DE19710573C2 - Kalander, insbesondere für Papierbahnen - Google Patents
Kalander, insbesondere für PapierbahnenInfo
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- DE19710573C2 DE19710573C2 DE19710573A DE19710573A DE19710573C2 DE 19710573 C2 DE19710573 C2 DE 19710573C2 DE 19710573 A DE19710573 A DE 19710573A DE 19710573 A DE19710573 A DE 19710573A DE 19710573 C2 DE19710573 C2 DE 19710573C2
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
- D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
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- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kalander, insbesondere für Papierbahnen mit mindestens
einem Walzenspalt, der durch eine Walze und eine Gegen
walze gebildet ist, wobei die Walze eine elastische
Schicht am Umfang eines steifen Walzenkörpers aufweist,
und eine Walze für einen derartigen Kalander.
DE 195 06 301 A1 zeigt einen Kalander mit einer harten
und einer weichen Walze, wobei die weiche Walze einen
zweischichtigen Kunststoff-Bezug mit einer Gesamtstärke
von etwa 13 mm aufweist. Die innere Schicht hat eine
höhere Elastizität und eine geringere Härte als die
äußere Schicht.
Derartige Kalander sind allgemein bekannt. Sie werden
beispielsweise bei der Papierherstellung eingesetzt, um
eine von einer Papiermaschine produzierte Bahn aus Roh
papier zu verdichten und vor allem, um die Oberflächen
qualität der Papierbahn zu verbessern.
Solche Kalander gibt es beispielsweise als Superkalan
der, bei denen eine Vielzahl von Walzen übereinander
angeordnet sind und eine entsprechend große Anzahl von
Walzenspalten oder Nips bilden. Die weichen Walzen be
stehen hierbei vielfach aus Stapeln von Papier- oder
Baumwollgewebescheiben, die auf eine Achse aufgesteckt
sind und dann unter hohem Druck zusammengepreßt werden.
In jüngerer Zeit sind von der Anmelderin andere Kalan
der nach dem "Janus-Concept" vertrieben worden, bei
denen man dazu übergegangen ist, die weichen Walzen mit
Kunststoffbezügen zu versehen. Der Walzenkörper kann
hierbei entweder als Walzenmantel ausgebildet sein,
wenn es sich um eine durchbiegungsgesteuerte Walze han
delt, oder er kann als massiver Kern ausgebildet sein.
Die eingangs genannten Kalander können auch als soge
nannte Softkalander ausgebildet sein. Hierbei arbeiten
in der Regel nur zwei bis drei Walzen gegeneinander.
Als Walzenbelag werden in Soft-Kalandern fast aus
schließlich Kunststoffbeläge eingesetzt, deren Dicke
etwas größer als 1 cm ist. Da man eine gewisse Abdreh
reserve wünscht, haben die Walzenbeläge anfangs eine
Dicke von etwa 12,5 mm. Sie können im Laufe der Zeit
auf eine Stärke von etwa 8,5 mm abgedreht werden. Diese
Kunststoffbeläge sind, damit sie die Druckspannungen im
Walzenspalt überhaupt aushalten können, mit Fasern oder
anderen Füllstoffen verstärkt. Diese Verstärkungsstoffe
erhöhen den Elastizitätsmodul und bilden eine gewisse
natürliche Grenze für die erreichbare Oberflächenglätte
der Walzen.
Man ist bisher davon ausgegangen, daß sich bei Verwen
dung einer weichen Walze der Walzenspalt im Betrieb
verbreitert, weil sich der elastische Walzenbelag auf
grund seiner Elastizität abflachen kann oder er sogar
von der Gegenwalze etwas eingemuldet wird. Mit der grö
ßeren Nipbreite sinkt dann die Druckspannung bei
gleichbleibender Streckenlast. Mit dieser Annahme hat
man zu erklären versucht, daß sich bei der Material
bahnbehandlung in einem "weichen" Walzenspalt, der
durch eine weiche Walze und harte Gegenwalze gebildet
wird, andere Ergebnisse einstellen als in einem "har
ten" Walzenspalt, wie er beispielsweise in einem Glätt
werk vorkommt und bei dem zwei harte Walzen gegenein
ander arbeiten. Dort nimmt man eine annähernd linien
förmige Walzenberührung an und damit eine sehr schmale
Nipbreite, so daß im Walzenspalt entsprechend hohe
Druckspannungen anzunehmen sind.
Die Verwendung eines weichen Walzenspalts oder Nips hat
zwar den Vorteil, daß die Materialbahn beim Behandeln
geschont wird. Dies äußert sich beispielsweise dadurch,
daß beim Satinieren einer Papierbahn zwar Erscheinungen
wie eine erhöhte Schwarzsatinage bei Naturpapieren ohne
Strich oder erhöhtes Mottling (Speckigkeit) bei gestri
chenen Papieren vermieden werden kann. Die an der wei
chen Walze anliegende Seite der Papierbahn wird jedoch
vielfach wieder etwas verschlechtert, beispielsweise
kann die Glätte abnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflä
chenqualität einer Materialbahn bei der Behandlung im
Kalander zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Kalander der eingangs ge
nannten Art dadurch gelöst, daß der Walzenkörper aus
Stahl oder Guß gebildet ist und die elastische Schicht
in Radialrichtung sehr dünn ist.
Damit entfernt man sich von dem bislang verfolgten An
satz der Nipverbreiterung im Betrieb. Die Schicht ist
so dünn, daß praktisch nur noch die Oberfläche
elastisch ist, eine Verformung der Walzengeometrie,
z. B. eine Abflachung oder sogar Einmuldung, praktisch
nicht erfolgt. Man hat nämlich folgende überraschende
Erkenntnis gewonnen: Bei einem Versuch wurde der ela
stische Kunststoffmantel einer Walze mit einer 120 µm
starken Hartchromschicht versehen. Die Hartchromschicht
war, wie das bei Chrom möglich ist, sehr glatt. Man
hatte nur erwartet, daß sich die Glätte der Hartchrom
schicht in die Papierbahn "einprägt", man also auch auf
der Seite der Papierbahn, die an dieser weichen Walze
anliegt, einen entsprechenden Glättezuwachs erreichen
kann. Das Satinageergebnis war überraschend. Es stellte
sich zwar - wie erwartet - ein Zuwachs an Glätte auf
der dieser Walze zugewandten Papierseite ein, es erga
ben sich aber Erscheinungen, wie sie ansonsten nur von
Glättwerken mit zwei harten Walzen bekannt sind, näm
lich eine erhöhte Schwarzsatinage bei Naturpapieren
ohne Strich und erhöhtes Mottling (Speckigkeit) bei ge
strichenen Papieren. Diese Erscheinungen, die man im
Glättwerk auf ein Zerquetschen von Fasern, insbesondere
vorstehenden Fasern zurückführt, hätten eigentlich
nicht auftreten dürfen. Die elastische Walze war im
Grunde genommen nach wie vor weich genug, weil auch die
120 µm dicke Chromschicht nicht die nötige Steifigkeit
mit sich bringt. Dementsprechend hätten eigentlich an
dere, nämlich geringere, Druckspannungen als in einem
harten Walzenspalt auftreten müssen, was aber offen
sichtlich nicht der Fall war. Man hat daher diesen Weg
wieder verlassen und ist einen anderen Weg gegangen.
Man hat nämlich die Dicke der elastischen Schicht an
der Oberfläche der Walze vermindert. Erstaunlicherweise
ergaben sich nun wieder hervorragende Satinageergebnis
se bei der Behandlung einer Papierbahn, obwohl nach den
bisherigen Betrachtungsweisen bei der durch die Verrin
gerung der Dicke der elastischen Schicht bewirkten Ver
größerung der Druckspannungen im Nip eigentlich das
hätte passieren müssen, was bei der Chromschicht pas
siert ist. Dies war erstaunlicherweise nicht der Fall.
Es ergaben sich gute Glättewerte und eine entsprechende
Verdichtung, ohne daß eine erhöhte Schwarzsatinage oder
eine erhöhte Speckigkeit auftrat. Die bisher verwende
ten Walzenbezüge wurden mit "dünn" bezeichnet und zwar
im Gegensatz zu den Papierwalzen, die eine Abdrehreser
ve in der Größenordnung von mehreren 10 cm hatten. Auch
bei diesen "dünnen" Walzenbezügen des Standes der Tech
nik ging man aber von einer Verbreiterung der Nips aus,
die bei der erfindungsgemäß nunmehr verwendeten "sehr
dünnen" elastischen Schicht nach den bisherigen Be
trachtungsweisen nicht mehr erfolgen kann. Um diese
Ergebnisse zu erzielen, sind daher Dicken der Schicht
von deutlich unter 8 mm erforderlich. Der Walzenkörper
kann, wie oben gesagt, entweder eine Walzenschale sein,
wenn eine durchbiegungsgesteuerte Walze verwendet wird,
oder er kann auch ein massiver Stahl- oder Gußkern
sein. In beiden Fällen ist der Walzenkörper steif ge
nug, so daß er die notwendigen Druckkräfte aufbringen
und aufnehmen kann, ohne nennenswert verformt zu wer
den. Damit ergeben sich die gewünschten Verhältnisse.
Vorzugsweise weist die weiche Walze aufgrund der ela
stischen Schicht im lokalen Bereich eine Oberflächene
lastizität auf, die ein Eindrücken lokal vorstehender
Fasern einer Papierbahn erlaubt, wobei die Walze im
übrigen aber im Hinblick auf die Elastizität praktisch
das gleiche Verhalten wie der Walzenkörper zeigt. Die
Schicht wird also so dünn gewählt, daß zwar lokal vor
stehende Fasern der Papierbahn in die Schicht einge
drückt werden können und so ein Zerquetschen oder Be
schädigen der Fasern nicht erfolgt und somit eine er
höhte Schwarzsatinage oder eine erhöhte Speckigkeit
vermieden werden kann. Die Schicht ist aber so dünn,
daß sich im Betrieb praktisch keine andere Oberflächen
form der Walze ergibt, als sie bei der Verwendung zwei
er harter Walzen auftreten würde. Insbesondere entfällt
das bislang immer angenommene Abflachen der elastischen
oder weichen Walze im Nipbereich. Die Nipbreite - je
weils ohne Papier betrachtet - entspricht dann im we
sentlichen der Breite eines harten Walzenspalts, der
durch zwei harte Walzen gebildet wird.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der elastischen Schicht
4 mm oder weniger, insbesondere 2,3 mm oder weniger.
Bei diesen dünnen Schichten kann man erstaunlicherweise
sehr gute oder sogar gegenüber bekannten Kalandern ver
besserte Satinageergebnisse erzielen, d. h. man erhält
gute Glanz- und Glättewerte und vermeidet gleichzeitig
Schwarzsatinage und Mottling.
Mit Vorteil ist die Schicht aus einem Material gebil
det, das einen E-Modul von 4.000 N/mm2 oder weniger
aufweist. Je "weicher" das Material ist, d. h. je besser
seine Elastizität ist, desto glatter läßt sich die
Oberfläche gestalten und desto weniger Widerstand setzt
die Schicht an der Oberfläche der Walze der Material
bahn lokal entgegen. Da die Schicht aber dünn genug
ist, wird sie durch den Walzenkörper in ausreichendem
Maße unterstützt, so daß die bislang angenommenen Ver
formungen der weichen Walze hier nicht zu beobachten
sind.
Hierbei ist die Dicke der Schicht vorzugsweise so ge
wählt, daß sich im Betrieb die gleiche Druckspannungs
verteilung ergibt wie bei gleicher Streckenlast, glei
cher Walzenspaltgeometrie und einem Elastizitätsmodul
eines faserverstärkten herkömmlichen Materials der
Schicht von 6.000 N/mm2 oder mehr. Die Schichtdicke
kann also unter anderem in Abhängigkeit vom Elastizi
tätsmodul des Materials verändert werden. Je niedriger
der Elastizitätsmodul ist, desto dünner wird die
Schicht. Bei einer dünneren Schicht ist dann der Ein
fluß der Elastizität des Materials der Schicht auf die
Walzenspaltgeometrie geringer, so daß man wieder die
gewünschte Druckspannungsverteilung erzielen kann.
Vorzugsweise ist die Dicke der Schicht kleiner als die
Entfernung des Schubspannungsmaximums von der äußeren
Oberfläche der Schicht. Man verlegt also das Schubspan
nungsmaximum, das sich bei den herkömmlichen elasti
schen Walzenbezügen innerhalb des Walzenbezugs befand,
in den Walzenkörper hinein, also radial nach innen.
Damit werden die Belastungen des die elastische Schicht
bildenden Materials aufgrund von Schubspannungen ver
mindert. Der Walzenkörper ist in der Regel in der Lage,
das Schubspannungsmaximum ohne größere Probleme aufzu
nehmen. Die Belastung der Schicht wird damit klein ge
halten. Die Lebensdauer der Walze wird vergrößert.
Vorzugsweise weist die mit Bahn errechnete Nipbreite
bei einer Streckenlast von 200 N/mm einen Wert auf, der
mindestens um den Faktor 3,5 größer ist als die Dicke
der Schicht. In diesem Fall lassen sich zwar die all
gemeinen Berechnungsmethoden nach Hertz nicht mehr an
wenden, weil diese nur Gültigkeit haben, solange die
Belagdicke mindestens etwa der Nipbreite entspricht. Es
stehen jedoch numerische Verfahren zur Verfügung, bei
spielsweise mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, so
daß die Ermittlung dieser Größe möglich ist. Auch auf
diese Weise kann festgelegt werden, daß die Belagdicke
klein genug ist, um die gewünschten Wirkungen zu erzie
len.
Vorzugsweise ist die Schicht aus einem unverstärkten
Kunststoff gebildet. Ein derartiger Kunststoff, der
keine Verstärkungsfasern oder Verstärkungs-Füllstoffe
aufweist, ist zwar nur in einem geringeren Umfang be
lastbar. Wenn aber die Schichtdicke klein genug ist,
läßt sich auch mit einem derartigen unverstärkten
Kunststoff die gewünschte Belastbarkeit realisieren.
Der große Vorteil eines unverstärkten Kunststoffs liegt
aber darin, daß seine Oberfläche sehr glatt gestaltet
werden kann. Dieser Glätte war bislang immer dadurch
eine Grenze gesetzt worden, daß die Fasern oder Füll
stoffe, die zur Verstärkung dienen, auch einen Einfluß
auf die Oberflächenrauhigkeit haben. Die Oberflächen
rauhigkeit bewegte sich daher im allgemeinen in der
Größenordnung der Größe der Fasern oder Füllstoffe.
Wenn man nun diese zusätzlichen Materialien wegläßt,
dann läßt sich die Oberflächenrauhigkeit oder Glätte
ausschließlich auf der Basis des verwendeten Kunst
stoffmaterials einstellen.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Dicke der
Schicht auf einen Wert unterhalb von 90% des Werts
begrenzt ist, der bei den im Walzenspalt herrschenden
Druckspannungen eine Belastungsgrenze bildet. Die im
Walzenspalt herrschenden Druckspannungen sind bekannt
oder können errechnet werden. Der unverstärkte Kunst
stoff wird ab einer gewissen Dicke nicht mehr verwendet
werden können, weil er im Betrieb von der Walze ab
platzt oder sonstwie beschädigt wird. Diese Grenze läßt
sich notfalls durch Versuche herausfinden. Wenn man nun
einen gewissen Abstand von der Grenze einhält und die
Kunststoffschicht dünner macht, dann hat man einerseits
ein Maß dafür, wie dick der Kunststoff sein darf, ande
rerseits hat man eine gewisse Sicherheit, so daß klei
nere Störungen noch nicht zu einer dauerhaften Beschä
digung des Kunststoffs führen werden.
Mit Vorteil besteht die Schicht aus reinem Epoxidharz.
Epoxidharz hat einerseits im unverstärkten Zustand einen
relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Es läßt sich ande
rerseits sehr glatt schleifen, so daß man eine hohe
Steigerung der Glätte der behandelten Materialbahn er
zielen kann.
Vorzugsweise besteht die Schicht aus einem spritzfähi
gen Kunststoff und ist aufgespritzt. Durch das Auf
spritzen erhält man einerseits eine relativ gute Ver
bindung des Kunststoffs mit dem Walzenkörper. Anderer
seits lassen sich dadurch relativ dünne Schichten er
zielen, so daß man einen Walzenbezug erhält, der lokal,
also im mikroskopischen Bereich, die notwendige Elasti
zität aufweist, global aber, d. h. im makroskopischen
Bereich, keine nennenswerte Nachgiebigkeit zeigt, die
zu einer Verformung der Walze führen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung reicht es
aus, wenn die Schicht als Lackschicht ausgebildet ist.
Damit wird tatsächlich nur auf der Oberfläche der Walze
eine gewisse Elastizität vorgehalten. Lackschichten
sind aber im allgemeinen recht dünn, so daß die Haupt
belastung tatsächlich durch den Walzenkern aufgenommen
werden kann. Je dünner die elastische Schicht ist, de
sto weniger wird sie im Betrieb gewalkt und desto weni
ger Wärme entwickelt sie. Die Temperatur, die durch die
Walkarbeit erzeugt wird, ist dann besser beherrschbar,
so daß sich auch das Temperaturverhalten im Walzenspalt
besser steuern läßt. Der Belag, d. h. die elastische
Schicht, wird durch höhere Temperaturen in geringerem
Maße beansprucht.
In einer alternativen Ausgestaltung ist die Schicht
durch einen Schrumpfschlauch gebildet. Ein derartiger
Schrumpfschlauch wird über den Walzenkörper geschoben
und dann unter Anwendung von Wärme auf den Walzenkörper
aufgeschrumpt. Damit läßt sich relativ schnell die ela
stische Schicht an der Oberfläche der Walze erzeugen
und gleichzeitig zuverlässig mit dem Walzenkörper ver
binden. Ein Auswechseln der elastischen Schicht ist
ebenfalls problemlos möglich. Hierzu muß lediglich der
Schrumpfschlauch aufgeschnitten und entfernt werden.
Der Walzenkörper steht dann zur Aufnahme eines neuen
Schrumpfschlauches zur Verfügung, der gegebenenfalls
nur noch abgedreht und glatt geschliffen werden muß.
Vorzugsweise ist die Oberfläche der Schicht auf einen
Rauhigkeitswert Ra von 0,1 µm oder weniger geschliffen.
Derartige glatte Oberflächen lassen sich bei den dünnen
Schichten relativ gut erzielen. Da sich die Rauhigkeit
der Walze in die Materialbahn "einprägt" wird die Glät
te der Materialbahn umso besser, je glatter die Ober
fläche ist. Bei der Verwendung von Epoxidharz läßt sich
sogar eine Rauhigkeit von 0,05 µm erzielen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung
beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kalanders mit
zwei Walzen,
Fig. 2 Isolinien der Schubspannung im Vergleich der
sehr dünnen elastischen Schicht (a) zu einer
elastischen Schicht mit herkömmlicher Schicht
dicke (b)
Fig. 3 den Verlauf der Schubspannung im wesentlichen in
Radialrichtung und
Fig. 4 Gegenüberstellung errechneter Kontaktbreiten.
Ein in Fig. 1 schematisch dargestellter Kalander 1, der
zum Behandeln einer Materialbahn 2, im vorliegenden
Fall beispielsweise Papier, verwendet wird, weist zwei
Walzen 3, 4 auf, die zwischen sich einen Walzenspalt 5
bilden. Im Betrieb werden die beiden Walzen 3, 4 mit
allgemein bekannten, aber nicht näher dargestellten
Mitteln gegeneinander gepreßt, so daß die Materialbahn
2 im Walzenspalt 5 unter Druck behandelt wird. Diese
Druckbehandlung kann zu einer Verdichtung der Material
bahn führen. Sie wird aber auch oft eingesetzt, um die
Oberflächengüte der Materialbahn 2 zu verbessern.
Bei dem Walzenspalt 5 handelt es sich um einen soge
nannten "weichen" Walzenspalt, der dadurch gebildet
wird, daß die Walze 3 eine elastische Oberfläche 6 auf
weist. Die Oberfläche 6 ist elastisch, weil die Walze 3
an ihrer Umfangsfläche eine sehr dünne Schicht 7 aus
einem elastischen Material aufweist, das auf einen Wal
zenkörper 8 aufgebracht ist. Bei dem Walzenkörper 8
kann es sich um einen massiven Walzenkern aus Stahl
oder Guß, beispielsweise Hartguß oder Grauguß, handeln.
Es kann sich aber auch, wie dies gestrichelt darge
stellt ist, um einen Walzenmantel einer durchbiegungs
einstellbaren Walze handeln, der in seinem Inneren von
Druckelementen 9 beaufschlagt wird, die an einem Träger
10 abgestützt sind.
Die Walze 4 hingegen ist eine harte Walze, d. h. sie ist
unnachgiebig ausgebildet und kann beispielsweise eben
falls aus Stahl oder Guß bestehen. Zur Verbesserung der
Glätte der Oberfläche kann hier in nicht dargestellter
Weise noch eine Hartchromschicht oder eine andere harte
und glatte Schicht aufgebracht sein.
Die elastische Schicht 7 an der weichen Walze 3 ist
hier übertrieben dick dargestellt. Bei herkömmlichen
weichen Walzen betrug die Dicke der Schicht üblicher
weise etwa 12,5 mm. Man konnte sie dann noch auf Dicken
von etwa 8 mm abdrehen, wenn im Betrieb Beschädigungen
oder Markierungen aufgetreten sind.
Bei dem neuen Kalander ist die Dicke d der elastischen
Schicht 7 wesentlich geringer. Es handelt sich damit um
eine sehr dünne Schicht 7.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke d
= 1,75 mm. Der Elastizitätsmodul ist E = 3.500 N/mm2.
Es handelt sich um eine Schicht 7 aus Epoxidharz, die
auf den Walzenkörper 8 aufgespritzt ist. Hierbei ist
das Epoxidharz frei von Verstärkungsfasern oder anderen
verstärkenden Füllstoffen. Die Oberfläche 6 der Schicht
7 kann daher sehr glatt geschliffen werden. Damit er
hält man auch auf der Seite der Materialbahn 2, die an
der weichen Walze 3 anliegt, hervorragende Glanz- und
Glättewerte. Dadurch, daß man Verstärkungsfasern oder
-füllstoffe wegläßt, erhält man einen verringerten Ela
stizitätsmodul. Dieser beträgt bei herkömmlichen Wal
zenbezügen größenordnungsmäßig 6.000 bis 8.000 N/mm2.
In einem Vergleichsbeispiel betrug E = 6.900 N/mm2.
Dadurch, daß die Dicke d der Schicht 7 sehr klein ist,
ist die Oberfläche 6 der Walze 3 zumindest im makrosko
pischen Bereich kaum noch verformbar. Die Form der Wal
ze wird daher auch im Betrieb durch die Form des Wal
zenkörpers 8 bestimmt. Die bekannte größere Abflachung
oder sogar Einmuldung der weichen Walze im Betrieb ist
hier mit relativ großer Sicherheit auszuschließen.
Trotz der sehr dünnen Schicht 7 ist die Oberfläche 6
der weichen Walze 3 so elastisch, daß sie eine Verfor
mung im mikroskopischen Bereich zuläßt. Wenn beispiels
weise Fasern aus der Oberfläche einer Papierbahn vor
stehen, dann werden sie im Walzenspalt 5 nicht zer
quetscht, was zu den bekannten Erscheinungen der
Schwarzsatinage oder Speckigkeit führen kann, sondern
sie können aufgrund der lokalen Elastizität der Ober
fläche 6 den Durchlauf durch den Walzenspalt 5 unbe
schadet überstehen. Sie werden allenfalls eingeebnet.
Die Dicke d der Schicht 7 kann sehr dünn gemacht wer
den. Es reicht aus, das Material, beispielsweise
Epoxidharz, nach Art eines Lackes aufzutragen, so daß
die Dicke d in der Größenordnung von wenigen Zehntel
oder sogar wenigen Hundertstel Millimetern liegt. Man
kann die Schicht 7 beispielsweise auch dadurch erzeu
gen, daß man die Schicht 7 als Schrumpfschlauch fer
tigt, dessen Innendurchmesser dem Außendurchmesser des
Walzenkörpers 8 angepaßt ist, so daß er auf den unbe
schichteten Walzenkörper 8 aufgeschoben werden kann.
Wenn man nun Wärme aufbringt, beispielsweise mit Hilfe
von Heißluft, dann schrumpft der Schlauch und legt sich
gleichmäßig an die Oberfläche des Walzenkörpers 8 an.
Es ist dann lediglich erforderlich, die Oberfläche 6 zu
glätten.
Wenn die Oberfläche 6 Beschädigungen oder Markierungen
zeigt, ist zwar keine Abdrehreserve mehr vorhanden.
Dies ist aber unkritisch. Im Falle eines Schrumpf
schlauchs wird der alte Schrumpfschlauch aufgeschnitten
und entfernt und ein neuer aufgebracht. Im Falle eines
Lackes kann die Walze neu lackiert werden, was eben
falls relativ schnell erfolgen kann. Auch dann, wenn
das Epoxidharz oder ein anderer Kunststoff in einer
größeren Dicke aufgespritzt ist, kann man durch erneu
tes Aufspritzen relativ schnell wieder die gewünschte
Oberflächenqualität erzeugen.
Nach oben hin wird die Grenze für die Dicke d der
Schicht 7 derzeit bei 4 mm angenommen. Grundsätzlich
gilt, daß mit zunehmender Dicke d auch der Elastizi
tätsmodul steigen muß, damit die Schicht 7 die im Wal
zenspalt 5 herrschenden Druckspannungen aushält.
Um einen Vergleich zwischen der neuen Konstruktion der
weichen Walze 3 mit der sehr dünnen Schicht 7 und einer
herkömmlichen Walze mit einer dickeren Schicht zu er
möglichen, wurden Berechnungen ausgeführt. Da die Dicke
d der Schicht 7 deutlich kleiner ist als die Kontakt
breite der Materialbahn 2 mit den Walzen 3, 4 ist eine
Berechnung nach Hertz zu stark mit Fehlern behaftet und
kommt deswegen hier nicht mehr in Frage. Man kann aber
mit diskreten Verfahren, etwa nach der Methode der Fi
niten-Elemente, die Spannungsverteilungen in den Walzen
ausrechnen. Diese Berechnungen wurden im vorliegenden
Fall so vorgenommen, wie in der Dissertation Rolf von
Haag "Über die Druckspannungsverteilung und die Papier
kompression im Walzenspalt eines Kalanders", Darmstadt,
1993, beschrieben sind.
Fig. 2 zeigt nun die Isolinien der Schubspannungen und
zwar für die neue Walze 3 in Fig. 2a und für eine her
kömmliche Walze mit einer dicken Schicht 7' in Fig. 2b.
Diesen Berechnungen liegen folgende Daten zugrunde:
Hieraus ergibt sich, daß die Schubspannungen in beiden
Fällen ähnlich aussehen. Es läßt sich allerdings erken
nen, daß bei der sehr dünnen Schicht 7 das Schubspan
nungsmaximum außerhalb der Schicht 7 liegt. Es ist näm
lich in den Walzenkörper 8 verlagert worden. Im her
kömmlichen Fall lag das Schubspannungsmaximum mitten in
der elastischen Schicht 7'. Dies läßt sich deutlicher
erkennen in der Darstellung der Fig. 3, wo die Schub
spannung entlang einer Linie A in Fig. 2a aufgetragen
ist. Dies ist praktisch die Radialrichtung der weichen
Walze 3. Das Schubspannungsmaximum liegt bei etwa
2,42 mm. Die Dicke d der Schicht 7 beträgt jedoch nur
1,75 mm. Das Schubspannungsmaximum liegt damit im Wal
zenkörper 8, der aus Stahl oder Guß gebildet ist und
deswegen ohne weiteres in der Lage ist, daß Schubspan
nungsmaximum aufzunehmen.
Fig. 4 zeigt einen weiteren Vergleich zwischen der neu
en Walzen und einer herkömmlichen Walze mit einer Dicke
d von 12,5 mm.
Die Kurve mit den Quadraten stellt die Druckspannungs
kurve eines herkömmlichen Belags mit 12,5 mm Dicke und
einem Elastizitätsmodul von 6.900 N/mm2 bei einer
Streckenlast von 200 N/mm dar. Würde man den gleichen
Belag in einer Dicke von 1,75 mm verwenden, ergäbe sich
die Kurve mit den Kreisen. In diesem Fall würde sich
die maximale Druckspannung von ca. 54 auf ca. 62 N/mm2
erhöhen. In diesem Bereich sind aber die Festigkeiten
des Belags erreicht bzw. überschritten.
Beim Einsatz eines Harzes als Belag, dessen Elastizi
tätsmodul deutlich verringert ist und nur noch bei
3.500 N/mm2 liegt, ergeben sich wieder günstigere Ver
hältnisse. Wie die Kurve mit den Dreiecken zeigt, wer
den die Kurven des dicken härteren Belags und des dün
nen weichen Belags fast deckungsgleich.
Da die dünnen Beläge aus Harz aber viel glatter zu
schleifen sind und weniger für den Belag unter Umstän
den schädliche Wärme durch Walkarbeit entwickeln, zei
gen sich deutliche Vorteile für das Satinieren. Inter
essanterweise sind die Nipbreiten in allen Fällen etwa
gleich. Hier wird der Einfluß der Papierbahn deutlich.
Wenn man einen sehr dünnen Belag verwendet, kann man,
wie oben gesagt, auf Verstärkungsfasern oder -füllstof
fe verzichten. Dies hat neben dem Vorteile, daß man
eine sehr glatte Oberfläche 6 mit einer Rauhigkeit von
0,05 µm erzeugen kann, auch den Vorteil, daß die Hand
habung des Kunststoffs beim Auftragen wesentlich ein
facher wird. Man spart Material, was die Fertigungsko
sten deutlich senkt. Trotz der verminderten Fertigungs
kosten kann man beim Satinieren von Papier und anderen
Materialbahnen deutliche Qualitätssteigerungen beobach
ten.
Claims (15)
1. Kalander, insbesondere für Papierbahnen, mit
mindestens einem Walzenspalt, der durch eine weiche
Walze und eine Gegenwalze gebildet ist, wobei die
weiche Walze eine elastische Schicht am Umfang ei
nes Walzenkörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Walzenkörper (8) aus Stahl oder Guß gebil
det ist und die elastische Schicht (7) in Radial
richtung sehr dünn ist.
2. Kalander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die weiche Walze (3) aufgrund der elastischen
Schicht (7) im lokalen Bereich eine Oberflächenela
stizität aufweist, die ein Eindrücken lokal vorste
hender Fasern einer Papierbahn erlaubt, wobei die
Walze (3) im übrigen aber im Hinblick auf die Ela
stizität praktisch das gleiche Verhalten wie der
Walzenkörper (8) zeigt.
3. Kalander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dicke (d) der elastischen Schicht
(7) 4 mm oder weniger, insbesondere 2,3 mm oder
weniger, beträgt.
4. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (7) aus einem Mate
rial gebildet ist, das einen E-Modul von 4.000
N/mm2 oder weniger aufweist.
5. Kalander nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (d) der Schicht (7) so gewählt ist,
daß sich im Betrieb die gleiche Druckspannungsver
teilung ergibt, wie bei gleicher Streckenlast,
gleicher Walzenspaltgeometrie und einem Elastizi
tätsmodul eines faserverstärkten Materials der
Schicht von 6.000 N/mm2 oder mehr.
6. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Schicht (7)
kleiner ist als die Entfernung des Schubspannungs
maximums von der äußeren Oberfläche (6) der Schicht
(7).
7. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die mit Bahn errechnete Nip
breite bei einer Streckenlast von 200 N/mm einen
Wert aufweist, der mindestens um den Faktor 3,5
größer ist als die Dicke (d) der Schicht (7).
8. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (7) aus einem un
verstärkten Kunststoff gebildet ist.
9. Kalander nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (d) der Schicht (7) auf einen Wert
unterhalb von 90% des Werts begrenzt ist, der bei
den im Walzenspalt (5) herrschenden Druckspannungen
eine Belastungsgrenze bildet.
10. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (7) aus reinem Ep
oxidharz besteht.
11. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (7) aus einem
spritzfähigen Kunststoff und aufgespritzt ist.
12. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (7) als Lackschicht
ausgebildet ist.
13. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schicht (7) durch einen
Schrumpfschlauch gebildet ist.
14. Kalander nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche (6) der Schicht
(7) auf einen Rauhigkeitswert Ra von 0,1 µm oder
weniger geschliffen ist.
15. Kalanderwalze für einen Kalander nach einem der
Ansprüche 1 bis 14 mit einer elastischen Schicht am
Umfang eines Walzenkörpers, dadurch gekennzeichnet,
daß der Walzenkörper (8) aus Stahl oder Guß gebil
det ist und die elastische Schicht (7) in Radial
richtung sehr dünn ist.
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