EP4650517A1

EP4650517A1 - Verfahren und vorrichtung zum auftragen eines auftragsmediums auf eine bewegte papier- oder kartonbahn

Info

Publication number: EP4650517A1
Application number: EP25173990.0A
Authority: EP
Inventors: Eduard Davydenko; Andreas Pesch
Original assignee: Andritz Kuesters GmbH
Current assignee: Andritz Kuesters GmbH
Priority date: 2024-05-14
Filing date: 2025-05-02
Publication date: 2025-11-19
Also published as: DE102024113445A1; US20250353030A1; CN120945725A

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Auftragen mindestens eines flüssigen oder pastösen Auftragsmediums mittels eines Freistrahlauftragswerks auf einen laufenden Untergrund, wobei der Untergrund bei direktem Auftrag die Oberfläche einer Papier-, Karton- oder anderen Faserstoffbahn und bei indirektem Auftrag die Oberfläche eines Übertragungselements, insbesondere eine Auftragswalze (4, 5), ist, die das Auftragsmedium an die Oberfläche der Faserstoffbahn (9) überträgt, insbesondere in einem Behandlungsnip (N), und das Freistrahlauftragswerk mindestens eine einen Auslaufspalt (B) zur Abgabe eines Mediumstrahls (2.1, 2.2) aufweisende Freistrahldüse (1.1, 1.2) aufweist, die den Mediumstrahl (2.1, 2.2) filmartig auf die Oberfläche des Untergrunds aufbringt und dort in einer Auftreffposition (12) eine gewünschte Breite einer Auftragsschicht erzielt, wobei eine Einrichtung zur Einstellung der Intensität des Strahlimpulses des Mediumstrahls (2.1, 2.2) in der Auftreffposition (12) angeordnet ist, wobei die Einrichtung als Positioniersystem für Lage- und Winkelverschiebungen (11, 13, 18) der Freistrahldüse (1.1, 1.2) gegenüber dem Untergrund ausgebildet ist, wobei eine Bezugsrichtung zur Beschreibung der momentanen Orts- und Winkellage der Freistrahldüse (1.1, 1.2) gegenüber der Auftreffposition (12) durch das Gravitationsfeld gegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen eines Auftragsmediums auf eine bewegte Papier- oder Kartonbahn mittels eines Freistrahlauftragswerks auf einen laufenden Untergrund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 15. Der Untergrund kann bei direktem Auftrag die Oberfläche einer Papier-, Karton- oder anderen Faserstoffbahn und bei indirektem Auftrag die Oberfläche eines Übertragungselements, insbesondere einer Auftragswalze, sein, die das Auftragsmedium an die Oberfläche der Faserstoffbahn überträgt. Die Auftragswalze bildet dazu mit einem Gegenelement einen Behandlungsnip. Das Auftragsmedium wird jeweils mittels Freistrahldüse kontaktlos auf den laufenden Untergrund aufgebracht zum Applizieren eines Auftragsmediums.
Die Altpapierfasern werden zunehmend bei der Herstellung von Verpackungspapieren und Karton sowie bei Spezialpapieren eingesetzt. So wird der Testliner in der EU überwiegend aus Altpapier und Füllstoffen hergestellt. Aufgrund eines hohen Anteils an Sekundärfasern nehmen die Festigkeitseigenschaften der Verpackungspapiere ab. Die Verwendung von Stärke bei der Papierherstellung kann den Verlust an Festigkeit kompensieren. Die Stärke wird gewöhnlich entweder direkt in die Faserstoffsuspension zugegeben oder auf die nasse Bahn in der Siebpartie aufgesprüht. Weiterhin kann die Stärke unmittelbar nach der Vortrockengruppe mit Hilfe berührender oder berührungsloser Auftragsverfahren auf die Papierbahn aufgetragen werden.
Als berührende Auftragsverfahren sind zum Beispiel Filmpressen aus DE 4131131 A1 bekannt. Die Stärke bzw. Leimsuspension wird mit Hilfe eines Dosierauftragswerkes auf eine Auftragswalze aufgetragen und mittels eines Rakels dosiert. Die Beschichtung der Papier- bzw. Kartonbahn erfolgt beidseitig in einem Pressspalt zwischen den Auftragswalzen. Die Temperatur der Stärke liegt üblicherweise zwischen 50 und 80 °C. Der typische Feststoffgehalt der Stärke liegt zwischen 8 und 15 % bei einem Auftragsgewicht von 0,2 bis 6 g/m² pro Seite. In einzelnen Fällen ist es mit einer Filmpresse dieser Bauart auch möglich, Streichfarbe bestehend aus Stärke und Pigmentpartikeln mit einem Feststoffgehalt bis zu 40 % auf die Papier- bzw. Kartonbahn aufzutragen. Die Linienkräfte zwischen den Auftragswalzen liegen üblicherweise zwischen 40 und 70 kN/m.
Berührungslose Verfahren zum Auftragen der Stärke, zum Beispiel Leimpressen (engl. pond size press) sind bekannt aus DE 34 17 487 A1 oder aus der Veröffentlichung Gullichsen, J., Paulapuro, H.: Papermaking Science and Technology, Book 11, Pigment Coating and Surface Sizing of Paper, Helsinki, 2000, S. 491. Aus EP 2 811 069 A1 und DE 20 2013 102 761 U1 sind Spray-Applikationsverfahren bekannt zum Applizieren einer Oberflächenleimmischung an die Oberfläche einer Faserbahn, die einen Nip zum Pressen der Oberflächenleimmischung an die Bahn durchläuft. Bei diesen Verfahren erfolgt die Dosierung der Auftragsmenge über eine Mengenregelung an den Auftragsdüsen selbst. Rakeleinrichtungen sind nicht erforderlich.
Die Filmpressen mit den Sprühdüsen haben den entscheidenden Nachteil, dass der maximale Feststoffgehalt der Stärke mit ca. 14 % limitiert ist. Insbesondere bei hohen Feststoffgehalten der Stärke kommt es zu Anhaftungen von Partikeln der Stärke in den Düsen. Das führt zu einer Streifenbildung und daraus resultierenden ungleichmäßigen Verteilung der Stärke über die Bahnbreite. Im schlimmsten Fall kommt es zu Verstopfungen in den Düsen und zu Unterbrechungen der Produktion.
Curtain Sizing ist ein weiteres berührungsloses Verfahren zum Auftragen von Stärke. Curtain Sizer sind beispielsweise bekannt aus WO 2020/020626 A1 , DE 10 2019 122 371 A1 , EP 3 617 403 A1 , AT 519598 A2 , EP 3 875 684 A1 und EP 4 283 039 A1 . Bei diesem Verfahren wird die Stärke auf rotierende Auftragswalzen direkt aufgetragen. Dafür wird ein Vorhangauftragswerk verwendet. Bei einem Vorhangauftragswerk ist die Düse in der oberen Position der Walze angeordnet. Nach dem Austritt aus der Düse bildet sich ein frei fallender Stärkevorhang, der durch die Wirkung der Schwerkraft stetig beschleunigt wird. Die Fallhöhe des Vorhangs zwischen Auslaufspalt und Auftreffzone auf der Auftragswalze beträgt üblicherweise 50 - 250 mm. Die Geschwindigkeit des Vorhangs im Auftreffpunkt der Auftreffzone ist daher wesentlich höher als die Austrittsgeschwindigkeit der Stärke im Auslaufspalt.
Kritisch für die Runnability bei den Vorhangbeschichtungsdüsen ist das Spritzen des Stärkevorhangs beim Auftreffen der Stärke auf der Walzenoberfläche. Wenn die Auftreffgeschwindigkeit des Vorhangs zu hoch ist, kann der Vorhang zurückprallen. Dieser Effekt tritt insbesondere bei niedrigen Viskositäten und bei hohen Volumenströmen auf. Die bewegte Oberfläche der Auftragswalze hat einen negativen Einfluss auf die Stabilität des Vorhangs. Die rotierende Walze erzeugt eine Luftgrenzschicht, die im Auftreffpunkt des Vorhangs wirkt. Dieser Effekt wird stärker bei höheren Geschwindigkeiten der Walze. Damit es nicht zum Aufreißen des Vorhangs kommt, ist eine Reduzierung der Lufteinflüsse erforderlich. Zur Kontrolle der störenden Luft wird ein Schaber als Luftsperre eingesetzt. Eine andere Möglichkeit ist die Entfernung der störenden Luft aus der Auftreffzone mit Hilfe einer Absaugvorrichtung.
Das Freistrahlauftragswerk mit einer Jet-Düse (engl. free jet applicator) wurde Anfang der 90er Jahre für die Beschichtung von Papier mit einer Streichfarbe entwickelt. Bei dem Freistrahlauftragswerk ist die Düse in einer unteren Position der Walze angeordnet. Der Abstand zwischen der Düsenlippe und der Auftragswalze liegt üblicherweise zwischen 5 und 20 mm. Beschrieben ist dies in Gullichsen, J., Paulapuro, H.: Papermaking Science and Technology, Book 11, Pigment Coating and Surface Sizing of Paper, Helsinki, 2000, S. 437. Dabei wird ein Freistrahl der Streichfarbe mit einer Düse erzeugt und das Papier direkt beschichtet. Der Strahl ist von unten nach oben gerichtet und ist in der Regel mit einem Winkel zur Tangente der Walzenauftrefffläche ausgerichtet. Dieser Winkel liegt im Bereich von 25-45°. Für die Wahl des Winkels sind mehrere Faktoren ausschlaggebend. Zum einen wird er in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Strahl und der Papierbahn, vom Massenstrom und von der Viskosität der Farbe so gewählt, dass sich keine Rückströmung (return flow) der Farbe in der Auftreffzone ausbildet. Zum anderen muss darauf geachtet werden, dass die störende Luft aus der Beschichtungszone entfernt und somit s.g. skip coating verhindert wird. Weiterhin darf der Strahl von der Walzenoberfläche nicht abprallen (reflection).
Ein Freistrahlauftragswerk kann aber auch zum Auftragen von Stärke auf die Auftragswalze verwendet werden, wie aus WO 2020/020626 A1 bekannt. Die Düse ist in einer unteren Position der Walze oder seitlich zur Walze angeordnet.
Der Auftreffwinkel muss optimal gewählt sein. Bei einem zu steilen Winkel besteht die Gefahr des Zurückspritzens der Stärke. Außerdem ist die Gefahr einer Fersenbildung sehr groß. Bei einem zu flachen Winkel ist die Impulskraft des Strahls nicht ausreichend, um störende Luft aus der Auftreffzone zu verdrängen. Luft zwischen Strahl und Walzenoberfläche behindert die Benetzung der Walze. Dadurch löst sich der Stärkefilm, durch Wirkung der Zentrifugalkräfte, wieder von der Walze ab. Die Beschichtung von Papier ist so nicht mehr möglich.
Ein Nachteil eines Freistrahlauftragswerkes mit einer Jet-Düse besteht hingegen darin, dass bei einem geringen Volumenstrom die Impulskraft des Strahls nicht ausreichend ist, um die störende Luftgrenzschicht aus der Auftreffzone zu verdrängen. Das ist der Fall bei Auftragsgewichten unter 2 g/m².
In FI 103354 B wird ein Jet-Coater beschrieben, der mit einer Führungsplatte ausgerüstet ist. Diese Führungsplatte ist vorgesehen, um die Düsenlippe vor Beschädigungen durch Bahnabrisse zu schützen und um den Auftragsbereich vor der Luftgrenzschicht zu schützen. Der Abstand der Führungsplatte zur Walzenoberfläche wird dabei so gewählt, dass er kleiner ist als der Abstand der Düsenspitze zur Walzenoberfläche. Die Führungsplatte ist dabei an der Oberlippe der Düse befestigt. Die Führungsplatte hat dabei immer einen Abstand zur Walzenoberfläche, da ansonsten die Papierbahn beschädigt werden würde. Die Abdichtung gegen Luft ist daher nicht vollständig.
Freistrahlauftragswerke sind aufgrund dieser Beschränkungen beim Einsatz von Stärke auf eine maximale Geschwindigkeit von 800 - 900 m/min begrenzt. Bei höheren Geschwindigkeiten ist der Strahlimpuls nicht groß genug, um die Luftgrenzschicht an der Aufpralllinie zu entfernen. Besonders Verpackungspapiere wie Testliner (TL) und Wellenstoff (Corrugated Medium, CM) werden gewöhnlich bei hohen Geschwindigkeiten produziert. Die Produktionsgeschwindigkeit von TL und CM liegt bei mindestens 800 m/min. Die Standardgeschwindigkeit liegt zwischen 1000 und 1500 m/min. An modernen Papiermaschinen für CM und TL werden Geschwindigkeiten von bis zu 1800 m/min erreicht.
Um Verdampfungsenergie einzusparen wird tendenziell versucht, den Feststoffgehalt zu erhöhen. Hierbei kann der Feststoffgehalt der Stärke von 10-13 % auf 14-18 % erhöht werden. Bei einer Erhöhung des Feststoffgehalts sinkt der spezifische Volumenstrom der Stärke im Strahl. Dadurch verringert sich die Strahlgeschwindigkeit in einem Freistrahlauftragswerk. Dabei sinkt die Impulskraft des Strahls und damit die Fähigkeit, störende Luft aus der Auftreffzone zu verdrängen. Das reduziert die maximale Geschwindigkeit, die erreicht werden kann, und steht im Gegensatz zu immer höher geforderten Maschinengeschwindigkeiten. Das könnte aber zum Teil mit einem kleineren Düsenspalt kompensiert werden. Für die Einstellung des Auslaufspalts sind die Impulskraft und die Partikelgröße in der Stärke ausschlaggebend. Zum einen wird der Spalt so klein wie möglich eingestellt, damit der Strahlimpuls groß genug ist, um die störende Luft aus der Auftreffzone zu verdrängen. Zum anderen muss allerdings darauf geachtet werden, dass der Spalt nicht zu klein gewählt wird, damit Stärkepartikel und die Feinstoffe im Auslaufspalt nicht haften bleiben.
Aus DE 100 12 344 A1 ist ein Vorhang-Auftragsverfahren zum Auftragen von flüssigem oder pastösem Auftragsmedium in Form eines Vorhangs auf einen laufenden Untergrund bekannt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Auftragsmediums aus der Abgabedüse beträgt zwischen etwa 0,02 m/s und etwa 6,30 m/s. Der genaue Verlauf des Auftragsmedium-Vorhangs von der Abgabedüse zum Untergrund weicht aufgrund verschiedener Effekte etwas von einem streng vertikalen Verlauf ab.
Als ein Effekt ist der sogenannte "Teekanneneffekt" zu nennen, der auf der Tatsache beruht, dass die Düsenlippen der Abgabedüse sich üblicherweise unterschiedlich weit in Abgaberichtung des Vorhangs erstrecken. Aufgrund von Adhäsionskräften zwischen dem Auftragsmedium und der längeren Düsenlippe kommt es zu einer Verformung des Auftragsmedium-Vorhangs. Dieser Verformung kann durch ein Verkippen der Abgabedüse um eine im Wesentlichen horizontal verlaufenden Achse entgegengewirkt werden. Dabei kann der Verkippungswinkel einen Wert von zwischen etwa 5° und 20° aufweisen. Um ferner den Eintrag von Luft zwischen die Materialbahn und die Auftragsschicht verhindern zu können, wird der Auftreffpunkt des Vorhangs bezogen auf die Laufrichtung des Untergrunds stromabwärts des Scheitelpunkts der Umfangsfläche der Walze angeordnet. Geschwindigkeiten der Materialbahn können sich zwischen etwa 500 m/min und 3000 m/min bewegen.
Insgesamt ist festzustellen, dass bei höheren Geschwindigkeiten der negative Einfluss der Luftgrenzschicht jedoch höher wird, was bisher noch nicht effektiv bekämpft werden konnte.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine kompakt aufgebaute Auftragsvorrichtung anzugeben, mit welchen der Einfluss der Luftgrenzschicht nachhaltig verringert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 15 gelöst.
Hierdurch werden ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, bei welchen die resultierende Impulskraft des Auftragsmediums in Form eines Strahls beim Aufprall auf die laufende Unterlage über eine durch Gravitation verursachte Strahlkrümmung verstärkt wird. Ein technologisch und wirtschaftlich effizientes Verfahren zum Auftragen von Stärke mit höheren Feststoffgehalten (zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften des Papiers bzw. des Kartons) bei hohen Geschwindigkeiten und niedrigen spezifischen Volumenströmen wird hierdurch geschaffen.
Es ist das Verdienst der Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannt zu haben, dass der Einfluss der Luftgrenzschicht schwächbar ist durch ein neues Auftragsverfahren und eine neue Auftragsvorrichtung, bei welchen der Strahlimpuls deutlich erhöht ist. Der größere Strahlimpuls wird genutzt, um die Luftgrenzschicht an der Aufpralllinie auch bei höheren Geschwindigkeiten zu entfernen. Die Düse wird so angeordnet, dass die Gravitationskraft unterstützend zum Strahlimpuls wirkt.
Dafür wird die Düse vorzugsweise in einer Position oberhalb der Walze angeordnet, und zwar mit einem größeren Abstand zur Walze positioniert, als das bei einem Freistrahlauftrag üblich wäre. Der Strahl hat dann die Form einer Parabel, er ist länger und kann 30-150 mm betragen. Jetzt addieren sich Gravitationskräfte zum Impuls des Strahls am Austrittspunkt der Düse. Dadurch erhöht sich der Gesamtimpuls des Strahls abhängig von der Wirkhöhe, bestimmt durch die senkrechte Höhendifferenz zwischen gewählten Bezugshorizontalen gezogen durch den Auslaufspalt der Freistrahldüse und die Auftrefflinie am laufenden Untergrund (Einfluss der Gravitationskraft).
Der Impuls des Strahls in der Auftreffposition wird ferner beeinflusst durch die Festlegung der Position des Strahls am Austrittspunkts der Düse stromaufwärts der Auftreffposition des Vorhangs bezogen auf die Laufrichtung des Untergrunds. Durch eine wählbare horizontale Lageverschiebung der Düse gegenüber der Auftreffposition wird neben der Anfangshöhe auch die Strahlauslenkung zur Senkrechten zur Beeinflussung des Strahlimpulses in der Auftreffposition einstellbar gestaltet. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Auftreffposition für verschiedene Betriebsbedingungen, beispielsweise unterschiedliche Laufgeschwindigkeiten des Untergrunds, positionsfest gegenüber dem Schaber für eine Luftsperre zu halten ist.
Eine schräge Anordnung der Düse in Verbindung mit der Wirkhöhe erzeugt einen parabolischen Strahl, der für die erfindungsgemäße Art von Beschichtung ein typisches Merkmal ist. Erfindungsgemäß hat das Freistrahlauftragswerk im Gegensatz zu einem Vorhangauftragswerk weiterhin den entscheidenden Vorteil, dass durch die winklige Ausrichtung des Strahls die resultierende Impulskraft beim Aufprall in Laufrichtung der Walze wirkt. Ein Zurückspritzen der Stärke kann verhindert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auftragen von Auftragsmedium mittels Freistrahldüse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auftragen von Auftragsmedium mittels Freistrahldüse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auftragen von Auftragsmedium mittels Freistrahldüse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auftragen von Auftragsmedium mittels Freistrahldüse gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 zeigt schematisch einen Teilbereich von Fig. 1 mit einem Positioniersystem für Lage- und Winkelverschiebungen einer Freistrahldüse gegenüber einem Untergrund in einem schwerkraftorientierten Bezugssystem,
Fig. 6 zeigt schematisch nach Fig. 5 die physikalischen Vorgänge in der Auftreffzone des parabolischen Strahls auf den laufenden Untergrund mit Impulskraft der Luftgrenzschicht (Staudruck S) und Impulskraft des Strahls senkrecht zum Untergrund (stabilisierende Impulskraft Fy"),
Fig. 7 zeigt Strahlkonturen für unterschiedliche Betriebspunkte abhängig von der Geschwindigkeit (m/min) des Untergrunds und dem spezifischen Volumenstrom (l/min×m) an Auftragsmedium,
Fig. 8 zeigt schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auftragen von Auftragsmedium mittels Freistrahldüse gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel mit zusätzlicher Blasdüse.

Wie Fig. 1 zeigt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auftragen eines Auftragsmediums auf eine bewegte Papier- oder Kartonbahn 9 mittels eines Auftragswerkes mit mindestens einer einen Auslaufspalt B aufweisenden Freistrahldüse 1.1, 1.2 zum Aufbringen des Auftragsmediums in Form eines maschinenbreiten, filmartigen Strahls 2.1, 2.2 auf einen laufenden Untergrund. Der laufende Untergrund ist hier vorzugsweise mindestens eine Auftragswalze 4, 5. In einem Behandlungsspalt N, der von der mindestens einen Auftragswalze 4, 5 mit einem Gegenelement, das vorzugsweise ebenfalls eine Auftragswalze 4, 5 ist, gebildet wird, wird das Auftragsmedium auf die Papier- oder Kartonbahn 9, insbesondere auf die Oberfläche der Papier- und Kartonbahn 9, übertragen.
Das Auftragsmedium wird hier beispielsweise beidseitig mit zwei Düsen 1.1, 1.2 zuerst auf die umlaufenden Auftragswalzen 4, 5 aufgetragen. Jede der Düsen 1.1, 1.2 ist zur jeweiligen Auftragswalze 4, 5 so positioniert, dass ein Winkel α für die Auftreffposition 12 der Beschichtung auf der Auftragswalze 4, 5 zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 15° und 45° zur Senkrechten liegt. Der Winkel α ist angegeben gegenüber dem Rotationszentrum der jeweiligen Auftragswalze 5.
Dem Auftragswerk ist ferner vorzugsweise ein Luftsperrschaber 3.1, 3.2, d.h. eine Einrichtung zur Bekämpfung der vom Untergrund mitgeführten Luftgrenzschicht, zugeordnet. Ohne diese Bekämpfungseinrichtung würde aufgrund des Einflusses der Luftgrenzschicht die Stabilität des Strahls 2.1, 2.2 und die Beschichtungsqualität beeinträchtigt, wie vorstehend bereits ausgeführt. Jeder der Düsen 1.1, 1.2 ist ein solcher Luftsperrschaber 3.1, 3.2 vorzugsweise zugeordnet, um die mit der schnelllaufenden jeweiligen Auftragswalze 4, 5 eingetragenen Luftgrenzschichten zumindest zu minimieren. Die Luftsperrschaber 3.1, 3.2 können unter Druck an der Walze 4, 5 (und damit an der Walzenoberfläche) anliegen, um besonders effektiv zu arbeiten. Ein berührungsloses Arbeiten der Schaber 3.1, 3.2 zur Vermeidung von Verschleiß verringert die Wirkung der Luftgrenzschichtentferner, kann jedoch insbesondere in Verbindung mit anderen Einrichtungen zur Bekämpfung der vom Untergrund mitgeführten Luftgrenzschicht vorgesehen sein. Es kann auch eine Luftgrenzschichtabsaugung ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, wie nachfolgend noch beschrieben ist.
Zur Reduzierung der Luftgrenzschicht, die zum Auftragswerk gelangen und dort das Auftragsergebnis negativ beeinträchtigen kann, ist der jeweilige Luftsperrschaber 3.1, 3.2 vorzugsweise in einem Abstand von 1 bis 100 mm, besonders vorzugsweise von 10 bis 30 mm von der Freistrahldüse 1.1, 1.2 entfernt, d.h. in Umlaufrichtung dem Untergrund, hier der Auftragswalze 4, 5, vorgeordnet. Dieser Abstand ist einstellbar und wird erfindungsgemäß als Abstand L vom Schaber 3.1, 3.2 zur Auftreffposition 12 des Strahls 2.1, 2.2 auf der Auftragswalze 4, 5 definiert (vgl. Fig. 5). In Fig. 5 ist die Richtung der störenden Luftströmung durch den Pfeil 15 und die Maschinenlaufrichtung des laufenden Untergrunds, hier der Auftragswalze 5, durch den Pfeil 14 angezeigt.
Wie Fig. 1 in Zusammenschau mit Fig. 5 zeigt, ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die jeweilige Freistrahldüse 1.2 zum laufenden Untergrund, hier die Auftragswalze 5, derart schräg positioniert wird, dass ein Winkel φ zur Senkrechten einer Auftrefflinie A der Beschichtung auf den laufenden Untergrund zwischen 5° und 85°, vorzugsweise 30° und 70°, liegt, und die Intensität des Strahlimpulses an der Auftrefflinie A durch eine durch Gravitation verursachte Fallbeschleunigung des Strahls 2.2 durch eine einstellbare Wirkhöhe bzw. Abstand H von dem Auslaufspalt B der Freistrahldüse 1.2 verstärkt wird, wobei eine Nutzung einer Strahlkrümmung des jeweiligen Strahls 2.2 auf einer Streckenlänge über den Winkel φ modulierbar ist.
Die Streckenlänge ist dabei vorzugsweise die geometrische Distanz zwischen den Messpunkten Auslaufspalt B und Auftreffline A der Auftreffposition 12. Die Wirkhöhe H ist vorzugsweise eine senkrechte Höhendifferenz zwischen Bezugshorizontalen, von denen die eine den Auslaufspalt B bzw. die Mündung der Freistrahldüse 1.2 und die andere die Auftrefflinie A an der Oberfläche des Untergrunds schneidet. Die Wirkhöhe H ist dann der Abstand H, wie in Fig. 5 dargestellt.
Zur Einstellung einer wählbaren Strahlkrümmung auf einer Streckenlänge des Mediumstrahls 2.2 kann eine Einrichtung als Positioniersystem für Lageverschiebungen 11, 13 und Winkelverstellungen 18 der Freistrahldüse 1.2 zur Höhenverstellung mittels Abstand H und Längsverstellung mittels Abstand D der Freistrahldüse 1.2 in Laufrichtung 14, insbesondere der Walzendrehrichtung, gegenüber dem Untergrund, insbesondere der Auftragswalze 5, vorgesehen sein, das in einem schwerkraftorientierten Bezugssystem ausgeführt ist, wie nachstehend noch beschrieben ist.
Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Funktionsprinzip wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 wie folgt weiter erläutert. Die Düse 1.2 wird vorzugsweise in der oberen Position zur Auftragswalze 5 positioniert. Der Strahl 2.2 wird dabei von oben nach unten gerichtet. Dadurch wird eine zusätzliche Komponente des Strahlimpulses durch die Wirkung der Schwerkraft erzeugt. Die Wirkung der Schwerkraft ist durch den mit Gravitation bezeichneten Pfeil angezeigt. Der Winkel φ zur Senkrechten, der die Auftreffposition 12 der Beschichtung auf der Auftragswalze definiert, beträgt in diesem Beispiel (gemäß Fig. 5) ca. 30° bis 46°.
Die Höhe, angegeben als Abstand H, ist eine Strecke, die vom Auslaufspalt B der Düse 1.2 zur Auftragswalze 5 an den spezifischen Volumenstrom eines Auftragsmediums angepasst werden kann. Durch eine höhere Position der Düse 1.2 wird ein größerer Strahlimpuls erzeugt. Dieser wird genutzt, um die Luftgrenzschicht an der Auftrefflinie A auch bei höheren Geschwindigkeiten zu entfernen.
Dabei kann das Verhältnis eines Strahlauftreffwinkels β zu einem Strahlaustrittswinkel γ einen Betrag β / γ = 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 3 aufweisen. Der Strahlauftreffwinkel β liegt zwischen der Tangente 16 zur Auftragswalze 5 an der Auftrefflinie A und der Tangente 19 des Strahls 2.2 im Schnittpunkt der Auftrefflinie A. Der Strahlaustrittswinkel γ liegt zwischen der Tangente 16 zur Auftragswalze 5 an der Auftrefflinie A und der Mittellinie 17 des Strahls 2.2 im Auslaufspalt B der Düse 1.2.
Der Strahlaustrittswinkel γ beträgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 beispielsweise 35°, der Strahlauftreffwinkel β beträgt beispielsweise 58°, so dass das Verhältnis β / γ ≈ 1,7 ist. Durch die winklige Ausrichtung des Strahls 2.2, bedingt durch die Modulation des Winkels φ, wirkt die resultierende Impulskraft beim Aufprall in Laufrichtung der Walze. Neben der Erhöhung der Impulskraft kann somit ein Zurückspritzen des Auftragsmediums, insbesondere der Stärke, verhindert werden.
Der Strahlaustrittswinkel γ kann über die Winkelposition φ der Düse 1.2 eingestellt werden. Die Winkelverstellung der Düse 1.2 kann dabei manuell oder motorisch erfolgen. Der Strahlauftreffwinkel β kann beispielsweise mit Hilfe einer Kamera und digitaler Bildverarbeitung ermittelt werden. Diese Daten können dann wiederum zur automatischen Einstellung des Strahlaustrittswinkels γ verwendet werden.
Das Verhältnis der Abstände Höhenverstellung/Längsverstellung (H/D) charakterisiert den Unterschied zwischen einem Jet-Applicator mit Freistrahldüse und einem Vorhangauftragswerk. Während beim Vorhangauftragswerk das Verhältnis sehr groß ist und im Normalfall gegen ∞ geht - da der Auftreffpunkt des Vorhangs auf der Walze vertikal unterhalb des Austrittspunktes aus der Düse liegt -, ist dieser beim Jet-Applicator relativ klein und liegt vorzugsweise unterhalb von 3.
Typische Werte für gängige Betriebspunkte und handelsübliche Stärke liegen zwischen einem Wert von 1 und 2.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann folglich derart ausgebildet sein, dass eine Strahlkrümmung auf einer Streckenlänge bestimmt wird durch einen Strahlaustrittswinkel γ zwischen einem austretenden Strahl 2.1, 2.2 am Auslaufspalt B der Freistrahldüse 1.1, 1.2 und der Tangente 16 an der mindestens einen Auftragswalze 4, 5 zur Auftrefflinie A und einem Strahlauftreffwinkel β zwischen der Tangente 19 eines auf die Auftragswalze 4, 5 auftreffenden Strahls 2.1, 2.2 und der Tangente 16 an der Auftragswalze 4, 5 an der Auftrefflinie A.
Das Verhältnis des Strahlauftreffwinkels β zum Strahlaustrittswinkel γ aus der Düse1.1, 1.2 kann im Bereich zwischen β / γ = 1 und 6, vorzugsweise zwischen β / γ = 1 und 3 gewählt werden, um die Intensität des Strahlimpulses an der Auftrefflinie A an spezifische Volumenströme des Auftragsmediums anzupassen. Der Strahlauftreffwinkel β kann als Funktion der Bahngeschwindigkeit, Viskosität / Feststoffgehalt, Volumenstrom des Auftragsmediums eingestellt werden. Der Strahlauftreffwinkel β kann im Bereich zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 60°, und besonders bevorzugt zwischen 20° und 40° gewählt werden. Der Strahlaustrittswinkel γ aus der Düse 1.1, 1.2 kann im Bereich zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 45°, und besonders bevorzugt zwischen 15° und 35° gewählt werden. Der Winkel α kann im Bereich zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 15° und 45° gewählt werden.
Das Auftragsmedium kann Stärke, Leim oder Streichfarbe sein.
Der Abstand H vom Auslaufspalt B der Düse 1.1, 1.2 zum Untergrund, insbesondere zur Auftragswalze 4, 5, und der Strahlaustrittswinkel γ können derart gewählt werden, dass die Wirkhöhe H zwischen 10 mm und 300 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 150 mm, und besonders bevorzugt zwischen 25 mm und 100 mm beträgt.
Eine Vorrichtung 3.1, 3.2 zur Luftgrenzschichtentfernung kann der Auftrefflinie A des Strahls 2.1, 2.2 auf dem Untergrund vorgeordnet sein, insbesondere der Auftragswalze 4, 5, mit einem Abstand L von 1 bis 100 mm, vorzugsweise 10 bis 30 mm. Die Papier- oder Kartonbahngeschwindigkeit kann zwischen 250 m/min und 2000 m/min, vorzugsweise zwischen 600 m/min und 1800 m/min liegen. Der Auslaufspalt B der Düse 1.1, 1.2 kann 100 - 500 µm betragen. Das Auftragsgewicht des Auftragsmediums kann im Bereich zwischen 0,2 - 15 g/m² pro Seite der Papier- oder Kartonbahn liegen. Als Auftragsmedium kann Stärke gewählt werden, die mit einem Feststoffgehalt zwischen 6 % und 35 %, vorzugsweise zwischen 15 % und 35 %, und besonders bevorzugt zwischen 10 % und 25 %, und einer Viskosität zwischen 20 mPa*s und 200 mPa*s aufgetragen werden kann.
Die Temperaturen der Stärke können zwischen 50°C und 110°C, vorzugsweise zwischen 60°C und 100°C liegen. Die Temperatur eines Auftragsmediums, insbesondere einer Streichfarbe oder Pigmentfarbe, kann 25-45°C betragen. Die Papier- oder Kartonbahn kann nach oben oder nach unten verlaufend beschichtet werden.
Der laufende Untergrund kann bei einem direkten Auftrag die Oberfläche einer Papier-, Karton- oder anderen Faserstoffbahn und bei indirektem Auftrag die Oberfläche eines Übertragungselements sein, das in einem Behandlungsspalt das Auftragsmedium an die Oberfläche der Faserstoffbahn überträgt. Die vorstehenden Ausführungen zum indirekten Auftrag mittels Auftragswalze 4, 5 gelten somit in gleicher Weise für einen direkten Auftrag von Auftragsmedium auf die Faserstoffbahn. Der Auftrag mit Auftragsmedium kann zudem ein- oder beidseitig erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Auftragen mindestens eines flüssigen oder pastösen Auftragsmediums mittels eines Freistrahlauftragswerks auf einen laufenden Untergrund ist derart ausgebildet, dass der Untergrund bei direktem Auftrag die Oberfläche einer Papier-, Karton- oder anderen Faserstoffbahn und bei indirektem Auftrag die Oberfläche eines Übertragungselements, insbesondere eine Auftragswalze 4, 5, ist, die das Auftragsmedium an die Oberfläche der Faserstoffbahn überträgt, insbesondere in einem Behandlungsnip N. Das Freistrahlauftragswerk weist mindestens eine einen Auslaufspalt B zur Abgabe eines Mediumstrahls 2.1, 2.2 aufweisende Freistrahldüse 1.1, 1.2 auf, die den Mediumstrahl 2.1, 2.2 filmartig auf die Oberfläche des Untergrunds aufbringt und dort in einer Auftreffposition 12 eine gewünschte Breite (in Maschinenquerrichtung) einer Auftragsschicht erzielt. Eine Einrichtung zur Einstellung der Intensität des Strahlimpulses des Mediumstrahls in der Auftreffposition 12 ist angeordnet, wobei die Einrichtung als Positioniersystem für Lage- und Winkelverschiebungen 11, 13, 18 der Freistrahldüse 1.1, 1.2 gegenüber dem Untergrund ausgebildet ist, wobei eine Bezugsrichtung zur Beschreibung der momentanen Orts- und Winkellage der Freistrahldüse 1.1, 1.2 gegenüber der Auftreffposition 12 durch das Gravitationsfeld gegeben ist.
Zur Einstellung einer wählbaren Strahlkrümmung auf einer Streckenlänge des Mediumstrahls 2.1, 2.2 kann das Positioniersystem für Lage- und Winkelverschiebungen der Freistrahldüse eine Höhen- und/oder Längsverstellung der Freistrahldüse 1.1, 1.2 in Richtung 14 der Maschinenlaufrichtung gegenüber dem Untergrund in einem schwerkraftorientierten Bezugssystem ausgeführt sein.
Das schwerkraftorientierte Bezugssystem kann mit Systemen räumlicher kartesischer Koordinaten X,Y,Z ausgebildet sein, von denen ein Ursprung für die Winkelverschiebung φ in einer Mündung des Auslaufspalts B der Freistrahldüse 1.1, 1.2 und ein anderer Ursprung für die Lageverschiebung in der Auftreffposition 12 und dortiger Auftrefflinie A auf der Oberfläche des Untergrunds liegen kann. Die jeweilige X-Achse kann so gerichtet sein, dass ein Rechtssystem oder Linkssystem gebildet ist und die Lotrichtung durch die schwerefeldbezogene örtliche Lotrichtung festgelegt ist. Die Freistrahldüse 1.1, 1.2 kann gegenüber der schwerefeldbezogenen örtlichen Lotrichtung um einen Winkel φ schräg gestellt angeordnet sein, der in einem Bereich von vorzugsweise 30° bis 70° liegt. Durch die Positionierung der Freistrahldüse 1.1. 1.2 kann die Impulskraft des Strahls 2.1, 2.2 in der Auftreffposition 12 abhängig von den Beschichtungsparametern größer gewählt sein als eine Impulskraft auf der Rückseite der Strahloberfläche aufgrund eines Staudrucks durch eine Luftgrenzschicht auf dem laufenden Untergrund.
Fig. 7 zeigt für unterschiedliche Papier- oder Kartonbahngeschwindigkeiten in Verbindung mit unterschiedlichen Volumenströmen Betriebsfenster für die Positionierung der Freistrahldüse 1.1, 1.2 gemäß Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 5 bezüglich der Positionierung des Auslaufspalts B im System x', y', um die Strahlkrümmung des Strahls 2.1, 2.2 in Bezug auf die Auftrefflinie A einzustellen.
Fig. 1 zeigt zur Reinigung der Auftragswalzen 4, 5 vorzugsweise vorgesehene Spritzwasser- bzw. Wasserdampfdüsen 8.1, 8.2 und Schaber 7,1, 7.2 mit zugehöriger Auffangwanne 6.1, 6.2.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gegenüber Fig.1 ist hier der Luftsperrschaber 3.1, 3.2 direkt an der Düse 1.1, 1.2 befestigt. Hier dargestellt ist die Ausführungsform beispielsweise mit einem DST-Schaber zum An- und Abheben der Schaberklinge. Vorteilhaft ist hier ein gleichmäßiger und feinfühlig einstellbarer Anpressdruck. Es sind aber auch andere Ausführungen des Schabers denkbar.
Die Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Gegenüber Fig. 1 ist hier anstelle des Luftsperrschabers eine Luftgrenzschichtentfernung 3.1, 3.2 vorgesehen. Diese kann zum Beispiel eine Luftgrenzschichtabsaugung oder ein sogenannter Luftschaber sein.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Gegenüber Fig.1 ist hier die Papierlaufrichtung entgegengesetzt.
Die physikalischen Vorgänge in der Auftreffposition 12 des Strahls 2.1, 2.2 auf der Walze 4, 5 werden anhand der Fig. 6 in Zusammenschau mit Fig. 5 und Fig. 1 näher erläutert.
Durch die Bewegung des Untergrunds, insbesondere der Walze 4, 5, entsteht eine Luftgrenzschicht, die von hinten in den Strahl 2.1, 2.2 einläuft und dort einen Staudruck verursacht. Den Staudruck kann man auch als Impulskraft der Luftgrenzschicht darstellen. Diese Impulskraft stört den Beschichtungsprozess. Dabei drückt die Komponente S_┴ dieser Impulskraft auf die Rückseite der Strahloberfläche. Das kann zum Abheben des Strahls von der Walze 4, 5 führen, so dass sich der Stärkefilm wieder von der Walze 4, 5 ablösen kann. Die Luft dringt dann zwischen Walzenoberfläche und Auftragsfilm und behindert die Benetzung der Walze 4, 5.
Dagegen wirkt eine stabilisierende Kraft, die Impulskraft des Strahls 2.1, 2.2. Die Komponente F_y" dieser Kraft drückt den Strahl 2.1, 2.2 auf die Walze 4, 5 im Auftreffpunkt der Auftrefflinie A und wirkt gegen das Abheben des Stärkefilms von der Walzenoberfläche. Die Impulskraft F_y" wirkt senkrecht zur Walzenoberfläche.
Der Strahlimpuls F und die Komponente F_y" können mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen berechnet werden, die aus der Veröffentlichung Guyon, E., Hulin, J.-P. and Petit, L.: Hydrodynamik, 1997, Braunschweig/Wiesbaden, S. 188, bekannt sind: $F = ρ_{f} {U_{f}}^{2} h$ $F_{y "} = F \sin β$

Fx": Komponente der Impulskraft F des Strahls 2.2 in x"-Richtung (Fig. 6), N
Fy": Komponente der Impulskraft F des Strahls 2.2 senkrecht zur Oberfläche der Auftragswalze 5 (Fig. 6), N
ρf: Dichte des Auftragsmediums, kg/m³
Uf: Geschwindigkeit des Strahls 2.2 des Auftragsmediums im Auftreffpunkt der Auftrefflinie A, m/s
h: Strahldicke im Auftreffpunkt der Auftrefflinie A auf der Auftragswalze 5, µm

Die Strahldicke h (Fig. 6) im Auftreffpunkt der Auftrefflinie A kann aus dem Massenerhaltungssatz berechnet werden und ist gleich: $h = \frac{U_{fo}}{U_{f}} h_{o}$

ho: Strahldicke im Austrittspunkt aus der Düse 1.2 (am Auslaufspalt), µm
Ufo: Geschwindigkeit des Strahls im Austrittspunkt aus der Düse 1.2, m/s

Die Strahlgeschwindigkeit U_f im Auftreffpunkt: $U_{f} = \sqrt{U_{fx}^{2} + U_{fy}^{2}}$
U_fx und U_fy sind die Komponenten der Strahlgeschwindigkeit in x- und y-Richtungen im Auftreffpunkt.
Die Komponente U_fx der Strahlgeschwindigkeit in x-Richtung: $U_{fx} = U_{fo} \cos (90 ° - φ) = U_{fo} sinφ$

φ: Winkel für die Position der Düse 1.2 gemäß der Fig. 5

Die Komponente U_fy der Strahlgeschwindigkeit in y-Richtung im Auftreffpunkt: $U_{fy} = \sqrt{U_{fo}^{2} \sin^{2} (90 ° - φ) + 2 {gy}_{a}} = \sqrt{U_{fo}^{2} \cos^{2} φ + 2 {gy}_{a}}$
Die Koordinaten x_a und y_a des Auftreffpunktes des Strahls 2.2 auf der Auftragswalze 5 gemäß der Fig. 5 werden durch die Lösung der Gleichungen (7) und (8) bestimmt:
Gleichung für die Kontur der Walzenoberfläche: $y = \sqrt{r^{2} - {(x - x_{o})}^{2}} + y_{o}$
Gleichung für die Strahlkontur bzw. für die Wurfparabel: $y = x \tan (90 ° - φ) - \frac{x^{2} g}{2 U_{fo}^{2} \cos^{2} (90 ° - φ)} = xcotφ - \frac{x^{2} g}{2 U_{fo}^{2} \sin^{2} φ}$
In den Gleichungen (7) und (8) muss man die Koordinaten des Auftreffpunktes des Strahls 2.2 auf der Auftragswalze x=x_a und y=y_a einsetzen.
Die Absolutbeträge für x_a und y_a entsprechen gemäß der Fig. 5 der Wirkhöhe H und dem horizontalen Abstand D: $|x_{a}| = D$ $|y_{a}| = H$

xo und yo: Koordinaten des Walzenmittelpunktes gemäß der Fig. 1
r: Radius der Auftragswalze 4, 5.

Der Strahlauftreffwinkel β kann mit Hilfe der Gleichungen für die Tangenten 16, 19 für die Kontur der Walzenoberfläche und für die Strahlkontur bestimmt werden, die aus der Differenzierung der Gleichungen (7) und (8) nach x hergeleitet werden.
Gleichung für die Tangente 19 der Strahlkontur: $y = (\tan (90 ° - φ) - \frac{x_{a} g}{U_{fo}^{2} \cos^{2} (90 ° - φ)}) \cdot (x - x_{a}) + y_{a} = (cotφ - \frac{x_{a} g}{U_{fo}^{2} \sin^{2} φ}) \cdot (x - x_{a}) + y_{a}$
Gleichung für die Tangente 16 zur Walzenoberfläche: $y = - \frac{x_{a} - x_{o}}{\sqrt{r^{2} - {(x_{a} - x_{o})}^{2}}} \cdot (x - x_{a}) + y_{a}$
Winkel β₁ zwischen der Strahltangente 19 und der x-Achse im Auftreffpunkt der Auftrefflinie A: $\tan β_{1} = \tan (90 ° - φ) - \frac{x_{a} g}{U_{fo}^{2} \cos^{2} (90 ° - φ)} = \cot φ - \frac{x_{a} g}{U_{fo}^{2} \sin^{2} φ}$
Winkel β₂ zwischen der Tangente 16 zur Walzenoberfläche und der x-Achse im Auftreffpunkt: $\tan β_{2} = - \frac{x_{a} - x_{o}}{\sqrt{r^{2} - {(x_{a} - x_{o})}^{2}}}$
Sind die Winkel β₁ und β₂ bekannt, kann der Strahlauftreffwinkel β berechnet werden: $β = β_{1} - β_{2}$
Für die Berechnung der Komponente der Impulskraft der störenden Luftströmung S_┴ kann die nachfolgende Formel verwendet werden: $S_{⊥} = ρ_{a} q U_{a} \frac{1 + \cos β}{\sin β}$

S┴: Komponente der Impulskraft der störenden Luftströmung senkrecht zum Strahl 2.2, N
ρa: Dichte der Luft, kg/m³
q: spezifischer Volumenstrom der störenden Luftströmung, m³/(m*s)
Ua: mittlere Geschwindigkeit der störenden Luftströmung, m/s

Diese Gleichung ist aus der Veröffentlichung Eklund, D.E.: Influence of blade geometry and blade pressure on the appearance of coated surface. Tappi Journal, May (1984), pp. 66-70, Gleichung (1) bekannt.
Der spezifische Volumenstrom der Luft in der Grenzschicht kann nach Sakiadis berechnet werden, wie nachfolgend beschrieben.
Quelle: Sakiadis, B.C.: Part II. The Boundary Layer on a Continuous Flat Surface. AlChE Journal, Vol. 7 (1961), no. 2, p. 221-225
Dicke der Luftgrenzschicht δ (m): $δ = \sqrt{\frac{4}{0.183}} \sqrt{\frac{ν x "}{U_{s}}}$

Us: Geschwindigkeit der Auftragswalze, m/s
v: kinematische Viskosität der Luft, m²/s

Der spezifische Volumenstrom der störenden Luftströmung q ergibt sich aus der Integration der Geschwindigkeitsverteilung u(y") über die Dicke der Luftgrenzschicht y" und kann mit Hilfe der Gleichung (16) berechnet werden: $\frac{q}{U_{s}} = δ - δ^{2} + \frac{1}{2} δ^{4} - \frac{1}{5} δ^{5}$
x" und y" sind die Koordinaten gemäß der Fig. 6.
Im Auftreffpunkt des Strahls 2.2 auf der Walze 5 ist x"=L.
Die mittlere Geschwindigkeit der störenden Luftströmung U_a kann durch die Integration der Gleichung (25) in der Veröffentlichung Sakiadis, B.C. (1961) berechnet werden: $\frac{U_{a}}{U_{s}} = \int_{0}^{1} erfc (\frac{η}{2}) dη$
Je größer die Strahlgeschwindigkeit ist, desto größer ist die stabilisierende Komponente F_y" der Impulskraft des Strahls 2.2. Bei steigender Geschwindigkeit der Walze 5 steigt die Geschwindigkeit der störenden Luftströmung und damit auch die störende Komponente S_┴.
Damit die störende Luft aus der Beschichtungszone verdrängt wird, sollte die Kraft F_y" größer sein als S_┴. Auf der anderen Seite darf das Verhältnis F_y" / S_┴ nicht zu groß sein, damit der Strahl nicht von der Walzenoberfläche abprallt. Für eine gute Beschichtung muss das Verhältnis F_y" / S_┴ in einem optimalen Bereich liegen. Dieser Bereich muss für jede Anlagenkonfiguration neu bestimmt werden, da zum Strahlimpuls auch Adhäsionskräfte wirksam sind, die abhängig von z.B. dem Walzenbelag oder der Stärkeart unterschiedliche Werte annehmen können. Dazu müssen für die vorliegende Konfiguration für die untere und obere Grenze Referenzpunkte ermittelt werden. Sind diese bekannt, kann man daraus das gültige Verhältnis von F_y" / S_┴ ableiten. Die Formeln ermöglichen dann eine Vorhersage, in welchen Bereichen die Anlage betrieben werden muss.
Die Bedeutung des Verhältnisses F_y" / S_┴ wird anhand der Tabelle 1 erläutert. Beispielhaft sind die typischen Beschichtungsparameter für die Produktion von CM hier angegeben. Bei der Einstellung Nr. 1 wird CM mit 160 g/m² mit einer Geschwindigkeit von 800 m/min produziert. Dabei werden 3,5 g/m² Stärke pro Seite mit einem typischen Feststoffgehalt von 12,5 % aufgetragen. Der Abstand H beträgt beispielsweise 33,8 mm. Der Abstand D beträgt beispielsweise 30 mm. Bei diesen Einstellungen liegt das Verhältnis F_y" / S_┴ über 1, d.h. die Kraft F_y" ist größer als S_┴. Der Stärkefilm bleibt stabil am Auftreffpunkt der Walze. Die Strahlgeschwindigkeit im Austritt der Düse beträgt 1.4 m/s und steigt auf 1.65 m/s im Auftreffpunkt.
Bei einer Sortenumstellung auf CM mit 130 g/m² wird das Auftragsgewicht auf 3 g/m² reduziert und die Geschwindigkeit auf 1100 m/min erhöht (Einstellungen Nr. 2, Tabelle 1). Der Abstand H liegt beispielsweise bei 34,9 mm. Die Geschwindigkeitserhöhung führt zu einer Verschlechterung des Verhältnisses F_y" / S_┴ um ca. 36 % auf 0.7. d.h. die störende Komponente S_┴ ist größer geworden als F_y". Die Impulskraft F_y" reicht nicht mehr aus, um der störenden Wirkung der Grenzluftströmung entgegenzuwirken. Der Stärkestrahl hebt von der Walze ab. Die Benetzung der Walze wird gestört. Die Beschichtung des Papiers ist nicht mehr möglich.
Um den Beschichtungsvorgang zu stabilisieren, wird die Düse höher positioniert. Der Abstand H zur Walze wird dementsprechend größer (Einstellungen Nr. 3), beispielsweise 99 mm. Bei diesen Einstellungen steigt das Verhältnis F_y" / S_┴ auf 1.6 und es ist deutlich größer als 1, d.h. die störende Komponente S_┴ ist wesentlich kleiner als F_y". Die Impulskraft F_y" reicht bei diesen Einstellungen aus, um die störende Wirkung der Grenzluftströmung zu kompensieren. Der Stärkestrahl hebt von der Walze nicht mehr ab. Die Benetzung der Walze ist wieder hergestellt. Die Beschichtung des Papiers ist bei dieser Einstellung wieder möglich.

Bei niedrigen Walzengeschwindigkeiten wird die Wirkung der Luftgrenzschicht schwächer und das Verhältnis F_y" / S_┴ wird schon bei niedriger Strahlgeschwindigkeit im Austritt der Düse > 1 (Einstellung 4).

Tabelle 1:

Eistellungen	Nr.	1	2	3	4
Papiersorte	-	CM	CM	CM	CM
Flächengewicht	g/m²	160	130	130	170
Geschwindigkeit der Walze	m/min	800	1100	1100	600
Auftragsgewicht pro Seite	g/m²	3.5	3.0	3.0	3
Feststoffgehalt	%	12.5	12.5	12.5	12.5
Spezifischer Volumenstrom, q	l/(min m)	21,6	25,4	25,4	13,9
Strahlgeschwindigkeit im Austritt der Düse	m/s	1.4	1.7	1.7	0.9
Strahldicke im Auftreffpunkt, h	µm	218	225	193	192
Winkel γ	∘	15.7	15.5	17.7	16.1
Winkel β	∘	22.3	20.7	29.2	28
Winkelverhältnis β / γ	-	1.4	1.3	1.65	1.73
Abstand L	mm	22	22	22	22
Abstand D	mm	30	31.7	78.6	24.1
Abstand H	mm	33.8	34.9	99	30.6
Verhältnis H/D	-	1.13	1.1	1.26	1.27
Winkel Position der Düse, φ	∘	45,2	45.2	45.2	45.2
Strahlgeschwindigkeit im Auftreffpunkt	m/s	1.65	1.9	2.2	1.2
Kräfteverhältnis F_y / S_┴	-	1.1	0.7	1.6	1.1

Fig. 7 zeigt unterschiedliche Abstände H des Auslaufspalts B einer Freistrahldüse 1.2 (vgl. Fig. 5 und Fig. 6). Dabei bestimmen vorzugsweise zwei Randbedingungen die Spaltweite h_o des Auslaufspalts B. Eine erste Randbedingung wird durch das Impulsverhältnis am Auftreffpunkt der Auftrefflinie A bestimmt, das vorzugsweise größer als 1 sein sollte. Je kleiner der Düsenspalt ist, desto größer wird der Strahlimpuls. Es liegt also nahe, den Düsenspalt so klein wie möglich zu wählen. Allerdings steigt dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Verstopfungen des Düsenspalts durch Partikel im Auftragsmedium kommt. Die Filterung des Auftragsmediums unterliegt dabei technologischen und wirtschaftlichen Restriktionen. Daher sind Spaltweiten h_o unter 100 µm schwierig darzustellen. Im vorliegenden Beispiel der Fig. 7 wurde beispielsweise mit einer Spaltweite von 250 µm gerechnet. Die Positionierung der Lage der Düse 1.2 mittels Lageverschiebungen, dargestellt durch Doppelpfeile 11 (Abstand H), 13 (Abstand D), und Winkeleinstellungen φ der Freistelldüse 1.2 mit dem Auslaufspalt B (vgl. Fig.5) ergibt sich aus dem vorstehenden Formelwerk.

Numerische Daten der graphischen Darstellung der Fig. 7 sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2:

Eistellungen	Nr.	5	6	7	8	9
Papiersorte	-	CM	CM	CM	CM	CM
Flächengewicht	g/m²	175	170	130	120	115
Geschwindigkeit der Walze	m/min	400	600	800	1000	1200
Auftragsgewicht pro Seite	g/m²	2	2	2	2	2
Feststoffgehalt	%	12.5	12.5	12.5	12.5	12.5
Spezifischer Volumenstrom, q	l/(min m)	6.2	9.3	12.3	15.4	18.5
Strahlgeschwindigkeit im Austritt der Düse	m/s	0.4	0.6	0,8	1.0	1.2
Strahldicke im Auftreffpunkt, h	µm	129	164	188	199	211
Winkel γ	∘	10.8	10.6	10.4	26.4	26.3
Winkel β	∘	41	37.4	33.4	36.9	34.4
Winkelverhältnis β / γ	-	4.0	3.5	3.2	1.4	1.3
Abstand L	mm	20	20	20	20	20
Abstand D	mm	11.4	14.8	17.2	25.4	27.3
Abstand H	mm	23.7	25.5	26.8	31.2	31.8
Verhältnis H/D	-	2.0	1.7	1.6	1.2	1.17
Winkel Position der Düse, φ	∘	38.9	38.9	38.9	45.2	45.2
Strahlgeschwindigkeit im Auftreffpunkt	m/s	0.8	0.9	1.1	1.3	1.5
Kräfteverhältnis F_y / S_┴	-	1.4	1.0	0.9	1.1	1.0

Um den Beschichtungsvorgang zu stabilisieren, kann die Strahlstabilität in der Auftreffzone durch zusätzliche Maßnahmen verbessert werden. Ein Verfahren zur Stabilisierung des Beschichtungsvorgangs mit Blasluftdüsen ist aus den Patentschriften DE 10 2020 117 953 A1 und EP 1 266 093 A1 bekannt. Eine Blasdüse 10.1, 10.2 (Fig. 8) oder eine Reihe von Blasdüsen können in der oberen Position zwischen der Düse und dem Behandlungsspalt angeordnet werden. Die Blasluft wird auf den Auftreffpunkt des Strahls senkrecht zur Walze 4, 5 oder leicht schräg zur Walzentangente gerichtet. Eine Blasdüse wird das Verhältnis von F_y" / S_┴ erhöhen und dadurch die Strahlstabilität verbessern.
Dafür wird das Beschichtungsmedium zwischen dem Behandlungsspalt der Walzen 4, 5 und der Übertragung auf die Bahn mit Luft beaufschlagt. Um den Volumenstrom der störenden Luftgrenzschicht zu minimieren, wird der Abstand L vom Luftsperrschaber 3.1, 3.2 zur Auftrefflinie A des Strahls auf 1 bis 100 mm, vorzugsweise 10 bis 30 mm eingestellt.
Bei dem Auftragsmedium kann es sich um Stärke, Streichfarben, Kunststoffverbindungen wie PVA oder ein Gemisch dieser Medien handeln. Das Streichmedium wird dann im Pressspalt zwischen den Auftragswalzen auf die Papier- bzw. Kartonbahn übertragen. Eine Auftragswalze kann eine harte (beheizte) Walze sein, die mit einem Keramikbezug ausgestattet sein kann. Die andere Auftragswalze kann eine Profilierungswalze sein, die z.B. mit einem harten Keramikbezug oder mit einem weichen Bezug aus Polymer mit einer Härte von 15-30 P&J ausgerüstet ist. Die Auftragswalzen sind gewöhnlich temperiert.
Das neue Verfahren kann für den Stärkeauftrag (Sizing) und für die Pigmentierung (Pigmenting) eingesetzt werden.
Die Stärke wird mit einem Feststoffgehalt zwischen 6 % und 35 %, vorzugsweise zwischen 15 % und 35 %, besonders bevorzugt zwischen 10 % und 25 %, und einer Viskosität zwischen 20 mPa*s und 200 mPa*s aufgetragen. Das Auftragsgewicht liegt im Bereich zwischen 0,2 g/m² und 6 g/m² pro Seite. Auf die Auftragswalze wird ein Film der Stärke im Bereich von 10 ml/m² bis 40 ml/m² aufgetragen.

Claims

Verfahren zum Auftragen eines Auftragsmediums auf eine bewegte Papier- oder Kartonbahn mittels eines Auftragswerkes mit mindestens einer einen Auslaufspalt aufweisenden Freistrahldüse zum Aufbringen des Auftragsmediums in Form eines maschinenbreiten, filmartigen Strahls auf einen laufenden Untergrund, insbesondere mindestens eine Auftragswalze, die in einem Behandlungsspalt, der von der mindestens einen Auftragswalze mit einem Gegenelement gebildet wird, das Auftragsmedium auf die Papier- oder Kartonbahn überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Freistrahldüse zum laufenden Untergrund derart schräg positioniert ist, dass ein Winkel φ zur Senkrechten einer Auftrefflinie der Beschichtung auf den laufenden Untergrund zwischen 5° und 85° liegt, und die Intensität des Strahlimpulses an der Auftrefflinie durch eine durch Gravitation verursachte Fallbeschleunigung des Strahls durch eine einstellbare Wirkhöhe H von dem Auslaufspalt der Freistrahldüse verstärkt wird, wobei eine Nutzung einer Strahlkrümmung auf einer Streckenlänge über den Winkel φ modulierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlkrümmung auf einer Streckenlänge bestimmt wird durch einen Strahlaustrittswinkel γ zwischen einem austretenden Strahl am Auslaufspalt der Freistrahldüse und der Tangente an der mindestens einen Auftragswalze zur Auftrefflinie und einem Strahlauftreffwinkel β zwischen der Tangente eines auf die Auftragswalze auftreffenden Strahls und der Tangente an der Auftragswalze an der Auftrefflinie.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Strahlauftreffwinkels β zum Strahlaustrittswinkel γ aus der Düse im Bereich zwischen β / γ = 1 und 6, vorzugsweise zwischen β / γ = 1 und 3 gewählt wird, um die Intensität des Strahlimpulses an der Auftrefflinie an spezifische Volumenströme des Auftragsmediums anzupassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β als Funktion der Bahngeschwindigkeit, Viskosität / Feststoffgehalt, Volumenstrom des Auftragsmediums einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlauftreffwinkel β im Bereich zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 20° und 60°, besonders bevorzugt zwischen 10° und 40° gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlaustrittswinkel γ aus der Düse im Bereich zwischen 10° und 45°, vorzugsweise zwischen 15° und 35° gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α im Bereich zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 15° und 45° gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragsmedium Stärke, Leim oder Streichfarbe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkhöhe H vom Auslaufspalt der Düse zur Auftragswalze und der Strahlaustrittswinkel γ derart gewählt werden, dass die Wirkhöhe H zwischen 10 mm und 300 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 100 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Luftgrenzschichtentfernung der Auftrefflinie des Strahls auf der Auftragswalze vorgeordnet ist mit einem Abstand L von 1 bis 100 mm, vorzugsweise 10 bis 30 mm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel φ zur Senkrechten einer Auftrefflinie der Beschichtung auf den laufenden Untergrund zwischen 30° und 70° liegt und das Verhältnis der Abstände (H) und (D) am Auslaufspalt (B) gegenüber der Auftrefflinie (A) der Auftreffposition (12) als H/D < 3 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragsgewicht des Auftragsmediums im Bereich zwischen 0,2 - 15 g/m² pro Seite der Papier- oder Kartonbahn liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Papier- oder Kartonbahn nach oben oder nach unten verlaufend beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkhöhe H eine senkrechte Höhendifferenz zwischen Bezugshorizontalen, von denen die eine die Mündung (B) des Auslaufspalts der Freistrahldüse (1) und die andere die Auftrefflinie (A) auf der Oberfläche des Untergrunds schneidet, ist.
Vorrichtung zum Auftragen mindestens eines flüssigen oder pastösen Auftragsmediums mittels eines Freistrahlauftragswerks auf einen laufenden Untergrund, wobei der Untergrund bei direktem Auftrag die Oberfläche einer Papier-, Karton- oder anderen Faserstoffbahn und bei indirektem Auftrag die Oberfläche eines Übertragungselements, insbesondere eine Auftragswalze (4, 5), ist, die das Auftragsmedium an die Oberfläche der Faserstoffbahn (9) überträgt, insbesondere in einem Behandlungsnip (N), und das Freistrahlauftragswerk mindestens eine einen Auslaufspalt (B) zur Abgabe eines Mediumstrahls (2.1, 2.2) aufweisende Freistrahldüse (1.1, 1.2) aufweist, die den Mediumstrahl (2.1, 2.2) filmartig auf die Oberfläche des Untergrunds aufbringt und dort in einer Auftrefflinie (A) eine gewünschte Breite einer Auftragsschicht erzielt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Einstellung der Intensität des Strahlimpulses des Mediumstrahls (2.1, 2.2) in der Auftrefflinie (A) angeordnet ist, wobei die Einrichtung als Positioniersystem für Lage- und Winkelverschiebungen (11, 13, 18) der Freistrahldüse (1.1, 1.2) gegenüber dem Untergrund ausgebildet ist, wobei eine Bezugsrichtung zur Beschreibung der momentanen Orts- und Winkellage der Freistrahldüse (1.1, 1.2) gegenüber der Auftrefflinie (A) durch das Gravitationsfeld gegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung einer wählbaren Strahlkrümmung auf einer Streckenlänge des Mediumstrahls das Positioniersystem für Lage- und Winkelverschiebungen (H, D, φ) der Freistrahldüse (1.1, 1.2) eine Höhen- und/oder Längsverstellung (11, 13) der Freistrahldüse (1.1, 1.2) in Richtung der Maschinenlaufrichtung (14) gegenüber dem Untergrund in einem schwerkraftorientierten Bezugssystem ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerkraftorientierte Bezugssystem mit Systemen räumlicher kartesischer Koordinaten (x, y, z; x', y', z') ausgebildet ist, von denen (x, y, z) ein Ursprung für die Winkelverschiebung (φ) in einer Mündung des Auslaufspalts (B) der Freistrahldüse (1.1, 1.2) und ein anderer (x', y', z') für die Lageverschiebung (H, D) in der Auftreffposition (12) auf der Oberfläche des Untergrunds liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige X-Achse so gerichtet ist, dass ein Rechtssystem oder Linkssystem gebildet ist und die Lotrichtung durch die schwerefeldbezogene örtliche Lotrichtung festgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Freistrahldüse (1.1, 1.2) gegenüber der schwerefeldbezogenen örtlichen Lotrichtung um einen Winkel φ schräg gestellt angeordnet ist, der in einem Bereich von 5° bis 85°, vorzugsweise von 30° bis 70° liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Positionierung der Freistrahldüse (1.1, 1.2) die Impulskraft des Strahls (2.1, 2.2) in der Auftreffposition (12) abhängig von den Beschichtungsparametern größer gewählt ist als eine Impulskraft auf der Rückseite der Strahloberfläche aufgrund eines Staudrucks durch eine Luftgrenzschicht auf dem laufenden Untergrund.