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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 der
WO 2005/021 867 A2 ist eine beheizbare Kalanderwalze bekannt, die die Merkmale des Oberbegriffs zeigt. Somit ist eine beheizbare Kalanderwalze bekannt, mit einem hohlen, eine Walzenschale aufweisenden Walzenkörper, der eine verschleißfeste Umfangsoberfläche trägt, daß die verschleißfeste Umfangsfläche gebildet wird von mindestens einer durch Schmelzschweißen aufgetragenen Funktionsschicht, die aus einem elektromagnetischen Werkstoff besteht.
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Aus
DE 41 01 354 A1 ist eine Walze bekannt, deren Walzenkörper aus Stahl besteht oder die arbeitende Walzenoberfläche aus Stahl besteht. Das Vorhandensein eines dünnen Kunststoffüberzuges, der von dem elektromagnetischen Feld durchsetzt wird, ist dabei nicht ausgeschlossen. Mittels induktiver Heizelemente werden temperaturerzeugende Wirbelströme in der Walzenoberfläche erzeugt, die etwa 1 mm in den Walzenkörper eindringen. Jedem Heizelement ist ein Schaltkreis zugeordnet, um eine vorgegebene Leistung geregelt beizubehalten. Wenn sich also die Verhältnisse im Betrieb ändern, bleibt die von einem Heizelement übertragene Wärmeleistung dennoch erhalten. Stahlwalzen sind jedoch nicht hinreichend verschleißfest.
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Die Anforderungen an die beheizte Kalanderwalze im Betrieb haben sich 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 induktive Beheizung erfolgt praktisch ausschließlich über die Funktionsschicht. Damit gewinnt man Freiheit bei der Materialwahl für den Tragkörper. Die elektromagnetischen Eigenschaften des Tragkörpers sind ohne Belang für die Funktion der Walze. Durch diese Trennung 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 Schmiedbarkeit, Zerspanbarkeit und hohe Festigkeit. Des weiteren erhält man durch die Trennung eine optimale Nutzung der Eigenschaften des Schweißzusatzwerkstoffes.
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Der elektromagnetische Werkstoff für das Schweißgut ist so wählbar, daß neben der erfindungsgemäßen Zugfestigkeit eine gewünschte Oberflächenhärte ausschließlich durch die Legierungsbestandteile zustande kommen kann. Die beheizbaren Kalanderwalzen sind folglich hoch belastbar und besitzen hohe Standzeiten. Die induktive Leistungsübertragung kann in bekannter Weise über Heizelemente, beispielsweise Haarnadel-Induktoren oder Induktions-Coils, als Außenheizung erfolgen.
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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 Funktionsschicht ist mehrfach nachschleifbar ausbildbar, wobei die Dicke durch ein Mehrlagenschweißen steuerbar ist. Bevorzugte Schichtdicken liegen bei 3 bis 10 mm, wobei ein Schleifzuschlag vorgesehen sein kann. 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 zusätzlich von innen erfolgen durch das Einbringen von peripheren Bohrungen.
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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 einem Haarnadel-Induktor als Außenheizung,
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4 zeigt schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 3.
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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 und 4 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 Walzenkörper 15 trägt eine verschleißfeste Umfangsoberfläche, die gebildet ist von mindestens einer durch Schmelzschweißen aufgetragenen Funktionsschicht 16, die eine solche schweißzusatzwerkstoffabhängige Zugfestigkeit besitzt, daß eine im Betrieb resultierende Zugspannung kleiner gleich dem halben Wert der Bruchspannung des elektromagnetischen Werkstoffes ist. Die Funktionsschicht 16 weist dabei eine Mindestschichtdicke auf, die größer gleich dem Stromeindringmaß ist.
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Als Beheizung für die beheizbare Kalanderwalze ist eine Außenbeheizung vorgesehen, die von einem durchgehenden Haarnadel-Induktor 20 gebildet wird, der als Heizelement für eine induktive Leistungsübertragung sorgt. Alternativ können Induktions-Coils vorgesehen sein, die zonenweise aussteuerbar sind. Die Frequenz der induktiven Heizung liegt vorzugsweise zwischen 50 Hz und 50 KHz.
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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 .
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Als Material für die Funktionsschicht 16 ist vorzugsweise ein solches mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/m°K und einer spezifischen Wärmekapazität von ≥ 400 J/kg°K vorgesehen. Der Walzenkörper 15 und die Funktionsschicht 16 besitzen vorzugsweise gleiche Wärmeausdehnungen.
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Der Schweißzusatzwerkstoff, aus dem die Funktionsschicht 16 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 vorzugsweise 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 Funktionsschicht 16 beträgt mindestens 3 mm und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 10 mm. Die Mindestschichtdicke ist vorzugsweise erhöht um eine Schichtdicke, die einem Schleifzuschlag entspricht.
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Die aufgeschweißte Funktionsschicht 16 kann behandelt sein durch spannungsarmes Glühen.
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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 auch für jede Art einer zusätzlichen Innenbeheizung der beheizbaren Kalanderwalze 4, 9, insbesondere mittels peripherer Bohrungen in dem Walzenkörper 15, durch die ein Wärmeübertragungsmedium geleitet werden kann. Alternativ kann durch den Walzenkörper 15 auch eine Innenkühlung geführt sein.
