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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufwickeln einer Papier- oder Kartonbahn mit einem Zulaufabschnitt und einem Wickelabschnitt.
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Papier- oder Kartonbahnen, die im folgenden kurz als ”Bahnen” bezeichnet werden, müssen im Verlaufe ihrer Herstellung gelegentlich aufgewickelt werden, wenn die weitere Verarbeitung nicht in einem solchen Zusammenhang geleistet werden kann, daß die Bahn durchlaufen kann. Auf jeden Fall ist das Aufwickeln der Bahnen am Ende des Herstellungsvorganges erforderlich, damit die Bahnen zu handhabbaren Rollen geformt werden können.
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Papier- oder Kartonbahnen sollten über ihre Breite möglichst gleichmäßige Eigenschaften haben. Dies betrifft beispielsweise die Dicke, aber auch die Feuchtigkeit. Eine Bahn, die mit einem ungleichmäßigen Feuchtigkeitsprofil in Querrichtung, d. h. quer zur Laufrichtung, aufgewickelt wird, kann unter Umständen beim Lagern auf der Rolle Schaden nehmen. Beispielsweise können sich Risse oder Falten ergeben.
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Stand der Technik
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DE 199 50 710 A1 beschreibt eine Anlage zum Trocknen und Kühlen und zum anschließenden Aufwickeln oder Querschneiden einer Papierbahn. Die Papierbahn wird aus einem Trockner kommend einem Kühler zugeführt und gelangt danach in einen Wickler. Der Trockner ist ein Schwebetrockner. Der Kühler ist ein Walzenkühler mit zwei übereinander angeordneten Walzen.
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Die nachveröffentlichte
DE 101 10 309 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln einer Papierbahn. Die Papierbahn wird über den letzten Trockenzylinder einer Trockenpartie geführt und danach befeuchtet, bevor sie auf einen Tambour aufgewickelt wird. Wenn der Tambour voll bewickelt worden ist, wird ein Tambour-Wechsel vorgenommen. In einem Zeitraum, der sich zeitlich vor und nach dem Wickelwechsel erstreckt, wird die aufgetragene Feuchtigkeit vermindert.
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DE 37 28 124 C2 beschreibt eine Entwässerungspresse einer Papiermaschine mit Dampfzufuhr, bei der die Papierbahn durch einen Breitnip geführt wird.
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Aus
WO 98/44196 A1 ist ein Kalandrierverfahren und ein Kalander bekannt, bei der ein Behandlungsnip durch eine Walze und einen in einem vorbestimmten Umfangsabschnitt gegen die Walze gedrückten Walzenmantel gebildet wird. Im Nip sind mehrere Behandlungszonen ausgebildet, wobei die Bahn z. B. erwärmt wird und eine Nachbehandlung erfolgt. Im Anschluss an den ersten Kalander kann ein gleich aufgebauter, zweiter Kalander angeordnet sein, in dem eine gezielte Abkühlung der Bahn erfolgt.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität von Wickelrollen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im Zulaufabschnitt eine Breitnip-Vorrichtung angeordnet ist, die eine Walze und einen in einem vorbestimmten Umfangsabschnitt gegen die Walze gedrückten Mantel aufweist, wobei der Mantel und die Walze einen Breitnip bilden und eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die im Breitnip auf die Bahn wirkt, so wie die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweisen.
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Durch die Heizeinrichtung wird die Bahn im Breitnip erwärmt. Der Breitnip stellt für die Bahn eine relativ große Behandlungslänge zur Verfügung, so daß die Bahn eine relativ große Verweilzeit im Breitnip hat. In dieser Verweilzeit wird der Bahn nicht nur Wärme zugeführt, sondern auch Druck. Dieser Druck kann allerdings relativ klein bleiben. Durch die zugeführte Wärme erniedrigt sich die Viskosität der in der Bahn eingeschlossenen Flüssigkeit. Durch den Druck, der im wesentlichen gleichförmig über die Breite der Bahn wirkt, kann die Flüssigkeit dann vergleichmäßigt werden. Dies führt zu einem Feuchtigkeitsausgleich in der Bahn in Querrichtung, d. h. zu einem relativ gleichmäßigen Feuchtigkeitsprofil in Querrichtung. Beim Aufwickeln besteht daher nicht mehr die Gefahr, daß sich feuchtere Bereiche, die sich beispielsweise in der axialen Mitte der Wickelrolle bilden, anders verhalten als trockene Bereiche an den Rändern. Die Feuchtigkeit ist vielmehr in Axialrichtung relativ gleichmäßig verteilt. Der Mantel kann auf unterschiedliche Arten ausgebildet sein. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines relativ steifen Mantels, der elastisch genug ist, um sich an die Krümmung der Walze anzupassen, im übrigen aber praktisch nach Art einer Walze umläuft. Dieser Mantel kann stirnseitig mit Scheiben versehen sein. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines weniger steifen Bandes, das über Stützrollen in einem Umlauf geführt wird, wobei die Umlenkrollen praktisch ein Polygon definieren. Ein derartiges Band kann auch relativ dünn sein.
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Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Heizeinrichtung mit einer Temperatur von mehr als 100°C auf die Bahn wirkt. Damit wird die Feuchtigkeit im Innern der Bahn verdampft. Der Dampf kann sich relativ schnell in Querrichtung verteilen, so daß der Feuchtigkeitsausgleich in Querrichtung der Bahn noch schneller erfolgen kann. Er ist in der Regel abgeschlossen, bevor die Bahn den Breitnip verläßt. Die Heizeinrichtung wirkt dabei im Breitnip derart auf die Bahn, daß die Bahn nicht nur an ihrer Oberfläche, sondern über ihren gesamten Querschnitt auf eine Temperatur von 100°C oder mehr erwärmt wird. Damit ist sichergestellt, daß die Feuchtigkeit, die in der Bahn auch in tieferen Schichten enthalten ist, verdampfen kann.
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Erfindungsgemäß weist die Breitnip-Vorrichtung eine Abkühlzone auf, in der die Bahn an ihren beiden Oberflächen abgedeckt ist, bis ihre Temperatur unter 100°C abgesunken ist. Das Verdampfen der Feuchtigkeit in der Bahn hat zwar den Vorteil, daß der Dampf relativ schnell und gleichmäßig in Querrichtung der Bahn verteilt wird. Es besteht aber die Gefahr, daß der Dampf, wenn die Bahn den Breitnip verläßt, praktisch schlagartig aus der Oberfläche der Bahn austritt. Da die Bahn in der Regel vor dem Aufwickeln geglättet worden ist, führt dieses schlagartige Austreten des Dampfes, die sogenannte ”Flashverdampfung”, zu einer Verminderung der Glätte. Die Bahn wird an ihrer Oberfläche durch den schnell austretenden Dampf förmlich aufgerissen. Wenn man nun den Dampf in der Bahn hält, bis die Bahn unter 100°C abgekühlt ist, dann besteht diese Gefahr nicht mehr. Der Dampf, der sich im Breitnip in Querrichtung gleichmäßig verteilt hat, kann in der Abkühlzone wieder kondensieren, so daß die Feuchtigkeit in Querrichtung der Bahn gleichmäßig verteilt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Abkühlzone im Breitnip ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung besteht nicht die Gefahr, daß Dampf beim Übergang von der Erwärmungszone in die Abkühlzone austreten kann. Die Abkühlzone schließt sich vielmehr nahtlos an die Erwärmungszone an.
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Erfindungsgemäß weist die Walze eine dünne Oberflächenschicht aus einem wärmeleitenden Material auf, die auf einer wärmeisolierenden Schicht angeordnet ist, wobei die Heizeinrichtung von außen auf die Walze wirkt. Die dünne Oberflächenschicht aus dem wärmeleitenden Material hat nur eine begrenzte Wärmeaufnahmekapazität. Man kann diese Wärmeaufnahmekapazität nun so einstellen, daß der Wärmeübergang von der Oberflächenschicht auf die Bahn abgeschlossen ist, bevor die Bahn den Breitnip vollständig durchlaufen hat. Als Randbedingung ist hierbei lediglich zu beachten, daß die in der Oberflächenschicht aufgenommene Wärme in der Lage sein muß, die Bahn auf eine Temperatur von 100°C oder mehr zu erwärmen. Dies läßt sich durch die von außen auf die Walze wirkende Heizeinrichtung realisieren. Diese Heizeinrichtung kann beispielsweise induktiv arbeiten. Sobald ein Wärmeausgleich zwischen der Bahn und der Oberflächenschicht stattgefunden hat, erfolgt keine weitere Erwärmung der Bahn mehr. Die Bahn beginnt vielmehr, einen Wärmeausgleich zu kälteren Begrenzungsbereichen des Breitnips, beispielsweise dem Mantel, herzustellen. Da der Breitnip eine entsprechende Behandlungslänge aufweist, ist es damit möglich, die Bahn in einem ersten Teilabschnitt, der beispielsweise die erste Hälfte des Breitnips beträgt, zu beheizen und in einem zweiten Teilabschnitt, der beispielsweise die zweite Hälfte des Breitnips ausmachen kann, zu kühlen. Am Ende des Breitnips ist dann die Bahn auf eine Temperatur unter 100°C abgekühlt, so daß die zuvor verdampfte Flüssigkeit wieder kondensieren kann.
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Bevorzugterweise ist eine Kühleinrichtung in der Abkühlzone angeordnet. Die Kühleinrichtung beschleunigt das Abkühlen der Bahn, so daß man mit einer erhöhten Sicherheit damit rechnen kann, daß am Ausgang der Abkühlzone tatsächlich kein Dampf mehr aus der Bahn austreten kann.
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Bevorzugterweise ist die Breitnip-Vorrichtung so dicht vor dem Wickelabschnitt angeordnet, daß die Laufzeit der Bahn von der Breitnip-Vorrichtung zum Auflaufen auf einen Wickel maximal 3,5 ms beträgt. In dieser kurzen Zeit ist ein Feuchtigkeitsaustausch mit der Atmosphäre nicht oder nicht in einem beachtenswerten Umfang möglich, so daß die gleichmäßig in Querrichtung befeuchtete Bahn tatsächlich auch aufgewickelt wird.
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Bevorzugterweise ist zwischen der Breitnip-Vorrichtung und dem Wickelabschnitt eine Längsschneideeinrichtung angeordnet. Die Längsschneideeinrichtung unterteilt die Bahn in Teilbahnen, die dann zu getrennten Wickelrollen aufgewickelt werden können. Papierbahnen werden derzeit mit relativ großen Breiten bis zu 10 m produziert, die für einen späteren Verwender nicht mehr handhabbar sind. Man schneidet daher in an sich bekannter Weise die Bahnen in schmalere Teilbahnen in der Größenordnung von 0,8 bis 3,8 m und wickelt diese Teilbahnen dann auf. Durch die Vergleichmäßigung der Feuchtigkeit in der Bahn kann man dann relativ einfach dafür Sorge tragen, daß alle Bahnen im Hinblick auf die Feuchtigkeit die gleiche Qualität aufweisen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine erste nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Rollenwickelvorrichtung und
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2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform.
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Eine Vorrichtung 1 zum Aufwickeln einer Papier- oder Kartonbahn 2 zu einer Wickelrolle 3 weist einen Wickelabschnitt 4 auf, in dem die Wickelrolle 3 gebildet wird, und einen Zuführabschnitt 5, den die Bahn 2 durchläuft, bevor sie in den Wickelabschnitt 4 gelangt.
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Der Wickelabschnitt 4 ist im vorliegenden Fall als Doppeltragwalzenwickler ausgebildet, bei dem die Wickelrolle 3 in einem Wickelbett 6 liegt, das durch zwei Tragwalzen 7, 8 gebildet ist. Die beiden Tragwalzen 7, 8 weisen jeweils einen Antrieb 9, 10 auf. Wenn die Tragwalzen 7, 8 gedreht werden, drehen sie die Wickelrolle 3 mit.
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Vor dem Wickelabschnitt 4 kann noch eine Längsschneideeinrichtung 11 angeordnet sein mit einem Obermesser 12 und einem Untermesser 13, die die Bahn 2 in Teilbahnen 2a teilt, die dann zu Teilbahnrollen aufgewickelt werden, die axial nebeneinander im Wickelbett 6 liegen.
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Im Zuführabschnitt 5 ist eine Breitnip-Vorrichtung 14 angeordnet, die eine Walze 15 mit einer Heizeinrichtung 16 und einen mit der Walze 15 zusammenwirkenden Mantel 17 aufweist, der mit Hilfe eines Stützschuhes 18 gegen den Umfang der Walze 15 gedrückt wird. Der Stützschuh 18 weist dabei eine Andruckfläche 19 auf, deren Krümmung der Krümmung der Walze 15 angepaßt ist. Der Mantel 17 ist nachgiebig, so daß er sich unter der Wirkung des Stützschuhes 18 über einen vorbestimmten Umfangsbereich an den Umfang der Walze 15 anlegen kann und dadurch einen Breitnip 23 bildet. In der Andruckfläche 19 können nicht näher dargestellte Schmiereinrichtungen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Andruckfläche 19 eine hydrostatische Schmierung aufweisen.
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Die Heizeinrichtung 16 ist lediglich schematisch dargestellt. Sie kann sowohl auf die Oberfläche der Walze 15 wirken als auch der Walze 15 selbst ein Wärmeträgermedium, beispielsweise eine heiße Flüssigkeit oder ein heißes Gas, zuführen. Die Heizeinrichtung 16 führt dazu, daß die Walze 15 beheizt ist, also eine erhöhte Temperatur aufweist. Diese Temperatur liegt vorzugsweise über 100°C. Die heiße Walze 15 bildet dann eine Heizeinrichtung, die im Breitnip 23 auf die Bahn 2 wirkt.
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Der Mantel 17 ist durch schematisch dargestellte Rollen 20 abgestützt, von denen eine Rolle einen Antrieb 21 aufweisen kann. Auch die Walze 15 kann einen Antrieb 22 aufweisen. Der Mantel 17 läuft daher nach Art eines Walzenmantels um.
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Da der Mantel 17 über einen relativ großen Umfangsabschnitt am Umfang der Walze 15 anliegt, benötigt die Bahn 2 eine gewisse Zeit, um den zwischen der Walze 15 und dem Mantel 17 gebildeten Breitnip 23 zu durchlaufen. Diese Zeit, die Behandlungszeit, ist so groß, daß die Bahn 2 nicht nur an ihrer Oberfläche auf die Temperatur der Walze 15 erwärmt wird, sondern die in die Bahn eingetragene Wärme pflanzt sich auch in das Innere der Bahn fort und führt dazu, daß die Bahn 2 insgesamt auf eine Temperatur von mindestens 100°C erhitzt wird, d. h. auch in ihrem Inneren.
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Die Erhitzung der Bahn auf eine Temperatur von 100°C oder mehr führt dazu, daß Feuchtigkeit, die sich in der Bahn befindet, verdampft. Der dadurch gebildete Dampf kann nicht durch die Oberfläche der Bahn 2 entweichen, weil beide Oberflächen im Breitnip 23 eingeschlossen sind. Die Oberseite ist von der Walze 15 abgedeckt. Die Unterseite ist vom Mantel 17 abgedeckt. Der Dampf verteilt sich daher in Querrichtung der Bahn (in 1 senkrecht zur Zeichenebene) gleichmäßig. Eine nennenswerte Druckspannung im Breitnip 23 ist hierzu nicht erforderlich.
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Hinter dem Ausgang des Breitnips 23 ist eine Abkühlzone 24 angeordnet, in der die Bahn 2 auf beiden Seiten von dampfundurchlässigen Bändern 25, 26 abgedeckt ist. Die Bänder 25, 26 sind hierbei über nur schematisch dargestellte Umlenkrollen 27 geführt. Auf das obere Band 25 wirkt eine Kühleinrichtung 28. Die dampfundurchlässigen Bänder 25, 26 verhindern, daß Dampf aus den Oberflächen der Bahn 2 austritt. Die Kühleinrichtung 28 führt zu einer Absenkung der Temperatur der Bahn 2 unter den Wert von 100°C. Der Dampf, der sich in der Bahn 2 in Querrichtung gleichmäßig verteilt hat, kann dann kondensieren, was zu einer sehr gleichmäßigen Feuchtigkeitsverteilung in Querrichtung der Bahn 2 führt.
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Die Bahn 2 wird praktisch unmittelbar nach dem Abkühlen aufgewickelt, d. h. es steht im Grunde keine Zeit mehr zur Verfügung, in der ein Ausgleich der Feuchtigkeit zur Umgebungsatmosphäre erfolgen könnte. Die Zeit zwischen dem Verlassen der Breitnip-Vorrichtung 14 und dem Auflaufen auf die Wickelrolle 3 beträgt maximal 3,5 ms.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der gleiche Zeichen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Geändert hat sich zunächst der Wickelabschnitt 4. Dieser ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Stützwalzenwickler ausgebildet, bei der Teilbahnrollen 3a, 3b, die einen eigenen Antrieb 29a, 29b aufweisen, abwechselnd auf beiden Seiten einer Stützwalze 30 anliegen, die ebenfalls einen Antrieb 31 aufweist. Da Stützwalzenwickler an sich bekannt sind, wird auf eine nähere Erläuterung verzichtet.
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Im Zuführabschnitt 5 ist wiederum eine Breitnip-Vorrichtung 14 angeordnet, bei der die Walze 15 einen etwas anderen Aufbau hat. Die Walze 15 weist auf einem Trägerkörper 32 eine thermische Isolierschicht 33 aus Kunststoff auf. Die Außenseite der Isolierschicht 33 ist abgedeckt von einer relativ dünnen Schicht 34 aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise Stahl. Der Stahl hat den Vorteil, daß er einerseits eine relativ glatte Oberfläche zur Verfügung stellt, andererseits aber nur eine relativ geringe Wärmekapazität bereitstellt.
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Auf die Schicht 34 wirkt die Heizeinrichtung 16 von außen. Die Heizeinrichtung 16 ist hierbei kurz vor dem Breitnip angeordnet.
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Die Wärmekapazität der Schicht 34 ist nun so auf das Wärmeaufnahmevermögen und die Geschwindigkeit der Bahn 2 abgestimmt, daß ein Wärmeübergang von der Schicht 34 auf die Bahn 2 ungefähr in der Hälfte des Breitnips 23 abgeschlossen ist. Diese fiktive Grenze 35 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
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Der Stützschuh 18 weist zumindest auf der dem Wickelabschnitt 4 zugewandten Seite der Grenze 35 eine schematisch dargestellte Kühleinrichtung 28 auf, mit der der Bahn 2 durch den Mantel 17 hindurch Wärme entzogen werden kann. In der ersten Hälfte des Breitnips 23 wird die Bahn 2 daher aufgeheizt und zwar so, daß sie insgesamt, also auch im Inneren, eine Temperatur von 100°C oder mehr aufweist. In der zweiten Hälfte des Breitnip 23 wird die Bahn 2 dann abgekühlt, so daß sie am Ausgang des Breitnips eine Temperatur unterhalb von 100°C aufweist.
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Die Wirkung ist die gleiche wie bei der Ausgestaltung nach 1. Durch das Aufheizen der Bahn 2 kann die Flüssigkeit im Innern der Bahn verdampfen. Der Dampf breitet sich gleichmäßig aus. Wenn der Dampf dann in der Abkühlzone, die beim Ausführungsbeispiel nach 2 in der rechten Hälfte des Breitnips 23 angeordnet ist, kondensiert, dann ergibt sich eine gleichmäßige Feuchtigkeitsverteilung in Querrichtung der Bahn.
