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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Holzspan und ein Verfahren
zur Herstellung von Zellstoff, insbesondere zur Herstellung von
Papier.
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Holzspäne für die Zellstoff-
und Papierindustrie werden seit Jahren mit einer Einrichtung hergestellt,
die in der Fachwelt als Hackschnitzelmaschine oder, gelegentlich,
als Häcksler
bekannt ist. Diese Einrichtung setzt ein Messer zum wiederholten Schneiden
in einen Holzklotz oder ein anderes großes Holzstück ein, um Späne zu erzeugen,
die relativ geringe Längen-,
Breiten- und Dickenabmessungen aufweisen.
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Die
Holzspäne
werden durch Kochen in Natriumhydroxid oder Natriumdisulfid in einem
Zellstoffkocher bei Temperaturen von ca. 170–180°C weiterverarbeitet, um die
Lignine und andere Bindemittel in den Spänen zu lösen und die Zellulosefasern
zurückzulassen.
Die Lösung
diffundiert in einer bestimmten Geschwindigkeit in die Holzspäne.
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Es
wurde geschätzt,
dass eine Erhöhung
des Kocherertrags von lediglich 1 Einsparungen von bis zu einer
Million Dollar pro Jahr pro Kocher liefert. Dieser Ertrag wird durch
eine Anzahl von Faktoren bestimmt. Einer davon ist die Einheitlichkeit
der Holzspäne.
Einheitliche Spanformen und -größen ermöglichen
eine größere Packdichte.
Dies liefert im Kocher eine größere Zellulosemenge
aus einer vorgegobenen Ladung Holzspäne. Eine einheitliche Spandicke
ist für
den Kocherertrag besonders wichtig. Diese Abmessung ist geringer
als die Länge
und Breite der Späne
und regelt die zum Eindringen der Lösung in den Holzspan erforderliche
Zeit zum Lösen
des Lignins. Späne
mit einer größeren als
der Solldicke benötigen
im Kocher zu viel Zeit zum vollständigen Entfernen des Lignins,
und Späne
mit einer dünneren
als der Solldicke werden im Kocher zu lange gekocht, so dass die
Lösung
die Zellulosefasern selbst angreift und diese zersetzt.
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Die
absolute Form und Größe der Holzspäne sind
auch wichtige Faktoren in der wirksamen Umsetzung von Holzspänen zu Zellulose.
Wünschenswerterweise
sind die Holzspäne
dünn, um
die Zeitdifferenz, die die Fasern im Inneren und an der Außenseite
des Spans gekocht werden, zu minimieren. Andererseits wird beim Zerspanen
des Holzes zur Herstellung sehr dünner Holzspäne mechanisch ein größerer Prozentsatz
der gesamten Holzfasern in den Spänen beschädigt. Demgemäß wurde
in der Zellstoffindustrie ermittelt, dass die akzeptable Spandicke
in einem Bereich von ca. 1 mm bis ca. 8–10 mm liegt, wobei die optimale
Spandicke ca. 4–5
mm beträgt.
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Die
Form der Holzspäne
leistet auch einen wichtigen Beitrag für die effektive Zelluloseproduktion.
Herkömmliche
Spanformen resultieren aus Herstellungsverfahren, die die Holzfasern
quetschen und diese beschädigen.
Als Reaktion auf dieses Problem schlägt Altosaar, US-Patent Nr.
3,304,970, einen Holzspan und ein Verfahren zu seiner Herstellung vor,
bei dem die Haupt- bzw. größeren Flächen des Spans
hergestellt werden, indem im Wesentlichen parallel zur Holzfaser
geschnitten wird, während
die beiden Seitenkanten quer und schräg zur Holzfaser geschnitten
werden, wobei die verbleibenden Endflächen durch Zerteilen oder Spalten
entlang der Holzfaser gebildet werden. Aus dem Schneiden des Holzes
quer zur Holzfaser in einem Winkel zur Bildung der Seitenkanten
resultiert jedoch eine vergrößerte Schnittfläche. Im
Gegensatz zum Zerteilen des Holzes entlang der Holzfaser beschädigt das
Schneiden der Fasern deren Enden, und schräges Schneiden setzt mehr Fasern
einer derartigen Schädigung
aus.
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Die
Größe und die
Abweichung in der Holzspandicke ist von größter Bedeutung für die Kocherausbeute,
während
Abweichungen in der Spanlänge weniger
wichtig sind; die Größe und die
Abweichung in der Spanbreite wird allgemein als weniger wichtig oder
vernachlässigbar
angesehen.
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Hackmaschinen
sind dadurch definiert, dass sie so ausgebildet sind, dass sie Holz
hauptsächlich quer
zur Holzfaser schneiden. Die Länge
der so produzierten Holzspäne
wird durch die Eindringtiefe des Messers in das Holz relativ gut
gesteuert. Andererseits ist ihre Dicke und Breite nicht gut gesteuert.
Insbesondere die Dicke hängt
von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der Holzart und ihres
Feuchtigkeitsgehaltes, ob das Holz gefroren ist, und von der Schnittgeometrie.
Die Spandicke kann einigermaßen
durch Einstellung der Spanlänge
gesteuert werden; jedoch verteilen sich die resultierenden Späne relativ
gleichmäßig in der
gewünschten
durchschnittlichen Spandicke, so dass eine große Anzahl von Holzspänen den
Toleranzbereich überschreitet. Demgemäß ist ein
teures und unwirtschaftliches Verfahren zum Sortieren von Ausschussspänen sowie deren
Nachbearbeitung in eine akzeptable Form erforderlich.
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Eine
andere Einrichtung, die als Zerspaner oder Walzer bekannt ist, wurde
zur Herstellung von Holz"wafern", -hobelspänen oder
-flocken verwendet, um Spanplatten oder OSB-Platten herzustellen. Der
Zerspaner arbeitet im Prinzip ähnlich
wie die Hackschnitzelmaschine, abgesehen davon, dass er das Holz
im Wesentlichen parallel zur Holzfaser schneidet, um Flocken einer
sehr geringen Dicke, z.B. ca. 6 mm (0,025''),
und relativ großer
Länge,
von ca. 102 mm (4'') bis 127 mm (5''), zu erzeugen. In dem Zerspaner entspricht
die Dicke dem Maß,
in dem die Einrichtung in das Holz schneidet. Da dieses in dem Zerspaner
im Vergleich zur Hackschnitzelmaschine relativ gering ist, hat der
Zerspaner eine verhältnismäßig geringe
Leistung, so dass praktische Beispiele für die Herstellung von Spänen für Zellstoff unzureichend
sind.
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Demgemäß besteht
ein Bedarf für
einen Holzspan und ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff,
das den Kocherertrag und entsprechend den Ertrag und den Wirkungsgrad
des gesamten Kochprozesses optimiert, indem die Steuerung der Breiten-
und Längenabweichungen
der Holzspäne
verbessert wird und deren Form optimiert wird.
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Darstellung
der Erfindung
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Ein
Holzspan und ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff gemäß der vorliegenden
Erfindung löst
die vorgenannten Probleme und erfüllt die vorgenannten Anforderungen
durch Bildung von ersten, zweiten und dritten Paaren von im Wesentlichen
parallelen Seiten durch Zerspalten, Schneiden bzw. Schneiden. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das zweite Seitenpaar zur Anpassung an
Industrienormen durch ein erstes Messer im Abstand von im wesentlichen
2 bis 8 mm geschnitten. Das dritte Seitenpaar wird durch ein zweites
Messer so geschnitten, dass dieses Seitenpaar einen größeren Abstand zueinander
aufweist als das erste Paar. Das erste Seitenpaar wird im Wesentlichen
entlang der Faserrichtung gespalten, so dass diese Seiten einen
größeren Abstand
zueinander aufweisen als das erste Paar.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird das dritte Seitenpaar so geschnitten,
dass es im Wesentlichen senkrecht zum ersten Seitenpaar verläuft.
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Vorzugsweise
weisen die so hergestellten Späne
eine vorgegebene Länge
auf, die durch den Abstand zwischen Ritzmesserpaaren bestimmt wird, welche
so ausgebildet sind, dass sie das Holz quer zur Faser schneiden,
um Endflächen
zu bilden, die senkrecht zu den als größte Fläche definierten Hauptflächen angeordnet
sind.
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Es
ist daher ein hauptsächliches
Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen und verbesserten
Holzspan sowie ein Verfahren zur Herstellung von Zellstoff anzugeben.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Holzspan
sowie ein Verfahren zur Erhöhung
der Produktionsgeschwindigkeit von Zellulose anzugeben.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Holzspan
sowie ein Verfahren zur Erhöhung
der Produktionsgeschwindigkeit der Zellulose in einem Zellulosekocher
(Digester) anzugeben.
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Weiterhin
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Holzspan und ein
Verfahren anzugeben, das eine verbesserte Einstellung derjenigen Holzspanabmessungen
ermöglicht,
die für
die Produktionsgeschwindigkeit der Zellulose im Kocher am wichtigsten
sind.
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Es
ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Holzspan
und ein Verfahren anzugeben, das ein verbessertes Packverfahren
einer Anzahl von Spänen
im Kocher ermöglicht.
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Die
vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden unter Berücksichtigung
der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen deutlicher.
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Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine herkömmliche
Hackschnitzelmaschine;
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2 einen
Querschnitt durch einen herkömmlichen
Zerspaner;
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3 einen
Schnitt durch den Zerspaner von 2 entlang
der Linie 3-3;
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4 eine
Aufsicht auf einen Holzspan gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
Seitenansicht des Holzspans von 4 entlang
der Linie 3-3.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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In 1 ist
die herkömmliche
Hackschnitzelmaschine im Querschnitt gezeigt. Die Schneideeinrichtung
umfasst ein Messer 10, das sich um eine vorgegebene Länge „d" vor einer Arbeitsfläche 12 befindet.
Eine Holzmasse 14, wie z.B. ein Holzklotz, ein Holzbrett
oder eine Bohle wird gegen die Arbeitsfläche 12 gelegt und
erstreckt sich in einem Vorschubwinkel ϵ von typischerweise
300° zur
Arbeitsfläche.
Das Holz hat eine Faserrichtung „g", die entlang dessen Längsachse
verläuft.
Die Faserrichtung gibt die Ausrichtung der gestreckten Zellulosefasern 15 im
Holz an, die letztlich gewünscht
ist, um intakt zu abzutrennen. Das Schneiden „parallel zur Faser" wird im folgenden
als Schneiden in einer Ebene definiert, so dass die Fasern im Wesentlichen
voneinander getrennt werden, ohne dass wesentlich quer zu den Fasern
geschnitten wird, d.h. in einer Ebene, die Linien parallel zur Faserrichtung „g" umfasst. Gespalten
wird dann definitionsgemäß „parallel
zur Faser".
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Während das
Messer 10 in Bezug auf das Holz 14 in einer Schneidrichtung „c" bewegt wird, wird
eine Folge von Holzspänen 16 aus
dem Holz geschnitten. Die Späne
weisen eine Dicke „t" und eine Länge „l" mit einer Breite „w" (nicht gezeigt)
auf, die sich senkrecht zur Ebene der Fig. erstreckt.
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Die
Länge „l" wird hauptsächlich durch
die Eindringtiefe „d" des Messers in das
Holz bestimmt. Sie beträgt
für zur
Herstellung von Zellulose oder Zellstoff verwendete Holzspäne typischerweise
ca. 19 mm (3/4''). Die Enden 18 der
Holzspäne
werden beim Schneiden verformt und gequetscht, so dass sie nicht
immer zu ihrer spitzwinkligen Konfiguration zurückkehren, die bei 16b idealisiert
wird. Sogar wenn die Enden in ihre spitzwinklige Konfiguration zurückkehren,
sind sie anfälliger
gegen Beschädigung
während
des nachfolgenden Packens, Bearbeitens und Verarbeitens als rechtwinklige
Enden.
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Die
Dicke „t" der Holzspäne wird
hauptsächlich
durch den Scherfestigkeitsquotienten zur Spaltungsfestigkeit des
Holzes bestimmt. Dies ist teilweise eine Funktion aus der Holzspanlänge, variiert
jedoch auch wesentlich je nach Art des Holzes und seines Zustands,
z.B. seines Feuchtigkeitsgehaltes und ob es gefroren ist. Typischerweise
wird die Länge
des Holzspans abgeglichen, so dass die Dicke „t" einer großen Anzahl von Spänen 16 in
einer glockenförmigen
oder normalen Streuung um einen Durchschnittswert von ca. 4–5 mm variiert,
welcher wie erwähnt
als optimal angesehen wird. Die Standardabweichung der Streuung
ist jedoch so groß,
dass lediglich ca. 85–90%
der Späne
in den akzeptablen Industrienormbereich von ca. 2 bis 8 mm fallen.
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2 zeigt
einen herkömmlichen
Zerspaner. Dieser arbeitet im Prinzip ähnlich wie die Hackschnitzelmaschine,
abgesehen davon, dass das Holz 14 in einem Anlegewinkel ϵ von
ca. 0° gegen
die Arbeitsfläche 12 angelegt
ist, so dass das Messer 10 das Holz im Wesentlichen parallel
zur Holzfaser schneidet, um Flocken 20 zu erzeugen. Diese
Veränderung im
Anlegewinkel des Holzes ergibt wesentliche und wichtige Unterschiede
in der Abhängigkeit
der Längen-
und Dickenabmessungen der Flocke. Insbesondere wird nun die Dicke „t" anstelle der Länge „l" durch den Abstand
bestimmt, um den das Messer über
die Arbeitsfläche
vorsteht.
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In
typischen Zerspanern produzierte Holzflocken haben eine Dicke von
ca. 0,635 mm (0,025''). Dies entspricht
wie zuvor erwähnt
der Tiefe, bis in die das Messer 10 in das Holz 14 schneidet.
Da die gewünschte
Zellstoffspandicke ca. 6–8
mal größer ist, ist
die zur Herstellung der Flocke erforderliche Energie ungefähr 6–8 mal geringer
als die zur Herstellung der Zellstoffflocke erforderliche Energie.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das Messer 10 so ausgebildet, dass es das
Holz 14 im Wesentlichen parallel zur Holzfaser wie nachfolgend beschrieben
schneidet. Dies wird vorzugsweise durch die Verwendung eines Zerspaners
erreicht, ist jedoch auch durch die Verwendung einer anderen geeigneten
Einrichtung möglich.
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3 zeigt
die bevorzugte Ausführungsform des
Zerspaners gemäß der Erfindung,
bei der eine Anzahl von Messern 10 radial auf einer Schnitzelscheibe 11 angeordnet
ist, die aus der Ebene der Scheibe heraus vorstehen. Die Scheibe
dreht sich um eine Mittelachse 13. Ein Zufuhrtrog 17 ist
horizontal angeordnet und erstreckt sich entlang der Mittellinie „cl" der Scheibe 11.
Der Zufuhrtrog trägt
typischerweise einen senkrecht angeordneten Holzstapel 14,
bei dem die Faserrichtung „g" parallel zum Trog
verläuft.
Die Messer 10 werden gegen und in die Seiten des Holzes 14 gedreht,
wobei sie unterschiedliche Winkel in Bezug auf die Horizontale und
die Faserrichtung „g" einnehmen, je nach
Höhe des
Holzes oberhalb des Trogs 17. Es ist jedoch zu sehen, dass die
Messer 10 wie oben beschrieben immer im Wesentlichen parallel
zur Faser schneiden, so dass sie die Holzfasern bildenden parallelen
Fasern 15 eher trennen als sie durchzuschneiden. Diese
Schneideigenschaft vermindert die Faserschädigung.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, dass
eine außergewöhnlich gute
Steuerung der kritischen Dickenabmessungen der Späne gewährleistet
wird. Nochmals Bezug nehmend auf 2 ist das
Messer 10 so ausgebildet, dass es über die Arbeitsfläche 12 hinaus
um eine Entfernung „d" vorsteht, die in
etwa der Dicke „t" des hierdurch erzeugten
Holzspans 16 entspricht. Dies erzeugt einen Schnitt im
Holz, der eine der Dicke „t" fast vollständig entsprechende
Tiefe aufweist. Dickenabweichungen werden praktisch ausgeschaltet.
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Gemäß 3 wird
die Längenabmessung zusätzlich zu
der Dicke ebenfalls stark gesteuert, indem voneinander beabstandete
Rippen- oder Ritzmesser 22 entweder vor oder hinter dem
Messer 10 verwendet werden. Ein Abstand „l" zwischen den Ritzmessern
legt die Länge „l" der Flocke fest.
Die Ritzmesser sind so ausgebildet, dass sie entlang Linien schneiden,
die senkrecht zu dem durch das Messer 10 gemachten Schnitt
liegen, und sie sind in „l" beabstandeten Intervallen
angeordnet.
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4 und 5 zeigen
einen gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Holzspan 16. Die Form des Holzspans
variiert von rhomboedrisch (wie dargestellt) zu orthorombisch, je
nach der ursprünglichen
Lage des Holzspans im Holz 14. Nochmals Bezug nehmend auf 3 ist
diese Betrachtung in einer Dimension dargestellt, wobei klar ist, dass
eine ähnliche
Betrachtung auf die orthogonale Dimension anzuwenden ist. In 3 liegen
zwei als zwei Holzstämme
dargestellte Holzabschnitte 14, auf der Arbeitsfläche 12 aufeinander.
Die Holzabschnitte werden gegen die Scheibe 11 gepresst,
wie in 2 angedeutet ist. Während die Scheibe um die Mittelachse 13 dreht,
schneiden die Messer 10 in die Seiten der Holzabschnitte.
Aufgrund des Winkels, den jedes Messer mit der Faserrichtung „g" bildet, sind jedoch
die aus dem Holz an der Stelle „a" in 3 gespaltenen
Holzspäne
rhomboedrischer als die an der Stelle „b" gespaltenen. Andererseits sind die
an einer von beiden Stellen „e" oder „f" geformten Späne annähernd orthorombisch,
da die Messer 10 fast mit der Mittellinie „cl" ausgerichtet sind.
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Noch
einmal Bezug nehmend auf 4 und 5 weist
der Span 16 sechs Seiten „s1"–„s6" auf, die als drei
Paare von im Wesentlichen parallelen Seiten indentifiziert werden
können.
Das Messer 10 schneidet die langen Seiten „s1" und „s2", die durch die Längen- und
Breitenabmessungen „l" bzw. „w" definiert sind.
Die Ritzmesser 22 schneiden die Seiten „s3" und „s4" über
die Breite und Dickenabmessung „t". Die Oberflächenstruktur der Seiten „s1"–„s4" kann etwas Spaltung zeigen, ist aber
vor allem aufgrund der Schneidens oder Ritzens relativ glatt. Die Seiten „s3" und „s4" sind besonders glatt,
da sie quer zur Faser geschnitten werden. Die verbleibenden Seiten „s5" und „s6" werden durch Brechen
gespalten, durch im Stand der Technik gut bekannte Mittel, die für die vorliegende
Erfindung nicht besonders einschlägig sind und nicht beschrieben
werden müssen. Es
sei jedoch angemerkt, dass durch das Brechen der Seiten „s5" und „s6" sich das Holz entlang
der Faserrichtung „g" spaltet, so dass
die Holzfasern relativ unbeschädigt
sind und die Oberflächenstruktur
der Seiten daher im Vergleich zu den Seiten „s1"–s4" relativ unregelmäßig ist.
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Da
die Messer 10 auf der runden Scheibe 11 befestigt
sind, variieren die Seiten „s3" und „s4", die von den Ritzmessern 22 geschnitten
werden, von quer zur Faserrichtung „g" bis zu dem Punkt, wo sie in einem spitzen
Winkel zur Faserrichtung „g" verlaufen. Die Seiten „s3" und „s4" sind jedoch in Bezug
auf eine vorgegebene Dicke „t" ein minimaler Bereich, d.h.
sie verlaufen quer zu den Seiten „s1" und „s2". Dies bringt z.B. Vorteile gegenüber der
in Altosaar vorgeschlagenen Holzspangeometrie, wo die entsprechenden
Seiten spitze und stumpfe Winkel bilden. Ein erster Vorteil ist,
dass die Erfindung denjenigen Bereich wünschenswert verringert, in
dem die Holzfasern durch das Schneiden beschädigt werden können. Dies
ist besonders für
solche Holzspäne wichtig,
bei denen die Fasern in Winkeln quer geschnitten werden, so dass
der größere Anteil
der Späne
leicht beschädigt
werden kann. Ein zusätzlicher
Vorteil ist, dass, wie oben erwähnt,
die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen rechteckigen Ecken
stärker
sind als Ecken mit spitzem Winkel; daher werden die Späne beim
anschließenden
Verpacken, Befördern
und Verarbeiten nicht so leicht beschädigt.
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Die
Veränderlichkeit
der Spandicke, der bisher beim Erzeugen von Spänen zur Zellstoffgewinnung
bei Verfahren nach dem Stand der Technik begegnet wurde, wird dadurch
im Wesentlichen eliminiert, dass das Messer 10 die Dicke
direkt schneidet. Zusätzlich
wird durch die Verwendung der Schneidmesser 22 die Veränderlichkeit
in der Spanlänge
in einem Niveau beibehalten, das bei demjenigen des Standes der
Technik oder darunter liegt. Es wird angenommen, dass der Grad der
Dimensionssteuerung, den dieses Verfahren gewährleistet, ca. 30% Ertragsanstieg
bei der Ausbeute der verwendbaren Zellulosefasern aus dem Zellstoffkocher
ergibt.
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Es
sollte noch angemerkt werden, dass oben zwar ein spezieller Holzspan
und ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Zellstoff dargestellt und
beschrieben wurde, zusätzlich
zu den bereits erwähnten
jedoch andere Konfigurationen verwendet werden könnten, ohne von den Grundsätzen der
Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wurde zur Verdeutlichung der
Erfindung zwar eine Ausführungsform
für einen
Zerspaner verwendet und viele der hier angestellten Überlegungen
sind speziell auf diesen anwendbar, es kann jedoch auch eine andere
geeignete Einrichtung zur Formung des Holzspans verwendet werden
und es können
andere Überlegungen,
Vorteile und Nachteile betroffen sein, ohne von den Grundsätzen der
Erfindung abzuweichen.
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Die
Begriffe und Ausdrücke,
die in der vorangegangenen Beschreibung verwendet werden, werden
hier als Begriffe der Beschreibung und nicht der Beschränkung verwendet,
und es liegt keine Absicht vor, derartige Begriffe und Ausdrücke so zu
verwenden, dass Äquivalente
der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon ausgeschlossen
werden. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass der Umfang der Erfindung
lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert und limitiert
wird.