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Die
Erfindung betrifft einen Kalander, insbesondere zur Behandlung einer
Papierbahn, mit einem Walzenstapel aus mindestens drei Walzen und mit
mindestens einem Doppelweichnip, der durch zwei Walzen mit beheizbarer,
elastischer Oberfläche gebildet ist.
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Kalander
dieser Art haben bei der Papierherstellung hauptsächlich
zwei Aufgaben. Sie müssen zum einen die Papierbahn verdichten.
Zum anderen sollen sie bestimmte Oberflächeneigenschaften
erzeugen, beispielsweise einen möglichst hohen Glanz und
eine möglichst hohe Glätte.
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Der
aus
EP 0 945 546 A2 bekannte
Kalander weist hierbei einen Walzenstapel mit einer Oberwalze, einer
Unterwalze und so genannten Mittelwalzen auf. Die Mittelwalzen sind
alle identisch und beheizbar. Sie verfügen über
eine glatte Oberfläche. Sie sind in der Regel als Stahl-
oder Gusswalzen ausgebildet und besitzen eine elastische Oberfläche
aus einem wärmeleitfähigen Material. Die glatte
Oberfläche ”prägt” sich in die
Oberfläche der Papierbahn ein und vermittelt ihr die gewünschte
Glätte und, zusammen mit der durch die Beheizung erzeugten
Wärme, den gewünschten Glanz. Durch die „Weichheit” der
Mittelwalzen wird die Papierbahn gleichmäßig verdichtet. Da
ihre Oberfläche elastisch ausgebildet ist, also bis zu
einem gewissen Grade nachgeben kann, wird hierbei ein Zerquetschen
der Fasern der Papierbahn vermieden. Der
EP 0 945 546 A2 kann entnommen werden,
dass eine Beheizung der elastischen, aber gut Wärme leitenden
Schicht aus dem Inneren der Walze heraus nur dann besonders günstig
ist, wenn die elastische Schicht sehr dünn ist. In dieser Schrift werden
erste Ansätze aufgezeigt, die elastischen Walzen auch von
außen zu beheizen und mit einem metallischen Überzug
zu versehen.
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Aus
der
DE 41 26 232 A1 ist
es bekannt, eine Biegeeinstellwalze für einen Single-Nip
mit einem Mantel aus einer dickeren elastischen Schicht zu versehen,
wobei der Mantel außen eine weitere wärmeleitfähige,
vorzugsweise metallische Schicht besitzt. Diese Schicht kann von
außen beispielsweise über Gasdüsen gekühlt
werden.
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In
der bislang unveröffentlichten
DE 10 2008 037 999 ist offenbart,
eine Walze mit einer äußeren elastischen Schicht
zusätzlich mit einer metallischen Spritzschicht durch ein
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen zu versehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einwirkungsmöglichkeit
auf die Materialbahn zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Kalander der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass mindestens eine der den Doppelweichnip bildenden
Walzen mit einer zusätzlichen, durch ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen
aufgetragenen metallischen Schicht mit einer Dicke unter 80 μm
versehen ist.
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Vorzugsweise
ist die metallische Schicht durch ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (High
Velocity Oxy Fuel, HVOF-Verfahren) erzeugt worden. Dabei wird das
aufzutragende Material mit einer höheren Temperatur und
einer hohen kinetischen Energie auf die Oberfläche der
Walze, d. h. auf die Oberfläche der elastischen Schicht
geschleudert. Das Material erstarrt auf der Oberfläche
und bildet dann die weitere Schicht. Durch das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen
ist man bei der Gestaltung der Oberfläche relativ frei,
d. h. man kann eine relativ verschleißfeste Schicht erzeugen,
die darüber hinaus den Vorteil hat, relativ glatt zu sein,
so dass die Satinage einer Bahn, die durch einen mit Hilfe der Walze gebildeten
Nip läuft, verbessert wird. Eine Schichtdicke unter 80 µm
spart gegenüber den metallischen Überzügen
aus dem Stand der Technik sehr viel Material und ist dadurch preiswerter.
Auch die Herstellung einer solchen Walze ist beispielsweise gegenüber
verchromten Überzügen mit kupfernem Unterbau (wie
es bereits in Versuchen getestet wurde) deutlich einfacher. Bei
der Verformung der so aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht
im Nip folgt die dünne Schicht ohne eigene Komprimierung,
so dass die Papierbahn im Doppelweichnip praktisch den gleichen
Druckspannungsverhältnissen ausgesetzt ist wie in einem
Walzenspalt oder Nip mit einer herkömmlichen weichen und
einer harten Walze. Was im Übrigen das Herstellverfahren
für eine solche in dem erfindungsgemäßen
Kalander eingesetzte elastische Walze betrifft, so sei auf die
DE 10 2008 037 999 des Anmelders
verwiesen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben,
dass es keinen Abrieb mehr an der Oberfläche des elastischen
Mantels mehr gibt. Die metallische Schicht bekommt demgemäß die
Aufgabe einer Schutzschicht für den elastischen Mantel.
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In
einem durch die beiden Walzen mit elastischer und flammgespritzten
metallischen Oberfläche, d. h. die beiden weichen Walzen,
begrenzten Walzenspalt kann durch die erhöhte Temperatur
von beiden Seiten Energie in die Materialbahn eingetragen werden,
so dass eine gleichmäßige Verdichtung der Bahn
möglich ist. Aufgrund dieser zusätzlichen Funktion
handelt es sich nicht mehr um einen herkömmlichen Wechselspalt.
Dieser Walzenspalt wird daher als ”Doppelweichnip” bezeichnet.
Aufgrund der erhöhten Temperatur kann nun auch der Walzenspalt,
der durch zwei Walzen gebildet ist und an sich für die
Bearbeitung der Materialbahn verloren wäre, für
die Bearbeitung genutzt werden. Im Extremfall kann man bei einer
derartigen Ausgestaltung einen der übrigen Walzenspalte
weglassen, so dass sich unter Umständen die Bauhöhe
des Kalanders verringern lässt. Dies spart in erheblichem
Masse Kosten.
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Vorzugsweise
weist die Oberfläche mindestens einer einen Doppelweichnip
bildenden Walze eine glatte Oberfläche auf, deren mittleren
Rauhigkeit Ra unter Betriebsbedingungen den Wert 0,1 µm nicht übersteigt.
Eine derartig glatte Oberfläche lässt sich in
Verbindung mit einer metallischen, vorzugsweise flammgespritzen
Schicht versehenen elastischen Walze realisieren. Auf diese Weise
kann man die Materialbahn im Doppelweichnip nicht nur verdichten,
sondern auch zumindest an der Seite glätten, die an der
weichen Walze mit der glatten Oberfläche anliegt. Noch
besser werden die Ergebnisse, wenn sogar beide den Doppelweichnip
bildenden Walzen die glatte Oberfläche aufweisen. In diesem Fall
kann man in dem oder den Doppelweichnips die Materialbahn verdichten
und beidseitig glätten, was unter Umständen die
Einsparung weiterer Walzenspalte oder Nips in dem Kalander möglich
macht. Die Zweiseitigkeit der Materialbahn kann ganz erheblich reduziert
werden.
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Es
ist günstig, wenn die flammgespritzte metallische Schicht
mittels einer Außenheizung erwärmt wird. Man wird
vorzugsweise kurz vor dem Nip genau die Wärmemenge in die
Schicht eintragen, die anschließend von der Papierbahn
abgenommen wird. Dadurch wird der Mantel unterhalb der metallischen Schicht,
der in der Regel aus einem faserverstärkten Kunststoff
besteht, von einer zu großen Erwärmung verschont.
Als Außenheizungen eignen sich hervorragend Induktivheizungen
oder Infrarotheizungen.
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Mit
besonderem Vorteil kann bei einer solchen Mittelwalze mit einer
metallischen Schicht der elastische Mantel recht einfach aufgebaut
sein und muss nicht wie in der
EP 0 945 546 A2 mit besonders wärmeleitfähigen
Einschlüssen versehen sein. Man wird in der Regel einen
heute handelsüblichen, nicht beheizbaren elastischen Mantel
aus Kunststoff verwenden und diesen lediglich mit einer hauchdünnen metallischen
Schicht versehen. Es hat sich als besonders günstig erwiesen,
wenn der Mantel eine Wandstärke von 10 bis 40 mm besitzt.
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Vorzugsweise
weisen zumindest alle Mittelwalzen zwischen Ober- und Unterwalze
des Walzenstapels eine zusätzliche metallische Schicht
mit einer Dicke unter 80 µm auf. Der Kalander hat dann
abgesehen vom Einlauf- und vom Auslaufspalt, nur Doppelweichnips.
Insbesondere in Verbindung mit den glatten Oberflächen
der metallisch Hammgespritzten elastischen Walzen lassen sich schon
mit wenigen Doppelweichnips hervorragende Ergebnisse erzielen, so
dass man auch mit wenigen Walzen auskommt. Selbstverständlich
ist es auch möglich, dass man die Oberwalze und die Unterwalze
des Kalanders mit einer elastischen Oberfläche ausbildet.
In diesem Fall können sogar alle Walzenspalte als Doppelweichnips
ausgebildet sein.
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Vorzugsweise
sind alle Mittelwalzen gleichartig ausgebildet. Man unterscheidet
also nicht mehr zwischen harten und weichen Walzen, was die Lagerhaltung
ganz beträchtlich erleichtert. Natürlich können
die Mittelwalzen gewisse Unterschiede aufweisen, beispielsweise
im Hinblick auf den Durchmesser. Sie sind aber untereinander austauschbar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt die einzige
Figur einen erfindungsgemäßen Kalander.
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Ein
Kalander 1 weist einen Walzenstapel aus mehreren Walzen,
hier sechs Walzen, auf. Im Einzelnen handelt es sich um eine Oberwalze 2 an
oberster Position und eine Unterwalze 3 an unterster Position. Oberwalze 2 und
Unterwalze 3 können als Durchbiegeeinstellwalzen
ausgebildet sein, was durch Druckschuhe 4, 5,
die beispielsweise hydrostatisch arbeiten können, angedeutet
ist. Zwischen der Oberwalze 2 und der Unterwalze 3 sind
vier Mittelwalzen 6–9 angeordnet. Die
Mittelwalzen 6–9 haben einen im Wesentlichen
gleichartigen Aufbau. Sie unterscheiden sich allenfalls im Durchmesser.
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Jede
Mittelwalze 6–9 weist einen elastischen Mantel 10 auf,
der einen Kern 11 umgibt. Der Kern 11 ist hart,
d. h. er ist aus Stahl oder Guss oder einem vergleichbaren Material
gebildet. Der elastische Mantel 10 ist aus einem Kunststoff
gebildet, der relativ weich und elastisch ist. Bei ausreichender
Steifigkeit des elastischen Mantels kann auf den metallischen Kern 11 ggf.
verzichtet werden, so dass die Walze im Grunde aus dem elastischen
Mantel 10 gebildet wird und innen hohl ist.
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Der
elastische Mantel weist jedoch in erfinderischer Weise eine zusätzliche
metallische Schicht
13 mit einer Dicke unter 80 µm
auf. Zur Herstellung und Beschaffenheit der Schicht sei auf die
10 2008 037 999 verwiesen.
Diese Sritzschicht
13 kann noch glatter gemacht werden,
als der elastische Mantel
10. Die Glätte entspricht
der einer herkömmlichen harten Kalanderwalze, aber dennoch
ist die Walze elastisch geblieben. Die metallische Schicht ist auch
eine Schutzschicht für den elastischen Mantel.
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Das
Material, das die metallische Schicht 13 bildet, hat eine
gute Wärmeleitfähigkeit, so dass Wärme,
die über eine Außenheizung 23 zugeführt
wird, sich rasch auf ein gleichmäßiges Temperaturniveau verteilt.
Damit der unter der Schicht 13 liegende elastische Mantel 10 nicht
zu stark er hitzt wird, sind im elastischen Mantel oder im Kern der
Walzen Kühlleitungen 12 vorgesehen. Optimal ist
allerdings, wenn der metallischen Schicht 13 durch die
Außenheizung 23 genau so viel Wärme zugeführt
wird wie einerseits an die Bahn 18 und andererseits durch
Konvektion und Strahlung der Walze (6–9)
an die Umgebung abgegeben wird. Zumindest soll das durch die Kühlleitung 12 strömende
Medium dafür sorgen, dass die Temperaturdifferenz zwischen
Mantel 10 und Kern 11 nicht zu groß wird.
Ein Temperaturbereich des Mediums zwischen 40 und 80°C
ist hier vorteilhaft.
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Es
ist dargestellt, dass alle Mittelwalzen 6–9 derartige
Kühlkanäle 12 aufweisen. Es ist aber
nicht notwendig, dass im Betrieb auch alle Mittelwalzen 6–9 beheizt
werden. Es reicht aus, wenn z. B. jede zweite Walze beheizt ist,
solange sichergestellt ist, dass jeder Doppelweichnip 19–21 beheizt
ist.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Oberwalze 2 und
die Unterwalze 3 mit ”harten” Walzenmänteln 14, 15 ausgebildet.
Zwischen der obersten Mittelwalze 6 und der Oberwalze 2 und
zwischen der untersten Mittelwalze 9 und der Unterwalze 3 sind
daher herkömmliche ”weiche” Walzenspalte oder
Nips 16, 17 gebildet. Eine Papierbahn 18,
die durch den Kalander läuft und durch Umlenkwalzen 22 geleitet
wird, liegt daher einmal mit ihrer Oberseite und einmal mit ihrer
Unterseite an einer ”harten” Walze, nämlich
der Oberwalze 14 und der Unterwalze 15, an.
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Die
verbleibenden drei Walzenspalte 19–21 sind
hingegen immer von zwei Walzen 6–9 begrenzt, die
eine elastische, mit einer metallischen Schicht 13 versehene
Oberfläche aufweisen. Sie bilden daher Doppelweichnips 19–21.
Jeder Doppelweichnip 19–21 ist durch
Außenheizungen 23 beheizt. Als Außenheizungen
haben sich beispielsweise Induktivheizungen oder Infrarotheizungen
bewährt.
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Die
Mittelwalzen
6–
9 haben alle eine sehr glatte
Oberfläche, d. h. unter Betriebsbedingungen übersteigt
ihre mittlere Rauhigkeit Ra nicht den Wert 0,5 µm. Sie
kann sogar in der Regel bei 0,1 µm oder weniger gehalten
werden. Aufgrund der geringen Dicke der metallischen Schicht
13 haben
die Mittelwalzen
6–
9 fast das Betriebsverhalten
einer weichen Walze, wobei aufgrund der elastischen Oberfläche, die
durch den elastischen Mantel
10 gebildet ist, Fasern der
Papierbahn nicht zerdrückt werden. Der elastische Mantel
10 kann
hierbei aus einem Material gebildet sein, das einen E-Modul von
7.000 N/mm
2 oder weniger aufweist. Die Mittelwalzen
können auch so aufgebaut sein, wie es in der veröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 197 10
573 beschrieben ist und dann mit einer metallischen Spritzschicht
versehen sein.
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Mit
einem derartigen Kalander 1 lassen sich auch bei wenigen
Doppelweichnips hervorragende Ergebnisse im Hinblick auf die Satinage
erzielen. Die Papierbahn 18 wird nicht nur verdichtet,
sie erhält aufgrund der glatten Oberflächen der ”weichen” Walzen
in den Doppelweichnips 19–21 gleichzeitig
eine hervorragende Glätte und einen hervorragenden Glanz.
Da man auf diese Weise vielfach einen oder mehrere Nips oder Walzenspalte
eines herkömmlichen Kalanders einsparen kann, wird durch
die Verwendung der Doppelweichnips eine beträchtliche Kosteneinsparung
erzielt.
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Wenn
alle Mittelwalzen 7–9 vollkommen gleichartig
ausgebildet sind, was bei dem erfindungsgemäßen
Kalander durchaus realisierbar ist, so spart sich der Betreiber
des Kalanders die aufwändige Ersatzteilhaltung von elastischen
und harten Walzen.
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Die
Erfindung soll selbstverständlich nicht ausschließen,
dass auch die Ober- und Unterwalze (2, 3) einen
elastischen Mantel besitzt, der ebenfalls mit einer metallischen
Schicht versehen sein kann.
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- 1
- Kalander
- 2
- Oberwalze
- 3
- Unterwalze
- 4
- Druckschuhe
- 5
- Druckschuhe
- 6
- Mittelwalze
- 7
- Mittelwalze
- 8
- Mittelwalze
- 9
- Mittelwalze
- 10
- elastischer
Mantel
- 11
- Kern
- 12
- Kühlleitung
- 13
- metallische
Schicht
- 14
- Oberwalze
- 15
- Unterwalze
- 16
- Nip
- 17
- Nip
- 18
- Papierbahn
- 19
- Doppelweichnip
- 20
- Doppelweichnip
- 21
- Doppelweichnip
- 22
- Umlenkwalze
- 23
- Außenheizung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0945546
A2 [0002, 0004, 0004, 0013]
- - DE 4126232 A1 [0005]
- - DE 102008037999 [0006, 0009, 0019]
- - DE 19710573 [0024]