DD146636A5

DD146636A5 - Walzenpaar fuer die druckbehandlung von papierbahnen bzw.verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DD146636A5
Application number: DD79216047A
Authority: DD
Inventors: Eduard Kuesters; Werner Hartmann
Original assignee: Eduard Kuesters
Priority date: 1978-10-10
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1981-02-18
Also published as: ATA595779A; AT370148B; BR7906442A; SE7907434L; US4256034A; PL125775B1; NO793191L; FR2438706A1; BE879317A; GB2031115B; PL218801A1; DE2844051A1; DE2844051C3; JPS5551895A; FI792836A; NL7907476A; AR220775A1; GB2031115A; DE2844051B2; AU5078179A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren fuer die Druckbehandlung von Papierbahnen unter Verwendung eines Kalanders mit mindestens einer mit Polyurethan mit einer Haerte von 60 bis 75 shore D beschichteten Oberwalze und mindestens einer Gegenwalze sowie einen Kalander zur Durchfuehrung des Verfahrens. Durch die Erfindung soll erreicht werden, dasz bei einer mit Polyurethan beschichteten Oberwalze trotz Erhoehung der Arbeitsgeschwindigkeit des Kalanders, dem diese Oberwalze angehoert und trotz Erhoehung des Liniendruckes das Auftreten des lokalen Durchgehens der Temperatur und damit in Verbindung eine lokale Verformung des Polyurethans mit Sicherheit auch bei laengerer Betriebsdauer vermieden wird. Als Loesung hierzu ist nunmehr vorgesehen, dasz die Oberwalze so stark gekuehlt wird, dasz fuer die Temperatur des Polyurethans insbesondere an der Oberflaeche der im Betrieb befindlichen Oberwalze gilt: T<T&indG!=23-(Formel)-2(Formel)&exp2!.

Description

AP D 21 G/216 56 218/27

Verfahren sowie Kalander für die Druckbehandlung von Papierbahnen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung, die ein Verfahren sowie einen Kalander für die Druckbehandlung von Papierbahnen betrifft, ist vorzugsweise unter Verwendung eines Kalanders mit mindestens einer mit Polyurethan mit einer Härte von 60 bis 75 shore D beschichteten Oberwalze und mindestens einer Gegenwalze zur Anwendung vorgesehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die meisten der aus der Trockenpartie der Papiermaschine kommenden Papiere bedürfen einer Nachbehandlung zur Verbesserung ihrer Oberflächenstruktur, insbesondere wenn sie für Druck- und Schreibzwecke verwendet werden sollen. Die Oberflächenstruktur des Papiers ist durch seine Glätte und seinen Glanz bestimmt. Als Glätte wird die Ebenheit der Papieroberflächen bezeichnet, der Glanz ist ein Maß für die homogene optische Reflektionsfähigkeit der Papieroberfläche und wird durch die Verdichtung derselben gesteigert. Der Begriff umfaßt die ganze Skala von "hochglänzend" bis "matt".

Zur Steigerung der Glätte wird das Papier durch Glättwerke mit zusammenwirkenden harten Walzen geleitet, die das Papier einebnen. Dadurch, daß das Papier an den Stellen größerer Dicke stärker und an den Stellen geringerer Dicke weniger verdichtet wird, ergeben sich durch die Glättung ein ungleichmäßiger Glanz und bei höheren Drücken sogar dunkle Flecken im Papier. Zur Beseitigung dieser Ungleichmäßigkeiten

216 047

15.1.1980 AP D 21 G/216 047 - 2 - 56 218/27

wird das Papier nachträglich noch durch einen Kalander oder Superkalander geleitet, in dem harte und weiche Walzen zusammenarbeiten. Die weichen Walzen verdichten die Oberfläche des Papiers. Dadurch, daß sie an der Oberfläche nicht völlig starr wie eine Metallwalze sind, können sie sich den durch die unterschiedliche Dichte des geglätteten Papiers gegebenen Unterschieden der Papieroberfläche anpassen und an dieser eine gleichmäßige verdichtende Wirkung ausüben. Bei dieser Wirkung spielt auch die Friktion eine Rolle. Die weichen Walzen werden im Walzspalt etwas zusammengedrückt, wobei sich ein geringer Verformungswulst bildet, weil sich die weiche Walze auf einer kurzen Strecke der harten Walze anpaßt. Die zu dem Wulst führende Verformung geht mit Verlagerungen einher, die auch Komponenten parallel zur Bahnoberfläche aufweist, so daß ein reibender oder massierender Effekt eintritt, der für die erreichbare Oberflächenwirkung von großer Bedeutung ist.

Die sogenannten weichen Walzen können etwa aus sogenannten Papierwalzen bestehen, die durch Aufeinanderschichten von runden Papierscheiben längs der Walzenachse und Zusammenpressen des Stapels in dieser Richtung hergestellt worden sind. Diese Walzen sind an ihrer Oberfläche sehr empfindlich Oeder Fehler der Bahn drückt sich in die Oberfläche ein und verbleibt als Verformung darin, so daß zu seiner Entfernung ein Abschleifen oder längeres Einwaschen der Walze erforderlich wird.

In den Superkalandern sind zwölf und mehr Walzen übereinander angeordnet, wobei sich Stahlwalzen und weiche Walzen miteinander abwechseln. Für die Erzielung des eigentlichen Oberflächeneffektes wären einige wenige Nips (Walzenspalte)

21 6 0 47 15.1.1980

AP D 21 G/216 047 - 3 - 56 218/27

ausreichend. Die weiteren Nips sind nur noch zum Ausgleich von Oberflächenfehlern des Papiers erforderlich, die durch Oberflächenfehler der ersten Walzen erzeugt worden sind.

Die große Anzahl von übereinanderliegenden Walzen führt zu einer durchaus nicht immer erwünschten starken Verdichtung des Papiers, wenn die Walzen unter ihrem Gewicht aufeinanderliegen und in den unteren Nips entsprechend hohe Liniendrücke herrschen. Wenn dies vermieden werden soll, ist eine aufwendige Einrichtung zum teilweisen Ausgleich des Walzengewichts erforderlich·»

Hinzu kommt, daß Störungen im Betrieb eines Superkalanders durch Reißen des Papiers oder Faltenbildung recht häufig sind, so daß er häufiger stillgelegt werden muß* In einer solchen Stillsetzungszeit fallen aber, da die Papiermaschine als solche natürlich weiterlaufen muß, wegen der bis zu 1000 m/min, betragenden Arbeitsgeschwindigkeit moderner Papiermaschinen sehr große Papiermengen an, die nicht weiterverarbeitet werden können* Um diese Verluste zu vermeiden, ist es üblich, einer Papiermaschine zwei außerhalb der eigentlichen Papiermaschine befindliche Superkalander nachzuordnen, so daß bei einem Ausfall des einen die Pfoduktion der Papiermaschine auf den anderen übergehen kann.

Der insgesamt erforderliche Aufwand für die Oberflächenverfeinerung des hergestellten Papiers ist also ganz erheblich.

Es ist bereits versucht worden, als weiche Walzen statt der bisher bekannten Ausführungsformen, deren. Empfindlichkeit einen großen Teil des hohen Aufwands verursachte, solche mit

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 047 - 4 - 56 218/27

einem arbeitenden Walzenumfang aus ancferen Materialien einzusetzen. Bei diesen Versuchen wurde gefunden, daß Polyurethan Eigenschaften aufweist, die es für die Oberflächenveredlung von Papier hervorragend geeignet machen. Das Polyurethan wird in flüssiger Form auf eine Metallwalze aufgebracht, und vernetzt an deren Oberfläche zu einem kompakten Oberzug, der für die hier in Rede stehenden Zwecke eine Härte im Bereich von etwa 60 bis 75 shore D aufweist.

Die mit derartigen Polyurethan-Oberzügen erzielbaren Effekte auf dem Papier sind ausgezeichnet, insbesondere im Mattbereich. Polyurethanwalzen sind also den bisher üblichen weichen Walzen im Superkalander im Hinblick auf die erzielbare Wirkung zumindest gleichwertig, wenn nicht gar überlegen. Sie besitzen sogar eine nicht unerhebliche Glättwirkung. Ein besonders wichtiger zusätzlicher Vorteil besteht aber darin, daß das Walzenmaterial eine enorme Rückstellfähigkeit hat, so daß sich ein Oberflächenfehler, der sich beispielsweise beim Durchlauf einer harten Stelle oder bei einer Doppelung der Papierbahn in die Oberfläche der Polyurethan-Walze eingedrückt hat, schon^; nach einem Umlauf der Walze wieder rückgebildet hat, so daß an der Walzenoberfläche nichts mehr festzustellen ist. Hierdurch wird die Oberflächenstruktur wesentlich vergleichmäßigt. Weil sich in der Oberfläche der Walze keine Fehler halten, ist es auch möglich, auf eine ganze Reihe der Walzen des Kalanders zu verzichten, die nur die Aufgabe hatten, die durch die Oberflächenfehler der weichen Walzen in die Papierbahn hineingebrachten Fehler auszugleichen. Es ist also bei der Verwendung von Polyurethan-Walzen möglich, sich auf die Walzenzahl zu beschränken, die zur Erzielung des

216 0 47

15.1.1980 AP D 21 G/216 047 - 5 - 56 218/27

Effektes auf dem Papier notwendig ist.

Trotz all dieser überzeugenden Vorzüge haben sich jedoch Polyurethan-Walzen für die Oberflächenveredlung von Papier bisher nur in einzelnen Fällen bei kleinen Arbeitsgeschwindigkeiten und relativ niedrigen Drücken einsetzen lassen, weil es nicht gelungen ist, die Walzen bei höheren Arbeitsgeschwindigkeiten und Liniendrücken standfest zu machen. Immer wieder stellte sich heraus, daß ganz unvermittelt an einer Stelle der Arbeitsbreite die Behandlungswirkung auf der Papierbahn nachließ und sich Zerstörungen an der Oberfläche des Polyurethans zeigten.

Es sind vielfältige Bemühungen unternommen worden, durch Variationen der Schichtdicke des Polyurethans und seiner. Zusammensetzung dieser Erscheinungen Herr zu werden, doch sind diese Anstrengungen bisher von keinerlei Erfolg gekrönt gewesen. Walzen mit Polyurethan-Überzug konnten für Zwecke der hier in Rede stehenden Art in Produktionsmaschinen bisher nicht eingesetzt werden.

Es sind bereits umfangreiche Versuche unternommen worden, um dem bisher nicht beherrschbaren Fehlverhalten der Polyurethan-Überzüge für die Oberflächenveredlung von Papier auf die Spur zu kommen. Die Versuche wurden mit einer Anordnung aus zwei zusammenwirkenden Walzen ausgeführt, von denen eine eine durchbiegungssteuerbare sogenannte schwimmende Walze mit einem arbeitenden Walzenumfang aus Stahl und die andere eine konventionelle Walze mit einem Polyurethan-Überzug war.

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 6 - 56 218/27

Die mechanische Beanspruchung des Polyurethans ergibt sich, wenn konstante Eigenschaften der bearbeiteten Papierbahn vorausgesetzt werden können, aus der Arbeitsgeschwindigkeit und dem Liniendruck. Es ist klar, daß durch die Verformung des nachgiebigen Polyurethans eine gewisse Verformungsarbeit aufgewendet wird, die in jeder Zone bei deren Durchlauf durch den Walzenspalt anfällt. Die freiwerdende Leistung hängt von der Zahl der Durchläufe, d. h. von der Arbeitsgeschwindigkeit" direkt proportional ab. Die Verformungsarbeit nimmt auch mit dem Liniendruck zu, allerdings nicht proportional, weil die Verformung bei doppeltem Liniendruck nicht doppelt so groß ist, sondern irgendeinen durch die Form des Verformungswulstes bestimmten Wert annimmt.

Bei den Versuchen erfolgte zunächst eine Belastungssteigerung bis zur erkennbaren Verschlechterung der Behandlungswirkung auf dem Papier. Wenn dieser Punkt erreicht war, ergab sich eine wesentliche Feststellung: Die Temperatur an der Oberfläche der Polyurethan-Walze war in diesen Fällen stets überraschend hoch. Es ergab sich, daß die Beha⁽ _ndlungsef f ekte des Polyurethans auf dem Papier nur eintreten, wenn die Oberflächentemperatur des Polyurethans unterhalb 50 °C liegt.

Der Versuchsstand wurde sodann mit einer hochempfindlichen Temperaturmeß- und Registrieranlage ausgerüstet , die mit Hilfe eines Infrarot-Strahlungs-Thermometers in der Lage war, Temperaturunterschiede von einem Grad in der Oberfläche der Polyurethan-Schicht berührungslos einwandfrei zu erfassen und zu registrieren. Der Meßkopf mit dem Strahlungsthermometer wurde während des Laufs ständig in

21 έ 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 7 - 56 218/27

Längsrichtung an der Walze hin und her geführt, so daß die Temperatur auf der ganzen Walzenoberfläche fortlaufend erfaßt werden konnte. :

Diese umfassende Temperaturüberwachung zeigte, daß es während des Betriebs der Polyurethan-Walze vorkam, daß sich die Temperatur an einer bestimmten Stelle zu irgendeinem Zeitpunkt plötzlich sehr rasch, d. h. innerhalb von Sekunden ohne sichtbaren äußeren Anlaß erhöhte und in Bereiche anstieg, in denen es zu einer thermischen Zerstörung des Polyurethans kommt. Diese scheinbar willkürlichen Temperaturerhöhungen finden lokal statt, nicht etwa auf der ganzen Walzenumfangsflache gleichmäßig. Diese kann also durchaus insgesamt in dem als brauchbar erkannten Bereich unterhalb 50 C liegen. Dennoch tritt über kurz oder lang an irgendeiner Stelle die zu einer Zerstörung der Walze führende lokale Temperaturerhöhung ein.

Die Überlegungen über das Zustandekommen dieser Erscheinungen führten zu der Erkenntnis, daß die für die Beschichtung von Walzen in Betracht kommenden vernetzten Polyurethane einen außergewöhnlich hohen Anteil der Formänderungsarbeit in Wärme umsetzen. Da Polyurethan außerdem auch noch ein schlechter Wärmeleiter ist, wird die Wärme von einer Stelle, an der eine Temperaturerhöhung eingetreten ist, nur langsam abgeführt. Entsprechend bleibt auch die durch die Wärmedehnung an der betreffenden Stelle eingetretene lokale Volumenvergrößerung zunächst bestehen. Die Stelle läuft also gewissermaßen als Ausbeulung beim nächsten Umlauf wieder in den Nip ein. Bei diesem nächsten Durchlauf durch den Nip erfährt die Stelle nun eine erhöhte Verformung, weil zunächst die Ausbeulung bis auf die alte

21 6 O 47 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 8 - 56 218/27

Umfangsgestalt der Walze zurückverformt wird und dann die normale Oberflächenverformung beim Durchgang durch den Nip hinzukommt. Dies wiederum führt zu einem erhöhten Wärmeanfall an der gleichen Stelle und somit zu einer noch stärkeren thermischen Ausdehnung des Materials dort. Auf diese Weise schaukelt sich der Vorgang sehr rasch auf, bis die Oberflächentemperatur an der betreffenden Stelle Werte erreicht, die das Material nicht mehr erträgt.

Ausgangspunkt für derartige lokale Temperaturerhöhungen können die vielfältigsten Umstände sein, die sämtlich anlagebedingt und daher nicht zu vermeiden sind.

Ein Hauptgrund ist natürlich eine Unregelmäßigkeit der Papierbahn, z. B. eine längsstreifenförmige Verdickung der Papiermasse oder eine Falte des Papiers. Die damit einhergehende lokale Verformung des Polyurethans kann, wenn sie bei mehreren Umläufen auf ein und dieselbe Stelle des Walzenmantels einwirkt, schon als Keim für eine nicht mehr aufzuhaltende Temperatursteigerung dienen.

Eine weitere Quelle dieser Erscheinungen können Ungleichmäßigkeiten im Material des Walzenmantels selbst sein. Selbst bei größter Sorgfalt der Herstellung und gründlichster Durchmischung der Komponenten kann nicht ausgeschlossen werden, daß sich beispielsweise an einer Stelle bei entsprechenden Konzentrationsbedingungen der Komponenten eine höhere Vernetzung des Materials und damit eine Art harter Knoten ausbildet, der nach außen nicht in Erscheinung tritt, bei der Empfindlichkeit des Materials jedoch Ursache für eine lokale Temperaturerhöhung sein kann, die sich rasch zu einem zerstörerischen Ausmaß aufschaukelt.

216 04 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 9 - . 56 218/27

Eine dritte Gruppe von Einflußgrößen ist durch die Konstruktion der Walzen bedingt, insbesondere durch ihre unterschiedlichen Biegelinien. Im allgemeinen ist es in der Praxis nicht möglich, zwei identische Walzen,, die keine Durchbiegung erfahren, genau einander gegenüberzusetzen. Meist weisen die Walzen unterschiedliche Biegelinien auf, so daß es Zonen höheren Druckes gibt, die Zonen geringeren Druckes benachbart sind. Dies ist besonders der Fall, wenn die Biegelinien Umkehrpunkte aufweisen. Zwar läßt sich durch Verwendung von durchbiegungssteuerbaren Walzen wie z. B. schwimmenden Walzen, bei denen das Walzenrohr auf dem feststehenden Kern an den Enden in Lagern gehalten ist, eine weitgehende Anpassung an die Biegelinie der Gegenwalze erreichen, so daß die verbleibenden Unterschiede für die Behandlung des Papiers keine Rolle mehr spielen. Die Beanspruchung des Polyurethans ist jedoch nicht hinreichend gleichmäßig, sondern ist in den Zonen höheren Druckes größer, so daß sich dort Temperaturerhöhungen durch den in Wärme umgesetzten Anteil an der Walkarbeit ergeben, die schon zur Einleitung des bereits erwähnten Aufschaukeins des Temperatursteigerungseffektes und dem "Durchgehen" der Temperatur Anlaß sein können.

Schließlich kann auslösendes Moment für diese Erscheinung auch eine Temperaturerhöhung sein, die nicht durch die Verformung des Walzenmantels erzeugt, sondern unmittelbar als Temperaturerhöhung in den Walzenmantel hineingebracht wird, sei es durch unterschiedliche Temperaturverhältnisse in der Trägerwalze oder in der Gegenwalze oder durch Temperaturunterschiede, die durch in Querrichtung unterschiedliche Temperaturen der Papierbahn bzw. durch die nur teilweise Oberdeckung der Polyurethan-Walze mit der laufenden Papier-

216 0 47 15.1.1980

AP D 21 G/216 047 - 10 - 56 218/27

bahn Zustandekommen. Auch diese von außen in die Polyurethan-Schicht hineingetragenen Temperaturunterschiede führen zu einer ungleichmäßigen Wärmedehnung und zu einer Abweichung der Gestalt der Walze von der idealen Zylinderform, die sich beim Umlauf der Walze in der bereits geschilderten Weise verstärken.

Es liegt also eine Summe von möglichen Inhomogenitäten vor, die in ihren Auswirkungen oder in ihrem Auftreten nicht vorhersehbar sind und das lokale Durchgehen der Temperatur auslösen können. Selbstverständlich kann der Effekt dadurch vermieden werden, daß die Belastung de*r Walze durch Ver- · änderung der Arbeitsgeschwindigkeit und des Liniendruckes herabgesetzt wird. Dann ist aber nur ein Arbeiten bei Bedingungen möglich, die höchstens in Einzelfällen interessant sind. Die Erfindung erstrebt vielmehr, Polyurethan-Walzen in den bisher nicht zugänglichen Bereichen oberhalb einer Arbeitsgeschwindigkeit von 350 m/min und oberhalb eines Liniendruckes von 80 kp/cm Walzenlänge verwenden zu können, um einen ausgeprägten Behandlungseffekt bei hohen Durchsatzgeschvvindigkeiten zu erzielen.

Nun ist es zwar nach der DE-PS 563 761 und nach dem DE-GM 7 600 746 bereits bekannt, Walzen zu kühlen, aber es hat sich gezeigt, daß mit diesen praktizierten Kühlungen kein Einfluß auf das Durchgehen der Temperatur genommen Wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei einer mit Polyurethan beschichteten Oberwalze trotz Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit des Kalanders, dem diese Oberwalze angehört und

216 O 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 11 - 56 218/27

trotz Erhöhung des Liniendruckes das Auftreten des lokalen Durchgehens der Temperatur und damit in Verbindung eine lokale Verformung des Polyurethans mit Sicherheit auch bei längerem Betrieb zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Kalander für die Druckbehandlung von Papierbahnen zu schaffen, bei denen unter Verwendung eines Kalanders mit mindestens einer mit Polyurethan mit einer Härte von 60 bis 75 shore D beschichteten Oberwalze und mindestens einer Gegenwalze durch Kühlung Arbeitsgeschwindigkeiten oberhalb 350 m/min und ein Liniendruck oberhalb 80 kp/cm Walzenlänge zu erreichen sind.

Erfindungsgemäß wird dieses durch' ein Verfahren erreicht, bei dem die Oberwalze so stark gekühlt wird, daß für die Temperatur T des Polyurethans insbesondere an der Oberfläche der im Betrieb befindlichen Oberwalze gilt:

⁷G ²³ - lüö

Bei den umfangreichen Versuchen hat sich herauskristallisiert, daß eine von der Belastung abhängige Grenztemperatur existiert, unterhalb der die Inhomogenitäten der Anordnung keine Rolle mehr spielen und das Material des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan unter allen Bedingungen "ruhig" bleibt. Dies ist an sich eine überraschende Feststellung, denn normalerweise wäre zu erwarten, daß sich durch eine Kühlung lediglich das gesamte Temperaturniveau

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 12 - 56 218/27

absenkt, daß sich aber an der grundsätzlichen Situation nichts ändert, bei der beim Auftreten einer lokalen Verformungs- oder Temperatur-Inhomogenität dort eine nicht aufzuhaltende weitere Temperatursteigerung bis zur Zerstörung einstellt. Die Prognose würde normalerweise dahingehen, daß eine solche Steigerung dann lediglich bei einer tieferen Temperatur einsetzt und langer braucht, bis sie in ein zerstörerisches Temperaturgebiet kommt, im Prinzip dies aber in der gleichen Weise eintritt. Das Gegenteil ist jedoch tatsächlich der Fall. Bei einer Kühlung des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan unter die berechnete Grenztemperatur tritt überhaupt kein lokales An- . steigen der Temperatur in unzulässige Bereiche mehr ein.

Die Temperatur muß im gesamten Polyurethan.unter dem angegebenen Wert liegen. Es nützt also nichts, die Oberwalze nur von außen zu kühlen, bis die Oberfläche gerade die erforderliche Temperatur erreicht hat. Wenn die Temperatur im Innern höher ist, beginnt die zerstörerische Temperatursteigerung dann eben im Innern.

Im übrigen ist die erforderliche starke Kühlung nur durch Kühlung von innen heraus, nicht aber durch reine Oberflächenkühlung des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan zu erreichen. In allen praktischen Fällen ist also ohnehin die Temperaturverteilung im arbeitenden Walzenmantel aus Polyurethan so, daß die niedrigeren Temperaturen innen liegen und mit der Einhaltung der Temperatur an der Walzenoberfläche die Einhaltung im gesamten arbeitenden Walzenmantel aus Poly-, urethan sichergestellt ist. Die Temperaturwerte an der Oberfläche sind bevorzugt, weil sie sich naturgemäß am leichtesten messen lassen. .

216 047

15.1.1980 AP D 21 G/216 - 13 - 56 218/27

Die Temperatur des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan soll "im Betrieb" nicht über den Temperaturgrenzwert T_G steigen. "Im Betrieb" bedeutet einen stationären Zustand, bei dem das Walzenpaar unter den für die Oberflächenveredlung von Papier angestrebten Bedingungen läuft, d. h. im Bereich eines Liniendruckes oberhalb 80 kp/cm Walzenlänge und einer Arbeitsgeschwindigkeit oberhalb 350 m/min.

Es ist bei der Erfindung erforderlich, mit sehr leistungsfähigen Kälteaggregaten zu arbeiten, die große Mengen Kühlflüssigkeit bis auf minus 20 C und darunter abkühlen können.

Die sich aus der Gleichung ergebenden und in den Versuchen festgestellten Grenztemperaturen mögen auf den ersten Blick keine Besonderheit darstellen. In der Praxis ist es jedoch außerordentlich schwierig, im Betrieb bei den angegebenen Bedingungen diese Temperaturen zu halten.

Die erforderliche Kälteleistung ist derart, daß die gekühlte Oberwalze, wenn sie einmal zum Stillstand kommt, durch das festfrierende Kondensat aus der Luft sofort vereist.

Auch bei laufendem Walzenpaar ist die Kondensatbildung durchaus nicht unproblematisch. Es kann sich so viel Kondensat auf der Oberfläche des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan ansammeln, daß sich eine Art "Aquaplaning"-Effekt ergibt und es nicht möglich ist, die Papiermaschine anzufahren, wenn nicht auch die Gegenwalze einen Antrieb hat, dessen Geschwindigkeit mit der Oberwalze synchronisiert ist. Auch saugt sich eine Papierbahn beim Einführen sogleich mit auf der Oberwalze anhaftendem Kondensat voll und ver-

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 14 - 56 218/27

liert dabei so viel mechanische Festigkeit, daß das Anlaufen der Papiermaschine aus diesem Grunde ein schwieriger Vorgang ist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich durch kurzzeitiges Anblasen des Walzenspalts mit warmer bzw. trockener Luft diese Schwierigkeiten überwinden lassen.

Dedenfalls treten diese Nebeneffekte in ihrer Bedeutung gegenüber der Tatsache zurück, daß es durch die Erfindung möglich ist, Oberwalzen mit einem arbeitenden Walzenmantel aus Polyurethan zur Behandlung von Papierbahnen in Bereichen des Liniendruckes und der Arbeitsgeschwindigkeit einzusetzen, die bisher verschlossen waren.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt mit einer Kühlflüssigkeit gearbeitet, deren Temperatur unterhalb minus 10 ⁰C liegt. Es muß also mit Temperaturen der Kühlflüssigkeit gearbeitet werden, die wesentlich niedriger sind, als es bisher üblich war. Zur Erzielung eines ausreichenden Wärmeentzugs empfiehlt es sich auch, daß eine Kühlflüssigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.

Um die Temperaturhaltung der Oberwalze zu unterstützen, empfiehlt es sich, die Temperatur der einlaufenden Papierbahn annähernd auf der Temperatur des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan der Oberwalze zu halten. Dies kann beispielsweise durch. Kühlen der laufenden Papierbahn mittels Luftbeblasung geschehen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders ein Kalander geeignet, bei dem für die Temperatur T des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan insbesondere an der Oberfläche der im Betrieb befindlichen Öberwalze gilt;

216 0 4 7 1-5.1.1980

AP D 21 G/216 - .15 - 56 218/27

^TG ²³ - ϊδο - ²

Um bei einem derartigen Kalander die sich aus der Kondensatbildung ergebenden Nebeneffekte so wenig wie möglich zur Geltung kommen zu lassen, ist es zweckmäßig, nicht mehr als notwendig zu kühlen und die Temperatur T so zu wählen, daß sie nicht mehr als 2 C unter T„ liegt.

Hinsichtlich der Wanddicke des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan muß ein Kompromiß zwischen dem erzielbaren Behandlungseffekt und der Kühlbarkeit gefunden werden. Die Praxis hat gezeigt, daß die Bemessung in diesem Sinne die richtige ist, wenn bei einer Oberwalze, die einen aus Stahl bestehenden rohrförmigen Körper besitzt, der gekühlt und an seinem äußeren Umfang mit dem-arbeitenden Walzenmantel aus Polyurethan versehen ist, das Polyurethan eine Wandstärke von 4 bis 6 mm aufweist. Eine Wandstärke von 4 bis 6 mm erhält noch die hohe "Schluckfähigkeit" des Polyurethans für Fehler der Papierbahn bzw. die Rückstellfähigkeit und ist gleichzeitig so gering, daß Wärme in genügendem Ausmaß in das Innere der Trägerwalze, die als rohrförmiger Walzenkörper ausgebildet ist, abtransportiert werden kann. Bei dickeren Schichten wird dies wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Polyurethans problematisch.

Zur Unterstützung der Kühlung der Oberwalze mit dem arbeitenden Walzenmantel aus Polyurethan kann es sich empfehlen, daß auch die Gegenwalze gekühlt ist, wobei es von Vorteil ist, wenn die Temperatur der Gegenwalze der Temperatur an der Oberfläche des Polyurethans im wesentlichen gleich ist, weil dann jedenfalls der Wärmetransport zwischen der Oberwalze und der Gegenwalze auf ein Minimum abgesenkt ist.

21 6 0 47 15.1.1980

AP D 21 G/216 047 - 16 - 56 218/27

Dabei muß natürlich dafür Sorge getragen sein, daß die Kühlung über die Länge der Gegenwalze gleichmäßig erfolgt, damit nicht durch die Kühlung der Gegenwalze neue Ungleichmäßigkeiten der Temperaturverteilung in den arbeitenden Walzenmantel aus Polyurethan hineingetragen werden,- Es gibt manchmal kritische Stellen auf der Walzenlänge, derentwegen die Temperatur des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan insgesamt tiefer abgesenkt werden muß, als es wegen der übrigen Bereiche des Walzenmantels an sich notwendig wäre. Diese Stellen können gezielt angegangen werden, indem bei konstruktiv bedingtem, über die Länge der Oberwalze zonenweise unterschiedlichem Wärmeanfall oder Druckverlauf eine Einrichtung zur zonenweisen äußeren Ausgleichskühlung vorgesehen ist, so daß diese Stellen ihre kritischen Eigenschaften verlieren. Einrichtungen zur äußeren Ausgleichskühlung sind an sich bekannt. Es kann sich um das stellenweise Beblasen mit Luft, um das Mitlaufenlassen von schmalen gekühlten Rollen oder ähnliches handeln.

Dadurch, daß die Temperatur der einlaufenden Papierbahn annähernd auf der Temperatur des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan gehalten wird, was beispielsweise durch Kühlen der laufenden Papierbahn mittels Luftbeblasung geschieht, wird die Temperaturführung der Oberwalze des er~ findungsgemäßen Kalanders unterstützt und verhindert, daß die diesbezüglichen Anstrengungen auf der Walzenseite durch übermäßige Wärmezufuhr seitens der Papierbahn erschwert werden. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Gesamtanordnung erhöht.

Ein wichtiges Anwendungsbeispiel der Erfindung ist eine Papiermaschine, die einen Glättkalander mit wenigstens

216 04 7 ¹^¹-¹⁹⁸⁰

AP D 21 G/216 047 - 17 - 56 218/27

einem Walzenpaar der in Rede stehenden Art enthält. Ein solcher Glättkalander kann in die Papiermaschine im Gegensatz zu den Superkalandern eingegliedert werden und liefert im Zuge der Produktion der Papiermaschine ein Papier, welches sogleich auch hinsichtlich des Glanzes veredelt ist, Zur Erzielung eines beidseitigen Glanz- und Glätteeffektes müssen natürlich zwei der in Rede stehenden Walzenpaare hintereinander in umgekehrter Anordnung vorgesehen sein.

Eine andere mögliche Anwendung ist die an einer Rotationsdruckmaschine. Häufig ist es wünschenswert, ein Papier vor dem Druck in seiner Oberflächenstruktur zu verbessern. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Papier langer gelagert hat und an der Oberfläche rauh oder porös geworden ist. Durch den Einsatz eines oder zweier der erfindungsgemäßen Walzenpaare kann im Zuge des Laufes der Rotationsdruckmaschine eine oberflächenmäßige Verdichtung durchgeführt werden, die den Druck klarer stehenläßt.

Derartige Anwendungen sind erst möglich geworden, weil durch die Erfindung der Einsatz von Polyurethan-Walzen bei hohen Liniendrücken und insbesondere hohen Arbeitsgeschwindigkeiten zu verwirklichen ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: ein Walzenpaar eines Kalanders;

21 6 0 4 7 15,1.1980

AP D 21 G/216 047 - 18 - 56 218/27

Fig. 2 bis 4: verschiedene Temperaturverteilungen im arbeitenden Walzenmantel aus Polyurethan der Oberwalze des Walzenpaares nach Fig. 1;

Fig. 5: die ermittelten Grenztemperaturen, unterhalb denen die Oberfläche des arbeitenden Walzenmantels aus Polyurethan gehalten werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Walzenpaar umfaßt eine Oberwalze (10) mit einem arbeitenden Walzenmantel 1 aus Polyurethan einer Stärke von 4 bis 6 mm und eine Gegenwalze 20 in Gestalt einer schwimmenden Walze mit einem arbeitenden Walzenmantel 21 aus Stahl.

Die Oberwalze 10 ist eine Hohlwalze mit einem rohrförmigen Walzenkörper 2, auf den der arbeitende Walzenmantel 1 aus Polyurethan aufgebracht ist. Zur Begrenzung einet Arbeitsbreite 4 ist das Polyurethan in den äußeren Bereichen 5* ;5" auf eine geringere Wandstärke abgeschliffen. Der Walzenkörper 2 besitzt ein angetriebenes Endstück 6 mit einem Walzenzapfen 6¹ und ein Endstück 7 mit einem Walzenzapfen 7', durch den hindurch die Beaufschlagung mit Kühlflüssigkeit erfolgt. Diese wird durch das Anschlußstück 8 in den Kanal 9 des Walzenzapfens 7' geleitet und gelangt von dort über Durchlässe 11 in den Zwischenraum 12 zwischen dem Innenumfang des Walzenkörpers 2 und dem Außenumfang einer Trommel 13, die den Innenraum des Walzenkörpers 2 fast ausfüllt. Die gesamte Kühlflüssigkeit muß zwangsweise den engen Zwischenraum 12 der Länge nach passieren und wird in der Nähe des Endstückes 6 durch die Durchlässe 14 und durch das zur Walzenachse koaxiale Rohr 15 zum Anschlußstück 8 hinaus wieder abgeführt.

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 047 - 19 - 56 218/27

Die Gegenwalze 20 umfaßt einen feststehenden Kern 22, der den arbeitenden Walzenmantel 21 durchgreift und Abstand zu ihm beläßt. Am äußeren Umfang des feststehenden Kerns 22 ist eine Längskammer 23 abgeteilt, die mit Druckflüssigkeit füllbar ist_jmittels der der arbeitende Walzenmantel 21 von innen gegen die Oberwalze 10 gedruckt werden, kann. Da der arbeitende Walzenmantel 21 an den Enden auf Lagern 24 am feststehenden Kern 22 abgestützt ist, kann die Durchbiegung des arbeitenden Walzenmantels 21 bedarfsvveise eingestellt werden. Wegen des Abstandes des arbeitenden Walzenmantels 21 vom feststehenden Kern 22 kann sich dieser innerhalb des arbeitenden Walzenmantels 21 durchbiegen und auf diese Woise die erforderlichen Gegenkräfte aufbringen.

In der Versuchsanordnung war ein Infrarot-Strahlungsthermometer vorgesehen, welches längs der Arbeitsbreite 4 des arbeitenden Walzenmantels 1 aus Polyurethan hin und her bewegt wurde. Die Meßgenauigkeit dieses Thermometers lag unterhalb 1 Grad. Die Temperatur des arbeitenden Walzenmantels 1 konnte während des Betriebs fortlaufend bestimmt und auf einem Schreiber registriert werden.

In den Fig. 2 bis 4 sind Beispiele solcher Temperaturaufzeichnungen wiedergegeben. Fig. 2 zeigt einen gleichmäßigen Temperaturverlauf längs der Arbeitsbreite 4, wie er für stabile Verhältnisse angestrebt wurde. Bei der Bewegung über das Ende der Arbeitsbreite 4 hinaus gelangt das Thermometer ein kurzes Stück auf den abgeschliffenen äußeren Bereich 5¹ bzw. 5", in dem keine Formänderungsarbeit anfällt und der wegen der Kühlung eine wesentlich niedrigere Temperatur aufweist. Dadurch kommen die nach unten weisenden Zacken zustande. Vorhandene Asymmetrien der Zacken hängen mit der

21 6 O 4 7 ¹⁵·*·¹⁹⁸⁰

AP D 21 G/216 - 20 - 56 218/27

vorhandenen Trägheit der Temperaturregistrierung zusammen.

Der Registrierstreifen läuft während der Hin-und Herbewegung des Thermometers stetig weiter. Der Ausschnitt in Fig. 2 beginnt am linken Ende mit einer Bewegung des Thermometers von links nach rechts gemäß Fig« I entlang der Arbeitsbreite 4. Das Thermometer gelangt über den Rand der Arbeitsbreite 4 hinaus in den äußeren Bereich 5" und kehrt sogleich um. Dies ist durch die linke Markierung des äußeren Bereiches 5" in Fig. 2 wiedergegeben. Das Thermometer bewegt sich bis zum linken Rand der Arbeitsbreite 4 gemäß Fig. 1, gelangt in den äußeren Bereich 5" und kehrt erneut um, um nach Durchlaufen der Arbeitsbreite 4 erneut in den äußeren Bereich 5" zu gelangen, um dort umzukehren, wie es durch die rechte Markierung des äußeren Bereiches 5" in Fig. 2 angedeutet ist.

Während Fig. 2 eine zulässige Temperaturverteilung darstellt, bei der die Temperatur über die Arbeitsbreite 4 um weniger als 1 variiert, zeigt Fig. 3 ein typisches Beispiel für eine Temperaturverteilung, die in kurzer Zeit zu einer Zerstörung des Walzenmantels 1 aus Polyurethan führt. Die Belastung des Walzenpaares gemäß Fig. 1 ist, ausgehend von den Verhältnissen nach Fig. 2, gesteigert worden. Dabei hat sich durch eine ungleichmäßige Belastungsverteilung oder durch andere Einflüsse bedingt in der Mitte der Arbeitsbreite 4 ein Temperaturmaximum 30 eingestellt, welches sich in kurzer Zeit wesentlich verstärken und Temperaturen erreichen wird,die zu einer Zerstörung des Walzenmantels 1 aus Polyurethan führen.

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 21 - 56 218/27

Natürlich ist nicht bei jedem Versuch bis zur tatsächlichen Zerstörung des Walzenmantels 1 aus Polyurethan gefahren worden. Wenn eine solche Zerstörung einige Male eingetreten ist, liegen Erfahrungen über die Gestalt von Temperaturverteilungen vor, die zu einer weiteren, nicht mehr aufzuhaltenden Steigerung an einer Stelle führen. Wenn dann eine solche Temperaturverteilung eintrat, die erfahrungsgemäß zu einer weiteren, nicht mehr aufzuhaltenden Temperatursteigerung führt, wurde die Belastung zurückgenommen. Die Temperatur des arbeitenden Walzenmantels 1 war dann zu hoch, um bei den vorhandenen Belastungen stabil zu bleiben.

Auch Fig. 4 zeigt eine instabile Temperaturverteilung. Bei Fig. 3 war nur ein Temperaturmaximum 30 in der Mitte der Arbeitsbreite 4 vo.rhanden. Ein solches Temperaturmaximum 30* ist auch in Fig. 4 zu erkennen, wenn auch in weniger ausgeprägter Form. Dafür ist aber zusätzlich an einem Rand der Arbeitsbreite 4 ein scharfes Temperaturmaximum 40.zu erkennen, das schon so ausgeprägt ist, daß es erfahrungsgemäß zu einem weiteren Steigen der Temperatur in diesem Bereich führen wird. Auch bei einem Auftreten eines Bildes nach Fig. 4 sind die Verhältnisse also instabil.

Auf diese Weise wurde eine Vielzahl von Versuchen gefahren und in Diagrammform aufgetragen. Beispielsweise wurde für einen bestimmten Liniendruck die mittlere Ausgangstemperatur an der Oberfläche der Arbeitsbreite 4 über der Arbeitsgeschwindigkeit eingetragen und jeder Meßpunkt mit einer Charakterisierung "stabil" bzw. "instabil" versehen. Wenn die Temperaturverteilung über längere Zeit das Aus-

21 6 0 47 15.1,1980

AP D 21 G/216 - 22 - "* 56 218/27

sehen nach Fig, 2 beibehielt, erhielt der Punkt die Charakterisierung "stabil", wenn sich aber Bilder ähnlich den Fig. 3 oder 4 einstellten, bei denen erfahrungsgemäß noch weitere Temperatursteigerungen zu erwarten sind, lautete die Charakterisierung "instabil".

Aus der Gesamtheit der Eintragungen war eine Grenzlinie erkennbar, die den Bereich der stabilen Beanspruchungen von dem der instabilen Beanspruchungen trennt»

In Fig. 5 sind derartige Grenzlinien für verschiedene Liniendrücke eingetragen. Wenn also z. B. bei dem Liniendruck P = 100 kp/cm Walzenlänge und der Arbeitsgeschwindigkeit V = 600 m/min die Temperatur an der Oberfläche des Polyurethans mehr als 15 beträgt, ist der Beanspruchungszustand instabil, und es kommt an irgendeiner Stelle zu einer fortschreitenden Temperatursteigerung und Zerstörung des arbeitenden Walzenmantels 1. .Wird aber stärker gekühlt und an der Oberfläche des Polyurethans mit einer Temperatur unterhalb 15 C gefahren, so können ein Liniendruck von 100 kp/cm Walzenlänge und eine Arbeitsgeschwindigkeit von 600 m/min für beliebig lange Zeit eingehalten werden, ohne daß eine Temperaturverteilung nach Fig. 2 in unzulässigem Maß verlassen wird.

Für die Grenztemperatur T„ wurde aus den Versuchsvergebnissen die Formel

G " ** 100 ^ ¹IOO'

abgeleitet, die die Grenztemperaturen T„ angibt, unterhalb derer bei einem bestimmten Liniendruck P und einer bestimmten

216 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 23 - 56 218/27

Arbeitsgeschwindigkeit V die Oberfläche des arbeitenden Walzenmantels 1 aus Polyurethan gehalten werden muß, um stabile Verhältnisse aufrechterhalten zu können.

Claims

21 6 0 4 7 15.1.1980

AP D 21 G/216 047 - 24 - _:- 56 218/27

Erfindungsanspruch

1. Verfahren für die Druckbehandlung von Papierbahnen unter Verwendung eines Kalanders mit mindestens einer mit Polyurethan mit einer Härte von 60 bis 75 shore D beschichteten Oberwalze und mindestens einer .Gegenwalze, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberwalze (10) so stark gekühlt wird, daß für die Temperatur T des Polyurethans insbesondere an der Oberfläche der im Betrieb befindlichen Oberwalze (10) gilt:

¹ * ¹G - ³ 100 * llOO'
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß mit Kühlflüssigkeit einer Temperatur von unterhalb minus

10 ⁰C gearbeitet wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Kühlflüssigkeit mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet wird.
4. Verfahren nach Punkt 1 b'is 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur der einlaufenden Papierbahn annähernd auf der Temperatur des arbeitenden Walzenmantels (1) aus Polyurethan der Oberwalze (10) gehalten wird.
5. Kalander für die Durchführung des Verfahrens nach Punkt .1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Temperatur T des arbeitenden Walzenmantels (1) aus Polyurethan insbesondere an der Oberfläche der im Betrieb befindlichen Oberwalze

. (10) gilt:

T • T — OX — — P

¹G " 100

21 6 O 47 15.1.1980

AP D 21 G/216 - 25 - 56 218/27
6. Kalander nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur T nicht mehr als 2 ⁰C unter T_G liegt,
7. Kalander nach Punkt 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Oberwalze (10), die einen aus Stahl bestehenden rohrförmigen Walzenkörper (2) besitzt, der gekühlt und an seinem äußeren Umfang mit dem arbeitenden Walzenmantel (1) aus Polyurethan versehen ist, das Polyurethan eine Wandstärke von 4 bis 6 mm aufweist.
8. Kalander nach Punkt 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß aeuch die Gegenwalze (20) gekühlt ist.
9. Kalander nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur der Gegenwalze (20) der Temperatur T an der Oberfläche des arbeitenden Walzenmantels (1) aus Polyurethan im wesentlichen gleich ist.
10. Kalahder nach Punkt 5 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß bei konstruktiv bedingtem, über die Länge der Oberwalze (10) zonenweise unterschiedlichem Wärmeanfall oder Druckverlauf eine Einrichtung zur zonenweisen äußeren Ausgleichskühlung vorgesehen ist.

Me/zuj2_.Seäen Zeich