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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Walzenmantels, und insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zur Herstellung eines Walzenmantels einer heizbaren
Walze, das heißt,
einer sogenannten Thermowalze, wobei die Walze in der Praxis auf
eine hohe Temperatur aufgeheizt betrieben wird.
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Spezieller
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines
Walzenmantels einer Walze, die in der Herstellung oder weiteren
Verarbeitung von Papier und/oder Pappe verwendet wird. In diesem
Verfahren wird ein Mantelrohling des Walzenmantels aus Stahl hergestellt.
Der Mantelrohling wird Wärmebehandlungen
unterzogen, die Aufheizen zum Härten,
Abschreck- und Temper-Behandlungen umfassen.
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Im
Stand der Technik ist eine Lösung
bekannt, in welcher ein bearbeiteter Stahlmantel einer Oberflächenhärtung mit
Hilfe von Induktion unterzogen wird. Ein beträchtlicher Nachteil dabei ist
jedoch, daß das
Verfahren außergewöhnlich teuer
ist, und zusätzlich,
daß lange
und große
Durchmesser von Walzenrohlingen durch Induktion nicht ökonomisch gehärtet werden
können.
Eine Oberflächenhärtung durch
Induktion erfordert, daß teure
Hilfsgeräte
für den
einzigen Zweck der Härtung
vorgesehen werden müssen.
Es wurde notwendig, Walzen mit großem Durchmesser separat zur
Verfügung
zu stellen, welche durch Induktion nicht ökonomisch gehärtet werden
können,
zum Beispiel, mit einer verschleißfesten harten Beschichtung.
Wenn erneut betrachtet wird, daß zum
Beispiel das Abschrecken eines Walzenrohlings mit großem Durchmesser
in einem Wasserbecken ausgeführt
wird, erfahren beide Seiten des Mantels Härtung und Zugspannung wird
in der Oberfläche
erzeugt. Aufgrund des Risikos eines Bruchs ist es sehr schädlich, wenn
Zugspannung in der Walzenoberfläche
verbleibt.
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Unter
Bezug auf den Stand der Technik wird weiterer Bezug genommen zum
Beispiel auf das US Patent 5,546,856, welches ein Papierendbearbeitungsverfahren
beschreibt, in welchem ein Lang-Nip-Kalander verwendet wird. Mit
einem Lang-Nip-Kalander wird allgemein ein Kalander bezeichnet,
in welchem ein Walzenspalt (Nip) zwischen einer heizbaren Stahlwalze
und einem Gurt gebildet wird. Der Klemmdruck in dem Lang-Nip-Kalander kann
in der Querschnittsrichtung der Maschine reguliert werden, das heißt, in der
CD Richtung, wodurch zum Beispiel die Dicke von Papier profiliert
werden kann. Der Lang-Nip-Kalander kann aus einem Gurtkalander gebildet
werden, in welchem ein Gurt um eine Klemmwalze , die als Gegenwalze
für eine
Thermowalze dient, geführt
wird, während
er durch Hilfswalzen geführt
wird. Daher wird ein langer Walzenspalt zwischen der Thermowalze
und der den Gurt belastenden Klemmwalze gebildet. Der am meisten gebräuchliche
Lang-Nip-Kalander ist ein Schuhkalander, in welchem der Gurt so
angeordnet ist, daß er um
eine stationäre
Trägerstruktur
läuft,
und in welchem der Gurt mit Hilfe eines belastenden Schuhs, welcher
in der Innenseite der Schleife des Gurtes lokalisiert ist, gegen
eine Thermowalze belastet und auf der Trägerstruktur getragen wird.
In dem Schuhkalander wird der lange Walzenspalt zwischen der Thermowalze
und dem den Gurt belastenden Schuh gebildet. Daher bestimmt der
belastende Schuh des Schuhkalanders die Länge des Walzenspaltes.
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In
den Schuhkalandern, welche den Stand der Technik darstellen und
in Verwendung stehen, ist die Länge
des Walzenspaltes typischerweise in einem Bereich von 50 bis 70
mm, das heißt
die Verweilzeit des Gewebes in dem Walzenspalt ist angenommenerweise
unter 10 ms. Die Oberflächentemperatur der
Thermowalze, welche als Gegenwalze der Schuhwalze dient, liegt in
einem Bereich von 70 bis 300°C.
Der maximale Klemmdruck liegt in einem Bereich von 5 bis 10 MPa.
Die Härte
des Kalandergurtes in dem Schuhkalander liegt in einem Bereich von 70
bis 100 ShA. Längere
Walzenspalte von etwa 270 mm wurden in Pressen verwendet, die auf
einer Schuhwalze beruhen.
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US 4,444,556 offenbart ein
Kühlgerät, in dem ein
heißes
Metallrohr oder dergleichen sich axial entlang eines Pfades bewegt,
der sich durch Kühlflüssigkeitsdüsen zum
Abschrecken oder kontrolliertem Kühlen erstreckt.
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GB 906 029 offenbart ein
Verfahren zum Abschrecken erhitzter Arbeitswalzen von verschiedener Form
durch Richten einer Abschreckflüssigkeit
auf und um die Arbeitswalze herum von einer kreisförmigen Abschreckeinheit,
so daß die
Flüssigkeit
in der Form einer Hülle
oder eines Strumpfes herunterfließt.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer Walze gemäß der Erfindung ist zur Verwendung
bei der Herstellung von Walzen nicht geeignet, welche in Lang-Nip-Kalandern
gemäß des Standes
der Technik verwendet werden.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur
Herstellung eines Walzenmantels zur Verfügung zu stellen, wobei das
Verfahren das Vermeiden von Nachteilen und Problemen erlaubt, die
mit dem Stand der Technik verbunden sind, oder diese zumindest im
wesentlichen verringert. Mit einem Blick auf das Erreichen dieses
Ziels wird die Erfindung durch den Gegenstand des Patentanspruches
1 gekennzeichnet.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ein rohrförmiger
Mantel einer Thermowalze aus einem legierten Stahl hergestellt,
zum Beispiel aus einem abgeschreckten und getemperten Stahl, so
daß zunächst ein
bearbeiteter Stahlrohling hergestellt wird, welcher danach in einer
geeigneten Art und Weise wärmebehandelt
wird, um die geeigneten Eigenschaften zu erreichen. Die Wärmebehandlung wird
in einer Art und Weise ausgeführt,
in welcher die Bildung und Auflösung
von Austenit auftritt. Das Ziel der Wärmebehandlung ist es, den Walzenmantel
mit einer harten und verschleißfesten
Oberfläche
zu versehen, so daß die
Walze für
die Verwendung zum Beispiel als heizbare Walze in einem Kalander
geeignet ist. Andererseits soll die hergestellte Oberfläche und
die grundlegende Struktur des Materials der Walze so sein, daß sie zum
Beschichten und/oder nicht Beschichten geeignet ist. Ferner sollen
die Eigenschaften des Materials der Walze nach der Wärmebehandlung
so sein, daß es
in dem Walzenmantel keine schädlichen
Spannungen gibt, welche einen Bruch der Walze als Ergebnis von abrupten
Temperaturveränderungen
hervorrufen können.
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Der
Walzenmantel gemäß der Erfindung
wird aus einem gut gehärteten
Stahl, zum Beispiel aus einem abgeschreckten und getemperten legierten Stahl,
hergestellt. Als eine sehr geeignete Güteklasse, ist der Stahl 34NiCrMo6
zur Herstellung geeignet. Die gewünschten Eigenschaften werden
so erhalten, daß,
wenn der Mantelrohling (Stahlrohling) hergestellt wurde, er wärmebehandelt
wird, so daß der Rohling
dem Härtungs-Erhitzen auf eine
hohe Temperatur über
der Temperatur der Bildung von Austenit unterzogen wird, das heißt auf einen
Bereich von etwa 820 bis 920 °C.
Das Abschrecken des Rohlings wird danach durchgeführt, um
den Rohling zu härten, das
heißt,
um Martensit in der Struktur zu bilden. Das Abschrecken wird in
einem Medium zum Beispiel in einem Becken ausgeführt. Das Medium kann eine Flüssigkeit,
zum Beispiel Wasser oder eine flüssige Mischung,
eine Gasmischung, oder eine Kombination einer Flüssigkeit und einer Gasmischung,
sein.
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Das
Abschrecken kann ebenso durch ein Fluidbettverfahren ausgeführt werden.
Es ist wesentlich, daß vor
dem Abschrecken die Enden des Mantelrohlings verschlossen werden,
oder Wasser oder ein anderes Abschreckmedium durch andere Mittel daran
gehindert wird, in das Innere des Rohlings zu der inneren Oberfläche des
Rohlings zu gelangen. Dies stellt den Nutzen dar, daß in Verbindung
mit dem Abschrecken das Härten,
das heißt
die Bildung von Martensit, nur von der äußeren Oberfläche des Mantelrohlings
beginnt, von welchem das Kühlen
in einer gerichteten Art und Weise in das Material einwärts fortschreitet.
Demzufolge werden als Regel in der Erfindung die inneren Abschnitte
des Walzenmaterials bei jeder Rate nicht vollständig gehärtet. Wenn in der Erfindung
zum Beispiel die Durchhärtung
der Wand des Materials verhindert wird, wird die Verschleißfestigkeit
des Walzenmaterials verbessert. Das Tempern und Abbauen von verbleibenden
Spannungen kann nach dem Abschrecken ausgeführt werden. Bei der Herstellung
gemäß des Verfahrens der
Erfindung wird der Walzenmantel metallurgisch sehr stabil hergestellt.
Wenn die Erfindung insbesondere für die Herstellung eines Thermowalzenmantels gedacht
ist, sollte der Mantel zusätzlich
mit Perforationen für
die Zirkulation eines Heizmediums versehen werden. Diese Löcher oder
axialen Bohrungen können
in dem Walzenmantel entweder vor dem Härten oder nach dem Härten gebildet
werden.
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Auf
diese Weise treten Veränderungen
der Mikrostruktur des Materials von einer martensitischen Struktur
zu einer bainitischen oder einer bainitisch-martensitischen oder einer bainitischen-ferritischen
Struktur oder zu Kombinationen von diesen stufenlos auf. Dies ermöglicht,
neutrale Spannungen oder Druckspannungen vorteilhafterweise in der äußeren Oberfläche des
Mantels zu bilden, von welchem das Kühlen beginnt, weil mit dem
Fortschreiten des Kühlens
die Abnahme im Volumen des Materials in der Richtung von der Oberfläche zum
Inneren hin kleiner wird. Da ein neutraler Spannungszustand oder
eine Druckspannung in der äußeren Oberfläche erzeugt
wird, läuft
die Walze nicht Gefahr, beschädigt zu
werden oder zu brechen, selbst wenn abrupte Veränderungen der Temperatur in
einer endbearbeiteten Walze während
ihrer Verwendung auftreten. Solche Veränderungen sind möglich, wenn
zum Beispiel eine Flüssigkeit,
zum Beispiel Wasser, auf eine heiße Walzenoberfläche geleitet
wird. Wenn Zugspannungen in der Oberfläche verbleiben, kann schnelles
Abkühlen
einer heißen
Walze den Bruch der Walze hervorrufen. Die Bildung von Zugspannung
in der Oberfläche
der Walze wird mit Hilfe der Erfindung verhindert.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Walzenmantels
auf dem Wege eines Beispiels beschrieben.
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Der Stahl, welcher als
Material verwendet wurde
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- – DIN
34NiCrMo6, Identifikationsnummer 1.6582
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Analyse:
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- – C-%
0,30–0,38,
Si-% ≤ 0,4,
Mn-% 0,5–0,8,
P-% < 0,035, S% < 0,035, Cr-% 1,3–1,7, Mo-% 0,15–0,30, Ni-%
1,3–1,7
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Mechanische Werte:
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- – Zugspannung
1000–1200
N/mm2
- – Verlängerung
von einem transversal genommenen Zugspannungsprüfbarren ≤ 12
- – Härte 350–500 HV20
- – Wärmebeständigkeit
300 °C etwa –15
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Mikrostruktur in der Oberfläche:
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- – 100
% getemperter Martensit
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Das
Schmelzen des Stahls findet in einem Elektrolichtbogenofen (EAF)
statt, und das ausreichende Legieren wie auch das Festsetzen der
Temperatur finden in einem Auslagerungsofen (LF) statt, welcher
mit einem elektromagnetischen Rührer
versehen ist. Das Gießen
wird durch aufrinnendes Gießen
in eine Gußblockform
ausgeführt.
Wenn der Guß verfestigt
und auf etwa 600°C
abgekühlt
ist, wird er zu einer Schmiede und in einen Heizofen bewegt, in welchem
er auf eine Temperatur von etwa 1200 bis 1285 °C erhitzt wird, bei der das
Schmieden begonnen wird und welches die Temperatur des Ofens ist.
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Der
Walzenmantel (Rohr) wird aus dem Guß durch Schmieden als freies
Schmieden hergestellt. Vorteilhafterweise wird eine stabile hydraulische Presse
beim Schmieden angewendet, welche es möglich macht, stabile Werkzeuge
zu verwenden, mit Hilfe derer die niedrige Dichte in der Mitte des
Gusses komprimiert werden kann. In einem röhrenförmigen Schmieden wird der Abschnitt
mit niedriger Dichte in der Mitte ausgeschnitten, so daß ein Rohling
für ein
Mittelloch gebildet wird. Schlackematerialien und andere Fehler,
welche sich in dem Guß angesammelt haben,
werden aus der Gußmasse
in Verbindung mit dem Schmieden entfernt. Die Herstellung mit röhrenförmigem Schmieden
findet durch Aufpressen auf einen Dorn statt. Wenn in der zuvor
beschriebenen Art und Weise geschmiedet wird, kann der Grad der
Deformation des Walzenrohres gut einheitlich eingestellt werden.
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Nach
dem Schmieden werden Wärmebehandlungen
ausgeführt,
so daß ein
erstes Abkühlen in
Luft stattfindet. Dies wird augenblicklich gefolgt durch Normalisieren
bei 820 bis 900 °C,
nach welchem freies Kühlen
in Luft stattfindet. Direkt danach wird ein leichtes Auslagern bei
etwa 630 bis 700 °C ausgeführt, auf
das Kühlen
auf Raumtemperatur folgt. Der auf diese Weise wärmbehandelte Stahl ist für eine Abschreck-
und eine Temper-Behandlung feinkörnig
und leicht angelassen.
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Da
die Oberfläche
des Rohlings sauber werden muß,
wird der Rohling einer groben mechanischen Behandlung unterzogen,
bevor er auf ein gewünschtes
Festigkeits-/Härteniveau
abgeschreckt und getempert wird. In diesem Zusammenhang ist leichtes
Anlassen von Vorteil, weil normalerweise eine große Menge
von Material entfernt werden muß. Abschrecken
und Tempern, das heißt
Aufheizen auf den Austenitbereich und Tempern nach dem Härten werden
in einem Ofen ausgeführt.
Das Abschrecken kann in ein flüssiges
Becken zum Beispiel in ein Ölbecken
oder Wasserbecken ausgeführt
werden. Oder das Abschrecken kann als Luftabschrecken ausgeführt werden.
Da die Anforderungen für
das Festigkeitsniveau des Stückes
hoch sind, ist es vorteilhaft, daß die Walzenmantelrohlinge
in Wasser abgeschreckt werden. Das Tempern wird direkt nach dem
Abschrecken bei einer Temperatur von etwa 340 bis 660 °C ausgeführt. Da
es eine Frage der Herstellung eines Walzenmantels einer sogenannten
Thermowalze ist, sollte der Mantel weiter mit im wesentlichen axialen
peripheren Bohrungen zum Zirkulieren eines Heizmediums in der endverarbeiteten
Walze versehen werden. Diese peripheren Bohrungen können hergestellt
werden, wenn der Mantel in einem abgeschreckten und getemperten
Zustand ist.
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Die
Erfindung ist nicht strikt auf die vorstehend gegebenen Beschreibung
oder die spezielle Ausführungsform
der Erfindung, wie sie in der Beschreibung dargelegt ist, eingegrenzt.
Aber die verschiedenen Arten des Betriebes der Erfindung können in
der erfinderischen Idee variiert werden, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.