DE19508202A1 - Mahlmaschine und Mahlwerkzeug zum Mahlen von suspendiertem Faserstoffmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Mahlen von suspendiertem Faserstoffmaterial gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 5.

Mahlwerkzeuge der genannten Art werden oft auch Garnituren genannt und in Mahlmaschinen - sogenannte Refiner - eingebaut. Solche Mahlmaschinen haben mindestens einen Rotor und mindestens einen Stator mit entweder scheibenring- oder kegelstumpfförmigen Flächen, auf denen die Mahlwerkzeuge oder Garnituren angebracht werden, so daß sich zwischen ihnen Mahlspalten ausbilden können. Die hier betrachteten Mahlwerkzeuge weisen an den Arbeitsflächen Stege und Nuten auf, weshalb man auch von "Messer-Garnituren" spricht. Eine ringförmige Mahlfläche wird in der technischen Praxis oft dadurch erzeugt, daß eine Anzahl von gleichen Ringsegmenten zusammengesetzt wird, bis sich ein voller Kreisumfang mit einem für alle Segmente gemeinsamen Mittelpunkt ergibt.

Ein beträchtlicher Teil der Betriebskosten, die bei der Mahlung von Faserstoffen in der Zellstoff- und Papierindustrie anfallen, rührt von den Energiekosten her. Daher war es schon immer ein Bestreben, derartige Vorrichtungen so zu bauen und zu betreiben, daß - gemessen an dem gewünschten Erfolg - ein nicht zu hoher Energieeinsatz gebraucht wird. Da die Zielsetzungen der Faserstoffbehandlung je nach Anwendungsfall unterschiedlich sind, ist auch die Beurteilung des Mahleffektes unterschiedlich. In vielen Fällen wird die eingesetzte Energie auf den Mahlerfolg so bezogen, daß entweder die Größe pro Tonne Faserstoff und Mahlgradsteigerung oder kWh/pro Tonne Faserstoff und Festigkeitssteigerung angegeben wird. Die Vergleichbarkeit solcher Werte setzt aber ansonsten gleiche Bedingungen voraus. Insbesondere ist es nicht möglich, die Mahlkosten dadurch zu senken, daß zwar weniger Energie eingesetzt wird, andererseits aber trotz ausreichender Mahlgradsteigerung der so behandelte Faserstoff den Qualitätserfordernissen nicht mehr entspricht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Vorrichtungen der angegebenen Art zu schaffen, mit denen die zur Mahlung eingesetzte Energie für einen angestrebten Mahlerfolg geringer ist als bisher.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichen der Ansprüche 1 oder 5 gelöst. Die nachfolgenden Unteransprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen.

Durch die Erfindung werden somit Mahlvorrichtungen geschaffen, bei denen die eingesetzte Energie besser zur Mahlung des Faserstoffmaterials genützt werden kann. Es hat sich gezeigt, daß nicht nur der Mahlgradanstieg wirtschaftlicher zu erzielen ist, sondern daß mit der Mahlung auch eine relativ gute Erhaltung der Faserlängen und Faserfestigkeiten möglich ist. Bei der Beurteilung des Effektes wird, wie bereits angedeutet, immer von den bisher erzielbaren Mahlentwicklungen auszugehen sein, weshalb es nicht sinnvoll ist, hier allgemein einen festen Zahlenwert vorzugeben. Die Untersuchungen an dem Erfindungsgegenstand weisen jedenfalls eine signifikante Verringerung der erforderlichen Energie aus, ohne daß Einbußen an der Faserqualität hingenommen werden müßten.

Eine wesentliche Neuerung im Vergleich zum Stand der Technik liegt in einer verbesserten Strömungsführung im während des Betriebes der Mahlvorrichtung von der Faserstoffsuspension durchströmten Spalt zwischen Rotor und Stator. Dabei liegt innen ein stromaufwärtiger Bereich, den die Suspension also durchströmt, bevor sie in einen Mahlbereich der betrachteten Mahlmaschine bzw. des Mahlwerkzeuges kommt. So wird erstmals vor oder bei dem Eintritt der Suspension in den Messerbereich der Mahlvorrichtung eine Rotationszone zur Verfügung gestellt, die an eine rotierende Fläche grenzt, in der aber auf wenigstens einer Seite keine Stege vorhanden sind. In dieser ringförmigen Zone findet keine Mahlung statt. Ein möglicher Grund für die bessere Wirtschaftlichkeit könnte die Vergleichmäßigung der Suspensionsströmung beim Einlauf in die nachfolgende Mahlzone sein. Dadurch kann das Mahlergebnis verbessert, insbesondere die Mahlung gleichmäßiger werden.

Die genannte ringförmige Zone kann, wie im Anspruch 1 beschrieben, radial innerhalb der eigentlichen Mahlmaschine gebildet werden oder gemäß Anspruch 5 in der radial inneren Zone der Mahlwerkzeuge selbst.

Es ist auch möglich, den vorteilhaften Effekt mehrmals zu nutzen, indem sich mehrere Leisten hintereinander, in Flußrichtung des Fasermaterials betrachtet, befinden, die jeweils einen Abstand von mindestens 8 mm haben. Dort entsteht dann eine weitere Zwischenzone, in der die aus dem davorliegenden Mahlbereich stammende Suspension aufgenommen und anschließend dem nachfolgenden Mahlbereich zugeführt werden kann. Vermutlich hat eine solche Zwischenzone einen doppelten Nutzen, da sie sowohl die wünschenswerte Teil-Rückführung der Suspension in den davorliegenden Mahlbereich als auch die Vergleichmäßigung der Strömung in den nachfolgenden Mahlbereich fördert. Solche Zwischenzonen können durch Nuten erzeugt werden, die z. B. ringförmig sind. Besonders vorteilhaft sind auch polygonzugförmige Nuten, da durch diese der manchmal etwas kritische Verschleiß von Mahlwerkzeugen im Nutenbereich reduziert wird.

Die Erfindung wird beschrieben und erläutert anhand von schematischen Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Scheibenrefiners;

Fig. 2 Ausschnitt von Fig. 2;

Fig. 3 Diagramm der Mahlentwicklung;

Fig. 4 bis 6 weitere Ausführungsformen der Mahlwerkzeuge;

Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Kegelrefiner;

Fig. 8 Aufsicht (Segment) auf ein erfindungsgemäßes Mahlwerkzeug;

Fig. 9 Doppelscheibenrefiner in erfindungsgemäßer Ausführung;

Fig. 10 Mahlwerkzeug mit Zwischenzone in Seitenansicht, geschnitten;

Fig. 11+12 Aufsicht (Segment) auf weitere erfindungsgemäße Mahlwerkzeuge.

Fig. 1 zeigt den Erfindungsgegenstand in Form eines Scheibenrefiners. Man erkennt einen Teil des Gehäuses 1, den Rotor 2 und den Stator 3. Dabei dienen Rotor und Stator als Mahlwerkzeugträger. Das suspendierte Faserstoffmaterial kann über die Eintrittsöffnung 5 zu- und die Austrittsöffnung 6 abgeführt werden. In der hier gezeichneten Form ist der Rotor 2 axial fixiert, während der Stator 3 axial relativ zum Rotor 2 beweglich ist, wobei er durch Bolzen 15 am Mitdrehen gehindert wird. Der Rotor 2 weist eine Arbeitsfläche 7 und der Stator 3 eine komplementäre weitere Arbeitsfläche 8 auf. Zwischen beiden Arbeitsflächen bildet sich ein Mahlspalt 9. Letzterer ist hier und in den weiteren Figuren übertrieben breit gezeichnet. Im Bereich der Arbeitsflächen 7, 8 befinden sich leistenförmige Erhebungen 10 am Rotor 2 und leistenförmige Erhebungen 11 am Stator 3. Die Darstellung ist hier so gewählt, daß die leistenförmigen Erhebungen 10 bzw. 11 im oberen Teil geschnitten und im unteren Teil ungeschnitten gezeichnet sind. Man erkennt, daß sich auf beiden Seiten des Mahlspaltes 9 die leistenförmigen Erhebungen 10 und 11 weniger weit nach innen erstrecken als Rotor bzw. Stator, wodurch eine Zone mit dem Freimaß a von Erhebungen 10 bzw. 11 frei bleibt.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt des Erfindungsgegenstandes aus Fig. 1 gezeigt mit einem Teil des Stators 3, der sich radial innen um das Freimaß a weiter erstreckt als die leistenförmige Erhebung 11. Letztere ist ein Teil eines Mahlwerkzeuges, dessen Grundfläche 14 ebenfalls um das Freimaß a über die radial innere Erstreckung der leistenförmigen Erhebung 11 hinausreicht. Die Erhebung 11 hat das Höhenmaß c über der Grundfläche 14 des Mahlwerkzeuges.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Diagramm, welches die Mahlentwicklung M aufzeigt in Abhängigkeit von der eingesetzten Mahlenergie E. Im Stand der Technik verläuft die Mahlentwicklung gemäß Kurve A2, während mit Hilfe der Erfindung eine schnellere Mahlentwicklung, Kurve A1, erzielbar ist. Selbstverständlich hängen die qualitativen Werte sehr stark vom eingesetzten Stoff ab, und das Diagramm dient lediglich zur Verdeutlichung des erzielbaren Nutzens.

In den Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungsformen anhand eines Scheibenrefiners grundsätzlich skizziert. Es kann nämlich die kürzere Erstreckung der Leisten auf der Statorseite sein (Fig. 4), auf der Rotorseite (Fig. 5) oder - wie bereits in Fig. 1 gezeigt - auf beiden Seiten. Fig. 6 unterscheidet sich von Fig. 5 dadurch, daß nicht nur die eigentliche Leiste 10, sondern auch das auf dem Rotor 2 montierte Mahlwerkzeug selbst einen geringeren Innendurchmesser hat als der mit Erhebungen (11) belegte Teil des komplementären Stators 3. Selbstverständlich kann das in Fig. 6 gezeigte Prinzip auch bei den anderen Kombinationen gemäß Fig. 1, 4 oder 5 angewendet werden.

Auch wenn sicherlich die Anwendung der Erfindung auf mit Scheiben ausgerüsteten Mahlmaschinen oder auf die zugehörigen Mahlwerkzeuge besonders sinnvoll ist, können die Vorteile zum Teil auch bei Kegelrefinern, insbesondere Steilkegelrefinern, erzielt werden.

Fig. 7 skizziert einen Kegelrefiner, bei dem sich die auf der Arbeitsfläche des Rotors 2 liegenden Erhebungen 10 weniger weit (Freimaß a) nach innen erstrecken als der Rotor selbst und die Erhebungen 11 des Stators 3.

Fig. 8 zeigt die Aufsicht auf eine typische, an Scheiben-Refinern anzutreffende Arbeitsfläche mit einer Vielzahl von - hier verschieden ausgebildeten - Erhebungen 10 mit Breite b sowie den kanalartigen Nuten 12. Auch hier ist das Freimaß a eingezeichnet. Bekanntlich hat die dazu komplementäre Arbeitsfläche hinsichtlich der Erhebungen meistens das gleiche Muster, wobei für das Vorhandensein des Freimaßes a das bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 und 4-6 Gesagte gilt. Die komplementäre Arbeitsfläche kann aber auch ganz anders gestaltet sein, z. B. andere Messerwinkel aufweisen oder ein Noppen- oder Lochmustermuster haben. Diese Darstellung ist als Teil/Segment des ganzen Kreisumfanges zu verstehen.

Eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes als Doppelscheibenrefiner ist in Fig. 9 angedeutet. Man erkennt den Rotor 2, der beidseitig mit Arbeitsflächen versehen ist sowie zwei Statore 3, die dazu komplementäre Arbeitsflächen aufweisen. Doppelscheibenrefiner und dazugehörige Belastungssysteme sind in ihrem Aufbau und ihrer Wirkung dem Fachmann bekannt. Wichtig ist im Zusammenhang mit der Erfindung, daß die leistenförmigen Erhebungen 10 und/oder 11 sich um das Freimaß a weniger weit erstrecken als der Stator 3 bzw. Rotor 2. Das gezeigte Maß c stellt das Höhenmaß der Oberfläche der leistenförmigen Erhebung 10 über der Grundfläche 13 dar.

Fig. 10 zeigt ein Mahlwerkzeug mit leistenförmigen Erhebungen 11 und 11′, die, in Strömungsrichtung gesehen, aufeinander folgen und durch eine Nut 16 voneinander getrennt sind. Die Aussparung 16 hat als Breite das Freimaß a′ und etwa die gleiche Höhe wie die Erhebungen 11, 11′; sie kann z. B. ringförmig geformt sein und über den ganzen Umfang den gleichen Durchmesser aufweisen. Die hier am Stator 3 gezeigte Variante kann ebenso auch an dem komplementären Rotor realisiert sein.

Die Aufsicht gemäß Fig. 11 auf ein Rotormahlwerkzeug ähnelt der Fig. 8, dieses weist aber zusätzlich polygenförmige Aussparungen 17 auf, wodurch zwei hintereinanderliegende Mahlbereiche 18 und 18′ entstehen. Ein weiteres Beispiel mit 3 durch polygenförmige Aussparungen 17, 17′ getrennte hintereinanderliegenden Mahlbereichen 18, 18′, 18′′ mit den leistenförmigen Erhebungen 10, 10′, 10′′ zeigt Fig. 12. Dabei ist hier exemplarisch nur ein Segment von 45° gezeichnet.

Claims (18)

1. Mahlmaschine zum Mahlen von suspendiertem Faserstoffmaterial, insbesondere von Papier und/oder Zellstoffasern, bestehend aus einem Gehäuse (1) mit Eintritts- und Austrittsöffnungen (5, 6) für das Faserstoffmaterial, mit mindestens zwei Mahlwerkzeugträgern, insbesondere einem antreibbaren Rotor (2) und einem Stator (3), geeignet zum Anbringen von Mahlwerkzeugen zur Schaffung von mindestens einer Arbeitsfläche (7) und einer komplementären weiteren Arbeitsfläche (8), die unter Bildung eines vom Faserstoffmaterial durchströmbaren Mahlspaltes (9) zueinander positioniert sind, wobei wenigstens eine Arbeitsfläche (7 oder 8) eine Vielzahl leistenförmiger Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) sogenannter Messer, aufweist, zwischen denen sich kanalartige Nuten (12) befinden, so daß das Faserstoffmaterial zumindest teilweise durch die nutenartigen Kanäle von innen nach außen geführt werden und eine mechanische Bearbeitung des Faserstoffmaterials durch die Relativbewegung zweier komplementärer Arbeitsflächen (7 und 8) erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf wenigstens einer Seite eines Mahlspaltes (9) die leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) der Arbeitsfläche (7, 8) um ein Freimaß (a, a′, a′′) von mindestens 8 mm weniger weit nach innen erstrecken als sich der zugehörige Mahlwerkzeugträger erstreckt.

2. Mahlmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) hintereinander, in Flußrichtung des Fasermaterials betrachtet, befinden, und daß, in Flußrichtung des Fasermaterials betrachtet, aufeinanderfolgende Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) einen Abstand mit einem Freimaß (a, a′, a′′) von mindestens 8 mm aufweisen.

3. Mahlmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander komplementären Mahlwerkzeugträger im wesentlichen eine scheibenartige Form haben.

4. Mahlmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander komplementären Mahlwerkzeugträger im wesentlichen eine kegelstumpfartige Form haben.

5. Mahlwerkzeug zum Mahlen von suspendiertem Faserstoffmaterial, insbesondere Papier und/oder Zellstoffasern, in Mahlmaschinen mit relativ zueinander bewegbaren, sich gegenüberliegenden, im wesentlichen rotationssymmetrischen Mahlwerkzeugträgern, insbesondere an einem Rotor und an einem Stator, auf denen Mahlwerkzeuge paarweise so anbringbar sind, daß sie mindestens ein Paar komplementärer Arbeitsflächen (7, 8) zur Ausbildung eines vom Faserstoffmaterial durchströmbaren Mahlspaltes (9) bilden und wobei die Arbeitsfläche (8) wenigstens eines Mahlwerkzeuges an ihrer dem zu behandelnden Faserstoffmaterial im Betrieb jeweils zugewandten Seite eine Vielzahl leistenförmiger Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′), sogenannter Messer, über ihrer Grundfläche (13, 14) aufweist, zwischen denen sich kanalartige Nuten (12) befinden, so daß das Faserstoffmaterial zumindest teilweise durch die Nuten von innen nach außen geführt werden und eine mechanische Bearbeitung des Faserstoffmaterials durch die Relativbewegung zweier komplementärer Arbeitsflächen (7, 8) erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, daß sich die leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) der Arbeitsfläche (7, 8) in einem Freimaß (a, a′, a′′) von mindestens 8 mm weniger weit nach innen erstrecken als sich die Grundfläche (13, 14) des Mahlwerkzeuges erstreckt.

6. Mahlwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) hintereinander, in Flußrichtung des Fasermaterials betrachtet, befinden, und daß, in Flußrichtung des Fasermaterials betrachtet, aufeinanderfolgende Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) einen Abstand mit einem Freimaß (a, a′, a′′) von mindestens 8 mm aufweisen.

7. Mahlwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche im wesentlichen eine kreisringartige Form hat oder die eines Kreisring-Segmentes.

8. Mahlwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen im wesentlichen eine kegelstumpfartige Form haben.

9. Mahlwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) über der Grundfläche (13, 14) des Mahlwerkzeuges zwischen 2 und 20 mm beträgt.

10. Mahlwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) über der Grundfläche (13, 14) des Mahlwerkzeuges zwischen 2 und 8 mm beträgt.

11. Mahlwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) des Mahlwerkzeuges zwischen 2 und 30 mm beträgt.

12. Mahlwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der kanalartigen Nuten (12) zwischen den leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) des Mahlwerkzeuges zwischen 3 und 20 mm beträgt.

13. Mahlwerkzeug nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß hintereinanderliegende leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) durch eine Aussparung (16) getrennt sind, die im wesentlichen kreisringförmig um das Zentrum der Grundfläche bzw. des zum Segment gehörenden Kreises verläuft und etwa die gleiche Höhe wie die leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) hat.

14. Mahlwerkzeug nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß hintereinanderliegende leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) durch eine Aussparung (17, 17′ ) getrennt sind, die im wesentlichen polygonförmig und symmetrisch zum Zentrum der Grundfläche verläuft und etwa die gleiche Höhe wie die leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) hat.

15. Mahlwerkzeug nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß hintereinanderliegende leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) durch eine Aussparung getrennt sind, die im wesentlichen kreisringförmig und symmetrisch um die Mittellinie des Kegelstumpfes verläuft und etwa die gleiche Höhe wie die leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) hat.

16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Freimaß (a, a′, a′′) jeweils zwischen 8 und 30 mm beträgt.

17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich radial kürzer erstreckenden leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) zu der der bewegten Arbeitsfläche (7, 8) gehören.

18. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich radial kürzer erstreckenden leistenförmigen Erhebungen (10, 10′, 10′′, 11, 11′) zu zwei komplementären Arbeitsflächen gehören.