-
Die
Erfindung betrifft eine Walze gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
-
In
der JP-A-52121510 ist eine Quetschwalze einer Papiermaschine offenbart,
die aus Stahl hergestellt ist.
-
Von
dem Stand der Technik sind verschiedene Kalandrierungskonzepte bekannt,
wobei eines davon die Kalandrierung mit langem Walzenspalt ist.
Die Kalandrierung mit langem Walzenspalt kann auf der Schuhpresstechnologie
oder einer Band-/Walzentechnologie basieren. Bei der Schuhkalandrierung
wird die von dem Pressbereich bekannte Schuhpresstechnologie verwendet,
wobei die Schuhwalze Belastungselemente, ein Schmierölsystem
und ein Band umfasst. Als weitere Walze des Kalanderwalzenspaltes
wird eine Thermowalze verwendet, wobei es sich bei dieser Walze
um eine wasser-, dampföl-
oder induktionsbeheizte Walze handeln kann. Ein Bandkalander umfasst
eine Thermowalze, eine Bandschleife und eine Stützwalze, bei der es sich entweder
um eine harte oder eine weiche Walze handeln kann, und das Band über die
Stützwalze
und die Führungs- /Spannrollen umläuft. Bei
dem Kalandrierungsprozess mit langem Walzenspalt werden große Mengen an
Wärme von
der Thermowalze zu dem Papier übertragen
und die große
Wärme erzeugt
hohe thermische Belastungen und schnelle Belastungsgradienten in
der Thermowalze, wobei in diesem Fall die Eigenschaften (Haltbarkeit)
der gegenwärtig
verwendeten Gusseisenwalzen für
die gewünschten
Prozessbedingungen nicht mehr ausreichend sind. Zusätzlich können sich
die Belastungszustände
in der Walze während
ihrer Verwendung in Richtung der Dicke des Werkstoffes der Walze
verändern,
wogegen die heute verwendeten Werkstoffe, zum Beispiel Kokillenguss,
nur wenig beständig
sind.
-
Bei
den heutigen Papier- und Kartonmaschinen ist der Kalandrierungsprozess
oftmals in Form einer Online-Einheit
mit einer Papier- oder Kartonmaschine verbunden, wobei in diesem
Fall zum Beispiel das Wechseln und Reinigen der Walze schnell erfolgen
muss, um die Verschwendung wertvoller Kapazität zu vermeiden. Dies ist problematisch,
da entsprechend den Arbeitsschutzbestimmungen die Temperatur einer
heißen
Walze unter 60°C
liegen muss, bevor sie gewechselt werden darf, wobei die Betriebstemperatur
der Walze etwa 200°C
beträgt.
Gekühlte
Walzen nach dem Stand der Technik sind gegen eine Temperaturwechselrate von
2°C/min.
beständig,
weshalb in Verbindung mit dem Wechseln oder Reinigen der Walze eine
beträchtliche Zeitdauer
und Kapazität
verloren ging. Dies hat teilweise zu dem Versuch geführt, die
Walzen zum Beispiel mit einem Druckreini ger schnell zu reinigen,
mit dem Ergebnis, dass die Walze im Verhältnis zu ihrer Festigkeit zu schnell
abkühlt,
wodurch die Walze möglicherweise
schwer beschädigt
werden kann.
-
Walzen,
die eine Stahloberfläche
aufweisen, sind ebenfalls vom Stand der Technik bekannt, wobei ein Beispiel
in dem U.S.-Patent 6,203,307 offenbart ist. In dem Heißkalander
mit weichem Walzenspalt, der in dem Patent offenbart ist, werden
Walzen mit einer äußeren Oberfläche aus
Stahl als zu heizende Kalanderwalzen verwendet. Bei der traditionellen
Weichkalandrierung sind die übertragenen
Wärmemengen
jedoch beträchtlich
kleiner als bei der Kalandrierung mit langem Walzenspalt.
-
Anordnungen,
bei denen die Verschleißfestigkeit
der Stahlwalze durch einen Überzug
bereitgestellt wurde, sind vom Stand der Technik bekannt. Einige
dieser Anordnungen sind in den U.S.-Patenten 4,452,647 und 5,167,068
offenbart.
-
Im
Verhältnis
zu dem Stand der Technik wird auch auf die US-A-5,334,125 und die
EP-A-369 968 Bezug genommen. In dem U.S.-Patent 5,334,125 ist eine
Martensitwalze offenbart, die einen Gusseisenmantel aufweist. Die
Deckschicht des Walzenmantels ist so gehärtet und vergütet, dass
die Struktur der Deckschicht des Walzenmantels martensitisch ist.
In der veröffentlichen
EP-Anmeldung 369 968 ist eine Anordnung in einer Papiermaschine
offenbart, bei der die Oberflächeneigen schaften
einer Walze und/oder von Walzen durch die Regulierung der Temperatur
der Walzenoberfläche
mittels einer externen Heizvorrichtung bewirkt werden. Bei der Anordnung
werden eine solche Kombination der Heizvorrichtung und ein solcher
Walzenüberzug
verwendet, dass die Heizstrahlung durch das Papier oder nur direkt
auf die Walzenoberfläche
dringt, die Walze selbst in einer größeren Tiefe jedoch nicht aufheizt.
-
Bei
dem Kalandrierungsprozess mit langem Walzenspalt werden ein sehr
langer Walzenspalt, der typischerweise über 30 mm lang ist, und hohe
Temperaturen benötigt,
wobei die Oberflächentemperatur
der Walze typischerweise über
160°C beträgt (das
Innere der Walze kann beträchtlich
heißer
sein) und möglicherweise
die Befeuchtung der Papier-/Kartonbahn mit Wasser oder Dampf benötigt. Diese
Faktoren ermöglichen keine
Herstellung der Maschine, insbesondere der Thermowalze des Walzenspaltes
mittels der traditionellen Technik, oder wenn eine traditionelle
Herstellung erfolgt, weist die Maschine im Falle Eines Prozessfehlers
eine niedrige Fehlertoleranz auf.
-
Bei
modernen Papier- und Kartonmaschinen werden Walzen, insbesondere
Quetschwalzen benötigt, die
gegen dramatische Veränderungen
bei den Prozessbedingungen beständig
sind, wobei eine wichtige Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung
einer solchen Walze besteht.
-
Eine
besondere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Kalanderwalze für
einen langen Walzenspalt, die gegen die hohen thermischen Belastungen
beständig
ist, die durch den Prozess mit langem Walzenspalt verursacht werden,
und die eine effiziente Wärmeübertragung
zu Papier ermöglicht.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer gegen
Thermoschock beständigen
Walze. Thermoschock wurde zum Beispiel in dem Buch „The Science
and Engineering of Materials" (Wissenschaft und
Verarbeitung von Werkstoffen) von Donald R. Askeland, Seiten 740–741, Chapman & Hall (Dritte
S.I. Ausgabe) abgehandelt.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung besteht auch in der Bereitstellung einer Walze,
die gegen schnelle Temperaturveränderungen
beständig
ist.
-
Um
die zuvor erwähnten
Aufgaben und die sich später
herausstellenden zu lösen,
ist die Kalanderwalze für
einen langen Walzenspalt gemäß der Erfindung
hauptsächlich
durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch
1 präsentiert
ist.
-
Das
der Erfindung zu Grunde liegende Problem kann auf neue und erfindungsgemäße Art durch
den Wechsel des verwendeten Werkstoffes, d. h. von Gusseisen zu
Stahl, gelöst
werden, was bedeutet, dass die heizbare Thermowalze eines Kalanders
mit langem Walzenspalt gemäß der Erfindung
aus Stahl hergestellt wird.
-
Die
Walze gemäß der Erfindung
ist gegen Thermoschock beständig,
wobei ihr Thermoschockkoeffizient über 6000 W/m2 beträgt, was
auf die Eigenschaften der Walze zurückzuführen ist: Duktilität, sehr
hohe Festigkeitseigenschaften, Verschleißfestigkeit. Eine Walze, die
gleichzeitig diese drei wichtigen Eigenschaften aufweist, ist vom
Stand der Technik nicht bekannt. Der Werkstoff der Walze gemäß der Erfindung
ist rein und in Richtung der Dicke der Wand homogen; am besten ist
die gesamte an dem Wärmeübertragungsprozess
beteiligte Schicht homogen, d. h. umfasst eine Phase, d. h. eine
Kristallstruktur. Am vorteilhaftesten besteht die Walzenwand aus
Martensit oder Bainit, und enthält
kein zurückgehaltenes
Austenit. Die Walze kann auch vollständig homogen sein.
-
Die
Dynamikeigenschaften der Walze gemäß der Erfindung liegen auf
einem hohen Niveau, wodurch die Vibrationsprobleme verringert werden.
-
Die
Eigenschaften der Walze gemäß der Erfindung,
bei der es sich am besten um eine Walze in einem abgeschreckten
und vergüteten
Zustand handelt, sind vorzugsweise die Folgenden: Oberflächenhärte beträgt 400-500 HV20,
Elastizitätsmodul
beträgt über 200000
MPa, Zugfestigkeit über
1000 MPa, Biegezeitstandsfestigkeit über 350 MPa, Wärmeleitfähigkeit über 30 W/mK,
Bruchdehnung über
7% dynamische Duktilität über 20 J.
-
Die
Walze gemäß der Erfindung
ist ebenfalls inbesondere gut zur Verwendung in zukünftigen
Prozessen geeignet, da sie auf Grund guter Duktilitäts-, Festigkeits- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften
sehr haltbar ist, wobei ihre Struktur außerdem sehr homogen ist, was
ihre Haltbarkeit weiter erhöht.
-
Der
Werkstoff der Walze gemäß der Erfindung
ist am vorteilhaftesten vergüteter
Stahl, und seine Kristallstruktur ist am besten martensitisch oder
bainitisch. Am vorteilhaftesten ist der Werkstoff der Walze gemäß der Erfindung
homogener Vergütungsstahl,
der induktionsgehärtet
und -vergütet
ist.
-
In
dieser Beschreibung bezieht sich Quetschwalze auf eine Walze, die
einen Walzenspalt mit einer anderen Walze ausbildet, wobei der Kontakt
zwischen den Walzen gewöhnlich
in MPa-Einheiten angegeben wird, und die Walzenspaltlänge über 4 mm
beträgt.
-
Gemäß eines
vorteilhaften Merkmales der Erfindung können die Oberflächeneigenschaften
der Walze, zum Beispiel Härte,
wenn notwendig durch einen harten Überzug der Walze verändert werden,
wodurch die Härte
des Grundwerkstoffes der Walze in der Größenordnung von 250 MPa liegen
kann.
-
Die
Walze gemäß der Erfindung
weist vorteilhafterweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften
auf:
- – Der
Mantel der Walze ist aus einer Stahlplatte geschmiedet, oder aus
Stahl gegossen oder anders aus Stahl hergestellt, zum Beispiel durch
Biegen aus einer Platte.
- – Die
Walze wird zum Beispiel mittels eines innerhalb der Walze fließenden Wärmeübertragungsmediums geheizt,
zum Beispiel mittels Wasser, Dampf, Öl, Luft; durch Widerstände, externe
oder interne Induktion; es kann eine Wärmeproduktion innerhalb der
Walze vorhanden sein, oder mittels einer Kombination von zwei oder
mehr der oben genannten Elemente. Die Walze wird am besten so geheizt,
dass die Wärme gleichmäßig über die
Oberfläche
des Mantels der Walze verteilt wird.
- – Der
Stahlmantel der Walze kann mit einem verschleißfesten Werkstoff beschichtet
werden (zum Beispiel Schweißen
oder Plasmaspritzen), mit dem die Oberflächenhärte erhöht wird. Der Überzug kann
auch als Schutz gegen chemischen Verschleiß dienen.
- – Der
Stahlmantel der Walze ist oberflächengehärtet oder
durchgehärtet
oder ungehärtet.
Geeignete Härtungsverfahren
umfassen zum Beispiel Induktionshärten, Flammhärten, Laserhärten, Einsatzhärten, Nitrathärten oder
eine andere Wärmebehandlung
in der Art gemäß der Abschreckungs-
und Vergütungsbehandlung.
- – Die
Stahlwalze kann auch mit einem oder mehreren unterschiedlichen Werkstoffen
hergestellt werden.
- – Die
aus einem anderen Werkstoff hergestellte Walzenoberfläche kann
auch ein mehrere Millimeter dicker Mantel sein, der den inneren
Teil der Walze umhüllt,
zum Beispiel ein Stahlmantel über
einem Mittelabschnitt aus Gusseisen.
- – Die
Struktur der Walze kann die Verdunstung von Wasser in dem Walzenspalt
ermöglichen.
Die Walze kann eine herkömmliche
Walze sein, oder die Walze kann nur aus einem sich drehenden Mantel
ausgebildet sein, wie zum Beispiel eine Walze, die derjenigen ähnlich ist,
die von dem Anmelder unter dem Warenzeichen SymRoll vermarktet wird.
- – Die
Walze kann mittels eines Mediums, zum Beispiel Wasser, gekühlt und
erwärmt
werden. Die Eigenschaften der Walzenoberfläche, zum Beispiel Härte und
Wärmeleitfähigkeit,
können
in Querrichtung der Maschine (Richtung der Walzenachse) variieren.
-
Thermoschocks,
d. h. Wärmeschock
in Werkstoffen, werden durch mehrere Faktoren beeinflusst: durch
den Wärmeausdehnungskoeffizienten,
Wärmeleitfähigkeit,
Elastizitätsmodul,
Bruchdehnungsbeanspruchung und Phasenübergänge. Thermoschock kann somit
von der folgenden Gleichung
abgeleitet werden wobei
σ
f =
die Bruchdehnungsbeanspruchung des Werkstoffes, k = die Wärmeleitfähigkeit,
E = das Elastizitätsmodul und α = der lineare
Wärmeausdehnungskoeffizient.
-
Die
Walze gemäß der Erfindung
ist vorteilhafterweise zur Verwendung als eine Quetschwalze einer Papier-
oder Kartonmaschine insbesondere in Walzenspalten geeignet, in denen
eine große
Wärmeübertragung
von der Walze zu der Bahn auftritt. Vorteilhafte Anwendungen sind
zum Beispiel die Thermowalze eines Kalanders (zum Beispiel Super-,
Mehrfachwalzen-, OptiLoad-, -Kalander mit langem Walzenspalt, und
Weichkalander).
-
Die
Walze gemäß der Erfindung
ist gegen schnelle Temperaturveränderungen
beständig,
wobei zum Beispiel nicht so viel Zeit zum Wechseln oder Reinigen
derselben erforderlich ist, und zusätzlich die Heiz- und Kühlphasen,
in denen eine Menge an Kapazität
verloren geht, natürlich
beträchtlich
schneller werden.
-
Die
folgende Tabelle stellt auf beispielhafte Art einen Vergleich zwischen
den Werkstoffeigenschaften einer Walze nach dem Stand der Technik
dar, die aus Kokillengusswerkstoff hergestellt ist, sowie einer
Walze aus angelassenem Stahl, gemäß einer zu bevorzugenden Anwendung
der Erfindung.
-