DE4200608A1 - Verfahren zur steuerung der temperierung einer temperierbaren walze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steu­ erung der Temperierung einer temperierbaren Walze, die in Gestalt einer Heizwalze, die also am Außenumfang Tempe­ raturen von etwa 250°C annehmen kann und zur Wärmebehand­ lung einer Materialbahn dient, für sich genommen aus der DE-OS 37 20 132 bekannt ist.

Eine temperierbare Walze der in Rede stehenden Art umfaßt im allgemeinen ein dickwandiges Walzenrohr, welches die ganze Walze darstellen oder aber die Hohlwalze einer hydraulisch innen abgestützten durchbiegungssteuerbaren Walze sein kann. Im letzteren Fall umfaßt die Hohlwalze ein sie durchgreifendes undrehbares Querhaupt, an welchem im Innern der Hohlwalze eine hydraulische Stützeinrichtung angeordnet ist, die Kräfte von innen gegen den Innenumfang der Hohlwalze ausübt.

Bei der aus der DE-OS 37 20 132 bekannten Walze ist die Temperierung eine Beheizung. Die Erfindung betrifft aber gleichermaßen eine kühlbare Walze, bei der die Tempe­ ratur des arbeitenden Walzenumfangs unter die Umgebungs­ temperatur abgesenkt wird, um einer Materialbahn Wärme zu entziehen.

Die dickwandigen Walzenrohre bestehen im allgemeinen aus Stahl und sind gegossen. Sie reagieren sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede insbesondere in radialer Richtung, weil diese zu hohen Wärmespannungen führen, die Risse ver­ ursachen können. Aus diesem Grunde müssen zum Beispiel beheizbare Walzen mit ganz geringer Geschwindigkeit auf ihre Arbeitstemperatur gebracht werden.

Aus dem gleichen Grunde wird in der DE-OS 37 20 132 angestrebt, daß die Heizleistungen der inneren Heizeinrich­ tung und der äußeren Heizeinrichtung so bemessen und auf­ einander abgestimmt werden, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Innenumfang des Walzenrohrs und dem Außenumfang bei allen Temperaturen möglichst gleich Null ist. Diese Art der Steuerung sei daher kurz mit "Δ T = O" bezeichnet.

Diese Art der Steuerung hat jedoch Nachteile, wie im folgenden anhand des Beispiels einer Heizwalze darge­ stellt werden soll, die gegen eine Gegenwalze arbeitet und mit dieser einen Walzspalt bildet, durch den eine Material­ bahn hindurchgeleitet wird. Im stationären Betrieb eines solchen Systems ist die gesamte Wärme, die die Material­ bahn im Walzspalt aufnimmt, die von der Heizwalze abge­ strahlte Wärmeenergie sowie die Energie, die die Walze an den Lagern durch Leitung an die Stützkonstruktion und durch Konvektion an die Umgebungsluft abgibt, von der äußeren Heizeinrichtung aufzubringen. Auf die innere Heizeinrich­ tung entfallen nur weit geringere Anteile, nämlich die Wärmeverluste an den Zu- und Ableitungen, die meist noch isoliert sind, und die Wärmeverluste durch Übergang von Wärme an die gegebenenfalls vorhandene innere hydraulische Stützeinrichtung. Die Steuerung nach der Methode "Δ T = O" bedeutet nämlich, daß keine Wärmeenergie der inneren Heiz­ einrichtung radial durch das Walzenrohr an die den arbei­ tenden Walzenumfang bildende Außenseite transportiert wer­ den kann. Es findet in radialer Richtung kein Wärmetrans­ port statt. Die äußere Heizeinrichtung, der also praktisch die Gesamtheizung im Betrieb zufällt, ist heute ganz über­ wiegend als induktive Beheizung ausgebildet, bei der längs der Walze eine Anzahl von induktiven Polschuhen mit Wick­ lungen angeordnet ist. Wegen der heute vorhandenen Begren­ zungen in der Leistungsdichte solcher induktiven Schuh­ heizungen führt das wegen des hohen Leistungsbedarfs der äußeren Heizeinrichtung häufig zu der Notwendigkeit meh­ rerer Schuhreihen. Eine solche Konstruktion ist einerseits relativ teuer, andererseits wegen der Vielzahl der Elemente weniger betriebssicher und schließlich insbesondere am äußeren Walzenumfang extrem platzaufwendig, so daß Zusatz­ einrichtungen wie Schaber und dergleichen nur noch schwierig unterzubringen sind.

Zudem macht es ingenieurmäßig wenig Sinn, eine innere Heizeinrichtung zu haben, die im wesentlichen nur während des Auf- und Abheizens zur Anpassung der Temperatur am Innenumfang des Walzenrohrs an die des Außenumfangs zum Einsatz kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei der Methode "Δ T = O" durch die ungleichmäßige Verteilung der Heizleistungen auftretenden Mißhelligkeiten zu redu­ zieren.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiederge­ gebene erfindungsgemäße Betriebsweise gelöst.

Das Grundprinzip besteht darin, eine Aufteilung der Temperierleistungen dahin vorzunehmen, daß der inneren Temperiereinrichtung der Ausgleich der systembedingten Anteile zufällt, während die äußere Temperiereinrichtung für die bahnbedingten Anteile zuständig ist.

Im Falle einer Heizwalze ist also die innere Heiz­ einrichtung in ihrer Leistung so einzustellen, daß mit ihrer Hilfe neben den Wärmeverlusten in den Rohrleitungen und gegebenenfalls in der Hydraulik auch die Strahlungs- und Konvektionsverluste des Walzenrohrs abgedeckt werden. Die äußere Heizeinrichtung steuert die Wärmemenge bei, die von der Materialbahn fortgeführt wird.

Bei dieser Art der Steuerung wird ein Temperaturgradient zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang des Walzenrohrs in Kauf genommen, der jedoch deutlich niedriger ist als bei einer Beheizung des Walzenrohrs nur vom Innern her. Gegenüber dieser Methode nimmt der Temperaturgradient in Abhängigkeit vom Walzendurchmesser, von der Geschwindigkeit sowie der Beschaffenheit der Papierbahn (Flächengewicht, Dicke, Feuchte usw.) beispielsweise um 30 bis 40% ab, so daß die Wärmespannungen in einer erträglichen Größen­ ordnung verbleiben.

Andererseits hat die erfindungsgemäße Steuerung den Vorteil, daß ein Überschießen der Temperatur der Walzen­ oberfläche im Falle eines Materialbahnrisses vermieden werden kann. Gemeint ist besonders eine Walze zur Behandlung von Papierbahnen mit höheren Temperaturen. Bei solchen Anordnungen in Kalandern oder dergleichen muß ab und zu mit einem Papierbahnriß gerechnet werden.

Bei der Methode "Δ T = O" kann zwar ein solches Über­ schießen vermieden werden, indem die äußere Heizeinrichtung bei einem Riß der Materialbahn sofort wesentlich reduziert wird. Bei der Beheizung nur von innen her schießt jedoch bei einem Riß der Materialbahn die Temperatur an der äußeren Walzenoberfläche nach oben, da die Temperatur des Wärmeträ­ germediums im Innern der Walze wegen der Wärmespannungen nur langsam zurückgefahren werden kann und von außen nur begrenzt Kühlleistung zur Verfügung steht. Wegen des von innen nach außen bestehenden starken Temperaturgradienten und der innen viel höheren Temperatur wandert die in den inneren Bereichen des Walzenrohrs gespeicherte Wärmeenergie dem Gradienten folgend rasch nach außen und steigert dort die Temperatur, weil keine Wärmeabnahme mehr erfolgt.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung wird bei einem Riß der Materialbahn ebenso wie bei "Δ T = O" die äußere Heizeinrichtung weggeschaltet. Da die innere Heizeinrichtung die systembedingten Anteile deckt und insbesondere die Strahlungs-, Leitungs- und Konvektionsverluste des Walzen­ rohrs ausgleicht, die von dem Wegfall der Materialbahn nicht wesentlich berührt werden, bleibt die Temperatur am arbeitenden Walzenumfang bei einem Fehlen der Material­ bahn sogar unverändert. Die Walze läuft bei einem Riß der Materialbahn einfach weiter, und es entsteht keine Fehlproduktion und keine Gefährdung der Gegenwalzen durch Überhitzung.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung entsteht eine Verringerung des Kostenaufwandes für die äußere Heizein­ richtung, da die ohnehin vorhandene Innenheizung zu 30 bis 50% auch im stationären Betrieb mit Materialbahn zum Leistungseintrag herangezogen wird und dieser sich somit gleichmäßiger verteilt. Wegen der dadurch möglichen Ver­ ringerung der Zahl von am Außenumfang der Walze anzubrin­ genden Komponenten ergibt sich außer einer höheren Betriebs­ sicherheit auch mehr Platz am Walzenumfang für die Anbrin­ gung von Schabern und ähnlichem.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 erfolgt die Einstellung der Wärmeleistung der inneren Tem­ periereinrichtung bei nicht mit der temperierbaren Walze in Berührung befindlicher Materialbahn, und zwar so, daß am Außenumfang der temperierbaren Walze die im Betrieb, wenn also die Materialbahn an der temperierbaren Walze anliegt und Wärme abführt oder abgibt, angestrebte Tempe­ ratur vorliegt, die sich dann beim Hinzufügen der Material­ bahn nicht ändert, weil der dann neu auftretende Wärmebe­ darf durch die gleichzeitig zugeschaltete äußere Heizein­ richtung gedeckt wird.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei einer Ände­ rung der Breite der Materialbahn durch eine Änderung der Wirkungsbreite beispielsweise einer äußeren Heizeinrichtung relativ leicht eine Anpassung der Beheizung an die Bahn­ breite erfolgen kann (Anspruch 3). Die innere Heizeinrich­ tung bleibt hiervon unberührt.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist vorstehend überwie­ gend am Beispiel einer Heizwalze erläutert worden, doch ver­ steht es sich, daß die Gesichtspunkte für den Fall einer Kühlwalze in entsprechender Weise gelten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung an einer Heizwalze schematisch dargestellt.

Die als ganzes mit 10 bezeichnete Heizwalze umfaßt eine dickwandige Hohlwalze 1 aus Hartguß, welche einen Innenumfang 2 und einen Außenumfang 3 aufweist. In die Hohlwalze 1 sind unter der Oberfläche achsparallele, über den Umfang gleichmäßig verteilte Längsbohrungen 4 einge­ bracht, die nach einem bestimmten System von einem fluiden Wärmeträgermedium durchströmt werden. Die Längsbohrungen 4 stehen über Leitungen 5 und 6 mit einem Wärmetauscher 7 in Verbindung. Die Längsbohrungen 4 und der Wärmetauscher 7 bilden zusammen die "innere Heizeinrichtung 12". Die Verbindung der Längsbohrungen 4 mit dem Wärmetauscher 7 wird nur schematisch durch die Leitungen 5, 6 dargestellt. Tatsächlich sind an den Enden der Walze 10 Drehanschlüsse für die Zuleitung des fluiden Wärmeträgermediums vorge­ sehen.

Die Hohlwalze 1 kann alleine den Walzenkörper bilden und an den Enden Walzenzapfen aufweisen, in denen sie in einem Walzenständer gelagert ist. Es ist aber auch möglich, daß die Hohlwalze 1 die Hohlwalze einer durchbiegungssteu­ erbaren Walze ist, bei der die Hohlwalze 1 der Länge nach von einem undrehbaren Querhaupt 8 durchgriffen ist, welches an den Enden aus der Hohlwalze 1 hervorsteht und dort in einem äußeren Walzenständer abgestützt ist. Die Hohlwalze 1 dreht sich um das undrehbare Querhaupt 8. An diesem ist eine hydraulische Stützeinrichtung 9 angebracht, welche auf der Seite des Walzspalts 11 gegen den Innenumfang 2 der Hohlwalze 1 wirkt und die zur Bildung des Liniendrucks in dem Walzspalt 11 erforderliche Kraft aufbringt. Das undrehbare Querhaupt 8 biegt sich unter dieser Kraft durch. Es hat ringsum Abstand vom Innenumfang 2 der Hohlwalze 1, so daß die Durchbiegung möglich ist, ohne daß die vorbei­ laufende Hohlwalze 1 berührt wird.

Der inneren Heizeinrichtung 12 ist eine äußere Heiz­ einrichtung 13 zugeordnet, die als induktive Heizeinrich­ tung ausgebildet ist und mehrere längs der Walze 10 ange­ ordnete induktive Polschuhe 14 umfaßt.

Die Polschuhe 14 sind ebenso wie der Wärmetauscher 7 über Leitungen mit einer als Ganzes mit 20 bezeichneten Steuereinrichtung verbunden, die der inneren bzw. äußeren Heizeinrichtung 12 bzw. 13 jeweils bestimmte Anteile an Heizleistung zuweist, die symbolisch durch die Felder 30 und 40 dargestellt sind.

Die Heizwalze 10 bildet mit einer Gegenwalze 15 den Walzspalt 11, durch den eine Warenbahn 16 im Sinne des Pfeiles 17 hindurchläuft. Dabei nimmt die Warenbahn 16 von dem den arbeitenden Walzenumfang bildenden Außenumfang 3 der Walze 10 Wärme mit, die durch die symbolische Fläche 30 dargestellt ist und von der äußeren Heizeinrichtung 13 geliefert wird.

Die Walze 10 ist im Betrieb sehr heiß und verliert Wärme durch Abstrahlung, die durch das Feld 41 symbolisiert ist. Außerdem geht Wärme durch Konvektion, d. h. durch Auf­ heizung der Umgebungsluft verloren. Dies entspricht dem Feld 42. Das Feld 43 stellt einen Wärmeanteil dar, der durch Leitung an den Enden der Walze 10 an dem Maschinen­ ständer oder dergleichen verlorengeht. 44 sind die Wärme­ verluste, die in den Leitungen 5 und 6 auftreten. 45 sind Wärmeverluste, die durch Übertragung von Wärme an die hy­ draulische Stützeinrichtung 9 eintreten und ebenfalls aus der Walze 10 abgeführte Wärme darstellen. Alle diese Kom­ ponenten zusammen bilden den Energiebetrag 40, und dieser Energiebetrag wird ausschließlich über die innere Heiz­ einrichtung 12 beigesteuert.

30 ist also der bahnbedingte Wärmeanteil, 40 der system- oder walzenbedingte Wärmeanteil. Wenn die Bahn 16 reißt und keine Wärme mehr vom Umfang 3 der Walze 10 abgenommen wird, wird die äußere Heizeinrichtung 13 sofort abgeschal­ tet. An den Wärmeverlusten in der Walze 10 ändert sich dadurch nichts. Die innere Heizeinrichtung 12 ist weiter tätig, so daß die Wärmeverluste der Walze 10 ausgeglichen werden und diese keinerlei Änderung ihres Temperaturzu­ standes erfährt. Sobald die Bahn 10 wieder eingefädelt ist, wird die äußere Heizeinrichtung 13 wieder eingeschal­ tet und steuert den Bahnanteil 30 bei.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung der Temperierung einer temperierbaren Walze (10) zur Behandlung einer Material­ bahn (16),
mit einer inneren Temperiereinrichtung (12), die von innen her der Walze (10) Wärme zuführt oder Wärme aus der Walze (10) abführt,
mit einer äußeren Temperiereinrichtung (13), die die temperierbare Walze (10) von außen her temperiert,
und mit einer an die beiden Temperiereinrichtungen (12, 13) angeschlossenen Steuereinrichtung (20), die die Wärmeleistung der beiden Temperiereinrichtungen (12, 13) steuert,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeleistung der inneren Temperiereinrichtung (12) so bemessen wird, daß sie den inneren Wärmeumsatz der Walze (10) und die durch Strahlung, Konvektion und Leitung bedingten Wärmeverluste der Walze ausgleicht,
und daß die Temperierleistung der äußeren Temperier­ einrichtung (13) die mit der Materialbahn (16) ausgetauschte Wärmemenge deckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Wärmeleistung der inneren Temperier­ einrichtung (12) bei nicht mit der temperierbaren Walze (10) in Berührung befindlicher Materialbahn (16) derart erfolgt, daß am Außenumfang (3) der temperierbaren Walze (10) die im Betrieb mit Materialbahn (16) angestrebte Temperatur vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch Einstellung der Wirkungsbreite der äuß­ eren Temperiereinrichtung (13) eine Anpassung der Temperie­ rung in Breitenrichtung an die Breite der Materialbahn (16) erfolgt.