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Die
Erfindung betrifft eine beheizbare Kalanderwalze nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Beim
Kalandrieren wird die zu behandelnde Papierbahn zwischen Walzen
behandelt, wobei mechanische und thermische Energie zur Behandlung und
Verformung des Papiers eingesetzt wird, um das Papier, insbesondere
die Papieroberfläche,
der endgültigen
Verwendung anzupassen. Die zur Behandlung erforderliche thermische
Energie wird durch die Wärmezufuhr
aus der beheizten Walze in den Walzenspalt eingebracht.
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Aus
EP 0 710 741 B1 ist
eine beheizte Kalanderwalze bekannt, die als Hohlwalze ausgebildet
ist und eine Walzenschale aufweist, die aus einem ersten Material
aus Schmiedestahl, Gußstahl,
Gußeisen oder
Gußeisen
mit Kugelgraphit hergestellt und mit einer dünnen Umfangsoberflächenschicht
aus einem zweiten harten, abriebs beständigen Material versehen ist.
Die dünne
Umfangsoberflächenschicht
hat den Nachteil, daß das
Abschleifen betriebsbedingter Markierungen an der Umfangsoberfläche im allgemeinen
nur einmal möglich
ist. Danach ist eine neue Beschichtung vorzunehmen. Ein größerer Vorrat
an Reservewalzen ist deshalb erforderlich. Der Einsatz solcher Thermowalzen
ist deshalb aufwendig und teuer.
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Bekannt
sind ferner beheizte Kalanderwalzen mit einer Walzenschale aus Schalenhartguß. Die nutzbare
Härteschicht
ist bei einschichtig aufgebauten Walzenschalen wesentlich dicker,
wodurch die Standzeit der Thermowalze erhöht wird. Bekannt sind schließlich auch
Thermowalzen aus vergüteten oder
oberflächengehärteten Materialien.
Doch die wenigen in Frage kommenden Sonderwerkstoffe sind teuer,
bereiten Schwierigkeiten in der Beschaffung und stellen wegen ihrer
Empfindlichkeit außerordentlich
hohe Anforderungen an den Herstellungsprozeß. Solche Thermowalzen sind
folglich sehr teuer.
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Die
Anforderungen an die beheizte Kalanderwalze im Betrieb haben sich
zudem in den letzten Jahren deutlich erhöht. Mit der Steigerung der
Produktionsgeschwindigkeit der Papiermaschinen ist wegen des flächenbezogenen
Wärmebedarfs
für die Kalandrierung
die erforderliche zuzuführende
Wärmeleistung
zunehmend angestiegen. Bei Papier, wie es beim Kalandrieren aus
papiertechnologischen Gründen
vorliegt, das ein guter Wärmeisolator
ist, muß die
Oberflächentemperatur
der beheizten Walze angehoben werden, um die erforderliche Wärmemenge
in der durch die Produktionssteigerung kürzeren Verweildauer auf die
Papierbahn zu transferieren. Dies bedeutet für die beheizten Walzen in Kalandern
zusätzlich
zur Erhöhung
der Wärmeleistung eine
Erhöhung
der Walzenoberflächentemperatur. Auch
wegen dieser zweifachen Erhöhung
sind die bisher verwendeten Thermowalzen an ihre Grenzen gestoßen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine beheizbare Kalanderwalze zu schaffen,
die bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten eine hohe Heizleistung
mit hohen Standzeiten kombiniert und dabei kostengünstig herstellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch
wird eine beheizbare Kalanderwalze geschaffen, bei der über ein
Auftragsschweißen
eine verschleißfeste
Umfangsoberfläche
für den Kalandrierprozeß auf den
Walzenkörper
aufgebracht ist. Es besteht also eine Funktionstrennung zwischen dem
Walzenkörper
als Tragkörper
und dem Walzenkörper
als Oberflächenkörper, der
beispielsweise die papiertechnologischen Eigenschaften und die Walzenstandzeit
bestimmt.
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Die
mindestens zwei Schweißschichten
erlauben, daß es
zu keiner Vermischung des Schweißzusatzwerkstoffes mit dem
Material des Walzenkörpers
kommen kann. Die Funktionseigenschaften der Außenschicht werden deshalb durch
den Schweißzusatzwerkstoff
und dessen Eigenschaften bestimmt. Durch diese Trennung vom Walzenkörper erhält man eine
weitgehende Freiheit bei der Wahl des Trägerwerkstoffs für den Walzenkörper und
kann diesen nach dessen wesentlichen Eigenschaften optimieren, z.B.
Optimierung auf gute Wärmeleitfähigkeit,
Schmiedbarkeit, Zerspanbarkeit und hohe Festigkeit. Des weiteren
erhält
man durch die Trennung eine optimale Nutzung der Eigenschaften des Schweißzusatzwerkstoffes,
z.B. hohe Härte,
gutes Verschleißverhalten,
Betriebssicherheit gegen Rißbildung,
hohe spezifische Wärmekapazität.
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Das
Schweißgut
ist so aus Legierungsbestandteilen zusammengesetzt, daß die erforderliche bzw.
gewünschte
Oberflächenhärte ausschließlich durch
die Legierungsbestandteile zustande kommt. Das hat den Vorteil,
daß keine
Härtung
vorgenommen wird und somit bei hohen Betriebstemperaturen auch keine
Enthärtung
möglich
ist, wie dies bei vergüteten
oder gehärteten
Werkstoffen der Fall ist. Die beheizbaren Kalanderwalzen sind folglich
hoch belastbar und besitzen hohe Standzeiten.
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Bei
einem Einsatz in Multinip-Kalandern mit doppelter Überrollung
der beheizten Kalanderwalze und somit doppelter Wärmeabgabe
können
Walzenoberflächentemperaturen
von auch über
200°C bei
Produktionsgeschwindigkeiten von über 1500 m/min eingestellt
werden.
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Bevorzugt
ist, daß die
Außenschicht
als Funktionsschicht eine Wärmeleitfähigkeit > 20 W/m°K besitzt.
Eine hohe Wärmeleitfähigkeit
erlaubt die Ausbildung einer dicken Außenschicht mit viel Abschleifpotential,
ohne daß eine
Barriere im Wärmetransport
auftritt. Niedrigere Vorlauftemperaturen für das Wärmeübertragungsmedium sind dadurch möglich. Bevorzugt
ist ferner, daß die
Außenschicht eine
hohe spezifische Wärmekapazität aufweist,
damit im Nip genügend
Wärme auf
das Produkt übertragen
wird, ohne daß ein
maßgeblicher
Temperaturabfall eintritt.
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Als
Werkstoff für
den Walzenkörper
ist ein handelsüblicher
Werkstoff verwendbar. Beispielsweise kann der Walzenkörper aus
einem unvergüteten Stahl,
z. B St 52, gefertigt sein. Die Herstellung einer beheizbaren Kalanderwalze
wird dadurch deutlich billiger.
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Die
Außenschicht
ist mehrfach nachschleifbar, wobei die Dicke durch ein Mehrlagenschweißen steuerbar
ist. Bevorzugte Schichtdicken liegen bei 3 bis 10 mm. Die Auftragsschweißung kann
erneuert werden, was den Einsatz der erfindungsgemäßen beheizbaren
Kalanderwalze ebenfalls verbilligt.
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Die
Beheizung einer solchen Thermowalze kann in bekannter Weise von
innen und gegebenenfalls zusätzlich
von außen
erfolgen.
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Die
durch Schmelz-Auftragsschweißen
aufgetragenen Schweißschichten
können
durch spannungsarmes Glühen
nachbehandelt sein. Das spannungsarme Glühen dient zur Homogenisierung
und zum Abbau von Schweißeigenspannungen
im Walzenkörper
und den Schweißschichten,
wodurch Spannungsrisse aus überlagerten
Thermospannungen im Betriebszustand vermieden werden.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kalanders mit
einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung,
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2 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Kalanders mit beheizten Kalanderwalzen gemäß der Erfindung,
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3 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung mit
einer zentralen Beheizung,
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4 zeigt
schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 3,
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5 zeigt
schematisch eine Seitenansicht einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung mit
einer peripheren Bohrung für
eine Innenbeheizung,
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6 zeigt
schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 5,
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7 zeigt
schematisch einen Segmentabschnitt der 4 in vergrößerter Darstellung
mit den Schweißschichten.
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1 zeigt
einen Kalander 1 für
die Behandlung einer Warenbahn, insbesondere einer Papier- oder
Kartonbahn, Textilbahn oder Kunststoffbahn. Der Kalander 1 umfaßt dazu
mindestens einen Walzenstapel 2, der hier zwei Walzen 3, 4 umfaßt, die
in bekannter Weise an einem Kalanderständer 5 angeordnet
sind. Die Walzen 3, 4 begrenzen einen Walzenspalt 6,
den Nip, den eine Warenbahn W durchläuft und in dem die Warenbahn
mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird. Die Behandlungsdauer der
Warenbahn W im Nip hängt
ab von der Länge
des Nips und der Durchlaufzeit, die beim Online-Betrieb von der
Produktionsgeschwindigkeit abhängt.
Die Länge
des Nips ist wählbar
und liegt üblicherweise zwischen
3 und 300 mm. Dazu ist eine Walze, hier die Walze 3, als
harte Walze, weiche Walze oder Schuhwalze ausbildbar. Die Walze 3 kann
ferner als Biegeausgleichswalze ausgebildet sein.
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Die
andere Walze 4 ist eine beheizbare Kalanderwalze gemäß der Erfindung,
deren Ausbildung nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.
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Der
Walzenstapel kann von einem oder beiden Enden her belastbar sein,
um wählbare
Streckenlasten im Nip 6 einzustellen. Ist die Walze 3 als Schuhwalze
ausgebildet, können über einen
Hub des Schuhs die Streckenlasten eingestellt werden. Zur Führung der
Warenbahn W zwischen Nips oder nach dem Nip 6 sind in bekannter
Weise Leitrollen 7 vorgesehen.
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Dieser
1-Nip-Kalander ist im Online- als auch Offline-Betrieb einsetzbar.
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2 zeigt
einen Multi-Nip-Kalander für
das Glätten
einer Papier- oder Kartonbahn mit mindestens einem Walzenstapel 2 mit
einer Mehrzahl Walzen 3, 4, 8, 9, 10,
die Nips 6, 11, 12, 13 begrenzen. Die
Walzenzahl liegt vorzugsweise zwischen drei und zwölf Walzen.
Die Endwalzen 3, 10 des Walzenstapels 2 sind
vorzugsweise als Biegeausgleichswalzen ausgebildet. Jeder Nip 6, 11, 12, 13 wird
vorzugsweise durch eine beheizte Kalanderwalze gemäß der Erfindung
begrenzt. Dies sind hier die Walzen 4, 9, die gemäß der Erfindung
ausgebildet sind, wie nachfolgend beschrieben ist. Alle Walzen können als
harte Walzen ausgebildet sein. Vorzugsweise werden die Nips 6, 11, 12, 13 als
Soft-Nips ausgebildet, d.h. sie werden von einer harten und einer
weichen Walze begrenzt.
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Die
beheizbaren Kalanderwalzen 4, 9 gemäß der Erfindung
sind grundsätzlich
harte Walzen mit einer verschleißfesten Oberfläche, so
daß jeweils die
andere Walze, die einen Nip mit der beheizbaren Kalanderwalze 4, 9 gemäß der Erfindung
begrenzen, weiche Walzen sein können.
Gemäß 2 sind
dies die Walzen 3, 8, 10. Die beheizbare
Kalanderwalze gemäß der Erfindung
ist vorzugsweise eine Mittelwalze, die im Betrieb doppelt überrollt
wird, d.h. zwei Nips 8, 11 bzw. 12, 13 begrenzt.
Der Walzenstapel 2 ist von einem Ende her über einen
Druckzylinder 14 belastbar. Zwischen den Nips wird die
Warenbahn W über
Leitrollen 7 geführt.
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Für eine zweiseitige
Behandlung der Warenbahn W kann ein zweiter, nicht dargestellter
Walzenstapel vorgesehen sein, der dem Walzenstapel 2 vor oder
nachgeordnet sein kann. Alternativ kann der Walzenstapel 2 einen
Wechselnip aufweisen. Der Kalander 1 gemäß 2 kann
offline als auch online betrieben werden.
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Die
beiden Kalanderausführungen
der 1 und 2 können bei Produktionsgeschwindigkeiten über 1500
m/min online betrieben werden, wobei die beheizbaren Kalanderwalzen 4, 8 gemäß der Erfindung
mit Walzenoberflächentemperaturen
von bis zu 350°C
gefahren werden können
und dabei Heizleistungen von bis zu 200 kW/m besitzen.
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Die
Ausbildung der beheizbaren Kalanderwalzen 4, 9 gemäß der Erfindung
wird anhand der 3 bis 7 nachfolgend
erläutert.
Beispielhaft wird die beheizbare Kalanderwalze 4 beschrieben. Die
Ausführungen
gelten entsprechend für
die Kalanderwalze 9. Die Ausführungen gelten in gleicher
Weise für
die beheizbare Kalanderwalze 4 als Endwalze (1)
und die beheizbare Kalanderwalze 4, 9 als Mittelwalze
(2).
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Die
beheizbare Kalanderwalze 4 umfaßt einen hohlen, eine Walzenschale
aufweisenden Walzenkörper 15,
der für
das Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediums
ausgebildet ist. Der Walzenkörper 15 trägt eine
verschleißfeste
Umfangsoberfläche 16,
die gebildet ist von mindestens einer Außenschicht 17 und
einer die Außenschicht 17 von
dem Walzenkörper 15 beabstandende
Sperrschicht 18, die jeweils durch Schmelzschweißen aufgetragen sind.
Dieser Aufbau ist in 7 dargestellt.
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Als
Beheizung für
die beheizbare Kalanderwalze ist eine Innenbeheizung vorgesehen.
Die beheizbare Kalanderwalze 4 gemäß 3 und 4 ist
eine zentral beheizbare Walze mit einem Verdrängerkörper 20, der einen
Ringspalt 21 für
den Durchfluß eines
Wärmemediums
aufweist. Die Anschlüsse für den Ein-
und Austritt des Wärmeübertragungsmediums,
insbesondere Öl,
ist durch Pfeile angedeutet.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 5 und 6 unterscheidet sich von dem
der 3 und 4 lediglich dadurch, daß zur Innenbeheizung kein
Verdrängerkörper, sondern
periphere Bohrungen 22 für einen Durchfluß des Wärmeübertragungsmediums
vorgesehen sind. Im übrigen
gelten die vorstehenden Ausführungen
entsprechend.
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Bei
beiden Ausführungsformen
der Innenbeheizung kann eine Außenheizung
beliebiger Art zusätzlich
vorgesehen sein.
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Als
Material für
den Walzenkörper
ist vorzugsweise ein unvergüteter
Stahl, z. B St 52, vorgesehen. Besonders bevorzugt ist ein Material
mit einer Wärmeleitfähigkeit
von ≥ 30
W/m°K, besonders
bevorzugt ≥ 40
W/m°K und
ganz besonders bevorzugt 50 W/m°K.
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Als
Material für
die Außenschicht 17 ist
vorzugsweise ein solches mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/m°K und einer
spezifischen Wärmekapazität von ≥ 400 J/kg°K vorgesehen.
Die Außenschicht 17 bildet
eine Funktionsschicht, die auch hinsichtlich ihrer Härte und/oder
Verschleißfestigkeit
optimierbar ist. So kann die Außenschicht 17 aus
einem Schmelzzusatzwerkstoff bestehen, der eine größere Härte und/oder
Verschleißfestigkeit
besitzt als der Schmelzzusatzwerkstoff der Sperrschicht 18.
Ein mehrlagiges Auftragsschweißen,
hier von mindestens zwei Lagen, hat nicht nur Eigenschaftsvorteile, sondern
auch Herstellungsvorteile, da ein geringerer örtlicher Wärmeeintrag beim Schweißen mögliche Herstellungsfehler,
wie ein Verzug des Materials, minimiert.
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Der
Schweißzusatzwerkstoff,
aus dem die Außenschicht 17 durch
Schmelzschweißen
auf den Walzenkörper 15 aufgetragen
ist, besitzt vorzugsweise eine Härte
zwischen 450 HV und 650 HV. Ferner beträgt der reversible Härteabfall
des Schweißzusatzwerkstoffes
von Raumtemperatur bis Betriebstemperatur vorzugs weise weniger als
5%. Das Auftragsschweißen
erfolgt vorzugsweise durch das sogenannte Bandschweißverfahren
mit Schweißbändern einer
Breite von beispielsweise 15 bis 60 mm, um eine porenfreie Oberfläche und
homogene Auftragsschicht hinsichtlich E-Modul und Verschleißfestigkeit
zu erzielen.
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Die
Schichtdicke der Außenschicht 17 beträgt mindestens
3 mm und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 10 mm. Die
Schichtdicke der Trennschicht 18 ist vorzugsweise gleich
oder kleiner der Schichtdicke der Außenschicht 17 gewählt und beträgt vorzugsweise
2 bis 5 mm.
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Der
Walzenkörper 15 und
die verschleißfeste Umfangsoberfläche 16 können durch
spannungsarmes Glühen
nachbehandelt sein.
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Der
Walzenkörper 15 ist
in bekannter Weise als Tragkörper über Walzenzapfen 23, 24 in
dem Kalanderständer
angeordnet.
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Die
vorstehenden Ausführungen
gelten für jede
Art von Innenbeheizung der beheizbaren Kalanderwalze 4, 9.