DE202005015368U1

DE202005015368U1 - Beheizbare Kalanderwalze

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Publication number: DE202005015368U1
Application number: DE200520015368
Authority: DE
Original assignee: Andritz Kuesters GmbH
Current assignee: Andritz Kuesters GmbH
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2015-09-30

Abstract

Beheizbare Kalanderwalze mit einem hohlen, eine Walzenschale aufweisenden Walzenkörper (15), der für das Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediums ausgebildet ist, und der Walzenkörper (15) eine verschleißfeste Umfangsoberfläche trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Umfangsoberfläche gebildet wird von mindestens einer durch Schmelzschweißen aufgetragenen Funktionsschicht (16), die eine solche schweißzusatzwerkstoffabhängige Zugfestigkeit besitzt, daß eine im Betrieb resultierende Zugspannung kleiner gleich dem halben Wert der Bruchspannung des Schweißzusatzwerkstoffes ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine beheizbare Kalanderwalze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Kalandrieren wird die zu behandelnde Papierbahn zwischen Walzen behandelt, wobei mechanische und thermische Energie zur Behandlung und Verformung des Papiers eingesetzt wird, um das Papier, insbesondere die Papieroberfläche, der endgültigen Verwendung anzupassen. Die zur Behandlung erforderliche thermische Energie wird durch die Wärmezufuhr aus der beheizten Walze in den Walzenspalt eingebracht.
Aus EP 0 710 741 B1 ist eine beheizte Kalanderwalze bekannt, die als Hohlwalze ausgebildet ist und eine Walzenschale aufweist, die aus einem ersten Material aus Schmiedestahl, Gußstahl, Gußeisen oder Gußeisen mit Kugelgraphit hergestellt und mit einer dünnen Umfangsoberflächenschicht aus einem zweiten harten, abriebs beständigen Material versehen ist. Die dünne Umfangsoberflächenschicht hat den Nachteil, daß das Abschleifen betriebsbedingter Markierungen an der Umfangsoberfläche im allgemeinen nur einmal möglich ist. Danach ist eine neue Beschichtung vorzunehmen. Ein größerer Vorrat an Reservewalzen ist deshalb erforderlich. Der Einsatz solcher Thermowalzen ist deshalb aufwendig und teuer.
Bekannt sind ferner beheizte Kalanderwalzen mit einer Walzenschale aus Schalenhartguß. Die nutzbare Härteschicht ist bei einschichtig aufgebauten Walzenschalen wesentlich dicker, wodurch die Standzeit der Thermowalze erhöht wird. Bekannt sind schließlich auch Thermowalzen aus vergüteten oder oberflächengehärteten Materialien. Doch die wenigen in Frage kommenden Sonderwerkstoffe sind teuer, bereiten Schwierigkeiten in der Beschaffung und stellen wegen ihrer Empfindlichkeit außerordentlich hohe Anforderungen an den Herstellungsprozeß. Solche Thermowalzen sind folglich sehr teuer.
Die Anforderungen an die beheizte Kalanderwalze im Betrieb haben sich zudem in den letzten Jahren deutlich erhöht. Mit der Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit der Papiermaschinen ist wegen des flächenbezogenen Wärmebedarfs für die Kalandrierung die erforderliche zuzuführende Wärmeleistung zunehmend angestiegen. Bei Papier, wie es beim Kalandrieren aus papiertechnologischen Gründen vorliegt, das ein guter Wärmeisolator ist, muß die Oberflächentemperatur der beheizten Walze angehoben werden, um die erforderliche Wärmemenge in der durch die Produktionssteigerung kürzeren Verweildauer auf die Papierbahn zu transferieren. Dies bedeutet für die beheizten Walzen in Kalandern zusätzlich zur Erhöhung der Wärmeleistung eine Erhöhung der Walzenoberflächentemperatur. Auch wegen dieser zweifachen Erhöhung sind die bisher verwendeten Thermowalzen an ihre Grenzen gestoßen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine beheizbare Kalanderwalze zu schaffen, die bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten eine hohe Heizleistung mit hohen Standzeiten kombiniert und dabei kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Hierdurch wird eine beheizbare Kalanderwalze geschaffen, bei der über ein Auftragsschweißen eine Funktionsschicht für den Kalandrierprozeß auf den Walzenkörper aufgebracht ist. Es besteht also eine Funktionstrennung zwischen dem Walzenkörper als Tragkörper und dem Walzenkörper als Oberflächenkörper, der die papiertechnologischen Eigenschaften und die Walzenstandzeit bestimmt.
Je nach Anwendungszweck kann zugelassen sein, daß im betriebswarmen Zustand Zugspannungen einer gewissen Größe in der Funktionsschicht vorhanden sind. Beim Übergang vom betriebswarmen Zustand zum eigentlichen Betriebszustand werden diesen Zugspannungen weitere Zugspannungen überlagert. Diese weiteren Zugspannungen im Betriebszustand entstehen aus der Wärmeabgabe der Kalanderwalze an das Papier. Die resultierende Zugspannung der Funktionsschicht im Betriebszustand und eine Bruchspannung des Materials der Funktionsschicht sind deshalb aufeinander abgestimmt. Die resultierende Zugspannung im Betriebszustand ist dazu höchstens halb so groß wie die Bruchspannung des Schweißzusatzwerkstoffes.
Ein Reißen der Umfangsfläche des Walzenkörpers im Betrieb wird hierdurch vermieden. Diese beheizten Kalanderwalzen sind hoch belastbar und besitzen hohe Standzeiten. Bei einem Einsatz in Multinip-Kalandern mit doppelter Überrollung der beheizten Kalanderwalze und somit doppelter Wärmeabgabe können Walzenoberflächentemperaturen auch von über 200°C bei Produktionsgeschwindigkeiten von über 1500 m/min eingestellt werden.
Die Materialien der Funktionsschicht und des Walzenkörpers können getrennt voneinander in Bezug auf ihre eigentlichen Eigenschaften optimiert werden. So kann das Material der Funktionsschicht optimiert werden in Bezug auf eine hohe Wärmekapazität und Härte, wodurch die Temperaturführung der Wärmebehandlungsprozesse und die Standzeiten verbessert werden. Die Funktionsschicht kann dabei eine kleinere Wärmedehnung besitzen als der Walzenkörper und durch spannungsarmes Glühen nachbehandelt sein. Alternativ kann die Funktionsschicht eine größere Wärmedehnung besitzen als der Walzenkörper.
Das Material des Walzenkörpers kann in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, Zerspanbarkeit und Festigkeit optimierbar sein, wodurch die Einbringung der Heizeinrichtungen, z.B. periphere Bohrungen, und die Tragkörpereigenschaften verbessert werden. Als Werkstoff für den Walzenkörper ist auch ein handelsüblicher Werkstoff verwendbar. Beispielsweise kann der Walzenkörper aus einem handelsüblichen Stahl, z.B. St 52, gefertigt sein.
Die Funktionsschicht ist mehrfach nachschleifbar, wobei die Dicke durch ein Mehrlagenschweißen, also die Anzahl von übereinander anbringbaren Schweißlagen, steuerbar ist. Bevorzugte Schichtdicken liegen bei 3 bis 10 mm. Die Beheizung einer solchen Thermowalze kann in bekannter Weise von innen und gegebenenfalls zusätzlich von außen erfolgen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kalanders mit einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung,
2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kalanders mit beheizten Kalanderwalzen gemäß der Erfindung,
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung mit einer zentralen Beheizung,
4 zeigt schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 3,
5 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer beheizten Kalanderwalze gemäß der Erfindung mit einer peripheren Bohrung für eine Innenbeheizung,
6 zeigt schematisch einen Querschnitt der beheizten Kalanderwalze gemäß 5.
1 zeigt einen Kalander 1 für die Behandlung einer Warenbahn, insbesondere einer Papier- oder Kartonbahn. Der Kalander 1 umfaßt dazu mindestens einen Walzenstapel 2, der hier zwei Walzen 3, 4 umfaßt, die in bekannter Weise an einem Kalanderständer 5 angeordnet sind. Die Walzen 3, 4 begrenzen einen Walzenspalt 6, den Nip, den eine Warenbahn W durchläuft und in dem die Warenbahn mit Druck und Temperatur beaufschlagt wird. Die Behandlungsdauer der Warenbahn W im Nip hängt ab von der Länge des Nips und der Durchlaufzeit, die beim Online-Betrieb von der Produktionsgeschwindigkeit abhängt. Die Länge des Nips ist wählbar und liegt üblicherweise zwischen 3 und 300 mm. Dazu ist eine Walze, hier die Walze 3, als harte Walze, weiche Walze oder Schuhwalze, ausbildbar. Die Walze 3 kann ferner als Biegeausgleichswalze ausgebildet sein.
Die andere Walze 4 ist eine beheizbare Kalanderwalze gemäß der Erfindung, deren Ausbildung nachfolgend im einzelnen beschrieben wird.
Der Walzenstapel kann von einem oder beiden Enden her belastbar sein, um wählbare Streckenlasten im Nip 6 einzustellen. Ist die Walze 3 als Schuhwalze ausgebildet, können über einen Hub des Schuhs die Streckenlasten eingestellt werden. Zur Führung der Warenbahn W zwischen Nips oder nach dem Nip 6 sind in bekannter Weise Leitrollen 7 vorgesehen.
Dieser 1-Nip-Kalander ist im Online- als auch Offline-Betrieb einsetzbar.
2 zeigt einen Multi-Nip-Kalander für das Glätten einer Papier- oder Kartonbahn mit mindestens einem Walzenstapel 2 mit einer Mehrzahl Walzen 3, 4, 8, 9, 10, die Nips 6, 11, 12, 13 begrenzen. Die Walzenzahl liegt vorzugsweise zwischen drei und zwölf Walzen. Die Endwalzen 3, 10 des Walzenstapels 2 sind vorzugsweise als Biegeausgleichswalzen ausgebildet. Jeder Nip 6, 11, 12, 13 wird vorzugsweise durch eine beheizte Kalanderwalze gemäß der Erfindung begrenzt. Dies sind hier die Walzen 4, 9, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind, wie nachfolgend beschrieben ist. Alle Walzen können als harte Walzen ausgebildet sein. Vorzugsweise werden die Nips 6, 11, 12, 13 als Soft-Nips ausgebildet, d. h. sie werden von einer harten und einer weichen Walze begrenzt.
Die beheizbaren Kalanderwalzen 4, 9 gemäß der Erfindung sind grundsätzlich harte Walzen mit einer verschleißfesten Oberfläche, so daß jeweils die andere Walze, die einen Nip mit der beheizbaren Kalanderwalze 4, 9 gemäß der Erfindung begrenzen, weiche Walzen sein können. Gemäß 2 sind dies die Walzen 3, 8, 10. Die beheizbare Kalanderwalze gemäß der Erfindung ist vorzugsweise eine Mittelwalze, die im Betrieb doppelt überrollt wird, d.h. zwei Nips 8, 11 bzw. 12, 13 begrenzt. Der Walzenstapel 2 ist von einem Ende her über einen Druckzylinder 14 belastbar. Zwischen den Nips wird die Warenbahn W über Leitrollen 7 geführt.
Für eine zweiseitige Behandlung der Warenbahn W kann ein zweiter, nicht dargestellter Walzenstapel vorgesehen sein, der dem Walzenstapel 2 vor- oder nachgeordnet sein kann. Alternativ kann der Walzenstapel 2 einen Wechselnip aufweisen. Der Kalander 1 gemäß 2 kann offline als auch online betrieben werden.
Die beiden Kalanderausführungen der 1 und 2 können bei Produktionsgeschwindigkeiten über 1500 m/min online betrieben werden, wobei die beheizbaren Kalanderwalzen 4, 8 gemäß der Erfindung mit Walzenoberflächentemperaturen von bis zu 350°C gefahren werden können und dabei Heizleistungen von bis zu 200 kW/m besitzen.
Die Ausbildung der beheizbaren Kalanderwalzen 4, 9 gemäß der Erfindung wird anhand der 3 bis 6 nachfolgend erläutert. Beispielhaft wird die beheizbare Kalanderwalze 4 beschrieben. Die Ausführungen gelten entsprechend für die Kalanderwalze 9. Die Ausführungen gelten in gleicher Weise für die beheizbare Kalanderwalze 4 als Endwalze (1) und die beheizbare Kalanderwalze 4, 9 als Mittelwalze (2).
Die beheizbare Kalanderwalze 4 umfaßt einen hohlen, eine Walzenschale aufweisenden Walzenkörper 15, der für das Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediums ausgebildet ist. Der Walzenkörper 15 trägt eine verschleißfeste Umfangsoberfläche, die gebildet ist von mindestens einer durch Schmelzschweißen aufgetragenen Funktionsschicht 16, die eine solche schweißzusatzwerkstoffabhängige Zugfestigkeit besitzt, daß eine im Betrieb resultierende Zugspannung kleiner gleich dem halben Wert der Bruchspannung des Schweißzusatzwerkstoffes ist.
Die beheizbare Kalanderwalze 4 besitzt im aufgeheizten, betriebswarmen Zustand eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung. Wird der von der beheizbaren Kalanderwalze 4 begrenzte Nip 6 geschlossen, führt die Wärmeabgabe an die Warenbahn W zu einer niedrigeren Temperatur der Funktionsschicht 16 als im aufgeheizten Zustand vor der Betriebsaufnahme. Dies führt in dem Betriebszustand zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Walzenkörper 15. Die Wärmeleistung kann an der Walzenoberfläche der beheizten Kalanderwalze 4 durch ein inneres Heizsystem der Walze nur dadurch zur Verfügung gestellt werden, daß diese Wärme über einen Temperaturgradienten vom Heizsystem an die Walzenoberfläche transportiert wird. Konkret bedeutet dies, daß die Temperatur des Heizmediums höher ist als die Walzenoberflächentemperatur. Insbesondere bei Walzen mit großen Heizleistungen kann dieser Temperaturunterschied im Bereich zwischen 50 und 100°C liegen. Dieser Temperaturunterschied spreizt den Walzenkörper 15 von innen her auf und erzeugt in der Funktionsschicht Zugspannungen. Eine Rißbildung in der Funktionsschicht wird erfindungsgemäß vermieden durch Einbau einer Sicherheitsreserve. Um eine solche Sicherheitsreserve zu gewährleisten sind die resultierende Zugspannung der Funktionsschicht 16 im Betriebszustand und die Bruchspannung des Materials aufeinander abgestimmt. Eine Mindestsicherheitsreserve, insbesondere gegenüber unvorhergesehenen Störungen, z.B. naß einlaufendes Papier wegen Ausfall einer Trockengruppe, wird dadurch festgelegt, daß die resultierende Zugspannung im Betriebszustand höchstens halb so groß ist wie die Bruchspannung des Schweißzusatzwerkstoffes. Die Bruchspannungen liegen üblicherweise im Bereich von 500-800 N/mm² Hierzu kann die Funktionsschicht 16 eine kleinere Wärmeausdehnung besitzen als der Walzenkörper 15, wobei diese durch spannungsarmes Glühen nachbehandelt sein kann.
Alternativ kann die Funktionsschicht 16 eine größere Wärmeausdehnung besitzen als der Walzenkörper 15.
Die Funktionsschicht 16 kann aus mindestens zwei übereinander angeordneten Lagen bestehen, die durch Auftragsschweißen aufgebracht sind. Eine Außenschicht und eine Trennschicht sind auf diese Weise ausbildbar, um eine Außenschicht auszubilden, die keine Materialbestandteile des Walzenkörpers 15 aufweist. Diese übereinander angeordneten Schweißlagen sind deshalb vorzugsweise diskrete Lagen.
Als Beheizung für die beheizbare Kalanderwalze ist eine Innenbeheizung vorgesehen. Die beheizbare Kalanderwalze 4 gemäß 3 und 4 ist eine zentral beheizbare Walze mit einem Verdrängerkörper 20, der einen Ringspalt 21 für den Durchfluß eines Wärmemediums aufweist. Die Anschlüsse für den Ein- und Austritt des Wärmeübertragungsmediums, insbesondere Öl, ist durch Pfeile angedeutet.
Das Ausführungsbeispiel der 5 und 6 unterscheidet sich von dem der 3 und 4 lediglich dadurch, daß zur Innenbeheizung kein Verdrängerkörper, sondern periphere Bohrungen 22 für einen Durchfluß des Wärmeübertragungsmediums vorgesehen sind. Im übrigen gelten die vorstehenden Ausführungen entsprechend.
Bei beiden Ausführungsformen der Innenbeheizung kann eine Außenheizung beliebiger Art zusätzlich vorgesehen sein.
Als Material für den Walzenkörper ist vorzugsweise ein solches mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 30 W/m°K vorgesehen.
Als Material für die Funktionsschicht ist ferner vorzugsweise ein solches mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/m°K und einer spezifischen Wärmekapazität von ≥ 400 J/kg°K vorgesehen.
Der Schweißzusatzwerkstoff, aus dem die Funktionsschicht 16 durch Schmelzschweißen auf den Walzenkörper 15 aufgetragen ist, besitzt vorzugsweise eine Härte zwischen 450 HV und 650 HV. Ferner beträgt der reversible Härteabfall des Schweißzusatzwerkstoffes von Raumtemperatur bis Betriebstemperatur vorzugsweise weniger als 5 %. Das Auftragsschweißen erfolgt vorzugsweise durch das sogenannte Bandschweißverfahren mit Schweißbändern einer Breite von beispielsweise 15 bis 60 mm, um eine porenfreie Oberfläche und homogene Auftragsschicht hinsichtlich E-Modul und Verschleißfestigkeit zu erzielen. Verwendbar sind insbesondere das RES-Bandschweißen, d.h. Widerstandselektroschlackeschweißen, und das UP-Bandschweißen, d.h. Unterpulverlichtbogenschweißen.
Die Schichtdicke der Funktionsschicht 16 beträgt mindestens 3 mm und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 10 mm.
Der Walzenkörper 15 ist in bekannter Weise als Tragkörper über Walzenzapfen 23, 24 in dem Kalanderständer angeordnet.
Die Ausführungen gelten für jede Art von Innenbeheizung.

Claims

Beheizbare Kalanderwalze mit einem hohlen, eine Walzenschale aufweisenden Walzenkörper (15), der für das Durchleiten eines Wärmeübertragungsmediums ausgebildet ist, und der Walzenkörper (15) eine verschleißfeste Umfangsoberfläche trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Umfangsoberfläche gebildet wird von mindestens einer durch Schmelzschweißen aufgetragenen Funktionsschicht (16), die eine solche schweißzusatzwerkstoffabhängige Zugfestigkeit besitzt, daß eine im Betrieb resultierende Zugspannung kleiner gleich dem halben Wert der Bruchspannung des Schweißzusatzwerkstoffes ist.
Beheizbare Kalanderwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (16) eine kleinere Wärmeausdehnung besitzt als der Walzenkörper (15).
Beheizbare Kalanderwalze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Funktionsschicht (16) durch spannungsarmes Glühen nachbehandelt ist.
Beheizbare Kalanderwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (16) eine größere Wärmeausdehnung besitzt als der Walzenkörper (15).
Beheizbare Kalanderwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (16) aus mindestens zwei übereinander angeordneten Lagen besteht.
Beheizbare Kalanderwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung als eine Innenbeheizung ausgebildet ist.
Beheizbare Kalanderwalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenkörper (15) periphere Bohrungen (22) für einen Durchfluß des Wärmeübertragungsmediums aufweist.
Beheizbare Kalanderwalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenbeheizung (20, 21) zentral erfolgt.
Beheizbare Kalanderwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzenkörper (15) eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 30 W/m°K besitzt.
Beheizbare Kalanderwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (16) eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/m°K und eine spezifische Wärmekapazität von ≥ 400 J/kg°K besitzt.
Beheizbare Kalanderwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (16) in Form von Bändern nach dem RES-Bandschweißen aufgetragen ist.
Beheizbare Kalanderwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsschicht (16) in Form von Bändern nach dem UP-Bandschweißen aufgetragen ist.
Kalander zum Behandeln einer Warenbahn, insbesondere einer Papier- oder Kartonbahn, mit mindestens einem Walzenstapel (2) mit zwei oder mehreren Walzen (3, 4; 3, 4, 8, 9, 10) unter Ausbildung von einem oder mehreren Nips (6; 6, 11, 12, 13), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine beheizbare, harte Walze (4, 9) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
Kalander nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beheizbaren, harten Mittelwalzen (4, 9) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet sind.