DE69218607T3

DE69218607T3 - Verfahren und vorrichtung zum kalandern von papier mit von innen beheizter walze

Info

Publication number: DE69218607T3
Application number: DE69218607T
Authority: DE
Inventors: Eric Ellis; Fred Ferrari; Gregory Hale; Joyce M. Harrington; Kenneth Jewett; John Mattor; Abbot Mosher; John Peterson; Douglas A. Quist
Original assignee: Warren SD Co
Current assignee: Warren SD Co
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1992-05-13
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2012-05-14
Also published as: ES2099263T5; DE69230413D1; ATE187515T1; DE69218607D1; EP0598737B2; EP0710741A3; ES2142451T3; ES2099263T3; DE69218607T2; EP0598737A4; CA2097724C; CA2097724A1; ATE150818T1; FI98940B; EP0710741A2; EP0598737A1; WO1993023617A1; EP0598737B1; DE69230413T2; CA2196621A1

Description

BEREICH DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und eine Ausrüstung zur Herstellung von Druckpapier und insbesondere eine beheizte Kalandrierungswalze zum Kalandrieren von Druckpapier bei hohen Temperaturen und Drücken.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Einer der wichtigsten Schritte bei der Herstellung von qualitativ hochwertigem Druckpapier, sei es beschichtet oder unbeschichtet, ist das Kalandrieren der Papierbahn, um deren Oberfläche Glanz und Glattheit zu verleihen. Zum Kalandrieren von Papier gibt es eine Reihe unterschiedlicher Verfahren. Ein für die Herstellung von Produkt höchster Qualität seit langem zum Einsatz kommendes Verfahren ist das Superkalandrieren. Satinierkalandrieren ist ein weiterer Prozess, der zwar kein Papier mit der Qualität des superkalandrierten Papiers erzeugt, aber Prozessvorteile gegenüber dem Superkalandrieren hat. Substrata-Wärmeformen ist ein vor kurzem entwickelter Kalandrierungsprozess, der die Prozessvorteile des Satinierkalandrieren mit den Qualitätsvorteilen des Superkalandrierens kombiniert.
Substrata-Wärmeformen wird in den US-Patenten Nr. 4,624,744 und 4,749,445 beschrieben. Dabei wird ein Kalandrierungsquetschspalt benutzt, der durch eine erhitzte Metallwalze und eine elastische Druckwalze gebildet wird. Die Metallwalze wird auf eine Temperatur erhitzt, die höher ist als die der Satinierkalandrierungsausrüstung. Die erforderliche Temperatur variiert mit Änderungen der Prozessbedingungen, liegt aber überlicherweise über 148,9ºC (300ºF) auf der Oberfläche der Metallwalze. Es ist auch ein sehr hoher Quetschspaltendruck von über 1,379 · 10&sup7; pa (2000 psi) erforderlich, der Quetschspaltbelastungen über 175.000 Newton pro Meter (N/m) (1000 pli) Kalanderbreite und typischerweise zwischen 262.500 und 350.000 N/m (1500 bis 2000 pli) erfordert.
Die erhitzte Kalandrierungswalze zum Satinierkalandriren ist typischerweise ein dünnwandiger Metallhohlzylinder oder eine Trommel, die intern mit Dampf bei Temperaturen von bis zu etwa 176,7ºC (350ºF) erhitzt wird. Die Trommel besteht aus Hartgusseisen, Schmiedeeisen oder verchromtem Schmiedeeisen, so dass sich eine harte, abriebfeste Oberfläche ergibt, die dauerhaft hochglanzpoliert werden kann. Verchromte Trommeln ergeben eine ausgezeichnete polierte Oberfläche, die bei Betrieb jedoch leicht zerkratzt wird. Die Satinierkalandriertrommel hat sich zum Kalandrieren bei mäßigen Satinierkalandrierungstemperaturen und -drücken als zufriedenstellend erwiesen, aber nicht unter den Bedingungen, die für Substrata-Wärmeformen notwendig sind. Die für die hohen Quetschspaltlasten des Substrata-Wärmeformens erforderliche Steifigkeit der Kalandrierungswalze erfordert Walzen mit weitaus dickeren Umfangswänden, die bei über 0,1016 m (4 Zoll) liegen. Die höheren Temperaturerfordernisse des Substrata-Wärmeformens haben zusätzliche Anforderungen an die erhitzte Walze gestellt. Es werden weitaus heißere innere Heiziluide benötigt. Dies erforderte den Einsatz von Fluiden mit höherem Siedepunkt, wie z. B. Öle. Die heißeren inneren Fluidtemperaturen erfordern eine Plazierung der Fluidkanäle in der Nähe der Walzenoberfläche, um den Wärmeflusswiderstand der Walzenoberfläche zu verringern. Die Benutzung mehrerer Quetschspalten bei jeder erhitzten Walze, was bei der Durchführung des Substrata-Wärmeformens von Vorteil ist, führt zu einer weiteren Erhöhung der thermischen Anforderungen. Es hat sich herausgestellt, dass ein zweiter Quetschspalt die Wärmebelastung um etwa 30% über die für einen einzigen Quetschspalt erforderliche hinaus erhöhen kann.
Eine Walzenform, die beim Substrata-Wärmeformen zur Anwendung kommt, ist die Tri- Pass-Walze, die von SHW Corporation hergestellt wird. Die Tri-Pass-Walze ist eine Hartgusseisenwalze mit einer sehr dicken Zylinderwandung, typischerweise von etwa 0,1778 bis 0,2794 m (7 bis 11 Zoll). Durch die Walzenoberfläche sind in axialer Richtung Löcher gebohrt, die als Kanäle für das Heizfluid dienen. Hartgusseisenwalzen haben eine Außenschicht aus hartem Weißgusseisen, eine Innenstruktur aus Graugusseisen und eine Zwischenschicht aus meliertem Eisen, mit Eigenschaften, die zwischen weißem und grauem Eisen liegen. Die Fluidlöcher werden vorzugsweise durch das weichere Graueisen gebohrt, so dass sie sich so nahe wie möglich an der Grenzfläche zwischen dem melierten Eisen und dem Graueisen befinden. Die Dicke des Weißeisens liegt üblicherweise zwischen 6,35 · 10&supmin;³ m und 1,9 · 10&supmin;² m (1/4 Zoll bis 3/4 Zoll), und die Dicke des melierten Eisens liegt üblicherweise zwischen 0,0254 m und 0,0381 m (1 Zoll bis 1 1/2 Zoll). Dadurch haben die Löcher einen Abstand von etwa 0,0508 m (2 Zoll) von der Oberfläche. Außer dem Nachteil, dass die Löcher weiter von der Oberfläche entfernt sein müssen, erschwert das melierte Eisen auch aufgrund einer unregelmäßigen Positionierung der Grenzfläche ein gerades Bohren der Löcher.
Die Wärmeleitfähigkeit des Weißeisens (22,48 w/m.k) (13 BTU/Hr.Ft ºF) und des melierten Eisens (29,40 w/mk) (17 BTU/Hr.Ft. ºF) ist niedriger als die Wärmeleitfähigkeit des Graueisens (43,3 w/mk) (25 BTU/Hr.Ft ºF), wodurch sich ein Vorteil und ein Nachteil bei der Leitung von Wärme zur Oberfläche ergibt. Wärme muss von den Löchern zur Oberfläche an Punkten auf der Oberfläche zwischen den Löchern größere Strecken zurücklegen. Die geringere Leitfähigkeit des Weißeisens und des melierten Eisens mäßigt die Variation der Oberflächentemperatur, was wiederum zu einer einheitlicheren Oberflächengüte des Papiers führt. Die geringere Leitfähigkeit gekoppelt mit den extremen Wärmeanforderungen des Substrata-Wärmeformens führt jedoch zu einem sehr starken Temperaturabfall von den Wärmefluidkanälen zur Oberfläche der Trommel. Bei gewerblichen Vorgängen kann es zu Abfällen von 65,5ºC (150ºF) und mehr kommen. Die weitaus höhere Temperatur im Inneren der Walze erzeugt eine größere Wärmeausdehnung als die niedrigere Temperatur auf der Oberfläche, was zur Erzeugung hoher Zugspannungsbelastungen führt. Die Spannungsbelastungen können so groß sein, dass die Zugfestigkeit des kalten Materials überschritten und die Hartgusseisenwalze zerstört wird. Nur niedrigere Temperaturen oder geringere Betriebsgeschwindigkeiten lassen sichere Vorgänge zu. Die sichere Betriebsgrenze liegt unter 22.067 w/m² (7.000 BTU/sq.Ft./Hr) Wärmefluss durch die Walzen für Hartgusseisenwalzen. Eine Lösung zur Reduzierung des Wärmeflusses durch die Walze besteht darin, die erforderliche Wärme ganz oder teilweise aus externen Quellen zur Oberfläche der Walze zu führen, wie z. B. durch Induktionserhitzen der Oberfläche. Extern montierte Vorrichtungen sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend, da sie einen geringen Energiewirkungsgrad haben. Sie ergeben keine gleichförmige Oberflächentemperatur über die Breiten von Walzen kommerzieller Größen. Sie erzeugen Hindernisse im Pfad der Papierbahn und zusätzliche Betriebsprobleme. Eine intern erhitzte Walze wäre zufriedenstellender, wenn die Zugspannungsbelastungen auf einem akzeptablen Niveau für das gewählte Material gehalten werden können.
Für Hartgusseisenwalzen Ersatz zu finden ist nicht einfach. Die vorteilhaften Eigenschaften der Weißeisenoberfläche sind in anderen Materialien nur schwer zu finden. Die Oberfläche muss in der Lage sein, Hochglanz zu entwickeln. Sie muss hart genug sein, um der Degenerierung der polierten Oberfläche bei Auftreten von scheuernden Papierbeschichtungsmaterialien, der scheuernden Wirkung eines Reinigungsrakelmessers und einer korrodierenden Umgebung zu widerstehen. Sie muss die Oberflächeneigenschaften aufweisen, die notwendig sind, damit das Papier und die Beschichtung nach dem Kalandrieren sauber abgelöst werden können, wie z. B. eine geeignete Oberflächenenergie- und Polaritätskomponente.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine innen beheizte Kalandrierungswalze bereitgestellt, die in der Lage ist, Papier zufliedenstellend mit den Temperaturen, Wärmebelastungen und Drücken zu fertigen, die zum Substrata-Wärmeformen erforderlich sind, wobei die Walze folgendes umfasst:
A. eine Umfangswand von wenigstens 0,1016 m (4 Zoll) Dicke;
B. ein Mittel zum Zuführen von Wärme in das Innere der Umfangswand, wobei die Wärme durch die Wand zur Außenseite zum Aufheizen der durch die Walze kalandrierten Papierbahn geleitet wird, wobei das Mittel zum Zuführen von Wärme gleichmäßig beabstandete Kanäle in dieser Umfangswand zum Befördern von erhitztem Fluid aufweist und sich nicht mehr als 0,0508 m (2 Zoll) vom Außenrand der Kanäle zur Umfangsoberfläche befindet, dadurch gekennzeichnet, dass
C. die Walze aus einem ersten Material mit einer dünnen Umfangsoberflächenschicht aus einem zweiten Cermet oder Keramik enthaltenden Material konstruiert ist; wobei das genannte erste Material der Walze ausgewählt wird aus Schmiedestahl, Gussstahl, schalenfreiem Gusseisen und sphärolithischem Eisen;
D. das Material der Oberflächenschicht eine Härte von wenigstens 530 Vickers und eine Dicke zwischen 7,62 · 10&supmin;&sup5; m (0,003 Zoll) und 7,62 · 10&supmin;&sup4; m (0,030 Zoll) aufweist und auf eine Rauigkeit von weniger als 1,52 · 10&supmin;&sup7; m Ra (6 Mikrozoll Ra) poliert werden kann;
E. die Walze in der Lage ist, wenigstens 26796 w/m² (8500 BTU/Sq. Ft/Hr) Wärme durch die Walze zu leiten, ohne eine Zugspannungsbelastung über 1/2 der Streckgrenze des ersten Materials zu erzeugen;
F. die genannten gleichmäßig beabstandeten Kanäle einen Durchmesser zwischen 0,0127 und 0,0508 m (0,5 bis 2 Zoll) haben und sich vollständig innerhalb des ersten Materials der Kalandrierungswalze befinden und den gleichen Abstand vom Zentrum der Walze gemäß der folgenden Formel haben: (Lochdurchmesser + Lochabstand)/(2 · Lochtiefe) ist kleiner als 1, 2, wobei der Lochabstand die Entfernung vom Außenrand eines Loches zum nächsten Außenrand des benachbarten Loches und die Lochtiefe die Entfernung vom Außenrand des Loches zur Oberfläche der Walze ist; und
G. die Wärmeleitfähigkeit der Walze von den Kanälen zur Oberfläche größer als 29,4 w/mk (17 BTU/Hr Ft ºF) ist.
Das erste Material der Walze ist vorzugsweise Schmiedestahl. Es ist wichtig, dass das Material wenigstens in dem Bereich einheitlich ist, in dem die Fluidkanäle gebohrt werden sollen. Als Oberflächenmaterial werden vorzugsweise Cermete oder Keramikmaterialien verwendet, die mit einem Wärmesprüh- oder einem Plasmaverfahren aufgebracht werden. Die bevorzugten Cermete sind Wolframkarbid und Chromkarbid in einer Matrix eines formbareren Materials, das ausgewählt werden kann aus Nickel, Chrom, Kobalt oder Kombinationen von diesen. Das am meisten bevorzugte Oberflächenmaterial ist Chromkarbid in einer Matrix aus Nickel und Chrom. Das bevorzugte Keramikmaterial ist Chromoxid.
Die Erfindung stellt auch ein verbessertes Kalandrierungsverfahren bereit, umfassend die folgenden Schritte:
A. Bereitstellen einer Fertigvorrichtung, umfassend eine Fertigwalze und eine Druckwalze, die mit einer Kraft von wenigstens 175.000 N/m (1000 lbs pro Linearzoll) Kalanderbreite gegen die genannte Fertigwalze gedrückt wird;
B. Befördern einer Bahn aus Papierherstellungsfasern durch den Quetschspalt; und
C. gleichzeitig mit Schritt B Erhitzen der Fertigwalze auf eine Innentemperatur von wenigstens 176,6ºC (3 50º F) im Inneren der Umfangswand der Fertigwalze, die durch die Wand zur Außenfläche geleitet wird, um die durch den Quetschspalt passierende Papierbahn zu erhitzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigwalze durch eine innen beheizte Kalandrierungswalze gemäß der Erfindung.
Das erfindungsgemäße verbesserte Kalandrierungsverfahren beinhaltet vorzugsweise das Positionieren eines Polierrakelmessers gegen die Umfangsfläche der Metallkalandrierungswalze, um die Oberfläche der Walze während des Betriebs schneller zu erneuern, als sie sich verschlechtert, wobei das Polierrakel eine Arbeitsfläche mit einem Schleifmaterial aufweist, das härter ist als das Oberflächenmaterial, vorzugsweise Diamantschleifpartikel. Das Rakelmesser umfasst vorzugsweise eine dünne Struktur eines Epoxyharzmaterials mit einer hohen Glasübergangstemperatur und einer Arbeitsfläche, die mit der Metallfläche in Kontakt ist. Die Arbeitsfläche beinhaltet eine Schicht aus einer Zusammensetzung, die über die Breite des Rakelmessers verläuft, wobei die Zusammensetzung Schleifpartikel umfasst, die härter sind als die Metallfläche und sich in einer Matrix aus einem Hochtemperatur-Epoxyharz befinden.
Die Erfindung umfasst auch alle Kombinationen der oben beschriebenen Merkmale.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine Substrata-Wärmeformvorrichtung, die mit der erhitzten Kalandrierungswalze der vorliegenden Erfindung arbeitet;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der bevorzugten Form der erhitzten Kalandrierungswalze der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht die bevorzugte Form des in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden Polierrakels.

BESTE WEISE DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung kann mit einer Vorrichtung wie der durchgeführt werden, die in Fig. 1 dargestellt ist. Eine Papierbahn 1 wird durch den ersten Quetschspalt, der durch die Fertigtrommel 2 mit glatter Oberfläche und die elastische Druckwalze 3 gebildet wird, um Führungswalzen 4 und durch einen wahlweisen zweiten Quetschspalt geführt, der durch die Trommel 2 und die elastische Druckwalze 5 gebildet wird. Danach wird sie, wenn dies zum Fertigen der anderen Seite der Bahn 1 wünschenswert ist, zu einer zweiten Fertigtrommel mit glatter Oberfläche (der Einfachheit halber weggelassen) mit einem Paar Quetschspalten geführt, die durch elastische Druckwalzen gebildet werden, die denen der ersten Einheit ähnlich sind. Die fertige Bahn wird dann um die Rolle 6 gewickelt.
Die der Fertigvorrichtung zugeführte Bahn 1 kann unmittelbar von einer Papiermaschine 7 und/oder einer Beschichtungsvorrichtung 8 kommen, wenn das Papier beschichtet werden soll. In der Alternative kann die Bahn 1 von einer Walze eines zuvor hergestellten Papiers zugeführt werden, das bereits beschichtet sein kann oder auch nicht. Papiermaschine und Beschichtungsvorrichtung sind lediglich als Blöcke dargestellt, da sie beliebige in der Technik bekannte konventionelle Vorrichtungen sein können.
Die elastischen Druckwalzen 3 und 5 müssen mit einem elastischen oder nachgiebigen Material wie z. B. einem faserverstärkten Epoxyharz überzogen sein. Bevorzugt sind von der Beloit Corporation unter dem Handelsnamen Beltex, Belgloss und Belsheen hergestellte Walzen. Die elastische Druckwalze zur Durchführung des Substrata-Wärmeformens müssen eine ausreichende Härte bei Betriebstemperaturen aufweisen, um eine Quetschbelastung über 175.000 N/m (1000 lbs pro Linearzoll) Kalanderbreite und möglicherweise über 262.500 N/m (1500 lbs pro Linearzoll) auszuhalten und gleichzeitig eine Quetschspaltenbreite zu erzeugen, die ausreichend klein ist, um einen Quetschspaltendruck über 1,379 · 10&sup7; Pa (2000 lbs pro Quadratzoll) zu erzeugen. Die Druckwalzenoberfläche hat vorzugsweise eine P.- und J.-Härte von etwa 4 oder mehr bei Betriebstemperaturen, um die gewünschte Quetschspaltbreite und den gewünschten Quetschspaltdruck zu entwickeln. Zur Erhaltung dieser Härte muss die Walze möglicherweise innen gekühlt werden, da die typischen elastischen Walzenmaterialien bei hohen Temperaturen sehr rasch weich werden. Ein Beispiel für eine elastische Walze, die bei der vorliegenden Erfindung zuverlässig arbeiten kann, ist in dem US-Patent Nr. 3,617,455 offenbart.
Die erhitzte Kalandrierungswalze 2 der vorliegenden Erfindung ist ausführlicher in Fig. 2 dargestellt. Die Walze 2 besteht aus einem Metallzylinder mit einer Umfangswand 9, die dick genug ist, um die hohen Quetschspaltbelastungen mit akzeptabler Ablenkung in der Mitte der Walze 2 auszuhalten. Die Wanddicke beträgt wenigstens 0,1016 m (4 Zoll) und allgemein mehr als 0,1778 m (7 Zoll). Um die Umfangsfläche der Walze 2 befindet sich eine dünne Schicht 11 aus einem harten, abriebbeständigen Material.
In der Wand 9 ist eine Mehrzahl von fluidführenden Löchern 10 gebohrt. Größe, Anzahl und Ort der Löcher sind wichtig, um die Wärmeübertragung und die Gleichförmigkeit der Temperatur um den Umfang der Walze 2 zu maximieren. Je näher die Löcher 10 an der Oberfläche 11 sind, desto geringer ist der Temperaturabfall zur Oberfläche und desto geringer ist die Zugspannungsbelastung. Je weiter jedoch die Löcher 10 von der Oberfläche 11 entfernt sind, desto gleichförmiger ist die Oberflächentemperatur. Und je Meiner die Löcher 10 sind und je näher sie beieinander liegen, desto gleichförmiger ist die Oberflächentemperatur, aber derzeitige praktische Bohrbedingungen begrenzen die Lochgröße allgemein auf 0,02032 m (0.8 Zoll). Außerdem wird die Gleichförmigkeit der Oberflächentemperatur durch den Temperaturabfall des Heizfluids bei dessen Fluss durch jeden Kanal beeinflusst. Je größer der Kanal ist, desto geringer ist der Temperaturabfall.
Die bevorzugte Konstruktion ergibt sich mit Löchern mit einem Durchmesser von 0,01905 m (0,75 Zoll) bis 0,03175 m (1,25 Zoll). Um einen hohen Wärmefluss ohne Erzeugung eines zu hohen Temperaturabfalls des durch die einzelnen Löcher fließenden Öls zu erzielen, wird ein Mindestölfluss benötigt. Dieser Fluss kann nur mit einem minimalen Kanalquerschnitt pro Oberflächenbereich der Walze erzielt werden. Diese Beziehung wird ausgedrückt als: (Querschnittsbereich jedes Kanals · Anzahl Kanäle)/(Walzenumfang · Stirnlänge der Walze) ist größer als 0,00013.
Die Löcher werden gemäß der folgenden Formel positioniert: (Lochdurchmesser + Lochabstand)/(2 · Lochtiefe) ist kleiner als 1, 2, wobei der Lochabstand die Entfernung vom Außenrand eines Loches zum nächsten Außenrand des benachbarten Loches und die Lochtiefe die Entfernung vom Außenrand des Loches zur Oberfläche der Walze ist. Mit dieser Anordnung ergibt sich die beste Oberflächentemperatur-Gleichförmigkeit innerhalb der übrigen praktischen Einschränkungen.
Die Walze 2 ist zur Erzielung maximaler Festigkeit vorzugsweise aus Schmiedestahl hergestellt. Sie kann jedoch auch aus Gusseisen, aus Gussstahl oder sphärolitischem Eisen hergestellt werden, jedoch mit einer geringeren Betriebskapazität. Die Walze 2 besteht vorzugsweise aus einem gleichförmigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 29,40 w/m K (17 BTU/Hr.Ft. ºF). Die benötigten Eigenschaften für die Oberflächenschicht 11 ergeben sich durch Auftragen einer harten Materialschicht mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 7,62 · 10&supmin;&sup5; m (0,003 Zoll) und 7,6 · 10&supmin;&sup4; m (0,030 Zoll). Aufgrund der geringen Dicke der Oberflächenschicht ist deren Wärmeleitfähigkeit nicht sehr wichtig. Andererseits gibt diese Dicke der Schicht jedoch eine sinnvolle Lebensdauer.
Das Oberflächenmaterial ist vorzugsweise Wolframkarbid oder Chromkarbid. Das Oberflächenmaterial wird vorzugsweise in einem Wärmesprühverfahren mit einer ausreichenden Hitze auf die Oberfläche der Walze aufgetragen, so dass die Partikel miteinander bonden, und mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um eine Porösität von weniger als 5% zu erzeugen. Das bevorzugte Auftragsverfahren ist Hochgeschwindigkeits-Oxikraftstoff.
Die bevorzugte Form des Oberflächenkomposits ist ein vorlegiertes Pulver bestehend aus 75% Chromkarbid und 25% Chromnickel. Man ist der Ansieht, dass Zusammensetzungen von 70 bis 80% Chromkarbid, 15 bis 25% Nickel und 3 bis 10% Chrom zufriedenstellende Ergebnisse ergeben.
Die kommerzielle Benutzung von Metallkalandrierungswalzen führt nach einer relativ kurzen Zeit zu einer Trübung der Oberfläche aufgrund einer Kombination von die Oberfläche degenerierenden Ursachen. Dieser Zeitraum ist mit der bevorzugten Ausgestaltung länger als mit anderen getesteten Ausgestaltungen. Zum Wiederherstellen der Oberfläche muss diese in Intervallen poliert werden, die von der Haltbarkeit des Materials abhängig sind. Das Polieren kann während des Betriebs der erhitzten Walze mit Hub eines Rakelmessers 12 erfolgen, das, wie in Fig. 1 gezeigt, gegen die Walze 2 gedrückt wird.
Die bevorzugte Form des Rakelmessers 12 ist in Fig. 3 ausführlicher offenbart. Es besteht aus einem breiten, glasfaserverstärkten Epoxyharzmaterial 14 mit einer Schicht 13 aus einer Schleifzusammensetzung an der Arbeitskante des Messers 12. Die Schicht wird vorzugsweise in eine Kerbe 15 des Messers 12 gegeben und ist dick genug, um wenigstens bis zu dem Messer 12 oder über dieses hinaus zu verlaufen und so den Kontakt mit der Walzenoberfläche 11 zu gewährleisten. Die bevorzugte Form des erfindungsgemäßen Rakelmessers 12 poliert die Walzenoberfläche aus sehr harten Materialien und widersteht einer Dauerverwendung bei sehr hohen Walzenoberflächentemperaturen.
Die bevorzugte Polierzusammensetzung lautet wie folgt:
Diamantschleifpartikel, Durchm. 3 Mikron 2,5 Gew.-%
Epoxyharz mit Härtungsmittel 52,5 Gew.-%
Hohlglas-Mikrosphären (3M 5-60/10.000) 30 Gew.-%
Polytetrafluorethylen (Teflon) -Pulver (Diamond Shamrock SST-3) 15 Gew.-%.
Die Schleifzusammensetzung wurde in eine Kerbe in dem Epoxyharzmesser gegeben und bis zum Erhärten auf 60 bis 70ºC erhitzt. Es wurde dann vier Stunden lang bei 120ºC erhitzt. Das benutzte Epoxyharz war Diglycidylether von Bisphenol A mit einem Härtungsmittel aus Methylendianilin mit einem Tg-Wert von 160ºC bis 180ºC. Ein zufriedenstellendes Verhältnis von Scheuerpartikeln liegt wohl zwischen etwa 1 und etwa 5% der Zusammensetzung. Die Größe der Partikel kann leicht variieren, liegt jedoch vorzugsweise zwischen 2 und 12 Mikron. Das zur Herstellung des Basismessers eingesetzte Epoxyharz ist dasselbe wie das, das für die Schleifzusammensetzung benutzt wird, aber bei dem Messer wird es mit gewebten Matten aus Fiberglas verstärkt. Die Oberfläche der Schleifrusammensetzung nach dem Härten wurde bis zu einer Stärke von etwa 6,3 · 10&supmin;&sup4; (25 mil) glattgewalzt.
Das Polierrakel benötigt keinen konstanten Kontakt mit der Walzenoberfläche, sollte jedoch für etwa 10% der Zeit gegen die Walze gedrückt werden.
Es folgt ein Beispiel für die beste Art der Durchführung der Erfindung. Zum Aufragen der Oberflächenschicht aufeine Walze aus Schmiedestahl in einer Beschichtungsstärke von etwa 3,8 · 10&supmin;&sup4; m (0,015 Zoll) wurde ein Hochgeschwindigkeits-Oxikraftstoff- Wärmeaufsprühverfahren benutzt. Die aufgetragene Zusammensetzung war ein vorlegiertes Pulver aus 25% Chromnickel und 75% Chromkarbid. Das Verhältnis der NiCr-Verbindung war 80% Ni und 20% Cr. Die Walzenoberfläche wies eine Härte von 950 Vickers auf. Sie wurde auf eine Rauhigkeit von 5,09 · 10&supmin;&sup8; bis 1,02 · 10&supmin;&sup7; m Ra (2 bis 4 Mikrozoll Ra) poliert.
In die Walze wurden Löcher mit einem Durchmesser von 0,030 m (1,18 Zoll) und einem Abstand voneinander von 2,9 · 10&supmin;² m (1,16 Zoll) und einem durchschnittlichen Abstand von 0,044 m (1,75 Zoll) von der Oberfläche gebohrt.
Die Walze wurde in einer Kalandrierungsvorrichtung montiert, die ähnlich der in Fig. 1 illustrierten ist. Öl, das außerhalb der Walze auf eine Temperatur von bis zu 260ºC (500ºF) erhitzt worden war, wurde in abwechselnden Richtungen bei benachbarten Löchern durch die Löcher zirkuliert. Papierbahnen mit konventionellen Pigment- und Bindemittelbeschichtungen, die zum Drucken geeignet sind und etwa 4 bis 5% Feuchtigkeit enthalten, wurden in der Vorrichtung unter Bedingungen kalandriert, die für Substrata-Wärmeformen erforderlich sind.
Der Kalander wurde mit Geschwindigkeiten von 518,16 bis 944,88 m/min (1700 bis 3100 fpm) und Quetschspaltenlasten von 315.000 bis 350.000 N/m (1800 bis 2000 pli) betrieben.
Es wurde gefunden, dass die Oberflächentemperatur der Walze etwa 37,7ºC (100ºF) niedriger war als die Innentemperatur. Die Temperatur um die Walze erwies sich als ausreichend gleichförmig, um eine Glanzvariation von weniger als 2 Punkten zu ergeben.
Ein Polierrakel der oben beschriebenen bevorzugten Form wurde mit einem Druck von 175 N/m (1 ph) und einem Winkel von 25º zur Tangente der Walze gegen die Oberfläche der Walze gedrückt. Die Walze lief sauber über einen längeren Zeitraum und produzierte beschichtetes Papier mit dem gewünschten Glanz und der gewünschten Glattheit. Bei einem anderen Test ohne das Polierrakel lief die Walze sauber ohne zu starke Oberflächendegenerierung über mehrere Tage, erforderte jedoch für einen langfristigen Betrieb das Polierrakel. Diese bevorzugte Ausgestaltung erwies sich in dieser Hinsicht gegenüber anderen Ausgestaltungen der Erfindung als überlegen.

Claims

1. Innen beheizte Kalandrierungswalze (2), die in der Lage ist, Papier zufriedenstellend mit den Temperaturen, Wärmebelastungen und Drücken zu fertigen, die zum Substrata- Wärmeformen erforderlich sind, wobei die Walze (2) folgendes umfasst:

A. eine Umfangswand (9) von wenigstens 0,1016 m (4 Zoll) Dicke,

B. ein Mittel zum Zuführen von Wärme in das Innere der Umfangswand (9), wobei die Wärme durch die Wand zur Außenseite (11) zum Aufheizen der durch die Walze (2) kalandrierten Papierbahn geleitet wird;

wobei das Mittel zum Zuführen von Wärme gleichmäßig beabstandete Kanäle (10) in dieser Umfangswand (9) zum Befördern von erhitztem Fluid aufweist und sich nicht mehr als 0,0508 m (2 Zoll) vom Außenrand der Kanäle (10) zur Umfangsoberfläche (11) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass

C. die Walze (2) aus einem ersten Material mit einer dünnen Umfangsoberflächenschicht aus einem zweiten Cermet oder Keramik enthaltenden Material konstruiert ist; wobei das genannte erste Material der Walze (2) ausgewählt wird aus Schmiedestahl, Gussstahl, schalenfreiem Gusseisen und sphärolithischem Eisen;

D. das Material der Oberflächenschicht eine Härte von wenigstens 530 Vickers und eine Dicke zwischen 7,62 · 10&supmin;&sup5; m (0,003 Zoll) und 7,62 · 10&supmin;&sup4; m (0,030 Zoll) aufweist und auf eine Rauhigkeit von weniger als 1,52 · 10&supmin;&sup7; m Ra (6 Mikrozoll Ra) poliert werden kann;

E. die Walze in der Lage ist, wenigstens 26796 w/m² (8500 BTU/Sq. Ft./Hr) Wärme durch die Walze zu leiten, ohne eine Zugspannungsbelastung über 1/2 der Streckgrenze des ersten Materials zu erzeugen;

F. die genannten gleichmäßig beabstandeten Kanäle (10) einen Durchmesser zwischen 0,0127 und 0,0508 m (0,5 bis 2 Zoll) haben und sich vollständig innerhalb des ersten Materials der Kalandrierungswalze (2) befinden und den gleichen Abstand vom Zentrum der Walze (2) gemäß der folgenden Formel haben: (Lochdurchmesser + Lochabstand)/(2 · Lochtiefe) ist kleiner als 1,2, wobei der Lochabstand die Entfernung vom Außenrand eines Loches zum nächsten Außenrand des benachbarten Loches und die Lochtiefe die Entfernung vom Außenrand des Loches zur Oberfläche der Walze ist; und

G. die Wärmeleitfähigkeit der Walze von den Kanälen zur Oberfläche größer als 29,4 w/mk (17 BTU/Hr Ft ºF) ist.

2. Innen beheizte Kalandrierungswalze nach Anspruch 1, bei der das Oberflächenmaterial ein Karbid enthaltendes Material ist.

3. Innen beheizte Kalandrierungswalze nach Anspruch 1 oder 2, bei der das erste Material der Walze (2) Schmiedestahl ist.

4. Innen beheizte Kalandrierungswalze nach Anspruch 1, bei der das Oberflächenmaterial mit einem Hochgeschwindigkeits-Oxikraftstoff-Wärmeaufsprühverfahren aufgebrachtes Chromkarbid und Nickel und Chrom ist.

5. Innen beheizte Kalandrierungswalze nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die fluidleitenden Kanäle (10) in der Walze (2) jeweils einen Durchmesser zwischen 0,01905 und 0,03175 m (0,75 Zoll bis 1, 25 Zoll) haben und der Wert von (Querschnittsbereich jedes Kanals · Anzahl Kanäle)/(Walzenumfang · Stirnlänge der Walze) größer ist als 0,00013.

6. Verfahren zum Herstellen von Papier zur Erzeugung von Glanz und Glattheit auf der Oberfläche des Papiers, umfassend die folgenden Schritte:

A. Bereitstellen einer Fertigvorrichtung, umfassend eine Fertigwalze (2) und eine Druckwalze (3,5), die mit einer Kraft von wenigstens 175000 N/m (1000 lbs pro Linearzoll) Kalanderbreite gegen die genannte Fertigwalze (2) gedrückt wird;

B. Befördern einer Bahn (1) aus Papierherstellungsfasern durch den Quetschspalt; und

C. gleichzeitig mit Schritt B Erhitzen der Fertigwalze (2) auf eine Innentemperatur von wenigstens 176,6ºC (350ºF) im Inneren der Umfangswand (9) der Fertigwalze (2), die durch die Wand (9) zur Außenfläche geleitet wird, um die durch den Quetschspalt passierende Papierbahn (1) zu erhitzen,

dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigwalze durch eine innen beheizte Kalandrierungswalze nach einem der vorherigen Ansprüche bereitgestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend das Positionieren eines Polierrakelmessers gegen die Umfangsfläche der Metallkalandrierungswalze, um die Oberfläche der Walze während des Betriebs schneller zu erneuern, als sie sich verschlechtert, wobei das Polierrakel eine Arbeitsfläche mit einem Schleifmaterial aufweist, das härter ist als das Oberflächenmaterial.