DE19508349C2 - Kalander für die Behandlung einer Papierbahn und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kalander für die Behandlung einer Papierbahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb eines Ka­ landers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Ein derartiger Kalander und ein derartiges Verfahren sind aus US-PS 2 300 994 bekannt. Dort sind hinter Trockenzylindern in Laufrichtung einer Papierbahn zu­ nächst ein Walzenstapel mit acht harten Walzen, die ei­ nen Kalanderstapel bilden, und dann ein Superkalander mit insgesamt sechs Walzen angeordnet, die teilweise als harte Walzen und teilweise als weiche Walzen ausge­ bildet sind. Jeweils eine harte und eine weiche Walze begrenzen einen Nip. Lediglich der zweite Nip von oben wird durch zwei weiche Walzen begrenzt und bildet einen Wechselnip. Alle Walzen werden durch einen gemeinsamen Riemen, der mit Riemenrädern der Walzen in Reibverbin­ dung steht, angetrieben.

Kalander sind vielfach bekannt, beispielsweise aus dem Prospekt "Die neuen Superkalanderkonzepte" der Firma Sulzer Papertec aus 1994 (Kennziffer 05/94 d). Sie die­ nen der abschließenden Behandlung einer Papierbahn, da­ mit diese einen gewünschten Wert der Glätte, des Glan­ zes, der Dicke, des Bulk u. dgl. erhält, und sind ge­ trennt von einer Papiermaschine aufgestellt. Die "weichen" oder elastischen Walzen tragen einen haupt­ sächlich aus Fasermaterial bestehenden Bezug. Die be­ heizbaren Walzen haben eine auf etwa 80°C begrenzte Oberflächentemperatur. Die mittlere Druckspannung in den Walzenspalten liegt im Normalbetrieb zwischen 15 und 30 N/mm², im untersten Arbeitsspalt sind auch schon Werte bis maximal etwa 40 N/mm² angewendet worden. Für einfach zu satinierende Papiere, wie z. B. Schreibpa­ pier, genügt ein Stapel mit 9 oder 10 Walzen. Für hö­ herwertige Papiere, wie tiefdruckfähige Papiere, tech­ nische Papiere oder Verdichtungspapiere werden 12 bis 16 Walzen benötigt. Eine solche Großmaschine ist teuer und hat einen erheblichen Raumbedarf.

Des weiteren sind sogenannte Kompaktkalander bekannte bei denen eine beheizbare Walze mit einer durchbie­ gungssteuerbaren weichen Walze einen Spalt bildet und zur beidseitigen Behandlung der Papierbahn auch zwei derartige Kalander hintereinander geschaltet werden können. Hiermit lassen sich aber nur einfach zu sati­ nierende Papiere, nicht aber technische Papiere, z. B. Silicon-Rohpapiere sowie Papiere für den Tiefdruck, herstellen. Außerdem muß ein großer Teil der Verformungsenergie als Wärme zugeführt werden. Die beheizba­ ren Walzen haben daher eine Oberflächentemperatur von 160 bis 200°C. Es wird viel Wärmeenergie abgestrahlt, die durch Klimaanlagen wieder abgeführt werden muß. Weil die Walzendurchmesser festigkeitsbedingt größer als beim Superkalander sind, müssen hohe Streckenlasten aufgebracht werden, um die für ein gewünschtes Satina­ geergebnis notwendigen Druckspannungen zu erzeugen. Des weiteren sind Austauschwalzen für die elastischen Wal­ zen teuer, weil sie gleichzeitig durchbiegungssteuerbar sein sollen.

Rothfuss, Ulrich "In-Line- und Off-Line-Satinage von holzhaltigen, tiefdruckfähigen Naturpapieren" in Wo­ chenblatt für Papierfabrikation 1993, Nr. 11/12, Seiten 457 bis 466 stellt die beiden Satinagearten gegenüber, nämlich die Satinage im Superkalander, d. h. einem Wal­ zenstapel mit vielen harten und weichen Walzen, die je­ weils einen elastischen Walzenspalt begrenzen, und die Satinage in einem Softkalander, bei dem lediglich zwei oder drei Walzen vorgesehen sind, so daß man die Druckspannung jeweils für jeden Nip jeweils einzeln einstellen kann. Es wird angegeben, daß in Superkalan­ dern als elastische Walzen fast ausschließlich Faserbe­ züge verwendet werden. Ein Maschinenkonzept mit 8 bis 16 übereinander angeordneten Walzen soll jedoch nicht zur Integration des Superkalanders in die Papiermaschi­ ne geeignet sein. Die Superkalander sollen Oberflächen­ temperaturen von 70 bis 90°C haben. Für den Betrieb ei­ nes 12-walzigen Kalanders wird eine mittlere Druckspan­ nung von ca. 35 bis 45 N/mm² angegeben. Höhere Tempera­ turen und Druckspannungen werden lediglich für Softka­ lander angegeben.

Gamsjäger, Norbert "Elastische Kalanderwalzenbezüge auf Basis Faser-Kunststoff-Verbund" in Das Papier, 1994, Nr. 6, Seiten 334 bis 348 beschreibt die Möglichkeit, durch Auftrennen der Nipfolge eines Superkalanders ex­ akt kontrollierbare Einzelnips mit hohen Linienlasten und Temperaturen zu erzeugen. Es handelt sich daher um Soft-Kompakt-Kalander. In diesem Zusammenhang wird auch eine On-line-Kalandrierung erwähnt. Soweit ein Superka­ lander beschrieben ist, benötigt man einen Stapel von 14 Walzen, bei dem eine Oberflächentemperatur von 80°C angegeben ist. Die Druckspannung ist in diesem Fall ebenfalls auf etwa 45 N/mm² begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kalan­ der der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der auch für die Behandlung von tiefdruckfähigen und anderen hochwertigen Papieren geeignet, aber billiger in der Herstellung und im Betrieb ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Kalander der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Reduzierung der Stapelhöhe wird der Einfluß des Walzengewichts auf die Streckenlast vermindert. Man kann daher bei gleicher Streckenlast im untersten Spalt im obersten Eingangsspalt mit einer höheren Strecken­ last als bei den bekannten Superkalandern arbeiten. Überraschenderweise genügt es daher, die zuzuführende Verformungsenergie moderat zu steigern, um auch hoch­ wertige Papiere zufriedenstellend bearbeiten zu können. So kann die Wärmezufuhr bei Temperaturen erfolgen, die nur etwas über den bisher üblichen Temperaturen liegen und daher die Wärmeabstrahlung nur geringfügig erhöhen. Auch stehen hierfür die verschiedensten Wärmeträger zur Verfügung; es gibt keine Schwierigkeiten wie bei den hohen Temperaturen, die bei einem Kompaktkalander ange­ wendet werden müssen. Auch genügt eine relativ geringe Erhöhung der Druckspannung, die mechanisch ohne weite­ res ertragen werden kann und höchstens bei der Wahl des Bezuges der elastischen Walze zu berücksichtigen ist. Indem beide Maßnahmen (verstärkte Beheizung und ver­ stärkte Belastung) zumindest im untersten Arbeitsspalt gleichzeitig angewendet werden, lassen sich außeror­ dentlich gute Ergebnisse auch bei einem schnellaufenden Kalander und bei hochwertigen Papieren erzielen. Da der Walzenstapel eine geringere Höhe als bekannte Superka­ lander hat, benötigt man auch niedrigere Gebäude, was die Aufstellungskosten erheblich senkt. Da die Bedin­ gung gilt, daß die Verweilzeit höchstens 0,9 ms beträgt und daß die Beheizung auf eine Oberflächentemperatur von maximal 150°C und die Belastung auf eine mittlere Druckspannung von maximal 60 N/mm² ausgelegt ist, ist tatsächlich nur eine moderate Erhöhung der Oberflächen­ temperatur und der Druckspannung erforderlich. In den meisten Fällen genügt sogar eine Oberflächentemperatur von weniger als 130°C und eine mittlere Druckspannung von weniger als 50 N/mm². Die bevorzugte Verweilzeit beträgt 0,2 bis 0,5 ms. Kunststoffbezogene Walzen sind wesentlich besser als mit Fasermaterial bezogene Walzen für den Betrieb bei erhöhter mittlerer Druckspannung geeignet. Sie erlauben einen Betrieb mit einer Drucks­ pannung von mehr als 42 N/mm². Insbesondere sollte der Bezug auf eine Druckspannungs-Belastbarkeit bis etwa 60 N/mm² ausgelegt sein. Wenn der Stapel on-line einer Papiermaschine oder Streichmaschine angeordnet ist, kommt die Papierbahn mit erhöhter Temperatur, bei­ spielsweise mit 60°C, am Einlaßspalt des Kalanders an und benötigt daher nur noch eine geringe Wärmezufuhr, um eine ausreichende Verformungsenergie verfügbar zu machen. Bei einem solchen on-line-Betrieb sind Kunst­ stoffbezüge, die schon aus Gründen der höheren Drucks pannung erwünscht sind, besonders geeignet, weil sie - im Gegensatz zu Papierbezügen - wesentlich weniger gegen Markierungen empfindlich sind und daher nur sel­ ten ausgebaut und abgeschliffen werden müssen. Wenn al­ le Walzen einen Antrieb besitzen, kann die Papierbahn bei laufendem Kalander eingezogen werden, weil alle Walzen auf die gleiche Geschwindigkeit gebracht werden können, ehe die Spalte geschlossen werden.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Bedingung für die Mehrheit oder alle der sechs Arbeitsspalte gilt. Weil die erhöhten Werte gleichmäßig auf mehrere Arbeitsspal­ te verteilt sind, genügen sehr geringfügige Erhöhungen.

In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, daß Ober- und Unterwalze beheizbar sind. Über diese harten Walzen läßt sich die Wärmeenergie besser zuführen als über die angrenzende weiche Walze. Dies gilt auch, wenn die Ober- und/oder Unterwalze durchbiegungssteuerbar sind, weil man beispielsweise eine beheizte Druckflüssigkeit zuführen kann.

Dies gilt insbesondere, wenn der Kunststoffbezug im we­ sentlichen aus faserverstärktem Epoxidharz besteht. Ein solcher Kunststoffbezug hat eine Standzeit von wenig­ stens zwölf Wochen. Als Beispiel hierfür wird ein Bezug aus "TopTec 4" der Firma Scapa Kern, Wimpassing/­ Österreich genannt.

Empfehlenswert ist es auch, daß der Stapel von einer Schutzhaube abgedeckt ist, die die Wärmeabstrahlung re­ duziert. Ein solche Schutzhaube verringert die Wärmeab­ strahlung, so daß sich die Fabrikationshalle nicht so stark erwärmt und übermäßig klimatisiert werden muß. Umgekehrt wird die Temperatur im Innern der Haube auf einem höheren Wert gehalten, so daß die Wärmezufuhr über die Heizvorrichtung gering gehalten werden kann.

Ein Verfahren zum Betrieb des eingangs genannten Kalan­ ders ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 6 gekennzeichnet.

Da man die Verweilzeit t bei einem gegebenen Kalander nur in geringem Maße variieren kann, stehen zur Erfül­ lung der vorstehenden Bedingung hauptsächlich die Ober­ flächentemperatur T und die mittlere Druckspannung p zur Verfügung

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsge­ mäßen Kalanders und

Fig. 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Zielgröße Zg von Oberflächentemperatur T, Druckspannung p und Verweilzeit t.

Der veranschaulichte Kalander 1 weist einen Walzensta­ pel auf, der aus acht Walzen besteht, nämlich einer beheizbaren, durchbiegungssteuerbaren harten Oberwalze 2, einer weichen Walze 3, einer beheizbaren harten Wal­ ze 4, einer weichen Walze 5, einer weichen Walze 6, einer beheizbaren harten Walze 7, einer weichen Walze 8 und einer beheizbaren, durchbiegungssteuerbaren harten Unterwalze 9. Auf diese Weise ergeben sich sechs Ar­ beitsspalte 10 bis 15, die je durch eine harte Walze und eine weiche Walze begrenzt sind, und ein Wechselspalt 16, der durch zwei weiche Walzen 5 und 6 begrenzt ist.

Eine Papierbahn 17 wird aus einer Papiermaschine 18 zu­ geführt, durchläuft unter der Führung von Leitrollen 19 die Arbeitsspalte 10 bis 12, den Wechselspalt 16 und die Arbeitsspalte 13 bis 15, worauf sie in einer Wic­ kelvorrichtung 20 aufgewickelt wird. In den drei oberen Arbeitsspalten 10 bis 12 liegt die Papierbahn mit der einen Seite, in den drei unteren Arbeitsspalten 13 bis 15 mit der anderen Seite an den harten Walzen an, so daß beidseitig die gewünschte Oberflächenstruktur, bei­ spielsweise Glanz oder Glätte erreicht wird.

Wegen der direkten Verbindung des Kalanders 1 mit der Papiermaschine 18 ergibt sich ein on-line-Betrieb. Aus diesem Grund besitzt jede der Walzen 2 bis 9 einen ei­ genen Antrieb 21. Dies ermöglicht ein Einziehen der Papierbahn 17 während des Betriebes. Jede der weichen Walzen 3, 5, 6 und 8 besitzt einen Bezug 22 aus Kunst­ stoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff. Dieses Material ist weniger markierungsempfindlich als Papier, so daß die für den on-line-Betrieb wesentlichen länge­ ren Standzeiten erreicht werden. Außerdem kann der Be­ zug mit höherer Druckspannung beaufschlagt werden. Er ist auch gegenüber höheren Temperaturen beständiger als Papier.

Ein Steuergerät 23 hat mehrere Funktionen:

• a) Über eine Leitung 24 wird die Kraft P festgelegt, mit der die Oberwalze 2 nach unten gedrückt wird, wobei die Unterwalze 9 zweckmäßigerweise ortsfest gehalten ist. Die Belastung kann auch in umgekehr­ ter Richtung erfolgen, wobei die Kraft P auf die Unterwalze 9 wirkt und die Oberwalze 2 ortsfest gelagert ist. Durch die Belastung ist auch die Druckspannung bestimmt, die in den einzelnen Ar­ beitsspalten 10 bis 15 herrscht. Diese Druckspan­ nung nimmt von oben nach unten zu, weil sich zu der Belastungskraft P jeweils noch das Gewicht der ein­ zelnen Walzen addiert. Allerdings ist der Kraftzu­ wachs geringer als bei bekannten Superkalandern mit 9 bis 16 Walzen.
• b) Über die Leitungen 25 und 26 werden die Vorrichtun­ gen 27 bzw. 28 zum Durchbiegungsausgleich der Ober­ walze 2 und der Unterwalze 9 mit Druckmittel beauf­ schlagt. Diese Vorrichtungen sorgen dafür, daß über die Länge der Walzen eine gleichmäßige Druckspan­ nung herrscht, wie dies an sich bekannt ist. Hier­ für können alle üblichen Vorrichtungen verwendet werden, insbesondere solche, bei denen Stützelemen­ te nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und einzeln oder zonenweise mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden können.
• c) Die Walzen 2, 4, 7 und 9 sind beheizbar, wie dies durch Pfeile H angedeutet ist. Die Heizenergie wird über strichpunktierte Pfade 27 bis 30 zugeführt. Dies kann durch elektrische Beheizung, durch Strah­ lungsheizung, mit Hilfe eines Wärmeträgers u. dgl. erfolgen. Eine Schutzhaube 31 dient der Wärmeisola­ tion und sorgt dafür, daß die in Folge der Beheizung abgestrahlte Wärme nur in geringem Maß in die Umgebung abgeführt wird.

Mit Hilfe der Kraft P wird dafür gesorgt, daß die mitt­ lere Druckspannung p in den Arbeitsspalten 10 bis 12 und 13 bis 15, insbesondere im untersten Spalt, zwi­ schen 42 und 60 N/mm², und vorzugsweise über 45 N/mm² liegt. Mit Hilfe der Beheizung H wird dafür gesorgt, daß die Oberflächentemperatur der beheizbaren Walzen 2, 4, 7 und 9 zwischen 100 und 150°C liegt. Die Durchmes­ ser der Walzen und die Elastizität des Belages 22 sind so gewählt, daß sich eine Spaltbreite von etwa 2 bis 15 mm, vorzugsweise etwa 8 mm, ergibt. Dies führt in Abhängigkeit von der Bahngeschwindigkeit zu Verweilzei­ ten t in jedem Arbeitsspalt von 0,1 bis 0,9 ms. Bevor­ zugt wird es, wenn die Temperatur T nur wenig über der unteren Grenze liegt, also beispielsweise bei 110°C, und wenn die Druckspannung nur wenig über der unteren Grenze liegt, beispielsweise bei 50 N/mm².

Es wurde gefunden, daß die Bedruckbarkeit bei Natur- und leichtgestrichenen Papieren nicht unbedingt mit dem erzielten Glanz oder der Glätte der Papierbahn zusam­ menhängt, sondern vielmehr mit der Verdichtung bzw. deren Kehrwert Bulk (in cm³/g). Das Maß für die Be­ druckbarkeit im Tiefdruckverfahren wird dabei bestimmt durch die Anzahl der "missing dots" (fehlende Raster­ punkte im Viertel- und Halbtonbereich). Die besten Er­ gebnisse in dieser Hinsicht erhält man, wenn man in allen Arbeitsspalten dafür sorgt, daß die im Ver­ fahrensanspruch angegebene Bedingung erfüllt ist.

In Fig. 2 ist in einem dreidimensionalen Diagramm in der Ordinate die Zielgröße Zg, die der obigen Beziehung (I) entspricht, in der einen Abszisse die Druckspannung p in N/mm² und in der anderen Abszisse die Verweilzeit t in ms aufgetragen. Es sind drei Flächen konstanter Temperatur T in °C eingetragen, von denen die 100°C- Fläche mit vollausgezogenen Linien und Punkten an den Netzkreuzungen, die 125°C-Fläche strichpunktiert mit Kreisen an den Netzkreuzungen und die 150°C-Fläche ge­ strichelt mit Kreuzen an den Netzkreuzungen dargestellt ist. Um zu den gewünschten Zielgrößen zu gelangen, wird zunächst von allen sechs Arbeitsspalten der arithmeti­ sche Mittelwert der Verweilzeit t, der Oberflächentem­ peratur T und der mittleren Druckspannung p festge­ stellt. Geht man mit diesen Werten in das Diagramm der Fig. 2, kann man sofort feststellen, ob die Zielgröße Zg im gewünschten Zielbereich zwischen 0,8 und 0,9 liegt. Vielfach lassen sich die Ergebnisse der Papier­ behandlung noch dadurch verbessern, daß die Walzen, insbesondere die Mittelwalzen in nicht veranschaulich­ ter Weise in Hebeln gelagert sind, wobei mit Vorteil die überhängenden Gewichte durch Stützvorrichtungen kompensiert sind, wie dies aus EP 0 285 942 B1 bekannt ist.

Claims (6)

1. Kalander für die Behandlung einer Papierbahn mit einem von einem Ende her belastbaren Walzenstapel, der zwischen jeweils einer harten und einer weichen Walze gebildete Arbeitsspalte und zwischen zwei weichen Walzen einen Wechselspalt aufweist, wobei der Stapel on-line einer Papiermaschine oder Streichmaschine angeordnet ist und alle Walzen ei­ nen Antrieb besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von tiefdruckfähigem und anderem hochwertigem Papier ein Teil der Walzen (2, 4, 7, 9) beheizbar und mindestens eine Endwalze (2, 9) durchbiegungssteuerbar ist, daß der Stapel nur acht Walzen (2 bis 9) aufweist, daß zur Erhöhung der der Papierbahn (17) zuzuführenden Verformungsenergie zumindest für den untersten Arbeitsspalt (15) als Bedingung gilt, daß die Verweilzeit 0,1 bis 0,9 ms beträgt und daß die Beheizung (H) einer den Ar­ beitsspalt begrenzenden beheizbaren Walze (2, 4, 7, 9) auf eine Oberflächentemperatur (T) von 100° bis 150°C und die Belastung (P) der Walzen auf eine mittlere Druckspannung im Arbeitsspalt zwischen 45 und 60 N/mm² ausgelegt ist, und daß die weichen Walzen (3, 5, 6, 8) einen Kunststoffbezug (22) tra­ gen.

2. Kalander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung für die Mehrheit oder alle der sechs Arbeitsspalte (10 bis 15) gilt.

3. Kalander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Ober- und Unterwalze (2, 9) beheizbar sind.

4. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffbezug (22) im we­ sentlichen aus faserverstärktem Epoxidharz besteht.

5. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel von einer Schutzhau­ be (31) abgedeckt ist, die die Wärmeabstrahlung re­ duziert.

6. Verfahren zum Betrieb eines Kalanders, bei dem man eine Papierbahn durch einen von einem Ende her be­ lastbaren Walzenstapel leitet, der zwischen jeweils einer harten und einer weichen Walze gebildete Ar­ beitsspalte und zwischen zwei weichen Walzen einen Wechselspalt aufweist, wobei man den Stapel on-line einer Papiermaschine oder Streichmaschine anordnet und alle Walzen antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung von tiefdruckfähigem und an­ derem hochwertigem Papier einen Teil der Walzen be­ heizt und mindestens eine Endwalze durchbiegungs­ steuert, daß man einen Stapel mit nur acht Walzen versieht, daß man zur Erhöhung der der Papierbahn zuzuführenden Verformungsenergie zumindest für denn untersten Arbeitsspalt als Bedingung wählt, daß die Verweilzeit 0,1 bis 0,9 ms beträgt und daß die Be­ heizung (H) einer den Arbeitsspalt begrenzenden beheizbaren Walze (2, 4, 7, 9) auf eine Oberflächen­ temperatur (T) von 100° bis 150°C und die Belastung (P) der Walzen auf eine mittlere Druckspannung im Arbeitsspalt zwischen 45 und 60 N/mm² ausgelegt ist, daß die weichen Walzen (3, 5, 6, 8) einen Kunststoffbezug tragen und daß die gemittelten Zah­ lenwerte der Oberflächentemperatur T [in °C], der mittleren Druckspannung p [in N/mm²] und der Ver­ weilzeit t [in ms] aller Arbeitsspalte so gewählt sind, daß die nachstehende Beziehung für eine Ziel­ größe Zg gilt:
Zg = 1,378 - 0,00356.T - (0,00825 - 5,12.10^-5T)p - [0,039 + (0,188 - 0,00112T)p.e^-0,093p]t.e^-0,421t = 0,8 bis 0,9.