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Die
Erfindung betrifft einen Breitnipkalander mit einem umlaufenden
Band, das zusammen mit einem Gegendruckelement einen Breitnip bildet,
wobei das Band durch eine Andruckanordnung in Richtung auf das Gegendruckelement
belastet ist und das Gegendruckelement beheizbar ist, wobei die
Andruckanordnung eine Erregereinrichtung einer elektrischen Induktionsheizung
aufweist, die auf das Gegendruckelement wirkt.
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Ein
derartiger Breitnipkalander ist aus der nachveröffentlichten WO 03/035978 A1
bekannt.
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Ein
weiterer Breitnipkalander ist aus
US 6 158 333 A bekannt. Ein derartiger Breitnipkalander dient
dazu, eine Materialbahn, beispielsweise eine Papier- oder Kartonbahn,
die den Breitnip durchläuft, mit
erhöhtem
Druck und erhöhter
Temperatur zu beaufschlagen. Dadurch, daß der Breitnipkalander im Gegensatz
zu einem Kalander, in dem der Nip durch zwei gegeneinander wirkende
Walzen gebildet ist, eine in Bahnlaufrichtung vergrößerte Behandlungsstrecke
und damit auch eine vergrößerte Behandlungszeit
aufweist, ist es möglich,
die Bahn mit einer etwas verminderten Druckspannung, dafür aber über eine
längere
Behandlungszeit zu behandeln. Damit lassen sich gute Oberflächeneigenschaften
mit einer Schonung des Volumens der Bahn verbinden.
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Die
Beheizung des Gegendruckelements, im bekannten Fall der Walze, ist
nicht unproblematisch. Bekannt ist die Beheizung mit Hilfe eines
Wärmeträgermediums,
beispielsweise einer heißen
Flüssigkeit,
wie Öl,
oder eines heißen
Gases, beispielsweise Wasserdampf. In beiden Fällen sind Drehdurchführungen
erforderlich mit denen die Walze beheizt werden kann. Alternativ
dazu ist es möglich,
die Walze von innen mit Hilfe von Induktion zu beheizen. Bei allen
Beheizungsarten von innen ist es erforderlich, daß die Wärme den
Mantel der Gegenwalze durchdringt, was vielfach zu unerwünschten
thermischen Spannungen führt.
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Alternativ
dazu ist es bekannt, eine Walze von außen durch Induktion zu beheizen,
wobei die Induktionsheizung am freien Umfang der Gegendruckwalze
angeordnet ist. Auch diese Ausgestaltung ist nicht frei von Nachteilen.
Sobald ein Umfangsbereich der Walze die Induktionsheizung passiert
hat, kühlt dieser
Bereich der Walze ab, d.h. die im Nip an die Bahn übertragbare
Wärmeenergie
ist unter Umständen
zu gering. Darüber
hinaus ist es in der Regel nicht möglich, die Bahn über die
Länge des
Breitnips mit einer gewissen gleichmäßigen Wärmezufuhr zu beaufschlagen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beheizungsmöglichkeiten
einer Bahn im Breitnip zu erweitern. Diese Aufgabe wird bei einem
Breitnipkalander der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Erregereinrichtung
eine Fokussierungseinrichtung aufweist.
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Mit
dieser Ausgestaltung wird das Gegendruckelement, beispielsweise
eine Gegendruckwalze oder ein Gegendruckband, im Breitnip beheizt,
also dort, wo die Wärme
erforderlich ist, um die durchlaufende Bahn zu beaufschlagen. Die
Induktionsheizung heizt sozusagen durch das umlaufende Band hindurch.
Das umlaufende Band, das vielfach aus einem Kunststoffmaterial gebildet
ist, heizt sich dabei nicht selbst auf. Es wird allenfalls durch
die Papierbahn hindurch von dem Gegendruckelement mit beheizt. Dies
ist aber in der Regel unkritisch. Die Induktionsheizung wirkt zunächst auf
die Oberfläche
des Gegendruckelements. Von dort wird die zugeführte Wärme unmittelbar auf die den
Breitnip durchlaufende Materialbahn übertragen. Bei einer entsprechenden
Energieversorgung der Induktionsheizung kann man dafür sorgen,
daß das
Gegendruckelement praktisch nicht weiter als erforderlich erwärmt wird, so
daß unerwünschte thermische
Spannungen mit großer
Zuverlässigkeit
vermieden werden können. Eine
Fokussiereinrichtung wird verwendet, um das Magnetfeld, das durch
die Erregereinrichtung erzeugt wird, gezielt in bestimmte Bereiche
zu lenken. Man kann daher die Energie, die zum Erregen des magnetischen
Feldes erforderlich ist, besser ausnutzen. Der Wirkungsgrad der
Induktionsheizung wird dadurch ge steigert. Darüber hinaus kann man Störungen,
die durch das Magnetfeld möglicherweise nach
außen
getragen werden können,
klein halten. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der Nachbarschaft
des Breitnipkalanders elektronische Geräte betrieben werden sollen,
die unter Umständen
unerwartet auf ein Magnetfeld reagieren.
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Hierbei
ist bevorzugt, daß die
Fokussierungseinrichtung Transformationsbleche aufweist, die zusammen
mit dem Gegendruckelement eine Induktionswicklungsanordnung umgeben.
Man erzeugt also einen nahezu vollständig geschlossenen magnetischen
Kreis, der lediglich unterbrochen wird durch einen Luftspalt, der
im Betrieb ausgefüllt
ist durch das Band und die den Breitnip durchlaufende Materialbahn.
Damit wird praktisch die gesamte magnetische Energie, die von der
Induktionswicklungsanordnung erregt wird, in das Gegendruckelement eingetragen
und für
die Beheizung des Gegendruckelements verwendet.
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Bevorzugterweise
weist die Erregereinrichtung eine elektrische Versorgungseinrichtung
mit veränderbarer
Speisefrequenz auf. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Leistung der
elektrischen Induktionsheizung zu verändern. Eine Möglichkeit
besteht darin, die Stärke
des Stroms zu verändern,
der das magnetische Feld erregt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die
Frequenz zu verändern.
Die Veränderung
der Frequenz hat Einfluß darauf,
wie tief das Magnetfeld in das Gegendruckelement eindringt. Höhere Frequenzen
bewirken eine geringere Eindringtiefe. Mit höheren Frequenzen steht also
ein geringerer Leitungsquerschnitt im Gegendruckelement für den elektrischen
Strom zur Verfügung,
so daß sich hier
eine höhere
Temperatur ergibt. Mit einer Veränderung
der Frequenz läßt sich
also auch Einfluß darauf
nehmen, wie das Gegendruckelement aufgeheizt wird.
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Vorzugsweise
wirkt die Erregereinrichtung unmittelbar vor und/oder in einer Preßzone des
Breitnips auf das Gegendruckelement. Es hat Vorteile, das Gegendruckelement
bereits kurz vor dem Breitnip durch Induktion zu beheizen, damit
die Oberfläche
des Gegendruckelements bereits mit einer erhöhten Temperatur in den Breitnip
einläuft.
Man kann dann von Anfang an eine Kombination aus erhöhtem Druck
und erhöhter
Temperatur auf die Materialbahn wirken lassen. Natürlich kann
die Erregung, d.h. die Beheizung des Gegendruckelements, auch im
Breitnip fortgesetzt werden. Damit wird gewährleistet, daß die erhöhte Temperatur
auch über
eine vorbestimmte Zeitdauer auf die Materialbahn wirken kann und
die Temperatur des Gegendruckelements nicht aufgrund der Wärmeübertragung
an die Materialbahn absinkt. Es wird vielmehr laufend neue Wärme zugeführt. Im Grunde
genommen ist jede Kombination einer Beheizung unmittelbar vor der
Preßzone
und innerhalb der Preßzone
des Breitnips denkbar.
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Vorzugsweise
endet eine Einwirkung der Erregereinrichtung auf das Gegendruckelement
innerhalb der Preßzone.
Insbesondere bei einem Gegendruckelement mit einer geringen Wärmekapazität fällt die
Temperatur der Oberfläche
des Gegendruckelements nach dem Ende der magnetischen Erregung schnell
ab. Man kann dies dazu verwenden, einen "Schock" für
die Materialbahn zu vermeiden, wenn sie den Breitnip verläßt.
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Hierbei
ist insbesondere bevorzugt, daß das Gegendruckelement
beim Austritt aus dem Breitnip eine Oberflächentemperatur von weniger
als 100° C aufweist.
Mit dieser Ausgestaltung kann man eine sogenannte "Flashverdampfung" vermeiden. Eine
Flashverdampfung tritt dadurch auf, daß Feuchtigkeit, die innerhalb
der Materialbahn verdampft, im Breitnip aber aufgrund des Einschlusses
der Materialbahn zwischen dem Band und dem Gegendruckelement nicht
entweichen kann, plötzlich
austritt, wenn eine der beiden Begrenzungen entfällt. Wenn man hingegen dafür sorgt,
daß die
Temperatur der Bahn beim Austritt aus dem Breitnip bereits unter
100° C liegt, dann
besteht auch keine Gefahr, daß die
Feuchtigkeit aus der Bahn heraus verdampft und dabei die im Breitnip
geglättete
Oberfläche
aufreißt.
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Bevorzugterweise
erzeugt die Erregereinrichtung eine in Bahnlaufrichtung variierende
Heizleistung. Man kann dann beispielsweise die Heizleistung in Bahnlaufrichtung
zunehmen oder abnehmen lassen, je nach dem, wie die Anforderungen
sind. Man kann auch ein Temperaturmaximum etwa in der Mitte des
Breitnips erzeugen. Durch diese Ausführungsform lassen sich die
Behandlungsmöglichkeiten
im Breitnip erweitern.
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Vorzugsweise
ist der Verlauf der Heizleistung in Bahnlaufrichtung einstellbar.
Man kann also, je nach dem, welche Materialbahn behandelt wird, den
Verlauf der Heizleistung im Breitnip verändern. Damit wird eine weitere
Flexibilisierung erreicht.
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Bevorzugterweise
weist das Gegendruckelement eine durch Induktion erwärmbare Oberflächenschicht
auf einem durch Induktion weniger gut erwärmbaren Tragkörper auf.
Mit dieser Maßnahme
erreicht man ein Gegendruckelement, das selbst eine relativ kleine
Wärmekapazität hat. Man
kann dann dafür
sorgen, daß die
Temperatur im Breitnip praktisch ausschließlich von der Induktionsheizung
beeinflußt
wird, während
die Oberflächentemperatur sich
außerhalb
des Breitnips relativ schnell an die Umgebungstemperatur angleicht.
Damit lassen sich thermische Spannungen im Gegendruckelement kleinhalten,
was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Gegendruckelement
durch eine Walze gebildet ist.
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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 Ausführungsform
eines Breitnipkalanders in schematischer Darstellung,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Breitnipkalanders,
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3 eine
Darstellung eines Heizverlaufs und
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4 eine
schematische Darstellung einer Gegendruckwalzee.
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Ein
in 1 schematisch dargestellter Breitnipkalander 1 weist
ein umlaufendes Band 2 auf, das mit einem als Walze 3 ausgebildeten
Gegendruckelement einen Breitnip 4 bildet. Das Band 2 wird
dabei durch eine An druckanordnung 5 mit einem Anpreßschuh 6 gegen
die Walze 3 gedrückt.
Eine Papier- oder Kartonbahn 7, die den Breitnip 4 durchläuft, wird also
unter der Wirkung des Anpreßschuhs 6 in
dem Breitnip 4 zunächst
mit erhöhtem
Druck beaufschlagt. Der Anpreßschuh 6 weist
hierbei eine Andruckfläche 8 auf,
die konkav gewölbt
ist und deren Krümmung
im wesentlichen der Krümmung
der Walze 3 angepaßt
ist. In der Andruckfläche 8 können in an
sich bekannter und daher nicht dargestellter Weise Einrichtungen
zum Herabsetzen der Reibung zwischen dem Band 2 und dem
Anpreßschuh 6 vorgesehen
sein. Beispielsweise kann hier eine hydraulische Schmierung vorgesehen
sein, bei der laufend ein Schmieröl zwischen den Anpreßschuh 6 und
das Band 2 eingespeist wird.
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Zusätzlich ist
im Anpreßschuh 6 eine
Wicklung 9 einer Induktionsheizung aufgenommen. Die Wicklung 9 bildet
eine Erregereinrichtung der Induktionsheizung. Wenn ein Strom durch
die Wicklung 9 fließt,
dann erzeugt dieser Strom ein Magnetfeld, das in die Walze 3 eindringt,
zumindest in die Oberfläche der
Walze. Wenn sich die Walze 3 gegenüber dem Magnetfeld bewegt,
dann wird ein Gegenstrom in der Oberfläche der Walze 3 induziert,
der seinerseits zu einer Erwärmung
der Oberfläche
der Walze führt. Man
kann die Heizleistung noch dadurch steigern, daß man einen Wechselstrom durch
die Wicklung 9 fließen
läßt. In diesem
Fall erzeugt der Wechselstrom einen Wirbelstrom in der Oberfläche der
Walze 3, was die Heizleistung weiter verbessert. Darüber hinaus
ist die Eindringtiefe eines Wirbelstroms in die Oberfläche der
Walze 3 begrenzt. Die Eindringtiefe hängt ab von der Frequenz und
von den Materialeigenschaften der Walze 3. Wenn man die
Frequenz so hoch wählt,
daß die
Eindring tiefe auf wenige Millimeter begrenzt ist, dann wird auch
entsprechend nur ein weniger Millimeter dicker Bereich an der Oberfläche der
Walze 3 beheizt. Man muß nicht die gesamte Walze 3 oder
die gesamte Walzenschale der Walze 3 beheizen, um die notwendige
Temperatur in die Bahn 7 eintragen zu können.
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In
dem Anpreßschuh 6 sind
Transformatorbleche 10 vorgesehen. Diese Transformatorbleche 10 können aufeinander
gestapelt sein, also in Achsrichtung der Walze 3 flächig nebeneinander
aufgereiht sein. Vorzugsweise sind die Transformatorbleche 10 elektrisch
gegeneinander isoliert. Dies kann beispielsweise durch eine dünne Lack-
oder Oxidschicht auf der Oberfläche
der Transformatorbleche 10 erfolgen. In diesen geschichteten
Transformatorblechen 10 bilden sich dann keine Wirbelströme aus. Vielmehr
wirken die Transformatorbleche als Fokussiereinrichtung, die das
gesamte Magnetfeld auf die Gegenwalze 3 fokussieren. Streuverluste
werden kleingehalten. Es wird ein magnetischer Kreis gebildet, der
sich in den Transformatorblechen 10 und der Gegenwalze 3 schließt. Ein
Luftspalt besteht praktisch nur in der Dicke des Bandes 2 und
der Bahn 7.
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Dargestellt
ist, daß die
Transformatorbleche 10 E-förmig ausgebildet sind. Andere
Formen für
die Transformatorbleche sind möglich,
wenn sie bewirken, daß das
magnetische Feld, das durch den Strom in der Wicklung 9 erzeugt
wird, hauptsächlich
in der Gegenwalze 3 fokussiert wird.
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Dargestellt
ist, daß die
Induktions-Wicklung 9 die Walze 3 hauptsächlich in
der Preßzone
des Breitnips 4 beheizt. Ein anderer Heizverlauf ist in 3 dargestellt.
Hier ist eine Heizlänge
H im Verhältnis
zu einer Preßlänge P angegeben.
Aus 3 ist ersichtlich, daß die Beheizung der Gegenwalze 3 bereits
vor dem Pressenbereich des Breitnips 4 beginnt. Die Oberflächentemperatur
TWO der Oberfläche der Walze 3 steigt
dann bereits vor dem Eintritt in die Pressenzone des Breitnips 4 von
etwa 90° C
auf etwa 150° C,
so daß die
Bahn 7 unmittelbar beim Eintritt in die Preßzone des
Breitnips 4 mit der heißen Walze unter Druck kontaktiert
wird.
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Die
Beheizung endet allerdings in der Preßzone des Breitnips 4,
so daß die
Oberflächentemperatur
TWO bei einer Walze mit entsprechend geringer Wärmekapazität wieder
auf unter 100° C
abkühlen kann,
bevor die Bahn 7 den Breitnip 4 verläßt. Dies vermeidet
eine Flashverdampfung, d.h. die in der Bahn 7 enthaltene
Feuchtigkeit kann kondensieren bevor die Bahn 7 den Breitnip 4 verläßt. Dadurch
wird vermieden, daß der
Dampf explosionsartig aus der Bahn 7 austritt, wenn die
Bahn 7 den Breitnip verläßt. Dieses Phänomen wird
als "Flashverdampfung" bezeichnet. Die
Flashverdampfung reißt
die im Breitnip 4 geglättete
Oberfläche
der Bahn 7 auf. Dadurch, daß die Heizlänge auf einen Bereich begrenzt
ist, der im Breitnip 4 endet und sogar in der Preßzone des Breitnips 4,
wird die Flashverdampfung mit großer Zuverlässigkeit vermieden.
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In 1 ist
dargestellt, daß das
Band 2 eine relativ große Dicke hat. Ein derartig
dickes Band läuft nach
Art einer Walze um und ist in der Regel an den Stirnseiten über Stirnscheiben
geschlossen. Es ist aber auch möglich,
ein dünneres
Band 2 zu verwenden, das durch Umlenkrollen im Umlauf geführt ist.
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2 zeigt
eine alternative Ausgestaltung, bei der gleiche Teile mit den gleichen
Bezugszeichen wie in 1 versehen sind. Das Gegendruckelement ist
in diesem Fall nicht als Walze 3 ausgebildet, sondern als
Stahlband 11, das an einem Abstützschuh 12 anliegt,
wenn der Anpreßschuh
das Band 2 gegen das Stahlband 11 drückt. Auch
auf diese Weise wird ein Breitnip 4 realisiert. Die Induktionswicklung 9 beheizt
das Stahlband 11, wenn Strom durch sie hindurchfließt. Der
Abstützschuh
kann dabei mitbeheizt werden. Vorzugsweise wird man aber die Frequenz der
Induktionswicklung so einstellen, daß lediglich das Stahlband 11 beheizt
wird.
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Schematisch
dargestellt ist eine Versorgungseinrichtung 13, die die
Wicklung 9 mit Strom versorgt. Die Versorgungseinrichtung 13 ist
in der Lage, die Frequenz des Stromes zu verändern. Hierzu ist ein Einstelleingang
f vorgesehen.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Walze 3. Die Walze 3 weist eine Walzenachse 14 auf
auf der ein Isolierkörper 15 angeordnet
ist. Der Isolierkörper 15 bewirkt
eine thermische Isolierung der Walzenachse 14 von einem
Mantel 16, der als dünne
Schicht auf dem Isolierkörper 15 vorgesehen
ist. In 4 ist der Man tel 16 übertrieben
dick dargestellt. Er ist in Wirklichkeit in Radialrichtung wesentlich
dünner.
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Bei
einer derartigen Ausgestaltung wird lediglich der Mantel 16 beheizt,
d.h. eine relativ dünne Oberflächenschicht
der Walze 3 damit wird eine Beheizung nur an solchen Stellen
bewirkt, an denen die Walze auch Wärme an die Bahn 7 abgeben
kann. Dies ist einerseits ein sehr energiesparender Betrieb. Zum
anderen werden thermische Spannungen in der Walze 3 weitgehend
vermieden.
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Dargestellt
ist eine einzige Wicklung 9, mit der ein Magnetfeld in
der Gegenwalze 3 oder dem Stahlband 11 induziert
wird. Man kann natürlich
in Laufrichtung der Bahn auch mehrere Wicklungen anordnen, so daß man die
Möglichkeit
erhält,
die Heizleistung in Laufrichtung der Bahn zu verändern. Die Heizleistung kann
also beispielsweise ansteigen oder abnehmen oder auch gleich bleiben.
Wenn jede Wicklung getrennt ansteuerbar ist, dann läßt sich
unter Umständen
auch die Beheizung des Gegendruckelements, also der Gegenwalze 3 oder
des Stahlbandes 11 während
des Betriebs verändern.