DE102012218961A1 - Stationäres Entwässerungselement für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn und dazugehöriges Verfahren - Google Patents

Stationäres Entwässerungselement für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn und dazugehöriges Verfahren Download PDF

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Abstract

Keramisches Entwässerungselement für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papier-, Karton- oder Verpackungspapierbahn, wobei das Entwässerungselement einstückig ausgebildet ist und aus einem keramischen Träger (1) und einer Stütze für den keramischen Träger (2) besteht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein stationäres Entwässerungselement gemäß Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Entwässerungselements.
  • Entwässerungselemente sind starken Verschleißbeanspruchungen unterworfen. Da die Bahngeschwindigkeiten in modernen Papiermaschinen heutzutage im Bereich von 1000–1500 m/min liegen, so bewegt sich die Papierbahn, ein Sieb oder ein Filz, welche sich über die Oberfläche des Entwässerungselements bewegen, mit einer erheblichen Geschwindigkeit am Element vorbei. Der Verschleiß wird durch die Füllstoffe, die bei der Papierherstellung verwendet werden, wie Ton, Talk und Kreide, und durch unerwünschte Verunreinigungen des Verfahrens zur Papierherstellung erhöht.
  • Stationäre Entwässerungselemente sind am nassen Ende der Papiermaschine entlang ihres Siebabschnitts und ihres Pressabschnittes angeordnet. Ein Sieb, das aus einem Polymereinzelfaden hergestellt ist, läuft im Siebabschnitt über das Entwässerungselement, wodurch das Sieb das Entfernen des Wassers vom Papierblatt mit hohem Feuchtigkeitsgehalt an dieser Stufe ermöglicht. Das Entwässerungselement streift Wasser vom Sieb ab oder übt ein Vakuum oder Druckwellen auf das Sieb aus. Im Pressabschnitt wird Wasser durch Absaugen aus dem Filz entfernt.
  • Bei verschiedenen Anwendungen werden unterschiedliche Typen von Entwässerungselementen benötigt. Das einfachste dieser Elemente besteht aus einer ebenen Scheibe und/oder Abstreifleiste, die sich über die Breite der Bahn erstreckt, wobei sie so ausgerichtet ist, dass sie das Sieb abstützt und abstreift.
  • Wenn die Hinterkante der Scheibe und/oder Abstreifleiste relativ zur Maschinenrichtung abgeschrägt ist, so erhält man eine Scheibe und/oder Abstreifleiste, die eine Druckwelle auf die sich bewegende Bahn ausüben kann. Es werden Saugkästen verwendet, um Wasser durch ein Vakuum vom Sieb zu entfernen, und die Kastenabdeckung, die sich gegen das Sieb stützt, kann scheiben- und/oder abstreifleistenartige Elemente oder eine gefurchte Oberfläche aufweisen.
  • Daneben können Gleitschuhe um das Sieb herum angepasst sein, um das Sieb gegenläufig abzustützen und zu pressen. Solche Gleitschuhe können auch verwendet werden, um das Sieb abzulenken und es Druckstößen auszusetzen. Die Gleitfläche solcher Schuhelemente muss in engen Toleranzen in einer Gestalt, die gegenüber einem Verschleiß, der durch das sich bewegende Sieb oder den Filz ausgeübt wird, höchst beständig sein, wobei sie gleichzeitig gegenüber dem Sieb oder dem Filz sehr schonend ist, ausgebildet werden. Für diese Anforderungen haben sich keramische Materialien als optimal erwiesen.
  • Konventioneller Weise werden keramische Entwässerungselemente durch das Zusammenbauen einer langen Scheibe und/oder Abstreifleiste, die nebeneinander liegende Keramikstücke umfasst, hergestellt. Die Länge der Scheibe und/oder Abstreifleiste wird durch die Bahnbreite der Maschine bestimmt. Die Scheibe und/oder Abstreifleiste kann aus Stücken, die auf eine exakte Abmessung gebracht und auf einem Präzisionssockel montiert werden, hergestellt werden, wodurch sich eine relativ glatte Oberfläche der Scheibe und/oder Abstreifleiste ergibt.
  • Ein besseres Ergebnis wird jedoch mittels einer Struktur erzielt, in welcher die Keramikstücke nebeneinander und miteinander verklebt werden, und bei der die fertig zusammengefügte Scheibe und/oder Abstreifleiste in die korrekte Form geschliffen wird, wobei zwischen den Stücken keine Höhendifferenzen verbleiben. Die am weitesten verbreiteten Materialien für diese Stücke sind Aluminiumoxid, Siliciumcarbid und Zirkoniumoxid.
  • Eine Scheiben- und/oder Abstreifleistenstruktur, die aus keramischen Stücken zusammengebaut ist, weist jedoch mehrere Nachteile auf. Sogar wenn das Entwässerungselement aus Stücken zusammengebaut ist, so werden die Stücke relativ massiv und somit empfindlich gegenüber Wärmeschocks.
  • Temperaturvariationen in einem Stück, das gegen eine Bahn gepresst wird, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, können, beispielsweise durch den Verlust der Wasserfilmschmierung zwischen dem Stück und der Bahn, beträchtlich schnell auftreten. Solche thermischen Schocks verursachen lokale Brüche der Stücke und eine Erosion der Stückoberflächen, die die Verschleißrate des Siebes massiv erhöhen.
  • Eine Scheibe und/oder Abstreifleiste, die aus Stücken zusammengefügt ist, kann durch den Verschleiß oder die Verschiebung der Stücke deformiert werden. Defekte in der Form der Scheibe und/oder Abstreifleisten verursachen Störungen bei der Entfernung des Wassers und können die hergestellte Papierbahn ruinieren.
  • Die größten Probleme, die bei Entwässerungselementen, die aus keramischen Stücken hergestellt sind, auftreten, sind aber mit der geringen chemischen und thermischen Widerstandsfähigkeit der Klebstoffe, die für das Verbinden der Stücke verwendet werden, verbunden.
  • Der Klebstoff, der für die Verbindung verwendet wird, hat einen ungenügenden Widerstand gegenüber den großen Variationen der Temperatur und den starken Chemikalien, die in einer Papiermaschine auftreten.
  • Die stärksten thermischen Belastungen treten auf, wenn das Sieb sich ohne Schmierung bewegt, das heißt, wenn die Maschine trocken läuft. In diesem Fall kann die Reibungswärme die Oberflächentemperatur des keramischen Stücks in einigen Minuten um 120 bis 200°C anheben. Da die thermischen Dehnungskoeffizienten des metallischen oder keramischen Materials, des Klebstoffs und des glasfaserverstärkten Kunststoffkörpers unterschiedlich sind, und da das Temperaturprofil der Scheibe und/oder Abstreifleiste nicht homogen ist, so werden sich in der Scheibe und/oder Abstreifleiste beachtliche thermische Spannungen entwickeln, die die keramischen Stücke voneinander lösen oder sie ganz von dem Scheiben- und/oder Abstreifleistenkörper trennen können.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem stationären Entwässerungselement den Energieverbrauch durch niedrige Reibwerte zu reduzieren, eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, um die Thermoschockempfindlichkeit zu reduzieren sowie eine hohe Lebensdauer des Entwässerungselements zu erzielen, wobei das Entwässerungselement robust gegen außergewöhnliche Betriebszustände sein muss und keine Ausbrüche bei hohen therm ischen Belastungen auftreten dürfen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein keramisches Entwässerungselement für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papier-, Karton- oder Verpackungspapierbahn, wobei das Entwässerungselement einstückig ausgebildet ist und aus einem keramischen Träger (1) und einer Stütze für den keramischen Träger (2) besteht.
  • Vorzugsweise weist das Entwässerungselement eine Länge von bis zu 20 Meter, besonders bevorzugt bis zu 13 Meter auf.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Entwässerungselements, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Bereitstellen von wenigstens einem länglichen Vorkörper aus einem Kohlenstoffverbundwerkstoff, das einen begrenzten Raum bildet,
    • b) im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern verbinden der wenigstens zwei Vorkörper über jeweils mindestens eine Verbindungsfläche zu einem Verbund, indem zwischen die Verbindungsflächen der Vorkörper eine Verbindungsmasse gebracht und anschließend ausgehärtet wird, wobei die Verbindungsmasse Siliciumcarbid und wenigstens einen Polymerklebstoff enthält, und
    • c) Silicieren des Vorkörpers und/oder des Verbundes zu dem Entwässerungselement.
  • Bevorzugt ist im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern in dem Schritt b) die Verbindungsmasse auf eine Verbindungsfläche eines Vorkörpers aufgetragen, die so beschichtete Verbindungsfläche wird gegen die Verbindungsfläche eines anderen Vorkörpers gepresst und dann die Verbindungsmasse gehärtet, und/oder in dem Schritt b) die ggf. zu verbindenden Vorkörper ggf. mit einer Fügevorrichtung unter Ausbildung eines Verbindungsspaltes zwischen den Verbindungsflächen relativ zueinander ausgerichtet, danach der Verbindungsspalt mit der Verbindungsmasse ausgefüllt und dann die Verbindungsmasse gehärtet.
  • Vorzugsweise wird im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt, welche als Polymerklebstoff ein Phenolharz umfasst, und/oder welche als Polymerklebstoff ein kohlenstofffreies Polymer, vorzugsweise ein Polysilan, ein Polysiloxan, ein Polysilazan oder eine beliebige Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen umfasst.
  • Vorzugsweise wird im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt, welche 5 bis 50 Gew.-% Wasser, 20 bis 80 Gew.-% Siliciumcarbid und 10 bis 55 Gew.-% Polymerklebstoff, bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% Wasser, 30 bis 65 Gew.-% Siliciumcarbid und 20 bis 45 Gew.-% Polymerklebstoff und besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% Wasser, 45 bis 55 Gew.-% Siliciumcarbid und 27 bis 33 Gew.-% Polymerklebstoff enthält.
  • Vorzugsweise wird im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt, welche einen Härter für den Polymerklebstoff enthält, wobei der Härter vorzugsweise eine Base oder besonders bevorzugt eine Säure, ganz besonders bevorzugt p-Toluolsulfonsäure, enthält.
  • Vorzugsweise wird im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern in dem Schritt b) die Verbindungsmasse bei einer Temperatur von 10°C bis 100°C, bevorzugt von 15°C bis 80°C und besonders bevorzugt von 18°C bis 30°C, vorzugsweise über eine Zeitdauer von 5 bis 30 Stunden gehärtet.
  • Vorzugsweise wird im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt, welche pulverförmiges Siliciumcarbid mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1 bis 50 μm, bevorzugt 3 bis 20 μm und besonders bevorzugt 5 bis 10 μm enthält.
  • Besonders bevorzugt wird eine Reibschicht überwiegend aus Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff auf mindestens eine Fläche des Entwässerungselements aufgebracht.
  • Besonders bevorzugt enthält die Reibschicht Füllstoffe aus sphärolitischem Koks.
  • Vorzugsweise beträgt die Korngröße der Füllstoffe mindestens 1 μm.
  • Vorzugsweise enthält die Reibschicht Füllstoffe aus Fasergelegen mit einer mittleren Länge gemessen in Faserrichtung von 3 mm bis 50 mm und einer mittleren Bündeldichte gemessen senkrecht zur Faserrichtung von 0,1 mm bis 10 mm und mindestens 75% aller Fasergelege weisen eine Länge auf, die mindestens 90% und nicht mehr als 110% der mittleren Länge beträgt.
  • Vorzugsweise weisen die Füllstoffe aus Fasergelegen ein Verhältnis der Länge zu Bündelbreite von 2:1 bis 100:1 auf.
  • Besonders bevorzugt weisen die Füllstoffe aus Fasergelegen mindestens drei Faserlagen auf.
  • Es ist bevorzugt, dass die Füllstoffe aus Fasergelegen Fasern aus Kohlenstoff enthalten.
  • Besonders bevorzugt wird auf mindestens einer Fläche des Entwässerungselements eine Porosität erzeugt.
  • Vorzugsweise wird die Porosität in einem Ofen bei 550 bis 1200°C, besonders bevorzugt 600 bis 900°C, im Luftstrom unter Sauerstoffzugabe durch Oxidation hergestellt, wobei die Füllstoffe aus sphärolitischem Koks vor der Oxidation vorzugsweise angeschliffen und/oder gesandstrahlt werden.
  • Die nachfolgenden Figuren erläutern die Erfindung beispielhaft.
  • Figuren:
  • Fig. 1a und b: Ausbildung des Entwässerungselements
  • 1a: Segmentierte Art (Stand der Technik), wobei (1) ein keramisches Segment darstellt
  • 1b: Einstückige massive Ausbildung des Entwässerungselements
  • Fig. 2: Beispielhafter Verfahrensablauf zur Herstellung des Entwässerungselements
  • Fig. 3a, b und c: Anordnungsvarianten des Entwässerungselements
  • 3a: Entwässerungselement
  • 3b: Entwässerungselement mit Papierbahn
  • 3c: Entwässerungselement mit Papierbahn und Abdeckung
  • Legende zu Fig. 3a, b und c:
    • (1) keramischer Träger
    • (2) Stütze des keramischen Trägers
    • (3) feuchte Papierbahn
    • Abdeckung

Claims (18)

  1. Keramisches Entwässerungselement für eine Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papier-, Karton- oder Verpackungspapierbahn, dadurch gekennzeichnet, dass das Entwässerungselement einstückig ausgebildet ist und aus einem keramischen Träger (1) und einer Stütze für den keramischen Träger (2) besteht.
  2. Keramisches Entwässerungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entwässerungselement eine Länge von bis zu 20 Meter, besonders bevorzugt bis zu 13 Meter, aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Entwässerungselements, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von wenigstens einem länglichen Vorkörper aus einem Kohlenstoffverbundwerkstoff, das einen begrenzten Raum bildet, b) im Fall von wenigstens zwei länglichen Vorkörpern verbinden der wenigstens zwei Vorkörper über jeweils mindestens eine Verbindungsfläche zu einem Verbund, indem zwischen die Verbindungsflächen der Vorkörper eine Verbindungsmasse gebracht und anschließend ausgehärtet wird, wobei die Verbindungsmasse Siliciumcarbid und wenigstens einen Polymerklebstoff enthält, und c) Silicieren des Vorkörpers und/oder des Verbundes zu dem Entwässerungselement.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) die Verbindungsmasse auf eine Verbindungsfläche eines Vorkörpers aufgetragen wird, die so beschichtete Verbindungsfläche gegen die Verbindungsfläche eines anderen Vorkörpers gepresst wird und dann die Verbindungsmasse gehärtet wird, und/oder in dem Schritt b) die zu verbindenden Vorkörper ggf. mit einer Fügevorrichtung unter Ausbildung eines Verbindungsspaltes zwischen den Verbindungsflächen relativ zueinander ausgerichtet werden, danach der Verbindungsspalt mit der Verbindungsmasse ausgefüllt und dann die Verbindungsmasse gehärtet wird.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt wird, welche als Polymerklebstoff ein Phenolharz umfasst, und/oder, welche als Polymerklebstoff ein kohlenstofffreies Polymer, vorzugsweise ein Polysilan, ein Polysiloxan, ein Polysilazan oder eine beliebige Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen umfasst.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt wird, welche 5 bis 50 Gew.-% Wasser, 20 bis 80 Gew.-% Siliciumcarbid und 10 bis 55 Gew.-% Polymerklebstoff, bevorzugt 10 bis 40 Gew.-% Wasser, 30 bis 65 Gew.-% Siliciumcarbid und 20 bis 45 Gew.-% Polymerklebstoff und besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% Wasser, 45 bis 55 Gew.-% Siliciumcarbid und 27 bis 33 Gew.-% Polymerklebstoff enthält.
  7. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt wird, welche einen Härter für den Polymerklebstoff enthält, wobei der Härter vorzugsweise eine Base oder besonders bevorzugt eine Säure, ganz besonders bevorzugt p-Toluolsulfonsäure, enthält.
  8. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) die Verbindungsmasse bei einer Temperatur von 10°C bis 100°C, bevorzugt von 15°C bis 80°C und besonders bevorzugt von 18°C bis 30°C, vorzugsweise über eine Zeitdauer von 5 bis 30 Stunden gehärtet wird.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Verbindungsmasse eingesetzt wird, welche pulverförmiges Siliciumcarbid mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1 bis 50 μm, bevorzugt 3 bis 20 μm und besonders bevorzugt 5 bis 10 μm enthält.
  10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reibschicht überwiegend aus Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff auf mindestens eine Fläche des Entwässerungselements aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht Füllstoffe aus sphärolitischem Koks enthält.
  12. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Füllstoffe mindestens 1 μm beträgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschicht Füllstoffe aus Fasergelegen mit einer mittleren Länge gemessen in Faserrichtung von 3 mm bis 50 mm und eine mittlere Bündeldichte gemessen senkrecht zur Faserrichtung von 0,1 mm bis 10 mm haben und mindestens 75% aller Fasergelege eine Länge aufweisen, die mindestens 90% und nicht mehr als 110% der mittleren Länge beträgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe aus Fasergelegen ein Verhältnis der Länge zu Bündelbreite von 2:1 bis 100:1 aufweisen.
  15. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe aus Fasergelegen mindestens drei Faserlagen aufweisen.
  16. Verfahren nach einem oder mehrerer der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe aus Fasergelegen Fasern aus Kohlenstoff enthalten.
  17. Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Fläche des Entwässerungselements eine Porosität erzeugt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in einem Ofen bei 550 bis 1200°C, besonders bevorzugt 600 bis 900°C, im Luftstrom unter Sauerstoffzugabe durch Oxidation hergestellt wird, wobei die Füllstoffe nach einem oder mehrerer der Ansprüche 11 und 12 vor der Oxidation vorzugsweise angeschliffen und/oder gesandstrahlt werden.
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