AT519996B1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Stahlyankees - Google Patents

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Abstract

Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee- Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge (Stähle aus ASME SA516, ASME SA36 sowie AD2000 W1 Stähle 2.1 bis 2.4) aufweist. Erfindungsgemäß wird die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und dadurch gehärtet.

Description

VERFAHREN ZUR OBERFLÄCHENBEHANDLUNG EINES STAHLYANKEES [0001] Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Behandlung eines YankeeZylinders, wobei der Yankee- Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem ferritischperlitischen Gefüge aufweist.
[0002] Für die Herstellung von Papierbahnen oder Tissue ist es üblich, sogenannte YankeeZylinder im Trocknungsprozess einzusetzen.
[0003] Yankee-Zylinder haben meistens einen sehr großen Durchmesser. Sie werden von innen her mit Dampf beheizt und sind schwer herstellbar, da sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die internen Drücke, Dichtheit und die großen Durchmesser erfüllt werden müssen.
[0004] Handelsübliche Yankee-Zylinderweisen beispielsweise folgende Dimensionen auf:
Zylinderdurchmesser: Hohlwellendurchmesser:
Zylinderlänge: Zylindermasse:
[0005] Beim Trocknungsprozess einer Faserstoffbahn liegt eine Schaberklinge an der äußeren Umfangsfläche des Yankee- Zylinders an, mit der die getrocknete Faserstoffbahn von der Yankee-Oberfläche abgeschabt wird. Durch einen eventuellen Kontakt der Schaberklinge mit der Zylinderoberfläche ist es nicht auszuschließen, dass es zum Materialabtrag der Yankee-Oberfläche kommt. Um diesen Materialabtrag zu reduzieren, ist es üblich, die Yankee-Oberfläche mit einer Hartstoffschicht zu beschichten. Die EP 2 474 665 A1 beschreibt beispielsweise einen Yankee- Zylinder, der mit einer entsprechenden Hartstoffschicht beschichtet ist.
[0006] Yankee-Zylinder wurden früher überwiegend aus Gusseisen hergestellt, aus dem U.S. Patent US 4,196,689 und der WO 2008/105005 A1 sind aber auch bereits Yankee-Zylinder aus Stahl bekannt.
[0007] Yankee-Zylinder aus Stahl weisen durch die bessere Wärmeleitfähigkeit des Stahls eine höhere Trocknungsleistung auf als Gusszylinder.
[0008] Da Stahl (Härte 140 HB) jedoch eine geringere Härte als Guss (Härte 240 HB) aufweist, werden Stahlyankees mit einem Verschleißschutz thermisch beschichtet. Dabei wird ein Draht geschmolzen und auf die Yankee-Oberfläche gespritzt, die dabei entstehende thermisch gespritzte Schicht weist eine erheblich höhere Härte als Stahl auf.
[0009] Die aufgespritzten Schichten, haben eine Schichtdicke von ungefähr 0,75 mm.
[0010] Diese Art der Oberflächenbehandlung ist jedoch recht aufwändig, da die Zylinderoberfläche vor der Beschichtung sandgestrahlt und nach der thermischen Beschichtung geschliffen und poliert werden muss. Es besteht auch ein Risiko des Abplatzens der Beschichtung.
[0011] Der Hauptnachteil dieser thermisch aufgespritzten Schicht liegt jedoch in ihrer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit einer thermisch gespritzten Schicht liegt nur im Bereich von 3-7 W/mK. Dem gegenüber weist der Stahlmantel des Yankees eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 45 W/mK auf.
[0012] Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Oberflächenbehandlung eines YankeeZylinders aus Stahl bereitzustellen, das eine möglichst harte Oberflächenschicht mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ergibt.
[0013] Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
[0014] Erfindungsgemäß wird die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und so gehärtet.
/4
AT 519 996 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt [0015] Dabei wird die gesamte äußere Oberfläche des Yankee- Zylindermantels durch einen Laserstrahl abgefahren, erhitzt und so gehärtet.
[0016] Ein erfindungsmäßig gehärteter Stahlyankee hat dadurch einen 7% höheren Wärmetransfer und ermöglicht eine Produktionssteigerung um 5% gegenüber herkömmlich beschichteter Yankee-Zylinder aus Stahl.
[0017] Die Dicke der gehärteten Oberflächenschicht beträgt zwischen 0,3 und 1,5 mm.
[0018] Beim herkömmlichen Laserstrahlhärten handelt es sich um ein Umwandlungshärten, bei dem ferritisch-perlitischer Stahl sehr schnell (mit ca. 1.000 K/s) auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der sich die Gitterstruktur in einen feinen Austenit umwandelt. Die Zementitlamellen im Perlit lösen sich auf und der freigesetzte Kohlenstoff diffundiert in das Innere des Austenitkorns. Wenn sich der Laserstrahl fortbewegt, kühlt das Material infolge Selbstabschreckung schnell ab und die Gitterstruktur wandelt sich erneut. In einem konventionellen Verfahren zum Laserhärten unterdrückt die extrem schnelle Abkühlung die Diffusion des gleichmäßig im Austenit gelösten Kohlenstoffs. Damit wird die Bildung der ferritisch-perlitischen Mikrostruktur verhindert und es bildet sich der harte Martensit. Martensit ist zwar sehr hart, jedoch wäre die Bildung von Martensit auf der Yankee- Oberfläche nachteilig. Martensit begünstigt die Bildung von Mikrorissen, die die Lebensdauer des Stahlzylinders erheblich verkürzen können.
[0019] Vorzugsweise kommt es daher beim erfindungsgemäßen Verfahren zu keiner Gefügeveränderung, sondern nur zu einer Umkörnung, wodurch eine Feinkornhärtung erfolgt. Das ferritisch-perlitische Gefüge bleibt erhalten und die Bildung von Martensit wird unterbunden. Die Abkühlung der austenitisierten Schicht muss dabei unter der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit bleiben. Bei der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit beginnt sich noch der Martensit zu bilden.
[0020] Es ist günstig, wenn als Basismaterial für den Zylindermantel Stähle aus ASME SA516, ASME SA36 sowie AD2000 W1 Stähle 2.1 bis 2.4. verwendet werden. Beispielsweise eignet sich P355NH (DIN EN 10028-3) gut als Basismaterial.
[0021] Dieser Feinkornbaustahl ist durch eine Mindeststreckgrenze von 275-460 MPa sowie durch eine gute Schweißbarkeit und Sprödbruchsicherheit gekennzeichnet. Durch die Laserstrahlhärtung lassen sich so Härten von bis zu 400 HB erreichen, wenn auf konventionellen Weg gehärtet wird. Bei diesem neuen Verfahren wird eine max. Härte von 320HB angestrebt, bei ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 45 W/mK.
[0022] Die Härte von Gusszylinder liegt zum Vergleich im Bereich von 230 - 280 HB.
[0023] Es ist günstig, wenn die Oberfläche des Yankee-Zylinders durch den Laserstrahl kurzzeitig auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C erwärmt wird. Für die Wärmebehandlung wird vorzugsweise ein Hochleistungs-Diodenlaser oder CO2-Laser verwendet, damit lassen sich Aufheizraten von > 1000°C/s realisieren.
[0024] Mit Hilfe des Laserstrahls kann auch ein Muster auf der Zylinderoberfläche erzeugt werden, durch das die Bildung eines Chemical Coating Films erleichtert werden kann. Mit dem Chemical Coating können verschiedene Nebenaufgaben erfüllt werden (Haften der Faserstoffbahn auf der Zylinderoberfläche, Ablösen der Faserstoffbahn am Ende des Trocknungsprozesses, sowie Beeinflussung der Eigenschaften des hergestellten Tissues). Beispielsweise können durch den Laserstrahl eine Vielzahl von über die Manteloberfläche gleichmäßig verteilte Vertiefungen in die Oberfläche eingebrannt werden, sodass dadurch eine poröse Oberfläche erzeugt wird.
[0025] Vorzugsweise wird die Oberfläche des Yankee-Zylinders nach der Wärmebehandlung poliert. Ein Schleifen der Oberfläche ist im Regelfall nicht mehr notwendig.
[0026] Zur Verkürzung der Behandlungsdauer ist es auch denkbar, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig wärmebehandelt wird.
[0027] Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielshaft beschrieben.
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AT 519 996 B1 2020-03-15 österreichisches patentamt [0028] Der weitgehend fertig bearbeitete Yankee-Zylinder wird vorzugsweise horizontal mit seinen Achsstummeln drehbar eingespannt. Über einen oder mehrere Laserstrahlen wird die Mantel-Oberfläche wärmebehandelt. Dabei wird der Yankee langsam gedreht, sodass der Laserstrahl den gesamten Umfangsbereich überstreicht. Durch Verfahren des Lasers in axialer Richtung (parallel zur Yankee-Achse) kann die gesamte Zylindermanteloberfläche wärmebehandelt werden. Durch die Verwendung mehrerer Laser kann die Bearbeitungszeit verkürzt werden. Die Behandlung kann über Hochleistungsdiodenlaser erfolgen, die einen leistungsstarken, energiereichen Laserstrahl erzeugen.
[0029] Dabei kommt es zu einer sehr schnellen partiellen Erwärmung des Bauteiles (> 1000°C/s). Danach kommt es zu einer Selbstabschreckung aufgrund von Wärmedissipation in das Bauteilinnere und an die Umgebung. Aufgrund dessen entsteht eine gehärtete Spur mit einer feinkörnigen Mikrostruktur. Ein Anlassen des Yankees kann dadurch auch entfallen.
[0030] Der Yankee wird nach der Wärmebehandlung noch poliert, es ist jedoch auch denkbar, dass auf ein Polieren verzichtet werden kann.
[0031] Es ist auch denkbar, dass der Yankee direkt an seinem Einsatzort im eingebauten Zustand wärmebehandelt wird. So können auch bereits verwendete Yankee-Zylinder nachträglich gehärtet werden.

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee-Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit zumindest einem Laserstrahl wärmebehandelt und so gehärtet wird, wobei die Oberfläche durch den Laserstrahl auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C erwärmt wird, sodass durch die Wärmebehandlung eine Umkörnung des Gefüges an der Oberfläche stattfindet, wobei jedoch das ferritisch-perlitische Gefüge weitgehend erhalten bleibt.
  2. 2. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahl für den Zylindermantel schweißbarer Feinkornbaustahl P355NH verwendet wird.
  3. 3. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit Hilfe eines Diodenlasers oder CO2- Lasers durchgeführt wird.
  4. 4. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Yankee-Zylinder mit seinen Achsstummeln drehbar eingespannt und langsam gedreht wird und dass durch Verfahren des zumindest einen Lasers in axialer Richtung, also parallel zur Yankee-Achse, die gesamte Zylindermanteloberfläche wärmebehandelt wird, wobei mit Hilfe des Laserstrahls ein Muster auf der Zylinderoberfläche erzeugt wird.
  5. 5. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Yankee-Zylinders nach der Wärmebehandlung poliert wird.
  6. 6. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig wärmebehandelt wird.
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