchlaufen der Mahlzone (3) wieder druckentlastet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Faserstoff (F) und den Mahlflächen, in Haupt-Bewegungsrichtung der Mahlflächen gesehen, an der Stelle, an der sich zwei Mahlflächen in der Mahlzone (3) am nächsten sind, kleiner als 5 % der Absolutgeschwindigkeit der am schnellsten angetriebenen Mahlfläche ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung der Mahlflächen eine Abwälzbewegung der Erhebungen (4) auf den Vertiefungen (5) ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutgeschwindigkeit mindestens einer Mahlfläche auf einem Wert zwischen 8 und 30 m/sec gehalten wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlflächen so gegeneinander gedrückt werden, dass in der engsten Stelle der Mahlzone (3) ein Druck zwischen 5 und 25 bar entsteht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlflächen so gegeneinander gedrückt werden, dass in der engsten Stelle der Mahlzone (3) ein Druck von mindestens 10 bar entsteht.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einem Gehäuse (6), in dem sich mindestens zwei bewegbare Rotoren (1, 1', 2, 2', 2'') befinden, von denen mindestens einer motorisch antreibbar ist und die mit Erhebungen und Vertiefungen versehen sind, wobei sich auf den Rotoren (1, 1', 2, 2', 2'') Mahlflächen befinden, die im Zusammenwirken mit mindestens einem weiteren Rotor (1, 1', 2, 2', 2'') eine oder mehrere Mahlzonen (3) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4, 4') und Vertiefungen (5, 5') der Mahlflächen so gestaltet und angeordnet sind, dass durch die Rotation der Rotoren (1, 1', 2, 2', 2'') in der Mahlzone (3) die Erhebungen (4, 4') eines Rotors (1, 1') in die Vertiefungen (5, 5') eines anderen Rotors (2, 2', 2'') hineinragen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 1', 2, 2', 2'') parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 1', 2, 2', 2'') im Wesentlichen waagerecht angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 1', 2, 2', 2'') einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt haben und jeweils zwei gegenüber liegende Erhebungen (4) und zwei gegenüber liegende Vertiefungen (5) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mahlfläche mit Rillen (14) versehen ist, die quer zur Haupt- Bewegungsrichtung der Mahlfläche verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen eine Tiefe (t) zwischen 1 und 5 mm und eine Erstreckung (u) in Bewegungsrichtung der bewegten Mahlflächen von mindestens 2 mm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen eine Tiefe (t) zwischen 1 und 5 mm und eine Erstreckung (u) in Bewegungsrichtung der bewegten Mahlflächen zwischen 5 und 20 mm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1', 2') im Wesentlichen zylinderförmig sind und dass auf ihrem Außenmantel eine Vielzahl von Erhebungen (4') und Vertiefungen (5') angebracht ist, die in der Mahlzone (3) ineinander greifen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4, 4') und Vertiefungen (5, 5') in Axialrichtung der Rotoren einen konstanten Querschnitt haben und sich parallel zur Achse erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (4) und Vertiefungen (5) als Schrägverzahnung ausgebildet sind.