EP3631023B1 - Verfahren zur oberflächenbehandlung eines stahlyankees - Google Patents

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EP3631023B1
EP3631023B1 EP18722893.7A EP18722893A EP3631023B1 EP 3631023 B1 EP3631023 B1 EP 3631023B1 EP 18722893 A EP18722893 A EP 18722893A EP 3631023 B1 EP3631023 B1 EP 3631023B1
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yankee
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yankee cylinder
steel
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    • D21F5/00—Dryer section of machines for making continuous webs of paper
    • D21F5/02—Drying on cylinders

Definitions

  • the subject of this invention is a method for treating a Yankee cylinder, the Yankee cylinder having a cylinder jacket made of steel with a ferritic-pearlitic structure.
  • Yankee cylinders usually have a very large diameter. They are heated from the inside with steam and are difficult to manufacture because very high requirements have to be met in terms of internal pressures, tightness and large diameters.
  • Yankee cylinders for example, have the following dimensions: Cylinder diameter: 2000 mm to 6500 mm Hollow shaft diameter: 1000 mm to 2500 mm Cylinder length: 3000 mm to 8500 mm Cylinder mass: 35 t to 180 t
  • a doctor blade rests on the outer circumferential surface of the Yankee cylinder, with which the dried fibrous web is scraped off the Yankee surface. If the doctor blade comes into contact with the cylinder surface, it cannot be ruled out that material will be removed from the Yankee surface. To reduce this material removal, it is common to use the Yankee surface to be coated with a hard material layer.
  • the EP 2 474 665 A1 describes, for example, a Yankee cylinder that is coated with a corresponding hard material layer.
  • Yankee cylinders made of steel have a higher drying performance than cast cylinders due to the better thermal conductivity of steel.
  • the main disadvantage of this thermally sprayed-on layer is its relatively low thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of a thermally sprayed layer is only in the range of 3 - 7 W / mK.
  • Opposite that points the steel jacket of the Yankee has a thermal conductivity of up to 45 W / mK.
  • the DE 10 2012 104 464 A1 describes a Yankee cylinder in which the surface is refined by laser treatment.
  • the aim of the invention is to provide a method for the surface treatment of a Yankee cylinder made of steel which results in a surface layer that is as hard as possible and has a high thermal conductivity.
  • the outer surface of the cylinder jacket is heat-treated with a laser beam and thus hardened.
  • the entire outer surface of the Yankee cylinder jacket is scanned by a laser beam, heated and thus hardened.
  • the surface of the Yankee cylinder is briefly heated by the laser beam to a temperature between 800 ° C and 900 ° C, after which the cooling of the austenitized layer remains below the lower critical cooling rate, so that the formation of martensite is prevented.
  • a steel yankee hardened according to the invention thus has a 7% higher heat transfer and enables a production increase of 5% compared to conventionally coated yankee cylinders made of steel.
  • the thickness of the hardened surface layer is between 0.3 and 1.5 mm.
  • P355NH (DIN EN 10028-3) is a good base material.
  • This fine-grain structural steel is characterized by a minimum yield strength of 275-460 MPa as well as good weldability and brittle fracture resistance.
  • hardnesses of up to 400 HB can be achieved if hardening takes place in a conventional way.
  • a maximum hardness of 320HB is aimed for, with excellent thermal conductivity in the range of 45 W / mK.
  • the hardness of cast cylinders is in the range of 230 - 280 HB.
  • a high-power diode laser or CO 2 laser is preferably used for the heat treatment, so that heating rates of> 1000 ° C / s can be achieved.
  • a pattern can also be created on the cylinder surface, which can facilitate the formation of a chemical coating film.
  • Various secondary tasks can be fulfilled with chemical coating (adherence of the fibrous web to the cylinder surface, detachment of the fibrous web at the end of the drying process, as well as influencing the properties of the tissue produced).
  • the laser beam can burn a large number of depressions evenly distributed over the jacket surface into the surface, so that a porous surface is thereby produced.
  • the surface of the Yankee cylinder is polished after the heat treatment. As a rule, it is no longer necessary to sand the surface.
  • the outer surface of the cylinder jacket is heat-treated with several laser beams at the same time.
  • the largely finished Yankee cylinder is preferably clamped horizontally with its stub axles so that it can rotate.
  • the jacket surface is heat-treated using one or more laser beams.
  • the Yankee is rotated slowly so that the laser beam sweeps over the entire circumference.
  • the processing time can be reduced by using multiple lasers.
  • the treatment can be carried out using high-power diode lasers, which generate a powerful, high-energy laser beam. This leads to a very rapid partial heating of the component (> 1000 ° C / s).
  • the Yankee is polished after the heat treatment, but it is also conceivable that polishing can be dispensed with.

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Description

  • Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee-Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge aufweist.
  • Für die Herstellung von Papierbahnen oder Tissue ist es üblich, sogenannte Yankee-Zylinder im Trocknungsprozess einzusetzen.
  • Yankee-Zylinder haben meistens einen sehr großen Durchmesser. Sie werden von innen her mit Dampf beheizt und sind schwer herstellbar, da sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die internen Drücke, Dichtheit und die großen Durchmesser erfüllt werden müssen.
  • Handelsübliche Yankee-Zylinder weisen beispielsweise folgende Dimensionen auf:
    Zylinderdurchmesser: 2000 mm bis 6500 mm
    Hohlwellendurchmesser: 1000 mm bis 2500 mm
    Zylinderlänge: 3000 mm bis 8500 mm
    Zylindermasse: 35 t bis 180 t
  • Beim Trocknungsprozess einer Faserstoffbahn liegt eine Schaberklinge an der äußeren Umfangsfläche des Yankee-Zylinders an, mit der die getrocknete Faserstoffbahn von der Yankee-Oberfläche abgeschabt wird. Durch einen eventuellen Kontakt der Schaberklinge mit der Zylinderoberfläche ist es nicht auszuschließen, dass es zum Materialabtrag der Yankee-Oberfläche kommt. Um diesen Materialabtrag zu reduzieren, ist es üblich, die Yankee-Oberfläche mit einer Hartstoffschicht zu beschichten. Die EP 2 474 665 A1 beschreibt beispielsweise einen Yankee-Zylinder, der mit einer entsprechenden Hartstoffschicht beschichtet ist.
  • Yankee-Zylinder wurden früher überwiegend aus Gusseisen hergestellt, aus dem U.S. Patent US 4,196,689 und der WO 2008/105005 A1 sind aber auch bereits Yankee-Zylinder aus Stahl bekannt.
  • Yankee-Zylinder aus Stahl weisen durch die bessere Wärmeleitfähigkeit des Stahls eine höhere Trocknungsleistung auf als Gusszylinder.
  • Da Stahl (Härte 140 HB) jedoch eine geringere Härte als Guss (Härte 240 HB) aufweist, werden Stahlyankees mit einem Verschleißschutz thermisch beschichtet. Dabei wird ein Draht geschmolzen und auf die Yankee-Oberfläche gespritzt, die dabei entstehende thermisch gespritzte Schicht weist eine erheblich höhere Härte als Stahl auf.
    Die aufgespritzten Schichten, haben eine Schichtdicke von ungefähr 0,75 mm.
    Diese Art der Oberflächenbehandlung ist jedoch recht aufwändig, da die Zylinderoberfläche vor der Beschichtung sandgestrahlt und nach der thermischen Beschichtung geschliffen und poliert werden muss. Es besteht auch ein Risiko des Abplatzens der Beschichtung.
  • Der Hauptnachteil dieser thermisch aufgespritzten Schicht liegt jedoch in ihrer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit einer thermisch gespritzten Schicht liegt nur im Bereich von 3 - 7 W/mK. Dem gegenüber weist der Stahlmantel des Yankees eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 45 W/mK auf.
    Die DE 10 2012 104 464 A1 beschreibt einen Yankeezylinder, bei dem die Oberfläche durch eine Laserbehandlung veredelt wird.
    Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für die Oberflächenbehandlung eines Yankee-Zylinders aus Stahl bereitzustellen, das eine möglichst harte Oberflächenschicht mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ergibt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
  • Erfindungsgemäß wird die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und so gehärtet.
    Dabei wird die gesamte äußere Oberfläche des Yankee-Zylindermantels durch einen Laserstrahl abgefahren, erhitzt und so gehärtet.
    Erfindungsgemäß wird die Oberfläche des Yankee-Zylinders durch den Laserstrahl kurzzeitig auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C erwärmt, wobei danach die Abkühlung der austenitisierten Schicht unter der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit bleibt, sodass die Bildung von Martensit unterbunden wird.
    Ein erfindungsmäßig gehärteter Stahlyankee hat dadurch einen 7% höheren Wärmetransfer und ermöglicht eine Produktionssteigerung um 5% gegenüber herkömmlich beschichteter Yankee-Zylinder aus Stahl.
  • Die Dicke der gehärteten Oberflächenschicht beträgt zwischen 0,3 und 1,5 mm.
  • Beim herkömmlichen Laserstrahlhärten handelt es sich um ein Umwandlungshärten, bei dem ferritisch-perlitischer Stahl sehr schnell (mit ca. 1.000 K/s) auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der sich die Gitterstruktur in einen feinen Austenit umwandelt. Die Zementitlamellen im Perlit lösen sich auf und der freigesetzte Kohlenstoff diffundiert in das Innere des Austenitkorns. Wenn sich der Laserstrahl fortbewegt, kühlt das Material infolge Selbstabschreckung schnell ab und die Gitterstruktur wandelt sich erneut. In einem konventionellen Verfahren zum Laserhärten unterdrückt die extrem schnelle Abkühlung die Diffusion des gleichmäßig im Austenit gelösten Kohlenstoffs. Damit wird die Bildung der ferritisch-perlitischen Mikrostruktur verhindert und es bildet sich der harte Martensit. Martensit ist zwar sehr hart, jedoch wäre die Bildung von Martensit auf der Yankee-Oberfläche nachteilig. Martensit begünstigt die Bildung von Mikrorissen, die die Lebensdauer des Stahlzylinders erheblich verkürzen können.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt es zu keiner Gefügeveränderung, sondern nur zu einer Umkörnung, wodurch eine Feinkornhärtung erfolgt. Das ferritisch-perlitische Gefüge bleibt erhalten und die Bildung von Martensit wird unterbunden. Die Abkühlung der austenitisierten Schicht muss dabei unter der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit bleiben. Bei der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit beginnt sich noch der Martensit zu bilden.
  • Es ist günstig, wenn als Basismaterial für den Zylindermantel Stähle aus ASME SA516, ASME SA36 sowie AD2000 W1 Stähle 2.1 bis 2.4. verwendet werden.
  • Beispielsweise eignet sich P355NH (DIN EN 10028-3) gut als Basismaterial.
    Dieser Feinkornbaustahl ist durch eine Mindeststreckgrenze von 275-460 MPa sowie durch eine gute Schweißbarkeit und Sprödbruchsicherheit gekennzeichnet. Durch die Laserstrahlhärtung lassen sich so Härten von bis zu 400 HB erreichen, wenn auf konventionellen Weg gehärtet wird. Bei diesem neuen Verfahren wird eine max. Härte von 320HB angestrebt, bei ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 45 W/mK.
    Die Härte von Gusszylinder liegt zum Vergleich im Bereich von 230 - 280 HB.
  • Für die Wärmebehandlung wird vorzugsweise ein Hochleistungs-Diodenlaser oder CO2-Laser verwendet, damit lassen sich Aufheizraten von > 1000°C/s realisieren.
  • Mit Hilfe des Laserstrahls kann auch ein Muster auf der Zylinderoberfläche erzeugt werden, durch das die Bildung eines Chemical Coating Films erleichtert werden kann. Mit dem Chemical Coating können verschiedene Nebenaufgaben erfüllt werden (Haften der Faserstoffbahn auf der Zylinderoberfläche, Ablösen der Faserstoffbahn am Ende des Trocknungsprozesses, sowie Beeinflussung der Eigenschaften des hergestellten Tissues). Beispielsweise können durch den Laserstrahl eine Vielzahl von über die Manteloberfläche gleichmäßig verteilte Vertiefungen in die Oberfläche eingebrannt werden, sodass dadurch eine poröse Oberfläche erzeugt wird.
  • Vorzugsweise wird die Oberfläche des Yankee-Zylinders nach der Wärmebehandlung poliert. Ein Schleifen der Oberfläche ist im Regelfall nicht mehr notwendig.
  • Zur Verkürzung der Behandlungsdauer ist es auch denkbar, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig wärmebehandelt wird.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielshaft beschrieben.
  • Der weitgehend fertig bearbeitete Yankee-Zylinder wird vorzugsweise horizontal mit seinen Achsstummeln drehbar eingespannt. Über einen oder mehrere Laserstrahlen wird die Mantel-Oberfläche wärmebehandelt. Dabei wird der Yankee langsam gedreht, sodass der Laserstrahl den gesamten Umfangsbereich überstreicht. Durch Verfahren des Lasers in axialer Richtung (parallel zur Yankee-Achse) kann die gesamte Zylindermanteloberfläche wärmebehandelt werden. Durch die Verwendung mehrerer Laser kann die Bearbeitungszeit verkürzt werden. Die Behandlung kann über Hochleistungsdiodenlaser erfolgen, die einen leistungsstarken, energiereichen Laserstrahl erzeugen. Dabei kommt es zu einer sehr schnellen partiellen Erwärmung des Bauteiles (> 1000°C/s). Danach kommt es zu einer Selbstabschreckung aufgrund von Wärmedissipation in das Bauteilinnere und an die Umgebung. Aufgrund dessen entsteht eine gehärtete Spur mit einer feinkörnigen Mikrostruktur. Ein Anlassen des Yankees kann dadurch auch entfallen.
  • Der Yankee wird nach der Wärmebehandlung noch poliert, es ist jedoch auch denkbar, dass auf ein Polieren verzichtet werden kann.
  • Es ist auch denkbar, dass der Yankee direkt an seinem Einsatzort im eingebauten Zustand wärmebehandelt wird. So können auch bereits verwendete Yankee-Zylinder nachträglich gehärtet werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders, wobei der Yankee-Zylinder einen Zylindermantel aus Stahl mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge aufweist, wobei die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit einem Laserstrahl wärmebehandelt und so gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch den Laserstrahl auf eine Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C erwärmt wird und die Abkühlung der austenitisierten Schicht unter der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit bleibt, sodass die Bildung von Martensit unterbunden wird, wobei das ferritisch-perlitische Gefüge erhalten bleibt.
  2. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahl für den Zylindermantel schweißbarer Feinkornbaustahl P355NH verwendet wird.
  3. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mit Hilfe eines Diodenlasers oder CO2-Lasers durchgeführt wird.
  4. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Laserstrahl eine Vielzahl von über die Manteloberfläche gleichmäßig verteilte Vertiefungen in die Oberfläche eingebrannt werden, sodass dadurch eine poröse Oberfläche erzeugt wird.
  5. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Yankee-Zylinders nach der Wärmebehandlung poliert wird.
  6. Verfahren zur Behandlung eines Yankee-Zylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des Zylindermantels mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig wärmebehandelt wird.
EP18722893.7A 2017-06-01 2018-03-22 Verfahren zur oberflächenbehandlung eines stahlyankees Active EP3631023B1 (de)

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