EP2888402A1 - Walze und verfahren zur herstellung einer walze - Google Patents

Walze und verfahren zur herstellung einer walze

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Publication number
EP2888402A1
EP2888402A1 EP13753151.3A EP13753151A EP2888402A1 EP 2888402 A1 EP2888402 A1 EP 2888402A1 EP 13753151 A EP13753151 A EP 13753151A EP 2888402 A1 EP2888402 A1 EP 2888402A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
roll
roller
layer
producing
web
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.)
Withdrawn
Application number
EP13753151.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Pollaschek
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.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent 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
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2888402A1 publication Critical patent/EP2888402A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • D21G1/02—Rolls; Their bearings
    • D21G1/0233—Soft rolls
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49544—Roller making
    • Y10T29/49547—Assembling preformed components
    • Y10T29/49549—Work contacting surface element assembled to core

Definitions

  • the invention relates to a roller for use in a machine for producing and / or finishing a fibrous web such as a paper or board web according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a roller according to the preamble of claim 13 or 14.
  • Rollers are used in paper machines in a variety of positions. Depending on the location or purpose of the respective roller, this has a roll cover, which shows properties that are tailored to the use.
  • so-called calenders or calenders which can either be subordinated to the actual fiber web production online in a paper machine or can also be used offline, usually rollers with covers made of a composite material are used.
  • rollers with covers made of a composite material are used.
  • juxtaposed paper or textile discs which were placed on a roll core and then pressed, were used.
  • Corresponding calender roll covers are known from a variety of publications.
  • DE 19928755 A1 discloses a roller, in particular for smoothing paper webs, which has a hard roll core, for example made of metal, which is provided on its outside with an elastic covering layer comprising an elastic matrix material which, in operation, is elastic in regions by a pressable counter roll is deformable.
  • the material and / or the structure of the elastic cover layer is chosen so that in a certain temperature range and at a certain nip frequency as well an amplitude of the surface of the elastic covering layer caused by the deformation is minimized, the total dissipated energy of the reference layer.
  • a roller is known in particular for smoothing paper webs with a hard roll core, for example made of metal, which is provided on its outside with an elastic cover layer consisting of an elastic matrix material and fillers embedded in the matrix material. At least some of the fillers are formed as metallic fillers, which are at least partially made of metal and wherein at least a portion of the metallic fillers may be formed as a metal foam.
  • a disadvantage of the known roller covers is primarily that takes place by the dissipation at high dynamic stress, the high temperature of the heating roller and the thermal insulating effect of the known references a strong heating of the same.
  • the maximum operating temperature is limited by the limitations of material resistance. It is thus necessary to cool the roller having the soft cover during operation. This is especially important for high performance calenders.
  • the heating of the heating roller and the cooling of the soft roller are associated with a high energy consumption.
  • rollers in other positions are exposed to strong mechanical and thermal stresses that can cause a variety of problems from cracks over partial detachment of the roll cover to damage to other components of the paper or board machine with the associated downtime and repair costs.
  • problems are often in the area of the connection between the roll core and the roll cover. It is the subject of extensive research and development to connect the different property profiles of metallic and plastic components at the interfaces.
  • Baselayer which is the Mediation between roll core and roll cover serves, the weakest point of the roll.
  • the roll cover has one or more layers, wherein the layer or at least one of the layers is formed from a foamed metallic or alloyed material.
  • the use of the foamed metallic material according to the invention can ensure that the thermal conductivity is increased many times over that of conventional roll covers, while the modulus of elasticity is increased by the targeted modeling of the metal foam in a desirable area can be performed.
  • the heat dissipation is thus considerably more efficient than conventional roller covers.
  • foamed metallic or alloyed material is used instead of an elastomer as a base layer between the roll core and the roll cover, a more effective heat dissipation can also be achieved which compensates for the temperature the temperature rising in the upper regions of the roll cover towards the roll core due to the resulting high line loads.
  • metal is overall more thermally resistant than composite materials.
  • the roll can be operated at a higher temperature, which in turn ensures that a better calendering effect can be achieved in heated calender positions, resulting in higher gloss values and less roughness. This can have a positive effect on the energy requirements of the fiber web machine and on savings in coating the fibrous web.
  • the foamed metallic or alloyed material aluminum, bronze, zinc, zinc alloys, aluminum alloys such as AISi or mixtures of said substances contained, which are characterized by high temperature resistance and excellent thermal conductivity.
  • the foamed metallic or alloyed material may be substantially closed-pored.
  • pores present in the foamed metallic or alloyed material may be distributed homogeneously or approximately homogeneously in the material. This ensures that in the at least one layer, which comprises the foamed metallic material, a substantially uniform heat dissipation can take place over the entire extent thereof.
  • the pores may be distributed under a gradient in the at least one layer, with a lower pore volume per unit volume radially inward and an increasing pore volume per volume unit radially outward.
  • An average diameter of the pores can range from 0.1 to 1 mm.
  • the material has a modulus of elasticity between 2000 and 10000 MPa, preferably about 5000 MPa.
  • the material has a thermal conductivity of about 3 to 25 W / mK.
  • the roller may have a seal on a fiber web contact side. This ensures a high smoothness of the fiber web contact side and corresponding possibilities of improved calendering effect and / or saving of thermal energy or drive power during operation of the calender.
  • the seal may preferably be a filled epoxy resin having a thickness of 2 to 10 mm or a thermal coating having a thickness of 0.05 to 0.3 mm.
  • An advantageous process for producing a roll for use in a machine for producing and / or processing and / or finishing a fibrous web, such as a paper or board web may comprise the following process steps: applying a metal web containing a blowing agent to the roll core to produce at least one layer Fixing the metal sheet on the roll core by pressing, cold rolling or winding and gluing, supplying heat from the outside to heat the blowing agent-containing layer to the melting region and thereby foaming the material of the layer.
  • An alternative advantageous method for producing a roll for use in a machine for producing and / or processing and / or finishing a fibrous web, such as a paper or board web may be the following process steps have: Cold deformation of a flat semi-finished product to the desired radius of the roll core, foaming by heat, applying the half or partial shell segments on the roll core by means of adhesive method for producing at least one layer and joining the segments by means of a welding or gluing process.
  • a further method step may be provided, which provides for sealing the roll cover with a seal, and which comprises the following substeps: grinding or over-turning the roll cover and thereby opening near-surface pores of the foamed metallic material; Applying the seal while allowing the sealant material to enter the open pores.
  • FIG. 1 shows a highly schematic representation of a calender roll stack in which a roll according to the invention can be used
  • Fig. 2 is a highly schematic sectional view of a roll cover for a roll according to the invention.
  • a calender roll stack 1 for a high-performance calender for smoothing a fibrous web F is shown in highly schematic form to explain the inventive measures.
  • the inventively designed rolls can also be used in other positions, such as in the press section of a machine for producing a fibrous web to the application.
  • the calender roll stack 1 described by way of example is formed from a plurality of rolls 2, 3, 4 arranged one above the other in a vertical stacking plane in the exemplary embodiment.
  • ten rollers 2, 3, 4 are shown, but it is also possible to use more or fewer rollers 2, 3, 4, depending on the type and quality of the fibrous web F to be processed.
  • the stack level may also be inclined, for example at an angle of about 40 to 50 °.
  • the fibrous web F passes through all calendering gaps which are formed by two adjacent and pressed-together rolls 2, 3, 4. Between the Glättspalten the fibrous web F is guided over guide rollers 5.
  • the calender roll stack 1 is limited in the embodiment of two soft end rolls 2, wherein between the end rolls 2 a plurality of intermediate rolls 3, 4 are arranged, some of which may be formed as hard rolls 3 and some as soft rolls 4.
  • the soft rolls 2, 4 have either an elastic roll shell which is supported from the inside or a roll cover made of plastic on a preferably metallic core or on a core made of a composite material. On the structure of the soft rolls 2, 4 will be discussed in more detail below.
  • the hard rollers 3 have a roll shell of metal, alternatively of a metal-coated composite material which is heated from the inside.
  • the heating can be done in various ways, for example, by hot oil.
  • a roll cover 1 1 is arranged, which has at least one or more layers 12.
  • this simultaneously represents the fiber web contact surface, in the case of a plurality of layers 12, the outermost of these layers 12 is suitably designed to come into contact with the fibrous web F.
  • the roll cover 1 1 must have a modulus of elasticity, which produces an optimal pressure curve in the smoothing gap between two rolls 2, 3, 4 over the entire axial length of the rolls 2, 3, 4.
  • the conventional materials which form the state of the art for this purpose, are composite materials with embedded fiber reinforcements or in many cases even pressed paper or textile discs, which are plugged onto the roller core 10 and pressed by end plates.
  • the modulus of elasticity of the roll cover 1 1 should be for the listed applications in the order of about 5000 MPa.
  • Metals and metal alloys have a significantly higher modulus of elasticity than fiber composites. This is around values of around 70000 MPa, which is why it is necessary to lower it for the desired applicability in press or calender positions.
  • the preferred values are on the order of about 2000 MPa to about 10000 MPa, in particular about 5000 MPa.
  • the metallic or alloyed material 13 is thus subjected to a treatment which allows to lower the elastic modulus and thus to generate the desired property profile.
  • a blowing agent is introduced into the still moldable material 13, which produces bubbles or pores in the material 13.
  • the injection of gas or sintering of the material 13 can also produce the desired porous foam structure.
  • metal or alloy foams are often done by means of metal powder and a metal hydride, for example titanium dihydride. Both powders are mixed together and then compacted by hot pressing or extrusion to a starting material. The starting material is then heated to a temperature above the melting point of the metal. The titanium dihydride releases gaseous hydrogen and foams the mixture.
  • metal foams For example, it is possible to inject gas into a molten metal which has previously been made foamable by adding solid constituents.
  • aluminum alloys are used to Stabilization 10-20% by volume of silicon carbide or alumina added. The addition of calcium is also possible. In this case, an increase in viscosity and a concomitant stabilization of the melt is achieved by alloying.
  • the Schlickerreticiansschaumsinter method (SRSS method) is available, with the iron, steel and nickel foams can be produced in particular.
  • SRSS method Schlickerreticiansschaumsinter method
  • a slurry is foamed by means of hydrogen, which is formed by the reaction of acid with the respective metal powder.
  • the foam structure is set and dried in a mold.
  • the resulting green compact is then sintered under reducing atmosphere or in vacuo.
  • the foaming processes generally described above can be applied to roll covers 11 for use in fibrous web machines.
  • the roll cover 1 1 may e.g. from a metal or metal alloy sheet containing a blowing agent, which is applied to the roll core 10 by, for example, pressing, cold rolling, or winding and gluing.
  • the layer containing the blowing agent is heated to the melting range of the metal or alloy and thereby foamed.
  • a gradient in density and pore volume between the roll core 10 and surface of the roll cover 1 1 can be generated so that adjacent to the roll core 10, a relatively high density with low pore volume and radially outward decreasing density with a larger pore volume can be observed.
  • metal-coated polymer spheres for example of foamed polystyrene
  • foamed polystyrene also leads to a vesicular, porous structure of the metallic or alloyed material 13, which exhibits the desired properties.
  • APM advanced pore morphology
  • a largely closed-pore structure is formed, which is characterized by a high thermal conductivity and temperature resistance and thereby has a modulus of elasticity which can be adapted to the selected position of the roll 2, 4.
  • foamed metallic or alloyed materials 13 are characterized by high impact energy absorption and good compressive strength. This leads to excellent damping properties, which act vibration-inhibiting, excellent mechanical stability and thus high durability.
  • the property profiles mentioned by using the foamed metallic or alloyed material are achievable both for inner layers 12 as a base layer to the roll core 10 as well as for the fiber web F contacting functional layers.
  • the roller 2, 4 may have a seal 15 on a fiber web contact side. This ensures a high degree of smoothness of the fiber web contact side and corresponding Possibilities of saving drive energy, which plays a role especially in the calender.
  • the seal 15 may be, for example, a filled epoxy with a thickness of 2 to 10 mm.
  • the transition between the foamed metallic material 13 and the seal 15 can also be formed fluently, as a gradient or by means of a transition layer.
  • the existing of the foamed metallic or alloy material 13 roll cover 1 1 is processed for example by grinding or over-turning.
  • the seal 15 may also be a thermal coating having a thickness of 0.05 to 0.3 mm.

Landscapes

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

Abstract

Eine Walze (2, 4) zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Verarbeitung und/oder Veredelung einer Faserbahn (F) wie einer Papier-oder Kartonbahn, weist einen Walzenkern (10) und einendarauf angeordneten Walzenbezug (11) auf, welcher zumindest eine Schicht (12) oder mehrere Schichten (12) umfasst, wobei die Schicht (12) oder zumindest eine der Schichten (12) aus einem geschäumten metallischen oder legierten Material (13) gebildet ist.

Description

Walze und Verfahren zum Herstellen einer Walze
Die Erfindung geht aus von einer Walze zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Veredelung einer Faserstoffbahn wie einer Papier- oder Kartonbahn nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie von einem Verfahren zum Herstellen einer solchen Walze nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 oder 14.
Walzen kommen in Papiermaschinen in einer Vielzahl von Positionen zum Einsatz. Je nach Einsatzort bzw. Zweck der jeweiligen Walze weist diese einen Walzenbezug auf, der Eigenschaften zeigt, die auf die Verwendung abgestimmt sind. In sogenannten Kalandern oder Glättwerken, die entweder online in einer Papiermaschine der eigentlichen Faserbahnherstellung nachgeordnet sein oder auch offline verwendet werden können, finden gewöhnlich Walzen mit Bezügen aus einem Composite-Werkstoff Anwendung. Früher wurden auch aneinandergereihte Papier- oder Textilscheiben, die auf einem Walzenkern aufgesteckt und dann gepresst wurden, verwendet.
Die Anforderungen an die Walzenbezüge im Bereich des Kalandrierens sind sehr hoch, da Kalander mit hohen Linienlasten in Verbindung mit hohen Temperaturen bei starker dynamischer Beanspruchung arbeiten.
Entsprechende Kalanderwalzenbezüge sind aus einer Vielzahl von Publikationen bekannt. Beispielsweise ist aus der DE 19928755 A1 eine Walze insbesondere zum Glätten von Papierbahnen bekannt, die einen beispielsweise aus Metall bestehenden harten Walzenkern aufweist, der an seiner Außenseite mit einer ein elastisches Matrixmaterial umfassenden elastischen Bezugsschicht versehen ist, die im Betrieb durch eine anpressbare Gegenwalze bereichsweise elastisch verformbar ist. Das Material und/oder der Aufbau der elastischen Bezugsschicht ist so gewählt, dass in einem bestimmten Temperaturbereich und bei einer bestimmten Nipfrequenz sowie einer durch die Verformung verursachten Amplitude der Oberfläche der elastischen Bezugsschicht die gesamte dissipierte Energie der Bezugsschicht minimiert wird.
Weiterhin ist aus der DE 19925421 A1 eine Walze insbesondere zum Glätten von Papierbahnen mit einem beispielsweise aus Metall bestehenden harten Walzenkern bekannt, welcher an seiner Außenseite mit einer elastischen Bezugsschicht versehen ist, die aus einem elastischen Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebetteten Füllstoffen besteht. Zumindest ein Teil der Füllstoffe ist als metallische Füllstoffe ausgebildet, die zumindest bereichsweise aus Metall bestehen und wobei zumindest ein Teil der metallischen Füllstoffe als Metallschaum ausgebildet sein kann.
Nachteilig an den bekannten Walzenbezügen ist dabei vornehmlich, dass durch die Dissipation bei hoher dynamischer Beanspruchung, die hohe Temperatur der Heizwalze und die thermisch isolierende Wirkung der bekannten Bezüge eine starke Erwärmung derselben stattfindet. Die maximale Betriebstemperatur ist durch die Limitierungen der Materialbeständigkeit beschränkt. Es ist somit erforderlich, diejenige Walze, welche den weichen Bezug besitzt, während des Betriebs zu kühlen. Dies ist insbesondere bei Hochleistungskalandern zu beachten. Das Heizen der Heizwalze und das Kühlen der weichen Walze sind mit einem hohen Energieaufwand verbunden.
Weiterhin sind auch Walzen in anderen Positionen starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, die eine Vielzahl von Problemen von Rissen über teilweise Ablösungen des Walzenbezuges bis hin zu Schäden an anderen Bauteilen der Papier- oder Kartonmaschine mit den damit verbundenen Stillstandszeiten und Reparaturkosten verursachen können. Beispielsweise treten in der Pressenpartie, wo Wasser aus der Faserstoffbahn zwischen Walzen ausgepresst wird, ebenfalls hohe Linienlasten auf. Die Probleme hier liegen oftmals im Bereich der Anbindung zwischen dem Walzenkern und dem Walzenbezug. Es ist Gegenstand ausgedehnter Forschungs- und Entwicklungstätigkeit, die unterschiedlichen Eigenschaftsprofile von metallischen und Kunststoffkomponenten an den Grenzflächen zu verbinden. Entsprechenderweise ist der sog. Baselayer, der der Vermittlung zwischen Walzenkern und Walzenbezug dient, die schwächste Stelle der Walze.
Es ist entsprechend Aufgabe der Erfindung, eine Walze anzugeben, die für die Anwendung in hochbelasteten Positionen wie beispielsweise in Kalandern geeignet ist und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder zumindest lindert. Dies kann insbesondere durch eine Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit und/oder durch eine Erhöhung der thermischen Belastbarkeit erreicht werden. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, welche die Anbindung zwischen Walzenkern und Walzenbezug verbessert.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Walze durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung einer solchen Walze durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 13 oder 14 jeweils in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Walzenbezug eine oder mehrere Schichten aufweist, wobei die Schicht oder zumindest eine der Schichten aus einem geschäumten metallischen oder legierten Material gebildet ist.
In Papiermaschinen, wo hohe Linienlasten zur Anwendung kommen, insbesondere in Pressen- und Kalanderpositionen, kann die Verwendung des erfindungsgemäßen geschäumten metallischen Materials dafür sorgen, dass die Wärmeleitfähigkeit gegenüber herkömmlichen Walzenbezügen um ein Vielfaches erhöht ist, während der Elastizitätsmodul durch die gezielte Modellierung des Metallschaumes in einem wünschenswerten Bereich geführt werden kann. Die Wärmeableitung ist somit erheblich effizienter als bei herkömmlichen Walzenbezügen.
Wird das geschäumte metallische oder legierte Material anstelle eines Elastomers als Baselayer zwischen Walzenkern und Walzenbezug verwendet, kann ebenfalls eine effektivere Wärmeableitung erzielt werden, die einen Temperaturausgleich aufgrund der durch die anfallenden hohen Linienlasten ansteigenden Temperatur in den oberen Bereichen des Walzenbezuges zum Walzenkern hin ermöglicht.
Zudem ist Metall insgesamt thermisch belastbarer als Verbundwerkstoffe. In der Folge kann die Walze bei einer höheren Temperatur betrieben werden, was wiederum dafür sorgt, dass in beheizten Kalanderpositionen ein besserer Satinageeffekt erzielbar ist, was sich in höheren Glanzwerten und geringerer Rauhigkeit niederschlägt. Dies kann positive Auswirkungen auf den Energiebedarf der Faserbahnmaschine und auf Einsparungen beim Streichen der Faserstoffbahn haben.
Weitere vorteilhafte Aspekte und Ausgestaltungsvarianten gehen aus den Unteransprüchen hervor. Vorteilhafterweise kann das geschäumte metallische oder legierte Material Aluminium, Bronze, Zink, Zinklegierungen, Aluminiumlegierungen wie beispielsweise AISi oder Mischungen aus den genannten Stoffen enthalte, welche sich durch hohe Temperaturbeständigkeit und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Vorteilhafterweise kann das geschäumte metallische oder legierte Material im Wesentlichen geschlossenporig ausgebildet sein.
Bevorzugt können in dem geschäumten metallischen oder legierten Material vorhandene Poren homogen oder annähernd homogen in dem Material verteilt sein. Dadurch ist sichergestellt, dass in der zumindest einen Schicht, welche das geschäumte metallische Material aufweist, über deren gesamte Ausdehnung eine im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeableitung erfolgen kann.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Poren unter einem Gradienten in der zumindest einen Schicht verteilt sind, wobei radial innen ein geringeres Porenvolumen pro Volumeneinheit und nach radial außen ein steigendes Porenvolumen pro Volumeneinheit vorhanden ist. Dadurch kann ein optimaler Übergang vom vollmetallischen Walzenkern in die zumindest eine Funktionsschicht erzielt werden.
Ein durchschnittlicher Durchmesser der Poren kann von 0,1 bis 1 mm reichen.
Vorteilhafterweise weist das Materials einen Elastizitätsmodul zwischen 2000 und 10000 MPa auf, bevorzugt ungefähr 5000 MPa.
Von Vorteil ist, wenn das Material eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 3 bis 25 W/mK aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Walze an einer Faserbahnkontaktseite eine Versiegelung aufweisen. Diese sorgt für eine hohe Glätte der Faserbahnkontaktseite und entsprechende Möglichkeiten der verbesserten Satinagewirkung und/oder Einsparung von thermischer Energie oder Antriebsleistung im Betrieb des Kalanders.
Die Versiegelung kann bevorzugt ein gefülltes Epoxidharz mit einer Stärke von 2 bis 10 mm oder eine thermische Beschichtung mit einer Stärke von 0,05 bis 0,3 mm sein.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Walze zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Verarbeitung und/oder Veredelung einer Faserbahn wie einer Papier- oder Kartonbahn kann die folgenden Verfahrensschritte umfassen: Aufbringen einer ein Treibmittel enthaltenden Metallbahn auf den Walzenkern zum Erzeugen zumindest einer Schicht, Fixieren der Metallbahn auf dem Walzenkern durch Pressen, Kaltwalzen oder Wickeln und Kleben, Zuführen von Wärme von außen zum Erhitzen der das Treibmittel enthaltenden Schicht bis in den Schmelzbereich und dadurch Aufschäumen des Materials der Schicht. Ein alternatives vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Walze zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Verarbeitung und/oder Veredelung einer Faserbahn wie einer Papier- oder Kartonbahn kann die folgenden Verfahrensschritte aufweisen: Kaltverformen eines flächigen Halbzeuges auf den gewünschten Radius des Walzenkerns, Aufschäumen durch Wärmeeinwirkung, Applizieren der Halb- oder Teilschalensegmente am Walzenkern mittels Klebeverfahren zur Herstellung zumindest einer Schicht und Verbinden der Segmente mittels eines Schweiß- oder Klebeverfahrens.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein weiterer Verfahrensschritt vorgesehen sein, welcher ein Versiegeln des Walzenbezuges mit einer Versiegelung vorsieht, und welcher folgende Teilschritte umfasst: Schleifen oder Überdrehen des Walzenbezuges und dadurch Öffnen von oberflächennahen Poren des geschäumten metallischen Materials; Aufbringen der Versiegelung unter Einlaufen des die Versiegelung bildenden Materials in die geöffneten Poren. Durch geeignete Wahl von Versiegelungsmaterialien und deren Viskosität kann die Eindringtiefe der Versiegelung in einfacher Weise auf die Produktanforderungen und die Position der Walze angepasst werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen: Fig. 1 eine stark schematische Darstellung eines Kalanderwalzenstacks, in welchem eine erfindungsgemäße Walze zur Anwendung kommen kann, und
Fig. 2 eine stark schematisierte Schnittdarstellung eines Walzenbezuges für eine erfindungsgemäße Walze.
In Fig. 1 ist zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Maßnahmen stark schematisiert ein Kalanderwalzenstack 1 für einen Hochleistungskalander zur Glättung einer Faserstoffbahn F dargestellt. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Walzen können jedoch auch in anderen Positionen, wie beispielsweise in der Pressenpartie einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn zur Anwendung gelangen. Der beispielhaft beschriebene Kalanderwalzenstack 1 ist aus einer Mehrzahl von im Ausführungsbeispiel in einer senkrechten Stapelebene übereinander angeordneten Walzen 2, 3, 4 gebildet. Im Ausführungsbeispiel sind zehn Walzen 2, 3, 4 dargestellt, es ist jedoch auch möglich, mehr oder weniger Walzen 2, 3, 4 je nach der Art und Qualität der zu verarbeitenden Faserstoffbahn F zu verwenden. In der Praxis kann die Stapelebene auch geneigt sein, beispielsweise unter einem Winkel von ca. 40 bis 50°.
Die Faserstoffbahn F durchläuft während des Glättvorgangs alle Glättspalte, welche von jeweils zwei benachbarten und aneinandergedrückten Walzen 2, 3, 4 gebildet werden. Zwischen den Glättspalten wird die Faserstoffbahn F über Leitwalzen 5 geführt.
Der Kalanderwalzenstack 1 wird im Ausführungsbeispiel von zwei weichen Endwalzen 2 begrenzt, wobei zwischen den Endwalzen 2 mehrere Zwischenwalzen 3, 4 angeordnet sind, von denen einige als harte Walzen 3 und einige als weiche Walzen 4 ausgebildet sein können.
Die weichen Walzen 2, 4 besitzen entweder einen elastischen Walzenmantel, der von innen abgestützt wird oder einen Walzenbezug aus Kunststoff auf einem vorzugsweise metallischen Kern oder auf einem Kern aus einem Verbundwerkstoff. Auf den Aufbau der weichen Walzen 2, 4 wird weiter unten näher eingegangen.
Demgegenüber weisen die harten Walzen 3 einen Walzenmantel aus Metall auf, alternativ aus einem metallbeschichteten Verbundwerkstoff, der von innen beheizt wird. Die Heizung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch heißes Öl.
Während beim Kontakt der Faserstoffbahn F mit einer weichen Walze 2, 4 die kontaktierte Seite nicht oder nur geringfügig geglättet wird, führt der Kontakt der Faserstoffbahn F mit der heißen und glatten Oberfläche einer harten Walze 3 zu einer starken Glättung der kontaktierten Seite unter dem Pressdruck im Glättspalt. Damit beide Seiten der Faserstoffbahn F geglättet werden, ist gewöhnlich in der Mitte des Kalanderwalzenstacks 1 ein sogenannter Wechselnip 6 ausgebildet, der aus zwei weichen Walzen 4 gebildet ist. Die Faserstoffbahn F erfährt somit in einer Hälfte des Kalanderwalzenstacks 1 eine Glättung der einen Seite und in der zweiten Hälfte eine Glättung der zweiten Seite.
Die weichen Walzen 2, 4, von denen ein Ausführungsbeispiel in Fig. 2 stark schematisiert in einer Schnittansicht dargestellt ist, weisen gewöhnlich einen Walzenkern 10 aus einem metallischen Werkstoff wie beispielsweise Stahl oder aus einem Verbundwerkstoff, der mit Fasern verstärkt sein kann, auf.
Auf dem Walzenkern 10 ist ein Walzenbezug 1 1 angeordnet, welcher zumindest eine oder auch mehrere Schichten 12 aufweist. Im Fall einer einzelnen Schicht 12 stellt diese gleichzeitig die Faserbahnkontaktfläche dar, bei mehreren Schichten 12 ist die äußerste dieser Schichten 12 geeignet ausgebildet, um in Kontakt mit der Faserstoffbahn F zu treten.
Die Anforderungen an den Walzenbezug 1 1 sind, wie weiter oben bereits erläutert, vielfältig und durch teilweise extreme Bedingungen gekennzeichnet. Um seiner Aufgabe nachzukommen, muss der Walzenbezug 1 1 einen Elastizitätsmodul aufweisen, welcher einen optimalen Druckverlauf im Glättspalt zwischen zwei Walzen 2, 3, 4 über die gesamte axiale Länge der Walzen 2, 3, 4 herstellt. Die herkömmlichen Materialien, welche für diesen Verwendungszweck den heutigen Stand der Technik bilden, sind Verbundwerkstoffe mit eingelagerten Faserverstärkungen oder vielfach auch noch gepresste Papier- oder Textilscheiben, welche auf den Walzenkern 10 aufgesteckt und durch Endscheiben verpresst werden.
Der Elastizitätsmodul des Walzenbezuges 1 1 sollte für die aufgeführten Anwendungsfälle in einer Größenordnung von ca. 5000 MPa liegen. Um die oben angeführten Nachteile des Standes der Technik zu mildern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Schicht 12 oder zumindest eine der Schichten 12 aus einem geschäumten metallischen oder legierten Material 13 auszubilden.
Metalle und Metalllegierungen weisen einen deutlich höheren Elastizitätsmodul auf als Faserverbundwerkstoffe. Dieser liegt bei Werten um die 70000 MPa, weshalb es notwendig ist, diesen für die gewünschte Anwendbarkeit in Pressen- oder Kalanderpositionen zu senken. Die bevorzugten Werte liegen hierbei in einer Größenordnung von ca. 2000 MPa bis ca. 10000 MPa, insbesondere bei ca. 5000 MPa.
Das metallische oder legierte Material 13 wird somit einer Behandlung unterzogen, welche erlaubt, den Elastizitätsmodul zu senken und so das gewünschte Eigenschaftsprofil zu generieren. Hierzu wird beim Aufbringen des Walzenbezuges 1 1 auf den Walzenkern 10 beispielsweise ein Treibmittel in das noch formbare Material 13 eingebracht, welches Blasen bzw. Poren im Material 13 erzeugt. Auch das Einblasen von Gas oder das Sintern des Materials 13 kann die gewünschte porige Schaumstruktur herstellen.
Zur besseren Verständlichkeit können zunächst die folgenden allgemeinen Bemerkungen zur Herstellung von geschäumten Metallen oder Metalllegierungen herangezogen werden. Die Herstellung von Metall- oder Legierungsschäumen geschieht häufig mittels Metallpulver und einem Metallhydrid, z.B. Titandihydrid. Beide Pulver werden miteinander vermischt und dann durch Heißpressen oder Strangpressen zu einem Vormaterial verdichtet. Das Vormaterial wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt. Dabei setzt das Titandihydrid gasförmigen Wasserstoff frei und schäumt das Gemenge auf. Es gibt noch weitere Möglichkeiten, Metallschäume herzustellen. Beispielsweise kann man Gas in eine Metallschmelze einblasen, die zuvor durch Zugabe fester Bestandteile schäumbar gemacht wurde. Für Aluminiumlegierungen werden zur Stabilisierung 10-20 Vol.-% Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid zugegeben. Die Zugabe von Kalzium ist ebenfalls möglich. Hierbei wird durch die Legierungsbildung eine Viskositätserhöhung und eine damit einhergehende Stabilisierung der Schmelze erreicht.
Als weitere Verfahrensvariante steht das Schlickerreaktionsschaumsinter-Verfahren (SRSS-Verfahren) zur Verfügung, mit dem vor allem Eisen-, Stahl- und Nickelschäume hergestellt werden können. Bei diesem Verfahren wird mittels Wasserstoff, der durch die Reaktion von Säure mit dem jeweiligen Metallpulver gebildet wird, ein Schlicker geschäumt. Durch weitere Reaktionsprodukte wird die Schaumstruktur abgebunden und in einer Form getrocknet. Der so entstandene Grünling wird anschließend unter reduzierender Atmosphäre oder im Vakuum gesintert. Die vorstehend allgemein beschriebenen Schäumungsverfahren können auf Walzenbezügen 1 1 zur Verwendung in Faserbahnmaschinen zur Anwendung kommen. Der Walzenbezug 1 1 kann z.B. aus einer ein Treibmittel enthaltenden Metall- oder Metalllegierungsbahn, die beispielsweise durch Pressen, Kaltwalzen oder Wickeln und Kleben auf den Walzenkern 10 aufgebracht wird, hergestellt werden. Anschließend wird durch Wärmeeinwirkung von außen die das Treibmittel enthaltende Schicht bis in den Schmelzbereich des Metalls oder der Legierung erhitzt und dadurch aufgeschäumt. Durch geeignete Wahl der Temperaturführung kann auch ein Gradient in Dichte und Porenvolumen zwischen Walzenkern 10 und Oberfläche des Walzenbezuges 1 1 erzeugt werden, so dass angrenzend an den Walzenkern 10 eine verhältnismäßig hohe Dichte mit geringem Porenvolumen und nach radial außen hin eine abnehmende Dichte mit größerem Porenvolumen zu beobachten ist.
Ebenso ist es möglich, durch Kaltverformung eines flächigen Halbzeuges auf den gewünschten Radius und nachfolgendes Aufschäumen durch Wärmeeinwirkung und Applikation der Halb- oder Teilschalensegmente am Walzenkern 10 mittels Klebeverfahren eine entsprechende Schicht 12 herzustellen. Die Segmente können dann mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden werden, sofern dies nicht bereits im Zuge der Applikation mittels Kleben erfolgt ist.
Auch das Sintern von metallbeschichteten Polymerkugeln, beispielsweise von geschäumtem Polystyrol, führt zu einer blasigen, porigen Struktur des metallischen oder legierten Materials 13, welche die gewünschten Eigenschaften zeigt.
Eine weitere denkbare Variante ist die Verwendung von APM (advanced pore morphology) Materialien insbesondere in Epoxidharz.
Nach dem Aushärten entsteht eine weitgehend geschlossenporige Struktur, welche sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit auszeichnet und dabei einen Elastizitätsmodul aufweist, der an die gewählte Position der Walze 2, 4 anpassbar ist.
Dadurch ist es möglich, die Kühlleistung für die Walze 2, 4 zu reduzieren. Im günstigsten Fall kann eine Kühlung gänzlich entfallen. Der Satinage-Effekt der Faserstoffbahn F verbessert sich durch die höhere Temperatur der weichen Walze 2, 4 deutlich.
Weiterhin zeichnen sich derartige geschäumte metallische oder legierte Materialien 13 durch hohe Stoßenergieabsorption und gute Druckfestigkeit aus. Dies führt zu ausgezeichneten Dämpfungseigenschaften, die vibrationshemmend wirken, ausgezeichneter mechanischer Stabilität und somit hoher Lebensdauer.
Die genannten Eigenschaftsprofile durch Verwendung des geschäumten metallischen oder legierten Materials sind dabei sowohl für innenliegende Schichten 12 als Baselayer zum Walzenkern 10 hin als auch für die Faserbahn F kontaktierende Funktionsschichten erzielbar.
Die Walze 2, 4 kann an einer Faserbahnkontaktseite eine Versiegelung 15 aufweisen. Diese sorgt für eine hohe Glätte der Faserbahnkontaktseite und entsprechende Möglichkeiten der Einsparung von Antriebsenergie, was insbesondere im Kalander eine Rolle spielt. Die Versiegelung 15 kann beispielsweise ein gefülltes Epoxidharz mit einer Stärke von 2 bis 10 mm sein. Um eine bessere Anbindung der Versiegelung 15 an den Walzenbezug 1 1 zu erreichen, kann der Übergang zwischen dem geschäumten metallischen Material 13 und der Versiegelung 15 auch fließend, als Gradient oder mittels einer Übergangsschicht ausgebildet werden. Dazu wird der aus dem geschäumten metallischen oder legierten Material 13 bestehende Walzenbezug 1 1 beispielsweise durch Schleifen oder Überdrehen bearbeitet. Dadurch wird ein Teil der oberflächennahen Poren geöffnet, wodurch das nicht ausgehärtete Epoxidharz in die geöffneten Poren eindringt. Durch eine entsprechende Wahl der Porendurchmesser nahe der Oberfläche, die Art der Oberflächenbehandlung und die Viskosität des flüssigen, noch nicht ausgehärteten Epoxidharzes kann die Eindringtiefe und damit die Dicke der Versiegelung 15 entsprechend den Produktanforderungen eingestellt werden. Die Einstellung der Viskosität kann dabei durch eine geeignete Temperaturführung oder durch die Zugabe von die Viskosität beeinflussenden Zusätzen erfolgen. Alternativ kann die Versiegelung 15 auch eine thermische Beschichtung mit einer Stärke von 0,05 bis 0,3 mm sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Walze (2, 4) zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Verarbeitung und/oder Veredelung einer Faserbahn (F) wie einer Papier- oder Kartonbahn, aufweisend einem Walzenkern (10) und einen darauf angeordneten Walzenbezug (1 1 ), welcher zumindest eine Schicht (12) oder mehrere Schichten (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) oder zumindest eine der Schichten (12) aus einem geschäumten metallischen oder legierten Material (13) gebildet ist.
2. Walze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte metallische oder legierte Material (13) im Wesentlichen geschlossenporig ausgebildet ist.
3. Walze (2, 4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschäumte metallische oder legierte Material (13) ausgewählt ist aus Bronze, Zink, Aluminium, Aluminiumlegierungen, insbesondere AISi, Zinklegierungen oder Mischungen daraus.
4. Walze (2, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem geschäumten metallischen oder legierten Material (13) Poren ausgebildet sind,
5. Walze (2, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren homogen oder annähernd homogen in dem Material (13) verteilt sind.
6. Walze (2, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren unter einem Gradienten in der zumindest einen Schicht (12) verteilt sind, wobei radial innen ein geringeres Porenvolumen pro Volumeneinheit und nach radial außen ein steigendes Porenvolumen pro Volumeneinheit vorhanden ist.
7. Walze (2, 4) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,1 bis 1 mm aufweisen.
8. Walze (2, 4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Materials (13) zwischen 2000 und 10000 MPa beträgt, bevorzugt ungefähr 5000 MPa.
9. Walze (2, 4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 3 bis 25 W/mK aufweist.
10. Walze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze (2, 4) an einer Faserbahnkontaktseite (14) eine Versiegelung (15) aufweist.
1 1 . Walze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung (15) ein gefülltes Epoxidharz in einer Stärke von 2 bis 10 mm oder eine thermische Beschichtung in einer Stärke von 0,05 bis 0,3 mm ist.
12. Verwendung einer Walze (2, 4) in einer Pressenpartie oder in einem Glättwerk oder Kalander zur Glättung oder Satinage einer Faserstoffbahn.
13. Verfahren zur Herstellung einer Walze (2, 4) zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Verarbeitung und/oder Veredelung einer Faserbahn wie einer Papier- oder Kartonbahn, wobei die Walze einem Walzenkern (10) und einen darauf angeordneten Walzenbezug (1 1 ) aufweist, welcher zumindest eine Schicht (12) oder mehrere Schichten (12) umfasst, wobei die zumindest eine Schicht (12) oder zumindest eine der Schichten (12) aus einem geschäumten metallischen Material (13) besteht, und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: i) Aufbringen einer ein Treibmittel enthaltenden Metallbahn auf den Walzenkern (10) zum Erzeugen zumindest einer Schicht (12), ii) Fixieren der Metallbahn auf dem Walzenkern (10) durch Pressen, Kaltwalzen oder Wickeln und Kleben, iii) Zuführen von Wärme von außen zum Erhitzen der das Treibmittel enthaltenden Schicht (12) bis in den Schmelzbereich und dadurch Aufschäumen des Materials der Schicht (12).
14. Verfahren zur Herstellung einer Walze (2, 4) zur Verwendung in einer Maschine zur Herstellung und/oder Verarbeitung und/oder Veredelung einer Faserbahn wie einer Papier- oder Kartonbahn, wobei die Walze einem Walzenkern (10) und einen darauf angeordneten Walzenbezug (1 1 ) aufweist, welcher zumindest eine Schicht (12) oder mehrere Schichten (12) umfasst, wobei die zumindest eine Schicht (12) oder zumindest eine der Schichten (12) aus einem geschäumten metallischen Material (13) besteht, und wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: i) Kaltverformen eines flächigen Halbzeuges auf den gewünschten Radius des Walzenkerns (10), ii) Aufschäumen durch Wärmeeinwirkung, iii) Applizieren der Halb- oder Teilschalensegmente am Walzenkern (10) mittels Klebeverfahren zur Herstellung zumindest einer Schicht (12), iv) Verbinden der Segmente mittels eines Schweiß- oder Klebeverfahrens.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Verfahrensschritt ein Versiegeln des Walzenbezuges (1 1 ) mit einer Versiegelung (15) vorgesehen ist, welcher folgende Teilschritte umfasst: i) Schleifen oder Überdrehen des Walzenbezuges (1 1 ) und dadurch Öffnen von oberflächennahen Poren des geschäumten metallischen Materials (13); ii) Aufbringen der Versiegelung (15) unter Einlaufen des die Versiegelung bildenden Materials in die geöffneten Poren.
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