EP1100993B1 - Walzengruppe - Google Patents

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Publication number
EP1100993B1
EP1100993B1 EP99939959A EP99939959A EP1100993B1 EP 1100993 B1 EP1100993 B1 EP 1100993B1 EP 99939959 A EP99939959 A EP 99939959A EP 99939959 A EP99939959 A EP 99939959A EP 1100993 B1 EP1100993 B1 EP 1100993B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
roller
rollers
ref
diameter
deflection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99939959A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1100993A1 (de
Inventor
Heinz-Michael Zaoralek
Jürgen KRÜGER
Bernd Eppli
Julien Tenelsen
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.)
SHW Casting Technologies GmbH
Original Assignee
SCHWAEBISCHE HUETTENWERKEGMBH
Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7872226&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1100993(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by SCHWAEBISCHE HUETTENWERKEGMBH, Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH filed Critical SCHWAEBISCHE HUETTENWERKEGMBH
Publication of EP1100993A1 publication Critical patent/EP1100993A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1100993B1 publication Critical patent/EP1100993B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus
    • D21G1/002—Opening or closing mechanisms; Regulating the pressure
    • D21G1/0026—Arrangements for maintaining uniform nip conditions
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21G—CALENDERS; ACCESSORIES FOR PAPER-MAKING MACHINES
    • D21G1/00—Calenders; Smoothing apparatus

Definitions

  • PCT patent application WO 95/14813 also merely points out that that the bending lines created by gravity on each center roll must be dimensioned so that their shapes are largely the same. To the question how this is to be done, the applicant merely indicates that the Middle rolls "were selected". Such selection processes are e.g. at the production of balls with largely the same diameters for precision ball bearings known. It is hardly economically feasible for calender rolls, to produce a larger number of rollers and to select those among them, whose natural bending lines largely match.
  • a similar task consists of so-called duplicating calenders for production of multi-layer tissue webs.
  • two or more separately produced layers of fine paper fabrics brought together and squeezed slightly.
  • This creates a multi-layer end product such as. Toilet paper or tissues.
  • the line print in the nip is far lower than e.g. created by simply placing the top roller would.
  • the nip must largely depend on the dead weight of the Top roller are relieved. So that the pressure profile in the roller gap is uniform, it is also an advantage here to use rolls with largely identical bending lines to use.
  • rollers are made of the same material and with identical geometry and the inevitable scatter in the Accept material properties in their effect on the bending lines.
  • Another version will of course sag due to its own weight Roller combined with another, the bending line of which is hydraulic by an inner acting adjustment of the first can be adjusted.
  • this is a complex and correspondingly expensive solution.
  • the invention relates to a group of largely identical rolls and the method for the production of such a roller group.
  • the rolls are identical in bending referred to such rollers, the largely matching Have deflections.
  • deflection f the vertical deflection of the Roll axis when the roll bends in the middle of the roll body and covered be understood on the position of the roller axis at the web ends. While the bending line can only be measured with great effort, the following are different Ways shown to determine the deflection. For the intended Purpose can determine and influence the deflection with sufficient Accuracy replace that of the bending line.
  • Such a roller group consists of at least two, if it is one Multi-roll calender is made up of several rolls arranged one above the other which at least one via a roller body made of chilled cast iron or chilled cast iron has, as well as other rollers with roller bodies also made of chilled cast iron or Chilled cast iron or from a cast iron with lamellar, vermicular or spherical Graphite formation, which are then provided with an elastic cover. Locked in are the rollers by an upper and lower roller, which in their Deflection can be adjusted by hydraulic internals and also allow to vary the line pressure exerted on the roller group. The problems the different deflection can be used for small diameter rollers less than 500 mm and a ratio of web length: diameter smaller than 7 are neglected.
  • roller group there is a so-called reference roller and the distinguish between dependent rollers.
  • top and bottom rollers Inside are the top and bottom rollers not included because their deflection is not solely due to their own weight, but actively changed by pressure settings in the hydraulic internals can be.
  • the reference roller is a chilled cast iron or chilled cast iron roller, which has a central bore, with a wall thickness between 100 and 300 mm and natural deflection under the influence of gravity when suspended in their bearings, which are arranged on the pin, between 0.1 and 0.2 mm each Meters of track length.
  • the diameter of the central bore lies approximately in the middle of one Area, the upper end of which is determined by the minimal wall thickness of the body of the honeycomb and its lower end by the smallest possible Roll weight is determined.
  • D (16 ⁇ G ⁇ K G / (15 ⁇ E ⁇ f ref )) 1 ⁇ 4 with the final D as the next diameter to be produced economically.
  • the arrangement of the rolls in the calender can be designed relatively freely sensibly used rollers, which in their outer diameters essentially are the same. Undesirable vibrations of the rollers can be avoided if they are dimensioned so that they are not close to the semi-critical Speed must be operated. Finally, all of the rollers can be used for more precise Determination of the deflection with fiber or body in the central bore or the peripheral bores, which are also during the Operating can be supplied or removed or adjusted.
  • the determination of the roll diameter for rolls of a multi-roll calender starts with the chilled casters, because these after the maximum permissible deflection should be done. It is determined by the technical possibilities of the Deflection compensation of the top and bottom rolls, that of multi-roll calenders usually have this option. Expediently one Chilled cast iron determined as reference roller. The outer diameter and the Diameter of the central hole that any larger roller for weight reduction should be approximately in the middle of the respective tolerance or feasibility areas lie.
  • the deflection of a roller suspended in the bearings is namely the Weight of the roller body, the modulus of elasticity of the roller material and that Moment of inertia of the roll cross section determined.
  • the diameter D of the roller body to be provided with a polymer cover is to be determined in accordance with the stress on the cover and its durability. In the case of very high loads due to line pressure, speed of rotation and temperatures or less durable covers, you will opt for the largest possible roller diameter. In view of the desired bending uniformity, a material with a low modulus of elasticity between 90,000 and 120,000 N / mm 2 is then used.
  • a smaller roller diameter can be provided when the elastic cover or a highly resilient elastic cover material is subjected to low loads. Then a modulus of elasticity between 170,000 and 185,000 N / mm 2 should preferably be used.
  • a cast iron is used for medium loads, the modulus of elasticity of which is in a wide range between 130,000 and 160,000 N / mm 2 .
  • Part of the invention is therefore also the possibility of influencing the modulus of elasticity of cast iron in large roll bodies in accordance with the requirements for the production of rolls with largely the same deflections. It largely depends on the graphite embedded in the iron structure. If this is designed in the form of lamellae (gray cast iron), a notch effect occurs when tensile loads are applied, which weakens the base material and greatly reduces the modulus of elasticity. It is then 100,000 N / mm 2 and less. The alloying of magnesium changes the surface tensions in the liquid state to such an extent that the graphite is spherically shaped (spheroidal iron). The reduction in the modulus of elasticity of the base material is then only slight. Values up to 185,000 N / mm 2 are achieved.
  • the inoculation technique and the magnesium doping are modified so that intermediate forms of lamellar and spherical are formed during graphite precipitation (vermicular cast iron).
  • These intermediate forms make it possible to adjust the modulus of elasticity of the material in a range between 110,000 and 170,000 N / mm 2 - preferably between 130,000 and 160,000 N / mm 2 - exactly as is required based on the specifications.
  • the technology is burdened with a relatively large spread of the decisive material properties, because even the smallest variations in alloy and vaccination have a significant impact on the modulus of elasticity. Therefore, an exact determination of the actual elastic modulus of rolls is of particular importance not only for the roll itself, but also as a basis for the continuous material decisions in future cases.
  • the bending formula gives a range for the permissible modulus of elasticity of the roller material.
  • the size of the hole is up limited by the profile disturbance in the edge area of the roller resulting from the fact the ovalization of the roller body under a line load, but also due to the need to accommodate heating or cooling holes in the Roller body that the smoothing process requires or increase the durability of elastic plastic covers.
  • the bore is down Outside diameters to limit the roller weights are also limited.
  • the relative diameter D rel corresponds roughly to the next highest in the series of standard diameters in the case of rolls with an elastic cover with base bodies made of gray cast iron with lamellar graphite, approximately the same in the series of standard diameters for gray cast iron with spherical graphite or in the case of a roller base body made of gray cast iron with vermicular graphite r ungefä h the diameter of the reference roll.
  • the machining allowance can be freely chosen apart from economic considerations, this specification is only a guideline.
  • the mean modulus of elasticity of the entire roller body is determined and controlled in the course of the manufacturing process by bending tests of the entire roller body, with reference points in each case can be obtained for further processing of the roller body.
  • the roller body is supported and bent by the application of defined forces. The bending of the whole body is measured. All material properties that change over the cross-section, such as the modulus of elasticity and the specific density, are thus recorded together and simultaneously. The actual mean elastic modulus can be calculated from this.
  • Bore diameter (D 4 - Z p ⁇ D p 2 ⁇ (D p 2 + 2 ⁇ T p 2 ) - G ⁇ K G / (f ⁇ E)) 1 ⁇ 4
  • the roller body the weight of which was previously determined to a precision of 0.5% using a precision balance, is supported at the ends on roller stands.
  • a light source - for example a laser - is attached in the middle, the beam of which is split and directed axially parallel to two displacement sensors, which are each attached to the roller ends.
  • the radial position of the points of impact on the sensors is recorded. After rotating the roller body by 180 °, the displacement of the radial position of the impact points is measured a second time.
  • the light beam method has the advantage that a measurement can also be carried out on a finished roller if the roller can be rotated in its own bearings.
  • a rigid measuring beam is placed on the roll body in the axial direction, whereby it is supported by supports at the roll ends.
  • a distance measuring device for example a dial gauge, measures the distance between the roller body and the measuring bar in the middle of the roller. If a defined vertical force is now exerted on the roller body in the middle of the roller, it deforms that roller body, but not the measuring beam.
  • the measurement can also be carried out similarly to the measuring beam method if the roller body is supported at the ends on a stable surface. From measuring bridges at the ends and in the middle of the roll body, the vertical displacement at these points in space can be measured by applying a defined vertical force. Any elastic yielding of the supports can thus be eliminated by calculation.
  • roller weights are therefore the new ones Rolls to be determined precisely by calibrated precision cars and in the invention Determine the diameter of the central bore. It is also advisable to add the weights to the roll documentation. The Change of roller weights during operation by e.g. rework due to wear can be traced with sufficient accuracy on this basis.
  • a further change in the deflection results from variations in the operating temperature due to the elasticity module, which decreases with increasing temperature.
  • the temperature of the heating rollers and the line pressure in the calender are increased. While the temperature of the heated rolls made of chilled cast iron is directly influenced by means of a liquid or gaseous heat transfer medium that flows through the roll body, an increased pressure increases the flexing work in the elastic covers. The frictional heat generated in this way leads to temperature increases in the covers and the roller bodies. This is why they are often equipped with cooling options.
  • this ratio should be ⁇ 1 and in the state of each maximum wear and operating temperature> 1.
  • the finished diameter of the holes can prefer the extreme conditions be set so that they are approximately the same absolute distance from 1 exhibit. This ensures that the deflections even with any Combination of rollers within the group are always largely the same.

Landscapes

  • Paper (AREA)
  • Rolls And Other Rotary Bodies (AREA)

Description

Moderne Mehrwalzenkalander, in denen harte, beheizte und weiche, kunststoffbezogene Walzen gleichzeitig zum Einsatz kommen, könnten dann besonders wirkungsvoll für das Glätten von Papier eingesetzt werden, wenn die Mittelwalzen jeweils in ihren Lagern soweit angehoben würden, daß der darunterliegende Walzenspalt vom eigenen Walzengewicht entlastet wird. Dann wäre es möglich, durch eine Druckausübung auf das gesamte Walzenpaket mittels einer unteren und oberen Druckwalze, in allen Walzenspalten denselben Liniendruck von Null bis zum Druckmaximum einzustellen. Dies kann aber nur dann verwirklicht werden, wenn alle Walzen im Kalander weitgehend gleiche Biegelinien aufweisen, wenn sie in den Lagern am Zapfen gehalten und lediglich durch ihr eigenes Gewicht verbogen werden.
Der Vorschlag, einen Kalander mit solchen Walzen auszurüsten, geht z.B. aus dem US-Patent Nr. 5,438,920 hervor. Darin werden die Mittelwalzen ("intermediate rolls") beschrieben als Walzen, bei denen die Form der natürlichen Durchbiegungslinie, hervorgerufen durch ihr eigenes Gewicht, weitgehend gleich ist. Aus der Patentschrift geht allerdings nicht hervor, wie solche Walzen mit weitgehend gleichen Biegelinien hergestellt werden können. Dies ist nämlich keineswegs trivial und dem durchschnittlichen Fachmann nicht ohne weiteres möglich, selbst wenn er die prinzipiellen Zusammenhänge zwischen Gewicht eines Biegebalkens, seinem Trägheitsmoment, dem Elastizitätsmodul des Balkenwerkstoffes und dem Abstand der Auflager (vergl. z.B. Hütte, 28. Neubearbeitete Auflage, Verlag von Wilhelm Ernst und Sohn, Berlin 1955, S. 876 - 892), beherrscht.
Auch in der PCT-Patentanmeldung WO 95/14813 wird lediglich darauf hingewiesen, daß die Biegelinien, die durch die Schwerkraft bei jeder Mittelwalze erzeugt werden, so dimensioniert werden müssen, daß ihre Formen weitgehend gleich sind. Zur Frage, wie dies zu bewerkstelligen ist, gibt der Anmelder lediglich den Hinweis, daß die Mittelwalzen "so ausgesucht wurden". Derartige Selektionsverfahren sind z.B. bei der Herstellung von Kugeln mit weitgehend gleichen Durchmessern für Präzisionskugellager bekannt. Es ist für Kalanderwalzen aber wirtschaftlich kaum darstellbar, eine größere Zahl von Walzen herzustellen und darunter diejenigen auszusuchen, deren natürliche Biegelinien weitgehend übereinstimmen.
Eine ähnliche Aufgabenstellung besteht in sog. Doublierkalandern zur Erzeugung von mehrlagigen Tissuebahnen. In einem solchen Zweiwalzen-Kalander werden zwei oder mehrere getrennt hergestellte Lagen von feinen Papiergeweben zusammengeführt und leicht zusammengedrückt. Dadurch entsteht ein mehrlagiges Endprodukt wie z.B. Toilettenpapier oder Papiertaschentücher. Der Liniendruck im Walzenspalt ist weit niedriger, als er z.B. durch das bloße Auflegen der Oberwalze erzeugt würde. Auch hier muß der Walzenspalt weitgehend vom Eigengewicht der Oberwalze entlastet werden. Damit das Druckprofil im Walzenspalt gleichmäßig ist, ist es auch hier von Vorteil, Walzen mit weitgehend übereinstimmenden Biegelinien zu verwenden. Stand der Technik ist es hier, die Walzen aus gleichem Werkstoff und mit identischer Geometrie herzustellen und die unvermeidlichen Streuungen in den Werkstoffeigenschaften in ihrer Auswirkung auf die Biegelinien hinzunehmen. In einer anderen Ausführung wird eine sich natürlich durch ihr Eigengewicht durchbiegende Walze mit einer weiteren kombiniert, deren Biegelinie durch eine innere hydraulisch wirkende Verstellung der ersten angepaßt werden kann. Dies ist allerdings eine aufwendige und entsprechend teuere Lösung.
Stand der Technik
Allgemein ist festzustellen, daß durchbiegungsgleiche Walzen im strengen Sinne bisher nicht verfügbar waren. Dies beruht auf einer ganzen Reihe von technischen Begrenzungen:
  • 1) Beheizte Walzen in jeder Form von Kalandern für die Papierindustrie werden fast ausschließlich mit Körpern aus Schafenhartguß hergestellt. Eine wirtschaftliche Fertigung von Hartgußwalzen ist nur im Rahmen von bestimmten Durchmesserreihen möglich, da jeder Walzendurchmesser in einem korrespondierenden Satz von gußeisernen Formen - sog. Kokillen - abgegossen werden muß. Typischerweise sind diese Durchmesser in Stufen von zwei Zoll (ca. 50 mm) abgestuft. Gebräuchliche Durchmesser für Mehrwalzenkalander sind dementsprechend: z.B. 505 mm, 560 mm, 610 mm, 660 mm, 710 mm, 760 mm, 812 mm, 860 mm, 915 mm.
  • 2) Die Fertigung ergibt einen gewissen Toleranzbereich des Außen-Durchmessers der Walzen. Dieser hat sich branchenüblich auf +/- 1 % des Walzendurchmessers eingespielt. Da die maximale Auslenkung der Walze umgekehrt proportional zum Trägheitsmoment des Walzenquerschnittes ist, und dieser wiederum proportional zur 4. Potenz des Walzendurchmessers, bedeutet diese Toleranz bei ansonsten baugleichen Walzen bereits einen Unterschied in der Durchbiegung von +/- 4%.
  • 3) Hartguß ist ein sog. inhomogener Werkstoff. Die physikalischen Eigenschaften schwanken außer aufgrund der Zusammensetzung auch aufgrund von geringfügigen Unterschieden im Gefüge. An getrennt gegossenen oder sogar mitgegossenen Proben gemessene Werkstoffeigenschaften haben nur eine beschränkt genaue Aussagekraft für das effektive Gefüge im Walzenkörper selbst. Abweichungen beim Elastizitätsmodul, der an Proben bedingt durch die Inhomogenität und die Toleranz des Meßverfahrens nur auf wenige Prozent genau gemessen werden kann, haben eine umgekehrt proportionale Auswirkung auf die Durchbiegung. Die spezifische Dichte hat einen direkt proportionalen Einfluß. Auf diese Weise gemessene Werkstoffeigenschaften können nicht als Grundlage für die Auslegung benützt werden.
  • 4) Einen starken Einfluß auf die Materialparameter hat außerdem die Abkühlgeschwindigkeit beim Guß, die entscheidend ist für die Dicke der reinen Schreckung ("weißes Eisen") und der sog. Übergangszone. Da das rein weiße Eisen etwa einen Elastizitätsmodul von 180.000 N/mm2 und das graue Kerneisen typisch einen von ca. 100.000 N/mm2 aufweist, führen Abweichungen in der relativen Verteilung der beiden Komponenten zu Variationen des durchschnittlichen Elastizitätsmoduls und damit ebenfalls zu einer unterschiedlichen Durchbiegung.
  • 5) Ähnliche Variationen gibt es bei langen Walzen in axialer Richtung, da die Walzenkörper in der Form stehend gegossen werden.
  • 6) Die zugehörigen polymerbezogenen Walzen sollten möglichst mit einem Durchmesser der fertigen Walze ausgeführt werden, welcher dem der beheizten, harten Walzen nahekommt oder einem benachbarten Durchmesser in der Standardreihe entspricht. Dann lassen sich harte und weiche Walzen in beliebiger Reihenfolge im Kalander mischen, was dem Papiermacher eine größere Flexibilität im Aufbau seines Kalanders beim Glätten verschafft. Durch die Dicke der Polymerschicht ist damit der Außen-Durchmesser des Walzenkerns festgelegt. Bei Verwendung der gebräuchlichen Walzenwerkstoffe, wie Grauguß oder Sphäroguß, stößt die Herstellung solcher Walzen mit identischen Biegelinien auf große Schwierigkeiten, weil die Elastizitätsmoduli sehr unterschiedlich sind.
  • 7) Im Betrieb muß die Polymerschicht der elastischen Walzen nachgearbeitet werden. Sie verliert je nach Schichttyp bis zur Erneuerung der Schicht bis zu 15 mm an Stärke. Da die Schicht nur zum Gewicht der Walze beiträgt, nicht aber zur Steifigkeit, bedeutet dies, daß sich die "abgenützte" Walze weniger durchbiegt als die neue Walze. Bei der Hartgußwalze ist dies genau umgekehrt. Die Walze wird zwar nur geringfügig im Durchmesser verkleinert, wenn sie nachgeschliffen wird, jedoch ist die Zahl der Schleifvorgänge relativ hoch. Im Laufe des Walzenlebens wird so die weiße Schreckschicht deutlich abgebaut. Da diese aber aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls die Durchbiegung der Walze stark beeinflußt, wird sich bei einem Abschleifen dieser Schicht die Durchbiegung allmählich vergrößern.
  • 8) Der Elastizitätsmodul sowohl des Hartgusses als auch anderer Eisenwerkstoffe ist temperaturabhängig. Während harte Walzen in der Regel bei Temperaturen um 120 °C und höher betrieben werden, werden die polymerbezogenen Walzenkörper allenfalls gleichmäßig temperiert. Auch daraus resultieren im Betrieb unterschiedliche Biegelinien.
  • 9) Schließlich sind - besonders bei den polymerbezogenen Walzen - auch bauartbedingte Unterschiede von Bedeutung. Walzen werden z.B. peripher gebohrt oder auch mit einem Verdrängerkörper in der Zentralbohrung ausgeführt.
    • Beschreibung der Erfindung
    Die Erfindung betrifft eine Gruppe weitgehend biegegleicher Walzen und das Verfahren zur Herstellung einer solchen Walzengruppe. Als biegegleiche Walzen sind erfindungsgemäß solche Walzen bezeichnet, die weitgehend übereinstimmende Durchbiegungen aufweisen. Unter Durchbiegung f soll die vertikale Auslenkung der Walzenachse bei Biegung der Walze in der Mitte des Walzenkörpers und bezogen auf die Position der Walzenachse an den Bahnenden verstanden werden. Während die Biegelinie nur sehr aufwendig gemessen werden kann, werden im folgenden verschiedene Wege aufgezeigt, die Durchbiegung zu bestimmen. Für den beabsichtigten Zweck kann die Ermittlung und Beeinflussung der Durchbiegung mit hinreichender Genauigkeit diejenige der Biegelinie ersetzen.
    Eine derartige Walzengruppe besteht zumindest aus zwei, wenn es sich um einen Vielwalzenkalander handelt, aus mehreren übereinander angeordneten Walzen, von denen mindestens eine über einen Walzenkörper aus Hartguß bzw. Schalenhartguß verfügt, sowie weiteren Walzen mit Walzenkörpern ebenfalls aus Hartguß bzw. Schalenhartguß oder aus einem Gußeisen mit lamellarer, vermikularer oder sphärischer Graphitausbildung, die dann mit einem elastischen Bezug versehen sind. Eingeschlossen werden die Walzen durch je eine Ober- und Unterwalze, die in ihrer Durchbiegung durch hydraulische Einbauten einstellbar sind und es außerdem ermöglichen, den auf die Walzengruppe ausgeübten Liniendruck zu variieren. Die Probleme der unterschiedlichen Durchbiegung können für kleine Walzen mit Durchmesser kleiner als 500 mm und einem Verhältnis von Bahnlänge : Durchmesser kleiner als 7 vernachlässigt werden.
    In einer derartigen Walzengruppe ist zwischen einer sog. Referenzwalze und den davon abhängigen Walzen zu unterscheiden. Darin sind die Ober- und Unterwalzen nicht inbegriffen, weil deren Durchbiegung nicht ausschließlich durch das Eigengewicht, sondern aktiv durch Druckeinstellungen in den hydraulischen Einbauten verändert werden kann.
    Erfindungsgemäß ist die Referenzwalze eine Hartguß- oder Schalenhartgußwalze, die eine Zentralbohrung hat, mit einer Wandstärke zwischen 100 und 300 mm und einer natürlichen Durchbiegung unter dem Einfluß der Schwerkraft bei Aufhängung in ihren Lagern, die an den Zapfen angeordnet sind, zwischen 0,1 und 0,2 mm je Meter Bahnlänge. Der Durchmesser der Zentralbohrung liegt etwa in der Mitte eines Bereiches, dessen oberes Ende durch die konstruktiv bestimmte minimale Wandstärke des Watzenkörpers und dessen unteres Ende durch ein möglichst geringes Walzengewicht bestimmt ist.
    Die sonstigen Walzen in der Walzengruppe können sowohl aus Hartguß oder Schalenhartguß sein, aber auch aus anderen geeigneten Werkstoffen hergestellt werden. Wenn sie mit einem elastischen Überzug versehen sind, werden sie im allgemeinen aus Gußeisen bestehen, können aber auch aus Schmiedestahl bestehen. Ihr Gewicht ohne Zapfen entspricht der Formel G = Gref × E × J × f / ( Eref × Jref × fref)
    Dabei sind:
    Gref =
    Gewicht des Referenzwalzenkörpers (N) (ohne Zapfen) im Bereich der Bahnlänge L
    Eref =
    Elastizitätsmodul des Referenzwalzenkörpers (N/m2)
    Jref =
    Trägheitsmoment des Querschnitts des Referenzwalzenkörpers (m4)
    fref =
    Durchbiegung der Referenzwalze (m)
    E =
    Elastizitätsmodul (N/m2)
    J =
    Trägheitsmoment des Walzenquerschnitts (m4)
    f =
    angestrebte Durchbiegung (m)
    Ihre Zentralbohrung entspricht der Formel: Bohrungsdurchmesser = (D4 - G × KG / (f × E))¼ soweit die Walzenkörper keine peripheren Bohrungen aufweisen. Mit peripheren Bohrungen gilt: Bohrungsdurchmesser = (D4 - Zp × DP 2 × (Dp 2 + 2 × TP 2) - G × KG / (f × E))¼
    Dabei sind:
    G =
    Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge
    E =
    Elastizitätsmodul (N/m2)
    D =
    Außen-Durchmesser (m)
    f =
    anzustrebende Durchbiegung (m)
    KG =
    Gruppenkonstante (m3) nach Gleichung (3)
    Zp =
    Zahl der peripheren Bohrungen
    Dp =
    Durchmesser der peripheren Bohrungen (m)
    Tp =
    Teilkreis (m) der peripheren Bohrungen
    Handelt es sich dabei um Walzen mit elastischen Bezügen, haben diese Bezüge eine Stärke von zwischen 10 und 30 mm und einen tragenden metallischen Körper mit dem Durchmesser D = Drel - 2 × (dp - ap)
    Dabei sind:
    Drel =
    Relativer Durchmesser (m)
    dp =
    Dicke des neuen Polymerbezuges (m)
    ap =
    max. mögliche Abnutzung des Polymerbezuges (m).
    Für den Durchmesser D gilt zugleich D = (16 × G × KG /(15 × E × fref))¼ mit dem endgültigen D als dem nächsten wirtschaftlich herzustellenden Durchmesser.
    Dabei sind:
    G =
    Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge L
    E =
    anzustrebender Elastizitätsmodul (N/m2), z.B. 180.000 für Grauguß mit kugelförmigem Graphit
    fref =
    Durchbiegung (m) der Referenzwalze
    KG =
    Gruppenkonstante (m3) nach der folgenden Gleichung:
    KG = (5/(6×π)) × L3 × ( 1 + 2,4 × (LM-L) / L + 2 × (Dref / L)2)
    Dabei sind:
    π =
    Kreiskonstante (3,14159...)
    L =
    Bahnlänge der Walzengruppe (m)
    LM =
    Lagermittenabstand der Walzengruppe (m)
    Dref =
    Durchmesser der Referenzwalze (m)
    Damit die Anordnung der Walzen im Kalander relativ frei zu gestalten ist, werden sinnvollerweise Walzen verwendet, die in ihren äußeren Durchmessern im wesentlichen gleich sind. Unerwünschte Schwingungen der Walzen können vermieden werden, wenn diese so dimensioniert sind, daß sie nicht in der Nähe der halbkritischen Drehzahl betrieben werden müssen. Schließlich können alle Walzen zur noch genaueren Bestimmung der Durchbiegung mit Ballaststoffen oder -körpern in der Zentralbohrung oder den peripheren Bohrungen versehen sein, die auch während des Betriebs zu- oder abgeführt oder verstellt werden können.
    Im Folgenden sei die Herstellung einer entsprechenden Walzengruppe des näheren beschrieben:
    Die Bestimmung der Walzendurchmesser für Walzen eines Mehrwalzenkalanders beginnt mit den Hartgußwalzen, weil diese nach der maximal zulässigen Durchbiegung erfolgen sollte. Sie wird bestimmt durch die technischen Möglichkeiten der Durchbiegungskompensation der Ober- und Unterwalzen, die bei Vielwalzenkalandern in der Regel über diese Möglichkeit verfügen. Zweckmäßigerweise wird eine Hartgußwalze als Referenzwalze bestimmt. Der äußere Durchmesser und der Durchmesser der Zentralbohrung, die jede größere Walze zur Gewichtsreduzierung aufweist, sollte etwa in der Mitte der jeweiligen Toleranz- bzw. Machbarkeitsfelder liegen.
    Im Rahmen der erwarteten Streuung des Elastizitätsmoduls wird dann ein zulässiger Bereich für die Durchbiegung bestimmt. Dieser Bereich kann dadurch eingeengt werden, daß man die Auswirkung unterschiedlicher Elastizitätsmoduli auf die Durchbiegung durch Modifikation des Durchmessers der Zentralbohrung kompensieren kann.
    Die Durchbiegung einer in den Lagern aufgehängten Walze wird nämlich durch das Gewicht des Walzenkörpers, den Elastizitätsmodul des Walzenwerkstoffes und das Trägheitsmoment des Walzenquerschnitts bestimmt. Durch die Verkleinerung der Zentralbohrung wird das Gewicht vergrößert und das Trägheitsmoment erhöht, letzteres jedoch nur in geringerem Maße, so daß die Walzendurchbiegung durch die Verkleinerung der Bohrung vergrößert werden kann.
    Innerhalb der üblichen Fertigungstoleranzen von Walzen aus Hartguß oder Schalenhartguß kann der äußere Durchmesser des Walzenkörpers fertigungsbedingt um +/- 1% schwanken. Diese Toleranz kann mit einem gewissen Mehraufwand eingeschränkt werden, den man im allgemeinen vermeidet, weil eine Einstellung auf unterschiedliche Walzendurchmesser im Kalander auf einfache Weise möglich ist. Für die Herstellung weitgehend biegegleicher Walzen kann diese relativ geringe Spanne genutzt werden, weil eine Variation des Außen-Durchmessers von nur +/- 1 % die Durchbiegung der Walze unter ihrem Eigengewicht um ca. -/+ 2 % verändert.
    Allerdings ist bei der endgültigen Festlegung des Außen-Durchmessers zu berücksichtigen, daß durch Nachschleifen im Verlauf der Nutzung der Walze eine Durchmesserverringerung erfolgt. U.U. ist ein Kompromiß dahingehend zu finden, daß die Nutzungsdauer der Walze und damit das zulässige Nachschleif-Aufmaß reduziert wird.
    Erfindungsgemäß ist weiter der Durchmesser D des mit einem Polymerbezug zu versehenden Walzenkörpers, entsprechend der Beanspruchung des Bezuges und seiner Haltbarkeit, festzulegen. Bei sehr hohen Belastungen durch Liniendruck, Umdrehungsgeschwindigkeit und Temperaturen bzw. weniger haltbaren Bezügen wird man sich für einen möglichst großen Walzendurchmesser entscheiden. Im Hinblick auf die gewünschte Biegegleichheit wird dann ein Werkstoff mit einem niedrigen Elastizitätsmodul zwischen 90.000 und 120.000 N/mm2 eingesetzt.
    Umgekehrt kann man bei niedriger Beanspruchung des elastischen Bezuges bzw. einem hoch belastbaren elastischen Bezugsmaterial einen kleineren Walzendurchmesser vorsehen. Dann ist vorzugsweise ein Elastizitätsmodul zwischen 170.000 und 185.000 N/mm2 einzusetzen.
    Für mittlere Belastungen wird erfindungsgemäß ein Gußeisen eingesetzt, dessen Elastizitätsmodul in einem weiten Bereich zwischen 130.000 und 160.000 N/mm2 liegt.
    Teil der Erfindung ist deshalb auch die Möglichkeit, den Elastizitätsmodul von Gußeisen in großen Walzenkörpern den Erfordernissen der Herstellung von Walzen mit weitgehend gleichen Durchbiegungen entsprechend zu beeinflussen. Er hängt maßgeblich von dem in das Eisengefüge eingelagerten Graphit ab. Ist dieser in Form von Lamellen ausgebildet (Grauguß), dann entsteht bei Zugbelastung eine Kerbwirkung, welche den Grundwerkstoff schwächt und den Elastizitätsmodul stark vermindert. Er beträgt dann 100.000 N/mm2 und weniger. Durch das Zulegieren von Magnesium werden die Oberflächenspannungen im flüssigen Zustand soweit verändert, daß sich der Graphit kugelförmig einformt (Sphäroguß). Die Verringerung des Elastizitätsmoduls des Grundwerkstoffes ist dann nur noch gering. Werte bis 185.000 N/mm2 werden erreicht.
    Erfindungsmäßig wird nun die Impftechnik und die Magnesiumdotierung so modifiziert, daß sich bei der Graphitausscheidung Zwischenformen von lamellar und kugelig einstellen (vermikulares Gußeisen). Diese Zwischenformen ermöglichen es, den Elastizitätsmodul des Werkstoffes in einem Bereich zwischen 110.000 und 170.000 N/mm2 - vorzugsweise zwischen 130.000 und 160.000 N/mm2 - einzustellen, gerade so, wie man dies aufgrund der Vorgaben benötigt. Allerdings ist die Technik dafür mit einer relativ großen Streubreite der entscheidenden Werkstoffeigenschaften belastet, weil schon geringste Variationen in Legierung und Impfung erhebliche Auswirkungen auf den Elastizitätsmodul haben. Deshalb kommt einer exakten Feststellung des tatsächlichen Elastizitätsmoduls von Walzen nicht nur für die jeweils zu betrachtende Walze selbst, sondern auch als Grundlage für die fortlaufend zu treffenden Werkstoffentscheidungen in zukünftigen Fällen besondere Bedeutung zu.
    Aus dem Kerndurchmesser und den konstruktiv möglichen Durchmessern der Zentralbohrungen ergibt sich aus der Biegeformel ein Bereich für die zulässigen Eiastizitätsmoduli des Walzenwerkstoffes. Dabei ist die Größe der Bohrung nach oben durch die Profilstörung im Randbereich der Walze begrenzt, die sich aus der Tatsache der Ovalisierung des Walzenkörpers unter einer Linienbelastung ergibt, aber auch durch die Notwendigkeit der Unterbringung von Heiz- bzw. Kühlbohrungen im Walzenkörper, die der Glättprozeß erfordert oder die Steigerung der Haltbarkeit von elastischen Kunststoffbezügen. Nach unten wird die Bohrung bei Walzen mit großen Außen-Durchmessern zur Begrenzung der Walzengewichte ebenfalls begrenzt.
    Als Durchmesser D des Walzenkörpers für weitgehend biegungsgleiche Walzen mit einem elastischen Bezug wird erfindungsgemäß D = Drel - 2 × (dp - ap) ausgewählt.
    Dabei sind:
    Drel =
    Relativer Durchmesser (m)
    dp =
    Dicke des neuen Polymerbezuges (m)
    ap =
    max. mögliche Abnutzung des Polymerbezuges (m).
    Der relative Durchmesser Drel entspricht bei Walzen mit einem elastischen Bezug mit Grundkörpern aus Grauguß mit lamellarem Graphit ungefähr dem in der Reihe der Standarddurchmesser nächsthöheren, bei Grauguß mit kugelförmigem Graphit ungefähr dem in der Reihe der Standarddurchmesser nächstniedrigen oder bei einem Walzengrundkörper aus Grauguß mit vermikularem Graphit ungefähr dem Durchmesser der Referenzwalze. Da bei diesen Werkstoffen - anders als beim Schalenhartguß - die Bearbeitungszugabe abgesehen von Wirtschaftlichkeitserwägungen frei gewählt werden kann, handelt es sich bei dieser Festlegung nur um Richtwerte.
    Der fertige Durchmesser D des Walzenkörpers ist so zu wählen, wie er sich aus der Formel D = (16 × G × KG /(15 × E × fref))¼ als nächster wirtschaftlich herzustellender Durchmesser ergibt.
    Dabei sind:
    G =
    Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge L
    E =
    anzustrebender Elastizitätsmodul (N/m2), z.B. 180.000 für Grauguß mit kugelförmigem Graphit
    fref =
    Durchbiegung (m) der Referenzwalze
    KG =
    Gruppenkonstante (m3) nach der folgenden Gleichung
    KG = (5/(6×π)) × L3 × ( 1 + 2,4 × (LM-L) / L + 2 × (Dref / L)2)
    Dabei sind:
    π =
    Kreiskonstante (3,14159...)
    L =
    Bahnlänge der Walzengruppe (m)
    LM =
    Lagermittenabstand der Walzengruppe (m)
    Dref =
    Durchmesser der Referenzwalze (m)
    Da die Gewichtskraft G des Walzenkörpers abhängig von seinem Durchmesser ist, ist dieser endgültig durch Iteration oder weitere Berechnung zu ermitteln.
    Da die Materialkennwerte, wie z.B. der Elastizitätsmodul, aus kleinen Proben nicht ausreichend präzise bestimmt werden können, ist es schließlich Bestandteil der Erfindung, daß der mittlere Elastizitätsmodul der ganzen Walzenkörper im Verlauf des Fertigungsprozesses durch Biegeversuche des ganzen Walzenkörpers bestimmt und kontrolliert wird, womit jeweils Anhaltspunkte für die weitere Bearbeitung der Walzenkörper gewonnen werden. Dazu wird der Walzenkörper aufgelagert und durch das Aufbringen von definierten Kräften verbogen. Die Verbiegung des ganzen Körpers wird gemessen. Alle über den Querschnitt veränderlichen Materialeigenschaften, wie z.B. der Elastizitätsmodul und die spezifische Dichte werden so gemeinsam und gleichzeitig erfaßt. Daraus kann der tatsächliche mittlere Elastizitätsmodul berechnet werden. Mit fortschreitender Bearbeitung des Hartgußkörpers (Schruppdrehen der Oberfläche, Zentralbohrung, Einbringen von peripheren Bohrungen) können diese Messungen im Bedarfsfall wiederholt und so ein einigermaßen endgültiger mittlerer Elastizitätsmodul bestimmt werden, für den dann der genaue Durchmesser der Zentralbohrung festgelegt werden kann, welcher die gewünschte Durchbiegung erzeugt. Ohne periphere Bohrungen gilt: Bohrungsdurchmesser = (D4 - G × KG / (f × E))¼
    Mit peripheren Bohrungen gilt: Bohrungsdurchmesser = (D4 - Zp × Dp 2 × (Dp 2 + 2 × Tp 2) - G × KG / (f × E))¼
    Dabei sind:
    G =
    Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge
    E =
    Elastizitätsmodul (N/m2)
    D =
    Außen-Durchmesser (m)
    f =
    anzustrebende Durchbiegung (m)
    KG =
    Gruppenkonstante (m3) nach o.a. Gleichung
    Zp =
    Zahl der peripheren Bohrungen
    Dp =
    Durchmesser der peripheren Bohrungen (m)
    Tp =
    Teilkreis (m) der peripheren Bohrungen
    Als Meßverfahren für die Durchbiegung des gesamten Walzenkörpers in verschiedenen Fertigungszuständen werden beispielsweise erfindungsgemäß genutzt:
    Lichtstrahl-Methode:
    Der Walzenkörper, dessen Gewicht zuvor mittels einer Präzisionswage auf 0,5 % genau bestimmt wurde, ist an den Enden auf Rollenböcken gelagert. Auf der Oberseite des Walzenkörpers ist in der Mitte eine Lichtquelle - z.B. ein Laser - befestigt, deren Strahl geteilt und axialparallel auf zwei Weg-Sensoren gerichtet ist, die jeweils an den Walzenenden angebracht sind. Die radiale Position der Auftreffpunkte auf die Sensoren wird festgehalten. Nach einer Drehung des Walzenkörpers um 180° wird die Verschiebung der radialen Position der Auftreffpunkte ein zweites Mal gemessen. Diese Verschiebungen sind ein Maß für den zweifachen Wert der Durchbiegung des Walzenkörpers in der Walzenmitte unter seinem Eigengewicht. Mit den gemessenen Werten für den äußeren und inneren Durchmesser des Walzenkörpers, sowie dem Abstand zwischen den Rollenböcken sowie den Sensoren kann dann der genaue durchschnittliche Elastizitätsmodul des Walzenkörpers ermittelt werden. E = G × L3 / (38,4 × f × J)
    Dabei sind:
    E =
    Elastizitätsmodul in (N/m2)
    G =
    Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge L
    L =
    Abstand zwischen der Rollen (m)
    f =
    gemessene Veränderung der Durchbiegung (m)
    J =
    Trägheitsmoment des Walzenquerschnittes (m4)
    Die Lichtstrahl-Methode hat den Vorteil, daß eine Messung auch an einer fertigen Walze erfolgen kann, wenn die Walze in ihren eigenen Lagern gedreht werden kann. Die Gleichung zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls ist dann: E = G × KG × π/(32 × L × f × J)
    Dabei sind:
    G =
    Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge L
    KG =
    Gruppenkostante (m4) nach der o.a. Gleichung
    n =
    Kreiskonstante (3,14159...)
    L =
    Bahnlänge (m)
    f =
    gemessene Veränderung der Durchbiegung (m)
    J =
    Trägheitsmoment des Walzenquerschnittes (m4)
    Meßbalken-Methode:
    Ein biegesteifer Meßbalken wird in axialer Richtung auf den Walzenkörper gelegt, wobei er durch Auflager an den Walzenenden gestützt wird. Eine Abstandsmeßvorrichtung, z.B. eine Meßuhr, mißt den Abstand des Walzenkörpers zum Meßbalken in der Walzenmitte. Wird nunmehr eine definierte vertikale Kraft in der Walzenmitte auf den Walzenkörper ausgeübt, verformt diese jenen, nicht aber den Meßbalken. Aus der Veränderung des Abstandes zwischen Meßbalken und Walzenkörper in der Walzenmitte und den Abmessungen des Walzenkörpers kann direkt der genaue durchschnittlichen Elastizitätsmodul errechnet werden: E = P × L3/(48 × f × J)
    Dabei sind:
    E =
    Elastizitätsmodul (N/m2)
    P =
    ausgeübte Kraft (N)
    L =
    Abstand zwischen den Auflagern (m)
    f =
    gemessene Veränderung der Durchbiegung (m)
    J =
    Trägheitsmoment des Walzenquerschnittes (m4)
    Da der Elastizitätsmodul von Gußeisenwerkstoffen lastabhängig ist, sollte die Messung unter verschiedenen Kraftniveaus wiederholt werden.
    Meßbrücken-Methode:
    Die Messung läßt sich auch ähnlich der Meßbalken-Methode durchführen, wenn der Walzenkörper auf einem stabilen Untergrund an den Enden gelagert wird. Von Meßbrücken an den Enden und in der Walzenkörpermitte läßt sich die vertikale Verschiebung an diesen Stellen im Raume durch das Aufbringen einer definierten vertikalen Kraft messen. Ein eventuelles elastisches Nachgeben der Auflager kann so rechnerisch eliminiert werden. Die Formel zur Bestimmung des mittleren Elastizitätsmoduls entspricht der Formel (7), wobei die Durchbiegung f wie folgt bestimmt wird: f = fm - (f1 + f2) / 2
    Dabei sind
    fm =
    Anzeige in der Walzenmitte (m)
    f1, f2 =
    Anzeige an den Walzenenden (m)
    Eigenfrequenz-Methode:
    Aus der gemessenen Eigenfrequenz eines Biegebalkens, der an beiden Enden aufgelagert ist, läßt sich über den einfachen Zusammenhang f = g/(4 × π2 × n2) die Durchbiegung bei Eigengewicht und damit der genaue durchschnittliche Elastizitätsmodul des Walzenkörpers bestimmen.
    Dabei sind:
    π =
    Kreiskonstante (3,14159...)
    n =
    Eigenfrequenz (1/s)
    g =
    Erdbeschleunigung ( = 9,81 m/s2)
    Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Anwendung dieser Meßverfahren ist gemeinsam, daß auch größere systematische Fehler der jeweiligen Meßmethode keine Rolle spielen, solange die Meßergebnisse mit einer Genauigkeit < 1% reproduzierbare Ergebnisse liefern. Die für die erfindungsgemäß hergestellte Walzengruppe gemeinsame gleiche Durchbiegung kann absolut von der Messung abweichen, dennoch können Walzen mit zueinander im wesentlichen gleichen Durchbiegungen hergestellt werden.
    Es ist allerdings bisher bei der Herstellung von Kalanderwalzen für die Papierindustrie nur in Ausnahmefällen üblich, das genaue Gewicht der Walzen durch Wiegen zu bestimmen. Wegen des nicht geringen Aufwandes bei der Bestimmung der hohen Walzengewichte werden Wägungen an einzelnen Walzenkörpern selten durchgeführt. Üblich sind näherungsweise Berechnungsformeln, die sich auf Erfahrungswerte stützen.
    Für peripher gebohrte Walzen der Walzengruppe mit elastischem Bezug kann z.B. die folgende Formel für die Gewichtskraft G der ganzen Walze mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent angewandt werden G = 60000 × ( D2 - B2 ) × L
    Dabei sind:
    D =
    Durchmesser (m) des Walzenkörpers
    B =
    Bohrungsdurchmesser (m)
    L =
    Bahnlänge (m)
    Für die Herstellung und den Betrieb von ganzen Walzengruppen mit weitgehend gleichen Durchbiegungen ist die Feststellung der genauen Walzengewichte jedoch, wie bei den anzuwendenden Meßmethoden aufgezeigt, wichtig, weil diese aufgrund der unterschiedlichen Walzendurchmesser, der elastischen Bezüge, der unterschiedlichen spezifischen Werkstoffgewichte und der zur Erzeugung der weitgehend gleichen Durchbiegungen zu dimensionierenden Zentralbohrungen erheblich schwanken können. Erfindungsgemäß sind darum die Walzengewichte der neuen Walzen durch geeichte Präzisionswagen genau zu bestimmen und bei der erfindungsgemäßen Ermittlung des Durchmessers der Zentralbohrung zugrundezulegen. Es ist auch zweckmäßig, die Gewichte der Walzendokumentation beizufügen. Die Veränderung der Walzengewichte im Betrieb durch z.B. abnutzungsbedingtes Nacharbeiten kann auf dieser Basis mit ausreichender Genauigkeit nachvollzogen werden.
    Wie weiter oben erwähnt, verändert sich die Durchbiegung von Kalanderwalzen im Laufe ihrer betrieblichen Nutzung. Bei Walzen aus Schalenhartguß wird durch regelmäßiges Nachschleifen die harte und wegen ihres hohen Elastizitätsmoduls zur Biegesteifheit der Walze überproportional beitragende Schreckschicht allmählich verringert. Die Durchbiegung dieser Walzen nimmt dementsprechend zu. Bei Walzen mit einem elastischen Bezug trägt dieser so gut wie gar nicht zur Biegesteifheit der Walze bei. Er erhöht jedoch das Walzengewicht. Wird dieser Bezug - was in regelmäßigen Abständen geschieht - nachgearbeitet, verringert sich das Walzengewicht und damit die Durchbiegung.
    Eine weitere Veränderung der Durchbiegung ergibt sich bei Variationen der Betriebstemperatur aufgrund des mit steigender Temperatur abnehmenden Elastizitätsmoduls. Je nach dem angestrebten Glättergebnis wird die Temperatur der Heizwalzen und der Liniendruck im Kalander erhöht. Während die Temperatur der beheizten Walzen aus Schalenhartguß mittels einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgermediums, das die Walzenkörper durchströmt, direkt beeinflußt wird, erhöht ein verstärkter Druck die Walkarbeit in den elastischen Bezügen. Die so erzeugte Reibungswärme führt zu Temperatursteigerungen der Bezüge und der Walzenkörper. Vielfach werden diese darum mit Kühlmöglichkeiten ausgerüstet. Beide Effekte sind die Ursache dafür, daß es nicht möglich ist, die Walzen in einer Walzengruppe so auszulegen, daß diese unter allen Betriebsbedingungen und für die gesamte Nutzungszeit der Walzen genau gleiche Durchbiegungen aufweisen, obwohl das oben beschriebene erfindungsgemäße Fertigungsverfahren eine sehr präzise Fertigung ermöglicht. Zwei Extremsituationen lassen sich für die Walzengruppe beschreiben. Einmal der Auslieferungszustand mit Temperaturen in der Nähe der Umgebungstemperatur und zum anderen der jeweilige Zustand bei maximalem Verschleiß der Arbeitsschicht und maximaler Betriebstemperatur der beheizten Hartgußwalzen. Hätten die Walzen im Auslieferungszustand übereinstimmende Durchbiegungen unter dem Einfluß der Schwerkraft, würden die Durchbiegungen mit zunehmendem Verschleiß und steigender Temperatur der beheizten Hartgußwalzen immer weiter auseinanderdriften. Es ist erfindungsgemäß darum vorgesehen, die Durchbiegung der Walzen mit elastischen Bezügen im Auslieferungszustand zunächst etwas stärker einzustellen. Dazu werden rechnerisch die Durchbiegungen zueinander ins Verhältnis gesetzt:
       Durchbiegung Hartgußwalze : Durchbiegung Polymenwalze
    Im Auslieferungszustand sollte dieses Verhältnis < 1 sein und im Zustand der jeweils maximalen Abnutzung und Betriebstemperatur > 1. Durch entsprechende Festlegung der Fertigdurchmesser der Bohrungen können die extremen Verhältnisse vorzugsweise so eingestellt werden, daß sie etwa denselben absoluten Abstand zu 1 aufweisen. Damit ist sichergestellt, daß die Durchbiegungen auch bei beliebiger Kombination von Walzen innerhalb der Gruppe stets weitgehend gleich sind.
    Dies kann auch durch eine Auslegung der Fertigdurchmesser der Bohrungen in der Weise erreicht werden, daß die folgende Bedingung in etwa erfüllt ist: fHW1 : fPW1 = fPW2 : fHW2
    Dabei sind:
    fHW1 =
    Durchbiegung der Hartgußwalze (m)
    fPW1 =
    Durchbiegung der Polymerwalze (m) jeweils im Neuzustand bei Umgebungstemperatur
    fPW2 =
    Durchbiegung der Polymerwalze (m)
    fHW2 =
    Durchbiegung der Hartgußwalze (m) jeweils im Zustand maximalen Verschleißes und bei maximaler Betriebstemperatur der Hartgußwalze.

    Claims (18)

    1. Walzengruppe für einen Kalander zur Bearbeitung von Materialbahnen, bestehend aus mindestens zwei Walzen mit jeweils einem Walzenkörper aus einem gegossenen Eisenwerkstoff, von denen mindestens eine die Referenzwalze, aus einem Hartguß- oder Schalenhartgußwerkstoff besteht und die anderen entweder auch aus Hartguß- oder Schalenhartguß oder aus einem Gußeisen mit lamellar, vermikular oder sphärisch ausgebildetem Graphit bestehen und mit einem elastischen Bezug versehen sein können,
      mit mindestens jeweils einem angeschraubten Zapfen,
      mit Durchmessern der Walzenkörper >500 mm,
      mit einem Verhältnis von Bahnlänge: Durchmesser >7
      mit einer Lagerung der Walzen in Wälzlagern im Bereich der Zapfen,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      der Walzenkörper der Referenzwalze aus Hartguß- oder Schalenhartgußwerkstoff eine Zentralbohrung und eine Wandstärke zwischen 100 mm und 300 mm sowie eine natürliche Durchbiegung fref unter dem Einfluß der Schwerkraft bei einer Unterstützung in den Wälzlagern zwischen 0,1 und 0,2 mm je Meter Bahnlänge aufweist
      und die fertigen Bohrungsdurchmesser der anderen Walzen unter Berücksichtigung ihrer eigenen Gewichtskraft G im Bereich der Bahnlänge L und ihres mittleren Elastizitätsmoduls E so bestimmt werden, daß sich im wesentlichen gleiche Beträge für die Durchbiegung f ergeben, indem sie der folgenden Gleichung genügen: Bohrungsdurchmesser = (D4 - G x KG / (f x E))¼, wobei
      G =
      Gewichtskraft des Walzenkörpers (N) im Bereich der Bahnlänge L
      E =
      Elastizitätsmodul (N/m2)
      D =
      Außen-Durchmesser (m) des Walzenkörpers
      f =
      angestrebte Durchbiegung (m) des Walzenkörpers
      KG=
      Gruppenkonstante (m3) nach der folgenden Gleichung
      KG= (5/(6 x π)) L3 (1 + 2,4 (LM-L) / L + 2 x (Dref / L)2 ) sowie
      π =
      Kreiskonstante (3,14159...)
      L =
      Bahnlänge der Walzengruppe (m)
      LM =
      Lagermittenabstand der Walzengruppe (m)
      Dref =
      Durchmesser der Referenzwalze (m)
      bedeuten.
    2. Walzengruppe nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Walzenkörper der darin vorhandenen Walzen mit peripheren Bohrungen ausgestattet sind, durch welche ein flüssiger oder kondensierbarer gasförmiger Wärmeträger zum Beheizen, Kühlen oder Temperieren geleitet werden kann und die fertigen Zentralbohrungsdurchmesser der Walzenkörper unter Berücksichtigung ihres Eigengewichtes G und ihres mittleren Elastizitätsmoduls E so bestimmt werden, daß sich im wesentlichen gleiche Beträge für die Durchbiegung f ergeben, indem sie der folgenden Gleichung genügen: Bohrungsdurchmesser = (D4 - Zp x Dp 2 (Dp 2 + 2 x Tp 2) - G x KG / (f x E))¼, wobei zusätzlich zu Anspruch 1
      Zp =
      Zahl der peripheren Bohrungen
      Dp =
      Durchmesser (m) der peripheren Bohrungen
      Tp =
      Teilkreis (m) der peripheren Bohrungen
      bedeuten.
    3. Walzengruppe nach Ansprüchen 1 und 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      darin vorhandene, mit elastischen Bezügen versehene Walzen solche Bezüge mit einer Stärke zwischen 10 und 30 mm aufweisen.
    4. Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Gewichte G der Walzenkörper ohne Zapfen, die nicht Referenzwalzen sind, im wesentlichen der folgenden Gleichung genügen: G = Gref x E x J x f/(Eref x Jref x fref) wobei
      Gref =
      Gewicht des Referenzwalzenkörpers (N) (ohne Zapfen) im Bereich der Bahnlänge L
      Eref =
      Elastizitätsmodul des Referenzwalzenkörpers (N/m2)
      Jref =
      Trägheitsmoment des Querschnitts des Referenzwalzenkörpers (m4)
      fref =
      Durchbiegung der Referenzwalze (m)
      E =
      Elastizitätsmodul (N/m2)
      J =
      Trägheitsmoment des Walzenquerschnitts (m4)
      f =
      angestrebte Durchbiegung (m)
      bedeuten.
    5. Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      der Körper der Referenzwalze aus einem anderen Werkstoff als Hartguß oder Schalenhartguß hergestellt ist.
    6. Walzengruppe gemäß Ansprüchen 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      für die Walzenkörper, die nicht Referenzwalzen sind, andere Werkstoffe, wie geschmiedeter Stahl oder Vergleichbares, verwendet werden.
    7. Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      von den dort getroffenen Festlegungen soweit abgewichen wird, daß die Verhältnisse der Durchbiegung von Hartgußwalzen : Polymerwalzen im neuwertigen Zustand bei niedrigen Betriebstemperaturen mit den Verhältnissen von Polymerwalzen : Hartgußwalzen im Zustand maximalen zulässigen Verschleißes bei hohen Betriebstemperaturen der Hartgußwalzen im wesentlichen gleich sind.
    8. Walzengruppe nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      alle oder einzelne Walzen mit einem Verdrängerkörper in der Zentralbohrung versehen sind, zwischen dem und der Innenseite der Bohrung des Walzenkörpers ein Wärmeträger fließt.
    9. Walzengruppe nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Außen-Durchmesser der Walzen untereinander im wesentlichen gleich sind.
    10. Walzengruppe nach einem der vorstehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      das Gewicht mindestens einer Walze durch zusätzliche axiale Bohrungen, die bevorzugt nahe bei der neutralen Faser der Walzenwand angeordnet sind, reduziert ist.
    11. Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die zentrale Bohrung und/oder die zusätzlichen axialen Bohrungen mit einem Ballaststoff, z.B. Wasser oder einem körnigen Medium, ganz oder teilweise befüllt sind.
    12. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      unter Verwendung der Kennwerte der nach den maschinenbaulichen Vorgaben und der Berücksichtigung der in Anspruch 1 aufgeführten Bedingungen entwickelten Referenzwalze der Körperdurchmesser der mit einem Polymerbezug zu versehenden Walzenkerne im wesentlichen nach der Gleichung D = Drel - 2 x (dp - ap) bestimmt wird, wobei
      Drel =
      relativer Durchmesser (m)
      dp =
      Dicke des neuen Polymerbezuges (m)
      ap =
      max. mögliche Abnutzung des Polymerbezuges (m)
      bedeuten,
      und wobei der relative Durchmesser bei Walzenkörpern aus Gußeisen mit Kugelgraphit dem in der Reihe der Standarddurchmesser ungefähr nächstniedrigen (ca. -0,05 m), bei Walzenkörpern aus Grauguß mit vermikularem Graphit dem in der Reihe der Standard-Durchmesser ungefähr nächsthöheren (ca. +0,05 m) und bei Walzenkörpern aus Grauguss mit vermikularem Graphit ungefähr demjenigen der Referenzwalze, bzw. für beliebige Werkstoffe im wesentlichen der folgenden Gleichung entspricht: D = (16 x G x KG / (15 x E x fref))¼, wobei
      G =
      Gewichtskraft (N) des Walzenkörpers im Bereich der Bahnlänge L
      E =
      Elastizitätsmodul des Walzenkörpers (N/m2)
      fref =
      Durchbiegung (m) der Referenzwalze
      KG =
      Gruppenkonstante (m3) nach der folgenden Gleichung:
      KG= (5/(6 x π)) L3 (1 + 2,4 (LM-L) / L + 2 x (Dref / L)2) sowie
      n =
      Kreiskonstante (3,14159...)
      L =
      Bahnlänge der Walzengruppe (m)
      LM =
      Lagermittenabstand der Walzengruppe (m)
      Dref =
      Durchmesser der Referenzwalze (m)
      bedeuten.
    13. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4 und 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Bestimmung des maximal zulässigen Bohrungsdurchmessers der Zentralbohrung der Walzenkörper auch unter Berücksichtigung der nach den Betriebsvorgaben höchstzulässigen Ovalisierung des Walzenkörpers erfolgt.
    14. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4 und 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      zur Einstellung der Biegegleichheit der Walzen aus Hartguß oder Schalenhartguß das resultierende Trägheitsmoment des Walzenquerschnitts durch Reduzierung des Außen-Durchmessers innerhalb der üblichen Fertigungstoleranz von +/- 1% verändert wird.
    15. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4 und 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die weitgehende Biegegleichheit der Walzen in der Walzengruppe dadurch hergestellt wird, daß zunächst der tatsächliche mittlere Elastizitätsmodul der Walzenkörper im Verlauf von deren Fertigung festgestellt wird, indem die Biegung, die sich aus dem Eigengewicht oder beim Aufbringen mindestens einer externen Kraft ergibt, gemessen oder die Eigenfrequenz bestimmt wird und sodann der fertige Außen-Durchmesser des Walzenkörpers im Rahmen üblicher Fertigungstoleranzen von +/- 1% und der fertige Innen-Durchmesser der Bohrung des Walzenkörpers entsprechend der jeweiligen örtlichen Elastizitätsmoduli festgelegt und erzeugt werden.
    16. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4 und 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      bei der Bestimmung der Durchbiegung im späteren Betrieb die in die peripheren Bohrungen oder in die Zentralbohrungen eingeleitete Wärmeträgermenge bestimmt, geregelt und gesondert berücksichtigt wird.
    17. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die teilweise oder vollständige Befüllung der Walzen mit dem Ballaststoff nach der Fertigstellung vorgenommen und verändert wird.
    18. Verfahren zur Herstellung einer Walzengruppe nach Ansprüchen 1 bis 4 und 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      zur Vermeidung von unerwünschten Schwingungen der Walzen die einzelnen Walzengruppen der Walzen so dimensioniert werden, daß sie nicht in der Nähe der halbkritischen Drehzahl betrieben werden müssen.
    EP99939959A 1998-06-29 1999-06-28 Walzengruppe Expired - Lifetime EP1100993B1 (de)

    Applications Claiming Priority (3)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
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