AT390287B - Verfahren und vorrichtung zum kalandrieren einer papierbahn - Google Patents

Description

Nr. 390 287

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalandrieren einer Papierbahn, um eine hoch glänzende, glatte Bahn von im wesentlichen konstanter Dichte und mit minimaler Marmorierung zu erhalten, bei welchem Verfahren wenigstens ein Walzenspalt für jede Fläche der zu kalandrierenden Bahn vorgesehen wird, zur Bildung des Walzenspaltes eine Stahlwalze und eine nachgiebige Walze eingesetzt werden und die Bahn durch jeden Walzenspalt geführt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es gibt verschiedene Arten von Kalandrierungsvorgängen. Eine Art, bekannt als Superkalandrierung, besteht darin, eine Bahn nacheinander durch eine Reihe von Walzenspalten zu führen, die durch Paare von Eisenwalzen und gefüllten Walzen gebildet werden. Der Ausdruck Superkalandrierung wird verwendet, da acht oder mehr derartiger Walzenspalte vorhanden sein können, durch die die Bahn hindurchtritt. Superkalandrierung kann der Bahn nützliche Eigenschaften geben, einschließlich verbessertem Glanz, Dichte, Glattheit und dgl.

Eine andere Art von Kalandrierung ist der Ein- oder Doppeldurchtrittskalander, bei dem relativ wenige Walzenspalte durch Paare von Eisenwalzen verwendet werden, so z. B. ein oder zwei Walzenspalte. Eine derartige Kalandrierung ist für einige Papierarten zufriedenstellend, ist jedoch nicht zur Herstellung von Papier mit hohem Glanz und hoher Glätte für Qualitätsdruck geeignet

Wenn möglich, so würde es selbstverständlich bevorzugt werden, eine Bahn durch möglichst wenige Walzenspalte hinduichzuführen, um die gewünschten Eigenschaften, die für den Qualitätsdruck notwendig sind, zu erreichen.

Eine durch viele Walzenspalte hindurchtretende Bahn wird ständig weniger geeignet, zusätzliche Bearbeitung ohne Brechen, Reißen, Springen usw. zu tolerieren. Infolgedessen wäre es äußerst erwünscht, ein Qualitätspapier ohne der Notwendigkeit, eine Bahn superzukalandrieren, herzustellen. Kurz gesagt, es wäre erwünscht, ein Qualitätspapier durch einen Kalandrierungsvorgang zu erzeugen, der nur einige wenige Walzenspalte, z. B. zwei oder weniger, aufweist

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Bahn mit einem Temperaturgradienten zu kalandrieren, um einen verbesserten Glanz, Glätte, Festigkeit und Farbübertragungseigenschaften zu erreichen. Dies ist in einem Artikel R.H. Crotogino beschrieben, veröffentlich im Tappi Journal vom Oktober 1982, auf den Seiten 97 bis 101. Der Crotogino-Artikel beschreibt einen Kalandrierungsvorgang, bei dem eine Bahn durch zwei Walzenspalte geführt wird, die durch beheizte Eisenwalzen gebildet werden. Die Walzen werden auf eine Temperatur von etwa 210 °C (410 °F) erwärmt. Mit Temperaturgradientkalandrierung ist gemeint, daß es hier einen merklichen Unterschied zwischen Temperaturen gibt, denen die Bahnoberfläche und das Bahninnere ausgesetzt werden. Wenn daher eine relativ kalte Bahn mit sehr heißen Eisenwalzen in Berührung kommt, so besteht ein beträchtliches Temperaturdifferential zwischen der Oberfläche der Bahn und dem Innenteil. Wenn die Bahn durch die Walzenspalte der erhitzten Walzen zusammengedrückt wird, so wird die heiße äußere Bahnoberfläche mehr deformiert als das Innere, wodurch sich eine glattere, glänzendere Bahn ergibt, die eine höhere Festigkeit und eine bessere Farbübertragungsfähigkeit hat als Bahnen, die bei mäßiger Temperatur maschinenkalandriert werden. Crotogino behauptet, daß Walzenspalttemperaturgradientkalandrierung sich der Qualität nähert, die man durch Superkalandrierung hinsichtlich Glätte und Glanz erreicht

Die Crotoginoanordnung ergibt eine konstante Dicke der Bahn, jedoch nicht eine konstante Dichte. Der Grund liegt hauptsächlich in der Starrheit der erwärmten Eisenwalzen. Das Fehlen der Dichtesteuerung ergibt eine Marmorierung der Bahn. Mit Marmorierung ist gemeint, daß Abweichungen, die der Bahn eigen sind (hohe und tiefe Stellen) vom Walzenspalt nicht in gleichem Maß behandelt werden. Es werden so die hohen Stellen glänzender und glatter als die tiefen Stellen, die nicht der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck ausgesetzt sind.

Es ist erwünscht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Vorteile der Temperaturgradientkalandrierung - wenige Walzenspalte - hat, jedoch Hochqualitätsbahnen ohne Marmorierung erzeugen können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für die Temperaturgradientkalandrierung zu schaffen, die die Vorteile der Temperaturgradientkalandrierung, d. h. wenige Walzenspalte haben, wobei gleichzeitig eine Hochqualitätsbahn mit konstanter Dicke und geringer oder gar keiner Marmorierung erzeugt wird.

Es ist weiters Aufgabe der Erfindung, ein Temperaturgradientkalandrierungsverfahren mit zwei Walzenspalten und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine beheizte Eisenwalze zusammen mit einer unbeheizten nachgiebigen Walze verwendet, wodurch beide Seilen einer Bahn behandelt werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Temperaturgradientkalandrierungsverfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine ballige, nachgiebige Steuerwalze verwenden, um die Qualität des Glättvorganges maximal zu machen.

Das Verfahren zur Lösung aller dieser Aufgaben ist dadurch gekennzeichnet, a) daß man zum Kompensieren von Bahnänderungen, Walzenabnutzung, heißen Stellen und dgl. das Profil der nachgiebigen Walze durch ein hydraulisches Servosystem mit einer Pumpe zum Zuführen von Öl zu ausgewählten Walzenelementen ändert, um eine im wesentlichen konstante Dichte der Bahn zu gewährleisten und die Marmorierung im wesentlichen zu beseitigen, und b) daß man die Stahlwalze auf eine Temperatur von wenigstens 177 °C erwärmt, die ausreicht, die Oberflächenfasem in der Papierbahn zu verformen, jedoch geringer ist als die Temperatur, die notwendig ist, um -2-

Nr. 390 287 die inneren Fasern zu verformen, wodurch die inneren Fasern relativ kühler und im wesentlichen unverändert bleiben. Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird die Stahlwalze auf eine Temperatur im Bereich von 177 bis 200 °C erwärmt. Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat erfindungsgemäß die nachgiebige Walze ein veränderbares Profil, wobei die Stahlwalze beheizbar ist.

Die Erfindung kombiniert die Vorteile der Superkalandrierung mit den Vorteilen der Temperaturgradientkalandrierung, wodurch relativ wenige Walzenspalte benötigt werden, um eine Bahn mit verbessertem Glanz, Glätte und Farbübertragungseigenschaften zu erzeugen, wohingegen gleichzeitig Qualitäten vorgesehen sind, die sonst nur mit der Superkalandrierung erreichbar sind. Dies wird durch Verwendung von zwei Walzenpaaren erreicht, die zwei Walzenspalte bilden (vorausgesetzt beide Seiten der Bahn sind zu behandeln). Der erste Walzenspalt verwendet eine beheizte Eisenwalze und eine unbeheizte, nachgiebige Walze. Der zweite Walzenspalt besitzt das gleiche Walzenpaar, jedoch in umgekehrter Lage, um die andere Seite der Bahn zu behandeln. Die Eisenwalzen werden auf eine Temperatur von wenigetens 177 °C (350 °F) erwärmt; dies ist die ungefähre Temperatur, bei der Zellulosefasem in der Bahn zu erweichen und zu deformieren beginnen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die nachgiebige Walze, die aus Nomex oder einem anderen verfügbaren, elastischen Material bestehen kann, ein Zonensteuerungssystem beinhalten. Mit einer Zonensteuenmg ist gemeint, daß die ballige Geometrie verändert werden kann, um heiße Stellen zu beseitigen, die durch Änderungen im Bahnprofil oder in den Walzen aufgrund von Abnutzung oder Beschädigung hervorgerufen werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben.

Fig. 1 ist die Wiedergabe einer Ausbildung, die in dem Crotogino-Artikel auftritt, auf den bei der Grundlage der Beschreibung Bezug genommen worden ist.

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignet ist.

Fig. 3 ist eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer einstellbaren, balligen, nachgiebigen Walze.

Fig. 4 ist eine Zeichnung, die die Art und Weise anzeigt, in der die einstellbare, ballige Steuerwalze arbeitet

Die Erfindung betrifft Temperaturgradientkalandrierung. Diese Technik beinhaltet die Verwendung von Hochtemperaturwalzen zum Kalandrieren der Bahn, wobei die Temperaturen weit über der Temperatur der Bahn vor dem Eintritt in den kalandrierenden Walzenspalt sind.

Bei Standardkalandrierungsvorgängen, ob nun Maschinenkalander oder Superkalander verwendet werden, ist die maximale Arbeitstemperatur gewöhnlich nicht mehr als 93 °C (200 °F). Diese Temperatur wird durch Erwärmen der Eisenwalzen erzeugt, die wenigstens eine der beiden Walzen für jeden Walzenspalt bilden. In einigen Fällen liegt die Stahlwalze einer nachgiebigen Walze gegenüber, die während längerer Betätigung des Kalanders selbst so heiß oder noch heißer wie die Stahlwalze werden kann. Maschinenkalandrierung (wenige Walzenspalte) kann kein hohes Glanzpapier mit konstanter Dichte herstellen. Wenn ein höherer Glanz erwünscht wird, so ist es notwendig, einen Superkalander mit einer Vielzahl von Walzenspalten (in der Größenordnung von 9 bis 11) zu verwenden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dies hat jedoch einen nachteiligen Einfluß auf die Masse und bedingt natürlich teure Maschinen in einer sekundären Bearbeitung.

Im Gegensatz verwendet die Temperaturgradientkalandrierung nur einen oder zwei Walzenspalte, die einen hohen Glanz ohne Verlust an Körper erreichen können. Weiters kann dies gegebenenfalls "an der Maschine" durchgeführt werden, d. h. direkt, wenn die Bahn aus der Papierherstellungsmaschine kommt und nicht bei einer zweiten Behandlung einer bestehenden Bahn, wie dies im Falle der Superkalandrierung der Fall ist. Bei der Temperaturgradientkalandrierung können eine oder beide der einen Walzenspalt bildenden Walzen auf eine Temperatur von wenigstens 177 °C (350 °F) erwärmt werden. Diese Temperatur ist kritisch, hängt jedoch von der "Fließtemperatur" der jeweiligen Fasern der Bahn ab. Um eine wirksame Temperaturgradientkalandrierung zu erreichen, muß die Walzenspalttemperatur ausreichend sein, damit die Oberflächenfasern der Bahn deformiert werden.

Temperaturgradientkalandrierung mit zwei beheizten Stahlwalzen ist in dem erwähnten Stand der Technik gemäß Crotogino beschrieben. Fig. 1 ist eine Wiedergabe einer Abbildung aus dem Crotogino-Hinweis und zeigt den Temperturgradientenunterschied zwischen gewöhnlichem Kalandrieren und Temperaturgradientkalandrieren. Wie aus der linken Seite der Abbildung ersehen werden kann, ist bei der üblichen Kalandrierung der Temperaturunterschied zwischen den Kalanderwalzen und dem Papier sowie auch die Temperaturveränderung über die Dicke der Bahn klein. Der Walzenspaltdruck verformt die gesamte Bahn gleichmäßig über ihre Dicke im Ergebnis. Ein hoher Glanz bedingt daher viele Walzenspalte und ergibt einen Verlust an Bahnkörper.

Im Falle der Temperaturgradientkalandrierung wird die Bahn mit sehr heißen Kalanderwalzen in Berührung gebracht, wobei der gezeigte, hohe Temperaturgradient zwischen der Oberfläche und dem mittleren Teil der Bahn erzeugt wird. Der Spaltdruck an den heißeren Oberflächen der Bahn läßt diese mehr verformen als den mittleren Teil der Bahn, wodurch sich mit geringem Körperverlust ein verbesserter Glanz ergibt

Crotogino stellt daher eine Verbesserung dar, da Hochglanz mit nur wenigen Walzenspalten erreicht werden kann. Das Verfahren von Crotogino mit zwei beheizten Stahlwalzen erzeugt jedoch eine Bahn mit einer konstanten Dicke, jedoch nicht konstanter Dichte aufgrund der unvermeidlichen Änderungen (hohe und niedere Stellen) in der Bahn. Die Technik von Crotogino ergibt somit, obwohl sie einen höheren, mittleren Glanz -3-

Nr. 390 287 erzeugt, eine marmorierte Bahn, bei der einige Teile der Bahn glänzender sind als andere. Dieser Effekt kann mit den Druckvorgängen aufeinander einwirken, indem Änderungen der Farbübertragung und schließlich der Lesbarkeit des Papiers hervorgerufen werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Vorteil der Hochtemperaturkalandrierung - höherer Glanz mit weniger Walzenspalten - jedoch ohne Marmorierung erreicht Die vorliegende Erfindung verwendet wenigstens einen Walzenspalt der durch eine beheizte Stahlwalze und eine elastische oder nachgiebige Walze gebildet wird. Wenn nur eine Seite der Bahn kalandriert werden muß, ist ein einziger Walzenspalt ausreichend. Wenn beide Seiten einer Bahn kalandriert werden sollen, werden zwei Walzenspalte benötigt. Wenn eine weitere Verbesserung der Bahn gewünscht wird, kann Papierkalandrierung mit drei oder mehr Walzenspalten notwendig sein.

Zur Darstellung der Erfindung zeigt Fig. 2 eine Doppelwalzenspaltanordnung zur Durchführung der Erfindung. In Fig. 2 ist eine Tragsäule (10) mit zwei Walzenpaaren vorgesehen, die einen ersten Walzenspalt (12) und eine zweiten Walzenspalt (14) bilden, durch die eine Bahn (16) hindurchgehL Der Walzenspalt (12) wird durch eine beheizte Stahlwalze (18) und eine unbeheizte, nachgiebige Walze (20) gebildet. Der Walzenspalte (14) ist in ähnlicher Weise durch eine Stahlwalze (22) und eine nachgiebige Walze (24) gebildet. Es sei jedoch bemerkt, daß die relativen Lagen der Stahlwalze und der nachgiebigen Walze verdreht sind, so daß beide Oberflächen der Bahn (16) behandelt werden. Gemäß der Erfindung werden die Stahlwalzen (18) und (22) auf die notwendige Temperatur erwärmt, bei der die Fasern der Bahnoberfläche sich zu verformen beginnen. Dies ist im ungefähren Bereich von 177 °C bis 204 °C (350 °F bis 400 °F). Die nachgiebigen Walzen (20) und (24) können aus einer Vielzahl elastischer Materialien hergestellt sein, wie z. B. Nomex, papiergefüllte Walzen und dgl. Sie sind nicht beheizt, obwohl sie aufgrund der Wärmeübertragung von der Stahlwalze ziemlich heiß werden.

Da sich die nachgiebigen Walzen an die Änderungen der Bahn anpassen, wird der Marmorierungseffekt gemäß der Technik von Crotogino vermieden. Die vorliegende Erfindung ist geeignet, einen hohen Glanz bei einer gewählten, konstanten Dichte herzustellen. Der Glanz auf der Bahn ist relativ gleichmäßig und die Dichte der Bahn ist im wesentlichen konstant. Mit Bezug zur folgenden Tabelle sind Vergleichsdaten für übliches Superkalandrieren, die Crotogino-Methode und die vorliegende Erfindung gezeigt:

Tabelle 1

Beschichtetes Papier

Gardner Glanz Filz_Draht

Druckfläche (Rauheit)

Filz_ Draht

Supeikalander (9 Walzenspalte) 87 Crotogino 2 beheizte Stahlwalzen (1 Durchgang) 72 vorliegende Erfindung 1 beheizte Stahlwalze 1 nachgiebige Walze (2 Durchgänge) 82 82 1,21 1,59 70 1,90 2,20 81 1,47 1,69 -4-

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Tabelle 2 Zeitungsdruck

Gardner Glanz Filz_Draht

Druckfläche (Rauheit) Filz Draht

Supeikalander (9 Walzenspalte) Crotogino 2 beheizte Stahlwalzen (1 Durchtritt) vorliegende Erfindung 1 beheizte Stahlwalze 1 nachgiebige Walze (2 Durchtritte) 27 35 26 24 33 35 2,13 2,06 3,47 3,51 2,41 2,40

Wie aus der Tabelle ersehen werden kann, ergibt die vorliegende Erfindung ein Produkt mit ausgezeichnetem Glanz und einer Paiker-Drackfläche (ein Maß für Rauheit). Bei der Betrachtung der Daten muß beachtet weiden, daß genaue Vergleiche schwierig durchzuführen sind, und zwar aufgrund des Unterschiedes der Papierbahnen von Probe zu Probe, geringe Unterschiede in den Untersuchungsvorgängen und die Fehlerbegrenzungen der Meßtechniken. Trotzdem kann man aus den Daten in geeigneter Weise schließen, daß die vorliegende Erfindung eine ausgezeichnete Bahn ergibt, die mit der Superkalandrierung vergleichbar ist und im wesentlichen besser ist als die Temperaturgradientkalandrierung, die man mit der Technik von Crotogino erhält, wobei das Marmorierungsproblem vermieden wird.

In der Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In Fig. 3 sind die Elemente, die mit der Fig. 2 identisch sind, ähnlich bezeichnet. Diese Ausführungsform der Erfindung verwendet speziell konstruierte, nachgiebige Walzen (30) und (32), die eine veränderbare Umfangssteuerung haben. Veränderbare Umfangssteuerwalzen können ihr Profil über die Querrichtung der Bahn einstellen, um heiße Stellen zu beseitigen, die durch ungleiche Abnützung der Walzen, ungleiche Belastung (Walzenspaltdruck) oder andere Faktoren, denen man normalerweise beim Kalandriervorgang begegnet, hervorgerufen werden. Beim Stand der Technik sind veränderbare Walzen normalerweise Stahlwalzen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jedoch ist es erwünscht, eine nachgiebige Walze mit veränderbaren Oberflächenmöglichkeiten zu haben. Dies ist notwendig, da die bestehenden, veränderbaren Walzen nicht auf die hohen Temperaturen 177 bis 204 °C (350 - 400 °F) erwärmt werden können, die notwendig sind, um das Temperaturgradientkalandrieren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen.

Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die nachgiebige Rolle eine Walze mit veränderbarer Oberfläche. Ihr Profil wird von der Bedienungsperson als Funktion einer Variablen eingestellt, die mit der Qualität der Bahn verbunden ist, wie z. B. das Temperaturprofil über dem Walzenspalt, die Dicke der Bahn nach dem Kalandrieren usw. Der Mechanismus für das Einstellen der Oberfläche und die Techniken zur Steuerung der Einstellungseinrichtungen sind im Stand der Technik bekannt, wie z. B. in der US-PS 4 327 468 und 4 480 537 geoffenbart, wobei letztere auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und auf die im vorliegenden Zusammenhang Bezug genommen wird. Kurz gesagt, besitzt der Mechanismus ein hydraulisches Servosystem mit einer Pumpe zum Zuführen von Öl zu ausgewählten Elementen (40), um das Profil der kalandrierenden Oberfläche (42) der nachgiebigen Rolle zu ändern.

In Betrieb werden die Stahlwalzen (18) und (22) auf die gewünschte Temperatur von ungefähr 177 bis 200 °C (350 - 400 °F) vorgeheizt. Die Bahn wird dann durch die Walzenspalte geführt und der Stahlwalze und den nachgiebigen Walzen ausgesetzt, um sie so zu glätten und dabei den Glanz und die Glätte der Bahnoberfläche ohne beträchtlichen Verlust am Körper zu verbessern. Die Dichte wird im wesentlichen konstant gehalten, und zwar aufgrund der Fähigkeit der nachgiebigen Walze sich den Änderungen der Bahn anzugleichen und Bahnänderungen auszugleichen. Diese Fähigkeit wird durch die Verwendung von nachgiebigen Walzen mit veränderbaren Oberflächeneinstellungsmöglichkeiten auf ein Optimum gebracht. Die sich ergebende Bahn hat einen hohen Glanz und hohe Glätte, einen guten Körper, konstante Dichte und von gleicher Wichtigkeit, eine Marmorierung ist nicht feststellbar.

Die Erfindung ist auf die gezeigten und dargestellten Ausführungsformen nicht beschränkt und kann ohne weiteres abgeändert werden. -5-

Claims (3)

1. Nr. 390 287 PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Kalandrieren einer Papierbahn, um eine hochglänzende, glatte Bahn von im wesentlichen konstanter Dichte und mit minimaler Marmorierung zu erhalten, bei welchem Verfahren wenigstens ein Walzenspalt für jede Fläche der zu kalandrierenden Bahn vorgesehen wird, zur Bildung des Walzenspaltes eine Stahlwalze und eine nachgiebige Walze eingesetzt werden und die Bahn durch jeden Walzenspalt geführt wird, dadurch gekennzeichnet, a) daß man zum Kompensieren von Bahnänderungen, Wälzenabnutzung, heißen Stellen und dgl. das Profil der nachgiebigen Walze durch ein hydraulisches Servosystem mit einer Pumpe zum Zuführen von Öl zu ausgewählten Walzenelementen ändert, um eine im wesentlichen konstante Dichte der Bahn zu gewährleisten und die Marmorierung im wesentlichen zu beseitigen, und b) daß man die Stahlwalze auf eine Temperatur von wenigstens 177 °C erwärmt, die ausreicht, die Oberflächenfasem in der Papierbahn zu verformen, jedoch geringer ist als die Temperatur, die notwendig ist, um die inneren Fasern zu verformen, wodurch die inneren Fasern relativ kühler und im wesentlichen unverändert bleiben.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlwalze auf eine Temperatur im Bereich von 177 bis 204 °C erwärmt wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, um eine hochglänzende, glatte Bahn von im wesentlichen konstanter Dichte mit minimalem Marmorieren zu erreichen, wobei wenigstens ein Walzenspalt zum Durchtritt der zu kalandrierenden Bahn vorgesehen ist und der Walzenspalt durch eine Stahlwalze und eine nachgiebige Walze gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Walze (20) ein veränderbares Profil hat und die Stahlwalze (18) beheizbar ist Hiezu 2 Blatt Zeichnungen