EP2325387B1

EP2325387B1 - Mehrwalzenkalander

Info

Publication number: EP2325387B1
Application number: EP20100177009
Authority: EP
Inventors: Udo Gabbusch; Michael Ganasinski; Josef Kohnen; Johann Moser; Dr. Jörg Rheims; Ulrich Rothfuss; Dr. Lothar Zimmermann
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: EP2385172A1; DE102009046918A1; EP2385172B1; EP2325387A2; CN102071589A; EP2325387A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrwalzenkalander mit einem Walzenstapel, in dem jeweils zwei aufeinanderfolgende Walzen einen Walzenspalt bllden, zur Satinage von Woodfree Coated-Papieren (WFC) auf einen Glanz nach Gardner größer 75% oder Naturtiefdruckpapieren (SCA) auf einen pps-10s-Rauhigkeitswert unter 1,15 µm oder filmgestrichenen Light-Weight-Coated-Papieren (LWC) auf einen Glanz nach Gardner über 55%.
Die Walzenstapel heutiger Mehrwalzenkalander besitzen eine Walzenzahl zwischen 5 und 14 Walzen, deren Stapelebene, die durch die waagrecht liegenden Achsen der Walzen festgelegt ist, in der Regel senkrecht oder, wie bei der Anmelderin häufig, unter einem Winkel von 45° angeordnet ist. Diese Kalander werden online, das heißt ohne Zwischenwicklung in der Produktionsreihe der Papiermaschine angeordnet, oder offline, mit eigener Auf- und Abrollung neben der Papiermaschine aufgestellt. Die Nips, auch Walzenspalte genannt, das sind die Kontaktflächen, mit denen die Walzen zusammenwirkend die Papierbahn behandeln, werden hierbei jeweils von einer glatten, harten und beheizbaren Walze sowie einer elastischen, in der Regel polymer bezogenen Walze gebildet. Die einzige Ausnahme ist der sogenannte Wechselspalt, der aus zwei elastischen Walzen besteht.
Unter einer harten Walze sind diejenigen Walzen zu verstehen, deren Stahl- oder Hartgussmantel etwa 50 bis 200 mm dick und sehr steif ist und dabei mit einer glatten metallischen oder keramischen Oberfläche versehen ist. Die Oberflächenrauigkeit liegt unter einem Ra-Wert von 0,1 µm. Die Walzen sind beheizbar, was häufig mittels eines die Walze durchströmenden Wärmeträgerfluids erfolgt. Die elastischen Walzen können unterschiedliche Ausprägungen haben. Entweder ist ein Mantel aus Metall vorgesehen, der einen elastischen Oberflächenbezug, beispielsweise aus Polymer, Gummi oder Baumwolle besitzt, oder der gesamte rotierende Mantel ist aus einem elastischen Kunststofimaterial in Form eines Verbundwerkstoffes gebildet.
Die beschriebenen Walzenspalte gewährleisten bei der Satinage auch unter relativ hohen Drücken und Temperaturen durch die Elastizität der elastischen Walzen eine gleichmäßige Verdichtung der Papierbahn, was für gute Bedruckbarkeitseigenschaften in allen gängigen Druckverfahren Voraussetzung ist.
Aus der DE 195 08 352 A1 ist es bekannt, in derartigen Kalandern für höherwertige Papiere elastische Walzen einzusetzen, die bei Durchlauf einer Störstelle durch den Nip ein gutes Rückstellvermögen für die Verformungen aufweisen, so dass die Qualität des Papiers weniger beeinträchtigt wird. Dadurch kann gegenüber herkömmlichen Kalandern auf eine Anzahl von Walzenspalten verzichtet werden.
In der EP-A-1557 490 ist eine Erweiterung der Behandlungsmöglichkeiten in einem Mehrwalzenkalander vorgestellt. Dazu wird in einem Endnip eine harte durch eine weiche Walze ersetzt.
Die Glättwirkung der Walzenspalte ist grundsätzlich einseitig, das heißt, dass auf der Papierbahnseite, die in Kontakt mit der harten, glatten und beheizbaren Walze kommt, die Glanz- und Glätteentwicklung signifikant größer ist als auf der anderen, die mit der nicht beheizbaren, polymerbezogenen Walze in Kontakt kommt. Diese Zweiseitigkeit in der Glättwirkung der elastischen Nips wird hierbei umso größer, je höher Druck und Temperatur gewählt werden, das heißt je mehr Satinageleistung erforderlich ist. Gerade bei den oben beschriebenen Papiersorten ist diese sehr hoch.
Bereits im Jahr 1989 wurde in der DE 3937246 A1 darüber nachgedacht, auch die elastischen Walzen durch wärmeleitendes Füll- oder Deckmaterial beheizbar zu machen, um die Effektivität des Kalanders zu erhöhen. Erfindungsgemäß sah man dort die Möglichkeit, die elastische Waize auf 200 bis 300°C aufzuheizen. Die Herstellung einer solchen Walze ist aber selbst mit den Möglichkeiten, die 20 Jahre später gegeben sind, nicht realisierbar, so dass dies wahrscheinlich der Grund ist, warum das beschriebene Satinageverfahren und die beschriebene Walze bislang nie zur Anwendung kamen. Zu berücksichtigen ist hier auch, dass so genannte Superkalander, in denen die besagte Walze anstelle von elastischen Walzen eingebaut werden sollte, damals 12 Walzen haben mussten, wenn man in der Mitte des Walzenstapels seinen Wechselspalt behalten wollte, denn es war zu dem Zeitpunkt noch nicht möglich, eine durchbiegungssteuerbare Ober- oder Unterwalze mit einem elastischen Belag zu versehen. Insofern ließ sich ein Walzenstapel sowieso nur auf 10 Walzen reduzieren, wenn das zu satinierende Papier von vornherein stark zweiseitig war und man diese Zweiseitigkeit durch den Versatz des Wechselspaltes kompensieren wollte.
Moderne Mehrwalzenkalander für sehr hohe Papierqualitäten sind demgegenüber mit üblicherweise 10 Walzen ausgestattet, wobei der Wechselspalt genau in der Mitte des Walzenstapels angeordnet ist und die unterste sowie die oberste Walze im Stapel einen Polymerbezug aufweist und als Biegeausgleichwalze ausgestaltet ist. Mit dieser Anordnung können beide Papierbahnseiten mit jeweils vier Nips satiniert werden, das heißt, jede Papierbahnseite hat viermal Kontakt mit einer harten, glatten und beheizten Walze. Durch die Positionierung des Wechselspaltes in Stapelmitte werden eine symmetrische Anordnung und somit auch eine symmetrische, für beide Papierbahnseiten nahezu gleiche Satinagewirkung erzielt.
Nachteilig ist hierbei insbesondere die mehr oder weniger einseitige Glättwirkung der einzelnen Nips, die eine große Anzahl von Kalanderwalzen erforderlich macht, was den Kalander nicht nur verteuert, sondern auch den reibungslosen Betrieb derartigen Maschinen erschwert. Polymerbeschichtete Walzen haben einen hohen Verschleiß, neigen zu einem sogenannten "barring" (wellige Oberfläche durch pulsierenden Verschleiß) und müssen daher häufig gewechselt werden. Dies reduziert in einer Online-Installation den Gesamtwirkungsgrad der Papiermaschine entscheidend. Auch im Falle der Offline-Installation wird die Verfügbarkeit des Kalanders signifikant reduziert.
Bei einer großen Walzenanzahl (z. B. 10) neigt der Kalander unter verschiedenen Produktionsbedingungen zu Vibrationen, so dass gewünschte Produktionsparameter (Geschwindigkeit, Druck u.s.w.) verändert werden müssen.
In sogenannten Glättwerken, die auch vielwalzig ausgestaltet sein können, werden nur harte, metallische Walzen verwendet. Diese harten Nips, in denen beide Papierbahnseiten gleichermaßen geglättet werden, können zur Satinage der oben angesprochenen Qualitäten allerdings nicht eingesetzt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, hochwertige Papiersorten, ganz besonders Woodfree Coated-Papiere (WFC) mit einem Glanz nach Gardner größer 75% oder Naturtiefdruckpapiere (SCA) mit einem pps-10s-Rauhigkeitswert unter 1,15 µm oder filmgestrichene Light-Weight-Coated-Papiere (LWC) mit einem Glanz nach Gardner über 55%, mit weniger Walzen satinieren zu können, als es der aktuell notwendigen Walzenzahl, entspricht. Für die aufgeführten Qualitäten ist das heutzutage beispielsweise ein Standard von mindestens 10 Walzen in einem Stapel oder 2 x 5 Walzen in zwei Stapeln bei einer Geschwindigkeit von über 1400 m/min für die Bahn.
Die Aufgabe wird auf die Weise gelöst, dass eine ganz bestimmte walzenanordnung gewählt wird, nämlich so, dass der Walzenstapel in folgender Reihenfolge aufgebaut ist: eine harte durchbiegungssteuerbare Oberwalze, eine elastische Mittelwalze mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht, eine beheizbare harte Mittelwalze, zwei elastische Mittelwalzen mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht, eine beheizbare harte Mittelwalze, eine elastische Mittelwalze mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht und eine harte durchbiegungssteuerbare Unterwalze.
Es hat sich gezeigt, dass mit diesem 8-Walzen-Kalander die gleichen Glanz- und Glättewerte bei hochwertigen Papieren erzielbar sind, als benutzte man einen 10-Walzen-Kalander, dessen durchbiegungssteuerbare Ober- und Unterwalze einen elastischen Belag aufweisen. Obwohl die Papierbahn je Papierseite nur noch zweimal an einer harten beheizten Walze anliegt, reicht ein solcher Kalanderaufbau offenbar aus, dieses positive Ergebnis zu erzielen. Überraschend war es, in Versuchen festzustellen, dass anderszahlige Walzenstapel und - anordnungen bei Einsatz von elastischen Walzen mit metallischer Oberflächenschicht gegenüber einem herkömmlichen Kalander mit zwei Walzen mehr nicht zu einer derartig hohen Verbesserung der Papierqualitäten geführt haben. Die Ursache für ein solches Verhalten ist noch nicht geklärt. Jedenfalls führte beispielsweise die Verringerung der Walzenzahl eines älteren Superkalanders von 12 auf 10 Walzen unter Einsatz von elastischen Walzen mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung nicht mehr zu vergleichbaren Satinageergebnissen. Bei dem erfindungsgemäßen 8-Walzen-Kalander handelt es sich demzufolge um eine Auswahlerfindung, deren Vorteile aus noch nicht geklärten Gründen nur für diese Walzenanordnung zutreffen. Man vermutet lediglich einen Zusammenhang mit den eingesetzten neuartigen Oberflächen, die sich aufgrund eines Spritzverfahrens gut im elastischen Untergrund verankern und dadurch Streckenlasten oberhalb von 300 N/mm verkraften, ohne abzuplatzen. Hinzu kommt natürlich die moderate Oberflächentemperatur und die heutzutage hohe erzielbar Oberflächenglätte von unter Ra = 0,1 µm. Ein Hinweis, warum diese Eigenschaften der elastischen Walze bei anderen Walzenzahlen sich nicht in höheren Papierqualitäten niederschlagen, besteht jedoch weiterhin.
Dadurch, dass der Wechselspalt in der Kalandermitte verbleibt, wird auch jede Zweiseitigkeit der Papierbahn vermieden. Dabei kann sich die Aufheizung der elastischen Walzen auf eine moderate Temperierung beschränken. Insgesamt verbraucht der Kalander weniger Heizenergie als ein herkömmlicher 10-Walzen-Kalander.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn wenigstens eine elastische Walze mit metallischer Oberflächenschicht im Satinagebetrieb eine Oberflächentemperatur von 90 bis 130°C aufweist. Es wird dabei bevorzugt, alle elastischen Walzen mit metallischer Oberflächenschicht auf diese Weise zu beheizen. In dem erfindungsgemäßen 8-Walzen-Kalander liegt jede Papierbahnseite dann einmal an einer heißen harten Walze und zweimal an einer moderat beheizten elastischen Walze an. Die Einsparung in der Wärmezufuhr von zwei Heizwalzen macht sich auf diese Weise auf das Satinageergebnis nicht bemerkbar.
Es ist günstig, wenn in wenigstens einem Walzenspalt eine Streckenlast von mindestens 300 N/mm wirkt, um eine Walzenspaltlänge in Bahnlaufrichtung von wenigstens 10 mm zu erhalten. Dadurch wird selbst bei hohen Geschwindigkeit der Bahn zwischen 1400 und 2000 m/min die Verweildauer im Nip so groß, dass für einen ausreichenden Wärmefluss in die Papierbahn gesorgt ist. Unter der Walzenspaltlänge sei die Länge definiert, bei der die Papierbahn in Kontakt mit einer der beiden Walzen ist.
Für den Fall, dass der Wärmeübergang auf die Papierbahn noch nicht ausreichen sollte (beispielsweise bedingt durch einen anderen Feuchtigkeitsgehalt), ist es von Vorteil, wenn ein Andrückelement vorgesehen ist, das die Papierbahn wenigstens vor oder nach einem Walzenspalt über einen Umschlingungswinkel von wenigsten 5° an die Oberfläche einer glatten, harten und beheizten Walze anlegt. Dadurch wird eine Vor- oder Nachheizstrecke bezüglich des Nips erzeugt. Er wird quasi zumindest in Hinblick auf den Wärmeübergang verlängert.
Für einen Kalanderbetreiber kann es sogar durchaus sinnvoll sein, einen 10-Walzen-Kalander auf acht Walzen zu kürzen. Beispielhaft seien genannt:

Veränderung von Systemeigenfrequenzen (die vorher ggf. zu Barringerscheinungen geführt haben)
Einsatz einer durchbiegungsgesteuerten Ober- oder Unterwalze ohne einen elastischen Belag (der Ein- und Ausbau solcher Walzen mit Belag zum Überschleifen des Belages ist sehr häufig und arbeitsintensiv, wobei die einzusetzenden Reservewalzen sehr teuer sind)
die Heizaggregate für die harten beheizbaren Walzen können verkleinert werden
ohne Walzen mit polymerer Oberfläche, wird die Gefahr der Zerstörung des Belages durch die heiße Gegenwalze ausgeschlossen, wodurch auf Randbeschnitteinrichtungen verzichtet werden kann (dies bringt zusätztiche Bahnbreite, also Produktionsmenge).

Der Umbau eines Mehrwalzenkalanders erfolgt dann so, dass man die Ober- und Unterwalze mit einem Mantel mit einem elastischen Belag versieht, wenn sie eine harte Oberfläche aufweisen, bzw. die Ober- und Unterwalze mit einem Mantel mit harter, glatter Oberfläche versieht, wenn sie einen elastischen Belag aufweisen, weiterhin wenigstens eine Walze mit elastischem Belag mit einer metallischen Spritzschicht versieht und weiterhin die zweite Walze und vorletzte Walze aus dem Walzenstapel entfernt. Durch die Änderung der Ober- und Unterwalze in die jeweils andere Walzenkategorie, das heißt hart in weich bzw. umgekehrt, bleibt der Wechselspalt des Mehrwalzenkalanders an der bisherigen Stelle, so dass keine Einbußen durch Zweiseitigkeit der Papierbahn in Kauf genommen werden müssen. Durch diese einfache Änderung ist die Oberwalze komplementär zur dritten Walze des ursprünglichen Kalanders und die Unterwalze komplementär zur drittletzten Walzen des ursprünglichen Kalanders (immer von oben nach unter gezählt), was bedeutet, dass die zweite und die vorletzte Walze aus dem Stapel entnommen werden können. Die Wirkung der nun fehlenden harten Heizwalzen wird dadurch ersetzt, dass die elastischen Walzen eine Metallbeschichtung bekommen und somit genau so glatt sind wie die harten Heizwalzen, also ebenfalls einen Ra-Wert von unter 0,1 µm haben.
Vorzugsweise wird das Verfahren zum Umbau eines Mehrwalzenkanders angewendet, um die Walzenzahl von 10 auf 8 Walzen zu verringern. Wie bereits bei dem Mehrwalzenkalander beschrieben, hat sich die Wirkung einer gleichen Satinageleistung insbesondere bei einem neuen 8-Walzen-Kalander gegenüber einem vormals 10-Walzen-Kalander herausgestellt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Mehrwalzenkalanders gemäß der Erfindung.
Der Mehnivalzenkalander 1 besitzt acht Walzen, eine harte durchbiegungssteuerbare Oberwalze 2, eine elastische Mittelwalze mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht 3, eine beheizbare harte Mittelwalze 4, zwei elastische Mittelwalzen mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht 5, 6, eine beheizbare harte Mittelwalze 7, eine elastische Mittelwalze mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht 8 und eine harte durchbiegungssteuerbare Unterwalze 9. Die Papierbahn 11, die direkt aus der symbolisch durch das Rechteck dargestellten Papiermaschine 12 kommt, ist ein hochwertiges Woodfree Coated-Papier (WFC), das in dem Mehrwalzenkalander auf einen Glanz nach Gardner größer 75% satiniert werden soll. Es kann sich aber auch um Naturtiefdruckpapier (SCA) handeln, das im Mehrwalzenkalander 1 auf einen pps-10s-Rauhigkeitswert unter 1,15 µm gebracht werden soll, oder um filmgestrichenes Light-Weight-Coated-Papier (LWC), das auf einen Glanz nach Gardner über 55% satiniert werden soll.
Bei den neuen elastischen Walzen 3, 5, 6, 8 handelt es sich um Walzen mit einer elastischen Schicht aus faserverstärktem Epoxid, genau so wie auch bei herkömmlichen elastischen Walzen, nur dass auf diese eine selbstfließende metallische Schicht aufgespritzt worden ist. In Versuchen haben sich Ni 17Cr 4Fe 4Si 3.5B 1C und (WC 12Co) 33Ni 9Cr 3.5Fe 2Si 2B 0.5C, also insbesondere Nickel, Chrom und Eisen enthaltende Spritzwerkstoffe als besonders geeignete Materialien für die Oberflächenschicht herausgestellt.
Im Mehrwalzenkalander wird die Papierbahn 11 mehrfach über Leitwalzen 10 umgelenkt, damit sie durch die Nips oder Walzenspalte, also dem Kontaktbereich zweier benachbarter Walzen 2 - 8 geführt werden kann. Hinter dem Mehrwalzenkalander 1 wird die Papierbahn in der Aufwicklung 13 aufgewickelt.
Die elastischen Walzen mit metallischer Oberflächenschicht 3, 5, 6, 8 weisen im Satinagebetrieb eine Oberflächentemperatur von 90 bis 130°C auf. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur wird diese Aufwärmung durch die durch Kästchen angedeuteten externen Induktionsheizungen 15 realisiert.
Ober- und Unterwalze 2, 9 besitzen glatte Oberflächen aus Metall. Sie können ebenfalls über Außenheizungen beheizbar sein. Vorteilhafterweise besitzen die Walzen auch eine Oberflächenrauigkeit mit einem Ra-Wert unter 0,1 µm.
Der Walzenstapel wird von wenigstens einem Ende her in bekannter und deshalb nicht dargestellter Weise derart belastet, dass in wenigstens einem Walzenspalt eine Streckenlast von 300 N/mm wirkt. Das führt in der Regel zu einer Walzenspaltlänge in Bahnlaufrichtung von über 10 mm und zu einer ausreichend großen Kontaktfläche für den Wärmeübergang auf die Papierbahn 11. Für den Fall, dass die Wärmeübergangsstrecke nicht ausreicht, wird ein Andrückelement vorgesehen, das für eine Anlage der Papierbahn an der Heizwalze 4,7 vor oder hinter dem Nip über einen Umschlingungswinkel von mindestens 5° sorgt. Auf diese Weise wird dem Satinageprozess ausreichend Wärme zugeführt. In diesem Ausführungsbeispiel ist es der einfachen Darstellung wegen in Form einer Andrückwalze ausgebildet. Es ist aber auch mit Vorteil vorstellbar, dass ein Anlageband verwendet wird, das einen Anlagedruck für einen besseren Wärmeübergang über eine längere Wegstrecke an der harten Heizwalze 4 erzeugen kann.

Bezugszeichenliste

1: Mehrwalzenkalander
2: harte durchbiegungssteuerbare Oberwalze
3,5,6,8: elastische Mittelwalze mit dünner metallischer Oberflächenschicht
4, 7: beheizbare harte Mittelwalze
9: harte durchbiegungssteuerbare Unterwalze
10: Leitwalzen
11: Papierbahn
12: Papiermaschine
13: Aufwicklung
14: Andrückelement
15: Externe Induktionsheizung

Claims

Mehrwalzenkalander mit einem Walzenstapel, in dem jeweils zwei aufeinanderfolgende Walzen (2 und 3, 3 und 4, 4 und 5, 5 und 6, 6 und 7, 7 und 8, 8 und 9) einen Walzenspait bildern, zur Satinage von Woodfree Coated-Papieren (WFC) auf einen Glanz nach Gardner größer 75% oder Naturtiefdruckpapieren (SCA) auf einen pps-10s-Rauhigkeitswert unter 1,15 µm oder filmgestrichenen Light-Weight-Coated-Papieren (LWC) auf einen Glanz nach Gardner über 55%, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzenstapel in folgender Reihenfolge aufgebaut ist: eine harte durchbiegungssteuerbare Oberwalze (2), eine elastische Mittelwalze mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht (3), eine beheizbare harte Mittelwalze (4), zwei elastische Mittelwalzen mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht (5, 6), eine beheizbare harte Mittelwalze (7), eine elastische Mittelwalze mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht (8) und eine harte durchbiegungssteuerbare Unterwalze (9).
Mehrwalzenkalander gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elastische Walze mit metallischer Oberflächenschicht (3, 5, 6, 8) im Satinagebetrieb eine Oberflächentemperaturvon 9.0 bis 130°C aufweist.
Mehrwalzenkalander gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Walzenspalt eine Streckenlast von mindestens 300 N/mm wirkt, um eine Walzenspaltlänge in Bahnlaufrichtung von wenigstens 10 mm zu erhalten
Mehrwalzenkalander gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Andrückelement (14) vorgesehen ist, das die Papierbahn (11) wenigstens vor oder nach einem Walzenspalt über einen Umschlingungswinkel von wenigsten 5° an die Oberfläche einer glatten, harten und beheizten Walze anlegt.