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Die Erfindung betrifft einen Trockenzylinder für eine Tissue-Papiermaschine, insbesondere einen Yankee-Zylinder.
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Trockenzylinder für Tissue-Papiermaschinen, auch Yankee-Zylinder genannt, weisen üblicherweise einen hohlen Walzenkörper auf, welcher für gewöhnlich grau erstarrendem Gusseisen mit Lamellengraphit gegossen wird. Alternativ kann der Walzenkörper auch durch Schweißen von Stahlblech hergestellt werden. Im Betrieb des Trockenzylinders wird der hohle Walzenkörper aus Gusseisen üblicherweise mit einem Wasserdampfdruck von etwa 10 bar beaufschlagt.
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Derartige Trockenzylinder werden bei der Entwässerung von Faserstoffen (Tissue-Material) verwendet, aus denen beispielsweise Papier- bzw. Zellulosewaren wie etwa saugfähige und weiche Küchentücher, Toilettenpapier, Baby-Windeln, Krepppapier oder dergleichen hergestellt wird. Beim Herstellungsprozess liegt ein so genanntes Abstreifmesser an der äußeren Umfangsfläche des Walzenkörpers an, wobei das Papier von der Umfangsfläche des Zylinders abgestreift und gefaltet bzw. gekräuselt wird.
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Bei diesem Prozess trägt das Abstreifmesser Material von der Umfangsfläche, insbesondere von den Kanten des Walzenkörpers, ab. Aus diesem Grund müssen Trockenzylinder gelegentlich abgeschliffen werden. Durch häufiges Abschleifen kann die Manteldicke des Trockenzylinders eine Grenze erreichen, die behördlicherweise für Druckbehälter festgelegt ist. In diesem Zustand muss der Trockenzylinder üblicherweise ausgetauscht werden. Um die Lebensdauer des Trockenzylinders zu erhöhen kann auf der äußeren Umfangsfläche des Walzenkörpers eine Hartstoffschicht vorgesehen sein. Als Hartstoffschicht wird eine Schicht aus einem Hartstoffmaterial verstanden, welches eine größere Härte als das Material des Walzenkörpers aufweist.
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In der
DE 690 07 828 T2 sind ein Yankee-Zylinder und ein Verfahren zum Beschichten eines Yankee-Zylinders beschrieben. Die Mantelbeschichtung wird direkt auf der Oberfläche des Mantels aufgebracht, welcher aus Gusseisen oder Stahl besteht. Alternativ wird zunächst eine Zwischenschicht aus einem martensitischen rostfreien Stahl auf die Manteloberfläche des Yankee-Zylinders aufgebracht, welche anschließend wiederum erneut beschichtet wird.
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Aus der
DE 10 2004 057 480 A1 ist eine Walze für die Herstellung von Tissue-Material bekannt. Die Walze weist einen Metallkern oder Metallkörper auf, auf welchen eine relativ weiche innere Schicht und eine relativ harte äußere Schicht aufgebracht sind. Sowohl die innere als auch die äußere Schicht bestehen aus Vollgummi.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen beschichteten Trockenzylinder mit verbesserten Trockeneigenschaften für eine Tissue-Papiermaschine bereitzustellen, welcher kostengünstig und verfahrenstechnisch einfach hergestellt werden kann.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Trockenzylinder für eine Tissue-Papiermaschine, insbesondere ein Yankee-Zylinder, einen hohlen Walzenkörper aus grau erstarrtem Gusseisen (GJS) mit frei eingelagertem Graphit, welcher zumindest im Wesentlichen als Kugelgraphit vorliegt, wobei auf einer äußeren Umfangsfläche des Walzenkörpers eine Hartstoffschicht aufgebracht ist. Das Gussgefüge des Walzenkörpers ist vorteilhafterweise auch in seinem radial äußeren Bereich überwiegend, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen grau, also stabil erstarrt. Grau erstarrtes Gusseisen mit frei eingelagertem Graphit weist vorteilhaft eine höhere Wärmeleitfähigkeit als weiß erstarrtes Gusseisen auf, wodurch die Trockeneigenschaften des Trockenzylinders verbessert werden. Der Trockenprozess kann somit energieeffizienter, also kostengünstiger und umweltfreundlicher, gestaltet werden. Graues Gusseisen kann auch besser bearbeitet werden als weißes, insbesondere spanend einschließlich Bohren.
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Insbesondere kann der Walzenkörper einen Durchmesser von mindestens 1,5 m und vorzugsweise höchstens 7 m, bevorzugt von mindestens 4 m und vorzugsweise höchstens 6 m, aufweisen. Der Walzenkörper kann eine Länge von mindestens 2 m und bevorzugt höchstens 9 m, bevorzugt von mindestens 4 m und vorteilhafterweise höchstens 7 m, aufweisen. Des Weiteren kann der Walzenkörper eine Manteldicke von mindestens 20 mm und bevorzugt höchstens 150 mm, bevorzugt von mindestens 40 mm und insbesondere höchstens 100 mm, aufweisen. Der Walzenkörper kann einen Druckbehälter bilden, der mit einem Druck, insbesondere einem Wasserdampfdruck, von bevorzugt bis zu 15 bar beaufschlagbar sein kann. Die Manteldicke des Walzenkörpers kann dem zu widerstehenden Wasserdampfdruck entsprechend angepasst sein, um gesetzlichen Vorschriften für Druckbehälter zu genügen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann an einer Innenfläche des Walzenkörpers wenigstens eine Rippe, insbesondere eine umlaufende Rippe angeordnet sein. Derartige Rippen sorgen für eine größere Wärmeübertragung und zugleich für eine Versteifung des Walzenkörpers. Bevorzugt sind an der Innenfläche des Walzenkörpers eine Vielzahl von Rippen, insbesondere mit gleichem Abstand zueinander, angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform kann innerhalb des Walzenkörpers ein Innenzylinder, bevorzugt koaxial, als so genannter Verdränger angeordnet sein. Durch die Anordnung eines Innenzylinders wird das mit Wasserdampfdruck zu beaufschlagende Volumen des Walzenkörpers vorteilhaft reduziert.
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Bevorzugt kann zwischen einer Innenfläche des Walzenkörpers und einer Außenfläche des Innenzylinders wenigstens ein Distanzelement vorgesehen sein. Vorteilhafterweise sind eine Vielzahl von Abstandshaltern als axiale Rippen zwischen der Innenfläche des Walzenkörpers und der Außenfläche des Innenzylinders vorgesehen, wodurch sowohl die Wärmeübertragung als auch die Steifigkeit des Walzenkörpers verbessert werden kann.
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Vorteilhaft wird der Walzenkörper durch Gießen gegen Siliziumcarbid-Steine, bevorzugt in einer Gussform aus Siliziumcarbid-Steinen hergestellt. Beim Gießprozess kann die Abkühlgeschwindigkeit des Gusskörpers so eingestellt werden, dass die Schmelze auch in der Umfangsrandzone des Walzenkörpers grau erstarrt. Insbesondere kann das grau erstarrte Gusseisen des Walzenkörpers einen Sättigungsgrad Sc von mindestens 0,8 und höchstens 1,1, bevorzugt von mindestens 0,96 und höchstens 1,003, aufweisen. Der Sättigungsgrad kann mit Sc = %C/(4,26 – 1/3·(%Si + %P)) bestimmt werden, wobei die Prozentangaben Gewichtsprozent sind.
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In bevorzugten Ausführungen weisen die Graphitkugeln des Kugelgraphits einen mittleren Durchmesser von mindestens 0,01 mm und höchstens 0,1 mm, bevorzugt von mindestens 0,02 und höchstens 0,04 mm, auf. Die Ausscheidung des Graphits in Form nur solch kleiner Graphitkugeln ist vorteilhaft für die mechanische Festigkeit und kann im Gießprozess durch Zugabe von Impfelementen erzielt werden. Durch eine gezielte Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit kann die Größe der Graphitkugeln gesteuert werden.
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Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) hat gegenüber Gusseisen mit lamellarem Graphit (GJL) eine höhere Festigkeit sowie eine höhere Dehnung. Aus diesem Grund ist der Sicherheitsbeiwert für Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) geringer, wodurch geringere Manteldicken des Walzenkörpers umgesetzt werden können. Geringere Manteldicken führen wiederum zu einem geringeren Massenträgheitsmoment des Trockenzylinders, was eine günstigere Energiebilanz zur Folge hat. Vorteilhaft kann der Anteil des Kugelgraphits am frei eingelagerten Graphit wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, betragen.
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Die Hartstoffschicht kann eine Dicke von mindestens 0,01 mm und bevorzugt höchstens 1 mm, bevorzugt von mindestens 0,1 mm und insbesondere höchstens 0,5 mm aufweisen. Insbesondere kann die Hartstoffschicht ein Keramikmaterial, bevorzugt Wolframcarbid, oder Nickel oder Chrom umfassen. Das Wort ”oder” wird im üblichen logischen Sinne und somit als ein ”inklusive oder” verstanden, umfasst also sowohl die Bedeutung von ”entweder ... oder” als auch die Bedeutung von ”und”, soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang nicht ausschließlich nur eine eingeschränkte Bedeutung erschließt. Entsprechend kann die Hartstoffschicht ein Keramikmaterial, Nickel oder Chrom als Einzelverbindung oder mehrere dieser Materialien in Kombination umfassen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Hartstoffschicht mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen aufgebracht sein. Flamm- oder Plasmaspritzen sind verfahrenstechnisch geeignete Oberflächenbehandlungen, mit denen zu beschichtende Gegenstände unterschiedlicher Geometrie und Abmessung beschichtet werden können. Gerade für einen sehr groß dimensionierten Walzenkörper haben sich diese Beschichtungsverfahren als vorteilhaft herausgestellt. Alternativ oder zusätzlich kann zur Bildung der Hartstoffschicht Hartstoffmaterial auf der äußeren Umfangsfläche des Walzenkörpers galvanisch, elektrolytisch oder autokatalytisch abgeschieden werden.
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Der hohle Walzenkörper wird durch Gießen von Gusseisen hergestellt. Für die Gussform können Siliziumcarbid-Steine oder andere kühlenden Materialien verwendet werden. Die Gießparameter, wie z. B. Dicke der Gussform, Material der Gussform, Impfmittel, sowie die Kühlrate, werden so eingestellt, dass das Gusseisen als Grauguss mit sphärischem Kugelgraphit (GJS) erstarrt. Auf diese Weise werden die oben aufgeführten Vorteile bezüglich der verbesserten Trockeneigenschaften des Trockenzylinders erreicht. Die Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines Trockenzylinders, bei dem ein hohler Walzenkörper aus einem Gusseisen gegossen wird, wobei das Gusseisen als Grauguss mit Kugelgraphit (GJS) erstarrt, und an der äußeren Umfangsfläche des Walzenkörpers eine Hartstoffschicht aufgebracht wird.
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Vorteilhafte Merkmale werden ferner in den Unteransprüchen und deren Kombinationen offenbart.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
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1 einen Walzenkörper eines Trockenzylinders für eine Tissue-Papiermaschine in einem Querschnitt,
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2 den Querschnitt A-A der 1.
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In der 1 ist ein hohler Walzenkörper 1 eines Trockenzylinders für eine Tissue-Papiermaschine in einem Querschnitt dargestellt. Der Walzenkörper 1 hat einen Durchmesser von bevorzugt wenigstens 4 m und höchstens 6 m und eine Länge von bevorzugt wenigstens 4 m und höchstens 7 m. Die Manteldicke des Walzenkörpers beträgt bevorzugt wenigstens 40 mm und höchstens 100 mm.
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Der Walzenkörper 1 ist ein Gusskörper aus grau erstarrtem Gusseisen (GJS) mit frei eingelagertem Graphit, welcher zumindest im Wesentlichen als Kugelgraphit vorliegt. Die neben dem Querschnitt des Walzenkörpers 1 dargestellte schematische Detailansicht verdeutlicht, dass der hohle Walzenkörper aus grau erstarrtem Gusseisen mit fein verteilten Graphitkugeln 6 besteht.
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An der äußeren Umfangsfläche 3 des Walzenkörpers 1 ist eine Hartstoffschicht 4 aufgebracht, welche eine Dicke von bevorzugt wenigstens 0,1 mm und bevorzugt höchstens 0,5 mm aufweist. Die Hartstoffschicht 4 wird vorteilhaft mittels Flammenspritzen oder Plasmaspritzen von Keramikmaterial aufgetragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Hartstoffschicht 4 galvanisch, elektrolytisch oder autokatalytisch abgeschiedenes Nickel oder Chrom oder deren Verbindungen umfassen.
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Der Hohlraum des Walzenkörpers 1 kann mit einem Wasserdampfdruck von mindestens 2 bar, bevorzugt wenigstens 10 bar, beaufschlagt werden. Der hohle Walzenkörper 1 bildet somit einen Druckbehälter.
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Wie aus der 2 hervorgeht, sind an einer Innenfläche 5 des Walzenkörpers 1 umlaufende Rippen 7 zur Verbesserung der Wärmeübertragung und Steifigkeit des Walzenkörpers 1 angeordnet. Die umlaufenden Rippen 7 sind bevorzugt einstückig aus dem Material des Walzenkörpers 1 herausgearbeitet. Bevorzugt sind die umlaufenden Rippen 7 mit gleichem Abstand zueinander angeordnet.
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In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann innerhalb des Walzenkörpers 1 ein Innenzylinder als Verdränger koaxial angeordnet sein. Mittels des Innenzylinders kann das mit Wasserdampfdruck zu beaufschlagende Volumen des Walzenkörpers 1 reduziert werden. Zwischen der Innenfläche 5 des Walzenkörpers 1 und der Außenfläche des Innenzylinders können eine Vielzahl von axial angeordneten Distanzelementen vorgesehen sein. Die Distanzelemente können vorteilhaft sowohl die Wärmeübertragung als auch die Steifigkeit des Walzenkörpers 1 verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69007828 T2 [0005]
- DE 102004057480 A1 [0006]
