EP0295655A2 - Apparatus for treating a web - Google Patents

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EP0295655A2
EP0295655A2 EP88109549A EP88109549A EP0295655A2 EP 0295655 A2 EP0295655 A2 EP 0295655A2 EP 88109549 A EP88109549 A EP 88109549A EP 88109549 A EP88109549 A EP 88109549A EP 0295655 A2 EP0295655 A2 EP 0295655A2
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EP
European Patent Office
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roller
heating
temperature
heating roller
sensor
Prior art date
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EP88109549A
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German (de)
French (fr)
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EP0295655A3 (en
EP0295655B1 (en
Inventor
Heinz-Michael Dr. Zaoralek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Original Assignee
Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
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Publication date
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Application filed by Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH filed Critical Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority to AT88109549T priority Critical patent/ATE76455T1/en
Publication of EP0295655A2 publication Critical patent/EP0295655A2/en
Publication of EP0295655A3 publication Critical patent/EP0295655A3/en
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Publication of EP0295655B1 publication Critical patent/EP0295655B1/en
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
    • D21G1/02—Rolls; Their bearings
    • D21G1/0253—Heating or cooling the rolls; Regulating the temperature
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21F—PAPER-MAKING MACHINES; METHODS OF PRODUCING PAPER THEREON
    • D21F5/00—Dryer section of machines for making continuous webs of paper
    • D21F5/02—Drying on cylinders
    • D21F5/022—Heating the cylinders

Definitions

  • the invention relates to a device for treating a material web, the type specified in the preamble of claim 1.
  • heating roller Two basic principles are available for the construction of the heating roller, namely the internal heating by means of a fluid heat transfer medium, in particular thermal oil, or the external, in particular inductive heating, as can be seen, for example, from EU PS 59 421.
  • a fluid heat transfer medium in particular thermal oil
  • inductive heating as can be seen, for example, from EU PS 59 421.
  • blowing with warm air or infrared heating is also possible.
  • rolls with internal heating In the case of rolls with internal heating, a distinction is made between two basic types, namely rolls with displacers, as are known from DE-OS 3 014 891, but also from DE-OS 35 18 808, as well as drilled rolls.
  • Rollers with a displacer can be manufactured very precisely, so that unbalance can be largely excluded.
  • rollers can also be balanced in three planes, as is known from DE-OS 3 304 076.
  • a uniform temperature profile can be set in the circumferential direction of the roller, as is desired for many applications.
  • peripherally drilled rollers in particular in comparison with rollers with a central bore, is that the heating surface is closer to the surface, so that greater heat outputs can be achieved.
  • the disadvantages of such rollers include inaccuracy in the formation of the peripheral bores and the associated balancing as well as undulating temperature profiles in the circumferential direction; no compensation measures are available here.
  • the invention is therefore based on the object of providing an apparatus for treating a material web of the type specified, in which the disadvantages mentioned above do not occur.
  • the heating of a roller body takes place at a rate of 1 ° C. per minute, i. H. it takes approximately four hours to bring the roll body to a temperature of 200 ° C.
  • Higher heating speeds lead to a too rapid pressure build-up in the surface of the roller, which is added to the internal compressive stress of the roller body and thus causes internal tensile stresses, which in turn can cause cracks or even breakage in the roller body.
  • the stationary operation but especially the non-stationary operation when starting up and shutting down, but also in the event of malfunctions, can be controlled so that the temperature difference between the central axis of the roller body and its surface always remains as small as possible and so that no tears or tensions can occur.
  • An important parameter influencing the temperature profile is the presence of the web to be treated, so that according to a preferred embodiment a light barrier is provided which responds to the lack of the web and initiates appropriate countermeasures via a control device.
  • temperature should be at the flow and return of the fluid heat transfer medium sensors are provided, since you can use the temperatures determined in this way to calculate both the heating power and the internal temperature of the roller body.
  • the continuous detection of the temperature of the surface of the roller body is problematic since, if at all possible, one has to work without contact. If you do not want to use any of the available direct measuring methods, there is the option of continuously recording the temperature of the material web to be treated and from this calculating the applied thermal output and the temperature on the surface of the roll body, that is, to carry out an indirect measurement.
  • the temperature profile over the roller body, both in the radial and in the longitudinal direction, and the voltage profile in the roller body can be determined by a simulation program and taken into account in the regulation of the heating powers of the two heating devices.
  • a tubular roller is used, that is to say a roller body with a displacer body, since this results in an easily controllable temperature profile and a uniform temperature profile in the circumferential direction of the roller.
  • Roller bodies with a central bore for the passage of the heat transfer medium are problematic in that the heat transfer from the central bore to the surface of the roller body is relatively poor and large temperature differences can thus quickly occur.
  • a peripherally drilled roller should be used, in which the bores are relatively close to the surface of the roller body, in order to achieve high thermal outputs on the one hand and good heat transfers on the other.
  • the external heating device for example an inductive heating device
  • the temperature in the roller body can track the outside temperature on the surface of the roller body and the temperature difference between the surface of the roller body and its core can be reduced by heating or cooling the heat transfer medium, as a result of which likewise result in small temperature differences and thus any risk of cracking or even breaking of the roller body is excluded.
  • roller bodies made of special chilled cast alloys with increased thermal conductivity can now be used, as are required in particular for paper machine calenders.
  • Such an alloy has a fine structure with hard carbide inclusions in a pearlitic matrix, which results in good damping combined with good dimensional stability.
  • the surface of such a roller body does not polish, which could lead to excessive smoothness. Markings on the surface of the roller body are also excluded.
  • the device for treating a material web 12 which is shown in FIG. 1 and is generally indicated by the reference numeral 10, has a heating roller 14 against which a counter roller 16 bears.
  • the counter roller 16 can also be heated.
  • the heating roller 14 which is mounted rotatably about its longitudinal axis by means of flange pins 18, is provided with a schematically indicated internal heating 20, namely either peripheral bores near the surface of the roller body of the heating roller 14 or with a displacer body; a fluid heat transfer medium, generally thermal oil, flows either through the peripheral bores or through the annular gap between the displacer and the roll shell.
  • a fluid heat transfer medium generally thermal oil
  • External heating 22 is provided in the vicinity of the surface of the heating roller 14, for example an induction heating, which couples electromagnetic energy into the material of the roller body of the heating roller 14 and thus causes a temperature increase, in particular of the roller surface.
  • a device 24 leads the heating roller 14 via a line 26 to the fluid heat transfer medium in the direction of the arrow, in the usual way via the flange pin 18 shown on the left in FIG. 1. After flowing through the heating roller 14, the heat transfer medium leaves the heating roller 14 the right flange pin 18 and then flows back via a line 28 in the direction of the arrow to the device 24, so that there is a closed circulation of the heat transfer medium.
  • the device 24 can heat or cool the heat transfer medium, so it serves as a heating / cooling device.
  • the energy supply for the external heating 22 is indicated at 30.
  • a control device 32 controls both the heating / cooling device 24 and the energy supply 30 and receives signals from various sensors, namely a first sensor 34 for detecting the temperature of the heated heat carrier in the line 26 and a second sensor 36 for the detection of the temperature of the returning heat transfer medium in the line 28, a third sensor 38 for the detection of the temperature of the material web 12 to be treated before it passes through the gap between the two rollers 14 and 16, a fourth sensor 40 for the detection of the temperature of the material web 12 after passing through the gap between the two rollers 14 and 16 and finally a light barrier 40 arranged in the direction of movement of the material web 12 (see the arrow in FIG. 1) in front of the two rollers 14, 16, which detects the presence of the material web 12.
  • the signals determined by the various sensors 34, 36, 38, 40 that is to say the actual values for the respective temperatures, are compared in the control device 32 with predetermined target values, so that, depending on the result of this comparison, the two heating devices 24, 30 are controlled and cause that the temperature difference between the surface of the heating roller 14 and its core is as small as possible, in particular by heating or cooling the heat transfer medium.
  • the roller body of the heating roller 14 consists of a cast iron alloy with high thermal conductivity, so that the advantages explained above are achieved.
  • Both the output of the internal heating and the internal temperature of the heating roller 14 can be calculated from the output signals of the two sensors 34 and 36 in the forward or return flow of the heat transfer medium and thus taken into account in the control.
  • the heating power and the temperature on the surface of the roller body of the heating roller 14 can also be determined from the temperature difference of the material web before or after passing through the gap between the two rollers 14, 16, which is determined by means of the sensors 38, 40.
  • the temperature curve over the heating roller and thus its voltage curve can be determined using a simulation program.
  • Figure 2 shows the voltage curve in the wall of a tube roll in different operating states
  • 2a shows the residual stress curve from the inside to the outside at ambient temperature, that is to say in the event that the temperature T i inside the roller is equal to the temperature T a on the surface of the roller.
  • Figure 2c shows a roller with internal heating or a roller shortly after failure of the external heating; here the temperature T a on the surface of the roller quickly becomes much lower than the temperature T i on the inside of the roller, ie a tensile stress ⁇ a arises on the surface of the roller, which lies above the limit value for the tensile strength, while inside Roll a compressive stress ⁇ i is built up. Under these conditions, the roller breaks outside.
  • Figure 2d finally shows the voltage curve for a roller with controlled heating inside and outside, as has been described above; It can be seen that even in comparison with the steady state at ambient temperature, as can be seen in FIG. 2a, the difference between the compressive stress ⁇ i inside the roller and the compressive stress ⁇ a on the surface of the roller is very much smaller and one maintains sufficient safety distance from the tensile strength of the material. There is therefore no risk of the roller cracking or breaking.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn (12) weist eine Heizwalze (14) mit mindestens einem, in Längsrichtung durch die Heizwalze verlaufenden Strömungskanal (20), Zu- und Abführleitungen (26,28) für einen fluiden, durch die Heizwalze fließenden Wärmeträger, eine Heizeinrichtung (24) für den Wärmeträger und mit eine an der Heizwalze anliegende Gegenwalze (16) auf; eine zusätzliche Heizeinrichtung (22) erwärmt die Heizwalze von außen her; eine an die beiden Heizeinrichtungen angeschlossenen Steuereinrichtung (32) erwärmt oder kühlt die Heizwalze in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsbedingungen.A device for treating a material web (12) has a heating roller (14) with at least one flow channel (20) running in the longitudinal direction through the heating roller, supply and discharge lines (26, 28) for a fluid heat carrier flowing through the heating roller Heating device (24) for the heat transfer medium and with a counter roller (16) resting on the heating roller; an additional heating device (22) heats the heating roller from the outside; a control device (32) connected to the two heating devices heats or cools the heating roller depending on predetermined operating conditions.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to a device for treating a material web, the type specified in the preamble of claim 1.

Eine solche Vorrichtung wird insbesondere zur Herstellung und Verarbeitung von Papier eingesetzt, wobei in den letzten Jahren angestrebt wird, mit extrem hohen Temperaturen zu arbeiten, um bestimmte Effekte zu erreichen, siehe die US-PS 4 624 744, aber auch den Artikel "On-line Glättverfahren", veröffentlicht im Wochenblatt für Papierfabrikation 23/24, 1986, S. 984, und den Artikel "Kann der Gloss-Kalander den MG-Zylinder ersetzen?", veröffentlicht im Wochenblatt für Papierfabrikation 22, 1985, S. 871.Such a device is used, in particular, for the production and processing of paper, with efforts being made in recent years to work at extremely high temperatures in order to achieve certain effects, see US Pat. No. 4,624,744, but also the article "On- line smoothing process ", published in the Wochenblatt für Papierfabrikation 23/24, 1986, p. 984, and the article" Can the gloss calender replace the MG cylinder? ", published in the Wochenblatt für Papierfabrikation 22, 1985, p. 871.

Für den Aufbau der Heizwalze stehen zwei Grundprinzipien zur Verfügung, nämlich die interne Beheizung mittels eines fluiden Wärmeträgers, insbe­sondere Thermoöl, ober aber die externe, insbesondere induktive Beheizung, wie es bspw. aus der EU-PS 59 421 hervorgeht. Als Alternative hierzu ist auch Beblasung mit warmer Luft oder aber Infrarot-Beheizung möglich.Two basic principles are available for the construction of the heating roller, namely the internal heating by means of a fluid heat transfer medium, in particular thermal oil, or the external, in particular inductive heating, as can be seen, for example, from EU PS 59 421. As an alternative, blowing with warm air or infrared heating is also possible.

Der Vorteil der externen Beheizung liegt darin, daß im kontinuierlichen Betrieb sehr hohe Heizleistungen und damit Oberflächentemperaturen er­reicht werden können.The advantage of external heating is that very high heating capacities and thus surface temperatures can be achieved in continuous operation.

Bei den Walzen mit interner Beheizung unterscheidet man zwei Grundtypen, nämlich Walzen mit Verdrängerkörper, wie sie aus der DE-OS 3 014 891, aber auch aus der DE-OS 35 18 808 bekannt sind, sowie peripher gebohrte Walzen.In the case of rolls with internal heating, a distinction is made between two basic types, namely rolls with displacers, as are known from DE-OS 3 014 891, but also from DE-OS 35 18 808, as well as drilled rolls.

Walzen mit Verdrängerkörper, die sogenannten "Rohrwalzen", lassen sich sehr genau fertigen, so daß Unwuchten weitgehend ausgeschlossen werden können. Außerdem können solche Walzen auch in drei Ebenen ausgewuchtet werden, wie es aus der DE-OS 3 304 076 bekannt ist. In Umfangsrichtung der Walze läßt sich ein gleichmäßiges Temperaturprofil einstellen, wie es für viele Anwendungsfälle angestrebt wird.Rollers with a displacer, the so-called "tube rolls", can be manufactured very precisely, so that unbalance can be largely excluded. In addition, such rollers can also be balanced in three planes, as is known from DE-OS 3 304 076. A uniform temperature profile can be set in the circumferential direction of the roller, as is desired for many applications.

Nachteilig bei solchen Rohrwalzen ist jedoch die relativ große Wandstärke des eigentlichen Walzenkörpers, die die Wärmeleistung bremst. Außerdem können bei großen Temperaturdifferenzen unerwünschte Effekte auftreten, bspw. der Oxbow-Effekt, der durch konstruktive Gegenmaßnahmen kompensiert werden muß, siehe DE-OS 35 18 808.However, the disadvantage of such tube rollers is the relatively large wall thickness of the actual roller body, which slows down the heat output. In addition, undesirable effects can occur at large temperature differences, for example the oxbow effect, which must be compensated for by constructive countermeasures, see DE-OS 35 18 808.

Der Vorteil der peripher gebohrten Walzen liegt insbesondere im Vergleich mit Walzen mit zentraler Bohrung darin, daß sich die Heizfläche näher bei der Oberfläche befindet, also größere Wärmeleistungen erbracht werden kön­nen. Zu den Nachteilen solcher Walzen gehören Ungenaugigkeit bei der Aus­bildung der peripheren Bohrungen und damit verbundene Umwuchten sowie wel­lenförmige Temperaturprofile in Umfangsrichtung; hier stehen keine Kompen­sationsmaßnahmen zur Verfügung.The advantage of the peripherally drilled rollers, in particular in comparison with rollers with a central bore, is that the heating surface is closer to the surface, so that greater heat outputs can be achieved. The disadvantages of such rollers include inaccuracy in the formation of the peripheral bores and the associated balancing as well as undulating temperature profiles in the circumferential direction; no compensation measures are available here.

Durch die herkömmlichen, oben erörterten Ausführungsformen von Heizein­richtungen für solche Walzen lassen sich die angestrebten, hohen Oberflä­chentemperaturen im Bereich von mehr als 200° C alleine nicht zuverlässig erzielen; beim Betrieb solcher Walzen bei hohen Temperaturen hat sich außerdem herausgestellt, daß die Festigkeit des Walzenkörpers nicht ausreicht und es relativ häufig zu mechanischen Defekten und damit zu Betriebsstö­rungen kommt.The desired, high surface temperatures in the range of more than 200 ° C alone cannot be reliably achieved by the conventional embodiments of heating devices for such rollers, as discussed above; when operating such rollers at high temperatures also emphasized that the strength of the roller body is insufficient and there are relatively often mechanical defects and thus malfunctions.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.The invention is therefore based on the object of providing an apparatus for treating a material web of the type specified, in which the disadvantages mentioned above do not occur.

Insbesondere soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die auch bei längerem Betrieb bei extrem hohen Temperaturen keine mechanischen Defekte zeigt.In particular, a device is to be proposed which shows no mechanical defects even during prolonged operation at extremely high temperatures.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.This is achieved according to the invention by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.Appropriate embodiments are defined by the features of the subclaims.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgenden Überle­gungen:The advantages achieved with the invention are based on the following considerations:

Beim Betrieb solcher Walzen bei hohen Temperaturen kann es zu großen ra­dialen Temperatur-Differenzen zwischen der Oberfläche des Walzenkörpers und seinem Innern, bspw. seiner Mittelachse, kommen. Diese Temperaturdifferen­zen können zu Zug- oder Druckspannungen im Walzenkörper führen, die wie­derum die Festigkeit des Materials für den Walzenkörper stark beanspruchen und, insbesondere bei starken Schwankungen, Risse oder gar Brüche im Walzenkörper verursachen.When such rollers are operated at high temperatures, there may be large radial temperature differences between the surface of the roller body and its interior, for example its central axis. These temperature differences can lead to tensile or compressive stresses in the roller body, which in turn place great demands on the strength of the material for the roller body and, particularly in the case of strong fluctuations, cause cracks or even breaks in the roller body.

Solche starken Temperaturdifferenzen ergeben sich insbesondere im insta­tionären Zustand, also beim Anfahren bzw. Abfahren einer solchen Walze, beim Ausfall der Heizung, beim Ausfall des zu behandelnen, bahnförmigen Materials oder bei der Unterbrechung der Strömung des Wärmeträgers.Such strong temperature differences arise in particular in the non-steady state, that is to say when such a roller starts up or shuts down, when the heating fails, when the web-like material to be treated fails or when the flow of the heat transfer medium is interrupted.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bspw. das Aufheizen eines Walzenkörpers mit einer Geschwindigkeit von 1° C pro Minute erfolgt, d. h. es werden ungefähr vier Stunden benötigt, um den Walzenkörper auf eine Temperatur von 200° C zu bringen. Höhere Aufheizgeschwindigkeiten führen zu einem zu schnellen Druckaufbau in der Oberfläche der Walze, der zur Druckeigenspannung des Walzenkörpers hinzukommt und damit innere Zugspannungen hervorruft, die wiederum Ursache für Risse oder gar einen Bruch im Walzenkörper sein können.In this connection, it is pointed out that, for example, the heating of a roller body takes place at a rate of 1 ° C. per minute, i. H. it takes approximately four hours to bring the roll body to a temperature of 200 ° C. Higher heating speeds lead to a too rapid pressure build-up in the surface of the roller, which is added to the internal compressive stress of the roller body and thus causes internal tensile stresses, which in turn can cause cracks or even breakage in the roller body.

Durch die Verwendung einer "Doppel-Heizung" läßt sich nun der stationäre Betrieb, insbesondere jedoch der instationäre Betrieb beim Anfahren und Abfahren, aber auch bei Betriebsstörungen, so regeln, daß die Temperatur­differenz zwischen der zentralen Achse des Walzenkörpers und seiner Ober­fläche immer möglichst gering bleibt und damit keine Risse oder Brüche ver­ursachenden Spannungen auftreten können.By using a "double heater", the stationary operation, but especially the non-stationary operation when starting up and shutting down, but also in the event of malfunctions, can be controlled so that the temperature difference between the central axis of the roller body and its surface always remains as small as possible and so that no tears or tensions can occur.

Dabei muß besonders berücksichtigt werden, daß bei normalen Betriebszu­stand ein sehr empfindliches Gleichgewicht zwischen der zugeführten Wärme­menge und der durch Abstrahlung, aber auch durch Erwärmung des zu behan­delnden Materials abgeführten Wärmemenge besteht, also eine geringe Stö­rung dieses Gleichgewichtes bereits zu einer starken Temperaturänderung führen kann.Special attention must be paid to the fact that, under normal operating conditions, there is a very sensitive balance between the amount of heat supplied and the amount of heat dissipated by radiation, but also by heating the material to be treated, so a slight disturbance of this balance can already lead to a sharp change in temperature.

Aus diesem Grunde ist es wichtig, auf etwaige Abweichungen vom Normal-Zu­stand sofort zu reagieren und eine entsprechende Gegenmaßnahme zu ergrei­fen, bspw. den Wärmeträger zu kühlen und dadurch dafür zu sorgen, daß eine Abkühlung der Oberfläche des Walzenkörpers, bspw. wegen Ausbleiben des zu behandelnden, bahnförmigen Materials, soweit kompensiert wird, daß im Idealfall die Temperaturdifferenz bei ΔT = 0 ist.For this reason, it is important to react immediately to any deviations from the normal state and to take a corresponding countermeasure, e.g. to cool the heat transfer medium and thereby to ensure that the surface of the roller body is cooled, e.g. due to the absence of the treating, sheet-like material, as far as it is compensated that ideally the temperature difference at ΔT = 0.

Ein wichtiger, den Temperaturverlauf beeinflussender Parameter stellt also das Vorhandensein der zu behandelnden Bahn dar, so daß nach einer bevor­zugten Ausführungsform eine Lichtschranke vorgesehen ist, die auf das Feh­len der Bahn anspricht und über eine Steuereinrichtung entsprechende Gegenmaßnahmen einleitet.An important parameter influencing the temperature profile is the presence of the web to be treated, so that according to a preferred embodiment a light barrier is provided which responds to the lack of the web and initiates appropriate countermeasures via a control device.

Außerdem sollten am Vor- und Rücklauf des fluiden Wärmeträgers Temperatur­ fühler vorgesehen werden, da man aus den so ermittelten Temperaturen sowohl die Heizleistung als auch die Innentemperatur des Walzenkörpers errechnen kann.In addition, temperature should be at the flow and return of the fluid heat transfer medium sensors are provided, since you can use the temperatures determined in this way to calculate both the heating power and the internal temperature of the roller body.

Die kontinuierliche Erfassung der Temperatur der Oberfläche des Walzen­körpers ist problematisch, da man hier, wenn irgendmöglich, kontaktlos arbeiten muß. Falls man keine der zur Verfügung stehenden direkten Meß­methoden einsetzen will, besteht die Möglichkeit, die Temperatur der zu behandelnen Materialbahn kontinuierlich zu erfassen und daraus die aufgebrachte Wärmeleistung sowie die Temperatur an der Oberfläche des Walzenkörpers zu errechnen, also eine indirekte Messung durchzuführen.The continuous detection of the temperature of the surface of the roller body is problematic since, if at all possible, one has to work without contact. If you do not want to use any of the available direct measuring methods, there is the option of continuously recording the temperature of the material web to be treated and from this calculating the applied thermal output and the temperature on the surface of the roll body, that is, to carry out an indirect measurement.

Der Temperaturverlauf über den Walzenkörper, und zwar sowohl in radialer als auch in Längsrichtung, sowie der Spannungsverlauf in dem Walzenkörper kann durch ein Simulationsprogramm ermittelt und bei der Regelung der Heiz­leistungen der beiden Heizeinrichtungen berücksichtigt werden.The temperature profile over the roller body, both in the radial and in the longitudinal direction, and the voltage profile in the roller body can be determined by a simulation program and taken into account in the regulation of the heating powers of the two heating devices.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Rohrwalze verwendet, also ein Walzenkörper mit Verdrängerkörper, da sich hierbei ein gut regelbares Temperaturprofil sowie ein gleichmäßiges Temperaturprofil in Umfangsrich­tung der Walze ergeben.According to a preferred embodiment, a tubular roller is used, that is to say a roller body with a displacer body, since this results in an easily controllable temperature profile and a uniform temperature profile in the circumferential direction of the roller.

Walzenkörper mit einer zentralen Bohrung für die Durchführung des Wärme­trägers sind insofern problematisch, als der Wärmeübergang von der zen­tralen Bohrung zur Oberfläche des Walzenkörpers relativ schlecht ist und es damit rasch zu großen Temperaturdifferenzen kommen kann.Roller bodies with a central bore for the passage of the heat transfer medium are problematic in that the heat transfer from the central bore to the surface of the roller body is relatively poor and large temperature differences can thus quickly occur.

Arbeitet man also nicht mit einer Rohrwalze, so sollte eine peripher ge­bohrte Walze verwendet werden, bei der sich die Bohrungen relativ nahe an der Oberfläche des Walzenkörpers befinden, um auf diese Weise einerseits hohe Wärmeleistungen und andererseits gute Wärmeübergänge zu erzielen.If you are not working with a tube roller, then a peripherally drilled roller should be used, in which the bores are relatively close to the surface of the roller body, in order to achieve high thermal outputs on the one hand and good heat transfers on the other.

Die Temperaturregelung erfolgt immer so, daß im normalen Betriebszustand durch die externe Heizeinrichtung, bspw. eine induktive Heizeinrichtung, soviel Energie zugeführt wird, wie durch die zu behandelnde Materialbahn einerseits und den Wärmeträger andererseits abgeführt wird, so daß sich in radialer Richtung des Walzenkörpers eine extrem geringe Tempera­turdifferenz ergibt, die im Idealfall den Wert ΔT=0 erreicht. Dadurch werden bei praktisch beliebiger Heizleistung und damit extrem hohen Temperaturen Thermo-Spannungen im Walzenkörper vermieden.The temperature control is always carried out in such a way that in the normal operating state, as much energy is supplied by the external heating device, for example an inductive heating device, as is dissipated through the material web to be treated on the one hand and the heat transfer medium on the other hand, so that there is an extremely small temperature difference in the radial direction of the roller body, which ideally reaches the value ΔT = 0. Thereby thermal stresses in the roller body are avoided with practically any heating power and thus extremely high temperatures.

Bei diskontinuierlichen Betrieb, also insbesondere bei den oben erwähnten Störungen, kann die Temperatur im Walzenkörper der Außentemperatur an der Oberfläche des Walzenkörpers nachgefahren und dadurch die Temperaturdiffe­renz zwischen der Oberfläche des Walzenkörpers und seinem Kern reduziert werden, indem der Wärmeträger erwärmt oder gekühlt wird, wodurch sich ebenfalls geringe Temperaturdifferenzen ergeben und damit jede Rissoder gar Bruchgefahr des Walzenkörpers ausgeschlossen wird.In the case of discontinuous operation, in particular in the case of the disturbances mentioned above, the temperature in the roller body can track the outside temperature on the surface of the roller body and the temperature difference between the surface of the roller body and its core can be reduced by heating or cooling the heat transfer medium, as a result of which likewise result in small temperature differences and thus any risk of cracking or even breaking of the roller body is excluded.

Ein weiterer Vorteil dieser sehr exakten Temperatureinstellung des Walzen­körpers liegt darin, daß nun Walzenkörper aus speziellen Hartguß-Legierun­gen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden können, wie sie ins­besondere für Papiermaschinenkalander benötigt werden. Eine solche Le­gierung hat eine Feinstruktur mit harten Carbid-Einlagerungen in einer perlitischen Matrix, wodurch sich eine gute Dämpfung in Verbindung mit guter Formbeständigkeit ergibt. Außerden poliert die Oberfläche eines solchen Walzenkörpers nicht auf, was zu einer zu hohen Glätte führen könn­te. Auch Markierungen auf der Oberfläche des Walzenkörpers werden ausge­schlossen.Another advantage of this very precise temperature setting of the roller body is that roller bodies made of special chilled cast alloys with increased thermal conductivity can now be used, as are required in particular for paper machine calenders. Such an alloy has a fine structure with hard carbide inclusions in a pearlitic matrix, which results in good damping combined with good dimensional stability. In addition, the surface of such a roller body does not polish, which could lead to excessive smoothness. Markings on the surface of the roller body are also excluded.

Dieses Material hat jedoch einen gravierenden Nachteil, der bei starken Temperaturdifferenzen zu Problemen führen kann, nämlich eine relativ ge­ringe Festigkeit. Durch die hier beschriebene Temperaturregelung werden je­doch starke radiale Temperaturdifferenzen weitgehend ausgeschlossen, so daß die Festigkeits-Beanspruchung des Walzenkörpers gering bleibt und damit die Festigkeitsgrenze des verwendeten Hartguß-Materials nicht erreicht wird.However, this material has a serious disadvantage, which can lead to problems with large temperature differences, namely a relatively low strength. However, strong radial temperature differences are largely excluded by the temperature control described here, so that the strength stress of the roller body remains low and the strength limit of the chilled cast material used is not reached.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­zugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

  • Fig. 1 eine Schemadarstellung mit zwei verschiedenen Ansichten einer Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn, und
  • Fig. 2 Kurvendarstellungen des Druck- bzw. Zug-Verlaufes in der Heiz­walze in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Walzenkörpers und ihrem Kern für verschiedene Be­triebszustände einerWalze.
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying schematic drawings. Show it
  • Fig. 1 is a schematic representation with two different views of an apparatus for treating a material web, and
  • Fig. 2 graphs of the pressure or tension curve in the heating roller as a function of the temperature difference between the surface of the roller body and its core for different operating states of a roller.

Die aus Figur 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 ange­deutete Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn 12 weist eine Heiz­walze 14 auf, an der eine Gegenwalze 16 anliegt. Die Gegenwalze 16 kann auch beheizt sein.The device for treating a material web 12, which is shown in FIG. 1 and is generally indicated by the reference numeral 10, has a heating roller 14 against which a counter roller 16 bears. The counter roller 16 can also be heated.

Die Heizwalze 14, die in üblicher Weise mittels Flanschzapfen 18 um ihre Längsachse drehbar gelagert ist, ist mit einer schematisch angedeuteten Innenheizung 20 versehen, nämlich entweder peripheren Bohrungen in der Nähe der Oberfläche des Walzenkörpers der Heizwalze 14 oder mit einem Verdrän­gerkörper; ein fluider Wärmeträger, im allgemeinen Thermoöl, strömt ent­weder durch die periphere Bohrungen oder durch den Ringspalt zwischen dem Verdrängerkörper und dem Walzenmantel.The heating roller 14, which is mounted rotatably about its longitudinal axis by means of flange pins 18, is provided with a schematically indicated internal heating 20, namely either peripheral bores near the surface of the roller body of the heating roller 14 or with a displacer body; a fluid heat transfer medium, generally thermal oil, flows either through the peripheral bores or through the annular gap between the displacer and the roll shell.

In der Nähe der Oberfläche der Heizwalze 14 ist eine Außenbeheizung 22 vor­gesehen, bspw. eine Induktions-Heizung, die elektromagnetische Energie in das Material des Walzenkörpers der Heizwalze 14 koppelt und damit eine Temperaturerhöhung insbesondere der Walzenoberfläche bewirkt.External heating 22 is provided in the vicinity of the surface of the heating roller 14, for example an induction heating, which couples electromagnetic energy into the material of the roller body of the heating roller 14 and thus causes a temperature increase, in particular of the roller surface.

Eine Einrichtung 24 führt der Heizwalze 14 über eine Leitung 26 den fluiden Wärmeträger in Richtung des Pfeils zu, und zwar in üblicher Weise über den gemäß der Darstellung in Figur 1 linken Flanschzapfen 18. Nach dem Durch­strömen der Heizwalze 14 verläßt der Wärmeträger die Heizwalze 14 über den rechten Flanschzapfen 18 und strömt dann über eine Leitung 28 in Rich­tung des Pfeils zur Einrichtung 24 zurück, so daß sich ein geschlossener Umlauf des Wärmeträgers ergibt. Die Einrichtung 24 kann den Wärmeträger erwärmen oder abkühlen, dient also als Heiz/Kühl-Einrichtung.A device 24 leads the heating roller 14 via a line 26 to the fluid heat transfer medium in the direction of the arrow, in the usual way via the flange pin 18 shown on the left in FIG. 1. After flowing through the heating roller 14, the heat transfer medium leaves the heating roller 14 the right flange pin 18 and then flows back via a line 28 in the direction of the arrow to the device 24, so that there is a closed circulation of the heat transfer medium. The device 24 can heat or cool the heat transfer medium, so it serves as a heating / cooling device.

Die Energieversorgung für die Außenbeheizung 22 ist bei 30 angedeutet.The energy supply for the external heating 22 is indicated at 30.

Eine Regeleinrichtung 32 steuert sowohl die Heiz/Kühl-Einrichtung 24 als auch die Energieversorgung 30 an und empfängt Signale von verschiedenen Sensoren, nämlich einem ersten Sensor 34 für die Erfassung der Temperatur des erwärmten Wärmeträgers in der Leitung 26, einem zweiten Sensor 36 für die Erfassung der Temperatur des zurückfließenden Wärmeträgers in der Leitung 28, einem dritten Sensor 38 für die Erfassung der Temperatur der zu behandelnden Materialbahn 12 vor dem Durchlaufen des Spaltes zwischen den beiden Walzen 14 und 16, einem vierten Sensor 40 für die Erfassung der Temperatur der Materialbahn 12 nach dem Durchlaufen des Spaltes zwischen den beiden Walzen 14 und 16 und schließlich einer in Bewegungsrichtung der Materialbahn 12 (siehe den Pfeil in Fig. 1) vor den beiden Walzen 14, 16 angeordneten Lichtschranke 40, die das Vorhandensein der Materialbahn 12 feststellt.A control device 32 controls both the heating / cooling device 24 and the energy supply 30 and receives signals from various sensors, namely a first sensor 34 for detecting the temperature of the heated heat carrier in the line 26 and a second sensor 36 for the detection of the temperature of the returning heat transfer medium in the line 28, a third sensor 38 for the detection of the temperature of the material web 12 to be treated before it passes through the gap between the two rollers 14 and 16, a fourth sensor 40 for the detection of the temperature of the material web 12 after passing through the gap between the two rollers 14 and 16 and finally a light barrier 40 arranged in the direction of movement of the material web 12 (see the arrow in FIG. 1) in front of the two rollers 14, 16, which detects the presence of the material web 12.

Die von den verschiedenen Fühlern 34, 36, 38, 40 ermittelten Signale, also die Ist-Werte für die jeweiligen Temperaturen, werden in der Regeleinrich­tung 32 mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, so daß in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleiches die beiden Heizeinrichtungen 24, 30 ange­steuert werden und bewirken, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Ober­fläche der Heizwalze 14 und ihrem Kern möglichst gering ist, indem insbe­sondere der Wärmeträger erwärmt oder gekühlt wird.The signals determined by the various sensors 34, 36, 38, 40, that is to say the actual values for the respective temperatures, are compared in the control device 32 with predetermined target values, so that, depending on the result of this comparison, the two heating devices 24, 30 are controlled and cause that the temperature difference between the surface of the heating roller 14 and its core is as small as possible, in particular by heating or cooling the heat transfer medium.

Außerdem werden bei Fehlen der Materialbahn 12, das mittels der Licht­schranke 42 festgestellt wird, sofort Gegenmaßnahmen eingeleitet, um den damit verbunden Temperaturabfall an der Oberfläche der Heizwalze 14 zu kompensieren.In addition, in the absence of the material web 12, which is determined by means of the light barrier 42, countermeasures are initiated immediately in order to compensate for the associated drop in temperature on the surface of the heating roller 14.

Der Walzenkörper der Heizwalze 14 besteht aus einer Hartgußlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so daß die oben erläuterten Vorteile erreicht werden.The roller body of the heating roller 14 consists of a cast iron alloy with high thermal conductivity, so that the advantages explained above are achieved.

Aus den Ausgangssignalen der beiden Fühler 34 und 36 im Vor- bzw. Rücklauf des Wärmeträgers kann sowohl die Leistung der Innenheizung als auch die Innentemperatur der Heizwalze 14 errechnet und damit bei der Regelung be­rücksichtigt werden.Both the output of the internal heating and the internal temperature of the heating roller 14 can be calculated from the output signals of the two sensors 34 and 36 in the forward or return flow of the heat transfer medium and thus taken into account in the control.

Aus der Temperaturdifferenz der Materialbahn vor bzw. nach dem Durchlaufen des Spaltes zwischen den beiden Walzen 14, 16, die mittels der Fühler 38, 40 ermittelt wird, kann ebenfalls die Heizleistung und die Temperatur an der Oberfläche des Walzenkörpers der Heizwalze 14 ermittelt werden. Der Temperaturverlauf über die Heizwalze und damit ihr Spannungsverlauf läßt sich über ein Simulationsprogramm ermitteln.The heating power and the temperature on the surface of the roller body of the heating roller 14 can also be determined from the temperature difference of the material web before or after passing through the gap between the two rollers 14, 16, which is determined by means of the sensors 38, 40. The temperature curve over the heating roller and thus its voltage curve can be determined using a simulation program.

Figur 2 zeigt den Spannungsverlauf in der Wand einer Rohrwalze bei ver­schiedenen Betriebszuständen; dabei ist in Figur 2a der Eigenspannungsver­lauf von innen nach außen bei Umgebungstemperatur dargestellt, also für den Fall, daß die Temperatur Ti im Innern der Walze gleich der Temperatur Ta an der Oberfläche der Walze ist. Selbst in diesem günstigsten Fall liegt im Innern der Walze eine Zugspannung σi vor, die größer als 0, jedoch kleiner als die Zugfestigkeit der üblicherweise verwendeten Hartguß­legierungen ist, während an der Oberfläche der Walze eine Druckspan­nung σa vorliegt.Figure 2 shows the voltage curve in the wall of a tube roll in different operating states; 2a shows the residual stress curve from the inside to the outside at ambient temperature, that is to say in the event that the temperature T i inside the roller is equal to the temperature T a on the surface of the roller. Even in this most favorable case, there is a tensile stress σ i inside the roller that is greater than 0, but less than the tensile strength of the commonly used chilled cast alloys, while a compressive stress σ a is present on the surface of the roller.

Wird die Walze zu schnell von außen her aufgeheizt, so wird die Temperatur Ta an der Oberfläche der Walze sehr rasch sehr viel größer als die Temperatur Ti im Innern der Walze, d.h. sowohl die Zugspannung σi als auch die Druckspannung σa nehmen stark zu, so daß rasch der zulässige Grenzwert für die Zugfestigkeit des Materials überschritten wird und die Walze innen reißt, wie man aus Figur 2b ableiten kann.If the roller is heated too quickly from the outside, the temperature T a on the surface of the roller very quickly becomes very much higher than the temperature T i inside the roller, ie both the tensile stress σ i and the compressive stress σ a increase strongly to, so that the permissible limit value for the tensile strength of the material is quickly exceeded and the roller tears inside, as can be derived from FIG. 2b.

Figur 2c zeigt eine Walze mit Innenheizung oder eine Walze kurz nach Aus­fall der Außenheizung; hier wird die Temperatur Ta an der Oberfläche der Walze rasch sehr viel geringer als die Temperatur Ti im Innern der Walze, d.h. an der Oberfläche der Walze entsteht eine Zugspannung σa, die über dem Grenzwert für die Zugfestigkeit liegt, während im Innern der Walze eine Druckspannung σiaufgebaut wird. Unter diesen Bedingungen reißt also die Walze außen.Figure 2c shows a roller with internal heating or a roller shortly after failure of the external heating; here the temperature T a on the surface of the roller quickly becomes much lower than the temperature T i on the inside of the roller, ie a tensile stress σ a arises on the surface of the roller, which lies above the limit value for the tensile strength, while inside Roll a compressive stress σ i is built up. Under these conditions, the roller breaks outside.

Figur 2d zeigt schließlich den Spannungsverlauf für eine Walze mit gere­gelter Aufheizung innen und außen, wie es oben beschrieben worden ist; man kann erkennen, daß selbst im Vergleich mit dem stationären Zustand bei Um­gebungstemperatur, wie er aus Figur 2a ersichtlich ist, die Differenz zwi­schen der Druckspannung σi im Innern der Walze und der Druckspan­nung σa an der Oberfläche der Walze sehr viel geringer ist und einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur Zugfestigkeit des Materials beibehält. Es besteht also keine Riss- oder gar Bruchgefahr für die Walze.Figure 2d finally shows the voltage curve for a roller with controlled heating inside and outside, as has been described above; It can be seen that even in comparison with the steady state at ambient temperature, as can be seen in FIG. 2a, the difference between the compressive stress σ i inside the roller and the compressive stress σ a on the surface of the roller is very much smaller and one maintains sufficient safety distance from the tensile strength of the material. There is therefore no risk of the roller cracking or breaking.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Behandlung einer Materialbahn a) mit einer Heizwalze, b) mit mindestens einem, in Längsrichtung durch die Heizwalze verlaufenden Strömungskanal, c) mit Zu- und Abführleitungen für einen fluiden, durch den Strömungs­kanal fließenden Wärmeträger, d) mit einer Heizeinrichtung für den Wärmeträger, und e) mit einer an der Heizwalze anliegenden Gegenwalze,
dadurch gekennzeichnet, daß f) eine zusätzliche Heizeinrichtung (22, 30) die Heizwalze (14) von außen her erwärmt, und daß g) eine an die beiden Heizeinrichtungen (20, 24; 22, 30) angeschlossene Steuereinrichtung (32) die Temperatur der Heizwalze (14) in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsbedingungen erhöht oder verringert. 1. Device for treating a material web a) with a heating roller, b) with at least one flow channel running in the longitudinal direction through the heating roller, c) with supply and discharge lines for a fluid heat carrier flowing through the flow channel, d) with a heating device for the heat transfer medium, and e) with a counter roller resting on the heating roller,
characterized in that f) an additional heating device (22, 30) heats the heating roller (14) from the outside, and that g) a control device (32) connected to the two heating devices (20, 24; 22, 30) increases or decreases the temperature of the heating roller (14) as a function of predetermined operating conditions. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätz­liche induktive Heizeinrichtung (22, 30) vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that an additional inductive heating device (22, 30) is provided. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwalze (14) als Rohrwalze ausgebildet ist.3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the heating roller (14) is designed as a tube roller. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwalze (14) periphere Bohrungen in der Nähe ihrer Oberfläche aufweist.4. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the heating roller (14) has peripheral bores in the vicinity of its surface. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung als Regeleinrichtung (32) ausgebildet ist, die von verschiedenen Fühlern (34, 36, 38, 40, 42) Ist-Werte für die Betriebs­bedingungen empfängt und die beiden Heizeinrichtungen (20; 22, 30) entspre­chend steuert.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control device is designed as a control device (32) which receives various values (34, 36, 38, 40, 42) actual values for the operating conditions and the two Heating devices (20; 22, 30) controls accordingly. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen ersten Fühler (34) für die Temperatur des der Heizwalze (14) zugeführten Wärmeträgers und durch einen zweiten Fühler (36) für die Temperatur des aus der Heizwalze (14) austretenden Wärmeträgers, wobei aus den beiden Temperaturwerten die Innentemperatur der Heizwalze (14) ermittelt wird.6. The device according to claim 5, characterized by a first sensor (34) for the temperature of the heat roller (14) supplied heat carrier and by a second sensor (36) for the temperature of the heat roller emerging from the heat roller (14), from which two temperature values, the inside temperature of the heating roller (14) is determined. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen dritten Fühler (38) für die Temperatur der Materialbahn (12) vor dem Durchlaufen des Spaltes zwischen den beiden Walzen (14, 16) und durch einen vierten Fühler (40) für die Temperatur der Materialbahn (12) nach dem Durchlaufen des Spaltes zwischen den beiden Walzen (14, 16), wobei aus den beiden Temperaturwerten die Oberflächentemperatur der Heizwalze (14) ermittelt wird.7. Device according to one of claims 5 or 6, characterized by a third sensor (38) for the temperature of the material web (12) before passing through the gap between the two rollers (14, 16) and by a fourth sensor (40) for the temperature of the material web (12) after passing through the gap between the two rollers (14, 16), the surface temperature of the heating roller (14) being determined from the two temperature values. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen das Vorhandensein der Materialbahn (12) feststellenden Fühler (42).8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized by a sensor (42) determining the presence of the material web (12). 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler als Lichtschranke (42) ausgebildet ist.9. The device according to claim 8, characterized in that the sensor is designed as a light barrier (42).
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