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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hochgeschwindigkeitsformierung
eines mehrlagigen Papier- oder Pappe-Produkts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und eine Herstellungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
6.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Mehrlagenbildung ermöglicht,
das Preis-Leistungsverhältnis
des Produkts durch Verwendung unterschiedlichen Ganzzeugs in unterschiedlichen
Lagen zu optimieren. Bei vielen Papierprodukten macht es die Mehrlagentechnologie
möglich,
den Gehalt an recyceltem Papier und Ertragszellstoff zu erhöhen, die
beide sowohl aus Kostenreduzierungsgründen, als auch aus Umweltgründen, interessant
sind. Die bestehende Technologie erreicht es jedoch nicht, die Aufgabe
einer Hochgeschwindigkeitsformierung von Mehrlagenpapier oder -pappe
mit überragenden
mechanischen Eigenschaften sowie bevorzugten Lagendeckungs-Eigenschaften (Engl.:
ply coverage characteristics) zu bewältigen.
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Die
Notwendigkeit für
eine Herstellungstechnologie, die zu hohen Produktionsgeschwindigkeiten fähig ist,
wird durch kürzliche
Entwicklungen in der Nasspresstechnik (Engl.: wet pressing technology) hervorgehoben.
Schuhpressen, die hohe Pressimpulse und eine hohe Presseffizienz
erteilen, werden mittlerweile in der Produktion der meisten Haupt-Papier-
und Pappe-Klassen
eingesetzt. Gute Lagendeckungs-Eigenschaften, d.h. gute Bildung
und Reinheit der einzelnen Lagen, ist ein offensichtliches Erfordernis,
um das Potential eines Mehrlagenprodukts vollständig zu nutzen. Die Notwendigkeit
für eine Herstellungstechnologie,
die überragende
mechanische Eigenschaften liefert, wird durch das steigende Interesse
hervorgehoben, Rohmaterialien zu verwenden, die ein relativ geringes
Festigkeitspotential aufweisen, wie beispielsweise Recyclingfasern
und Ertragszellstoffe.
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Die
Mehrlagenformiertechnik kann in drei Hauptkategorien unterteilt
werden:
- 1. Formieren jeder Lage in einer separaten
Formiereinheit, bevor die Lagen zusammengegautscht werden.
- 2. Gleichzeitige Formieren aller Lagen in einer Formiereinheit
unter Verwendung einer Mehrschicht-Headbox.
- 3. Formieren der Bahnlagen übereinander
in einem sequentiellen Modus (d.h. Formieren der zweiten Lage auf
der ersten Lage und der dritten Lage auf der zweiten Lage, etc.).
Die vorliegende Erfindung gehört
zu dieser Kategorie.
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Das
getrennte Formieren wird üblicherweise mit
einer Mehrfach-Fourdrinier-Maschine
durchgeführt.
Das Hybrid-Formieren oder das Doppelsieb-Formieren (siehe z.B.
DE 44 02 273 C2 )
können ebenso
angewendet werden. Die Erhöhung
der Entwässerungsfähigkeit,
die durch zwei oder mehrere getrennte Formiereinheiten erfolgt,
kann verwendet werden, um die Produktionsgeschwindigkeiten zu erhöhen und/oder
die Formier-Konsistenz für
verbesserte Schichteigenschaften abzusenken. Sämtliche Varianten des separaten
Formierens weisen jedoch ein gemeinsames Problem in der Lagenverbindung auf,
die im allgemeinen die Festigkeit des Mehrlagenprodukts in Z-Richtung
begrenzt. Meist müssen
Stärke
oder einige andere Bindemittel auf die Lagen gesprüht werden,
bevor diese zusammengegautscht werden.
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Während das
Doppelsiebformieren für
Geschwindigkeiten über
1000 m/min bevorzugt wäre, wobei
Freiflächen-Instabilitäten vermieden
werden und eine höhere
Entwässerungskapazität bereitgestellt
wird, wird das Problem der Lagenverbindung dann schlechter. Dies
beruht darauf, dass eine doppelsiebformierte Schichtlage zwei Siebseiten
mit schlechter Lagenhaftungsfähigkeit
aufweist, wohingegen eine Fourdrinier-Lage, die eine Siebseite aufweist
und eine Oberseite mit einer besseren Lagenhaftungsfähigkeit.
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Das
gleichzeitige Formieren eines Mehrlagenprodukts mit einer Mehrlagen-Headbox
kann ebenso eingesetzt werden. Beispiele von Mehrlagen-Headboxen sind in
der
EP 0 681 057 A2 und
in der GB 2 019 465 zu finden. Bei diesen Verfahren ist die Entwässerungsleistung
jedoch auf eine solche begrenzt, die durch eine einzelne Entwässerungseinheit
bereitgestellt wird. Folglich ist dieses Prinzip für ein Hochgeschwindigkeitsformieren
für moderate
bis hohe Quadratmetergewichte bei niedriger Formierkonsistenz nicht
geeignet. Bisher hat sich ferner als schwierig herausgestellt, akzeptable
Lagendeckungs-Eigenschaften durch gleichzeitiges Formieren zu erreichen.
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Das
Mehrlagenformieren in einem sequentiellen Modus wurde traditionell
beim Formieren zweilagiger kaschierter pappe verwendet, wobei eine
sekundäre
Head-Box verwendet wurde, die in einem gewissen Abstand einem Fordrinier-Sieb
nachgeschaltet angeordnet ist, wobei das Entwässern der oberen Lage durch
die primäre
Bahnlage erfolgt, die der sekundären
Head-Box vorgeschaltet ausgebildet wird. Das Problem der Lagenhaftung
wird durch Ablagerung einer Faserlösung auf der vorgeformten Bahn
im wesentlichen ausgeschlossen. Das heißt, dass die Z-Richtungs-Festigkeit
des Mehrlagenprodukts oftmals durch die Z-Richtungs-Festigkeit der einzelnen
Lagen bestimmt wird statt durch die Lagenhaftung. Das Formieren
einer oberen Lage auf eine primäre
Bahnlage auf einem Fourdrinier-Sieb beinhaltet jedoch einige Nachteile.
Es reicht, die Nachteile hinsichtlich der Entwässerungsleistung und der starken
Quadratmetergewicht-Schwankungen aufgrund der freien Oberfläche, die
insbesondere über 1000
m/min auftreten, zu erwähnen.
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Das
Entwässern
in einem Doppelsiebbereich, der durch das Sieb, welches die primäre Bahnlage
trägt,
und ein zusätzliches
bahnfreies Sieb, durch welches die obere Lage im wesentlichen entwässert wird,
gebildet ist, wurde kurz nachdem die sekundäre Head-Box in Einheiten die übermäßig auf ein
Vakuum generiertes Entwässern
zurückgriffen, angewendet
(siehe z.B. Attwood (1991) "Multi-ply- forming", Pulp and Paper
manufacture Vol. 7, Paper Machine Operations, TAPPI & CPPA; S. 250–251). Ein
Entwässern
durch die zuvor formierte Bahn wird somit im wesentlichen vermieden,
wodurch eine verbesserte Entwässerungseffizienz
erreicht wird. Das Entwässern
der oberen Lage durch ein bahnfreies Sieb ist darüber hinaus
in Bezug auf die Reinheit und das Formieren der oberen Lage vorteilhaft,
weil ein separates Handhaben des Weißwassers der oberen Lage möglich ist
und weil jeglicher Einfluss des primären Bahnlagenaufbaus auf die
obere Lage im wesentlichen vermieden wird. Die Leistungsfähigkeit derartiger
Einheiten ist jedoch noch immer begrenzt und sie werden üblicherweise
in Mehrlagenpappemaschinen eingesetzt, die langsamer als 600 m/min laufen.
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Das
Profilwalzen (Engl.: roll forming) gemäß Webster's Verfahren wurde in seinem grundlegenden Sinne
etwa vor vier Dekaden eingeführt
(
US 3,056,719 ) und ist
auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitsproduktion von Einlagen-Papier
gut bekannt. Das Formieren findet zwischen zwei Sieben statt, die
um eine rotierende Formierwalze laufen und durch Einführen des
Fasersuspensionsstrahls in den Doppelsiebspalt mit einer solchen
Geschwindigkeit, dass das äußere der
gespannten Siebe abgelenkt wird, während eine im wesentlichen
konstante Spannung während
der Ablenkung des äußeren Siebs durch
die Tatsache aufrecht erhalten wird, dass das äußere Sieb durch einen sich
drehenden Träger
gestützt
ist, von denen wenigstens einer elastisch oder versetzbar angebracht
ist, um die Ablenkung zu kompensieren. Der Entwässerungsdruck wird durch die Spannung
des äußeren Siebs
geteilt durch den momentanen Krümmungsradius
bestimmt und während der Walzentwässerung
steigt der Druck während
einer Anfangsphase stufenweise an, bis er sich auf einem Plateau
auspendelt.
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In
der WO 99/09249 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mehrlagenformieren
dargestellt, wobei ein Walzenformieren gemäß dem Webster-Verfahren zum
Formieren einer oberen Lage auf einer primären Basislage verwendet wird.
Das Walzenformen gemäß Webster
wird vorzugsweise angewendet, um sämtliche Lagen inklusive der
primären Bahnlage
auszubilden. Zwei Formier- und Entwässerungswalzen sind für jede Formiereinheit
dargestellt.
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Gemäß einer
der dargestellten Maschinenkonfigurationen läuft ein langes Grundsieb durch sämtliche
Entwässerungseinheiten,
was Probleme bezüglich
der Siebstabilität
mit sich bringen kann, weil mehrere Entwässerungseinheiten verwendet werden.
Gemäß einer
anderen dargestellten Konfiguration läuft jedes Sieb über höchstens
zwei Formiereinheiten. Ein Problem der letztgenannten Konfiguration
betrifft das Trennen eines der Siebe von der Papierbahn und dem
zweiten Sieb nach der zweiten Walze in den Formiereinheiten, in
denen die zweite Entwässerungswalze über der
ersten Walze liegt. Das Trennen erfolgt hier dadurch, dass das äußere Sieb
die zweite Rolle über
diese verlässt,
während die
Bahn und das innere Sieb im wesentlichen horizontal zur nächsten Formiereinheit
fortlaufen. Bei der Trennung eines der Siebe von der Papierbahn
und dem zweiten Sieb besteht in dem tatsächlich trockenen Festsubstanz
ein Risiko, dass sich Stücke
von der Papierbahn lösen.
Bei der tatsächlichen
Konfiguration können
Stück der
Papierbahn aus den Spalten herausgeschleudert werden und aufgrund
der Schwerkraft nach unten auf die Papierbahn fallen, was zu Beschädigungen
auf dem Endprodukt und zum Reißen
der Papierbahn führen
kann.
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Ein
weiterer Nachteil der vorherigen Maschinenkonstruktionen betrifft
die Schwierigkeit, eine ausreichend kurze frei Strahllänge nach
den Head-Boxen für die zweite
und die folgenden Lagen zu erzielen. Das einlaufende Sieb läuft im wesentlichen
horizontal, während
der Drehpunkt der Brustrolle im wesentlichen vertikal über/unter
der Mittelachse der Formierwalze angeordnet ist. Der Winkel zwischen
dem einlaufenden Sieb und der Verbindungslinie zwischen dem Drehpunkt
der Formierwalze und dem Drehpunkt der Brustwalze ("der Öffnungswinkel") beträgt somit
in dem oben beschriebenen Aufbau 90°. Bei einer langen freien Strahllänge neigt
der Strahl dazu, durch Instabilitäten abzureißen, bevor er den Spalt trifft,
in dem das Formieren beeinträchtigt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Formieren
eines Mehrlagenpapier- oder -Pappe-Produkts bei hoher Geschwindigkeit
bereitzustellen, das niedrige Investitionskosten bei aufrechterhaltener
hoher Entwässerungsleistung
aufweist und Laufprobleme, bezogen auf das Lösen von Stücken aus der Papierbahn an
der Trennstelle eines Siebes von der Papierbahn und dem zweiten
Sieb zu vermeiden. Gemäß dem Patentanspruch
1 wurde dies dadurch gelöst,
dass das Formieren jeder Lage über
nur einer Formierwalze erfolgt, dass der Siebwicklungswinkel über die
Formierwalzen wenigstens 110° beträgt, dass
die Drehachsen der Formierwalzen abwechselnd in einer oberen Ebene
und einer unteren Ebene angeordnet sind, dass die Siebe für die Formierwalze
oder -walzen, während
die Drehachse in der oberen Ebene liegt, die Walze in einem unteren
Quadranten davon verlassen und die Siebe für die Formierwalze oder -walzen,
deren Drehachse in der unteren Ebene liegt, die Walze in einem oberen
Quadranten davon verlassen, wobei die Papierbahn auch in diesem
Fall dem äußeren Sieb
folgt.
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Der
Siebwicklungswinkel sollte vorzugsweise bei wenigstens 120° liegen,
um eine hohe Entwässerungsleistung
zu ermöglichen.
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Bei
den Formierwalzen, die zum Formieren der zweiten Lage und der nachfolgenden
Lagen verwendet werden, wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
das Sieb mit dem einlaufenden Papier zu der entsprechenden Formierwalze
in einem Winkel von wenigstens 10°,
vorzugsweise wenigstens 15°,
relativ zu der Horizontalebene geführt. Auf diese Art und Weise
wird den Head-Boxen Raum gegeben, während lange freie Strahllängen vermieden
werden.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 6 zum
Formieren eines Mehrlagen-Papier- oder -Pappe-Produkts, die das oben definierte Verfahren
anwendet.
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Weitere
Details und Eigenschaften der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
und den abhängigen
Patentansprüchen
genannt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zum Formieren einer dreilagigen
Papierbahn.
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2 zeigt
schematisch die Sektoren, in denen die Siebe die Walze verlassen.
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3 zeigt
schematisch die Geometrie, um die Head-Box relativ zu der Walze
und dem einlaufenden Sieb.
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Beschreibung
der Ausführungsformen
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Ein
Ganzzeug, das aus der Head-Box 1 gespeist wird, wird in
einen Spalt eingeführt,
der zwischen zwei gespannten Sieben, einem inneren Sieb 2 und
einem äußeren Sieb 3,
gebildet ist, welche beide um eine sich drehende Formierwalze 4 gewickelt sind.
Der Faser-Suspensionsstrahl wird in den Doppelsiebspalt mit einer
solch hohen Geschwindigkeit eingeführt, dass das äußere Sieb 3 der
gespannten Siebe derart abgelenkt wird, wie es in der US-A-3,056,719 beschrieben
ist. Die Spannung des äußeren Siebs 3 wird
während
der Ablenkung durch die Tatsache im wesentlichen aufrecht erhalten,
dass es durch einen sich drehenden Träger 5 gestützt ist, der
elastisch oder versetzbar angebracht ist, um die besagte Ablenkung
zu kompensieren. Um die Investitionskosten für die Maschine zu reduzieren,
erfolgt das hauptsächliche
Entwässern
in jeder Formiereinheit über
nur eine Formierwalze 4, d.h. die Siebe laufen mit der
Fasersuspension/der Papierbahn dazwischen über nur eine Walze – die Formierwalze 4.
Um eine ausreichende Entwässerungsleistung
zu erzielen, sollte der Walzenwicklungswinkel α des äußeren Siebs 3 wenigstens
110° und
vorzugsweise wenigstens 120° betragen.
Der Durchmesser der Walze sollte wenigstens bei 1,2 m, vorzugsweise
ungefähr
2 m, liegen.
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Gemäß der Erfindung
wird die Formierphase während
dem Walzenentwässern
abgeschlossen. Danach ist der Fasernetzwerkaufbau im wesentlichen
fixiert, so dass eine signifikante Neuanordnung der Fasern nicht
auftritt, wenn die Papierbahn über weitere
Entwässerungselemente
läuft.
Eine weitere Verfestigung der Papierbahn kann dann gemäß gut bekannter
Verfahren, wie beispielsweise Gautschwalzen, Saugkästen und ähnliches,
durchgeführt werden,
bevor die Papierbahn in den Pressabschnitt oder eine andere Formiereinheit
eintritt.
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Die
Siebe 2, 3 verlassen die Walze 4 in einem
oberen Quadranten (siehe 2), in dem dargestellten Beispiel
den oberen aufwärts
gerichteten Quadranten E, wobei die Papierbahn dem äußeren Sieb 2 folgt.
Das Trennen des äußeren Siebs 2 mit der
begleitenden Papierbahn von dem inneren Sieb 3 erfolgt
mittels eines Saugkastens 6 oder auf andere Art und Weise,
wobei erreicht wird, dass die Papierbahn nach der Formierwalze 4 dem äußeren Sieb folgt.
Die Papierbahn folgt hier dem äußeren Sieb 2 nach
oben und wird später über eine
Umlenkwalze 7 umgelenkt. Durch die Tatsache, dass die Papierbahn und
das äußere Sieb 2 nun über dem
inneren Sieb 3 transportiert werden, wurde das Risiko von
Lauffähigkeitsproblemen
reduziert, weil mögliche
Papierbahnstücke,
die sich bei der Trennung gelöst haben,
dem inneren Sieb 3 folgen, von dem sie durch ein Sieb-Sprout
oder ähnlichem
entfernt werden. Die Siebe 2, 3 können die
Walze auch in dem oberen abwärts
gerichteten Quadranten F verlassen.
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Im
Anschluss übergibt
das Sieb 2 die formierte primäre Bahnlage an eine zweite
Formiereinheit. Eine weitere Entwässerung kann durch Saugkästen durchgeführt werden.
Die zweite Formiereinheit umfasst eine Head-Box 9, einen
Doppelsiebspalt, der durch das Sieb 2, welches nun das
innere Sieb bilden kann, und ein äußeres Sieb 10 gebildet ist
und ferner eine Formierwalze 11.
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Um
hohe Maschinenkonstruktionen zu vermeiden, werden die Formierwalzen
abwechselnd in zwei Ebenen angeordnet. Dabei ist der Höhenunterschied
zwischen den Außenpunkten
der Formierwalzen auf vorzugsweise maximal 4–5 m beschränkt. Die erste Formierwalze 4, über die
die primäre
Bahnlage formiert wird, ist somit in einer niedrigeren Ebene angeordnet,
während
die zweite Formierwalze 11 in einer oberen Ebene angeordnet
ist.
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In
der zweiten Formiereinheit wird eine zweite Bahnlage auf der feuchten
primären
Bahnlage formiert, die vorzugsweise eine Trockenheit von 7-15% Massenanteil
aufweist. Die Head-Box 9 liefert einen Fasersuspensionsstrahl
in den Doppelsiebspalt, der durch die Siebe 2 und 10 gebildet
wird. Auch in diesem Fall tritt der Strahlaufprall mit einer solchen
Geschwindigkeit auf, dass das äußere Sieb 10 abgelenkt
wird.
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Die
Spannung des äußeren Siebs 10 wird während der
Ablenkung durch die Tatsache, dass es durch einen drehenden Träger 12 gestützt ist,
welcher elastisch oder versetzbar angebracht ist, um die Ablenkung
zu kompensieren, im wesentlichen konstant gehalten. Das Formieren
wird in einer äquivalenten
Art und Weise wie bei der ersten Formiereinheit durchgeführt. Die
Siebe 2, 3 verlassen die Walze 4 in einem
unteren abwärts
gerichteten Quadranten H (siehe 2), wobei
die Papierbahn dem äußeren Sieb 10 nach
unten folgt. Das Trennen des äußeren Siebs 10 mit
der begleitenden Papierbahn von dem inneren Sieb 2 wird
mittels eines Saugkastens 13 oder auf andere Art und Weise
durchgeführt,
wodurch erreicht wird, dass die Papierbahn nach der Formierwalze 11 dem äußeren Sieb
folgt. Die Papierbahn folgt hier dem äußeren Sieb 10 nach
unten, um später über eine
Umlenkwalze 14 geführt
zu werden. Mögliche
Stücke
der Papierbahn, die sich bei der Trennung gelöst haben und dem äußeren Sieb
folgen, werden nach unten entfernt, wenn das äußere Sieb 10 und die
Papierbahn um die Umlenkwalze 14 abgelenkt werden. Ein
zusätzliches
Entwässern
der Papierbahn kann über
Saugboxen 15 durchgeführt werden.
Es ist ferner auch möglich,
dass die Siebe 2, 10 die Walze einen gewissen
Abstand innerhalb des unteren aufwärts gerichteten Quadranten
G verlassen.
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Bei
einer sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden Walze in der oberen
Ebene verlassen die Siebe die Walze in diesem Fall vorzugsweise
in dem abwärts
gerichteten Quadranten G (2).
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In
der dritten Formiereinheit wird eine dritt Bahnlage auf den beiden
anderen formierten Lagen ausgebildet. Die dritte Formiereinheit
ist in der gleichen Ebene – der
unteren Ebene – wie
die erste Formiereinheit angeordnet. Die Head-Box 16 liefert
einen Fasersuspensionsstrahl in den Doppelsiebspalt, der zwischen
den Sieben 10 und 17 gebildet ist. Auch in diesem
Fall erfolgt der Strahlaufprall mit einer solchen Geschwindigkeit,
dass das äußere Sieb 17,
das durch einen elastischen oder versetzbaren Träger 19 gestützt ist,
abgelenkt wird.
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In
einer entsprechenden Art und Weise wie bei der ersten Formiereinheit,
verlassen die Siebe 10, 17 die Walze 18 in
einem oberen Quadranten E (siehe 2), wobei
die Papierbahn dem äußeren Sieb 17 folgt.
Das Trennen des äußeren Siebs 17 mit
der begleitenden Papierbahn von dem inneren Sieb 10 erfolgt
mittels eines Saugkastens 20 oder auf andere Art und Weise,
wodurch erreicht wird, dass die Bahn nach der Formierwalze 18 dem äußeren Sieb 17 folgt.
Die Papierbahn folgt dem äußeren Sieb 17 nach
oben, um später
um eine Umlenkrolle 21 geführt zu werden. Mögliche Stücke der
Papierbahn, die sich beim Trennen gelöst haben, folgen dem inneren
Sieb 17, von dem sie durch einen Sieb-Sprout oder ähnliches
entfernt werden.
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Bei
den neuesten Head-Box-Konstruktionen impliziert das Erfordernis
einer kurzen freien Stahllänge
einen Öffnungswinkel
von wenigstens 110°. Folglich
wurde bei all den Formierstationen ein größerer Raum für die Head-Boxen 4, 11 und 18 durch die
Tatsache erzeugt, dass das Sieb mit der einlaufenden Papierbahn
in bezug auf die Horizontalebene gewinkelt ist. Somit bildet das
Sieb einen Winkel β zu der
einlaufenden Papierbahn von wenigstens 10° in bezug auf die Horizontalebene.
Dadurch werden lange freie Strahllängen vermieden, sowie ist auch gleichzeitig
die Verminderung des Siebwicklungswinkels auf der Formierwalze reduziert.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern
es sind verschiedenartige Modifikationen davon innerhalb des Umfangs
der Patentansprüche
möglich.
Die Erfindung umfasst ferner, dass eine oder mehrere der Head-Boxen
Mehrlagen-Head-Boxen
sind.