Die Erfindung betrifft eine thermisch beauschlagbare Kalanderwalze zur
Behandlung einer Materialbahn mit einer sich in Richtung der Walzenachse
erstreckenden Zentralbohrung und zur Walzenachse parallelen Heiz- und/oder
Kühlbohrungen, die mit einem Heiz- bzw. Kühlmedium beaufschlagbar sind.
Bei der zu behandelnden Materialbahn kann es sich beispielsweise um eine
Papier- oder Kartonbahn handeln.
Walzen dieser Art können beispielsweise in Kalandern eingesetzt werden, in
denen sie mit zumindest einer Gegenwalze einen Nip bilden, durch den beispielsweise
eine zu glättende Materialbahn wie z.B. eine Papier- oder Kartonbahn
hindurchgeführt wird. Bei der Satinage in einem solchem Kalander
arbeiten elastische Walzen mit harten, aus Hartguss oder stahlähnlichen
Gusslegierungen hergestellten, vorwiegend beheizten Walzen zusammen.
Bei elastischen Kalanderwalzen ist zur Temperierung ein Wärmeträger-Kreislauf
erforderlich. Über diesen Kreislauf kann die Walze vor Produktionsbeginn
auf eine vorgegebene Betriebstemperatur gebracht oder auch während
der Produktion entsprechend erwärmt werden, falls die Eigenerwärmung
während der Produktion zu gering ist. bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten
und Linienlasten kann die Walzentemperatur durch Eigenerwärmung
über die zulässige Betriebstemperatur anstiegen, so dass die Walze durch den
Temperaturkreislauf gekühlt werden muss. Die betreffenden elastischen
Kalanderwalzen umfassen in der Regel einen Walzenkörper sowie einen elastischen
Walzenbezug. Bezüglich des Walzenkörpers kommen bisher die folgenden
drei konstruktiven Ausführungen zur Anwendung:
- Walzen mit durchströmter Innenbohrung
- Walzen mit Innenbohrung und Verdränger, wobei der Wärmeträger
im Ringspalt strömt
- Walzen mit peripheren Kanälen zur Durchströmung
Während bei den ersten beiden Ausführungen die Wärmeleitung durch die
große Wanddicke mit entsprechender Temperaturdifferenz zu Betriebseinschränkungen
führt, sind es bei der dritten Ausführung vor allem die hohen
Herstellungskosten durch das Bohren der vielen Strömungskanäle, die die
Nachteile der bekannten Ausführungen ausmachen.
Bei einer aus der DE 102 07 505 A1 bekannten harten beheizten Walze sind
periphere Heizbohrungen vorgesehen, die unmittelbar unter der Walzenoberfläche
angeordnet sind, so dass deren Abstand zur Walzenoberfläche relativ
gering ist. Damit ergibt sich zwar ein geringerer Temperaturunterschied
zwischen dem Heizmedium und der Walzenoberfläche. Bei hohen Wärmeleistungen
zeigen Walzen dieser bekannten Bauart jedoch sowohl eine zunehmende
Ungleichmäßigkeit bezüglich der Oberflächentemperatur als auch eine
verstärkte Polygonbildung. Die unterschiedliche Temperatur wirkt sich schädlich
auf den Satinageprozess aus. Mit der verstärkten Polygonbildung können
insbesondere auch hochfrequente Schwingungen erzeugt werden, deren Frequenz
bzw. Frequenzen einem ganzzahligen Vielfachen der Walzendrehzahl
entsprechen. Die aufgrund dieses Polygoneffekts erregten hochfrequenten
Schwingungen haben vor allem auf die Entstehung eines so genannten Barring-Effekts
entscheidenden Einfluss, der sich beispielsweise in Form von
Querstreifen auf der Papierbahn manifestiert. Sobald diese Streifen sichtbar
werden, ist die Papierbahn normalerweise unbrauchbar und als Ausschuss zu
betrachten.
Die radial ganz außen angeordneten peripheren Heiz- bzw. Kühlbohrungen
der bekannten Walze bringen überdies den Nachteil mit sich, dass Wuchtbohrungen
radial weiter innen angeordnet sein müssen, so dass die betreffenden
Ausgleichsgewichte aufgrund des relativ geringen radialen Abstandes zur
Walzenachse entsprechend weniger wirksam sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalanderwalze der eingangs
genannten Art zu schaffen, bei der die zuvor genannten Probleme nicht auftreten.
So soll beispielsweise die Gefahr einer Polygonbildung zumindest reduziert
und eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur sichergestellt
sein. Zudem soll auch ein solcher Aufbau einer Kalanderwalze ermöglicht
werden, der bei vertretbaren Kosten die Betriebsanforderungen moderner
Hochleistungskalander erfüllt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine thermisch
beaufschlagbare Kalanderwalze zur Behandlung einer Materialbahn mit einer
sich in Richtung der Walzenachse erstreckenden Zentralbohrung und zur
Walzenachse parallelen Heiz- und/oder Kühlbohrungen, die mit einem Heiz-
bzw. Kühlmedium beaufschlagbar sind, wobei die Heiz- und/oder Kühlbohrungen
im radial mittleren Bereich des Walzenmantels angeordnet sind. Bevorzugt
ist die Kalanderwalze als elastische Kalanderwalze mit einem Walzenkörper
und einem darauf vorgesehenen elastischen Walzenbezug ausgeführt.
Mit dieser Ausbildung ergibt sich eine deutlich gleichmäßigere Oberflächentemperatur.
Zudem werden Abweichungen von der idealen Kreisform auf ein
Minimum reduziert. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist nunmehr insbesondere
auch ein solcher Aufbau einer Kalanderwalze, insbesondere elastischen
Kalanderwalze bzw. Mittelwalze, möglich, der bei vertretbaren Kosten
die Betriebsanforderungen moderner Hochleistungskalander erfüllt.
Grundsätzlich handelt es sich bei den Walzenkörpern elastischer Mittelwalzen
um thermisch wenig beanspruchte Bauteile. Die Wärmeleistungen, die in den
elastischen Walzen übertragen werden, sind demnach deutlich geringer als bei
den beheizten harten Kalanderwalzen. Die betreffenden Wärmeleistungen
werden im Heizbetrieb bzw. im Kühlbetrieb bei relativ niedrigen Temperaturen
übertragen. Dies hat zur Folge, dass bei den üblichen Kühlwassertemperaturen
der Papierindustrie die zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz
zwischen Walzenoberfläche und Kühlmedium gering ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen
Lösung lässt sich nunmehr mit geringem Aufwand insbesondere
bei solchen elastischen Walzen die Gefahr einer Polygonbildung infolge
unterschiedlichen Temperatur- und Wärmeausdehnung auf ein Minimum
reduzieren.
Im Vergleich zu den eingangs genannten bekannten Walzen mit Innenbohrung
und Verdränger sowie im Ringspalt strömendem Wärmeträger ist bei der
erfindungsgemäßen Kalanderwalze aufgrund der geringeren effektiven Wanddicke
eine höhere Wärmeleistung übertragbar. Durch die optimierte Anordnung
der Heiz- bzw. Kühlbohrungen ergibt sich eine geringere Anzahl von
Bohrungen bei ausreichender übertragbarer Wärmemenge und reduzierter
Polygonbildung. Nachdem die Zentralbohrung leer bleibt, werden die Füll- und
Entleerzeiten verkürzt und das Walzengewicht reduziert.
Mit der erfindungsgemäß optimierten Position der Heiz- bzw. Kühlbohrungen
werden also ein idealer Wärmetransfer und eine Temperaturvergleichmäßigung
auf der Wand der Walze bei einem Minimum an Aufwand bezüglich der
Anzahl der Bohrungen und deren Lage erreicht, nachdem diese im radial
mittleren Bereich des Walzenmantels angeordnet und entsprechend einfacher
zu bohren sind. Mit einer solchen Anordnung ist auch die Möglichkeit geschaffen,
zusätzlich Wuchtbohrungen in einem größeren radialen Abstand von der
Walzenachse als die Heiz- bzw. Kühlbohrungen einzubringen. Da die Wuchtbohrungen
einen größeren radialen Abstand zur Walzenachse besitzen, sind
die betreffenden Ausgleichsgewichte entsprechend wirkungsvoller als beispielsweise
im Fall der aus der DE 102 07 507 A1 bekannten beheizten harten
Walze, bei der die Wuchtbohrungen radial innerhalb der Heiz- bzw. Kühlbohrungen
angeordnet sind.
Zudem wird eine Duopass-Dreheinführung ermöglicht, die gegenüber der
bisher allgemein üblichen Monopass-Ausführung eine Reihe von Vorteilen mit
sich bringt. So kann beispielsweise der triebseitige Walzenzapfen für einen
Gelenkwellenantrieb freigehalten werden.
Im Walzenmantel können also überdies zur Walzenachse parallele Wuchtbohrungen
vorgesehen sein. Diese sind bevorzugt radial außerhalb des mit den
Heiz- bzw. Kühlbohrungen versehenen Mantelbereichs angeordnet.
Die Heiz- bzw. Kühlbohrungen können insbesondere auf wenigstens einem in
Walzenumfangsrichtung verlaufenden gedachten Kreis angeordnet sein. Das
gleiche gilt ggf. auch für die Wuchtbohrungen.
Bei einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Walze, die sowohl mit Heiz- bzw. Kühlbohrungen als auch mit Wuchtbohrungen
versehen ist, besitzt der die Wuchtbohrungen berührende gedachte Kreis
einen größeren Radius als der die Heiz- bzw. Kühlbohrungen berührende
gedachte Kreis. Aufgrund des größeren radialen Abstands der Wuchtbohrungen
zur Walzenachse entfalten die betreffenden Ausgleichsgewichte eine
entsprechend größere Wirkung.
Bevorzugt sind die Heiz- bzw. Kühlbohrungen in Walzenumfangsrichtung
gleichmäßig über den Walzenmantel verteilt. Dasselbe gilt ggf. auch für die
Wuchtbohrungen.
Die Anzahl der Heiz- bzw. Kühlbohrungen ist zweckmäßigerweise größer als
die Anzahl der Wuchtbohrungen, wobei die Anzahl der Heiz- bzw. Kühlbohrungen
insbesondere einem Vielfachen der Anzahl der Wuchtbohrungen entsprechen
kann.
Vorteilhafterweise sind wenigstens drei Wuchtbohrungen vorgesehen. Sind
beispielsweise drei gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Wuchtbohrungen
vorgesehen, so sind diese in einem jeweiligen Abstand von 120° auf dem
betreffenden, diese Bohrungen berührenden gedachten Kreis angeordnet.
Bevorzugt erstrecken sich die Wuchtbohrungen jeweils ausgehend von einer
Stirnseite der Walze in das Walzeninnere. Dabei erstrecken sich die Wuchtbohrungen
zweckmäßigerweise ausgehend von derselben Stirnseite in das
Walzeninnere.
Die Tiefe oder Länge der Wuchtbohrungen entspricht vorteilhafterweise jeweils
zumindest dem 0,55-fachen der Walzenlänge. Damit ist insbesondere
auch eine Auswuchtung in einer im mittleren Bereich der Walze gelegenen
Wuchtebene möglich.
Vorteilhafterweise ist also in wenigstens einer Wuchtbohrung ein Ausgleichsgewicht
angeordnet, das sich in einer Wuchtebene befindet, wobei die Wuchtebene
beispielsweise im Bereich der Walzenmitte liegen kann.
Der Walzendurchmesser bzw. der Durchmesser des Walzenkörpers kann
insbesondere größer als etwa 400 mm sein, wobei er vorzugsweise größer als
etwa 700 mm ist.
Die im Kühlbetrieb erzeugte Wärmeleistung ist vorteilhafterweise kleiner oder
gleich 12 kW/m2. Die im Heizbetrieb erzeugte Wärmeleistung kann insbesondere
kleiner oder gleich 10 kW/m2 sein.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz- bzw. Kühlmediums in den Heiz- bzw.
Kühlbohrungen liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von etwa 0,3 bis
etwa 0,8 m/s.
Die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf des Heiz- bzw.
Kühlmediums ist vorteilhafterweise kleiner oder gleich 6 K.
Die Betriebstemperatur an der Walzenoberfläche, d.h. an der Außenfläche des
Walzenbezugs, beträgt maximal 140°C. Die Betriebstemperatur an der Oberfläche
des Walzenkörpers beträgt vorteilhafterweise maximal 130°C.
Bei einer bevorzugten praktischen Ausführungsform liegt der Durchmesser
der Heiz- bzw. Kühlbohrungen in einem Bereich von etwa 24 bis etwa 60 mm.
Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Walze insbesondere als
Duopass-Walze ausgeführt sein. Dabei ist das Heiz- bzw. Kühlmedium
zweckmäßigerweise auf derselben Walzenseite zuführbar und abführbar. Mit
einer der gleichen Ausführung der Strömungskanäle auf den beiden Walzenseiten
sind unterschiedliche Temperatureinflüsse an den beiden Rändern
praktisch ausgeschlossen.
Bevorzugt entspricht der Abstand zwischen den Heiz- bzw. Kühlbohrungen
und der Oberfläche des Walzenkörpers zumindest dem 0,4-fachen der Wanddicke
des Walzenkörpers. Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn der Abstand
zwischen den Heiz- bzw. Kühlbohrungen und der Oberfläche des Walzenkörpers
zumindest dem 1,6-fachen des Durchmessers einer jeweiligen Heiz- bzw.
Kühlbohrung entspricht. Der Abstand zwischen den Heiz- bzw. Kühlbohrungen
kann insbesondere etwa dem 1,2- bis 2,0-fachen des Durchmessers einer
jeweiligen Heiz- bzw. Kühlbohrung entsprechen.
Bei einer praktischen zweckmäßigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Walze umfasst der Walzenkörper ein Walzenrohr, an dem zwei Flanschzapfen
angebracht sind. Bevorzugt sind die Strömungskanäle zur Zufuhr und
Abfuhr des Heiz- bzw. Kühlmediums in dem einen Flanschzapfen gleich ausgeführt
wie die Strömungskanäle zur Strömungsumkehr im anderen Flanschzapfen.
Aufgrund der gleichen Ausführungen der Strömungskanäle in beiden
Flanschzapfen sind unterschiedliche Temperatureinflüsse an den beiden
Rändern praktisch ausgeschlossen.
Bei einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Walze mit zumindest einem Flanschzapfen ist zumindest eine der Heiz-
und/oder Kühlbohrungen als Verlängerung einer Kernlochbohrung für ein
Gewindeloch der Schraubbefestigung eines solchen Flanschzapfens ausgebildet.
Die erfindungsgemäße thermisch beaufschlagbare Kalanderwalze bringt
überdies auch den Vorteil eines relativ geringen Bearbeitungsrisikos mit sich.
Es ergibt sich insbesondere auch hinsichtlich der Anzahl der Bohrungen und
der Wärmeverteilung eine optimierte Lösung. Der Temperaturunterschied
zwischen der Innen- und der Außenwand ist reduziert. Entsprechend ist
beispielsweise eine höhere Kühlereinstellung möglich. Überdies ist eine Ausführung
als Duopass-Walze sowie ein Gelenkwellenantrieb möglich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Längsschnittdarstellung einer thermisch
beaufschlagbaren elastischen Kalanderwalze,
- Figur 2
- eine vergrößerte Darstellung des triebseitigen rechten
Endes der Walze gemäß Figur 1 und
- Figur 3
- eine vergrößerte Darstellung des führungsseitigen linken
Endes der Walze gemäß Figur 1.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen in schematischer Darstellung eine beispielhafte
Ausführungsform einer thermisch beaufschlagbaren elastischen Kalanderwalze
10 zur Behandlung einer Materialbahn, beispielsweise einer Papier- oder
Kartonbahn. Bei der Walze 10 handelt es sich im vorliegenden Fall z.B. um
eine elastische Mittelwalze.
Die Walze 10 ist mit einer sich in Richtung der Walzenachse X erstreckenden
Zentralbohrung 12 versehen.
Die Walze 10 umfasst überdies zur Walzenachse X parallele Heiz- und/oder
Kühlbohrungen 14, die mit einem Heiz- bw. Kühlmedium beaufschlagbar sind.
Dabei sind die Heiz- und/oder Kühlbohrungen 14 im radial mittleren Bereich
des Walzenmantels 16 angeordnet. Im vorliegenden Fall liegen sie etwa im
Bereich des mittleren Drittels des Walzenmantels 16, wobei sie bei der dargestellten
Ausführungsform in der radial inneren Hälfte des Mantels liegen.
Im Walzenmantel 16 sind überdies zur Walzenachse X parallele Wuchtbohrungen
18 vorgesehen (vgl. die Figuren 1 und 3). Wie anhand der Figuren 1
und 3 zu erkennen ist, sind diese Wuchbohrungen 18 radial außerhalb des mit
den Heiz- bzw. Kühlbohrungen 14 versehenen Mantelbereichs angeordnet. Der
radiale Abstand R18 zwischen den Wuchtbohrungen 18 und der Walzenachse X
ist also größer als der radiale Abstand R14 zwischen den Heiz- bzw. Kühlbohrungen
14 und der Walzenachse X (vgl. insbesondere Figur 3).
Die Heiz- bzw. Kühlbohrungen 14 einerseits und die Wuchtbohrungen 18
andererseits können also insbesondere auf entsprechend unterschiedlichen
gedachten Kreisen um die Walzenachse X angeordnet sein. Dabei besitzt der
die Wuchtbohrungen 18 berührende gedachte Kreis einen größeren Radius R18
als der die Heiz- bzw. Kühlbohrungen 14 berührende gedachte Kreis R14.
Sowohl die Heiz- bzw. Kühlbohrungen 14 als auch die Wuchtbohrungen 18
können in Walzenumfangsrichtung jeweils gleichmäßig über den Walzenmantel
16 verteilt sein.
Im vorliegenden Fall entspricht die Anzahl der Heiz- bzw. Kühlbohrungen 14
einem Vielfachen der Anzahl der Wuchtbohrungen 18. Bevorzugt sind wenigstens
drei Wuchtbohrungen 18 vorgesehen. Im vorliegenden Fall sind drei
solche Wuchtbohrungen 18 auf einem gedachten Kreis mit dem Radius R18
(vgl. Figur 3) gleichmäßig über den Walzenumfang verteilt, d.h. mit einem
gegenseitigen Abstand von 120° in den Walzenmantel 16 eingebracht.
Wie anhand der Figuren 1 und 3 zu erkennen ist, erstrecken sich die Wuchtbohrungen
18 jeweils ausgehend von der führungsseitigen linken Stirnseite
der Walze 10 in das Walzeninnere. Dabei entspricht die Tiefe oder Länge T der
Wuchtbohrungen 18 (vgl. Figur 1) vorzugsweise jeweils zumindest dem 0,55-fachen
der Walzenlänge L (ohne Zapfen).
In zumindest eine der Wuchtbohrungen 18 kann nun ein Ausgleichsgewicht
eingebracht sein. Dabei kann das Ausgleichsgewicht z.B. in einer Wuchtebene
im Bereich der Walzenmitte liegen.
Beispielsweise ausgehend von der rechten triebseitigen Stirnseite können sich
überdies Entlüftungsbohrungen 20 in das Walzeninnere erstrecken (vgl. Figur
2).
Wie anhand der Figuren 1 bis 3 zu erkennen ist, umfasst die Walze 10 einen
Walzenkörper 22 und einen darauf vorgesehenen elastischen Walzenbezug 24.
Dabei sind die Heiz- bzw. Kühlbohrungen 14 im radial mittleren Bereich bzw.
im mittleren Drittel des Walzenkörpers 22 angeordnet.
Der Durchmesser D des Walzenkörpers 22 kann insbesondere größer als etwa
400 mm sein und ist vorzugsweise größer als etwa 700 mm.
Die Walze 10 kann insbesondere als Duopass-Walze ausgeführt sein. Das
Heiz- bzw. Kühlmedium kann also auf derselben Walzenseite, im vorliegenden
Fall z.B. auf der Führungsseite zuführbar und abführbar sein, und die Strömungskanäle
30, 32 zur Zufuhr und Abfuhr des Heiz- bzw. Kühlmediums
können insbesondere gleich ausgeführt sein wie die Strömungskanäle zur
Strömungsumkehr auf der anderen Walzenseite.
Im vorliegenden Fall umfasst der Walzenkörper 22 ein Walzenrohr 26, an dem
zwei Flanschzapfen 28 angebracht sind.
Im vorliegenden Fall sind die Strömungskanäle 30, 32 zur Zufuhr bzw. Abfuhr
des Heiz- bzw. Kühlmediums beispielsweise in dem linken führungsseitigen
Flanschzapfen 28 vorgesehen. Diese Strömungskanäle 30, 32 zur Zufuhr und
Abfuhr des Heiz- bzw. Kühlmediums können insbesondere gleich ausgeführt
sein wie die Strömungskanäle zur Strömungsumkehr im anderen Flanschzapfen.
Bezugszeichenliste
- 10
- Walze
- 12
- Zentralbohrung
- 14
- Heiz- und/oder Kühlbohrung
- 16
- Walzenmantel
- 18
- Wuchtbohrung
- 20
- Entlüftungsbohrung
- 23
- Walzenkörper
- 24
- elastischer Walzenbelag
- 26
- Walzenrohr
- 28
- Flanschzapfen
- 30
- Strömungskanal
- D
- Durchmesser des Walzenkörpers
- L
- Walzenlänge
- R14
- radialer Abstand
- R18
- radialer Abstand
- T
- Tiefe, Länge
- X
- Walzenachsen