DE60108155T2

DE60108155T2 - Komposit-rakel und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60108155T2
Application number: DE60108155T
Authority: DE
Inventors: Bilal Mehmood
Original assignee: Kadant Web Systems Inc
Current assignee: Kadant Web Systems Inc
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: ES2233696T3; ATE286173T1; EP1328682A1; JP4024674B2; EP1328682B1; CA2426008C; RU2238358C1; CN1216205C; BR0114904A; US6423427B1; MXPA03003720A; AU2001294780A1; WO2002035002B1; CN1471600A; DE60108155D1; WO2002035002A1; US6565991B1; JP2004512443A; CA2426008A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Rakeln für verschiedene Anwendungen, darunter Reinigen, Kreppen und Beschichten in der Papierherstellung, Tissue-Herstellung, Bahnverarbeitung und ähnlichen Operationen.
2. Stand der Technik
Rakeln kontaktieren die Oberflächen von Zylindern in Maschinen zur Papierherstellung, Tissue-Herstellung und Bahnverarbeitung zum Reinigen, Beschichten von Bahnen oder Bogenentnahmen. Herkömmliche Rakelmaterialien umfassen Metalle, homogene Kunststoffe und Komposit-Laminate aus synthetischen und natürlichen Fasern.
Herkömmliche Rakeln haben in der Regel eine einteilige Kante-Kante-Struktur. Bei der Auswahl des Rakelmaterials muss deshalb ein Kompromiss geschlossen werden zwischen Materialien, die dem Kantenverschleiß adäquaten Widerstand entgegensetzen, und Materialien, die die Zug- und Streckfestigkeiten besitzen, die eine effektive Arbeit im vorgesehenen Rakelmodus möglich machen. Oftmals führt diese Notwendigkeit zum Kompromiss zur Auswahl eines Rakelmaterials mit suboptimaler Kantenverschleißfestigkeit.
Es gibt zahlreiche Rakelverfahren, bei denen der Rakelkantenverschleiß besonders problematisch sein kann. Beim Kreppen und Beschichten ist beispielsweise die Qualität des resultierenden Papierprodukts direkt von der Geometrie der Rakelkante abhängig. Mit zunehmendem Verschleiß der Rakel und Veränderung der Geometrie sind Produkteigenschaften wie Dickgriffigkeit, Zugfestigkeit, Weichheit oder Kreppzahl nachteilig betroffen.
Bei Reinigungsoperationen besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Rakelbelastung und der Kontaktfläche der Rakelkante. Mit zunehmendem Verschleiß der Rakel nimmt deren Kontaktfläche bei gleichzeitiger Abnahme des Kontaktdrucks zu. Ein niedrigerer Kontaktdruck kann die Reinigungswirksamkeit herabsetzen, was wiederum zu Löchern im Bogen, Bogenbrüchen und/oder Bogenverwerfungen führen kann.
In der Vergangenheit haben die Fachleute versucht, die genannten Probleme zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, indem sie ihr Heil in häufigeren Rakelwechseln suchten. Dies bringt aber insofern auch Nachteile mit sich, als damit die Gesamteffizienz des Papierherstellungsverfahrens herabgesetzt wird.
Andere Versuche zur Verlängerung des Rakelnutzlebens haben die Härtung der Rakeloberflächen mit Hilfe eines Ionen-Nitrierhärtungsverfahrens eingeschlossen, wie in U.S.-Patent Nr.5,753,076 (King et al.) beschrieben, oder die Anwendung keramischer Verschleißstreifen, wie in U.S.-Patent Nr. 5,863,329 (Yamanouchi) offenbart. Mit Ionen-Nitrierhärtungsverfahren sind unterschiedliche Nachteile verbunden, darunter der hohe Kapitalaufwand für teure Vakuumkammern, die diskontinuierliche Bearbeitung einzelner Rakeln im Gegensatz zur wirtschaftlicheren Bearbeitung langer Stücke von Rakelspulenmaterial und die unkontrollierte Anwendung des Verfahrens auf alle Rakeloberflächen, anstatt nur auf die für Verschleiß anfälligen Kantenbereiche, was die Kosten weiter erhöht.
Obwohl keramische Verschleißstreifen die Nutzlebensdauer der Rakel günstig beeinflussen, kann deren extreme Härte eine übermäßige Abnutzung bestimmter Zylinderoberflächen mit sich bringen, insbesondere der Gusseisenoberflächen von Yankee-Zylinder. Dies macht wiederum häufiges und kostspieliges Zylinderschleifen erforderlich. Rakeln mit Keramikspitzen dringen wesentlich tiefer in die Zylinderbeschichtung ein, was eine Reduzierung des Rakelanpressdrucks um 30% notwendig macht. Bei Krepparbeiten kann sich diese reduzierte Belastung nachteilig auf die Tissue-Eigenschaften auswirken. Auch sind Keramikmaterialien teuer und tragen somit erheblich und nachteilig zu den hohen Rakelkosten bei.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten Rakel mit höherem Widerstand gegen Kantenverschleiß, wodurch eine einheitlichere Klingengeometrie gewährleistet ist, wodurch sich wiederum die Qualität und Konsistenz der produzierten Papierprodukte erhöht. Ein größerer Widerstand gegen Rakelverschleiß erhöht zudem die Gesamteffizienz des Papierherstellungsverfahrens aufgrund weniger häufiger Rakelwechsel.
Eine Rakel gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein Stahlträgerband, das in Breite und Dicke so konfiguriert ist, dass es in einem Rakelhalter befestigt werden kann, und dessen Zug- und Streckfestigkeit der beabsichtigten Rakelanwendung angemessen sind. Ein verschleißfester Streifen aus Schnellarbeitsstahl wird – vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißung – einstückig mit einer Kante des Trägerbands verbunden. Der verschleißfeste Streifen weist Zug- und Streckfestigkeiten auf, die höher sind als jene des Trägerbands, bei einer Härte zwischen etwa 55 und 65 Rc.
Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Rakel gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 u. 3 sind perspektivische Darstellungen ähnlich der 1, in denen andere Ausführungsbeispiele von Rakeln gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt sind; und
4 ist ein Blockdiagramm, in dem das Verfahren der Herstellung von Rakeln gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Zunächst Bezug nehmend auf 1 ist eine Komposit-Rakel gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein unter dem Bezugszeichen 10 dargestellt und umfasst ein Stahlträgerband 12 mit einer Breite W_a und einer Dicke T_a, die zur Befestigung in einem herkömmlichen (nicht dargestellten) Rakelhalter geeignet ist. Das Trägerband 12 verfügt über Zug- und Streckfestigkeiten, die für die vorgesehene Rakelanwendung geeignet sind, und kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus D6A, 6150, 6135, 1095, 1075, 304SS und 420SS.
Ein verschleißfester Streifen 14 aus Schnellarbeitsstahl ("HSS") ist unter Bezugsnummer 16 einstückig mit einer Kante des Trägerbands 12 verbunden. Die Zug- und Streckfestigkeiten des Streifens 14 sind höher als jene des Trägerbands 12, mit einer Härte zwischen etwa 55 und 65 Rc. Solche Materialien widerstehen unter den Bedingungen erhöhter Temperaturen, wie sie bei Rakelanwendungen häufig anzutreffen sind, vorteilhafter Weise plastischen Verformungen und Abnutzungen.
Das Trägerband 12 und der verschleißfeste Streifen 14 werden vorzugsweise mit Elektronenschweißung verbunden. Der verschleißfeste Streifen 14 hat eine Breite W_b zwischen etwa 0,025 und 0,33 der gesamten Klingenbreite, die als W_a + W_b gemessen wird.
Der verschleißfeste Streifen 14 und das Trägerband 12 können die selbe Dicke T_a haben, wie in 1 dargestellt. Der verschleißfeste Streifen 14 kann aber auch – wie in 2 und 3 dargestellt – eine Dicke T_b größer der Dicke T_a des Trägerbands haben. In 2 ist der dickere verschleißfeste Streifen bezüglich des Trägerbands versetzt, um auf einer Seite eine flache, durchgehende Oberfläche abzugeben, und auf der gegenüberliegenden Seite eine abgestufte Konfiguration. In 3 ist der verschleißfeste Streifen mittig angebracht, wodurch auf beiden Seiten der Rakelklinge eine abgestufte Konfiguration erreicht wird.
Das Material des verschleißfesten Streifens wird vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Molybdän-Schnellarbeitsstählen, Wolfram-Schnellarbeitsstählen und Intermediär-Schnellarbeitsstählen ausgewählt, sämtlich wie spezifiziert in ASM Metals Handbook: Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys. Vol. 1 Tenth Edition. Copyright MARCH 1990 ASM INTERNATIONAL. Der verschleißfeste Streifen 14 ist vorzugsweise im wesentlichen frei von Karbidabsonderung und besitzt gut verteilte Kugelkarbide mit einer Größe im Bereich von etwa 3 bis 6, vorzugsweise von etwa 5 bis 6 Maßeinheiten auf Basis der ASTM Größentabellen.
Bezug nehmend auf 4 wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Rakeln gemäß der vorliegenden Erfindung so dargestellt, dass es folgende aufeinander folgende Schritte umfasst:

a) In Kasten 18: Elektronenstrahlschweißen des verschleißfesten Streifens 14 an das Trägerband 12, um die Komposit-Rakelklingenstruktur zu schaffen;
b) In Kasten 20: Erhitzen der Komposit-Rakelklingenstruktur 10 auf eine erste Temperatur vorzugsweise zwischen 1300 und 1450°F, um die geschweißten Teile zu glühen und auszurichten;
c) In Kasten 22: Wiedererhitzen der Komposit-Struktur auf eine zweite Temperatur zwischen etwa 1500–2200°F, um den verschleißfesten Streifen 14 teilzuhärten;
d) In Block 24: Abschrecken der Komposit-Struktur; und
e) In Block 26: Wiedererhitzen der Komposit-Struktur auf eine dritte Temperatur zwischen etwa 850–1200°F, um den verschleißfesten Streifen 14 zu tempern und seine Härte auf einen Wert im Bereich zwischen etwa 55 und 65 Rc zu reduzieren.

Im Gegensatz zur Verwendung voll gehärteter Schnellarbeitsstähle in anderen Industrieanwendungen, werden bei der Teilhärtung gemäß der vorliegenden Erfindung tiefer Härtestufen erreicht, die mit den Zylinderoberflächen besser kompatibel sind und zusätzlich eine deutliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit schaffen, wodurch in den meisten Fällen eine Verdoppelung des Klingennutzlebens erzielt werden kann. Durch Variieren der Dicke des verschleißfesten Streifens bei konstanter Dicke des Trägerbands lässt sich eine Feinabstimmung der Papiereigenschaften erreichen, ohne dass dafür die Rakelhalter ausgewechselt werden müssten. Das Grundmaterial der Komposit-Rakel nach der vorliegenden Erfindung kann kontinuierlich und auf wirtschaftliche Art und Weise in langen Spuleneinheiten produziert werden und schafft damit signifikante Kostenvorteile im Vergleich mit älteren diskontinuierlichen Verfahren.

Claims

Komposit-Rakel (10), umfassend: ein Stahlträgerband (12), das mit einer Breite und Dicke konfiguriert ist, die zur Montage in einer Rakelhalterung geeignet sind, und das über eine Zug- und Streckspannung verfügt, die für eine ausgewählte Rakelanwendung geeignet sind; und einen verschleißfesten Streifen (14) aus Schnellarbeitsstahl, der mit einer Kante des Trägerbandes verbunden ist, wobei der verschleißfeste Streifen Zug- und Streckfestigkeiten aufweist, die über jenen des Trägerbandes liegen und der verschleißfeste Streifen eine Härte zwischen etwa 55 und 65 Rc aufweist.
Rakel nach Anspruch 1, wobei der verschleißfeste Streifen (14) mit dem Trägerband (12) mittels Elektronenstrahlschweißung verbunden ist.
Rakel nach Anspruch 1, wobei der verschleißfeste Streifen eine Breite zwischen etwa 0,025 und 0,33 der gesamten Rakelbreite aufweist.
Rakel nach Anspruch 1, wobei die Dicke des verschleißfesten Streifens größer ist als die Dicke des Trägerbandes (12).
Rakel nach Anspruch 4, wobei die Dicke des verschleißfesten Streifens (14) nicht mehr als das Zweifache der Dicke des Trägerbandes (12) ausmacht.
Rakel nach Anspruch 1, wobei das Material des verschleißfesten Streifens (14) aus der Gruppe bestehend aus Molybdän-Schnellarbeitsstählen, Wolfram-Schnellarbeitsstählen und Zwischen-Schnellarbeitsstählen ausgewählt ist.
Rakel nach Anspruch 1, wobei der verschleißfeste Streifen (14) im wesentlichen frei von Carbidseigerung ist und gut verteilte sphärolithische Carbide besitzt.
Rakel nach Anspruch 7, wobei der verschleißfeste Streifen gut verteilte sphärolithische Carbide in einer Größe von etwa 3 bis 6 Mikron besitzt.
Rakel nach Anspruch 8, wobei die sphärolithischen Carbide eine Größe zwischen etwa 5 und 6 Mikron aufweisen.
Verfahren zur Herstellung der Komposit-Rakel (10) nach Anspruch 1, umfassend: a) Elektronenstrahlschweißen des verschleißfesten Streifens (14) an das Trägerband, um eine Komposit-Struktur zu schaffen; b) Erhitzen der Komposit-Struktur auf eine erste Temperatur, um die Komposit-Struktur zu tempern und zu richten; c) Wiedererhitzen der Komposit-Struktur auf eine zweite Temperatur, gefolgt vom Löschen zur Teilhärtung des verschleißfesten Streifens; und d) Wiedererhitzen der Komposit-Struktur auf eine dritte Temperatur, um den verschleißfesten Streifen zu tempern und seine Härte auf einen Wert in einem bestimmten Bereich zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste Temperatur in Schritt (b) zwischen etwa 705 und 788°C (1.300–1450°F) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die zweite Temperatur in Schritt (c) zwischen etwa 815 und 1478°C (1.500–2.00°F) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die dritte Temperatur in Schritt (d) zwischen etwa 455 und 649°C (850–1200°F) beträgt.