EP1225274A2 - Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn und Kalander - Google Patents

Abstract

Es wird Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn (21) und ein Kalander (1) angegeben, wobei die Materialbahn (21) durch mehrere weiche Nips (14-20) in einem Walzenstapel (2) geführt und dort mit Druck beaufschlagt wird.

Hierbei möchte man Barring-Erscheinungen vermindern können.

Hierzu wird die Materialbahn (21) vor dem Durchlaufen der Nips (14-20) vorgeglättet, indem die Materialbahn vor dem Durchlaufen der Nips vorgeglättet wird, indem sie schlupffrei durch einen zusätzlichen Nip geführt wird, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist, und zwar insbesondere dadurch, daß außerhalb des Walzenstapels (2) ein zusätzlicher Nip (23) vorgesehen ist, der durch zwei weiche angetriebene Walzen (24, 25) mit gleichen Oberflächeneigenschaften gebildet ist, die eine Umfangsgeschwindigkeit aufweisen, die der Geschwindigkeit der durchlaufenden Materialbahn (21) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn, bei dem die Materialbahn durch mehrere weiche Nips in einem Walzenstapel geführt und dort mit Druck beaufschlagt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Kalander mit einem Walzenstapel aus mehreren Walzen, die mehrere weiche Nips bilden, in denen eine Materialbahn mit Druck beaufschlagbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Papierbahn als Beispiel für eine Materialbahn beschrieben. Sie ist jedoch auch bei anderen Materialbahnen anwendbar.

Papierbahnen werden im Verlauf ihrer Herstellung durch Kalander geführt und dort mit Druck und gegebenenfalls auch erhöhte Temperatur beaufschlagt. Mit dieser Satinage erzielt man zum einen eine Verdichtung der Papierbahn, zum andern kann man bestimmte Oberflächeneigenschaften erzielen, insbesondere Glätte und Glanz.

In Kalandern, wie sie beispielsweise aus DE 195 08 349 A1 bekannt sind, kommen Mittelwalze zum Einsatz, die mit einem Kunststoffbelag bezogen sind. Bei längerem Betrieb dieser Kalander kommt es zu einer unerwünschten Schwingungsproblematik, einer sogenannten Barring-Erscheinung. Diese Barring-Erscheinung zeichnet sich durch streifenförmige Markierungen der elastischen Walzen, genauer gesagt, deren Kunststoffbeläge, aus. Diese Markierungen prägen sich beim Behandeln der Papierbahn in die Papierbahn ein. Sobald diese Markierungen dort sichtbar werden, wird die Papierbahn als Ausschuß betrachtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Barring-Erscheinung zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Materialbahn vor dem Durchlaufen der Nips vorgeglättet wird, indem sie schlupffrei durch einen zusätzlichen Nip geführt wird, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist.

Hierbei geht man von folgenden Überlegungen aus: Ein Walzenstapel, der aus mehreren Walzen gebildet ist, hat eine Vielzahl von Eigenfrequenzen. Hierbei sind nicht die Eigenfrequenzen der Walzen für sich gemeint, wie etwa Biegeeigenfrequenzen, sondern die Eigenschwingungsformen, die sich aus den schwingenden Walzenmassen auf den Feder- und Dämpfersystemen der dazwischengeschalteten Kunststoffbeläge ergeben.

Ein laufender Kalander erzeugt Erregerkräfte, deren Frequenzen sich aus den Vielfachen der Walzendrehzahlen zusammensetzen. Diese Erregerkräfte können aus Inhomogenitäten, Anisotropien oder Geometriefehlern (Unrundheiten) begründet sein. Ebenfalls können Papierdickenschwankungen der den Kalander durchlaufenden Papierbahn den Walzenstapel erregen. Trifft eine dieser Erregerfrequenzen auf eine Eigenfrequenz, so antwortet das Schwingungssystem mit vergrößerten Schwingungsausschlägen. Aufgrund der Vielzahl der möglichen Erreger und der Vielzahl der möglichen Eigenschwingungsformen lassen sich diese Resonanzstellen konstruktiv praktisch nicht umgehen. In der Regel ist das Schwingungssystem auch so stark gedämpft und die Erregerkräfte sind so klein, daß die resultierenden Schwingbewegungen unmittelbar nicht störend sind. Über einen mehr oder weniger längeren Zeitraum prägen sich diese Schwingbewegungen jedoch in die Kunststoffbeläge der elastischen Walzen ein. In der Regel werden die nächstliegenden ganzzahligen Vielfachen der Schwingfrequenzen als Muster auf den Walzen eingeprägt. Hierdurch erfolgt eine Rückkopplung der Schwingung. Die Schwingungsausschläge nehmen dann exponentiell zu. Sie äußern sich einerseits in einem erhöhten Schallpegel (bis mehr als 115 dB(A)) und andererseits in periodischen Dickenschwankungen der durchlaufenden Papierbahn. In der Praxis werden unterschiedliche Zeiträume beobachtet, in denen sich diese Rückkopplungserscheinungen (Barrings) bilden. Meist vergehen einige Tage oder Wochen, bis diese Erscheinung so stark angewachsen ist, daß sie den Produktionsprozeß stört. Unter ungünstigen Bedingungen ist es jedoch möglich, daß ein derartiger Rückkopplungseffekt schon nach wenigen Minuten auftritt. Daraus läßt sich folgern, daß es sich um unterschiedliche Einprägungs-Mechanismen handeln muß. Man vermutet, daß die in der Praxis am häufigsten auftretenden Langzeiterscheinungen durch periodischen Verschleiß oder periodische Verdichtung bzw. Ermüdung des Kunststoffbelages begründet werden.

Zur Vermeidung des oben beschriebenen Rückkopplungseffekts im Langzeitbereich muß der Entstehungsmechanismus der periodischen Belagwelligkeit permanent gestört werden. Es muß vermieden werden, daß sich ein konstantes ganzzahliges Muster mit einer Frequenz nahe der Eigenfrequenz des Systems auf den Walzen einprägt. Dies kann prinzipiell schon durch eine Geschwindigkeitsvariation des Kalanders erreicht werden. Eine Geschwindigkeitsvariation führt einerseits zu einer permanenten Änderung der Erregerfrequenzen und andererseits bei einer konstanten Eigenfrequenz zu einer unterschiedlichen Anzahl von Einprägungen in die Kunststoffbeläge. Eine derartige Vorgehensweise ist jedoch nur bei Kalandern denkbar, die nicht unmittelbar in den Produktionsprozeß der Papiermaschine integriert sind, sogenannte Offline-Kalander. Bei diesen ist eine permanente Geschwindigkeitsvariation in bestimmten Grenzen, z.B. ± 5%, um einen Betriebspunkt herum möglich, ohne den Produktionsprozeß merklich zu stören. Bei Kalandern, die im Papierfluß der Papiermaschine integriert sind (Online-Maschinen), sind jedoch kurzzeitige Geschwindigkeitsveränderungen nicht tolerierbar. In diesem Fall muß das Schwingungssystem durch andere Maßnahmen beeinflußt werden.

Die Erfindung geht nun davon aus, daß eine in den Kalander einlaufende Papierbahn vor der Behandlung nie vollkommen frei von Flächengewichts- bzw. Dickenschwankungen ist. Außerdem ist eine Papierbahn noch sehr rauh. Analysiert man die Schwankungen auf ihre Frequenzen hin, so stellt man in der Regel ein breitbandiges Rauschen fest, in dem sämtliche Frequenzen enthalten sind. Somit ist eine Erregung einer oder mehrerer Eigenfrequenzen des Walzensystems durch die Papierbahn unumgänglich. Der Kalander reagiert an diesen Eigenfrequenzen mit einer vergrößerten Amplitude, die zunächst, wie oben bereits beschrieben, nicht störend ist. Mit der Zeit prägen sich die erhöhten Amplituden jedoch in die Kunststoffbeläge ein, und somit kommt es zu einer Rückkopplung im Schwingungssystem. Auch wenn man eine derartige Rückkopplung nicht vollständig verhindern kann, ist es mit Hilfe des zusätzlichen Schritts des Vorglättens der Materialbahn möglich, den Zeitraum zu strecken, der benötigt wird, um die Markierungen sichtbar werden zu lassen. Wenn ein barringfreier Zeitraum erreicht ist, der größer ist als die oberflächeverschleißbedingte Standzeit der weichen Walzen im Kalander, dann ist diese Aufgabe gelöst. Wenn man die Materialbahn vor deren Einlaufen in den Walzenstapel vorglättet, dann erreicht man zunächst einmal eine verringerte Erregungsamplitude von Schwingungen, die durch die Rauhigkeit der Materialbahn hervorgerufen wird. Durch das beim Vorglätten bewirkte Einebnen ist es sogar möglich, daß einige Erregerfrequenzen praktisch vollständig verschwinden. Damit wird die Barringerscheinung zwar nicht beseitigt. Das Ausbilden der Barrings dauert aber wesentlich länger. Man hat festgestellt, daß die Betriebsdauer, die notwendig ist, bis Barrings sichtbar werden, größer ist als die Standzeit der mit dem elastischen Belag versehenen weichen Walze, wobei die Standzeit durch den Oberflächenverschleiß bedingt ist.

Die Verwendung von einem zusätzlichen Nip, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist, ist eine besonders einfache Maßnahme, um die Materialbahn vorzuglätten. Ein solcher Nip wird zwar in der Regel als praktisch nicht wirksam für die Behandlung einer Materialbahn betrachtet. Er reicht aber aus, um der Papierbahn eine "provisorische" oder vorläufige Glättung zu vermitteln, die dazu führt, daß die Ausbildung einer Barring-Erscheinung wesentlich länger dauert als bisher. Wenn man die Materialbahn schlupffrei durch den zusätzlichen Nip führt, dann gibt es zwischen der Materialbahn und den beiden weichen Walzen, die den Nip bilden, in der Kontaktzone kein Gleitgebiet. Die gesamte Kontaktzone zwischen den Walzen und der Materialbahn, die aufgrund des elastischen Oberflächenbelags der weichen Walzen und der damit verbundenen Abflachung der Walzen im Nip relativ breit ist, bildet ein Haftgebiet. Da Verschleiß nur im Zusammenhang mit Reibung oder Relativbewegung entstehen kann, wie beispielsweise in den weichen Nips eines Kalanders, in denen eine harte gegen eine weiche Walze läuft, ist der periodische Verschleiß durch eine überlagerte Schwingbewegung ausgeschlossen. Die Walzen ebnen die rauhe Materialbahn an, ohne selbst zu verschleißen. Im Endeffekt ergeben sich bei einer vorgeglätteten Materialbahn weniger Erregerfrequenzen und geringere Erregeramplituden, die in den Kalander eingebracht werden.

Vorzugsweise treibt man die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen an. Damit ist es möglich, den Verschleiß dieser beiden Walzen zu verringern. Je kleiner der Verschleiß ist, desto länger können die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen verwendet werden. Darüber hinaus wird aber auch die Gefahr klein gehalten, daß man bei diesen beiden Walzen eine zusätzliche barringverursachende Einprägung in die Materialbahn vornimmt.

Vorzugsweise behandelt man die Materialbahn auf beiden Seiten gleich. Man verwendet also auf beiden Seiten der Materialbahn gleiche Walzen, d.h. Walzen mit gleichem Durchmesser und gleichen Oberflächeneigenschaften.

Durch eine derartige symmetrische Behandlung der Materialbahn wird die Gefahr gering gehalten, daß die den zusätzlichen Nip bildenden Walzen durch die Materialbahnanregungen ähnlich geschädigt werden wie die Kalanderwalzen.

Vorzugsweise ordnet man den zusätzlichen Nip außerhalb einer Ebene an, in der die Nips des Walzenstapels angeordnet sind. Damit wird die Gefahr, daß sich Schwingungen aus dem Kalander selbst auf die Walzen des zusätzlichen Nips übertragen, klein gehalten.

Die Aufgabe wird auch durch einen Kalander der eingangs genannten Art gelöst, und zwar dadurch, daß außerhalb des Walzenstapels ein zusätzlicher Nip vorgesehen ist, der durch zwei weiche angetriebene Walzen mit gleichen Oberflächeneigenschaften gebildet ist, die eine Umfangsgeschwindigkeit aufweisen, die der Geschwindigkeit der durchlaufenden Materialbahn entspricht.

Wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert worden ist, dient der zusätzliche Nip dazu, die Materialbahn vorzuglätten. Durch das Vorglätten wird erreicht, daß weniger Erregerfrequenzen und verringerte Erregeramplituden in den eigentlichen Walzenstapel eingetragen werden. Die Materialbahn wird also schlupffrei durch den Nip geführt, so daß die Walzen, die diesen zusätzlichen Nip bilden, nicht verschleißen können.

Hierbei ist bevorzugt, daß ein Bahnverlauf von dem zusätzlichen Nip in einen Nip vorgesehen ist, der durch eine Endwalze begrenzt ist. Dieser Nip bildet den ersten Nip des Walzenstapels, den die Materialbahn durchläuft. Man glättet also die Materialbahn vor, bevor sie in einem der Nips des Walzenstapels behandelt wird.

Dies stellt sicher, daß in jedem Nip eine bereits vorgeglättete Materialbahn vorliegt und damit Schwingungsrisiken klein gehalten werden.

Bevorzugterweise sind die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen in Bahnlaufrichtung seitlich versetzt zum Walzenstapel angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß sich Schwingungen im Kalander in der Walzenebene nicht auf die Walzen fortpflanzen können, die denen zusätzlichen Nip bilden. Eine vollständige schwingungsmäßige Entkopplung zwischen dem Walzenstapel und den beiden zusätzlichen Walzen wird sich zwar nicht erreichen lassen. Wenn jedoch bereits die Schwingungsrichtung nicht mehr den Ort des zusätzlichen Nips treffen kann, ist eine ausreichende Dämpfung sichergestellt.

Vorzugsweise weisen die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen den gleichen Durchmesser und gleiche Oberflächeneigenschaften auf. Damit wird sichergestellt, daß die Materialbahn von ihren beiden Seiten aus gleichmäßig oder symmetrisch behandelt wird. Durch das Vorglätten im zusätzlichen Nip werden also keine zusätzlichen Störungen einseitiger Art in die Materialbahn eingetragen.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß beide Walzen mit der gleichen Antriebsleistung angetrieben sind. Dies ergibt wiederum symmetrische Verhältnisse im Nip.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt die einzige Fig. einen Kalander.

Ein Kalander 1 weist einen Walzenstapel aus mehreren, im vorliegenden Fall acht, Walzen 3-10 auf, die in einer Stuhlung 11 angeordnet sind. Hierbei sind die Walzen 3, 5, 6, 8, 10 als "weiche Walzen" ausgebildet, d.h. sie weisen einen elastischen Oberflächenbelag auf, vorzugsweise aus einem Kunststoff. Die verbleibenden Walzen 4, 7, 9 sind als sogenannte "harte" Walzen ausgebildet, d.h. die Oberfläche dieser Walzen 4, 7, 9 besteht aus einem weitgehend unnachgiebigen Metall. In an sich bekannter Weise sind die Zwischen- oder Mittelwalzen 4-9 an Hebeln 12 gelagert. Wenn die untere Endwalze 10, die durch einen Kolben-Zylinder-Antrieb 13 unterstützt wird, abgesenkt wird, dann können sich die Walzen voneinander entfernen.

Die Walzen 3-10 bilden zwischen sich Nips 14-20, von denen die Nips 14, 15 und 17-20 als weiche Nips ausgebildet sind, während der Nip 16 als Wechselnip ausgebildet ist. Die weichen Nips sind von einer weichen Walze und einer harten Walze begrenzt, während der Wechselnip von zwei weichen Walzen begrenzt ist.

Durch die Nips 14-20 ist eine Materialbahn 21, im vorliegenden Falleine Papierbahn, geführt, die von einer Rolle 22 abgewickelt wird. Es ist aber auch möglich, daß die Materialbahn 21 direkt aus einer Herstellungsmaschine, beispielsweise einer Papiermaschine, stammt.

Der Walzenstapel 2 ist unter einem Winkel von etwa 45° zur Vertikalen angeordnet.

Der Walzenstapel 2 kann auch weniger oder mehr als die dargestellten acht Walzen aufweisen. Er sollte jedoch mindestens vier Walzen aufweisen, so daß mindestens drei Nips gebildet werden können.

Vor dem ersten Nip 14, d.h. dem Nip, der durch eine Endwalze 3 begrenzt ist, ist ein zusätzlicher Nip 23 vorgesehen, der.durch zwei weiche Walzen 24, 25 gebildet ist. Die beiden weichen Walzen 24, 25 sind gleich aufgebaut, d.h. sie haben den gleichen Durchmesser und den gleichen Belag und sind auch ansonsten konstruktiv gleich gestaltet. Die beiden Walzen 24, 25 haben jeweils einen Antrieb 26, 27, sind also angetrieben. Hierbei ist die Antriebsleistung symmetrisch verteilt. Der Antrieb erfolgt so, daß die Walzen 24, 25 eine Umfangsgeschwindigkeit haben, die der Geschwindigkeit der Materialbahn 21 entspricht. In diesem Fall ist der Kontakt zwischen der Materialbahn 21 und den beiden Walzen 24, 25 im Nip 23 völlig schlupffrei, d.h. die Kontaktzone hat kein Gleitgebiet. Die gesamte Kontaktzone bildet ein Haftgebiet. Da Verschleiß nur im Zusammenhang mit Reibung beziehungsweise Relativbewegung entstehende kann, wie beispielsweise in einem Kalander, wo eine harte gegen eine weiche Walze läuft, ist der periodische Verschleiß durch eine überlagerte Schwingbewegung ausgeschlossen.

Im zusätzlichen Nip 23 wird die Materialbahn 21 durch die beiden weichen Walzen 24, 25 eingeebnet, d.h. eine rauhe Materialbahn wird vorgeglättet, ohne daß die beiden Walzen 24, 25 selbst verschleißen. Durch eine vorgeglättete Materialbahn 21 werden als Resultat weniger Erregerfrequenzen und geringere Erregeramplituden in den Kalander eingebracht.

Wie aus der Zeichnung zu erkennen ist, sind die beiden Walzen 24, 25 außerhalb einer Pressenebene des Walzenstapels 2 angeordnet, d.h. die Achsen der weichen Walzen 24, 25, die den zusätzlichen Nip 23 bilden, liegen nicht in der gleichen Ebene wie die Achsen der Walzen des Walzenstapels. Hierbei geht man von der Überlegung aus, daß die Schwingungen besonders kritisch sind, die sich in Richtung der Pressenebene, d.h. der Ebene, in der die Achsen der Walzen 3-10 des Walzenstapels 2 angeordnet sind, ausbreiten. Wenn man nun die beiden Walzen 24, 25 des zusätzlichen Nips 23 aus dieser Ausbreitungsrichtung herausnimmt, hat man bereits eine prinzipielle Entkopplung von den Schwingungen im Walzenstapel 2 erreicht.

Claims (9)

1. Verfahren zum Behandeln einer Materialbahn, bei dem die Materialbahn durch mehrere weiche Nips in einem Walzenstapel geführt und dort mit Druck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn vor dem Durchlaufen der Nips vorgeglättet wird, indem sie schlupffrei durch einen zusätzlichen Nip geführt wird, der zwischen zwei weichen Walzen ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die beiden den zusätzlichen Nip bildenden Walzen antreibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Materialbahn auf beiden Seiten gleich behandelt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den zusätzlichen Nip außerhalb einer Ebene anordnet, in der die Nips des Walzenstapels angeordnet sind.
5. Kalander mit einem Walzenstapel aus mehreren Walzen, die mehrere weiche Nips bilden, in denen eine Materialbahn mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Walzenstapels (2) ein zusätzlicher Nip vorgesehen ist, der durch zwei weiche angetriebene Walzen (24, 25) mit gleichen Oberflächeneigenschaften gebildet ist, die eine Umfangsgeschwindigkeit aufweisen, die der Geschwindigkeit der durchlaufenden Materialbahn (21) entspricht.
6. Kalander nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bahnverlauf von dem zusätzlichen Nip (23) in einen Nip (14) vorgesehen ist, der durch eine Endwalze (3) begrenzt ist.
7. Kalander nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den zusätzlichen Nip (23) bildenden Walzen (24, 25) in Bahnlaufrichtung seitlich versetzt zum Walzenstapel (2) angeordnet sind.
8. Kalander einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den zusätzlichen Nip (23) bildenden Walzen (24, 25) den gleichen Durchmesser aufweisen.
9. Kalander nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Walzen (24, 25) mit der gleichen Antriebsleistung angetrieben sind.

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