DE19513500C2 - Walze mit einstellbarer Form - Google Patents
Walze mit einstellbarer FormInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die konstruktive Gestaltung sog. Kalanderwalzen. Dabei handelt
es sich um Walzen, die vorzugsweise im Glättwerksteil von Papiermaschinen ein
gesetzt werden, d. h. an der Stelle, an der die bereits grundsätzlich fertiggestellte
Papierbahn ihre Oberflächenqualität erhält. Entsprechende Walzen sind aber auch
verwendbar zum Beispiel in Walzwerken für Kunststoffolien oder bei der Beschichtung
von Gewebe- oder Papierbahnen.
Kalanderwalzen werden nach dem heutigen Stand der Technik im allgemeinen
beheizt, wobei verschiedene Methoden der Erhitzung der Walze anwendbar sind. Die
Erfindung betrifft Walzen, die von aufgeheiztem Wärmeträgerfluid, wie zum Beispiel
Wasser oder Öl, durchströmt werden. Die Erhitzung der Walze erfolgt in diesem Fall
durch den Wärmeübergang vom Fluid auf den Walzenkörper. In gleicher Weise sind
die erfinderischen Überlegungen anwendbar für Walzen, die auf entsprechende Weise
gekühlt werden, also mittels durchströmendem Fluid, dessen Temperatur unter der des
Walzenkörpers liegt.
Eine der Ausführungsarten derartiger von Fluid durchströmten Walzen ist die sog.
peripher gebohrte Walze. Bei dieser weist der Walzenkörper möglichst nahe der
Oberfläche gleichmäßig auf dem Umfang verteilte achsparallele Bohrungen auf, durch
die das Fluid strömt. Um eine gleichmäßige Erwärmung (oder Kühlung) des Körpers zu
erreichen, wird das Fluid vom einen Walzenende zum anderen und von diesem wieder
zum Ausgangsende zurückgeführt. In der sog. "DUOPASS"-Walze ist jeweils einer
Vorlauf- (=Hinströmungs-)Bohrung eine Rücklauf (=Rückströmungs-)Bohrung
zugeordnet, in der sog. "TRIPASS-2"-Walze entsprechen jeweils zwei Vorlauf
bohrungen einer Rücklaufbohrung.
Um die Verbindung zwischen Vorlauf- und Rücklaufbohrungen in den beschriebenen
Ausführungen herzustellen, sind im entsprechenden Walzenende Umlenkkanäle
angeordnet. Im allgemeinen ist das Walzenende mit einem angeschraubten Zapfen
versehen, in dem sich dann die Umlenkkanäle befinden. Die Umlenkkanäle können
jedoch bei sog. "schwimmend" gelagerten Walzen zwischen dem Walzenmantel und
der Tragachse verlaufen. "Schwimmend" gelagert sind solche Walzen, bei denen ein
an den Enden offener Walzenmantel hydraulisch auf einer feststehenden Zentralachse
abgestützt ist und um diese rotiert, wie z. B. in der DE-OS 38 38 726 A1 dargestellt.
Insbesondere bei Kalanderwalzen mit größeren Durchmessern weist die Walze neben
den beschriebenen peripheren Bohrungen eine vergrößerte Zentralbohrung auf, die der
Masse- und Gewichtsersparnis dient und von dem wärmetragenden Fluid freigehalten
wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Gewicht der Walze niedrig bleibt und die
Menge des benötigten Wärmeträgerfluids verringert wird, womit zugleich
Energiekosten erspart werden. Um die Eigenspannungen in dem Walzenkörper
ebenfalls zu vergleichmäßigen, sind solche Walzen auch mit zusätzlichen axialen
Bohrungen in der Nähe der Zentralbohrung versehen worden. Eine derartige Walze ist
z. B. behandelt in der DE-OS 40 02 530 A1.
Nahezu sämtliche Walzen der beschriebenen Ausführungen sind, wenn sie größeren
Durchmesser aufweisen, mittels einer an einem Zapfen angreifenden Einrichtung
angetrieben, werden also nicht nur von der durchlaufenden Materialbahn bzw. der
Gegenwalze mitgenommen. Die Zuführung des Fluids erfolgt in diesem Fall durch den
der Triebseite abgewandten Zapfen, durch den das rücklaufende Fluid dann auch
wieder austritt. Im Zapfen auf der Triebseite befindet sich die Umlenkung des Fluids
von den Vorlauf- zu den Rücklaufbohrungen.
Um die Wärmemenge zu begrenzen, die in den Umlenkzapfen fließt, sind sowohl die
Zu- und Abführkanäle als auch die peripheren Bohrungen in unmittelbarer Nähe des
Zapfens und die Umlenkkanäle im Zapfen isoliert. Geschähe dies nicht, würde der
Zapfen stärker als der Walzenkörper aufgeheizt und sich in radiale Richtung stärker
als der Walzenkörper ausdehnen. Die Ausdehnung übertrüge sich, auf Grund der
vorhandenen Schraubverbindung, auch auf den Walzenkörper und verstärkte den
ohnehin an den Rändern des Walzenkörpers auftretenden sog. "Oxbow-Effekt". Da
die Materialbahn, die über den Walzenkörper geführt wird, um an den Rändern nicht
verletzt zu werden, geringfügig schmäler sein muß als die sog. Bahnlänge der Walze,
ist der Wärmeverlust des Walzenkörpers an den am Walzenende freibleibenden
schmalen Bahnbereichen geringer als auf der sonstigen Walzenoberfläche mit der
Folge, daß die Walzenenden bei Aufheizung einen größeren Durchmesser aufweisen
als die weiter zur Walzenmitte hin liegenden Bereiche der Walze. Dieser Effekt ist für
die Behandlung der Materialbahn höchst unerwünscht. Es wird versucht, ihn
insbesondere durch geringere Wärmezufuhr zu den Walzenenden oder deren spezielle
Abkühlung zu unterbinden. Eine Verstärkung des Effekts, wie sie durch die zusätzliche
Aufheizung des Zapfens hervorgerufen werden könnte, kann nicht in Kauf genommen
werden.
Der nicht angetriebene Zapfen ist bezüglich der Verstärkung des Oxbow-Effekts
besonders kritisch, weil sich in ihm auch die Zuführ- und Abführkanäle befinden. Auf
der Antriebsseite der Walze zeigt sich dagegen unter bestimmten Betriebsbe
dingungen eine Überkompensation des Oxbow-Effekts. Da auf dieser Seite nur Um
lenkkanäle für das wärmetragende Fluid vorhanden sind, wird dem Zapfen deutlich
weniger Wärmeenergie zugeführt als auf der Gegenseite. Zusätzlich müssen die
Lagerstellen des Triebzapfens kühl gehalten werden. Damit fließt Wärmeenergie aus
dem Endbereich der Walze auf der Triebseite über den Zapfen zu den Lagerstellen ab.
Der Zapfen selbst bleibt deutlich kühler und ist entsprechend weniger ausgedehnt als
der Walzenkörper. In gleicher Weise negativ wirkt sich aus, daß der in der Regel
massive Zentralbereich des Zapfens, der in die Zentralbohrung des Walzenkörpers
hineinreicht, die Expansion des Zapfenflansches entsprechend dem Rand des
Walzenkörpers, mit dem er verschraubt ist, behindert. Der Walzenrand auf der
Triebseite der Walze erhält damit einen zur sonstigen Walzenbahn verringerten
Durchmesser. Die Materialbahn wird in diesem Bereich einem geringeren Druck als
auf der sonstigen Bahnlänge der Walze ausgesetzt, was bei der Papierherstellung zu
sog. harten Rändern der Papierbahn führt, in extremen Verhältnissen auch zum
Aufplatzen des Papierrandes. Vor dem Aufwickeln müssen derartige Ränder
abgeschnitten werden. Der Produktionsverlust, der sich daraus ergibt kann durchaus
Prozentanteile der gesamten Produktion erreichen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, den beschriebenen Problemen auf der
Triebseite von beheizten Kalanderwalzen entgegenzuwirken, ohne daß sich die
Herstellung des triebseitigen Zapfens nennenswert verteuert. Zu diesem Zweck wird
vorgesehen, im triebseitigen Zapfen weitere, jedoch mindestens einen, Bypass-
Kanäle anzuordnen, durch die ein Teil des Wärmeträgers aus den peripheren
Vorlaufbohrungen durch die Zapfenmitte und in die Rücklaufbohrungen zurückgeleitet
wird. Der Durchmesser dieser Kanäle ist geringer als der der Zuleitungen zu bzw.
Ableitungen von den achsparallelen Bohrungen und als die achsparallen Bohrungen
selbst. Zusätzlich kann die Zapfenmitte eine gegenüber der Zentralbohrung der Walze
abgedichtete Zentralbohrung erhalten, in der sich Wärmeträger sammeln kann, womit
sich die Erwärmung verstärkt. Diese Bohrung verbessert zugleich die
Dehnungsfähigkeit des Zapfens, so daß er der Ausdehnung des Walzenkörpers
weniger Widerstand entgegensetzt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden in den Bypass-Kanälen
im triebseitigen Zapfen von außen einzustellende Regelmöglichkeiten angeordnet,
durch die der Durchfluß des wärmetragenden Fluids und damit die Aufheizung des
Zapfens entsprechend den gegebenen Betriebsbedingungen beeinflußt werden kann.
Während des Einfahrens eines Kalanders läßt sich damit eine optimale Regelung des
Fluidflusses herbeiführen.
Die erfindungsgemäße Ausführung wird im folgenden anhand der Zeichnungen gem.
Fig. 1 bis 3 erläutert. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das triebseitige Ende einer
peripher gebohrten Walze mit großer Zentralbohrung, Fig. 2 den gleichen Schnitt in
vergrößerter Darstellung unter Hervorhebung eines in einem Umlenkkanal
angeordneten Drehschiebers, und Fig. 3 einen Schnitt durch den Zapfen aus Fig. 1
und 2 in der Ebene A-A.
In Fig. 1 zu sehen ist der Walzenkörper (1) mit peripheren Bohrungen (2) sowie einem
angeschraubten Zapfen (3) und darin angeordneten Umlenkkanälen (4). Diese können
entweder als gefräste Nut oder, wie in der älteren Patentanmeldung, gemäß der DE 44 04 922 C1
beschrieben, als Bohrungen ausgeführt sein. Insoweit entspricht der Zapfen dem
Stand der Technik.
Im Zapfen (3) verlaufen von den Umlenkkanälen (4) zu einem zentralen Hohlraum (5)
Bypass-Bohrungen (7), die dünner sind als die peripheren Bohrungen (2). Während
die peripheren Bohrungen (2) zum Beispiel einen Durchmesser von 32 mm aufweisen
können, beträgt der Durchmesser der Bypass-Bohrungen (7) nur zwischen 10 und
15 mm. Der zentrale Hohlraum (5) ist gegenüber der Zentralbohrung (8) des
Walzenkörpers durch den Deckel (6) dicht verschlossen.
Die Zahl der Bypass-Bohrungen (7) ist wesentlich geringer als die der peripheren
Bohrungen (2) und (4). Beispielsweise kann eine Walze 30 periphere Bohrungen (2)
aufweisen, jedoch nur mit sechs Bypass-Bohrungen (7) versehen sein. Die Bypass-
Bohrungen (7) sind dabei paarweise symmetrisch im Flansch verteilt, und zwar in der
Weise, daß jeweils eine Bypass-Bohrung (7) die Vorlaufseite eines Verbindungs
kanals (4) der peripheren Bohrungen anschneidet, die zweite eine Rücklaufseite.
Damit die erfindungsgemäße Funktion gewährleistet ist, ist es erforderlich, daß
zwischen Vorlauf- und Rücklaufseite des jeweiligen Verbindungskanals (4) eine
geringe Druckdifferenz besteht. Bei der "DUOPASS"-Konstruktion kann diese dadurch
erreicht werden, daß im Umlenkkanal (4) eine Blende (die in den Zeichnungen nicht
dargestellt ist) angeordnet wird. In der "TRIPASS-2"-Konstruktion ergibt sich die
Druckdifferenz nach dem Bernoullischen Gesetz bereits dadurch, daß die
Strömungsgeschwindigkeit im Rücklauf doppelt so groß ist wie in den
Vorlaufbohrungen.
Auf Grund der Druckdifferenz wird ein geringer Teil des wärmetragenden Fluids aus
dem System der peripheren Bohrungen abgezweigt und in den Hohlraum (5) geleitet,
der sich auf diese Weise mit Fluid füllt. Infolge der unterschiedlichen Ausdehnung des
Fluids bei verschiedenen Temperaturen wird warmes Fluid zunächst zur Zapfenmit
tellinie strömen, sich durch Wärmeabgabe abkühlen und anschließend durch die
Fliehkraft wieder nach außen bewegt. Dort wird der kühlere Wärmeträger durch die
Bypass-Bohrungen (7) abgesaugt und dem System der peripheren Bohrungen auf der
Rücklaufseite wieder zugeführt.
Da die Menge des auf diese Weise in den Zapfeninnenraum geführten Fluids im
Verhältnis zum gesamten Volumenstrom gering ist, und wegen der symmetrischen
Anordnung der Bypass-Bohrungen (7), ist eine unerwünschte Beeinflussung der
Oberflächentemperatur und damit der Walzenform nicht zu befürchten. Hingegen führt
die im Hohlraum (5) abgegebene Wärmeenergie zu einer sanften Erwärmung des
Zapfeninnenbereichs, welche über dessen Ausdehnung eine optimale Form des
Walzenrandes bewirkt.
Damit diese Wirkung zum Optimum geführt werden kann, sind in der weiteren
erfindungsgemäßen Ausgestaltung einstellbare Schieber (9) in den Bypass-
Bohrungen (7) angeordnet, und zwar jeweils je Paar Bypass-Bohrungen ein Schieber.
In Fig. 2 und 3 ist ein solcher Schieber (9) jeweils als Drehschieber dargestellt, der von
der Außenseite des Zapfens aus betätigt werden kann. Die Bohrung, in der sich der
Schieber befindet, ist bei Nichtbetätigung durch den Verschlußstopfen (10)
abgedichtet. Beim Einfahren des Kalanders ist durch versuchsweise Regulierung die
optimale Stellung des Schiebers zu ermitteln, d. h. die Stellung, bei der der Durchfluß
des wärmetragenden Fluids so stark oder gering ist, daß die bestmögliche
Ausdehnung des Zapfens im Verhältnis zum Walzenkörper herbeigeführt wird.
Sollte, was bei bestimmten Ausgestaltungen des Walzenantriebs zum Beispiel auf
Grund der Anordnung der Lagergehäuse gegeben sein kann, der axiale Zugang zu den
Drehschiebern behindert sein, können die Schieber auch radial zugänglich anordnet
werden.
Wie bereits ausgeführt, ist die Erfindung auch dann anwendbar, wenn die
Kalanderwalze betriebsbedingt gekühlt werden muß, d. h., wenn beim triebseitigen
Zapfen die Kühlwirkung nicht ausreicht und damit eine unerwünschte Ausdehnung des
triebseitigen Walzenendes eintritt. Ebenso ist eine erfindungsgemäße Einrichtung bei
"schwimmenden" Walzen verwendbar. In diesem Fall erfolgt die Zu- und Abführung
des wärmetragenden Fluids nicht durch einen den Walzenkörper abschließenden
Zapfen, sondern durch ein Dichtungselement zwischen der tragenden Achse und der
umlaufenden Walzenmantel, dessen Auswirkung auf den Walzenmantel jedoch
ähnlich sein kann wie bei einem angeschraubten Zapfen. Da entsprechende
Gestaltungen durch den einschlägig tätigen Fachmann ohne Schwierigkeiten aus der
erfindungsgemäßen Ausführung abgeleitet werden können, ist auf eine zusätzliche
gesonderte Darstellung dieses Falles verzichtet worden.
Claims (7)
1. Beheizte Walze für die Behandlung einer Materialbahn, insbesondere
Kalanderwalze, bestehend aus einem mit achsparallelen Bohrungen in Um
fangsnähe und einer größeren Zentralbohrung versehenen Walzenkörper sowie
mindestens einem an diesem angeschraubten triebseitigen Flanschzapfen,
durch den ein wärmetragendes Fluid aus den achsparallelen Bohrungen geleitet
und in diese zurückgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Flanschzapfen mindestens eine Bypass-Bohrung geringeren Durch
messers als die peripheren Bohrungen im Walzenkörper aufweist, die eine
weitere Verbindung zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf des
wärmetragenden Fluids herstellt, so daß ein Teilstrom dieses Fluids durch den
mittleren Bereich des Flanschzapfens fließt und diesen erwärmt oder kühlt.
2. Beheizte Walze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im stirnseitigen Bereich des Flanschzapfens ein zentraler Hohlraum vor
handen ist, der gegen die zentrale Bohrung des Walzenkörpers abgedichtet ist.
3. Beheizte Walze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen einströmendem und ausströmendem Fluid ein Strömungswider
stand, z. B. eine Blende, angebracht ist.
4. Beheizte Walze nach Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bypass-Bohrung einerseits vom Vorlauf des wärmetragenden Fluids zu
dem zentralen Hohlraum im Flanschzapfen und andererseits von letzterem zum
Rücklauf des wärmetragenden Fluids führt, so daß der Teilstrom des
Wärmeträgers durch den zentralen Hohlraum des Flanschzapfen geleitet wird.
5. Beheizte Walze nach Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens in einer Bypass-Bohrung einstellbare Flußbegrenzer, zum
Beispiel Drehschieber, angeordnet sind, mit denen der Teilstrom des
wärmetragenden Fluids reguliert werden kann.
6. Beheizte Walze für die Behandlung einer Materialbahn, insbesondere
Kalanderwalze, bestehend aus einem mit achsparallelen Bohrungen in
Umfangsnähe versehenen hohlen Walzenmantel, einer starren Achse, auf der
der Walzenmantel mittels hydraulischer Elemente drehbar gelagert ist, und an
den Enden des Walzenmantels angeordneten Dichtungselementen zwischen
Walzenmantel und starrer Achse, durch die ein wärmetragendes Fluid zu und
von den achsparallelen Bohrungen im Walzenmantel weggeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Dichtungselement wenigstens eine Bypass-Bohrung von geringerem
Durchmesser als die achsparallelen Bohrungen im Walzenmantel aufweist,
welche eine weitere Verbindung zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf des
wärmetragenden Fluids herstellt, so daß ein Teilstrom dieses Fluids durch das
Dichtungselement umgeleitet wird und dieses erwärmt oder kühlt.
7. Beheizte Walze nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Bypass-Bohrung mindestens ein einstellbarer Flußbegrenzer, zum
Beispiel Drehschieber, angeordnet ist, durch den der Teilstrom des wärme
tragenden Fluids reguliert werden kann.
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