DE19513500C2 - Walze mit einstellbarer Form - Google Patents

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.