DE19521402C1 - Kalander für die Behandlung einer Papierbahn - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kalander für die Behandlung einer Papierbahn mit min­ destens einem Walzenstapel, der als Oberwalze und Un­ terwalze je eine Durchbiegungsausgleichswalze mit einem Walzenmantel, der über hydrostatische Stützelemente auf einem ihn durchsetzenden drehfest gehaltenen Träger abgestützt ist, und als Mittelwalzen harte Walzen und elastische Walzen aufweist, welche Walzen mindestens vier Arbeitsspalte, die von einer harten und einer ela­ stischen Walze begrenzt sind, und gegebenenfalls einen Wechselspalt, der von zwei elastischen Walzen begrenzt ist, bilden.

Kalander dieser Art sind vielfach bekannt, beispiels­ weise aus dem Prospekt "Die neuen Superkalanderkonzep­ te" der Firma Sulzer Papertec Krefeld GmbH aus 1994 (Kennziffer 05/94 d). Sie dienen der abschließenden Behandlung einer Papierbahn, damit diese einen ge­ wünschten Wert der Glätte, des Glanzes, der Dicke, des Bulk u. dgl. erhält. Die "weichen" oder elastischen Wal­ zen tragen einen hauptsächlich aus Fasermaterial beste­ henden Bezug. Sofern ein Teil der Verformungsenergie als Wärme zugeführt werden soll, erfolgt die Beheizung mittels der harten Mittelwalzen. Oberwalze und Unter­ walze sind ebenfalls als harte Walzen anzusehen, weil deren Walzenmäntel aus Hartguß bestehen. Angetrieben wird in der Regel die dritte Walze von unten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kalan­ der der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der be­ züglich der Gleichmäßigkeit der angestrebten Papier- Parameter bessere Einstellmöglichkeiten bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Walzenmantel der Oberwalze und/oder der Unterwalze einen Bezug aus einem elastischen Kunststoff trägt oder im wesentlichen vollständig aus elastischem Kunststoff besteht und biegeweich mit einem Verformbarkeitsfaktor

ausgelegt ist, wobei
E = E-Modul des Walzenmantels in N/mm²
S = Wandstärke des Walzenmantels in mm,
und daß die jeweils benachbarte Mittelwalze eine harte Walze ist.

Der biegeweiche Walzenmantel läßt sich sehr viel leich­ ter verformen als die bekannten Hartgußmäntel. Dies kann durch einen kleineren E-Modul als bei Hartguß und/ oder durch kleinere Wandstärken verwirklicht werden. Da der Walzenmantel zumindest an der Oberfläche mit einem elastischen Kunststoff versehen ist, wirkt der Walzen­ mantel als elastische Walze, der man als oberste bzw. unterste Mittelwalze eine harte Walze zuordnen kann. Die verbesserte Einstellbarkeit ergibt sich, weil durch die Stützelemente ausgeübte Kräfte in wesentlich stär­ kerem Maße auf das Papier wirken und nicht durch die Steifigkeit des Walzenmantels verfälscht werden, und außerdem weil die harte Walze örtliche Streckenlastän­ derungen der Durchbiegungsausgleichswalze voll aufnimmt und daher die Reaktionen der Durchbiegungsausgleichswal­ ze auf das Papier stärker sind.

Bei kleinerer Wandstärke wird das wirksame Eigengewicht der Durchbiegungsausgleichswalze erheblich reduziert. Dies macht sich bei den Kosten günstig bemerkbar. Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Oberwalze reduziert sich auch die minimale Streckenlast, mit der der Kalan­ der betrieben werden kann. Die geringere Wandstärke führt auch zu einem kleineren Außendurchmesser und da­ mit bei gleicher Streckenlast zu einer höheren Druck­ spannung im Walzenspalt, was zu besseren Ergebnissen führt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Lauf­ ruhe des Kalanders zunimmt. Durch den elastischen Kunststoff werden nämlich Stöße aus dem Walzenstapel gedämpft.

Bevorzugt wird es, daß der Verformbarkeitsfaktor < 5 ist. Es kommen auch Werte zwischen 6 und 10 und mehr in Betracht.

Günstig ist es ferner, daß der Walzenmantel aus einem Material unzureichender Verschleißfestigkeit besteht und einen Bezug aus dem elastischen Kunststoff trägt, und daß der Kunststoff eine höhere Verschleißfestigkeit hat als das Mantelmaterial.

Dies gilt insbesondere, wenn der Walzenmantel aus La­ mellengraphitguß, also einem Gußeisen mit lamellenför­ migem Graphit, besteht. Dieses Material weist einen E- Modul auf, der um etwa 25% unter demjenigen von Hart­ guß liegt. Die Wandstärke kann gegenüber dem Hartguß- Walzenmantel um fast 50% reduziert werden. Mit diesem Material lassen sich Verformbarkeitsfaktoren F zwischen 6 und 8 erreichen. Allerdings ist dieser Grauguß nur wenig verschleißfest. Dieser Nachteil wird aber dadurch ausgeglichen, daß der schon aus anderen Gründen vorge­ sehene Bezug aus elastischem Kunststoff gleichzeitig als Verschleiß-Schutzschicht dient. Für diesen Zweck genügt eine Kunststoff-Schichtdecke zwischen 8 und 15 mm, vorzugsweise 10 mm.

Eine Alternative sieht vor, daß der Walzenmantel aus Kugelgraphitguß, also einem Gußeisen mit kugelförmigem Graphit, besteht und einen Bezug aus elastischem Kunst­ stoff trägt. Dies erlaubt eine Wandstärkenreduzierung gegenüber Hartguß von bis zu 59% und führt damit zu einem Verformungsfaktor F über 8.

Mit besonderem Vorteil ist der Kunststoff ein faserver­ stärktes Epoxidharz. Glas- oder kohlefaserverstärktes Epoxidharz kann so ausgelegt werden, daß einerseits die gewünschte Elastizität und andererseits die erforderli­ che Verschleißfestigkeit vorhanden ist. Als Beispiel hierfür wird ein Bezug aus "TopTec 4" der Firma Scapa- Kern, Wimpassing/Österreich genannt.

Günstig ist es außerdem, daß die Durchbiegungsaus­ gleichswalze eine Vielzonen-Steuerung aufweist, bei der den Stützelementen einzeln oder paarweise Druckflüssig­ keit mit unterschiedlichem Druck zuführbar ist. Während sich bei einem Hartguß-Walzenmantel eine solche Einzel- oder Paar-Steuerung kaum nach außen ausgewirkt hätte, ist nunmehr eine individuelle Beeinflussung des Papiers über sehr schmale Bereiche bereits im obersten Arbeits­ spalt möglich, was von vornherein zu einer hohen Gleichmäßigkeit der gewünschten Parameter quer zur Pa­ pierbahn führt.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ergibt sich, wenn zumindest die oberste Mittelwalze beheizbar ist. Be­ reits im ersten Arbeitsspalt wird daher der Papierbahn Verformungsenergie in Form von Wärme zugeführt. Dies hat gegenüber einer sonst notwendigen Beheizung der Oberwalze den Vorteil, daß die Oberwalze sehr viel ein­ facher und billiger ausgeführt werden kann, geringeren Temperaturen ausgesetzt ist und stärker verformt werden darf, ohne daß die Abdichtung hierunter leidet.

Noch günstiger ist es allerdings, wenn alle harten Mit­ telwalzen beheizbar sind. Dadurch, daß man die oberste und gegebenenfalls auch die unterste Mittelwalze als harte Walze ausbildet, kann man unter Beibehaltung der Gesamt-Walzenzahl die Zahl der harten und damit beheiz­ baren Mittelwalzen um eine erhöhen. Dies erlaubt es, auf einfache Weise mehr Wärmeenergie oder die gleiche Wärmeenergie auf einem tieferen Temperaturniveau zuzu­ führen.

Hierbei kann insbesondere die Beheizung mittels Wasser­ dampf erfolgen, der mit Überdruck zuführbar ist. Diese Art der Beheizung ist wesentlich einfacher und preis­ günstiger als die Beheizung mit Öl, wie sie bei einer beheizten Durchbiegungsausgleichswalze erforderlich wäre.

Von Vorteil ist es auch, daß bei einem 12-Walzen-Stapel die 4. Walze von unten angetrieben ist. Dadurch, daß der Antrieb von der dritten zur vierten Walze verlegt ist, ergibt sich eine bessere Leistungsteilung und da­ mit eine geringere seitliche Auslenkung der Antriebs­ walze und der benachbarten Mittelwalzen. Es besteht daher die Möglichkeit, sie kleiner zu dimensionieren, was bei gleicher Streckenlast höhere Druckspannungen in den Walzenspalten und damit bessere Ergebnisse bei der Papierbehandlung ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kalanders in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den obersten Walzen­ spalt,

Fig. 3 schematisch einen abgewandelten Kalander mit acht Walzen,

Fig. 4 einen abgewandelten Kalander mit sechs Walzen und

Fig. 5 einen abgewandelten Kalander mit zwei Stapeln zu je fünf Walzen.

Der in Fig. 1 veranschaulichte Kalander weist einen Walzenstapel 1 auf, der aus zwölf Walzen besteht, näm­ lich einer Oberwalze 2 und einer Unterwalze 3, die bei­ de als Durchbiegungsausgleichswalze ausgebildet sind, und zehn dazwischen angeordneten Mittelwalzen. Hier folgen von oben nach unten einer beheizbaren harten Walze 4 eine elastische Walze 5, eine beheizbare harte Walze 6, eine elastische Walze 7, eine beheizbare harte Walze 8, zwei elastische Walzen 9 und 10, eine ange­ triebene, beheizbare harte Walze 11, eine elastische Walze 12 und eine beheizbare harte Walze 13. Die ela­ stischen Walzen 5, 7, 9, 10 und 12 tragen je einen Be­ zug 14 aus elastischem Kunststoff. Auch der Mantel 15 der Oberwalze 2 und der Mantel 15a der Unterwalze 3 bestehen im wesentlichen vollständig aus elastischem Kunststoff oder tragen einen Bezug 27a aus einem sol­ chen elastischen Kunststoff (Fig. 2), so daß auch Ober­ walze 2 und Unterwalze 3 als elastische Walzen wirken. Daher wird zwischen den elastischen Walzen 9 und 10 ein Wechselspalt 16 gebildet. Alle anderen Spalte sind Ar­ beitsspalte 17, die je durch eine elastische Walze und eine harte Walze begrenzt sind.

Eine Papierbahn 18 wird entweder direkt von einer Pa­ piermaschine oder von einer Abwickelvorrichtung 19 zu­ geführt, durchläuft unter der Führung von Leitrollen 20 zunächst sechs Arbeitsspalte 17, dann den Wechselspalt 16 und schließlich vier weitere Arbeitsspalte 17, wor­ auf sie in einer Aufwickelvorrichtung 21 aufgewickelt wird. In den sechs oberen Arbeitsspalten liegt die Pa­ pierbahn 18 mit der einen Seite, in den vier unteren Arbeitsspalten mit der anderen Seite an den elastischen Walzen an, so daß beidseitig die gewünschte Oberflä­ chenstruktur, beispielsweise Glanz oder Glätte, er­ reicht wird.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Walzen im Bereich des obersten Arbeitsspaltes 17. Die Oberwal­ ze besitzt einen Träger 22, der drehfest im Ständer 23 des Kalanders gehalten ist und durch eine Kraft 24 be­ lastet werden kann. Auf diesem Träger 22 wird der Man­ tel 15 der Oberwalze 2 mit Hilfe von dicht benachbarten hydrostatischen Stützelementen 25 abgestützt. Jedes Stützelement 25 - oder jedes Paar von Stützelementen 25 - wird durch eine individuelle Steuerleitung 26 mit Druck versorgt. Der Walzenmantel 15 wird durch einen Träger 27 in der Form eines inneren Rohres 27 aus La­ mellengraphitguß gebildet, der einen äußeren Bezug 27a aus elastischem Kunststoff trägt, der eine höhere Ver­ schleißfestigkeit als dieser Guß hat. Bevorzugt wird ein Material, das eine mittlere Druckspannung von mehr als 45 N/mm², vorzugsweise bis 60 N/mm² verträgt und eine geringe Markierungsempfindlichkeit besitzt. Als Beispiel wird durch Fasern, insbesondere Kohlefasern, verstärktes Epoxidharz genannt, wie das bereits genann­ te Bezugsmaterial "TopTec 4". Der den Walzenmantel 15 bildende Träger 27 hat eine wesentlich geringere Wand­ stärke als ein Hartgußmantel, der den gleichen Innen­ durchmesser besitzt. Gegenüber Hartgußmänteln, die eine Dicke von 80 bis 145 mm besitzen, benötigt man bei La­ mellen- oder Kugelgraphitguß-Mänteln lediglich 45 bis 70 mm und eine Wandstärke des Kunststoffbezuges 27a im Bereich von 8 bis 15 mm, vorzugsweise 10 mm. Bei der harten Walze 4 sind nahe der Oberfläche verlaufende Kanäle 28 vorgesehen, denen über Steuerleitungen 29 Heißdampf mit erhöhtem Druck zugeführt wird, beispiels­ weise mit einer Temperatur von 220°C, was einem Druck von 22 bar entspricht und zu einer Oberflächentemperatur von etwa 150°C führt.

Ein Steuergerät 30 hat mehrere Funktionen:

• a) Über eine Leitung 31 wird die Kraft 24 festgelegt, mit der die Oberwalze 2 bzw. ihr Träger 22 nach unten gedrückt wird, wobei die ähnlich ausgestalte­ te Unterwalze 3 zweckmäßigerweise ortsfest gehalten ist. Die Belastung kann auch in umgekehrter Rich­ tung erfolgen, wobei die Kraft 24 auf die Unterwal­ ze wirkt und die Oberwalze 2 ortsfest gelagert ist. Durch die Belastung ist auch die Druckspannung be­ stimmt, die in den einzelnen Arbeitsspalten 17 herrscht. Diese Druckspannung nimmt von oben nach unten zu, weil sich zu der Belastungskraft 24 je­ weils noch das Gewicht der einzelnen Walzen ad­ diert. Wegen des geringen Gewichts des Mantels 15 der Oberwalze 2 ist der Kraftzuwachs geringer als bei bekannten Superkalandern mit zwölf Walzen.
• b) Über die Leitungen 26 und 26a werden die Stützele­ mente 25 zum Durchbiegungsausgleich der Oberwalze 2 und der Unterwalze 3 mit Druckmittel beaufschlagt. Änderungen im zugeführten Druck führen zu einer entsprechenden Verformung des Walzenmantels 15. Wegen der höheren Elastizität des Walzenmantels 15 und des Zusammenwirkens mit der harten Walze 4 er­ gibt sich eine entsprechend starke Reaktion auf die hindurchlaufende Papierbahn. Bereits im ersten Ar­ beitsspalt 17 erfährt die hindurchlaufende Pa­ pierbahn 18 eine starke Beeinflussung, mit der eine hohe Gleichmäßigkeit der angestrebten Parameter vorbereitet werden kann.
• c) Die harten Walzen 4, 6, 8, 11 und 13 sind über die Steuerleitungen 29, 29a, 29b, 29c und 29d beheiz­ bar. Schon im ersten Arbeitsspalt 17 wird daher die Papierbahn 18 auf ein erhöhtes Temperaturniveau gebracht. Hierdurch werden die Reaktionen der druckbelasteten Stützelemente 25 auf die Papierbahn 18 noch verstärkt.

In Fig. 3 ist ein Kalander mit einem Stapel 101 veran­ schaulicht, der aus acht Walzen besteht. Die elastischen Walzen sind durch eine Schraffur gekenn­ zeichnet. Der Stapel 101 umfaßt daher eine Oberwalze 102 und eine Unterwalze 103 sowie dazwischen eine be­ heizbare harte Walze 104, eine elastische Walze 105, eine beheizbare harte Walze 106, zwei elastische Walzen 109 und 110 sowie eine beheizbare harte Walze 111.

In Fig. 4 ist ein Kalander mit einem Stapel 201 aus sechs Walzen veranschaulicht, nämlich einer Oberwalze 202 und einer Unterwalze 203 sowie dazwischen einer beheizbaren harten Walze 204, zwei elastischen Walzen 209 und 210 sowie einer beheizbaren harten Walze 211.

In vielen Fällen genügt diese geringere Anzahl von Wal­ zen im Stapel, um ein beidseitig mit hoher Oberflächen­ qualität erzeugtes Papier herzustellen. Dies gilt ins­ besondere, wenn wenigstens im untersten Arbeitsspalt mit Druckspannungen über 42 N/mm², vorzugsweise zwi­ schen 45 und 60 N/mm², und an den Oberflächen der be­ heizten Walzen mit Temperaturen über 100°C, vorzugswei­ se zwischen 130 und 160°C, gearbeitet wird.

In Fig. 5 ist ein Kalander mit zwei Stapeln 301 und 301a aus je fünf Walzen veranschaulicht. Der Stapel 301 weist eine Oberwalze 302 sowie eine Unterwalze 303 und dazwischen eine beheizbare harte Walze 304, eine ela­ stische Walze 305 und eine beheizbare harte Walze 306 auf. Der Stapel 301a hat den gleichen Aufbau. Jedoch ist die Papierbahn so geführt, daß sie im ersten Stapel mit der einen Seite und im zweiten Stapel mit der ande­ ren Seite an den elastischen Walzen anliegt und daher beidseitig satiniert wird.

Der Walzenstapel 1 des 12-Walzen-Kalanders der Fig. 1 besitzt fünf beheizbare harte Walzen 4, 6, 8, 11, 13. Bekannte 12-Walzen-Kalander dagegen weisen nur vier derartige beheizte Walzen auf. Demzufolge ist es mög­ lich, 25% mehr Wärmeenergie zuzuführen und daher die bereitstehende Verformungsenergie entsprechend zu erhö­ hen. Ähnliches gilt für die übrigen Kalander, bei denen jeweils eine beheizbare Walze mehr bzw. bei dem 2-Sta­ pel-Kalander der Fig. 5 sogar zwei heizbare Walzen mehr eingesetzt werden können.

Die angestrebte Verformbarkeit des Mantels der Oberwal­ ze 2 und gegebenenfalls der Unterwalze 3 sollte zu ei­ nem Verformbarkeitsfaktor führen, der mindestens vier­ mal, vorzugsweise aber mehr als fünfmal so groß ist wie bei einem Hartgußmantel. Dies ist beispielsweise mit einem Lamellen- oder Kugelgraphit-Mantel erreichbar, der mit einem Kunststoffbezug mit geringem E-Modul ver­ sehen ist. Statt dessen kommen aber auch Mäntel 15 in Betracht, die vollständig aus Kunststoff bestehen und deren E-Modul weniger als die Hälfte desjenigen von Hartguß beträgt.

Während in den Zeichnungen die Ausführungsform mit ei­ nem Walzenstapel jeweils eine geradzahlige Anzahl von Walzen zeigen, können auch Stapel mit einer ungeraden Walzenzahl angewendet werden, wenn die Unterwalze in üblicher Weise mit einem harten Walzenmantel versehen ist. Selbstverständlich können die veranschaulichten Kalander mit weiteren bekannten Mitteln zur Verbesse­ rung der Papierbehandlung versehen werden, beispiels­ weise können die Mittelwalzen an Hebeln gelagert wer­ den, über die mit Hilfe von Kompensationsvorrichtungen der Einfluß überhängender Gewichte kompensiert werden kann.

Claims (11)

1. Kalander für die Behandlung einer Papierbahn mit mindestens einem Walzenstapel, der als Oberwalze und Unterwalze je eine Durchbiegungsaus­ gleichswalze mit einem Walzenmantel, der über hy­ drostatische Stützelemente auf einem ihn durchset­ zenden drehfest gehaltenen Träger abgestützt ist, und als Mittelwalzen harte Walzen und elastische Walzen aufweist, welche Walzen mindestens vier Ar­ beitsspalte, die von einer harten und einer elasti­ schen Walze begrenzt sind, und gegebenenfalls einen Wechselspalt, der von zwei elastischen Walzen be­ grenzt ist, bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenmantel (15, 15a) der Oberwalze (2; 102; 202; 302) und/oder der Unterwalze (3; 103; 203; 303) einen Bezug (27a) aus einem elastischen Kunststoff trägt oder im wesentlichen vollständig aus elasti­ schem Kunststoff besteht und biegeweich mit einem Verformbarkeitsfaktor ausgelegt ist, wobei
E = E-Modul des Walzenmantels in N/mm²
S = Wandstärke des Walzenmantels in mm,
und daß die jeweils benachbarte Mittelwalze (4; 104; 204; 304; 13; 111; 211; 306) eine harte Walze ist.

2. Kalander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformbarkeitsfaktor < 5 ist.

3. Kalander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Walzenmantel (15, 15a) aus einem Material unzureichender Verschleißfestigkeit be­ steht und einen Bezug (27a) aus dem elastischen Kunststoff trägt, und daß der Kunststoff eine höhe­ re Verschleißfestigkeit hat als das Mantelmaterial.

4. Kalander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenmantel (15; 15a) aus Lamellengraphit­ guß besteht.

5. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenmantel (15) aus Ku­ gelgraphitguß besteht und einen Bezug (27a) aus elastischem Kunststoff trägt.

6. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein faserver­ stärktes Epoxidharz ist.

7. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbiegungsausgleichswal­ ze eine Vielzonen-Steuerung aufweist, bei der den Stützelementen (25) einzeln oder paarweise Druck­ flüssigkeit mit unterschiedlichem Druck zuführbar ist.

8. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die oberste Mittel­ walze (4) beheizbar ist.

9. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle harten Mittelwalzen (4, 6, 8, 11, 13) beheizbar sind.

10. Kalander nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beheizung mittels Wasserdampf erfolgt, der mit Überdruck zuführbar ist.

11. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem 12-Walzen-Stapel (1) die 4. Walze (11) von unten angetrieben ist.