DE10029127A1

DE10029127A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen einer Walze

Info

Publication number: DE10029127A1
Application number: DE10029127A
Authority: DE
Inventors: Karl-Ludwig Dietzel
Original assignee: INTEC GmbH
Current assignee: INTEC GmbH
Priority date: 1999-11-27
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2001-05-31

Abstract

Eine der Materialbearbeitung dienende Walze (10) wird induktiv erwärmt. Dazu dient ein Induktor (14, 16), der wenigstens einen parallel zu der Walzenachse verlaufenden Leiter hat und mit justierbarem Abstand außen vor der Walze (10) angeformt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Walze, die der Materialbearbeitung dient.

Walzen zur Materialbearbeitung sind weit verbreitet. Es sind dies dre hende, zylinder-, kegel- oder scheibenförmige Körper mit glatter oder strukturierter Oberfläche, die das zu bearbeitende Material beauf schlagen, um es zu walzen. Das kann zum Umformen eines bildbaren Mate rials geschehen, beispielsweise bei der Herstellung von Blech. Andere Anwendungen sind das Auspressen oder Verfestigen eines breiigen oder lockeren Stoffs, z. B. des feuchten Faserfilzes bei der Papierherstel lung, das Auftragen von Streichmitteln, Lacken, Kunststoffen oder me tallischen Überzügen, das Prägen, das Strukturieren, das Perforieren und vieles andere mehr.

Die Erfindung soll speziell für Walzen Verwendung finden, die bei der Herstellung von Haushalts- und Hygienepapierwaren, Produkten der Frau enhygiene und Baby- und Erwachsenenwindeln zum Einsatz kommen. Haus halts- und Hygienepapierwaren wie beispielsweise Toilettenpapier, Kü chentücher, Taschentücher, Kosmetiktücher und Servietten werden übli cherweise aus mehreren Lagen Tissuepapier hergestellt, die durch Prä gen mit einander verbunden und zugleich mit einem Prägemuster versehen werden. Üblich ist eine Stahl-Gummi-Prägung mit einer formgebenden Stahlwalze und einer gegenläufigen Gummiwalze. Bei der Herstellung von Produkten der Frauenhygiene und von Baby- und Erwachsenenwindeln wer den Zellstoff- und Kunststoff-Fasern durch Walzen zu einem Vlies ver festigt und mit Kunststoff beschichtet. Dafür bedarf es einer Erwär mung der Walzen unter technisch höchst anspruchsvollen Bedingungen:

Die genannten Artikel sind Massenprodukte, die mit gigantischer Ar beitsbreite und sehr hoher Bahnlaufgeschwindigkeit des Walzguts herge stellt werden. Die Walzen haben eine Länge von bis zu 4,50 m und einen Durchmesser von bis zu 50 cm. Sie variieren in Material, Form und Auf bau stark. Der Abtransport der Wärme von der Walze unterliegt in Ab hängigkeit von Art und Bahnlaufgeschwindigkeit des Walzguts starken Schwankungen. Die Betriebstemperatur der Walzen muß aber sehr genau konstant gehalten werden, und sie darf über den ganzen Walzenkörper nur in sehr engen Grenzen schwanken.

Nach dem Stand der Technik werden einschlägige Walzen von innen ge heizt. Das geschieht elektrisch oder mit heißem Öl.

Bei der elektrischen Heizung bedarf es aufwendiger Roll- oder Schleif kontakte, die dem Verschleiß unterliegen. Bei der Heizung mit heißem Öl hat man Dichtigkeitsprobleme. Die medizinischen Bereich herrschen den Hygieneanforderungen werden nur bedingt erfüllt. Die Heizung mit Öl ist sehr träge. Es bedarf einer langen Aufwärmzeit.

Ein Kardinalproblem bei der bekannten Heizung der Walzen von ihnen ist die Wartung. Wartung ist gleichbedeutend mit Anlagenstillstand, der bei der Herstellung von Haushalts- und Hygienepapierwaren, Produkten der Frauenhygiene und Baby- und Erwachsenenwindeln geplant allenfalls einige wenige Tage im Jahr stattfindet und ungeplant massive wirt schaftliche Verluste nach sich zieht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen sich eine Walze, die der Materialbearbeitung dient, von außen erwärmen läßt, so daß eine Wartung im laufenden Be trieb möglich ist. Die Betriebstemperatur soll schnell erreicht und genau konstant gehalten werden und über den ganzen Walzenkörper nur in sehr engen Grenzen schwanken.

Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Walze in duktiv erwärmt wird.

Eine induktive Erwärmung ist nur für Walzen möglich, die wenigstens zum Teil aus ferromagnetischem Material bestehen. Das ist keine echte Einschränkung. In der Praxis bestehen die einschlägigen Walzen aus Stahl, oder sie haben einen Walzenkern aus Stahl.

Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante geht es um ein Walzwerk mit zwei einander gegenüberliegenden, in gegenläufige Drehung angetriebe nen Walzen, die einen Spalt bilden, durch den eine zu bearbeitende Ma terialbahn hindurchtritt. Die eine oder die andere oder beide Walze(n) besteht/bestehen aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl. Die Erfindung sieht vor, die eine oder andere oder beide Walze(n) in duktiv zu erwärmen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Temperatur einer Walze gemessen und die induktive Heizleistung anhand des Meßsignals so geregelt, daß sich eine vorgegebene Solltemperatur einstellt.

Zur Temperaturmessung dient vorzugsweise eine Infrarotkamera. Die Mes sung damit hat den Vorteil, berührungslos zu sein.

Die apparative Lösung der genannten Aufgabe ist ein Induktor zur in duktiven Erwärmung einer Walze, die der Materialbearbeitung dient. Der Induktor hat wenigstens einen parallel zu der Walzenachse verlaufenden Leiter. Er ist mit justierbarem Abstand außen vor der Walze angeord net.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht der Induktor mit den An schlußenden des Leiters über die Stirnseite der Walze vor. Das ist im Interesse einer homogenen Erwärmung der Walze.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Induktor einen parallel zu der Walzenachse hin- und zurücklaufenden Leiter. Diese Anordnung macht es besonders einfach, den Stromkreis und eventuell Kühlwasser kreis zu schließen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht der Induktor mit der Ver bindungstrecke des Leiters, die die hin- und zurücklaufenden Leiter strecken verbindet, über die Stirnseite der Walze vor. Das ist im In teresse einer homogenen Erwärmung der Walze.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Leiter aus Kupfer rohr rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitts. Der Leiter ist wassergekühlt. Er hat einen Kühlwasseranschluß.

Der Leiter kann mit einem oder mehreren Feldkonzentrator(en) bestückt sein. Dabei handelt es sich um ein auf dem Leiter sitzendes Ferrit plättchen, das den in die Walze eingekoppelten magnetischen Fluß ver stärkt und zu einer lokal stärkeren Erwärmung der Walze führt. Damit kann man Inhomogenitäten im Walzenaufbau ausgleichen; man denke bei spielsweise an größere Massen in Lagerbereich der Walze.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter des Induktors in einen Träger aus elektrisch isolierendem Material eingebettet. Der Träger dient der präzisen Verlegung des Leiters sowie als Berühr schutz.

Der nachstehend beschriebene Induktor diente zur Demonstration, daß ein homogener Temperaturverlauf über die Walze auch bei Verwendung zweier Leiter erreicht werden kann, die aus verschiedenen Quellen ge speist werden. Beide Leiter haben parallel zu der Walzenachse hin- und zurücklaufende Leiterstrecken, die auf gleicher Linie in einer gemein samen Ebene liegen. Die Verbindungsstrecken zwischen den hin- und zu rücklaufenden Leiterstrecken sind nach hinten abgewinkelt, und sie verlaufen schräg zu dieser Linie.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sitzt der Lücke zwischen den ab gewinkelten Leiterstrecken gegenüber ein Feldkonzentrator auf der je weils anderen Leiterstrecke. Dadurch wird die hier vorliegende Ener gielücke geschlossen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stromrichtung in den beiden Leitern entgegengesetzt. Dadurch wird erreicht, daß sich die Felder im Bereich der Verbindungsstrecken wenigstens zum Teil kompen sieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer Prägestation mit induktiv erwärmten Prägewalzen;

Fig. 2 die schematische Vorderansicht einer Walze mit dem davor ange ordneten Leiter eines Induktors; und

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht den Verlauf zweier Leiter eines weiteren Induktors.

Die in Fig. 1 gezeigte Prägestation hat ein Paar Prägewalzen 10, die mit gleicher Drehzahl in gegenläufige Drehung angetrieben sind. Durch den Spalt zwischen den Walzen 10 tritt eine Bahn Prägegut 12 hindurch.

Die Walzen 10 bestehen wenigstens zum Teil aus Stahl. Sie sind induk tiv geheizt. Der Oberfläche einer jeden Walze 10 liegt auf Höhe ihrer Achse ein Induktor 14, 16 gegenüber. Der Induktor 14 an der unteren Walze 10 dient zum Vorheizen, und der Induktor 16 an der oberen Walze 10 zum Hauptheizen.

Die Induktoren 14, 16 werden von einem üblicherweise als Generator be zeichneten Umformer 18 gespeist. Der Umformer 18 liefert elektrischen Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 2 × 10³ s^-1 und 350 × 10³ s^-1. Die Arbeitsfrequenz liegt vorzugsweise in einem Mittelfrequenzbereich zwischen 2 × 10³ s^-1 und 50 × 10³ s^-1. Sie wird anhand der Phasenlage von Strom und Spannung automatisch angepaßt.

In das Gehäuse des Umformers 18 ist ein Kühlgerät integriert.

Der Umformer 18 ist mit flexibeln Kabeln 20 an je einen Schwingkreis 22 der beiden Induktoren 14, 16 angeschlossen. 24, 26 ist die Stromzu führung von dem Schwingkreis 22 an den Induktor 14, 16.

Wie in Fig. 2 gezeigt, haben die Induktoren 14, 16 einen Leiter mit zwei parallel zu der Walzenachse hin- und zurücklaufenden geraden Lei terstrecken 28, 30 und einer quer dazu verlaufenden Verbindungsstrecke 32. Die Anschlußenden 34 des Leiters und die Verbindungsstrecke 32 kommen vor den Stirnseiten 36, 38 der Walze 10 zu liegen.

Der Leiter ist ein wassergekühltes Kupferrohr quadratischen Quer schnitts. Er führt typischerweise elektrische Ströme von mehreren 1000 A.

Der Leiter ist in einen Träger aus elektrisch isolierendem Material eingebettet. Er liegt, wie in Fig. 1 angedeutet, der Oberfläche der Walze 10 mit geringem Abstand gegenüber.

Der Induktor 14, 16 kann als einwindiger oder mehrwindiger Induktor ausgeführt und als Haarnadel- bzw. Forminduktor mit oder ohne Feldkon zentratoren 40 ausgelegt sein.

Die Walzen 10 werden auf eine Arbeitstemperatur von 200°C bis 300°C gebracht. Die Induktoren 14, 16 sind bezüglich der jeweiligen Walze 10 fein justierbar, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung er reicht wird, die über die Länge der Walze um nicht mehr als ±2°C schwankt.

Die Walzen 10 werden im Vorlauf mit hoher Leistung auf die Arbeitstem peratur gebracht. Die Temperatur der Walzen 10 wird mit zwei Infrarot kameras gemessen und die Energieabgabe des Umformers 18 geregelt. Im Dauerbetrieb wird Energie nachgepulst, um eine konstante Arbeitstempe ratur zu erreichen. Der Leistungsbereich des Umformers 18 ist den je weiligen Walzentypen und ihren Abmessungen angepaßt.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Leiter eines Induktors, mit dem demon striert wurde, daß ein homogener Temperaturverlauf über die Walze 10 auch bei Verwendung zweier Leiter erreicht werden kann, die aus ver schiedenen Quellen gespeist werden. Die Leiter haben parallel zu der Walzenachse hin- und zurücklaufende Leiterstrecken 28, 30, die auf gleicher Linie in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Verbindungs strecken am Stoß der Leiter haben rechtwinklig nach hinten abgewinkel te Leiterstrecken 42 und davon rechtwinklig nach innen abgewinkelte Leiterstrecken 44, die unter 45° zu der erwähnten Linie verlaufen. Dank dieser Schräge sind die Lücken 46 zwischen den beidseitigen, pa rallel zu der Walzenachse hin- und zurücklaufenden Leiterstrecken 28, 30 und den nach hinten abgewinkelten Leiterstrecken 42 versetzt. Um das Energiedefizit an diesen Lücken 46 auszugleichen, sitzt ihnen ge genüber auf der jeweils anderen Leiterstrecke 28, 30 ein Feldkonzen trator 40.

Wie durch Pfeile angedeutet, ist die Stromrichtung in den beiden Lei tern gegenläufig, damit sich die Felder im Bereich der Verbindungs strecken 42, 44 wenigstens zum Teil kompensieren. Die Abwinkelung der Verbindungsstrecken 42 nach hinten dient dazu, die Feldeinleitung an den Verbindungsstrecken 42, 44 zu verringern, um eine homogene Tempe raturverteilung zu gewährleisten.

Liste der Bezugszeichen

10

Walze

12

Prägegut

14

Induktor

16

Induktor

18

Umformer

20

Kabel

22

Schwingkreis

24

Stromzuführung

26

Stromzuführung

28

Leiterstrecke parallel zur Walzenachse

30

Leiterstrecke parallel zur Walzenachse

32

Verbindungstrecke

34

Anschlußende

36

Stirnseite

38

Stirnseite

40

Feldkonzentrator

42

abgewinkelte Leiterstrecke

44

schräge Leiterstrecke

46

Lücke

Claims

1. Verfahren zum Erwärmen einer Walze, die wenigstens zum Teil aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl, besteht und der Materialbearbeitung dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (10) induktiv erwärmt wird.

2. Verfahren zum Erwärmen eines Walzwerks mit zwei einander gegen überliegenden, in gegenläufige Drehung angetriebenen Walzen, die einen Spalt bilden, durch den eine zu bearbeitende Materialbahn hindurchtritt, wobei die eine oder andere oder beide Walzen(n) wenigstens zum Teil auf ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl, besteht/bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder andere oder beide Walze(n) (10) induktiv erwärmt wird/werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur einer Walze (10) mißt und die induktive Heizlei stung anhand des Meßsignals so regelt, daß sich eine vorgegebene Solltemperatur einstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur der Walze (10) mit einer Infrarotkamera mißt.

5. Induktor zum Erwärmen einer Walze, die wenigstens zum Teil aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl, besteht und der Materialbearbeitung dient, dadurch gekennzeichnet, daß er wenig stens einen parallel zu der Walzenachse verlaufenden Leiter hat und mit justierbarem Abstand außen vor der Walze (10) angeordnet ist.

6. Induktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit den Anschlußenden (34) des Leiters über die Stirnseite (36, 38) der Walze (10) vorsteht.

7. Induktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen parallel zu der Walzenachse hin- und zurücklaufenden Leiter hat.

8. Induktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er mit der Verbindungsstrecke (32) des Leiters, die die hin- und zurücklaufenden Leiterstrecken (28, 30) verbindet, über die Stirnseite (36, 38) der Walze (10) vorsteht.

9. Induktor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Leiter aus Kupferrohr rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitts besteht.

10. Induktor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß der Leiter einen Kühlwasseranschluß hat.

11. Induktor nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß der Leiter mit wenigstens einem Feldkonzentrator (40) bestückt ist.

12. Induktor nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeich net, daß der Leiter in einen Träger aus elektrisch isolierendem Material eingebettet ist.

13. Induktor nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeich net, daß er zwei Leiter hat, die aus verschiedenen Quellen ge speist werden, daß die hin- und zurücklaufenden Leiterstrecken (28, 30) beider Leiter auf gleicher Linie in einer gemeinsamen Ebene liegen, und daß die Verbindungsstrecken (42, 44) zwischen den hin- und zurücklaufenden Leiterstrecken (28, 30) nach hinten abgewinkelt sind und schräg zu dieser Linie verlaufen.

14. Induktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lücke (46) zwischen den abgewinkelten Leiterstrecken (42) gegenüber ein Feldkonzentrator (40) auf der jeweils anderen Leiterstrecke (28, 30) sitzt.

15. Induktor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichtung in den beiden Leitern entgegengesetzt ist.