DE60302657T2

DE60302657T2 - Quetschwalze einer papier- oder kartonmaschine

Info

Publication number: DE60302657T2
Application number: DE60302657T
Authority: DE
Inventors: Eero Suomi; Markus Laitila; Timo Torvi; Hannu Vuorikari
Original assignee: Metso Paper Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: US20050113231A1; FI20020465A; AU2003209787A1; DE60302657D1; EP1483445B1; FI115064B; AU2003209787A8; FI20020465A0; EP1483445A2; WO2003076714A2; WO2003076714A3; JP2005520062A; ATE312236T1

Description

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.

Claims

Quetschwalze einer Papier- oder Kartonmaschine, wobei die Walze eine aus Stahl hergestellte beheizbare Walze ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturwechselbeständigkeit der Walze über 6000 W/m² beträgt, und dass die Walze eine Zugfestigkeit von über 1000 MPa, eine Bruchdehnung von über 7%, eine dynamische Duktilität von über 20 J und eine Oberflächenhärte von über HV₂₀-aufweist.
Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Walze Vergütungsstahl ist.
Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Walze zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit hartbeschichtet wurde.
Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Walze zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit wärmebehandelt, vorzugsweise induktionsgehärtet wurde.
Walze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen des Stahls bei einer Grundhärte von etwa 250 HV₂₀, bzw. die Vergütung bei einer Härte von über 400 HV₂₀-erfolgt.
Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel der Walze zwei oder mehr unterschiedliche Werkstoffe umfasst.
Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze eine Walze eines Kalanders mit langem Walzenspalt ist.