DE3600033A1

DE3600033A1 - Verfahren zum kalandrieren einer papierbahn

Info

Publication number: DE3600033A1
Application number: DE19863600033
Authority: DE
Inventors: Ronald D. Appleton Wis. Agronin; Paul J. Appleton Wis. Klemmer
Original assignee: Wartsila Oy AB
Current assignee: Wartsila Oy AB
Priority date: 1985-01-04
Filing date: 1986-01-03
Publication date: 1986-07-10
Also published as: CA1264588A; SE8600005L; FI74066B; SE466757B; AT390287B; FI860051A0; FI860051A; ATA376185A; US4606264A; SE8600005D0

Description

Verfahren zum Kalandrieren einer Papierbahn

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalandrieren einer Papierbahn zur Erzielung einer hochglänzenden glatten Bahn mit im wesentlichen gleichmäßiger Dichte und zur Minimierung von Oberflächendefekten (Verfleckung, Mellierung .oder dgl.).

Die Erfindung betrifft das Kalandrieren von Bahnen aus Papier oder ähnlichem Material. Papierbahnen, die z. B. zur Herstellung von Zeitschriften, Zeitungen oder dgl. verwendet werden, müssen zum Glätten der Oberfläche kalandriert werden, so daß diese die Druckfarbe richtig annimmt und der Druck leicht lesbar ist. Kalandrieren ist ein Vorgang, bei dem die Bahn dadurch geglättet wird, daß sie durch ein oder mehr Walzenspalte einer Kalandermaschine (Satinierpresse) hindurchgeführt wird.Die Walzenspalte werden von zwei gegenüberliegenden Walzen gebildet.

Es sind verschiedene Arten von Kalandrierverfahren bekannt. Ein Verfahren, das als Superkalander bekannt ist, besteht darin, daß die Bahn nacheinander eine Folge von Walzenspalten, gebildet von Stahl- und Elastikwalzenpaaren, durchläuft. Der Begriff Superkalander wird deshalb benutzt, da das Band acht oder mehr solcher Walzenspalte durchläuft.

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Das Superkalandrieren kann der Bahn zweckdienliche Eigenschaften, wie Verbesserungen im Glanz, in der Dichte, der Weichheit und dgl., verleihen.

Eine andere Art des Kalandrierens ist der Einfach- oder Doppeldurchlauf-Maschinenkalander, bei der eine geringe Anzahl Walzenspalte, z. B. ein oder zwei, verwendet werden, die von Stahlwalzenpaaren gebildet sind. Dieses Kalandrieren ist ausreichend für einige Papierqualitäten, eignet sich jedoch nicht zur Herstellung von Papier mit hohem Glanz und Glätte für den Qualitätsdruck.

Soweit möglich, wird natürlich angestrebt, die Bahn möglichst wenig Walzenspalte durchlaufen zu lassen, um die für den Qualitätsdruck gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Eine Bahn die mehrere Walzenspalte durchläuft, wird zunehmend weniger in der Lage sein, zusätzlichen Bearbeitungsvorgängen unterworfen zu werden, ohne zu brechen, zu reißen, aufzufasern oder dgl.. Es ist deswegen wünschenswert,Qualitätspapier ohne den notwendigen Superkalander herstellen zu können. Kurz gesagt, es wäre wünschenswert, hohe Papierqualität mit einem Kalandrierverfahren herstellen zu können, das nur eine geringe Anzahl von Walzenspalte, z. B. zwei oder weniger, umfaßt.

Im Stand der Technik ist das Kalandrieren mit einem Temperaturgradienten bekannt, womit eine Verbesserung des Glanzes, der Glätte, der Dichte und der Fähigkeit Druckfarben zu übertragen, erzielt wird. (R.H. Crotogino, in Tappi-Journal, Oktober 1982, S. 91 bis 101). Bei diesem Kalandrierverfahren wird die Bahn durch ein von beheizten Stahlwalzen gebildetes Paar von Walzenspal.ten hindurchgeführt. Die Walzen sind auf eine Temperatur von ca. 21O⁰C beheizt. Kalandrieren mit einem Temperaturgradient bedeutet, daß eine beträchtliche Temperaturdifferenz zwischen der Bahnoberfläche und dem Bahnkern besteht. Kommt die relativ kalte Bahn in Berührung mit sehr heißen Stahlwalzen, besteht ein beträchtliches

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Temperaturgefälle zwischen der Bahnoberfläche und dem inneren Bereich der Bahn. Beim Pressen der Bahn im Walzenspalt der beheizten Walzen wird die heiße äußere Bahnoberfläche mehr verformt als der innere Bereich, so daß eine glattere und glänzendere Bahn mit höherer Dichte und größerer Farbübertragungsfähigkeit als beim Satinieren bei mäßiger Temperatur entsteht. Crotogino weist darauf hin, daß durch Kalandrieren mit Temperaturgradient im Walzenspalt die Qualität des Superkalanders bezüglich der Glätte und Glanz erreichbar ist.

Mit der Crotogino-Vorrichtung wird eine Bahn von konstanter Dicke, jedoch nicht von konstanter Dichte erhalten. Dies ist primär auf die beiden starren Stahlwalzen zurückzuführen. Diese fehlende Dichtesteuerung führt zu Oberflächenfehlern (Flecken etc.) an der Bahn. Mit Oberflächenfehlern sind solche der Bahn inhärente Abweichungen (dicke und dünne Stellen) gemeint, die durch die Walzenspalte nicht gleichwertig bearbeitet werden. Die dickeren Stellen sind folglich glänzender und glatter als die dünneren Stellen, die nicht der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck ausgesetzt worden sind.

Es ist wünschenswert ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Vorteile des Temperaturgradient-Kalandrierens aufweisen - geringe Anzahl von Walzenspalte jedoch zu einer hochwertigen Bahn ohne Oberflächenfehler führen.

Bei normalen Kalandriervorgängen, ob beim Satinieren oder beim Superkalander, übersteigt die maximale Arbeitstemperatur gewöhnlich nicht 100⁰C. Diese Temperatur wird dadurch erreicht, daß die Stahlwalzen, die zumindest eine der beiden Walzen eines jeden Walzenspaltes darstellen, erwärmt werden. In einigen Fällen ist die Gegenwalze der Stahlwalze eine nachgiebige Walze, die beim lang anhaltenden Kalandrieren so heiß oder heißer als die Stahlwalzen selbst werden. Beim

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normalen Satinieren (geringe Anzahl von Walzenspalte) kann kein Hochglanzpapier mit konstanter Dichte hergestellt werden. Wird jedoch ein höherer Glanz erwünscht, so muß das Verfahren des Superkalanders mit einer Vielzahl von Walzenspaltendn der Größenordnung von 9 bis 11) verwendet werden. Dies hat jedoch einen nachteiligen Einfluß auf die Materialdicke und verlangt selbstverständlich eine kostspielige Betriebsanlage für einen nachfolgenden Bearbeitungsvorgang.

Im Gegensatz dazu benötigt das Temperaturgradient-Kalandrieren lediglich ein oder zwei Walzenspalte, wodurch man ohne wesentlichen Verlust an Materialdicke einen hohen Glanz erhält. Falls erforderlich, kann dieses Verfahren auch in den Papierherstellungsablauf integriert werden, d. h. direkt an die Papiermaschine anschließen, anstatt einer nachfolgenden zweiten Bearbeitung einer vorhandenen Bahn wie im Falle des Superkalanders. Beim Temperaturgradient-Kalandrieren ist eine oder sind beide Walzen, die den Walzenspalt bilden, auf eine Temperatur von mindestens 175OC erhitzt. Diese Temperatur ist zwar kritisch aber hängt vom Temperaturfluß in den einzelnen Fasern der Bahn ab. Um eine wirkungsvolle Temperaturgradient-Kalandrierung zu erreichen, muß die Temperatur des Walzenspaltes ausreichend hoch sein, um die Fasern an der Oberfläche der Bahn verformbar zu machen.

/j Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Temperaturgradient-Kalandrieren bereitzustellen, die die Vorteile des Kalandrierens mit Temperaturgradient aufweisen, nämlich eine geringe Anzahl von Walzenspalte, und zudem eine Bahn hoher Qualität mit gleichmäßiger Dichte und geringen oder keinen Oberflächenfehlern herzustellen gestatten.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperaturgradient-Kalandrieren mit zwei Walzenspalte bereitzustellen, die eine beheizte Stahlwalze in Verbindung mit einer unbeheizten nachgiebigen Walze verwenden, wodurch beide Seiten der Bahn behandelt werden können.

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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperaturgradient-Kalandrieren bereitzustellen, die eine nachgiebige Walze mit regelbarer Balligkeit zur Qualitätsoptimierung des Glättvorganges verwenden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für jede zu kalandrierende Oberfläche der Bahn wenigstens ein Walzenspalt vorgesehen wird und dieser Walzenspalt von einer Stahlwalze und einer nachgiebigen Walze gebildet ist; die Stahlwalze zumindest auf die Minimaltemperatur für das Verformen der Oberflächenfasern der Papierbahn beheizt wird, und daß die Bahn durch jeden Walzenspalt hindurchgeführt wird.

Die Erfindung verbindet die Vorteile des Superkalanders mit den Vorteilen des Temperaturgradient-Kalandrierens, wobei eine relativ geringe Anzahl von Walzenspalten notwendig ist, um eine Bahn mit verbessertem Glanz, Glätte und Farbübertragungseigenschaften herzustellen, während sie zugleich die Vorzüge besitzt, die nur beim Superkalander erreichbar" sind. Dies wird durch die Verwendung von zwei Walzenpaaren, die zwei Walzenspalte bilden, erreicht (vorausgesetzt, beide Seiten der Bahn sollen bearbeitet werden). Der erste Walzenspalt wird von einer beheizten Stahlwalze und einer unbeheizten nachgiebigen Walze gebildet. Der zweite Walzenspalt weist ein gleiches, jedoch umgekehrt angeordnetes Walzenpaar zur Bearbeitung der anderen Bahnseite auf. Die Stahlwalzen sind auf eine Temperatur von mindestens 175 C erwärmt, bei der die Zellulosefasern zu erweichen und sich innerhalb der Bahn zu verformen beginnen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß in der nachgiebigen Walze, die aus "Nomex" (Aramid) oder anderem nachgiebigen Material gebildet ist, ein Zonen-Steuerungssystem angeordnet ist. Mit Zonensteuerung ist eine Veränderung der Geometrie der Balligkeit gemeint, durch die überhitzte Stellen vermieden werden, die durch Veränderungen im Bahnprofil oder an den Walzen durch Abnutzung oder Beschädigung hervorgerufen werden.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfoglenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert sind.
β In der Zeichnung zeigen:

Figur 1A und B) eine Wiedergabe von Darstellungen aus

der eingangs genannten Literaturstelle;

Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines

Ausführungsbeispiels;

Figur 3 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform;

Figur 4 einen Schnitt durch eine Ausführungsform

der nachgiebigen Walze.

Das Temperaturgradient-Kalandrieren mit zwei beheizten Stahlwalzen ist in der eingangs erwähnten Literaturstelle beschrieben, aus der Figur 1 entnommen ist. Wie aus Figur IA zu ersehen ist, ist beim normalen Kalandrieren der Unterschied der Temperatur zwischen den Kalanderwalzen und dem Papier sowie die Temperaturänderung über den Querschnitt des Papiers klein. Die ganze Bahn wird gleichmäßig über den Querschnitt vom Druck im Walzenspalt umgeformt. Für einen hohen Glanz sind somit eine große Anzahl von Walzenspalte erforderlich, woraus sich ein Verlust an Materialdicke ergibt.

Beim Temperaturgradient-Kalandrieren kommt die Bahn mit sehr heißen Kalandern in Kontakt, die den erforderlichen hohen Temperaturgradienten zwischen der Oberfläche und dem Inneren der Bahn erzeugen. Die heiße Bahnoberfläche wird durch den Druck des Walzenspalts mehr umgeformt als der innere Bereich der Bahn, woraus ein verbesserter Glanz mit weniger Verlust an Materialdicke resultiert. Die Crotogino-Methode sieht zwei beheizte Stahlwalzen vor, die zwar eine Bahn mit konstanter

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Dicke, nicht jedoch mit konstanter Dichte erzeugen, was auf die unvermeidlichen in der Bahn auftretenden Unebenheiten (dicke und dünne Stellen) zurückzuführen ist. Folglich wird mit der Crotogino-Methode zwar eine Bahn mit durchschnittlich hohem Glanz erzeugt, jedoch weist die Bahn Oberflächenfehler auf, indem einige Bereiche der Bahn mehr glänzen als andere. Dieser Effekt kann den Druckvorgang beeinflussen, indem Unterschiede beim Farbübergang auftreten, und kann schließlich die Lesbarkeit des Drucks beeinträchtigen.

Die vorliegende Erfindung verwendet mindestens einen von einer beheizten Stahlwalze und einer nachgiebigen oder federnden Walze gebildeten Walzenspalt. Falls nur eine Seite der Bahn satiniert werden soll, reicht ein einziger Walzenspalt aus. Zum Kalandrieren beider Bahnseiten sind zwei Walzenspalte erforderlich. Falls eine weitere Veredelung der Bahn erreicht werden soll, sind drei oder mehr Walzenspalte zum Kalandrieren des Papiers erforderlich.

Figur 2 zeigt eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Doppel-Walzenspalt-Anordnung mit einem Walzengerüst 10 mit zwei Walzenpaaren, die einen ersten Walzenspalt 12 und einen zweiten Walzenspalt 14, duch die die Bahn 16 hindurchläuft, bilden. Der Walzenspalt 12 wird von einer beheizten Stahlwalze 18 und einer unbeheizten nachgiebigen Walze. 20 gebildet. Der Walzenspalt 14 wird entsprechend von einer Stahlwalze 22 und einer nachgiebigen Walze 24 gebildet. Zu beachten ist, daß die Relativlagen der Stahlwalzen und der nachgiebigen Walzen umgekehrt sind, so daß beide Oberflächen der Bahn 16 behandelt werden. Die Walzen 18 und 22 sind auf die erforderliche Temperatur beheizt, bei der die Fasern der Bahnoberfläche sich umzuformen beginnen. Dies ist ungefähr im Bereich von 175⁰C bis 21O⁰C der Fall. Die nachgiebigen Walzen können aus einer Vielzahl von elastischen Materialien, wie "Nomex" (Aramid), papiergefütterte Walzen oder dgl. hergestellt sein. Sie sind nicht beheizt, wenngleich sie durch die Wärmeübertragung von der Stahlwalze gleichfalls erwärmt werden.

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Da sich die nachgiebige Walze den Unebenheiten der Bahn anpaßt, treten die Oberflächenfehler, die beim Crotogino-Verfahren zu beobachten sind, nicht auf. Dadurch ist es
möglich, einen hohen Glanz bei einer vorgegebenen konstanten Dichte zu erreichen. Der Glanz der Bahn ist gleichmäßig und die Dichte der Bahn ist im wesentlichen konstant. Die nachfolgende Tabelle gibt Vergleichswerte für den herkömmlichen Superkalander, das Kalandern nach der Crotogino-Methode und für das erfindungsgemäße Verfahren wieder.

Tabelle 1: Gestrichenes Papier

	"Gardner" Filz (Feit)	Glanz Sieb (Wire)	"Print S Filz (Felt)	urf" (Rauhigkeit) Sieb (Wire)
a)	87	82	1,21	1,59
b)	72	70	1,90	2,20
c)	82	81	1,47	1,69

Tabelle 2: Zeitungspapier

	"Gardner" Filz (Feit)	Glanz Sieb (Wire)	"Print Sl Filz (Felt)	jrf" (Rauhigkeit Sieb (Wire)
a)	27	35	2,13	2,06
b)	26	24	3,47	3,51
c)	33	35	2,41	2,40

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In Tabelle 1 und 2 bedeuten:

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a) Superkalander (9 Walzenspalte)

b) Crotogino-Methode mit zwei beheizten Stahlwalzen (1 Durchlauf)

c) Erfindungsgemäßer Kalander mit einer beheizten Stahlwalze und einer nachgiebigen Walze (2 Durchläufe).

Wie aus den Tabellen zu erkennen ist, können mit der vorliegen den Erfindung Qualitäten mit ausgezeichnetem Glanz und "Parker Print Surf" (Maß für die Rauhigkeit) erhalten werden. Beim Überprüfen der Werte muß berücksichtigt werden, daß ein exakter Vergleich wegen der Probenvariation der Papierbahnen, der leichten Unterschiede bei den Prüfverfahren und den Fehlergrenzen der Meßverfahren schwierig ist. Aus den vorliegenden Werten kann man dennoch auf eine im Vergleich zum Superkalander ausgezeichnete Bahnqualität und im Vergleich zum Temperaturgradient-Verfahren nach Crotogino im großen und ganzen bessere Bahnqualität schließen, wobei das Problem der Oberflächenfehler beseitigt wurde.

In Figur 3, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, sind die Bauteile, die gleich denen der Figur 2 sind, entsprechend numeriert. Diese Ausführungsform der Erfindung weist nachgiebige Walzen 30 und 32 mit einer Balligkeitssteuerung auf. Das Profil von Walzen mit variabler Balligkeit kann in Bahnquerrichtung eingeregelt werden, um überhitzte Bereiche, die durch ungleichmäßige Abnutzung der Walzen, ungleichmäßige Last (Druck im Walzenspalt) oder andere beim Kalandrieren auftretende Faktoren entstehen, zu eliminieren.

Beim Stand der Technik sind die Walzen mit variabler Balligkeit gewöhnlich Stahlwalzen. Im Rahmen der Erfindung weist die nachgiebige Walze die Möglichkeit der Variation der Balligkeit auf. Stahlwalzen mit variabler Balligkeit lassen

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sich nicht auf die hohen Temperaturen von 175° bis 200⁰C erhitzen, die für das erfindungsgemäße Kalandrieren erforderlich sind.

Wie Figur 4 zeigt, ist die nachgiebige Walze eine Walze mit variabler Balligkeit. Deren Profil wird durch eine Kalandriersteuerung eingeregelt, in Abhängigkeit von einer Variablen bezüglich der Bahnqualität, wie z. B. das Temperaturprofil über dem Walzenspalt, der Dicke der Bahn nach dem Kalandrieren usw.. Die Mechanik für das Einstellen der Balligkeit und die Steuerungstechnik sind bekannt (US-PS 4 327 468 und US-PS 4 480 537). Die Mechanik enthält ein hydraulisches Servosystem mit einer Pumpe zum Zuführen von Öl zu ausgewählten Elementen 40, um das Profil der Kalanderoberfläche 42 der nachgiebigen Walze zu verändern.

Im Betrieb sind die Stahlwalzen 18 und 22 auf die erforderliche Temperatur von ca. 175° bis 210⁰C vorgeheizt. Die Bahn wird sodann durch die Walzenspalte zwischen der Stahlwalze und der nachgiebigen Walze hindurchgeführt, um den Glanz und die Glätte der Bahnoberfläche ohne wesentlichen Verlust an Materialdicke zu verbessern. Die Dichte wird aufgrund der Fähigkeit der nachgiebigen Walze, sich den Unebenheiten der Bahn anzupassen und die Unebenheiten auszugleichen, im wesentlichen konstant gehalten. Diese Ausgleichsmöglichkeit wird durch die Verwendung von nachgiebigen Walzen mit Einstellmöglichkeit der Balligkeit optimiert.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kalandrieren einer Papierbahn zur Erzielung einer hochglänzenden glatten Bahn mit im wesentlichen
gleichmäßiger Dichte und zur Minimierung von Oberflächendefekten (Verfleckung, Mellierung oder dgl.)
dadurch gekennzeichnet, daß

a) für jede zu kalandrierende Oberfläche der Bahn wenigstens ein Walzenspalt vorgesehen wird und dieser Walzenspalt von einer Stahlwalze und einer nachgiebigen Walze gebildet ist;

b) die Stahlwalze zumindest auf die Minimaltemperatur für das Verformen der Oberflächenfasern der Papierbahn beheizt wird, und daß

c) die Bahn durch jeden Walzenspalt hindurchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Balligkeit der nachgiebigen Walze veränderbar ist und daß das Profil der nachgiebigen Walzen während des Kalandrierens verändert wird, um Unebenheiten der Bahn, Walzenabnutzung, überhitzte Bereiche (hot spots) und dgl. auszugleichen und dabei eine im wesentlichen konstante Dichte der Bahn zu gewährleisten und Oberflächendefekte im wesentlichen auszuschließen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlwalze auf eine Temperatur im Bereich von 175⁰C

bis 210⁰C geheizt wird.

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4. Vorrichtung zum Kalandrieren einer Papierbahn zur Erzielung einer hochglänzenden glatten Bahn mit im wesentlichen gleichmäßiger Dichte und zur Minimierung von Oberflächendefekten (Verfleckung, Mellierung oder dgl.), dadurch gekennzeichnet, daß

a) zumindest ein Walzenspalt (12 oder 14) für jede zu kalandrierende Oberfläche der Bahn vorgesehen ist und dieser Walzenspalt (12 oder 14) von einer Stahlwalze (18 oder 22) und einer nachgiebigen Walze (20 oder 24) gebildet ist;

b) Mittel zum Beheizen der Stahlwalze (18, 22) auf wenigstens die Minimaltemperatur, die erforderlich ist, um die Fasern der Oberfläche der Papierbahn zu verformen, vorgesehen sind und

c) Mittel zum Hindurchführen der Bahn (16) durch jeden Walzenspalt (12, 14) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der nachgiebigen Walze (20, 24) aus "Nomex"-Material (Aramid) gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Walze (20, 24) Mittel zur Änderung des Balligkeitsprofils und auf diese wirkende Steuerungsmittel aufweist zum Ausgleich von Unebenheiten der Bahn, Walzenabnutzung, überhitzten Bereichen (hot spots) und zur Sicherstellung von im wesentlichen konstanter Dichte der Bahn (16) sowie zur Vermeidung von Oberflächendefekten (Flecken, Fasrigkeit etc.).

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Heizmittel die Stahlwalze (18,22) auf eine Temperatur im Bereich von 175° bis 210⁰C erhitzen.

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8. Verfahren zum Kalandrieren einer Papierbahn, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn durch zumindest einen von ersten und zweiten Walzen gebildeten Walzenspalt hindurchgeführt wird, wobei die erste Walze eine beheizte Stahlwalze mit einer Oberflächentemperatur von mindestens 175⁰C und die zweite Walze eine nachgiebige Walze ist, die Mittel aufweist, mit denen das Profil über den Walzenspalt geändert werden kann, um den Glanz zu optimieren, die Dichte aufrechtzuerhalten und Oberflächendefekte zu vermindern.